1000MW燃煤機(jī)組鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)全流程流場優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究

國能江蘇諫壁發(fā)電有限公司 黃 俊

1 引言

國能江蘇諫壁發(fā)電有限公司七期擴(kuò)建工程2×1000MW 配套鍋爐為3040t/h 超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、采用機(jī)械刮板撈渣機(jī)固態(tài)排渣的鍋爐。研究表明，隨著燃煤電廠超低排放及節(jié)能改造的全面推進(jìn)，增加了一系列煙氣環(huán)保處理設(shè)備及節(jié)能設(shè)備，而鍋爐機(jī)組受場地空間限制，鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)煙道布局緊湊，包括了冷熱一次風(fēng)道、冷熱二次風(fēng)道、尾部煙道（空預(yù)器出口至煙囪），風(fēng)煙道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻力較大，不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-3]。

本文基于數(shù)值模擬研究方法，對現(xiàn)有全流程煙風(fēng)流場進(jìn)行診斷評估，主要包括冷、熱一次風(fēng)、冷、熱二次風(fēng)、尾部煙道流場，找出系統(tǒng)中局部阻力集中、流量分配不均的位置并分析原因，提出優(yōu)化設(shè)計方案。

2 流場診斷

2.1 冷、熱一次風(fēng)系統(tǒng)煙道

根據(jù)一次風(fēng)機(jī)入口風(fēng)道及一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道布置，按照1:1比例分段建立冷一次風(fēng)系統(tǒng)3D 模型圖，如圖1所示。

圖1 冷一次風(fēng)系統(tǒng)3D 模型圖

通過CFD 數(shù)值模擬計算得到了一次風(fēng)機(jī)入口壓力場云圖和流線圖、一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道流線圖，如圖2所示。數(shù)值模擬結(jié)果表明，這兩段一次風(fēng)道阻力分別為25Pa 和20Pa，降阻空間十分有限。

圖2 冷一次風(fēng)數(shù)值模擬計算云圖

圖3所示為根據(jù)熱一次風(fēng)道系統(tǒng)布置建立的3D模型圖。

圖3 熱一次風(fēng)系統(tǒng)3D 模型圖

為了定量分析各臺磨入口風(fēng)量的分配情況，理論計算了六臺磨出口粉管的阻力并將阻力添加到計算域中，通過CFD 數(shù)值模擬計算得到了六臺磨煤機(jī)入口的一次風(fēng)風(fēng)量分布，如圖4所示，結(jié)果表明，各臺磨之間的一次風(fēng)分配較為均勻，風(fēng)量偏差保持在4%以內(nèi)，一次風(fēng)母管至磨入口支管接口處阻力達(dá)321Pa，有較大的降阻空間。

圖4 熱一次風(fēng)數(shù)值模擬計算云圖

2.2 冷、熱二次風(fēng)系統(tǒng)煙道

如圖5所示，針對冷、熱二次風(fēng)道建立了3D 模型圖，鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沿鍋爐中心線呈左右側(cè)對稱布置，故選取一側(cè)進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬計算。

圖5所示數(shù)值模擬結(jié)果表明：熱二次風(fēng)風(fēng)道總阻力為83Pa，冷二次風(fēng)風(fēng)道阻力為107Pa，降阻空間均有限；冷二次風(fēng)總風(fēng)量在線測量截面的平均風(fēng)速為19.6m/s，截面速度分布的相對標(biāo)準(zhǔn)差為15.7%，速度分布均勻性較好；熱二次風(fēng)道由于風(fēng)箱入口90°彎頭的存在，二次風(fēng)箱入口速度分布較為不均勻，前墻流量高，后墻流量低，流量偏差達(dá)30%。

圖5 二次風(fēng)系統(tǒng)3D 模型圖

2.3 尾部煙道

空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道布置了低溫省煤器，單側(cè)空預(yù)器煙道一分為二進(jìn)入低溫省煤器，后進(jìn)入三個電除塵器入口，其3D 模型圖如圖7所示。

圖6 二次風(fēng)數(shù)值模擬計算云圖

圖7 空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道3D 模型圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，盡管在低省入口彎頭和漸擴(kuò)段已經(jīng)布置了水平導(dǎo)流板組和豎直導(dǎo)流板組，但低省入口截面流場分布仍然十分紊亂。

如圖8所示，引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口由2個煙道連通組成，存在多個90°彎頭和三通匯流。

圖8 引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口段煙道3D 模型圖

圖9所示數(shù)值模擬結(jié)果表明，引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口段煙道氣流在三通匯流處，存在煙氣加速、回流、渦流等現(xiàn)象，現(xiàn)有布置煙道阻力為196Pa，有一定的降阻空間。

圖9 引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口段數(shù)值計算云圖

圖10所示為尾部煙道其余段煙道的3D 模型圖，分別為除塵器至引風(fēng)機(jī)、脫硫至濕除入口、濕除至煙囪入口三段煙道，上述煙道直段較多，彎頭較少，數(shù)值模擬結(jié)果表明，三段煙道阻力分別為87Pa、26Pa、67Pa，降阻空間均有限。

圖10 尾部煙道其余段3D 模型圖

2.4 流場診斷小結(jié)

基于上述數(shù)值模擬研究結(jié)果，部分風(fēng)煙道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流量分配不均，阻力集中且較大，存在設(shè)計缺陷，本文優(yōu)化設(shè)計主要聚焦于熱一、二次風(fēng)道、空預(yù)器出口至除塵器入口煙道以及引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口煙道，通過導(dǎo)流、擴(kuò)流、均流等裝置改善風(fēng)煙道流場。

3 優(yōu)化方案

3.1 熱一次風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

圖11所示為熱一次風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖。針對空預(yù)器出口的熱一次風(fēng)道連續(xù)彎頭和熱一次風(fēng)母管至磨入口支管接口等阻力集中位置進(jìn)行局部降阻改造，主要內(nèi)容包括：兩側(cè)空預(yù)器出口熱一次風(fēng)道彎頭處增設(shè)導(dǎo)流板，共4處彎頭；熱一次風(fēng)母管至磨入口支管接口擴(kuò)口改造，包括水平段2個擴(kuò)口、豎直段6個支管起始端擴(kuò)口；支管起始端熱風(fēng)膨脹節(jié)下移。

圖11 熱一次風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

如圖12所示，優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果表明，各臺磨之間的一次風(fēng)分配仍然較為均勻，風(fēng)量偏差保持在4%以內(nèi)，一次風(fēng)母管至磨入口支管接口處阻力降低至131Pa。

圖12 優(yōu)化后熱一次風(fēng)數(shù)值模擬計算云圖

3.2 熱二次風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

圖13所示為熱二次風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖。針對二次風(fēng)箱入口速度分布不均勻問題，主要改造內(nèi)容為：在二次風(fēng)箱入口彎頭處布置了導(dǎo)流板，緩解氣流流經(jīng)彎頭后出現(xiàn)的偏流問題。

圖13 熱二次風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

如圖14所示，優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果表明，二次風(fēng)箱入口截面速度分布均勻性顯著提升，截面速度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從優(yōu)化前的23.8%降低至7.3%。

圖14 優(yōu)化后熱二次風(fēng)數(shù)值模擬計算云圖

3.3 空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

圖15所示為空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖。針對空預(yù)器出口至除塵器入口煙道阻力問題，主要內(nèi)容為：在空預(yù)器出口處增設(shè)導(dǎo)流板組；拆除、切割原部分導(dǎo)流板組件；在彎頭處增設(shè)導(dǎo)流板。

圖15 空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

如圖16所示，優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果表明，空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道阻力降低至604Pa（含低省換熱管阻力444Pa），阻力降低了56Pa，同時，除塵器入口不同通道的煙氣量偏差控制在8%以內(nèi)。

圖16 優(yōu)化后空預(yù)器出口至除塵器入口煙道流場數(shù)值模擬計算云圖

3.4 引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口煙道

圖17所示為引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口煙道段煙道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖。針對該段煙道內(nèi)三通匯流處存在的煙氣加速、回流、渦流等問題，主要優(yōu)化內(nèi)容為：在三通處，兩側(cè)氣流對沖區(qū)域設(shè)計導(dǎo)流板組件。

圖17 引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口煙道系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

優(yōu)化后，煙氣偏流現(xiàn)象大幅緩解，渦流區(qū)及回流區(qū)基本消除，煙氣流場分布均勻性大幅提升，煙道阻力下降至79Pa，減小了117Pa。

4 結(jié)語

本文基于數(shù)值模擬研究方法，對現(xiàn)有全流程煙風(fēng)流場進(jìn)行診斷評估，主要包括冷、熱一次風(fēng)、冷、熱二次風(fēng)、尾部煙道流場，找出系統(tǒng)中局部阻力集中、流量分配不均的位置并分析原因，提出優(yōu)化設(shè)計方案，改善明顯，結(jié)論如下：

鍋爐機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)煙道布局緊湊，其中連續(xù)彎頭、交流、匯流等處，極易產(chǎn)生偏流、渦流、回流等流場不均的問題，為流場阻力集中處；

通過熱一、二次風(fēng)道流場優(yōu)化，對冷熱一次風(fēng)道內(nèi)局部阻力集中位置進(jìn)行降阻改造，同對二次風(fēng)箱入口風(fēng)量分配進(jìn)行均流改造，數(shù)值模擬計算結(jié)果如下：滿負(fù)荷運(yùn)行時熱一次風(fēng)道阻力可下降131Pa；二次風(fēng)箱入口截面速度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從優(yōu)化前的23.8%降低至7.3%；

優(yōu)化后，1000MW 負(fù)荷工況下，空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道阻力降低至604Pa（含低省換熱管阻力444Pa），阻力降低了56Pa，除塵器入口不同通道的煙氣量偏差控制在8%以內(nèi)；

優(yōu)化后，引風(fēng)機(jī)出口至脫硫入口煙道內(nèi)煙氣偏流現(xiàn)象大幅緩解，渦流區(qū)及回流區(qū)基本消除，煙氣流場分布均勻性大幅提升，煙道阻力從196Pa 下降至79Pa，減小了117Pa。