330 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能研究

郭 俊，史民科，王 強(qiáng)，李健奇，豐 斌

(1.內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.北京潤科通用技術(shù)有限公司，北京 100080； 3.北京中電長峰節(jié)能科技有限公司，北京 100020)

在流化床鍋爐燃燒過程中，一次風(fēng)主要提供部分氧氣及床料流化的作用；二次風(fēng)除了提供其余氧氣起到補(bǔ)燃作用以外，還可以利用其較大流速及動(dòng)量，射流穿透力較強(qiáng)的特點(diǎn)，增加氣固兩相混合、強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱及協(xié)助流化的作用。通過優(yōu)化一次、二次風(fēng)的比例能夠降低NOx原始排放濃度與風(fēng)機(jī)電耗率，對機(jī)組脫硫效率也有一定的影響[1-6]。

目前流化床鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用上、下2層布置共用風(fēng)箱的形式。下二次風(fēng)噴口距離布風(fēng)板更近，床壓較高，為了防止運(yùn)行時(shí)高溫?zé)煔獬霈F(xiàn)返流燒壞下二次風(fēng)噴口[7]，需要較高的二次風(fēng)壓力；上二次風(fēng)噴口距離布風(fēng)板較遠(yuǎn)，床壓較低，本該有更大的射流穿透力，但因?yàn)楣灿蔑L(fēng)箱，為了維持二次風(fēng)壓力，需要利用閥門對其進(jìn)行節(jié)流，這對上二次風(fēng)穿透力造成較大的影響，節(jié)流損失也增加了風(fēng)機(jī)電耗率[8]。

上、下二次風(fēng)系統(tǒng)沒有安裝流量計(jì)，在實(shí)際運(yùn)行中無法得到上、下二次風(fēng)的實(shí)際流量，也就無法估算二次風(fēng)射流穿透力，給鍋爐優(yōu)化運(yùn)行帶來了較大的困難。內(nèi)蒙古某電廠330 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)采用上、中、下3層布置方式，給運(yùn)行調(diào)整帶來的困難更大。本文利用成熟的流體力學(xué)計(jì)算軟件對該鍋爐的二次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究，研究結(jié)果能夠?yàn)榱骰插仩t的運(yùn)行調(diào)整及二次風(fēng)系統(tǒng)改造提供技術(shù)依據(jù)。

1 鍋爐概述

鍋爐為單汽包、自然循環(huán)、循環(huán)流化床燃燒方式，主要由1個(gè)膜式水冷壁爐膛、3臺(tái)汽冷式旋風(fēng)分離器和1個(gè)由汽冷包墻包覆的尾部豎井3部分組成。爐膛內(nèi)前墻布置12片屏式過熱器管屏、6片屏式再熱器管屏，后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏。鍋爐部分參數(shù)見表1。

表1 330 MW機(jī)組流化床鍋爐部分設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐二次風(fēng)從空氣預(yù)熱器出來，經(jīng)過布置在鍋爐兩側(cè)截面尺寸為3032 mm×2800 mm的風(fēng)道進(jìn)入前、后墻的二層二次風(fēng)箱，上、下二次風(fēng)箱截面尺寸分別為1460 mm×1650 mm及1070 mm×1650 mm，鍋爐兩側(cè)二次風(fēng)道之間安裝直徑為1820 mm的聯(lián)絡(luò)管。上、中二次風(fēng)管穿過下二次風(fēng)箱與上二次風(fēng)箱相連接，下二次風(fēng)管與下二次風(fēng)箱相連接。鍋爐前墻布置8根噴口直徑為420 mm的上二次風(fēng)管，中二次風(fēng)管以及下二次風(fēng)管分別為4根和8根，噴口直徑均為430 mm；鍋爐后墻布置6根上二次風(fēng)管、4根中二次風(fēng)管以及6根下二次風(fēng)管，上、中、下二次風(fēng)管噴口直徑均與前墻對應(yīng)噴口直徑相同。每根二次風(fēng)管均安裝調(diào)節(jié)閥門，前后墻的上、下二次風(fēng)箱入口支管安裝調(diào)節(jié)閥門。二次風(fēng)系統(tǒng)見圖1。

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)二次風(fēng)系統(tǒng)的幾何尺寸建立系統(tǒng)流體模型，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。

機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)上二次風(fēng)管內(nèi)閥門開度一般為30%，中、下二次風(fēng)管內(nèi)閥門開度為100%，因此在建模中上二次風(fēng)噴口的閥芯與管道垂線之間的夾角α為27°，見圖2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

該機(jī)組在某307 MW負(fù)荷工況下鍋爐二次風(fēng)溫度為230 ℃，壓力約為6 kPa；下二次風(fēng)噴口壓力約為5.4 kPa；中二次風(fēng)噴口壓力約為4.5 kPa；上二次風(fēng)噴口壓力約為1.8 kPa。以此數(shù)據(jù)為邊界條件對二次風(fēng)系統(tǒng)做數(shù)值模擬，見表2，從表2中可以看出，在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到510萬個(gè)以后，數(shù)值模擬結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)量增多而變小。本文的計(jì)算結(jié)果是在網(wǎng)格數(shù)量為514.96萬個(gè)時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

表2 網(wǎng)格相關(guān)性檢查

二次風(fēng)流量對于燃燒及污染物排放均有較大的影響，因此給出上、中、下二次風(fēng)總流量的分布，如圖3所示。從圖3可以看出，上二次風(fēng)噴口壓力較低，但是閥門開度僅有30%，節(jié)流作用較大，因此總風(fēng)量最少；下二次風(fēng)管數(shù)量更多，但是背壓較大，所以總風(fēng)量較多；中二次風(fēng)管數(shù)量最少，但是總風(fēng)量最多。

二次風(fēng)參與燃燒的程度與其穿透力密切相關(guān)，而動(dòng)量又與其質(zhì)量流量相關(guān)，因此分別給出前墻各二次風(fēng)噴口氣流流量及氣流動(dòng)量，如圖4、圖5所示。從圖4及圖5中可以看出，中二次風(fēng)噴口氣流速度最大，氣流動(dòng)量最高，穿透力較強(qiáng)；下二次風(fēng)噴口氣流動(dòng)量較?。簧隙物L(fēng)噴口流量最小，動(dòng)量也最小，穿透力最差。此外中二次風(fēng)噴口流量及氣流速度要稍高于兩側(cè)的噴口，這是因?yàn)槎物L(fēng)從兩側(cè)進(jìn)入風(fēng)箱，在風(fēng)箱中間位置的流速最低，根據(jù)伯努利原理，風(fēng)箱中間的氣流壓力要稍高于兩側(cè)。

如果上二次風(fēng)噴口閥門全開，由于沒有節(jié)流作用，上二次風(fēng)流量大大增加，氣流動(dòng)量也隨之大大增加，見圖6及圖7。此外由于其背壓很低，中、下二次風(fēng)流量均受其影響，尤其是下二次風(fēng)。由于二次風(fēng)總流量超過160 kg/s，大大超過實(shí)際運(yùn)行所需要的風(fēng)量，因此在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，可以根據(jù)鍋爐負(fù)荷靈活調(diào)整閥門開度。

4 二次風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能方案研究

從模擬結(jié)果來看，上二次風(fēng)因?yàn)殚y門節(jié)流，系統(tǒng)能量損失較大，同時(shí)由于中、下二次風(fēng)背壓較高，二次風(fēng)入口壓力需要維持在較高的水平，因此二次風(fēng)機(jī)的整體電耗率也較高，二次風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能工作就顯得更重要。

為了降低閥門的節(jié)流損失并提高二次風(fēng)的穿透力，文獻(xiàn)[8]提出二次風(fēng)系統(tǒng)改造方案，即將上、下二次風(fēng)箱隔離，2臺(tái)風(fēng)機(jī)分別給上、下二次風(fēng)箱送風(fēng)，因?yàn)樯稀⑾露物L(fēng)出口壓力不同，所以風(fēng)機(jī)出口壓力也不同，減少了系統(tǒng)節(jié)流損失，同時(shí)提高了二次風(fēng)穿透力。不過文獻(xiàn)[8]沒有對改造方案節(jié)能量進(jìn)行深入研究。

本文研究的二次風(fēng)系統(tǒng)，上、下二次風(fēng)箱入口支管均安裝閥門，所以只要在聯(lián)絡(luò)管某處安裝閥門，就可以很方便的將上、下二次風(fēng)系統(tǒng)隔離。例如在圖1中的A處安裝閥門并關(guān)閉，將右側(cè)風(fēng)道去上二次風(fēng)箱的2個(gè)閥門關(guān)閉，將左側(cè)風(fēng)道去下二次風(fēng)箱的2個(gè)閥門關(guān)閉，把8根中二次風(fēng)管噴口閥門關(guān)閉，就可以模擬改造后的系統(tǒng)，計(jì)算在相同風(fēng)量下的節(jié)能量。

在改造方案節(jié)能量的模擬過程中，由于關(guān)閉了中二次風(fēng)噴口閥門，為了滿足燃燒需要，中二次風(fēng)流量都并入上二次風(fēng)，上二次風(fēng)總流量為57.37 kg/s，下二次風(fēng)總流量為39.92 kg/s。在上二次風(fēng)閥門全開，總流量為57.37 kg/s時(shí)，前墻8根二次風(fēng)管噴口流量與氣流動(dòng)量如圖8所示。從圖8可以看出，上二次風(fēng)噴口動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過圖5中上二次風(fēng)的噴口動(dòng)量，其穿透力得到了極大的提高；下二次風(fēng)噴口動(dòng)量與圖5中下二次風(fēng)噴口動(dòng)量相比較小，但是爐膛內(nèi)該處煙氣密度也較小，所以仍然可以保證下二次風(fēng)有較大的穿透力。該工況二次風(fēng)入口空氣壓力僅需2.8 kPa，遠(yuǎn)小于6 kPa的入口壓力，由于閥門全開，氣流不受阻礙，所以壓力損失大大降低。

該機(jī)組所處環(huán)境大氣壓力約為87.6 kPa，環(huán)境溫度為21 ℃，因此質(zhì)量流量為57.37 kg/s時(shí)，其體積流量為55.27 m3/s。

與改造前對比，上二次風(fēng)出口壓力降低了6-2.8=3.2 kPa，如果二次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率取75%，改造后的二次風(fēng)系統(tǒng)降低風(fēng)機(jī)電耗率為

(1)

代入數(shù)據(jù)后可以得到風(fēng)機(jī)電耗下降了235.82 kW。

采用該種改造方案，可以在風(fēng)機(jī)出口安裝高精度風(fēng)量測量裝置[9-10]來測量上、下二次風(fēng)流量，同時(shí)采用風(fēng)機(jī)變頻方式直接調(diào)整上、下二次風(fēng)流量，避免閥門節(jié)流損失，從而能夠提高二次風(fēng)穿透力、優(yōu)化燃燒及降低風(fēng)機(jī)電耗率[11]。如果進(jìn)行具體的工程實(shí)施，還需要提前對上、中、下二次風(fēng)流量進(jìn)行優(yōu)化，找到更佳的上、下二次風(fēng)流量比，更好的分配空氣預(yù)熱器上、下二次風(fēng)的具體換熱面積，同時(shí)需要進(jìn)一步確定上二次風(fēng)噴口高度。

5 結(jié)論

a.本文所建的330 MW循環(huán)流化床鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，誤差在可接受范圍內(nèi)，因此可以模擬不同工況的二次風(fēng)系統(tǒng)流動(dòng)特性，為鍋爐優(yōu)化調(diào)整提供技術(shù)參考。

b.由于上二次風(fēng)閥門在運(yùn)行中開度僅有30%，給上二次風(fēng)帶來很大的節(jié)流損失，降低了上二次風(fēng)的動(dòng)量及穿透力。采用2臺(tái)風(fēng)機(jī)各自獨(dú)立提供上、下二次風(fēng)的技術(shù)改造方案，大大增加了上二次風(fēng)的動(dòng)量及穿透力，更有利于燃燒調(diào)節(jié)，有效降低風(fēng)機(jī)電耗率。