燃煤電廠一次熱風(fēng)道數(shù)值模擬及應(yīng)用研究

馬治安，董 方，劉 袖，彭 麗，蔡志鵬，王家林

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638017；3.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300270）

面對雙碳目標的提出和當前能源結(jié)構(gòu)的變化的形勢，燃煤電廠發(fā)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行依然是發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗和電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)保障。目前大型火力發(fā)電廠普遍采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，但由于一次風(fēng)道結(jié)構(gòu)和磨煤機布置不合理等原因，易造成各磨煤機之間一次風(fēng)壓分布不均，使得部分磨煤機入口因風(fēng)壓偏低造成送粉管出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，從而引發(fā)送粉管內(nèi)積粉堵塞自燃，影響機組安全穩(wěn)定運行[1]。此外，一次風(fēng)率偏大對鍋爐燃燒和蒸汽溫度影響較大[2]，單臺磨煤機入口界面的流場和溫度場分布不均，影響風(fēng)量測量[3-5]，進而影響磨煤機運行性能[6]。

目前，關(guān)于一次風(fēng)和制粉系統(tǒng)的優(yōu)化改造，學(xué)者提出了不同的方案。張鋒等通過對空預(yù)器熱一次風(fēng)出口至磨煤機入口風(fēng)道增容改造，發(fā)現(xiàn)改造后風(fēng)機運行安全性得到了顯著提高[7]；董志強等通過對制粉系統(tǒng)和一次風(fēng)系統(tǒng)進行診斷與節(jié)能優(yōu)化改造，改造后磨煤機出力提高20%，鍋爐效率有所提高，發(fā)電煤耗平均下降鍋爐效率有所提高，發(fā)電煤耗平均下降2.4 g/kW·h[8]；王龍飛等發(fā)現(xiàn)在褐煤鍋爐上布置一次風(fēng)加熱器可以改善鍋爐脫硝能力，降低鍋爐排煙溫度，從而提升了鍋爐效率[9]；李華等通過對磨煤機入口一次風(fēng)道進行模擬分析，并提出一次風(fēng)道改造方案，改造后消除了各磨煤機間的一次風(fēng)量偏差，提高了制粉設(shè)備運行穩(wěn)定性[10]。

本項目對該機組一次風(fēng)系統(tǒng)和制粉系統(tǒng)進行統(tǒng)籌協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)研究，通過數(shù)值計算分析，對優(yōu)化后計算結(jié)果分析對比和實施改造后，從源頭上解決了鍋爐熱一次風(fēng)道設(shè)計布置不合理，導(dǎo)致的磨煤機入口風(fēng)量測量不均、各臺磨煤機入口風(fēng)量偏差大，引起煤粉管道堵塞等問題；有效降低了熱一次風(fēng)管網(wǎng)的通風(fēng)阻力，降低了一次風(fēng)機電流。通過本方案，可顯著提升節(jié)能效果，有效解決粉管道堵管問題，全面提升了燃煤電廠節(jié)能降碳能力和安全運行穩(wěn)定性。

1 設(shè)備概況

某電廠為600 MW 亞臨界燃煤機組，鍋爐為自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構(gòu)架的П 型汽包爐，制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機直吹式，設(shè)置6 臺北京電力設(shè)備廠生產(chǎn)的ZGM-113G 型中速磨煤機，燃燒方式為前后墻對沖燃燒，自投產(chǎn)以來，鍋爐B、E 磨煤機始終存在入口進風(fēng)量低的現(xiàn)象，對應(yīng)的B、E 磨的一次煤粉管出現(xiàn)頻繁堵管問題，造成經(jīng)常停運磨煤機進行清理疏通，嚴重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

鍋爐一次風(fēng)由兩臺風(fēng)機一次風(fēng)機A 和一次風(fēng)機B 提供，兩臺風(fēng)機對應(yīng)兩個主風(fēng)管，兩個主風(fēng)管從空預(yù)器共同進入磨煤機前的一次熱風(fēng)母管匯合一次熱風(fēng)母管下游6 個一次熱風(fēng)支管分別對應(yīng)A、B、C、D、E、F磨煤機。

2 數(shù)值計算分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

計算流體動力學(xué)（CFD）模型利用三維建模軟件根據(jù)廠方提供的熱一次風(fēng)管道系統(tǒng)圖紙和一次風(fēng)的安裝施工圖紙按1：1 的比例進行建模。模型圖見圖1。

原熱一次風(fēng)道模型及網(wǎng)格劃分見圖2。進行網(wǎng)格劃分時，優(yōu)先采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對復(fù)雜流動區(qū)域及流動變化較大區(qū)域進行了網(wǎng)格加密處理，保證網(wǎng)格精度同時滿足計算要求，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為679 萬。

2.2 計算模型及求解方法

湍流計算采用標準k-e 雙方程模型和標準的壁面函數(shù)模型。求解方法采用分離式SIMPLE 算法，計算式采用二階迎風(fēng)差分格式對方程進行離散。

2.3 計算結(jié)果分析

數(shù)值計算結(jié)果顯示，優(yōu)化前A-F 磨煤機入口一次風(fēng)量（kg/s）分配分別26.10/19.43/26.36/26.37/19.20/26.38，平均風(fēng)量23.973 kg/s，偏差（%）分別為8.87/-18.95/9.96/10/-19.91/10.04，磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的支管偏差特別大。該廠一次風(fēng)道各支管的風(fēng)量不均的根本原因在于風(fēng)道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置上，其中磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的支管壓力較小，流量低，使得支管調(diào)節(jié)風(fēng)量閥門開度不能夠有效將風(fēng)量調(diào)節(jié)均衡，如表1 所示，B 磨和E 磨對應(yīng)的支管出口速度明顯偏低，使得相對應(yīng)的磨煤機的一次風(fēng)煤粉管道常年易堵，影響磨煤機出力的同時存在很大的安全隱患問題。

表1 改造前各支管出口速度

3 熱一次風(fēng)道優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

改前A-F 磨入口壓力不同，其中B、E 磨流量和壓力較小，使得進入這兩臺磨的壓力比較大。為了提高B、E 磨煤機通風(fēng)出力，對其相對應(yīng)的位置進行優(yōu)化改造，提高B、E 磨的流量，對一次風(fēng)道兩端安裝倒流板進行優(yōu)化，使一次熱風(fēng)道各支管的流量整體相對均衡。磨煤機A 和磨煤機F 對應(yīng)的支管入口采用倒角，起導(dǎo)流作用，減少壓力損失。磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的支管入口處采用擴口和加裝導(dǎo)流板，使更多流體進入B、E 磨煤機，到達均衡各支管的流量和壓力。

3.2 優(yōu)化后計算結(jié)果分析

改造優(yōu)化前，磨煤機各支管進入熱一次風(fēng)的質(zhì)量流量偏差較大，其中磨煤機B 和磨煤機E 的入口質(zhì)量流量偏差為18.95%和19.91%。優(yōu)化后，數(shù)值模擬統(tǒng)計結(jié)果顯示見圖3，一次熱風(fēng)道各支管的流量相對均衡，使得各支管的壓力相對均衡，一次熱風(fēng)進入各臺磨煤機支管質(zhì)量流量整體偏差在5%以內(nèi)，見圖4。改造前磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的一次風(fēng)道支管內(nèi)速度較其它各支管低，磨煤機A 和磨煤機F 對應(yīng)的一次風(fēng)道支管速度較高，在主風(fēng)道兩端優(yōu)化后，磨煤機各個支管速度不均衡得到明顯的改善。

3.3 優(yōu)化后實際運行效果

現(xiàn)場運行參數(shù)顯示，通過改造后，B 磨煤機和E磨煤機的一次風(fēng)量得到了提升，與其它磨煤機入口風(fēng)壓的偏差值減小。從改造后的運行效果來看，B 磨煤機和E 磨煤機缺風(fēng)的問題得到了有效解決，運行至今未發(fā)生堵管問題。該機組在600 MW 負荷工況下，磨煤機熱一次風(fēng)門全開的情況下，各磨煤機的入口風(fēng)壓相當均衡，效果良好。

優(yōu)化了各磨煤機對應(yīng)的一次熱風(fēng)道支管的流場，在一定程度上降低了一次風(fēng)系統(tǒng)壓力損失。改造后，通過電廠DCS 運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表2 和表3 所示，各磨之間入口風(fēng)壓最大偏差2.23%，一次風(fēng)機A 出口風(fēng)壓降低462 pa，一次風(fēng)機B 出口風(fēng)壓降低401 pa，兩臺一次風(fēng)機出口風(fēng)壓降低了約4 個百分點，A 一次風(fēng)機電流降低5.35 A，B一次風(fēng)機A出口電流降低3.78 A。

表2 改造前、后磨煤機入口風(fēng)壓統(tǒng)計對比

表3 改造前、后一次風(fēng)機運行參數(shù)統(tǒng)計對比

4 結(jié)論

通過對一次熱風(fēng)道數(shù)值模擬計算優(yōu)化和改造，從源頭上增加了磨煤機B 和E 一次熱風(fēng)的進風(fēng)量，磨煤機B 和E 磨煤機出力也得到了提升，對應(yīng)的煤粉管道堵管問題也得到了有效解決，運行2 年來，均未再發(fā)生過煤粉堵管現(xiàn)象，為鍋爐安全穩(wěn)定運行提供了保障。優(yōu)化改造后鍋爐經(jīng)濟性也得到了明顯提升，熱一次風(fēng)進入每臺磨煤機的風(fēng)量均勻，各支管對應(yīng)磨煤機入口風(fēng)壓也更加均勻，有效降低了熱一次風(fēng)管網(wǎng)的通風(fēng)阻力，鍋爐A 一次風(fēng)機和B 一次風(fēng)機出口風(fēng)壓分別降低462 pa 和401 pa，一次風(fēng)機A 和一次風(fēng)機B 電流下降5.35 A 和3.78 A，節(jié)能效果明顯。由于我國的燃煤機組一次熱風(fēng)管道在實際運行中，大部分也存在類似流量分配不均類似問題，所以一次熱風(fēng)道數(shù)值模擬計算設(shè)計技術(shù)也適用于通類電廠的技術(shù)改造。