余热锅炉入 口烟道结构优化设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com第46卷第4期锅炉技术V01．46，NO．42015年7月B0ILERTECHN0L0GYJuly．，2015余热锅炉入口烟道结构优化设计陶璐，赵伶玲，赵长遂(东南大学能源与环境学院能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096)摘要：为改善余热锅炉入VI流场均匀性，应用三维CFD计算模型，对某台燃气轮机余热锅炉的过渡烟道进行了结构优化数值模拟，对烟道长度、前上仰角段长度、后部水平段长度和前上仰角角度4个结构参数进行了优化设计，并针对其优化效果的不足提出了一种新型过渡烟道(s型引导扩散烟道

2、)。结果表明：原烟道长度与烟道底面倾斜角有关，影响气流扩散剧烈性；前上仰角角度决定气流在前上仰角段的扩散趋势；前上仰角段长度关系到气流扩散的充分性；后部水平段长度对气流扩散无明显影响；参数优化未改变在烟道底部形成一股高速主气流的弊端，需对烟道结构进行改进；新型(s型引导扩散)过渡烟道将气流引导至相对余热锅炉入口中心的位置后进行双向扩散，回流区和高速区减小，明显改善流场均匀性，具有广阔的研究前景。关键词：余热锅炉；过渡烟道；数值模拟；流场均匀性；结构优化中图分类号：TK229．929文献标识码：A文章编号：16724763(2015)04—

3、001206图1所示。燃气轮机产生的烟气由过渡烟道圆0前言形入口平面(图1(a))进人烟道，从后方矩形平面2O世纪9O年代以来，燃气一蒸汽联合循环发离开烟道进入余热锅炉。由于入口烟速较高，烟电技术在全世界得到了快速发展l_1]。余热锅炉气在烟道内形成底部气流流速高，顶部流速低的(HRSG)处于燃气轮机和蒸汽轮机之间，是系统分布状态；底部和顶部之间速度梯度大，在烟道整体优化和各主要子系统匹配的关键设备]。中部及上部产生较强卷吸流，几乎全为回流区。燃气轮机出口与余热锅炉受热面人口的尺寸相因此，烟道内部及烟道出口(余热锅炉人口)处流差很大，且后

4、者往往位于前者上方，会造成余热场极不均匀。锅炉人口流速不均的现象，这对过渡烟道的设计提出了较高的要求。烟道结构直接影响余热锅炉的性能及寿命。合适的过渡烟道结构可改善锅炉各受热面烟气流动的均匀性，提高管束换热性能；减小高速气流对管束的冲刷，避免管束产生震动。此外受到场地与经济条件的限制，过渡出口平面)烟道不宜过长]。因此，合理设计过渡烟风道具有重要的研究意义。(a1过渡烟道结构模型本文对某台燃气轮机余热锅炉过渡烟道进l，行了结构优化的数值模拟，探讨了烟道长度、前Lz上仰角段长度、后部水平段长度和前上仰角角度对流场均匀性的影响，并针对参数优化

5、后存在的问题提出可获得更佳流场均匀性的S型引导扩散烟道结构。1过渡烟道模型及方案(b)烟道结构参数示意图某台燃气轮机余热锅炉过渡烟道的设计如图1某台燃气轮机余热锅炉过渡烟道结构示意图收稿日期：2014—09—16作者简介：陶璐(1990一)，女，硕士研究生，主要从事各相流动的数值模拟研究。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com14锅炉技术第46卷分布(无5m／s以上流速区)。但在高度方向中由图4可知，当z一2．5m或z一3m时，心线最底端的高速气流流速却随着烟道长度减高度方向中心线流速分布很相似，顶部存在

6、小而增加，说明下表面倾斜角的增大引起底部气5m／s以上气流区；当z一2m时，中心线顶部流d

7、Ⅱ、，略流的剧烈上冲，导致烟道—底g部气蜒流晕流—速0增一大，会速有所降低，5m／s以上流速区占总高度比例下加剧对余热锅炉底部管∞束∞的磨∞损。∞因O此烟道长降约4；当z一5m时，中心线上最大回流速度度不可过短，需在合适范围内取值。明显增加，顶部流速低，无5m／s以上流速区。因此，前上仰角段长度关系到气流向上扩散效果，过短时气流扩散不充分，过长导致两段仰角段分配不合适，烟道中部回流严重，顶部气流流速降低，其值需在合适的范围内选取。根据表1，一3m时

8、的余热锅炉人口平面一高速区S>50占总面积比例较-z一2．5m大，r^⋯’’’l回流区说明底部高速区有所扩展，对余热锅炉管束的冲51Ol52025受热面高度y／m刷会较严重。故综合考虑选择优化后的前上仰图3余热锅炉入口中心线(z—o)上沿高度流速分布角段长度===2．5m。各结构方案详细的流场参数列于表1，包括表1各烟风道结构的HRSG入口速度均匀性参数表流速参数最大流速、最大回流速度，余热锅炉人口平面回各烟道结构⋯S≤oS>5S>5o流区(≤Om／s)占总面积比例(S≤0)，高速区／(m·s)／(m·S)／／／(V>50m／s)占总面积

9、比例(s>50)等参数。由烟78O．88．346．934．29．1于过低的流速不利于换热，且改善结构后5m／s道8．275．17．947．233．88．7长以上流速区分布变化明显，因此选择、／