布風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)管尺寸變化對布風(fēng)性能的影響分析

路建洲,景 博

(1.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 朔州 036800; 2.山西省循環(huán)流化床煤矸石發(fā)電行業(yè)技術(shù)中心,山西 朔州 036800)

布風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)管尺寸變化對布風(fēng)性能的影響分析

路建洲1,景 博2

(1.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 朔州 036800; 2.山西省循環(huán)流化床煤矸石發(fā)電行業(yè)技術(shù)中心,山西 朔州 036800)

針對循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板風(fēng)帽、導(dǎo)風(fēng)管長周期運(yùn)行造成的大面積磨損問題,筆者根據(jù)布風(fēng)板阻力計算模型和管徑原始參數(shù),分析了阻力變化對布風(fēng)均勻性及密相區(qū)溫度場變化的影響,提出導(dǎo)風(fēng)管大管徑套小管徑的布風(fēng)板改造方式,解決了長期運(yùn)行布風(fēng)均勻性差、偏床調(diào)整困難、床溫分布不均、風(fēng)室漏灰嚴(yán)重問題,縮短了改造工期。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證,該布風(fēng)板改造方法提高了布風(fēng)板阻力,改善了改造前阻力低于設(shè)計值的情況,保證了布風(fēng)均勻,使密相區(qū)溫度較改造前降低15℃,有效降低了NOx的生成量,同時風(fēng)室漏灰的改善有效地降低了一次風(fēng)機(jī)的出力,年節(jié)電量265萬kW·h。

循環(huán)流化床鍋爐;導(dǎo)風(fēng)管改造;布風(fēng)性能;布風(fēng)板阻力

目前,循環(huán)流化床鍋爐實(shí)現(xiàn)均勻布風(fēng)并避免漏渣是風(fēng)帽及布風(fēng)板設(shè)計改造中需要解決的問題[1]。從節(jié)能的角度考慮,布風(fēng)板的阻力是個不利因素,應(yīng)降得越低越好。但是,當(dāng)布風(fēng)板的阻力在流化床系統(tǒng)中所占的比例過小時,床層內(nèi)一旦出現(xiàn)偏流,氣流將趨向于阻力較小之處,以致出現(xiàn)溝流,其它地方形成死區(qū)[2-3]。本文以SG-1060/17.5-M802型亞臨界、中間再熱、單汽包自然循環(huán)、平衡通風(fēng)循環(huán)流化床鍋爐為例,針對長期燃燒劣質(zhì)煤種而引起布風(fēng)系統(tǒng)導(dǎo)風(fēng)管小孔和風(fēng)帽通風(fēng)口磨損的問題,從布風(fēng)板阻力特性角度出發(fā),結(jié)合布風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)管、導(dǎo)風(fēng)口、風(fēng)帽室、風(fēng)帽口等結(jié)構(gòu)尺寸,建立布風(fēng)板阻力分析模型,分析導(dǎo)風(fēng)管管徑變化對布風(fēng)板各部位阻力變化的影響,確定以原始導(dǎo)風(fēng)管管徑套嵌小管徑的形式對布風(fēng)板進(jìn)行了改造,有效地解決了布風(fēng)板磨損導(dǎo)致的布風(fēng)均勻性變差、偏床后調(diào)整困難、床溫分布不均及風(fēng)室漏灰問題。

1 布風(fēng)板阻力計算模型

SG-1060/17.5-M802型循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板阻力對布風(fēng)的均勻性、穩(wěn)定性至關(guān)重要,是布風(fēng)均勻性和流態(tài)化穩(wěn)定性維持的基礎(chǔ),主要由沿程阻力損失和局部阻力損失組成[4-5]。

1.1 沿程阻力損失Δpf

沿程損失發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失,與流體的流動狀態(tài)密切相關(guān):

(1)

式中:λ為沿程阻力系數(shù);l為管道長度,m;d為管道內(nèi)徑,m;ρ為流體密度,kg/m3;V為管道有效截面上的平均流速,m/s。

沿程阻力損失Δpf由4部分組成,分別是導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)阻力損失Δpf1、導(dǎo)風(fēng)口孔壁摩擦阻力損失Δpf2、風(fēng)帽腔內(nèi)摩擦阻力損失Δpf3、風(fēng)帽孔壁摩擦阻力損失Δpf4。根據(jù)式(1),可以知道沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re有關(guān)系,流體密度ρ與溫度有關(guān)系,將不同部分的結(jié)構(gòu)尺寸帶入可得對應(yīng)的流體流速與各部分損失。

1.2 局部阻力損失Δpj

在布風(fēng)板系統(tǒng)中,存在變截面管路,這些急變流動區(qū)域局部阻力損失為

(2)

式中:ξ為局部阻力系數(shù)。

在計算局部阻力系數(shù)時,當(dāng)流體進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)管時,根據(jù)管子入口類型確定;當(dāng)流體經(jīng)過風(fēng)帽,按照旁側(cè)口流出型確定[6-7]。當(dāng)流體由導(dǎo)風(fēng)管導(dǎo)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)帽,局部阻力系數(shù)為

(3)

式中:A1為導(dǎo)風(fēng)管截面積,m2;A2為導(dǎo)風(fēng)口截面積,m2。

局部阻力損失Δpj由3部分組成,分別是流體進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)管時的局部阻力損失Δpj1、流體由導(dǎo)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)帽的局部阻力損失Δpj2、流體經(jīng)過風(fēng)帽的局部阻力損失Δpj3。由式(2),得知局部阻力系數(shù)ξ可根據(jù)流體所流經(jīng)的結(jié)構(gòu)形式來確定。

2 阻力計算及管徑參數(shù)選擇

2.1 布風(fēng)阻力計算

布風(fēng)板原始參數(shù)如表1所示。通過建立的布風(fēng)板阻力計算模型,模擬布風(fēng)板所處環(huán)境的風(fēng)溫為270 ℃,風(fēng)室流量為35×104Nm3/h,布風(fēng)板總風(fēng)帽數(shù)為1908個。布風(fēng)板原始阻力分布情況如表2所示。

表1 布風(fēng)板原始參數(shù)表

表2 布風(fēng)板原始阻力分布

Table 2 distribution of initial resistance

從表2可知,原始阻力為8.6 kPa,低于鍋爐說明書9.2 kPa的設(shè)計要求。

2.2 管徑參數(shù)選擇

解體風(fēng)帽及導(dǎo)管,發(fā)現(xiàn)風(fēng)帽導(dǎo)管超溫碳化脫落與介子(內(nèi)部風(fēng)、外部床料磨損)磨損斷裂,同時導(dǎo)管風(fēng)眼磨穿。導(dǎo)管更換過程工藝極為繁瑣,即拆除風(fēng)帽、布風(fēng)板澆注料、導(dǎo)管套管、導(dǎo)管?？紤]到工期及工作量原因,只能將布風(fēng)板部分更換。因此結(jié)合布風(fēng)板阻力計算模型分析,割掉了澆注料上方200 mm的導(dǎo)風(fēng)管和風(fēng)帽,選取長度為300 mm、內(nèi)徑為49 mm、材質(zhì)為SA213-TP304H的導(dǎo)風(fēng)管。為了便于安裝,新舊導(dǎo)風(fēng)管的重疊部分為100 mm,風(fēng)帽仍采取原裝形式,即風(fēng)帽孔尺寸15 mm×10 mm(原始風(fēng)帽磨損尺寸變大)。

管徑改變后的阻力分布情況如表3所示。

從表3可以看出,在35×104Nm3/h風(fēng)量下,較改前阻力增加1378.4 Pa,管徑變小后對導(dǎo)風(fēng)口的局部阻力損失產(chǎn)生比較大,管徑變小后導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速由18.2 m/s增加到26 m/s。如果改造后不采用防磨性能更好的鋼管,就會縮短后續(xù)運(yùn)行的磨損周期。

表3 導(dǎo)風(fēng)管管徑變小后阻力分布

Table 3 Resistance distribution after wind guide pipe diameter becomes smaller

3 阻力變化的影響分析

3.1 布風(fēng)均勻性改變

布風(fēng)板阻力的大小直接關(guān)系到布風(fēng)均勻性的好壞,鍋爐布風(fēng)板阻力設(shè)計值為9.2 kPa,改造前布風(fēng)板阻力值為8.6 kPa,管徑縮小后布風(fēng)板阻力增加1.38 kPa,改善了改造前阻力偏低的情況。阻力增大后避免了由于阻力分布偏差而引起的風(fēng)帽出口風(fēng)速的偏差。經(jīng)過冷態(tài)流化試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)邊壁區(qū)域低速區(qū)的流化質(zhì)量得到改善。

3.2 密相區(qū)溫度變化

管徑經(jīng)改造后,提高了布風(fēng)均勻性,爐膛密相區(qū)溫度較改造前平均降低了15 ℃,床溫的均勻性可以有效地避免布風(fēng)板的結(jié)焦風(fēng)險。同時,低床溫運(yùn)行對于爐內(nèi)脫硝具有積極的影響(NOx值為脫硝系統(tǒng)前排放值)。改造后NOx的排放值較改造前平均降低20 mg/N·m3。

3.3 風(fēng)室防漏渣性能對比

風(fēng)帽在改造前磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致部分床料漏到冷卻風(fēng)室,造成布風(fēng)板下床料的大量堆積,難以清理,增大了一次風(fēng)的出力,布風(fēng)板改造后消滅了風(fēng)帽漏灰現(xiàn)象。改造后布風(fēng)阻力有所增加,一次風(fēng)機(jī)電流由原來的200～230 A降低到190 A,兩臺風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行,以年利用小時數(shù)5000 h計算,則年運(yùn)行節(jié)能量為

(4)

式中:U為一次風(fēng)機(jī)電壓,U=6 kV;cosφ為電機(jī)功率因素。

經(jīng)計算,年運(yùn)行節(jié)電量為269萬kW·h。

4 結(jié) 論

1) 利用布風(fēng)板阻力計算模型實(shí)施布風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)管小管徑改造可以有效解決布風(fēng)均勻性差、床溫分布不均、風(fēng)室漏灰問題,縮短了工期,優(yōu)化了鍋爐運(yùn)行工況,滿足了實(shí)際運(yùn)行的要求。

2) 布風(fēng)阻力較改造前增大1378.4 Pa,解決了布風(fēng)阻力偏低的問題,改善了風(fēng)速均勻性。爐膛密相區(qū)溫度較改造前平均降低15 ℃,改造后NOx的排放值較改造前平均降低20 mg/Nm3,單臺一次風(fēng)機(jī)平均電流降低30 A,年節(jié)電量269萬kW·h,表明此種布風(fēng)板改造方式對投產(chǎn)較早的循環(huán)流化床鍋爐具有推廣和應(yīng)用價值。

[1] 王文仲.循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)帽及布風(fēng)板的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2009.WANG Wenzhong.Research on the experiment and numerical simulation of air cowls and air distribution plate in CFB boilers[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2009.

[2] 李生軍.流化床布風(fēng)板的阻力分析和計算[J].有色金屬,1995(3):35-39.LI Shengjun.Analysis and calculation of the resistance of air distribution plate in fluidized bed[J].Nonferrous Metals,1995(3):35-39.

[3] 樊旭,劉文獻(xiàn).循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板風(fēng)帽改造 [J].熱力發(fā)電,2009,38(1):49-53.FAN Xu,LIU Wenxian.Retrofit of air cowls on air distributing plate in cfb boilers[J].Thermal Pwer Genration，2009，38(1):49-53.

[4] 周云龍,洪文鵬.工程流體力學(xué)[M].北京:中國電力出版社,2006.ZHOU Yunlong,HONG Wenpeng.Engineering fluid mechanics[M].Beijing:China Electric Power Press，2006.

[5] 陶曉東,劉永江.循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板阻力的計算及應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2005,23(5):14-15.TAO Xiaodong,LIU Yongjiang.Computation and Application on Resistance of Air Ventilation Board for Circulating Fluidized Bed Boiler[J].Inner Mongolia Electric Power，2005，23(5):14-15.

[6] 閻維平,邊疆,安國銀,等.循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板漏風(fēng)及穩(wěn)定性[J].動力工程,2004,24(1):1-4.YAN Weiping,BIAN Jiang,AN Guoyin,et al.Investigation and Its Stability Analysis on Particle Breakthrough Distributor in Circulating Fluidized Bed Boiler[J].Power Engineering，2004,24(1):1-4.

[7] 趙弦.循環(huán)流化床布風(fēng)板的冷態(tài)模化試驗(yàn)及數(shù)值模擬[D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2005.ZHAO Xian.Cold modeling test and numerical simulation of air distribution plate of CFB[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2005.

(責(zé)任編輯 侯世春)

Analysis of the influence of the change of wind guide pipe size on theair distribution performance for air distribution plate

LU Jianzhou1,JING Bo2

(1.Shanxi Pingshuo Power Generation Company Limited,Shuozhou 036800,China; 2.Shanxi CFB Power Generation Industry Technology Center,Shuozhou 036800,China)

Aiming at the mass abrasion of air distribution plate blast cap and wind guide pipe in CFB caused by long-term operation,this paper analyzed,on the basis of the calculation model of air distribution plate resistance and the initial parameters of pipe diameter,the influence of resistance change on the uniformity of air distribution and the change of dense phase temperature field,proposed the transformation plan for the air distribution plate with the small-diameter wind guide pipe covered by the large-diameter one,and solved the problems of the air distribution plate in long-term operation,including the poor uniformity,the difficult in adjusting bed leaning,the uneven distribution of bed temperature,and the serious leakage of ash in air compartment,so as to reduce the transformation period and quantity.The practical operation proves that the method proposed is able to enhance air distribution plate resistance,which is below the designed value before the transformation,and guarantee the uniformity of air distribution,lower the dense phase temperature by 15℃.By this method,the formation amount of NOxis effectively reduced,at the mean time,the output of the primary air fan is lowered by improving the ash leakage in air compartment,with the annual energy saving of 265 million kW·h.

CFB; transformation of wind guide pipe; air distribution performance; resistance of air distribution plate

2016-04-11。

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MD2014-03)。

路建洲(1973—),男,工程師,主要從事循環(huán)流化床機(jī)組設(shè)備節(jié)能研究與管理方面的工作。

TK229.6+6

B

2095-6843(2016)06-0562-03