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1000MW机组冷一次风道数值模拟优化设计


1000MW 机组冷一次风道数值模拟优化设计 摘要:冷一次风道是电站系统中的关键结构,合理的布置可以 实现优化流场、减少噪音,节省风机出力。但由于现场位置所限, 风机进出口风道经常出现急转弯头和异形件,如果设计不当则会产 生较大的阻力甚至由于出现湍流而引起风道的震动,本文在某工程 风道设计中,对风机出口段冷一次风道进行了数值模拟分析,通过 对风道各零部件的对比选型,寻找了最优的零部件组合,从而实现 了该风道的优化设计。 关键词:冷一次风道;数值模拟;设计 1 概述 风道是电厂的重要组成部分,分布广泛,其设计在电站设计中占 有非常重要的地位。风道的设计与选型应严格遵循 dl/5121-2000 《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》[1]进行,合理选取风 道的流速、截面。但由于现场布置的局限,风道往往弯角较多,截 面变化大,特别是冷一次风道,由于流动介质温度低,压力高,引 起气流脉动的驻波频率较低,更容易发生湍流和振动[2]。 目前在火电厂锅炉及烟风道的设计中,已经有了数值模拟方面的 应用[3,4],有些集中在整个烟风道的流量分配[5,6],还有一些则 集中为某一个或两个异形件的阻力情况分析[7]。但是在电厂烟风 道的布置中,零件的选择与整个风道的流场是密不可分的,零件的 选择一方面要考虑现场布置的要求,同时还要考虑不同零件组合时 对流场的影响,因此烟风道的数值模拟设计需要综合考虑总体布置 和零部件选择。 本文在某电厂 2×1000mw 机组的冷一次风道设计过程中,利用数 值模拟的方法得到了该段风道内流场分布情况,使设计效果一目了 然,同时通过风道中零部件的优化选型,选取最有利于流动的零件 组合,实现风道内部较好的流场分布。 2 数学物理模型 2.1 几何模型 本文以某电厂 2×1000mw 机组的一次风机出口段管道为模型,由 于现场布置的局限, 该段管道自风机出口, 先后经过方圆节扩散段、 90°弯头和直管段,整个风道截面变化大,流动较为复杂。本文按 照 1:1 比例建模,为简化计算,在模型建立时,忽略了风道内贴 角钢以及内撑杆连接板、衬板对流动的影响。风道入口截面内径 d=2586mm,出口风道内壁尺寸为 3392×3392mm,弯头处弯曲半径 r=2862mm,支管段长度为 3800mm。 图 2.1 冷一次风道几何模型 2.2 计算模型与边界条件 模拟计算中采用标准 k-ε 模型模拟稳态的三维气体流动,求解方 法为非耦合求解、一阶迎风差分格式,压力修正基于 simple 算法, 模型边界条件入口选择控制流量=140kg/s,出口控制压力为 13.5kpa,边界条件中各个参数的确定可以由以下计算式得出[8]: 湍流强度 i 按下式计算: (2-1) 其中,和分别为湍流脉动速度与平均速度, 为按水力直径 dh 计算 得到的雷诺数。 湍流尺度长度按下式计算:l=0.07l(2-2) 这里,l 为关联尺寸。湍动粘度比μ l/μ 正比于湍动 re 数,一般 可取 1<μ l/μ <10。修正的湍流粘度按下式计算: (2-3) 湍动能 k 按下式计算: (2-4) 如果已知湍流长度尺度 l,则湍动耗散率ε 按下式计算: (2-5)式 中,取 0.09。如果已知湍动粘度比,则湍动耗散率ε 按下式计算: (2-6) 3 流场分析 本文结合该风道的布置特点,从方圆节扩散角度、弯头有无导流 板、直管段是否加内撑杆三个方面,对风道进行建模比较,表 3.1 为流场对比所需要的集中模型。 表 3.1 模型列表 3.1 方圆节扩散角度的影响 按照 《烟风

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