CN103486602B - 燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在燃气轮机余热锅炉中使用的过渡烟道，过渡烟道为三级扩散导流设计。该过渡烟道包括顺序连接的渐扩型引导烟道（2）、圆-方转换水平烟道（3）、渐扩喷咀型扩散烟道（4）、线性型扩散烟道（5）；燃气轮机烟道出口（1）与渐扩型引导烟道（2）的进口连接，余热锅炉烟气进口（6）与线性型扩散烟道（5）的出口连接，在线性型扩散烟道（5）的进口设有沿气流方向设置的中心导流板（7）。本发明能使燃气轮机出口的高速烟气在过渡烟道内实现四周扩散，逐级导向，减少边界层的分离和回流区的产生，从而提高过渡烟道内和余热锅炉进口截面烟气流动的均匀性。

Description

燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道

技术领域

本发明应用于燃气轮机余热锅炉领域中，具体是涉及一种有效提高余热锅炉进口平面速度均匀性的过渡烟道。

背景技术

燃气轮机出口与余热锅炉受热面之间往往需用过渡烟道相连。燃气轮机出口和余热锅炉受热面进口两者之间的尺寸相差很大，且前者处于相对后者下端的不利位置。传统过渡烟道结构设计成上表面为两段仰角段，下表面为具有一定倾斜角的平面，完成进口到出口的空间扩张。上述结构导致烟道内烟气的流动状况不佳，烟气一般以60～150m/s、甚至200m/s的流速进入过渡烟道的进口平面，随后在过渡烟道底部形成一股高速主气流，而烟道中、上部相当大区域内流速很低，一般小于5m/s，并且由于速度梯度很大，在余热锅炉进口平面产生了很强的卷吸气流，且在中上部附近形成较大的旋涡，从而形成大范围的回流区，造成余热锅炉各受热面内烟气流动分布极不均匀。由于余热锅炉的换热效率与进入其烟气的流动均匀性相关，在进口平面流速分布越均匀，余热锅炉的换热效率越高。这种烟气进口流场的不均匀性，严重影响余热锅炉管束换热性能，使其达不到设计指标。此外，当流速不均时，在余热锅炉的进口部位面对局部高速的换热管束将受到很大的冲击，既会遭受管子磨损，还会因流体冲击而发生管束振动，甚至造成振动损坏，这对余热锅炉的性能及寿命都产生巨大的不良影响。

目前解决余热锅炉进口烟气流动不均匀性问题的措施有：

1.在烟道的上表面布置一个拐点来调整烟道上表面的仰角，把上表面分为30°和50°前后两段，使得出口截面的速度最大值有所下降，贴近烟道上表面的回流区面积减小，但改善效果不明显。

2.在过渡烟道下表面处靠近过渡烟道进口(燃气轮机出口)位置添加导流板(3片)，通过导流板的强迫流动，使原来的一股紧贴烟道下表面的主气流分成3股气流布满整个烟道的出口截面，最大速度降低，最小速度提高，平均速度降低，速度均方差也降低，使烟气在烟道内烟气流动的均匀性增加。但该区域导流板尚有不足之处：烟道的最下部相对于其他区域烟气流速较大，易集中冲击底部管束；当烟道进口气流速度很高时，导流板需承受的冲击较大。

3.在过渡烟道下表面上、面对高速气流区加装栅格挡板，以强迫部分气流向过渡烟道上部的低速气流区重新分配。该栅格挡板由大口径管组合而成，结构复杂，维护困难，而且，栅格也容易遭受冲击和磨损。此外，栅格挡板的装设增加了烟气的流动阻力，使燃气轮机出口压力提高，降低了燃气轮机的发电功率。

总之，现有的过渡烟道设计，高速气流多是从相对于余热锅炉进口受热面的下端进入，阻碍了气流的扩散，在余热锅炉进口处高速气流仍是集中在底部，致使速度分布极不均匀；或者为均匀过渡烟道上下区域的烟气流而明显增加烟气的阻力，使燃气轮机的发电功率降低。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，旨在改善余热锅炉本体进口烟气流动的均匀性，以提高余热锅炉受热面的换热效果；降低烟道下部气流的局部高速，减小管束冲击造成的振动和下部管束的磨损，以保护下部管束。

技术方案：本发明解决上述问题所采用的新的技术方案如下。

本发明的燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道包括顺序连接的渐扩型引导烟道、圆-方转换水平烟道、渐扩喷咀型扩散烟道、线性型扩散烟道；燃气轮机烟道出口与渐扩型引导烟道的进口连接，余热锅炉烟气进口与线性型扩散烟道的出口连接，在线性型扩散烟道的进口设有沿气流方向设置的中心导流板。

渐扩型引导烟道，进口为圆形，与燃气轮机烟道出口连接，形状与其相同；出口为圆形，直径比进口增加，增加比例在1.1～2倍范围内；进口中心与燃气轮机烟道出口的中心位置相同，而出口中心与余热锅炉烟气进口的中心位置高度相同，二者不在同一水平面，且出口中心高于进口中心，为非水平烟道；侧表面采用光滑流线型结构，将进口与出口连接；竖直方向的截面为一系列尺寸按比例增加的圆，形成渐扩结构。

圆-方转换水平烟道，进口为圆形，与渐扩型引导烟道的出口连接，形状与其相同；出口为矩形，形状与余热锅炉进口相似且按一定比例缩小，缩小比例为0.3～0.7；进口与出口的中心在同一水平线，构成水平烟道；沿水平方向矩形出口的四边分别与对应于四边中点的圆形进口的四等分点相连，形成四个等腰三角形平面，四个等腰三角形平面之间用曲面光滑无缝连接，形成圆-方转换水平烟道的侧表面，形成圆-方转换。

渐扩喷咀型扩散烟道，进口与圆-方转换水平烟道的出口连接，形状与其相同；出口为与进口形状相似的矩形，但尺寸按比例放大，放大比例为1.1～1.3；进口与出口的中心在同一水平线，构成水平烟道；竖直方向截面为一系列中心位置高度相同而尺寸按曲线方程增加的矩形，构成四面为光滑曲面的侧表面，形成喷咀结构。

线性型扩散烟道，进口与渐扩喷咀型扩散烟道的出口连接，形状与其相同；出口与余热锅炉烟气进口连接，形状与其相同；进口与出口的中心在同一水平线，构成水平烟道；竖直方向截面为一系列中心位置高度相同而形状相似且按比例线性增加的矩形，构成四面为平面的侧表面，形成四棱台结构。

中心导流板，安装于线性型扩散烟道进口内侧，数目为2、4、6或8个，在竖直方向以渐扩喷咀型扩散烟道的水平中心平面为基准，上下对称排布于线性型扩散烟道进口处，导流板与渐扩喷咀型扩散烟道的水平中心平面的倾斜角度在10°～70°以内，从中心平面向上下两侧依次对称增加。

该过渡烟道包括三级扩散：

第一级为渐扩型引导烟道，该引导烟道将燃气轮机烟道出口由较低位置引导到余热锅炉烟气进口的对称中心位置，为烟气流沿余热锅炉烟气进口的均匀扩散和分配(高度方向和宽度方向)创造条件。烟气流沿引导烟道的流向逐渐扩散。引导烟道为圆形截面曲线烟道，其光滑流线型结构可使烟气流沿壁面流动时减少边界层的分离和逆向回流的产生。

第二级包括圆-方转换水平烟道和渐扩喷咀型扩散烟道两部分，实施烟气流的进一步扩散。水平烟道一方面进行烟道的圆－方形转换，以适应余热锅炉的矩形进口截面的要求，同时引导上级引导烟道的斜向气流向水平气流转变，两者均有利于烟气流在余热锅炉进口截面上的均匀分配。渐扩喷咀型扩散烟道呈流线型扩散结构，可减少沿壁面的边界层分离和逆向回流的产生。

第三级为线性型扩散烟道，实现烟气流的最终扩散，其进口截面与渐扩喷咀型扩散烟道的出口截面相同，出口则与余热锅炉烟气进口相连接。渐扩喷咀型扩散烟道、线性型扩散烟道组成无台阶的均匀扩散结构。

当燃气轮机烟道出口与余热锅炉烟气进口在尺寸上相差巨大和位置上不对称时，本发明的三级均流扩散烟道可实现气流的理想过渡和均匀分配。

有益效果：本发明与现有的关于过渡烟道的改进，如改变上表面仰角并加装导流板，在烟道底部直接加栅格挡板等技术方案相比有如下优点和改进：

1.结构简单，通过渐扩引导烟道将气流引至相对出口中心位置，改变了现有气流在相对出口底端单向扩散的状况，可实现气流的四周均匀扩散，有利于烟道内气流速度均匀分配。

2.本过渡烟道可引导燃气轮机出口高速气流逐步降低速度，并均匀分配给余热锅炉进口，提高了余热锅炉工作的经济性和安全性；

3.本发明气流阻力小。过渡烟道内任何挡板设备都会造成较大流动阻力，从而导致过渡烟道进口(即燃气轮机出口)压力提高，使燃气轮机发出的功率下降。因此，不设挡板装置的本发明，与具有挡板装置的烟道相比，燃气轮机的功率可以提高。因此，本装置还是一个节能设备。

4.本发明与现有过渡烟道相比，钢材耗用量低，在相同总烟道长度的情况下，本发明的钢材使用量可减少5～20％，节约了制造成本。

附图说明

图1是本发明三级扩散过渡烟道的二维示意图，

图2是模拟得到的沿烟气流动方向速度剖面图，

图3是余热锅炉烟气进口6的速度分布图，

图4是采用本发明三级均流扩散过渡烟道未加中心导流板时沿烟气流动方向速度分布的模拟结果，

图5是本发明过渡烟道加装中心导流板后余热锅炉烟气进口速度分布的模拟结果。

其中有：燃气轮机烟道出口1，渐扩型引导烟道2，圆-方转换水平烟道3，渐扩喷咀型扩散烟道4，线性型扩散烟道5，余热锅炉烟气进口6，中心导流板7。

具体实施方式

本发明是一种在燃气轮机余热锅炉中使用的三级均流扩散过渡烟道，该过渡烟道包括顺序连接的渐扩型引导烟道2、圆-方转换水平烟道3、渐扩喷咀型扩散烟道4、线性型扩散烟道5；燃气轮机烟道出口1与渐扩型引导烟道2的进口连接，余热锅炉烟气进口6与线性型扩散烟道5的出口连接，在线性型扩散烟道5的进口设有沿气流方向设置的中心导流板7。本发明中渐扩引导烟道2可以为渐扩变直径圆形管道，也可以为等直径圆形管道；圆－方转换水平烟道3亦可为渐扩型；本发明可在过渡烟道中心加装中心导流板7，也可以不使用该装置。在本实施例中，采用了渐扩型引导烟道2和圆-方转换水平烟道3的设计。

本发明的关键技术为三级扩散导流设计，可实现对高速烟气的引导、均流作用，从而改善余热锅炉烟气进口6截面的速度分布均匀性。

渐扩型引导烟道2可使烟气流通截面增大至燃气轮机烟道出口1的1.1～2.0倍，并将气流引至相对于余热锅炉烟气进口6的中心位置，奠定了气流向四周均匀扩散的基础；圆-方转换水平烟道3，渐扩喷咀型扩散烟道4，线性型扩散烟道5实现了引导气流进一步扩散和均流的导向作用；中心导流板7可焊接在过渡烟道内，辅助实现气流在过渡烟道内的均匀分配，从而改善由于过渡烟道进出口尺寸差别较大，烟气流速过高而造成的烟气单向扩散和对余热锅炉烟气进口局部集中冲击的现象。

在形状、构造及其结合上，本发明与最接近的现有技术共同的必要技术特征是：过渡烟道的进口和出口截面的形状和尺寸是确定的，两者之间有固定的相对位置。

结合具体的案例，应用Fluent商业软件对某现有传统过渡烟道及本发明的过渡烟道内烟气流动进行数值模拟，分析模拟结果，对本过渡烟道采取的技术方案的效果及优势作进一步的说明。

过渡烟道进口烟气流速为68m/s，沿z轴正方向流动。对于传统过渡烟道，即烟道上表面为两段上仰角不同的平面，下表面为与z轴正方向有一定倾斜角的平面的烟道模型，模拟得到的沿烟气流动方向速度剖面图和余热锅炉烟气进口6的速度分布分别示于附图2和3。

由附图2和3可见，在传统过渡烟道的出口截面上，主气流区的范围很小，集中在出口截面底部，流速很高，在55～65m/s之间，最高流速达65.4m/s。速度达到50m/s的高速气流区覆盖面积比例高达10.1％，对余热锅炉底部管排的冲击很大。烟道出口气流平均流速为7.6m/s，速度标准差为21.4m/s，在出口截面上，气流速度大于2m/s的烟道出口面积占总出口截面面积的比例为35％，该区域换热效率较高；出口截面大面积的回流区所占比例高达40％，该区域速度为负值，换热效率极低；其余为上部流速很小(0～2m/s)的区域，换热效率较低；最大回流速度达-9.3m/s。由此可见，采用传统过渡烟道时，在余热锅炉进口平面内，烟气的流动很不均匀，可参与换热的气流流经区域小，导致锅炉换热性能不佳。

采用本发明三级均流扩散过渡烟道未加中心导流板时沿烟气流动方向速度分布的模拟结果如附图4所示。气流在渐扩型引导烟道均匀分布，将气流引至相对于出口平面的中心；紧接着由圆－方转换水平烟道、渐扩喷咀型扩散烟道和线性型扩散烟道将高速烟气流流通截面逐渐扩大，速度均匀分布，流速下降进入线性型扩散烟道。本发明过渡烟道加装中心导流板后余热锅炉烟气进口速度分布的模拟结果示于附图5。在烟道出口截面上，整个截面的绝大部分区域气流速度处于15～35m/s之间，没有过高的局部流速。因此，降低了对余热锅炉管排的局部冲刷。出口气流平均流速为26m/s，速度标准差为14.2m/s，速度标准差比传统过渡烟道降低了34％，速度更趋于均匀。在出口截面处，气流流速大于2m/s的高效换热区域覆盖面积达77％，只在两侧存在几小块分散的小回流区，与传统过渡烟道相比，高效换热区域面积增加了1.2倍；极低换热效率的回流区域面积约仅占17.8％，不到传统过渡烟道的1/2；最大回流速度-4.8m/s，降低了48％。因此，与传统烟道相比，本发明的三级扩散过渡烟道大幅度提高了余热锅炉进口平面(过渡烟道出口平面)的烟气流速均匀性，使得高效换热区增加，回流区域减少，增大了可参与余热锅炉高效换热的换热面积，提高了换热性能。同时，气流速度均匀性的提高，降低了气流的最大流速，减小了极高速度区域面积，降低了局部高流速气流对换热管的冲击，并减少了因气流冲击而发生的换热管的振动和损坏，延长了换热管的使用寿命。

Claims (6)

1.一种燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，其特征在于该过渡烟道包括顺序连接的渐扩型引导烟道(2)、圆-方转换水平烟道(3)、渐扩喷咀型扩散烟道(4)、线性型扩散烟道(5)；燃气轮机烟道出口(1)与渐扩型引导烟道(2)的进口连接，余热锅炉烟气进口(6)与线性型扩散烟道(5)的出口连接，在线性型扩散烟道(5)的进口设有沿气流方向设置的中心导流板(7)。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，其特征在于渐扩型引导烟道(2)，进口为圆形，与燃气轮机烟道出口(1)连接，形状与其相同；出口为圆形，直径比进口增加，增加比例在1.1～2倍范围内；进口中心与燃气轮机烟道出口(1)的中心位置相同，而出口中心与余热锅炉烟气进口(6)的中心位置高度相同，二者不在同一水平面，且出口中心高于进口中心，为非水平烟道；侧表面采用光滑流线型结构，将进口与出口连接；竖直方向的截面为一系列尺寸按比例增加的圆，形成渐扩结构。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，其特征在于圆-方转换水平烟道(3)，进口为圆形，与渐扩型引导烟道(2)的出口连接，形状与其相同；出口为矩形，形状与余热锅炉进口(6)相似且按一定比例缩小，缩小比例为0.3～0.7；进口与出口的中心在同一水平线，构成水平烟道；沿水平方向矩形出口的四边分别与对应于四边中点的圆形进口的四等分点相连，形成四个等腰三角形平面，四个等腰三角形平面之间用曲面光滑无缝连接，形成圆-方转换水平烟道(3)的侧表面，形成圆-方转换。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，其特征在于渐扩喷咀型扩散烟道(4)，进口与圆-方转换水平烟道(3)的出口连接，形状与其相同；出口为与进口形状相似的矩形，但尺寸按比例放大，放大比例为1.1～1.3；进口与出口的中心在同一水平线，构成水平烟道；竖直方向截面为一系列中心位置高度相同而尺寸按曲线方程增加的矩形，构成四面为光滑曲面的侧表面，形成喷咀结构。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，其特征在于线性型扩散烟道(5)，进口与渐扩喷咀型扩散烟道(4)的出口连接，形状与其相同；出口与余热锅炉烟气进口(6)连接，形状与其相同；进口与出口的中心在同一水平线，构成水平烟道；竖直方向截面为一系列中心位置高度相同而形状相似且按比例线性增加的矩形，构成四面为平面的侧表面，形成四棱台结构。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机余热锅炉三级均流扩散过渡烟道，其特征在于中心导流板(7)，安装于线性型扩散烟道(5)进口内侧，数目为2、4、6或8个，在竖直方向以渐扩喷咀型扩散烟道(4)的水平中心平面为基准，上下对称排布于线性型扩散烟道(5)进口处，导流板与渐扩喷咀型扩散烟道(4)的水平中心平面的倾斜角度在10°～70°以内，从中心平面向上下两侧依次对称增加。