布風板導風管尺寸變化對布風性能的影響分析

路建洲,景 博

(1.山西平朔煤矸石發電有限責任公司,山西 朔州 036800; 2.山西省循環流化床煤矸石發電行業技術中心,山西 朔州 036800)

布風板導風管尺寸變化對布風性能的影響分析

路建洲1,景 博2

(1.山西平朔煤矸石發電有限責任公司,山西 朔州 036800; 2.山西省循環流化床煤矸石發電行業技術中心,山西 朔州 036800)

針對循環流化床鍋爐布風板風帽、導風管長周期運行造成的大面積磨損問題,筆者根據布風板阻力計算模型和管徑原始參數,分析了阻力變化對布風均勻性及密相區溫度場變化的影響,提出導風管大管徑套小管徑的布風板改造方式,解決了長期運行布風均勻性差、偏床調整困難、床溫分布不均、風室漏灰嚴重問題,縮短了改造工期。經實際運行驗證,該布風板改造方法提高了布風板阻力,改善了改造前阻力低于設計值的情況,保證了布風均勻,使密相區溫度較改造前降低15℃,有效降低了NOx的生成量,同時風室漏灰的改善有效地降低了一次風機的出力,年節電量265萬kW·h。

循環流化床鍋爐;導風管改造;布風性能;布風板阻力

目前,循環流化床鍋爐實現均勻布風并避免漏渣是風帽及布風板設計改造中需要解決的問題[1]。從節能的角度考慮,布風板的阻力是個不利因素,應降得越低越好。但是,當布風板的阻力在流化床系統中所占的比例過小時,床層內一旦出現偏流,氣流將趨向于阻力較小之處,以致出現溝流,其它地方形成死區[2-3]。本文以SG-1060/17.5-M802型亞臨界、中間再熱、單汽包自然循環、平衡通風循環流化床鍋爐為例,針對長期燃燒劣質煤種而引起布風系統導風管小孔和風帽通風口磨損的問題,從布風板阻力特性角度出發,結合布風板導風管、導風口、風帽室、風帽口等結構尺寸,建立布風板阻力分析模型,分析導風管管徑變化對布風板各部位阻力變化的影響,確定以原始導風管管徑套嵌小管徑的形式對布風板進行了改造,有效地解決了布風板磨損導致的布風均勻性變差、偏床后調整困難、床溫分布不均及風室漏灰問題。

1 布風板阻力計算模型

SG-1060/17.5-M802型循環流化床鍋爐布風板阻力對布風的均勻性、穩定性至關重要,是布風均勻性和流態化穩定性維持的基礎,主要由沿程阻力損失和局部阻力損失組成[4-5]。

1.1 沿程阻力損失Δpf

沿程損失發生在緩變流整個流程中的能量損失,與流體的流動狀態密切相關:

(1)

式中:λ為沿程阻力系數;l為管道長度,m;d為管道內徑,m;ρ為流體密度,kg/m3;V為管道有效截面上的平均流速,m/s。

沿程阻力損失Δpf由4部分組成,分別是導風管內阻力損失Δpf1、導風口孔壁摩擦阻力損失Δpf2、風帽腔內摩擦阻力損失Δpf3、風帽孔壁摩擦阻力損失Δpf4。根據式(1),可以知道沿程阻力系數λ與雷諾數Re有關系,流體密度ρ與溫度有關系,將不同部分的結構尺寸帶入可得對應的流體流速與各部分損失。

1.2 局部阻力損失Δpj

在布風板系統中,存在變截面管路,這些急變流動區域局部阻力損失為

(2)

式中:ξ為局部阻力系數。

在計算局部阻力系數時,當流體進入導風管時,根據管子入口類型確定;當流體經過風帽,按照旁側口流出型確定[6-7]。當流體由導風管導風口進入風帽,局部阻力系數為

(3)

式中:A1為導風管截面積,m2;A2為導風口截面積,m2。

局部阻力損失Δpj由3部分組成,分別是流體進入導風管時的局部阻力損失Δpj1、流體由導風口進入風帽的局部阻力損失Δpj2、流體經過風帽的局部阻力損失Δpj3。由式(2),得知局部阻力系數ξ可根據流體所流經的結構形式來確定。

2 阻力計算及管徑參數選擇

2.1 布風阻力計算

布風板原始參數如表1所示。通過建立的布風板阻力計算模型,模擬布風板所處環境的風溫為270 ℃,風室流量為35×104Nm3/h,布風板總風帽數為1908個。布風板原始阻力分布情況如表2所示。

表1 布風板原始參數表

表2 布風板原始阻力分布

Table 2 distribution of initial resistance

從表2可知,原始阻力為8.6 kPa,低于鍋爐說明書9.2 kPa的設計要求。

2.2 管徑參數選擇

解體風帽及導管,發現風帽導管超溫碳化脫落與介子(內部風、外部床料磨損)磨損斷裂,同時導管風眼磨穿。導管更換過程工藝極為繁瑣,即拆除風帽、布風板澆注料、導管套管、導管。考慮到工期及工作量原因,只能將布風板部分更換。因此結合布風板阻力計算模型分析,割掉了澆注料上方200 mm的導風管和風帽,選取長度為300 mm、內徑為49 mm、材質為SA213-TP304H的導風管。為了便于安裝,新舊導風管的重疊部分為100 mm,風帽仍采取原裝形式,即風帽孔尺寸15 mm×10 mm(原始風帽磨損尺寸變大)。

管徑改變后的阻力分布情況如表3所示。

從表3可以看出,在35×104Nm3/h風量下,較改前阻力增加1378.4 Pa,管徑變小后對導風口的局部阻力損失產生比較大,管徑變小后導風管內風速由18.2 m/s增加到26 m/s。如果改造后不采用防磨性能更好的鋼管,就會縮短后續運行的磨損周期。

表3 導風管管徑變小后阻力分布

Table 3 Resistance distribution after wind guide pipe diameter becomes smaller

3 阻力變化的影響分析

3.1 布風均勻性改變

布風板阻力的大小直接關系到布風均勻性的好壞,鍋爐布風板阻力設計值為9.2 kPa,改造前布風板阻力值為8.6 kPa,管徑縮小后布風板阻力增加1.38 kPa,改善了改造前阻力偏低的情況。阻力增大后避免了由于阻力分布偏差而引起的風帽出口風速的偏差。經過冷態流化試驗,發現邊壁區域低速區的流化質量得到改善。

3.2 密相區溫度變化

管徑經改造后,提高了布風均勻性,爐膛密相區溫度較改造前平均降低了15 ℃,床溫的均勻性可以有效地避免布風板的結焦風險。同時,低床溫運行對于爐內脫硝具有積極的影響(NOx值為脫硝系統前排放值)。改造后NOx的排放值較改造前平均降低20 mg/N·m3。

3.3 風室防漏渣性能對比

風帽在改造前磨損嚴重,導致部分床料漏到冷卻風室,造成布風板下床料的大量堆積,難以清理,增大了一次風的出力,布風板改造后消滅了風帽漏灰現象。改造后布風阻力有所增加,一次風機電流由原來的200～230 A降低到190 A,兩臺風機并列運行,以年利用小時數5000 h計算,則年運行節能量為

(4)

式中:U為一次風機電壓,U=6 kV;cosφ為電機功率因素。

經計算,年運行節電量為269萬kW·h。

4 結 論

1) 利用布風板阻力計算模型實施布風板導風管小管徑改造可以有效解決布風均勻性差、床溫分布不均、風室漏灰問題,縮短了工期,優化了鍋爐運行工況,滿足了實際運行的要求。

2) 布風阻力較改造前增大1378.4 Pa,解決了布風阻力偏低的問題,改善了風速均勻性。爐膛密相區溫度較改造前平均降低15 ℃,改造后NOx的排放值較改造前平均降低20 mg/Nm3,單臺一次風機平均電流降低30 A,年節電量269萬kW·h,表明此種布風板改造方式對投產較早的循環流化床鍋爐具有推廣和應用價值。

[1] 王文仲.循環流化床鍋爐風帽及布風板的實驗與數值模擬研究[D].北京:中國科學院研究生院,2009.WANG Wenzhong.Research on the experiment and numerical simulation of air cowls and air distribution plate in CFB boilers[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2009.

[2] 李生軍.流化床布風板的阻力分析和計算[J].有色金屬,1995(3):35-39.LI Shengjun.Analysis and calculation of the resistance of air distribution plate in fluidized bed[J].Nonferrous Metals,1995(3):35-39.

[3] 樊旭,劉文獻.循環流化床鍋爐布風板風帽改造 [J].熱力發電,2009,38(1):49-53.FAN Xu,LIU Wenxian.Retrofit of air cowls on air distributing plate in cfb boilers[J].Thermal Pwer Genration，2009，38(1):49-53.

[4] 周云龍,洪文鵬.工程流體力學[M].北京:中國電力出版社,2006.ZHOU Yunlong,HONG Wenpeng.Engineering fluid mechanics[M].Beijing:China Electric Power Press，2006.

[5] 陶曉東,劉永江.循環流化床鍋爐布風板阻力的計算及應用[J].內蒙古電力技術,2005,23(5):14-15.TAO Xiaodong,LIU Yongjiang.Computation and Application on Resistance of Air Ventilation Board for Circulating Fluidized Bed Boiler[J].Inner Mongolia Electric Power，2005，23(5):14-15.

[6] 閻維平,邊疆,安國銀,等.循環流化床鍋爐布風板漏風及穩定性[J].動力工程,2004,24(1):1-4.YAN Weiping,BIAN Jiang,AN Guoyin,et al.Investigation and Its Stability Analysis on Particle Breakthrough Distributor in Circulating Fluidized Bed Boiler[J].Power Engineering，2004,24(1):1-4.

[7] 趙弦.循環流化床布風板的冷態模化試驗及數值模擬[D].北京:中國科學院研究生院,2005.ZHAO Xian.Cold modeling test and numerical simulation of air distribution plate of CFB[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2005.

(責任編輯 侯世春)

Analysis of the influence of the change of wind guide pipe size on theair distribution performance for air distribution plate

LU Jianzhou1,JING Bo2

(1.Shanxi Pingshuo Power Generation Company Limited,Shuozhou 036800,China; 2.Shanxi CFB Power Generation Industry Technology Center,Shuozhou 036800,China)

Aiming at the mass abrasion of air distribution plate blast cap and wind guide pipe in CFB caused by long-term operation,this paper analyzed,on the basis of the calculation model of air distribution plate resistance and the initial parameters of pipe diameter,the influence of resistance change on the uniformity of air distribution and the change of dense phase temperature field,proposed the transformation plan for the air distribution plate with the small-diameter wind guide pipe covered by the large-diameter one,and solved the problems of the air distribution plate in long-term operation,including the poor uniformity,the difficult in adjusting bed leaning,the uneven distribution of bed temperature,and the serious leakage of ash in air compartment,so as to reduce the transformation period and quantity.The practical operation proves that the method proposed is able to enhance air distribution plate resistance,which is below the designed value before the transformation,and guarantee the uniformity of air distribution,lower the dense phase temperature by 15℃.By this method,the formation amount of NOxis effectively reduced,at the mean time,the output of the primary air fan is lowered by improving the ash leakage in air compartment,with the annual energy saving of 265 million kW·h.

CFB; transformation of wind guide pipe; air distribution performance; resistance of air distribution plate

2016-04-11。

山西省煤基重點科技攻關項目(MD2014-03)。

路建洲(1973—),男,工程師,主要從事循環流化床機組設備節能研究與管理方面的工作。

TK229.6+6

B

2095-6843(2016)06-0562-03