碳減排背境下660 MW超超臨界鍋爐尾部煙道降阻節(jié)能優(yōu)化

陳 城

(國(guó)家電投集團(tuán)江蘇電力有限公司，江蘇 南京 210009)

燃煤發(fā)電廠使用高碳化石能源作為燃料，是我國(guó)碳排放量最大的產(chǎn)業(yè)，其碳排放量占全國(guó)碳排放總量的40%以上，電力行業(yè)未來新增需求壓力巨大，其碳排放峰值及達(dá)峰速度將直接決定2030年前全國(guó)碳排放達(dá)峰目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)[1-3]。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展對(duì)電力行業(yè)碳減排的要求，燃煤電廠降低發(fā)電能耗、提高發(fā)電效率，成為刻不容緩的使命和職責(zé)[4]。燃煤發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)設(shè)備在發(fā)電過程中消耗了大量電量，機(jī)組為了克服煙氣系統(tǒng)的阻力而使用的風(fēng)機(jī)設(shè)備能耗約占電廠用電率的1%[5-7]。因此，優(yōu)化尾部煙道結(jié)構(gòu)，改善煙道內(nèi)部流場(chǎng)，降低煙道阻力，對(duì)于燃煤電廠節(jié)能減排有著重大意義。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組配置660 MW超超臨界鍋爐，鍋爐型號(hào)為HG-2001/26.15-YM3，尾部煙道主要包含空氣預(yù)熱器至低溫省煤器入口段、電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段、引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口段這3段煙道。

在低低溫省煤器聯(lián)合暖風(fēng)器系統(tǒng)改造工程中，空氣預(yù)熱器至低溫省煤器入口段煙道增加了低溫省煤器，為了平衡各臺(tái)低溫省煤器入口煙氣流量并改善低溫省煤器入口流場(chǎng)，對(duì)原有煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)并加裝了大量導(dǎo)流板和隔板，整體布置較為合理，因而煙道阻力較小?，F(xiàn)場(chǎng)觀察引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口這兩段煙道，發(fā)現(xiàn)彎頭數(shù)量較多，并且引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道在超凈改造時(shí)，對(duì)原有煙道進(jìn)行利舊，將原先煙道進(jìn)入煙囪的部分進(jìn)行封堵，致使煙道內(nèi)存在盲段，煙氣在該盲段內(nèi)形成流動(dòng)死區(qū)，出現(xiàn)煙氣冷凝造成煙道腐蝕的現(xiàn)象。

此次借助尾部煙道降阻節(jié)能優(yōu)化診斷的機(jī)會(huì)，對(duì)該段煙道進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在解決煙道腐蝕問題的同時(shí)，降低煙道的阻力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

2 尾部煙道數(shù)值模擬診斷

本次數(shù)值模擬計(jì)算使用k-ε湍流模型，網(wǎng)格采用邊界層加密，邊界條件設(shè)置為：進(jìn)口為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壁面采用無滑移邊界條件，煙氣為不可壓縮理想氣體。

2.1 電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段煙道

電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段煙道3D建模如圖1所示，A、B兩側(cè)電除塵器出口一共有4個(gè)煙道，煙氣兩兩匯合后分別進(jìn)入兩側(cè)的引風(fēng)機(jī)，該段煙道為對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置，數(shù)值計(jì)算時(shí)只需對(duì)其中一半進(jìn)行模擬。

現(xiàn)有布置下該段煙道內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布如圖2所示，可見煙氣從電除塵器出口通過彎頭匯合進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，在彎頭的影響下，煙氣流動(dòng)向一側(cè)偏斜，在煙道內(nèi)存在低速區(qū)，并且煙氣在匯合處沖撞產(chǎn)生渦流，增大煙氣流動(dòng)阻力。數(shù)值模擬結(jié)果表明，煙道現(xiàn)有布置下，電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段煙道阻力為120 Pa。

圖1 電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口煙道3D建模

圖2 現(xiàn)有布置下電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口煙道煙氣流場(chǎng)分布

2.2 引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口段煙道

引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道3D建模如圖3所示。

超凈改造后，對(duì)原有煙道進(jìn)行利舊，將原先煙道進(jìn)入煙囪的部分進(jìn)行封堵，致使煙道內(nèi)存在盲段(膨脹節(jié)以上的部分)，煙氣在該盲段內(nèi)形成流動(dòng)死區(qū)，出現(xiàn)煙氣冷凝造成煙道腐蝕的現(xiàn)象。

為了探究目前煙道結(jié)構(gòu)內(nèi)的流場(chǎng)情況，尋求煙道優(yōu)化方案，對(duì)該段煙道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，現(xiàn)有布置下引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道煙氣流場(chǎng)分布如圖4所示。模擬結(jié)果表明，煙道現(xiàn)有布置下，引風(fēng)機(jī)B側(cè)上方盲端煙道內(nèi)煙氣流速極低，特別是彎頭后，存在煙氣流動(dòng)的死區(qū)，煙氣長(zhǎng)期在此處停留，煙溫下降后煙氣中的SO2與冷凝水發(fā)生反應(yīng)生成硫酸，從而加劇煙道腐蝕。此外，該處煙道彎頭較多，兩側(cè)煙氣匯合處流場(chǎng)較為紊亂，數(shù)值模擬計(jì)算表明，該段煙道阻力為303 Pa，有進(jìn)一步降低的空間。

圖3 引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道3D建模

圖4 現(xiàn)有布置下引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道煙氣流場(chǎng)分布

3 優(yōu)化方案

3.1 電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

通過在煙道彎頭處以及煙氣匯流處加裝導(dǎo)流板，減少煙氣經(jīng)過彎頭的偏流作用，并且在煙氣匯合處對(duì)煙氣進(jìn)行合理引導(dǎo)，優(yōu)化流場(chǎng)，降低該段煙道阻力，優(yōu)化后的煙道煙氣流場(chǎng)分布如圖6所示。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)的計(jì)算結(jié)果表明，引風(fēng)機(jī)入口煙道低速區(qū)減少，煙氣匯合處氣流平順，煙道阻力也從優(yōu)化前120 Pa減小至優(yōu)化后的57 Pa，降低了63 Pa。

圖5 電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

圖6 流場(chǎng)優(yōu)化后電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口煙道煙氣流場(chǎng)分布

3.2 引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口段優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決盲段煙道內(nèi)煙氣冷凝造成煙道腐蝕的情況，將引風(fēng)機(jī)B側(cè)上方煙道的膨脹節(jié)(如圖3所標(biāo)識(shí))以上的煙道全部拆除，并以弧形鋼板密封，在煙道彎頭等關(guān)鍵位置加裝導(dǎo)流板，如圖7所示。

優(yōu)化后的煙道煙氣流場(chǎng)分布如圖8所示。模擬結(jié)果表明，煙道內(nèi)消除了原先盲段煙道內(nèi)煙氣的流動(dòng)死區(qū)，兩側(cè)煙氣匯合處流場(chǎng)較為平順，該段煙道阻力也從優(yōu)化前的303 Pa減小至優(yōu)化后的156 Pa，降低了147 Pa。

圖7 引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口段優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

圖8 流場(chǎng)優(yōu)化后引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口煙道煙氣流場(chǎng)分布

4 應(yīng)用效果

基于尾部煙道段數(shù)值模擬診斷及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對(duì)某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組660 MW超超臨界鍋爐開展了應(yīng)用研究，在改造前后分別進(jìn)行了滿負(fù)荷下的摸底試驗(yàn)及驗(yàn)收試驗(yàn)，以驗(yàn)證流場(chǎng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果。

改造前后摸底及驗(yàn)收試驗(yàn)工況說明如表1所示。

表1 摸底及驗(yàn)收試驗(yàn)工況說明

試驗(yàn)測(cè)得摸底試驗(yàn)工況下煙氣量為2 998 t·h-1，煙氣溫度為97.9 ℃。改造后驗(yàn)收工況下煙氣量為2 858 t·h-1，煙氣溫度為109.8 ℃，煙氣量與煙氣溫度修正后的阻力計(jì)算公式如下：

(1)

式中 ΔPδ——修正后的阻力，Pa；ΔP——實(shí)測(cè)的阻力，Pa；WGD——設(shè)計(jì)風(fēng)(煙氣)量，t·h-1；WG——實(shí)測(cè)風(fēng)(煙氣)量，t·h-1；TD——設(shè)計(jì)風(fēng)(煙氣)溫度，K；T——實(shí)測(cè)風(fēng)(煙氣)溫度，K。

流場(chǎng)優(yōu)化后尾部煙道降阻計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 尾部煙道降阻計(jì)算

由表2顯示：改造前電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段煙氣阻力為210 Pa，改造后下降至70 Pa，下降了140 Pa；改造前引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口段煙氣阻力為502 Pa，改造后下降至330 Pa，下降了172 Pa；綜上尾部煙道改造段共計(jì)降阻312 Pa；尾部煙道阻力下降，引風(fēng)機(jī)電耗有明顯降幅，引風(fēng)機(jī)A/B電流分別從524.9 A、520.3 A降至498.7 A/498.3 A，電流共計(jì)下降48 A，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

5 結(jié)語

基于某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組尾部煙道結(jié)構(gòu)，通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)尾部煙道流場(chǎng)進(jìn)行診斷分析，對(duì)目前煙道存在的問題進(jìn)行了針對(duì)性分析相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對(duì)阻力集中的關(guān)鍵煙道位置進(jìn)行了局部降阻改造，系統(tǒng)性地降低了尾部煙道整體阻力，并將其應(yīng)用于工程之中，結(jié)果如下。

(1) 尾部煙道流場(chǎng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用后，電除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口段煙氣阻力下降了140 Pa，引風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口段煙氣阻力下降了172 Pa，共計(jì)降阻312 Pa。

(2) 引風(fēng)機(jī)A/B電流分別從524.9 A/520.3 A降至498.7 A/498.3 A，電流共計(jì)下降48 A，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。