论文总字数：24984字

摘 要

：为了减少污染物的排放，电厂须配备除尘系统对排烟中的污染物质进行收集，并应保持除尘系统长期稳定高效运行。除尘器是电厂中重要的除尘设施，灰斗则是除尘器中重要的储灰设备，灰斗的正常储灰和出灰对整个机组的稳定运行和达到环保标准都至关重要。

灰斗的正常运行要求采取连续加热措施，以防止灰分因固化和凝结而导致灰斗堵塞。目前灰斗的加热系统需加装自动控温装置，在灰斗恶劣的工作环境下，自动控温装置将严重降低系统的运行可靠性。本文设计出一种基于PTC材料的除尘器灰斗电加热器，加热元件本身具有温度自调节能力，无需配备自动控温系统，有效提高了系统的安全性和可靠性。

本文通过对PTC材料进行阻温特性测量实验，掌握了PTC材料的工作特性，据此建立了PTC加热元件加热功率随温度变化的数学模型。在此基础上，通过Fluent软件用户自定义函数建立了反映PTC元件自控温特性的加热功率计算模型。

本文以600MW超临界机组静电除尘器灰斗为研究对象，利用ICEM软件几何建模和网格生成功能建立了灰斗的三维计算模型。基于Fluent软件能量控制方程和瞬态算法，实现了对基于PTC电加热器的灰斗非稳态加热过程的数值模拟。

最后，本文根据数值计算结果，对加热片分布进行优化设计，通过对多种设计方案计算结果的分析比较，确定了以350mm等间隔分布方案作为加热片的设计方案。

关键词：灰斗；加热器；PTC材料；优化设计

Study on Optimization Design of Precipitator Ash Hopper Heater Based on PTC

03012411 Changshuo Wang

Supervised by Jianming Yang

Abstract：In order to reduce emissions of pollutants, power plants should be equipped with smoke removal system for the collection of pollutants, and the dust removal system shall be maintained long-term, stable and efficient operation. Precipitator is important dust removal facility in coal-fired power plants, and ash is the important ash storage equipment of precipitator, it’s essential for the stable operation of the unit and achieving environmental protection standard to ensure that it storage and discharge ash normally.

The normal operation of the ash hopper requires continuous heating measures, in order to avoid ash curing and condensation, causing hopper blockage. Currently the ash hopper heating system should be equipped with automatic temperature control device. In the poor working conditions of hopper, automatic temperature control device will seriously reduce the operation reliability of the system. This paper designs a kind of precipitator ash hopper electric heater based on PTC materials. The heating element has temperature self-adjustment ability itself, don’t need to be equipped with automatic temperature control system. So it effectively improves the security and reliability of the system.

The operating characteristic of PTC material is measured through experiment. According to this, the mathematical model of heating power changing with temperature is established. On this basis, the calculation model of heating power which reflects the Self-Regulating performance of PTC element is established through the UDF function of Fluent software.

This paper takes the electrostatic precipitator ash hopper of 600MW Supercritical Unit as the research object. A three-dimensional calculation model of hopper is established with the use of geometric modeling and mesh generation function of ICEM software. Based on the energy control equation and transient algorithm of Fluent software, this paper achieves the numerical simulation of unsteady heating process of hopper heater based on PTC element.

Finally, according to numerical calculations results, Optimize the design of the heating chip distribution. By analyzing and comparing the calculation results of a variety of design schemes, determine the interval distribution of 350 mm as heating chip design scheme.

Key words: hopper, heater, PTC material, optimal design

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 除尘器灰斗简介 1

1.2.1 除尘器灰斗作用 1

1.2.2 灰斗堵塞现象 2

1.2.3 灰斗加热 2

1.3 课题研究现状 3

1.4 课题的主要研究内容 4

第二章 PTC加热元件工作特性的测定与建模 5

2.1 PTC材料简介 5

2.1.1 PTC材料发展概述 5

2.1.2 PTC材料的阻温特性 5

2.2 PTC阻温特性的实验测量 6

2.2.1 实验原理与方法 6

2.2.2 实验结果 7

2.3 PTC加热元件工作特性计算模型的建立 9

2.3.1 Fluent软件UDF函数简介 9

2.3.2 PTC元件计算模型的建立 9

2.4 本章小结 10

第三章 灰斗三维传热模型的建立 11

3.1 灰斗物理模型 11

3.2 网格划分 12

3.3 数值计算基础 14

3.3.1 计算流体力学简介 14

3.3.2 计算流体力学优缺点 14

3.3.3 能量方程 14

3.4 Fluent求解器设置 16

3.4.1 材料属性设置 16

3.4.2 边界条件设置 16

3.5 本章小结 17

第四章 数值模拟结果分析与优化设计 18

4.1 数值模拟结果及分析 18

4.2 加热片分布优化设计 20

4.3 本章小结 25

第五章 结论与展望 26

5.1 本文的主要工作 26

5.2 展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪论

选题背景及意义

我国的能源供应结构以煤炭为主，每年因燃煤发电产生了大量的污染物质，对环境造成了严重破坏，电力工业在迅猛发展的同时也对我国环境造成了巨大的压力。近年来，我国逐步加大环保力度，环保标准日益严格，对电厂也提出了更高的环保要求。因此，提高燃煤电厂污染物处理能力、实现电力高效清洁生产就显得尤为重要。

为了有效控制污染物质的排放，燃煤电厂须配备高效除尘系统对排烟中的粉尘和飞灰进行收集和处理。除尘器作为燃煤电厂中重要的除尘设施，除尘效率可达99%以上，对于保证机组稳定运行和清洁生产具有重要意义。灰斗则是静电除尘器中暂时储灰的设备，其正常储灰和出灰，是除尘器正常运行的重要保证。当灰斗内温度较低时，烟气中水分会发生结露现象，与烟气中的飞灰结合后将导致灰斗堵塞，并进而引发除尘器停运、引风机磨损等一系列事故。因此，设计出良好的加热器以保证对灰斗的持续加热，从而避免其中灰分堵塞就显得非常重要。

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