135MWCFB鍋爐二次風(fēng)機性能測試與數(shù)值模擬

文 // 郭新海 祁月琴 呂磊 呂宏奇 安徽華電六安發(fā)電有限公司

135MWCFB鍋爐二次風(fēng)機性能測試與數(shù)值模擬

文 // 郭新海 祁月琴 呂磊 呂宏奇 安徽華電六安發(fā)電有限公司

降低廠用電率是降低火力發(fā)電廠成本的一種有效方法。煤粉鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐(CFB)目前是我國火力發(fā)電廠的主要爐型，二者相比，循環(huán)流化床鍋爐機組的廠用電率更高，主要是循環(huán)流化燃燒所需要的風(fēng)機壓頭更高。所以，降低風(fēng)機電耗，最終降低廠用電率對裝備循環(huán)流化床鍋爐的電廠更為重要。

安徽某電廠目前擁有2臺135MW等級的循環(huán)流化床鍋爐機組，在實際生產(chǎn)過程中，一次風(fēng)機以及二次風(fēng)機的電耗明顯偏高，特別是在電廠低負荷的狀態(tài)下，風(fēng)機的效率明顯下降。因此，該公司計劃對鍋爐的風(fēng)機進行技術(shù)改造。

目前，流化床鍋爐風(fēng)機的選型往往偏大，所以電廠常用降低風(fēng)機電耗的方法進行改造，如改造葉輪或者安裝變頻器等等，而本文采用數(shù)值模擬的方法對135MW循環(huán)流化床鍋爐機組二次風(fēng)機增加小葉片后的效率進行計算，并與實際測量的流量與壓力進行對比，為今后的風(fēng)機技術(shù)改造提供依據(jù)。

表1 二次風(fēng)機技術(shù)性能

表2 二次風(fēng)機用液力偶合器性能

1 二次風(fēng)機設(shè)備

二次風(fēng)機為后向葉輪離心式風(fēng)機，其傳動采用液力耦合器方式。二次風(fēng)機以及液力偶合器的技術(shù)性能指標(biāo)如表1、表2。

2 風(fēng)機壓力與流量測量

2.1 風(fēng)機壓力測量

（1）動壓測量。風(fēng)機入口面積為2.9×1.05m2，在矩形入口風(fēng)道寬度方向上平均開5個測孔，孔間距大約為0.6m，在深度方向上取4個測點，測點間距約為0.25m。采用標(biāo)定過的靠背管逐點測量動壓。在一個測孔上測量動壓時，應(yīng)進行叉入和抽出兩次的測量，同一測點上兩次測量的動壓波動不應(yīng)超過±2%。風(fēng)機測點的布置見圖1。

（2）氣溫測量。采用校驗過的T型鎧裝熱電偶測量風(fēng)量測量面處的氣體溫度，用T型熱電偶溫度表進行讀數(shù)。同時，在風(fēng)機出口處對氣體溫度也做了測量。

（3）靜壓測量。用U型測壓計測量風(fēng)量測量面的靜壓最后求出平均值，作為實測靜壓值。

（4）大氣壓力測量。用盒式大氣壓力計在試驗現(xiàn)場多次測量求平均值。

（5）空氣密度。根據(jù)實測的空氣溫度以及壓力計算空氣的實際密度。

2.2 風(fēng)機流量測量

根據(jù)上面壓力測量的結(jié)果，風(fēng)量的計算采用速度場法測量。依據(jù)DL/T469-2004 《電站鍋爐風(fēng)機現(xiàn)場性能試驗》中的相關(guān)規(guī)定，風(fēng)機風(fēng)量按照下式進行計算：

式中：

Q ——氣體實際體積流量，m3/h；

A ——風(fēng)量測量面管道截面積，m2；

ν ——風(fēng)道內(nèi)氣體流速，m/s；

Q＊——標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體體積流量，Nm3/h；

Pact——環(huán)境大氣壓力，Pa；

Pj—— 風(fēng)量測量面實測氣體靜壓，Pa；

tsj——風(fēng)量測量面實際氣體溫度，℃；

k —— 靠背管修正系數(shù)，取標(biāo)定系數(shù)；

Pd——風(fēng)量測量面實測動壓平均值，Pa；

Psj——風(fēng)量測量面實際氣體密度，kg/m3；

Po——標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體密度，kg/m3。

平均動壓應(yīng)按照下式計算：

式中：(Pd)i——風(fēng)量測量面內(nèi)任一測點兩次讀數(shù)的算術(shù)平均值，Pa。

3 測量結(jié)果與分析

2013年8月，該公司組織技術(shù)人員對2號機組鍋爐A二次風(fēng)機進行了性能試驗。試驗期間鍋爐燃燒穩(wěn)定，試驗期間機組負荷穩(wěn)定在130MW、120MW、110MW，同時，在機組負荷為110MW情況下，對風(fēng)機轉(zhuǎn)速1170r/min和817r/min條件下的風(fēng)機風(fēng)量進行了測量。測量計算結(jié)果見表3。

圖1 二次風(fēng)機測點布置示意圖

表3 二次風(fēng)機性能計算主要結(jié)果匯總

4 風(fēng)機流場數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 風(fēng)機流場的數(shù)值模擬

為了給風(fēng)機的改造提供合理的技術(shù)方案，有必要對風(fēng)機內(nèi)部的流場進行數(shù)值模擬，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，為改造方案提供依據(jù)。

根據(jù)相關(guān)設(shè)備制造企業(yè)提供的風(fēng)機尺寸，同時采用現(xiàn)場測繪的方法，建立了風(fēng)機進口風(fēng)道、葉輪、蝸殼以及出口風(fēng)道的模型，見圖2。圖2為利用gambit軟件生成的風(fēng)機系統(tǒng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)風(fēng)機不同部位結(jié)構(gòu)尺寸的大小，風(fēng)機內(nèi)不同區(qū)域的網(wǎng)格大小不同，網(wǎng)格總數(shù)140多萬個。

利用fluent軟件對風(fēng)機內(nèi)部的流場做了數(shù)值模擬。為了盡可能的提高風(fēng)機模擬的結(jié)果的準(zhǔn)確性，在模擬的過程中，將部分風(fēng)機的入口風(fēng)道和出口風(fēng)道也一并考慮在內(nèi)。但是因為缺乏風(fēng)機出口調(diào)節(jié)門以及進口消音器等的數(shù)據(jù)，所以在風(fēng)機出口沒有考慮風(fēng)機調(diào)節(jié)門對流場的影響，也不考慮進口消音器的影響。

圖2 風(fēng)機系統(tǒng)的3D計算網(wǎng)格

圖3 風(fēng)機流量測量與計算結(jié)果的對比

在模擬過程中，按照表3中的數(shù)據(jù)，風(fēng)機模擬的邊界條件選取壓力邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε雙方程模型，貼壁處無滑移，計算誤差不大于10-5。風(fēng)機流量計算結(jié)果與測試結(jié)果的對比見圖3。

在圖3中可以看出，計算值與實際測量值相比均偏大，可能是因為計算過程中沒有考慮風(fēng)機出口調(diào)節(jié)門對風(fēng)道流通面積影響的緣故。但二者的變化趨勢基本保持一致，所以基本可以認為風(fēng)機內(nèi)部流場的模擬結(jié)果與實際流場相符。風(fēng)機葉輪中部的速度場以及壓力場見圖4。由于1170r/min在電廠實際運行中出現(xiàn)的頻次更高，所以圖4給出了該轉(zhuǎn)速時風(fēng)機葉輪中截面上的速度與壓力分布圖，作為風(fēng)機內(nèi)部流場的代表。

4.2 增加小葉片后風(fēng)機流場數(shù)值模擬

風(fēng)機的性能首先取決于風(fēng)機各部件的氣動設(shè)計，而風(fēng)機葉輪對風(fēng)機內(nèi)效率的影響在風(fēng)機組件中是最大的，根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，風(fēng)機葉輪出口處的各種復(fù)雜渦系是影響風(fēng)機葉輪效率的一個重要因素，因此，在此位置通過增加小葉片對流場進行整流的方式有可能提高風(fēng)機葉輪的氣動效率，進而提高風(fēng)機的效率。根據(jù)這一設(shè)想，研究了增加小葉片后對風(fēng)機效率的影響。

圖5給出了在風(fēng)機原有葉片中間位置添加小葉片后的gambit生成圖。即在目前的兩個葉片中間位置增加小葉片，其中粗線為原葉片，細線為增加的小葉片。

為了驗證增加小葉片后對風(fēng)機效率的影響，通過fluent軟件模擬了4種不同長度葉片對風(fēng)機流場的影響，并對風(fēng)機效率進行了計算，效率計算結(jié)果見圖6，風(fēng)機內(nèi)部流場的結(jié)果見圖7。計算中沒有考慮小葉片厚度對流場的影響。

圖6中風(fēng)機橫坐標(biāo)為風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；縱坐標(biāo)為風(fēng)機的計算效率。圖6中1為小葉片長度168.8mm；2為小葉片長度319.8mm；3為小葉片長度453.1mm；4為小葉片長度586.4mm。0為沒有添加小葉片時風(fēng)機的效率。

圖4 風(fēng)機葉輪中截面速度與壓力場分布圖

圖5 為小葉片的增加方式

從圖6中可以看出，原來風(fēng)機的效率隨著葉輪轉(zhuǎn)速的降低，效率越來越低，主要原因是風(fēng)機的葉片數(shù)較少，在低轉(zhuǎn)速情況下，風(fēng)機葉片出口處氣流紊亂比較嚴(yán)重，降低了風(fēng)機的效率；但在風(fēng)機添加小葉片以后，隨著轉(zhuǎn)速的降低，效率先增加后降低，有一個最大值。另外，就添加小葉片的效果來看，小葉片越長效率越高。

不過在風(fēng)機較高轉(zhuǎn)速下，即在1410r/min時，增加小葉片長度168.8mm、319.8mm、453.1mm時，效率反而降低，這是增加了小葉片之后，對風(fēng)機流場會有所改變：一方面通過對風(fēng)機原有葉片出口處的整流作用來提高風(fēng)機的效率；但另一方面因為增加了額外的葉片，會增加空氣流動的摩擦阻力，反而會降低風(fēng)機的效率，這兩個作用的強弱對風(fēng)機的整個效率會產(chǎn)生影響。在設(shè)計工況條件下，因為原有風(fēng)機葉片內(nèi)部的流場比較均衡，紊亂度較小，所以增加了小葉片之后整流效果較弱而因為風(fēng)機流量較大，所以增加內(nèi)部空氣摩擦阻力較大，這樣增加小葉片后的收益低于對效率的反面影響，降低了風(fēng)機效率；但是葉片長度在586.4mm時，風(fēng)機效率提高，即改善風(fēng)機流場的正效應(yīng)增加值超過了改變流場所帶來的負效應(yīng)，因此總體效率增加。尤其是在風(fēng)機低速情況下，流場改變效益提升較明顯。

圖6 風(fēng)機添加小葉片后效率變化

圖7 增加小葉片后風(fēng)機內(nèi)部流場

5 結(jié)語

通過對某135MW等級循環(huán)流化床鍋爐機組的二次風(fēng)機性能的實際測試與數(shù)值模擬，并對該型風(fēng)機添加小葉片后的性能進行了模擬分析得出：對本身的數(shù)值模擬與風(fēng)機的實測值吻合較好，模擬結(jié)果基本能夠反映出風(fēng)機內(nèi)部的流場情況；增加小葉片后的模擬結(jié)果顯示，風(fēng)機本身在低轉(zhuǎn)速下效率顯著下降，但是增加小葉片后，風(fēng)機在低轉(zhuǎn)速區(qū)的效率有所提升，提升幅度和葉片長度相關(guān)，長度越長，提升越明顯。