某燃?xì)廨啓C(jī)電廠余熱利用系統(tǒng)風(fēng)機(jī)故障模擬分析

柳玉賓，楊波，苗森，陳耀斌，孔飛

（1.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100160；2.華電（北京）熱電有限公司，北京 100160；3.上海華電閔行能源有限公司，上海 201100）

某燃?xì)廨啓C(jī)電廠余熱利用系統(tǒng)風(fēng)機(jī)故障模擬分析

柳玉賓1，楊波2，苗森3，陳耀斌1，孔飛1

（1.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京 100160；2.華電（北京）熱電有限公司，北京 100160；3.上海華電閔行能源有限公司，上海 201100）

余熱利用系統(tǒng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)，煙氣無法通過正常系統(tǒng)排出，需要迅速打開余熱鍋爐煙囪擋板，可能導(dǎo)致煙氣排出異常，燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓會有一定的變化，進(jìn)而觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)背壓保護(hù)。在建立物理模型和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對風(fēng)機(jī)全故障、半故障、單機(jī)故障3種工況進(jìn)行了評估，指出單機(jī)故障時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，余熱鍋爐煙囪隔板在15s內(nèi)打開，能夠基本保證燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓正常。

燃?xì)廨啓C(jī)；余熱利用；煙氣擋板；風(fēng)機(jī)故障；背壓

1 系統(tǒng)概述

某煙氣余熱深度利用項(xiàng)目是在余熱鍋爐之后設(shè)置余熱塔，利用余熱鍋爐尾部排出煙氣的余熱進(jìn)行深度換熱（即進(jìn)一步降低常規(guī)余熱鍋爐的排煙溫度，從89℃左右降到33℃），并通過中間介質(zhì)（中介水）置換出煙氣的低溫余熱；同時(shí)，采用吸收式熱泵技術(shù)吸收中間介質(zhì)的熱量，將其轉(zhuǎn)化為低溫?zé)崴?，通過蒸汽在尖峰熱網(wǎng)加熱器中進(jìn)一步將熱網(wǎng)水加熱到130℃左右［1］。

余熱利用系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)引風(fēng)采用4路風(fēng)機(jī)并聯(lián)的方案。余熱利用系統(tǒng)正常工作時(shí)，余熱鍋爐煙囪中的煙氣擋板關(guān)閉，余熱鍋爐煙氣不經(jīng)過余熱鍋爐煙囪排出，而是在風(fēng)機(jī)的抽吸下進(jìn)入余熱利用系統(tǒng)；煙氣經(jīng)過余熱利用系統(tǒng)的煙氣換熱器之后，在引風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入余熱鍋爐煙囪擋板上方并排空。余熱利用系統(tǒng)故障時(shí)，煙氣無法通過正常系統(tǒng)排出，需要同時(shí)打開余熱鍋爐煙囪擋板，擋板打開需要一定時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)煙氣排出異常，燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓會有相應(yīng)變化，進(jìn)而影響燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行，可能觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)背壓保護(hù)。本文旨在評估余熱利用系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)故障及余熱鍋爐煙囪擋板未完全打開情況下，對燃?xì)廨啓C(jī)背壓的影響。

2 物理模型

為描述故障對背壓的影響，計(jì)算中所采用的系統(tǒng)如圖2所示?？紤]的區(qū)域分為煙道1、煙道2和余熱利用系統(tǒng)等3個(gè)子區(qū)域，在余熱利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從余熱鍋爐煙囪入口到余熱利用系統(tǒng)風(fēng)機(jī)入口的壓降和溫降。

煙道1的體積V1為3 556.5m3，該子區(qū)域入口處燃?xì)獾牧髁?、壓力和溫度用qm1in，p1in，T1in來表示，其出口為余熱鍋爐的入口，此處的流量、壓力和溫度用qm1out，p1out，T1out來表示。正常工作時(shí)，qm1out＝qm1in；故障時(shí)，由于燃?xì)廨啓C(jī)的靜葉噴嘴存在喉部，因此假定燃?xì)廨啓C(jī)出口流量保持不變，即qm1in＝525.41kg/s，但此時(shí)該區(qū)域qm1out＜qm1in，從而導(dǎo)致該區(qū)域背壓增加［2］。由此可見，要評估對背壓的影響，關(guān)鍵是確定故障情況下該區(qū)域的qm1out；同時(shí)，忽略煙道1區(qū)域的流動損失和熱損失，從而假定該區(qū)域入口壓力、溫度和出口壓力和溫度相等，即p1in＝p1out，T1in＝T1out。因此，該區(qū)域的壓力p1＝p1in＝p1out，而在整個(gè)故障期間，T1＝T1in＝T1out＝809.65K。

圖1 余熱利用系統(tǒng)示意

煙道2的體積V2為7703.5m3，此處的流量、壓力和溫度用qm2in，p2in，T2in來表示，其出口處為余熱鍋爐煙囪，用qm21out，p21out，T21out來表示，余熱利用系統(tǒng)入口處的流量、壓力和溫度用qm22out，p22out，T22out來表示。忽略該區(qū)域的流動損失，從而假定p2in＝p21out＝p22out，T2in＝T21out＝T22out。正常工作時(shí)，qm22out＝qm2in，qm21out＝0；故障時(shí)，qm22out＝αqm2in（0≤α＜1），qm21out＝0。

煙道3的體積V3為4 605.0m3，用qm3in，p3in，T3in來表示，其出口處用qm3out，p3out，T3out來表示。假定p3in＝p3out，T3in＝T3out。正常工作時(shí)qm3out＝qm3in，而故障時(shí)qm3out＜qm3in。

正常工作時(shí)，余熱鍋爐的壓降Δp12＝p1-p2＝3.45 kPa，溫降ΔT12＝T1-T2＝446.5K。故障時(shí)，由于煙道2的壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致余熱鍋爐的壓降和溫降也會發(fā)生變化。

在余熱利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從余熱鍋爐系統(tǒng)出口到余熱利用系統(tǒng)出口（即余熱利用系統(tǒng)風(fēng)機(jī)入口）的所有壓降和溫降。正常工作時(shí)，根據(jù)所選用風(fēng)機(jī)的參數(shù)，余熱利用系統(tǒng)的壓降Δp23＝p22out-p3out＝923.63Pa，溫降ΔT23＝T2-T3＝40K；故障時(shí)，由于余熱利用系統(tǒng)出口段壓力的變化，會導(dǎo)致余熱利用系統(tǒng)的壓降、溫降和流量發(fā)生變化。

3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上節(jié)建立的物理模型，煙道1流入的流量在故障期間不變，取燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的額定值，即qm1in＝525.41 kg/s；同時(shí)，假定煙道1的溫度為燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度，即T1＝T1in＝T1our＝809.65K。對煙道1而言，故障期間需要確定的參數(shù)是qm1out（t）和壓力p1（t）＝p1in（t）＝p1out（t），同時(shí)還已知qm1out（0）＝qm1in（0）＝525.41kg/s，p1（0）＝p1in（0）＝p1out（0）＝105.59kPa。

任意時(shí)刻煙道1的體積V1、燃?xì)鈮毫1、燃?xì)赓|(zhì)量m1和燃?xì)鉁囟萒1滿足如下關(guān)系式［3］

式中：R為燃?xì)馔ㄓ脷怏w常數(shù)，R＝277.13 J/（kg·K）。

煙道中燃?xì)獾馁|(zhì)量為m1，則

要獲得故障時(shí)的背壓p1，關(guān)鍵是獲得煙道1中燃?xì)獾馁|(zhì)量，其取決于燃?xì)庠谟酂徨仩t中的壓降Δp12。煙道1的流出流量與余熱鍋爐壓降之間的關(guān)系如下［4］

假定故障期間余熱鍋爐的溫降不變，則故障期間煙道2的溫度T2＝T2in＝T2out＝T22out＝363.15 K。煙道2的壓力p2為

其中，m2為t時(shí)刻煙道2中的燃?xì)赓|(zhì)量，則

可見，基于以上關(guān)系式確定背壓p1隨時(shí)間的變化流程為：由式（6）獲得m2，由式（5）得到p2，由Δp12＝p1-p2得到Δp12，由式（3）獲得qm1out，由式（2）獲得m1，由式（1）獲得p1，從而得到背壓p1隨時(shí)間的變化規(guī)律。因此，關(guān)鍵是如何獲得m2，而獲得m2的關(guān)鍵是確定qm22out，其取決于余熱利用系統(tǒng)的后端，即煙道3的壓力和流出量。為此，需要建立煙道3的燃?xì)赓|(zhì)量、壓力、溫度和流出量隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖2 物理模型

由于余熱利用系統(tǒng)中燃?xì)忪o壓和靜溫變化范圍不大，所以不考慮其對燃?xì)饷芏人a(chǎn)生的影響。在余熱利用系統(tǒng)中，燃?xì)獾牧髁咳Q于其入口和出口的壓力差，即

式中：C3為余熱利用系統(tǒng)的阻力系數(shù)，正常工作時(shí)Δp23＝923.6Pa，qm3in＝525.41 kg/s，所以可以標(biāo)定出該阻力系數(shù)C3＝1.76。

煙道3中的煙氣質(zhì)量m3滿足下式

同時(shí)，煙道3中的煙氣質(zhì)量、煙氣溫度和壓力又滿足下式

由于不考慮煙道3中的流動阻力，此處p3＝p3out＝p3in；同時(shí)，由于不考慮煙道3中的熱力損失，此處T3＝T3out＝T3in。

正常工作時(shí)qm3out＝qm3in，燃?xì)饽軌驈挠酂崂孟到y(tǒng)正常排出。而故障時(shí)，qm3out＜qm3in，煙道3中的煙氣質(zhì)量會隨時(shí)間而增加，從而導(dǎo)致煙道3中的壓力增加，進(jìn)而導(dǎo)致煙道3的流入量減少。煙道3的流入量減少，又會導(dǎo)致煙道2的流出量減少，從而導(dǎo)致煙道2的燃?xì)赓|(zhì)量增加，進(jìn)而燃?xì)鈮毫υ黾?。煙?煙氣壓力增加，會減少煙道1與煙道2的壓降，從而減少煙道1的流出量。煙道1的流出量減少，會導(dǎo)致煙道1燃?xì)赓|(zhì)量增加，進(jìn)而導(dǎo)致煙道1的壓力增加，即引起燃?xì)廨啓C(jī)背壓變化。

燃?xì)廨啓C(jī)正常工作狀態(tài)選取100%負(fù)荷，工作參數(shù)見表1。

4 故障描述

余熱利用系統(tǒng)引風(fēng)采用4臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)方式，故障時(shí)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)量會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)背壓發(fā)生變化。在本計(jì)算中，設(shè)定3種引風(fēng)機(jī)故障模式，即半故障模式、全故障模式和單機(jī)故障模式。半故障模式時(shí)，4臺引風(fēng)機(jī)中有2臺發(fā)生故障，瞬時(shí)失去流量；全故障模式時(shí)，4臺引風(fēng)機(jī)同時(shí)瞬時(shí)失去流量；而在單機(jī)故障模式時(shí)，只有1臺風(fēng)機(jī)瞬時(shí)失去流量。煙囪擋板打開時(shí)間是15 s，即其開度在15 s內(nèi)由0線性變化為1。需要模擬各故障模式下，余熱鍋爐煙囪在15 s內(nèi)完全打開時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓隨時(shí)間的變化情況。

表1 正常狀態(tài)下燃?xì)廨啓C(jī)工作參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 引風(fēng)機(jī)半故障工況

余熱系統(tǒng)故障時(shí)，4臺引風(fēng)機(jī)中有2臺瞬時(shí)失去流量，另外2臺正常工作；同時(shí)，余熱鍋爐煙囪擋板在15 s內(nèi)開度由0線性增加至1，即全開。

故障發(fā)生時(shí)刻為0，燃?xì)廨啓C(jī)背壓隨時(shí)間的變化如圖3a所示：燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓迅速增加，很快超過燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓上限值（t＝1.12 s），直到余熱鍋爐煙囪擋板接近全開時(shí)（t＝12.88 s），才又回到燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓上限值以下。燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓變化見表2?？梢钥闯觯河酂徨仩t煙囪隔板快速打開，能夠減小背壓增加的幅度和超限時(shí)間；而余熱鍋爐煙囪隔板打開的15 s內(nèi)，不能消除背壓超限問題。

圖3 引風(fēng)機(jī)故障時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓隨時(shí)間的變化

表2 引風(fēng)機(jī)各故障工況下的背壓 kPa

5.2 引風(fēng)機(jī)全故障工況

余熱系統(tǒng)故障時(shí)，4臺引風(fēng)機(jī)瞬時(shí)失去流量；同時(shí)，余熱鍋爐煙囪擋板門開始逐步開啟，15 s內(nèi)開度由0線性增加至1，即全開。

燃?xì)廨啓C(jī)背壓隨時(shí)間的變化如圖3所示：燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓迅速增加，很快超過燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓上限值（t＝0.62 s），直到接近46 s時(shí)，才又回到燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓上限值以下，但在模擬的時(shí)間段內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓沒有恢復(fù)到正常值以下。燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓變化見表2。

余熱鍋爐煙囪隔板快速打開，對大幅值和長時(shí)間超過背壓限值沒有本質(zhì)性的改善。即使余熱鍋爐煙囪打開得更為迅速，但相比半故障工況，全故障工況下仍會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓增加得更快、更大，持續(xù)的時(shí)間也更長，恢復(fù)到正常值也更慢。

5.3 引風(fēng)機(jī)單機(jī)故障工況

余熱系統(tǒng)故障時(shí)，4臺引風(fēng)機(jī)中有1臺瞬時(shí)失去流量，另外3臺正常工作；同時(shí)，余熱鍋爐煙囪擋板門開始逐步開啟，15 s內(nèi)開度由0線性增加至1，即全開。

燃?xì)廨啓C(jī)背壓隨時(shí)間的變化如圖3c所示：燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓隨時(shí)間增加，在t＝3.07 s時(shí)超過燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓上限值，在t＝4.47 s時(shí)又回到燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓上限值以下；最大超限值出現(xiàn)在3.77 s，為107.20 kPa，超過上限值0.06%，基本能夠保證燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓正常。

與半故障和全故障狀態(tài)相比，單機(jī)故障的影響顯著減小。由于既有余熱利用系統(tǒng)的引風(fēng)作用，又有余熱鍋爐煙囪的排煙作用，所以最終系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)出口壓力低于正常工作值。

6 結(jié)論

本文模擬了引風(fēng)機(jī)半故障模式、全故障模式和單機(jī)故障模式下，余熱鍋爐煙囪在15 s內(nèi)完全打開，燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明，對于半故障工況和全故障工況，余熱鍋爐煙囪隔板在15 s內(nèi)打開，僅僅是減小超壓的幅度和時(shí)長，但對改善和消除燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓超限沒有實(shí)質(zhì)意義，燃?xì)廨啓C(jī)會由于背壓保護(hù)條件觸發(fā)而跳閘；與半故障和全故障工況相比，單機(jī)故障工況的影響顯著減小，余熱鍋爐煙囪隔板在15 s內(nèi)打開，能夠基本保證燃?xì)廨啓C(jī)出口背壓正常。

［1］趙欽新，王宇峰，王學(xué)斌，等.我國余熱利用現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展［J］.工業(yè)鍋爐，2009（5）：8-15.

［2］楊勇平，黃圣偉，徐鋼，等.電站鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析和優(yōu)化［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，41（1）：78-83.

［3］黃新元，王立平.火力發(fā)電廠低壓省煤器系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)的通用數(shù)學(xué)模型［J］.站系統(tǒng)工程，1999，15（5）：20-25.

［4］李紅華.提高對多種品位能量利用的認(rèn)識，促進(jìn)能量高效利用［J］.節(jié)能，2007，26（1）14-16.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 611.24

A

1674-1951（2016）11-0072-04

柳玉賓（1982—），男，河北石家莊人，工程師，從事火力發(fā)電節(jié)能、分布式能源、智能控制等方面的研究（E-mail：cnbjliuyubin＠163.com）。

2016-07-26；

2016-10-17