1 000 MW機(jī)組煙風(fēng)煤粉管道節(jié)能降耗探討

杜東明，譚燦燊，張翔宇

（1. 華能（大連）熱電有限責(zé)任公司，大連116000；2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

近些年來(lái)，由于受工程占地面積及項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)優(yōu)化的影響，多數(shù)燃煤機(jī)組的煙風(fēng)煤粉管道有效利用空間被進(jìn)一步壓縮，若仍按照常規(guī)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行管路布置設(shè)計(jì)，則難免會(huì)出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎頭、高阻力異形件等對(duì)煙風(fēng)煤粉介質(zhì)流場(chǎng)均勻性不利的實(shí)施方案。這些不合理的實(shí)施方案，容易產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)湍流、振動(dòng)和噪音，并且會(huì)增加系統(tǒng)電耗和運(yùn)行費(fèi)用。隨著燃煤機(jī)組容量的不斷增加，煙風(fēng)煤粉管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)也相應(yīng)增加，其設(shè)計(jì)方案對(duì)全廠運(yùn)行能耗的影響也越來(lái)越大，同時(shí)考慮現(xiàn)階段燃煤機(jī)組競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的壓力，對(duì)煙風(fēng)煤粉管道的節(jié)能降耗研究就更具必要性。文章對(duì)燃煤機(jī)組煙風(fēng)煤粉管道的系統(tǒng)功能、運(yùn)行特點(diǎn)、布置型式等進(jìn)行了一系列的研究，并針對(duì)不同系統(tǒng)提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以改進(jìn)煙風(fēng)煤粉管道系統(tǒng)流場(chǎng)分布，降低系統(tǒng)運(yùn)行阻力，以配合燃煤機(jī)組進(jìn)一步達(dá)到深度節(jié)能降耗的目標(biāo)［1-4］。

1 技術(shù)原理

1.1 指導(dǎo)原則

煙風(fēng)煤粉管道的節(jié)能降耗主要體現(xiàn)在降低風(fēng)機(jī)的能耗并有效控制煙風(fēng)道初投資［5］。電廠主要風(fēng)機(jī)的阻力源分析如表1所示。

表1 阻力源分析統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Resistance source analysis statistical table

1.2 節(jié)能降耗思路

1.2.1 冷風(fēng)道

包括風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口、風(fēng)機(jī)出口至空預(yù)器的管道、壓力冷風(fēng)道（接自一次風(fēng)機(jī)出口管道，作為進(jìn)入磨煤機(jī)熱一次風(fēng)的調(diào)溫風(fēng)）和密封風(fēng)管道（密封風(fēng)機(jī)入口及出口至磨煤機(jī)及風(fēng)門(mén)的管道、壓力冷風(fēng)至給煤機(jī)的密封管道）。

主要節(jié)能思路：

1）優(yōu)化吸風(fēng)口型式。吸風(fēng)口型式不僅影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壓頭，而且會(huì)影響到風(fēng)機(jī)本體入口截面的氣流分布，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率和運(yùn)行噪音。

2）優(yōu)化風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道布置。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道對(duì)進(jìn)入空預(yù)器的氣流分布影響較大，風(fēng)機(jī)軸線宜與空預(yù)器冷風(fēng)入口中心線在一條直線上（爐內(nèi)、爐側(cè)或爐后），以減少?gòu)濐^，并應(yīng)優(yōu)先選用圓形風(fēng)道，取消內(nèi)撐桿。

3）壓力冷風(fēng)道的阻力小于空預(yù)器+熱一次風(fēng)道的阻力，故其阻力大小對(duì)于一次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率并無(wú)影響。但可以采用圓形管道并盡可能利用立體彎頭，以降低鋼材耗量和初投資，并同時(shí)按照氣流方向選用非直角三通及銳角彎頭，以優(yōu)化調(diào)溫風(fēng)接入口處的氣流分布，保證調(diào)溫效果。

4）密封風(fēng)機(jī)管路優(yōu)化主要考慮消除管道振動(dòng)。振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象在很多個(gè)工程出現(xiàn)過(guò)。本文推薦采用三維立體彎頭，并著重優(yōu)化密封風(fēng)機(jī)出入口部分的管道布置，必要時(shí)增加導(dǎo)流板，以均勻氣流分布，降低阻力損耗，并同時(shí)降低鋼材耗量和初投資。

1.2.2 送粉管道

磨煤機(jī)出口至鍋爐燃燒器入口間的煤粉管道。主要節(jié)能思路：

1）由于管道介質(zhì)為含粉氣流，故阻力損失較大，應(yīng)采用三維軟件，優(yōu)先選用立體彎頭和銳角彎頭，以減少?gòu)濐^數(shù)目，同時(shí)降低耐磨彎頭初始投資和阻力損失。

2）應(yīng)將進(jìn)入各個(gè)燃燒器的煤粉濃度偏差保持在鍋爐廠要求的范圍內(nèi)，故煤粉分配器及之前的管道需要結(jié)合數(shù)值模擬情況進(jìn)行合理規(guī)劃。

1.2.3 熱風(fēng)道

主要包括從空預(yù)器出口至磨煤機(jī)入口的熱一次風(fēng)道及從空預(yù)器出口至爐膛燃燒器入口的熱二次風(fēng)道。

主要節(jié)能思路：

1）熱一次風(fēng)道布置不但要考慮降低阻力，而且要保證進(jìn)入磨煤機(jī)的氣流相對(duì)均勻，故宜選用圓形管道，取消內(nèi)撐桿，并通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化異形件布置。同時(shí)應(yīng)結(jié)合氣流流向，選用斜插三通。

2）熱二次風(fēng)道材料消耗和阻力損失在二次風(fēng)系統(tǒng)中均占有較大的比例。常規(guī)二次風(fēng)箱常采用方形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，棱角較多，并且內(nèi)撐桿的桁架設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利于進(jìn)入鍋爐氣流的流場(chǎng)分布，建議應(yīng)在轉(zhuǎn)彎部位盡量采用圓角，減少阻力損失，并同時(shí)優(yōu)化零部件內(nèi)撐桿結(jié)構(gòu)型式，最大限度減少阻力。進(jìn)爐膛的各二次風(fēng)支管也需要更多的考慮流場(chǎng)因素，以使進(jìn)入爐膛的氣流組織的更優(yōu)［6］。

1.2.4 煙道

主要包括從空預(yù)器出口至除塵器入口的除塵器前煙道、從除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口及引風(fēng)機(jī)出口至脫硫系統(tǒng)直至煙囪的除塵器后煙道。

1）除塵器前煙道灰濃度較高，故阻力損失所占引風(fēng)機(jī)壓頭的比例相對(duì)較大，同時(shí)除塵器對(duì)入口煙道氣流的均勻分布要求較高。故需要盡量減少并均衡進(jìn)入除塵器各根支管的布置。建議選用圓形管道，可以利用立體彎頭，保證每個(gè)除塵器通道入口均為2個(gè)90°彎頭［7］。

2）除塵器后煙道：基于設(shè)備因素，后煙道異形件往往較多，并且引風(fēng)機(jī)出口空間較為緊張，由于引風(fēng)機(jī)出口旋流的存在，往往在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的匯合段存在很大的氣流擾動(dòng)。故推薦通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化風(fēng)機(jī)出口的氣流分布，并視情況增設(shè)導(dǎo)流板，同時(shí)對(duì)煙道內(nèi)撐桿的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，選用新型節(jié)點(diǎn)板，以減少阻力損失［8-9］。

2 工程實(shí)例

下面以某百萬(wàn)工程為例，對(duì)煙風(fēng)煤粉管道的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 吸風(fēng)口優(yōu)化方案

宜首先對(duì)吸風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，常規(guī)工程采用的吸風(fēng)口及防雨罩如圖1 所示，本文提出的新型方案如圖2 所示（該方案目前獲得實(shí)用新型專利）。采用fluent 模擬得出兩種吸風(fēng)口型式的流場(chǎng)分布如圖3～圖4所示。

圖1 常規(guī)風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口Fig.1 Conventional fan suction opening

圖2 新型風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口Fig.2 Innovative fan suction opening

圖3 常規(guī)吸風(fēng)口流場(chǎng)分布總圖Fig.3 Distribution diagram of flow field of conventional suction opening

圖4 新型吸風(fēng)口流場(chǎng)分布總圖Fig.4 Distribution diagram of flow field of innovative suction opening

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，常規(guī)方案在風(fēng)道壁面附近出現(xiàn)了很明顯的分離，而新方案能夠消除分離，減小風(fēng)道進(jìn)出口之間的壓差以及管內(nèi)和外部流場(chǎng)之間的壓差。

2.2 風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道優(yōu)化方案

對(duì)冷二次風(fēng)道優(yōu)化前后的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5～圖6 所示，從圖中可以看出：兩種方案轉(zhuǎn)彎處分離并不嚴(yán)重，但是出口處流動(dòng)比較復(fù)雜，由于存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)突變（一個(gè)突擴(kuò)，一個(gè)突縮），分離嚴(yán)重。

圖5 冷二次風(fēng)道常規(guī)布置流線圖Fig.5 Distribution diagram of flow field in conventional cold secondary air duct

圖6 冷二次風(fēng)道優(yōu)化建議布置流線圖Fig.6 Distribution diagram of flow field about optimized cold secondary air duct

方管設(shè)計(jì)出口處的流動(dòng)不均勻性比圓管設(shè)計(jì)更嚴(yán)重，但是僅僅將方管改變?yōu)閳A管，出口前的彎道喉部分離流依然存在，出口處的漩渦依然存在，因此對(duì)導(dǎo)流板的安裝位置要求很苛刻，采用與喉部平行的導(dǎo)流板不能有效的控制分離，而在垂直彎道結(jié)構(gòu)中導(dǎo)流板非常有效，見(jiàn)中剖面上流線分布，后者的導(dǎo)流板非常有效的抑制了分離和漩渦的形成。

2.3 熱二次風(fēng)道優(yōu)化方案

對(duì)熱二次風(fēng)道的數(shù)值模擬主要考慮以下幾個(gè)方面：（1）考慮桁架對(duì)風(fēng)道阻力的影響；（2）考慮彎頭結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)道阻力的影響；（3）考慮導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)道阻力的影響。以依托工程為例進(jìn)行熱二次風(fēng)優(yōu)化前后數(shù)值模擬，結(jié)果數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

由表2可以看出：

1）將風(fēng)道中爐前水平直段的直角彎頭改成圓弧彎頭時(shí)，風(fēng)道的阻力將會(huì)大大減小。將風(fēng)道中入口垂直上升段的直角彎頭改成圓弧彎頭時(shí)，風(fēng)道的阻力將會(huì)進(jìn)一步減小。

2）改成圓弧彎頭后，在各個(gè)彎頭處布置導(dǎo)流板可以進(jìn)一步降低煙道阻力。但由于桁架的影響，導(dǎo)流板的作用被弱化，對(duì)風(fēng)道阻力降低的貢獻(xiàn)不大。

表2 熱二次風(fēng)道計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.2 Summary of calculation results of hot secondary air duct Pa

2.4 除塵器前煙道優(yōu)化方案

對(duì)除塵器前煙道優(yōu)化前后的布置圖如圖7～圖8所示，采用立體彎頭后，除塵器每個(gè)入口支管彎頭數(shù)量想等，更有利于除塵器內(nèi)部的氣流均布。

圖7 除塵器前煙道常規(guī)布置圖Fig. 7 Conventional arrangement of flue gas duct before dust collector

圖8 除塵器前煙道優(yōu)化建議圖Fig. 8 Optimized arrangement of flue gas duct before dust collector

3 工程實(shí)施效果

該工程的煙風(fēng)煤粉管道全部都按照1.2 條的要求進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的節(jié)能降耗效果詳見(jiàn)表3所示［10-12］。按鍋爐年利用小時(shí)數(shù)為5 500 h，成本電價(jià)0.261元/kW·h計(jì)算。

表3 某百萬(wàn)工程煙風(fēng)煤粉管道節(jié)能降耗效果Tab. 3 Energy saving and consumption reduction effect of flue gas，air and pulverized coal pipeline in a 1-million-yuan project

4 結(jié) 論

1）文章結(jié)合1 000 MW 機(jī)組煙風(fēng)煤粉管道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)其節(jié)能降耗方向進(jìn)行了探討，并結(jié)合fluent 軟件對(duì)流場(chǎng)特性的研究，總結(jié)出對(duì)設(shè)計(jì)初期煙風(fēng)道布置具有指導(dǎo)意義的布置優(yōu)化思路。最后在某百萬(wàn)工程中成功實(shí)施，節(jié)能效果顯著。

2）通過(guò)數(shù)值模擬與理論知識(shí)相結(jié)合，提出了采用新型風(fēng)道吸風(fēng)口和防雨罩的設(shè)計(jì)理念并獲專利授權(quán)，不但可以減少振動(dòng)，更可以降低阻力，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益［13-14］。

3）結(jié)合數(shù)值模擬軟件，突破以往橫平豎直的布置理念，提倡煙風(fēng)煤粉管道的三維立體化布置，不但可以節(jié)省材料和阻力，并且對(duì)于均勻氣流分布，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音，提高爐膛燃燒效率，有著非常明顯的意義。