引風(fēng)機(jī)前后煙道氣流擾動問題研究

任仰成 ， 郭建軍

（1.山西魯能河曲發(fā)電有限公司，山西 忻州 036500；2.國神技術(shù)研究院，陜西 西安 710043）

0 引言

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，大部分電廠進(jìn)行了超低排放改造。許多電廠在新增設(shè)備時，因場地空間局限，煙道連接雜亂，煙道設(shè)計不滿足設(shè)計規(guī)程要求[1]，導(dǎo)致煙道內(nèi)部煙氣流場失衡，造成氣流對沖、流動不對稱、氣流脈動等問題，最終造成煙道及設(shè)備的振動[2]。引風(fēng)機(jī)安裝在鍋爐煙道除塵器和脫硫塔之間，將燃燒產(chǎn)生的煙氣抽出后排入煙囪，其前后煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計對2 臺并聯(lián)風(fēng)機(jī)的運行狀態(tài)造成顯著影響[3]。

某電廠660 MW 機(jī)組引風(fēng)機(jī)振動，氣流產(chǎn)生異音問題，通過振動測試分析和引風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗分析，得知引風(fēng)機(jī)振動是由于入口煙道和出口煙道內(nèi)存在氣流擾動造成的。本文采用計算流體力學(xué)CFD（computational fluid dynamics） 軟件對電除塵到引風(fēng)機(jī)段煙道、引風(fēng)機(jī)到脫硫入口段煙道進(jìn)行模擬，加裝導(dǎo)流板，消除氣流的擾動，降低煙道局部阻力，最終消除振動，保證設(shè)備正常運行，并降低能耗。

1 機(jī)組情況及分析

為響應(yīng)國家環(huán)保政策，電廠對4 號機(jī)組進(jìn)行超凈環(huán)保改造。改造后除塵器前增設(shè)煙冷器，原有布袋除塵器改造為電除塵裝置，并對其進(jìn)出口煙道布置方式進(jìn)行了改變，使得引風(fēng)機(jī)入口煙道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。改造后自機(jī)組啟動以來，引風(fēng)機(jī)發(fā)生了在高負(fù)荷情況下振動超標(biāo)的現(xiàn)象，限制了機(jī)組帶負(fù)荷的能力。為查明振動原因，對其引風(fēng)機(jī)及前后煙道進(jìn)行振動測試、熱態(tài)試驗及數(shù)值模擬等，以找出振動原因，并給出優(yōu)化解決方案。

2 引風(fēng)機(jī)本體及煙道振動分析

為了解引風(fēng)機(jī)振動情況，采用本特利scout140測振儀對4 號機(jī)組引風(fēng)機(jī)及煙道進(jìn)行了振動測試。選取測試位置如下：測點1 為進(jìn)口煙道，測點2為電機(jī)非驅(qū)動端，測點3 為電機(jī)驅(qū)動端，測點4為風(fēng)機(jī)本體測點，測點5 為出口煙道。試驗負(fù)荷為300 MW 和500 MW，測試各點的振速比較見表 1～表 4。

表1 A 側(cè)500 MW 工況振速 mm/s

表2 B 側(cè)500 MW 工況振速 mm/s

表3 A 側(cè)300 MW 工況振速 mm/s

表4 B 側(cè)300 MW 工況振速 mm/s

從表1～表4 可以看出，兩側(cè)風(fēng)機(jī)的電機(jī)軸承振動很小，可以忽略不計，風(fēng)機(jī)本體振動最大的地方出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)本體測點4 上，位于軸承箱和動葉附近。而且風(fēng)機(jī)本體測點的振動值，無論是水平、垂直還是軸向，振速均隨著負(fù)荷（風(fēng)量） 的增大而增大。

對引風(fēng)機(jī)及煙道進(jìn)行振動頻譜測試，測試結(jié)果表明：第一，進(jìn)口煙道頻率表現(xiàn)為低頻振動（9.16 Hz），該頻率為煙道本體的固有頻率。第二，風(fēng)機(jī)機(jī)殼及擴(kuò)壓筒附近測點頻譜能量顯示，能量尖峰多集中在葉片通過頻率（273 Hz） 的1 倍頻和2 倍頻上，這顯示該振動明顯和氣流脈動或者氣流激振有關(guān)。第三，機(jī)殼上還存在轉(zhuǎn)速基頻（12.4 Hz） 的能量尖峰，而B 側(cè)煙道上能量則主要集聚在轉(zhuǎn)速基頻上，該現(xiàn)象是由于風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口煙道布置不合理造成的。針對上述分析，需要對引風(fēng)機(jī)入口煙道和出口煙道進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 引風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗分析

3.1 試驗工況及試驗內(nèi)容

本次試驗的對象為鍋爐4 號機(jī)組引風(fēng)機(jī)。根據(jù)試驗期間機(jī)組負(fù)荷以及機(jī)組本身運行情況，試驗在300 MW、450 MW、550 MW 3 個工況下進(jìn)行，試驗測定了風(fēng)機(jī)運行的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率及其他相關(guān)運行參數(shù)。

3.2 試驗工況及試驗內(nèi)容

風(fēng)機(jī)試驗方法和有關(guān)數(shù)據(jù)計算方法依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T469—2004《電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能試驗》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10178—2006《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能試驗》的規(guī)定進(jìn)行。

3.3 試驗結(jié)果及分析

3.3.1 引風(fēng)機(jī)運行參數(shù)分析

引風(fēng)機(jī)試驗結(jié)果與引風(fēng)機(jī)性能曲線的設(shè)計值比較見表5。從表5 可以看出，風(fēng)機(jī)實測效率和性能曲線設(shè)計效率最大偏差為-2.8%，風(fēng)機(jī)實際性能略低于設(shè)計值，但偏差不大，基本上能達(dá)到設(shè)計性能要求。從風(fēng)機(jī)就地角度和性能曲線設(shè)計角度來看，A 側(cè)開度偏差略大于B 側(cè)開度偏差，最大偏差為-6.5°。

由引風(fēng)機(jī)運行曲線可看出，由于動調(diào)風(fēng)機(jī)本身失速區(qū)比較小，所以中、低負(fù)荷引風(fēng)機(jī)運行點遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的理論失速區(qū)，目前機(jī)組運行條件下，引風(fēng)機(jī)各運行工況都不存在失速風(fēng)險。

表5 試驗參數(shù)與設(shè)計參數(shù)比較表

3.3.2 引風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)匹配性分析

將引風(fēng)機(jī)在300 MW、450 MW、550 MW 3個工況下的實測運行參數(shù)在性能曲線上表示出來，從中可以看出，目前煙氣系統(tǒng)的阻力特性曲線位于風(fēng)機(jī)性能曲線的中上部，大負(fù)荷工況點穿過風(fēng)機(jī)性能曲線的高效區(qū)，實際測得550 MW 工況下風(fēng)機(jī)效率達(dá)到了80%以上，說明目前引風(fēng)機(jī)設(shè)計經(jīng)濟(jì)較為合理。另外，從引風(fēng)機(jī)運行曲線還可以看出，目前風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)距離風(fēng)機(jī)設(shè)計失速線較遠(yuǎn)，說明引風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)匹配性好，不會發(fā)生因為風(fēng)機(jī)失速造成的振動問題。

4 數(shù)值計算分析

通過上述試驗分析得出，目前引風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)的匹配性較好，風(fēng)機(jī)本機(jī)及進(jìn)出口煙道振動主要是氣流擾動造成的，因此本節(jié)通過數(shù)值計算分析造成氣流擾動的原因，并給出優(yōu)化解決方案。

4.1 引風(fēng)機(jī)入口煙道計算分析

采用計算流體力學(xué)軟件進(jìn)行煙道流場分析。根據(jù)提供的圖紙按照1∶1 比例建立幾何模型，計算范圍為電除塵出口到引風(fēng)機(jī)入口，由于兩側(cè)除塵器出口煙道對稱布置，所以本文僅對單側(cè)進(jìn)行分析。計算入口為電除塵出口煙道截面，計算出口為引風(fēng)機(jī)入口截面，煙道壁面、導(dǎo)流板等均采用壁面邊界[4-5]。選取截面1 和截面2 進(jìn)行分析，圖1 為速度分布云圖。

圖1 速度分布云圖

煙道1、煙道2、煙道3 內(nèi)煙氣匯流后進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，煙道1 內(nèi)煙氣流動受到煙道2 內(nèi)煙氣的抑制，流動受阻形成渦流。3 個分煙道在豎直大煙道匯流，但煙氣匯流段煙道內(nèi)沒有相應(yīng)的流場優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得豎直煙道兩側(cè)的煙氣發(fā)生相互干擾，匯流處兩側(cè)煙氣流量不對稱，煙氣流動方向雜亂，互相沖撞、擠壓，局部形成渦流。這不僅使煙氣流動阻力顯著增大，且渦流的存在會造成煙道結(jié)構(gòu)的低頻振動以及流動過程中出現(xiàn)異音。煙氣流場紊亂、氣流脈動導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片受不均衡氣流的沖擊發(fā)生氣流激振，造成風(fēng)機(jī)振動。因此需要在電除塵出口到引風(fēng)機(jī)入口段煙道內(nèi)適當(dāng)?shù)丶友b導(dǎo)流板，保證流通截面均勻過渡，煙氣平穩(wěn)流動。

4.2 引風(fēng)機(jī)出口煙道計算分析

采用計算流體力學(xué)軟件進(jìn)行煙氣流場分析。根據(jù)提供的圖紙按照1∶1 比例建立幾何模型（如圖2 所示），計算范圍為引風(fēng)機(jī)出口到脫硫入口，計算入口為2 臺引風(fēng)機(jī)出口煙道截面，計算出口為脫硫入口煙道截面，煙道壁面、導(dǎo)流板等均采用壁面邊界。選取截面1 和截面2 進(jìn)行分析，圖3 為截而速度分布云圖。

圖2 引風(fēng)機(jī)出口煙道模型圖

圖3 截面速度分布云圖

由圖2、圖3 可以看出，煙道1 內(nèi)氣流自引風(fēng)機(jī)出口經(jīng)過折轉(zhuǎn)—截面突擴(kuò)到達(dá)水平匯流煙道，煙道2 內(nèi)氣流同樣經(jīng)過折轉(zhuǎn)后到達(dá)水平匯流煙道，水平煙道連接脫硫入口煙道。由于匯流處煙道結(jié)構(gòu)不對稱，兩股煙氣會發(fā)生強烈的相互干擾、沖撞、擠壓，出現(xiàn)較大的渦流區(qū)，使實際通流面積遠(yuǎn)小于煙道截面積，煙氣在流經(jīng)這些位置的過程中速度重新分布引起的加速或減速以及介質(zhì)煙氣質(zhì)點間劇烈碰撞的動量交換等引起能量損失，增加流動的不穩(wěn)定性，影響引風(fēng)機(jī)的正常運行。脫硫入口煙道截面比水平匯流煙道小，兩股煙氣在水平煙道內(nèi)匯流后流向脫硫入口煙道時發(fā)生流動截面突縮和氣流轉(zhuǎn)向，造成折轉(zhuǎn)處出現(xiàn)渦流[6-7]。

5 煙道優(yōu)化改造

5.1 引風(fēng)機(jī)入口煙道流場優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計結(jié)合實際情況進(jìn)行，針對引風(fēng)機(jī)入口煙道存在的問題提出以下解決方案：在水平煙道內(nèi)加裝分隔板，使煙道1 和煙道2 內(nèi)氣流分隔開，避免氣流間的相互壓制；在三通煙道處添加分隔板，消除氣流對沖產(chǎn)生的渦流和流動不穩(wěn)定的問題；在煙道轉(zhuǎn)向處加裝導(dǎo)流板，緩解因折轉(zhuǎn)段造成的煙氣流場紊亂、煙道阻力大的問題。圖4 為引風(fēng)機(jī)入口煙道加裝導(dǎo)流板示意圖。

圖4 入口煙道加裝導(dǎo)流板示意圖

優(yōu)化后消除了煙道1 和煙道2 之間兩股煙氣相互壓制和匯流處煙氣的相互沖撞，煙道內(nèi)再無渦流。本次優(yōu)化可使引風(fēng)機(jī)入口段煙道內(nèi)煙氣流動均勻，消除了因流動過程中氣流不均勻造成的異音和煙道低頻振動問題，同時，優(yōu)化后氣流平穩(wěn)地進(jìn)入導(dǎo)葉，也大大減輕了氣流不穩(wěn)定造成的脈動和激振。

5.2 引風(fēng)機(jī)出口煙道流場優(yōu)化

針對引風(fēng)機(jī)出口到脫硫入口段煙道布置及結(jié)構(gòu)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。第一，在流體運動方向發(fā)生變化處安裝適當(dāng)形狀的導(dǎo)流板，避免在彎頭的內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)大范圍的渦流區(qū)。第二，煙道截面突擴(kuò)的區(qū)域采用逐漸變徑、平緩過渡的方式。第三，在煙道內(nèi)部添加隔斷板，將煙道分為左右兩部分，減小兩側(cè)引風(fēng)機(jī)出口煙氣之間的干擾，使2 臺并聯(lián)運行的引風(fēng)機(jī)運行環(huán)境相對隔離，解決原有方案中存在的問題。圖5 為煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板示意圖。

圖5 煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板示意圖

優(yōu)化后煙道內(nèi)流場分布均勻，折轉(zhuǎn)彎頭處添加導(dǎo)流板后減少了二次流的產(chǎn)生和對彎頭后煙道內(nèi)煙氣流場的影響[8]。引風(fēng)機(jī)出口煙道逐漸過渡優(yōu)化后，緩解了因煙道截面突擴(kuò)和截面突縮引起的煙氣流場紊亂。2 臺引風(fēng)機(jī)出口煙道加裝分隔板后，煙氣平穩(wěn)均勻過渡，避免因2 臺引風(fēng)機(jī)出口的氣流相互壓制而造成的并聯(lián)引風(fēng)機(jī)振動問題。優(yōu)化后脫硫塔入口截面速度分布較均勻，有利于煙氣在脫硫塔內(nèi)均勻擴(kuò)散，使得脫硫塔內(nèi)煙氣與漿液混合充分。

6 改造后運行情況

機(jī)組停爐期間安裝導(dǎo)流板后投入運行，在各個負(fù)荷下，引風(fēng)機(jī)運行穩(wěn)定。在相同負(fù)荷下（滿負(fù)荷600 MW），改造后與改造前相比，引風(fēng)機(jī)的振動值由5 mm/s 降低為2 mm/s；煙道異音由90 dB 以上降為50 dB 以下；尾部煙道整體阻力降低249 Pa。改造前后參數(shù)比較見表6。

表6 改造前后參數(shù)比較

7 結(jié)論

某660 MW 機(jī)組進(jìn)行超凈環(huán)保改造后，在高負(fù)荷情況下引風(fēng)機(jī)發(fā)生振動超標(biāo)的現(xiàn)象，限制了機(jī)組帶負(fù)荷的能力。通過引風(fēng)機(jī)熱態(tài)試驗分析得出引風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)的匹配性良好，不存在風(fēng)機(jī)失速問題；通過對引風(fēng)機(jī)及煙道進(jìn)行振動測試得出風(fēng)機(jī)運行狀況良好，無異常。引風(fēng)機(jī)振動是由入口煙道和出口煙道內(nèi)存在氣流擾動造成的，需要對引風(fēng)機(jī)入口煙道和出口煙道進(jìn)行優(yōu)化分析。本文采用計算流體力學(xué)軟件對電除塵到引風(fēng)機(jī)段煙道、引風(fēng)機(jī)到脫硫入口段煙道進(jìn)行模擬分析并提出優(yōu)化方案。優(yōu)化實施后，引風(fēng)機(jī)的振動值由5 mm/s降低為2 mm/s，引風(fēng)機(jī)振動值控制在安全運行范圍內(nèi)；煙道異音由90 dB 以上降為50 dB 以下，尾部煙道整體阻力降低249 Pa。本次改造保證了設(shè)備的正常運行，并降低了運行能耗。