1000MW燃煤機(jī)組低低溫省煤器入口流場(chǎng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究

國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司 郭小鋼

國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司二期裝設(shè)兩臺(tái)1000MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣。目前現(xiàn)役大型燃煤機(jī)組的排煙溫度一般在120～140℃，排煙損失占據(jù)較大比例，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上利用煙氣余熱的回收來(lái)提高鍋爐效率對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排戰(zhàn)略意義重大[1-2]。

低低溫省煤器是應(yīng)用最為成熟的煙氣余熱回收利用技術(shù)，較多的研究在低低溫省煤器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置展開(kāi)[3-8]，其中低溫腐蝕問(wèn)題始終伴隨著低溫省煤器。低溫腐蝕是由于煙氣中含有SO2氣體，SO2會(huì)和煙氣中O2氧化形成SO3，SO3與煙氣中的水蒸汽結(jié)合形成硫酸蒸汽。高溫條件下硫酸以氣體形式存在，并不會(huì)對(duì)受熱面產(chǎn)生腐蝕，但當(dāng)受熱面壁溫低于煙氣酸露點(diǎn)時(shí)，硫酸蒸汽在受熱面上凝結(jié)并對(duì)金屬壁面產(chǎn)生腐蝕。低溫腐蝕與受熱面壁面溫度密切相關(guān)，當(dāng)壁面溫度低于煙氣酸露點(diǎn)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生腐蝕[9]。防止低溫腐蝕主要有兩方面：提高材料的抗腐蝕能力和控制煙氣溫度。

國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司二期機(jī)組在引風(fēng)機(jī)至脫硫塔中間段布置了低低溫省煤器，充分利用煙氣余熱加熱汽輪機(jī)凝結(jié)水，可以提高火電廠的熱經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，發(fā)現(xiàn)低省入口流場(chǎng)溫度場(chǎng)極不均勻，低溫低速區(qū)域明顯，長(zhǎng)期運(yùn)行已導(dǎo)致設(shè)備局部磨損以及低溫腐蝕的問(wèn)題。本文從低低溫省煤器入口流場(chǎng)優(yōu)化的角度，通過(guò)導(dǎo)流、擴(kuò)流裝置提升低低溫省煤器入口流場(chǎng)均勻性，降低入口截面流速偏差，改善流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布、壁面局部高速區(qū)以及局部低溫區(qū)，有效緩解局部磨損及低溫腐蝕的問(wèn)題。

1 流場(chǎng)診斷

圖1所示為低低溫省煤器系統(tǒng)布置圖。從現(xiàn)有煙道布置可看到，煙氣從A/B 兩側(cè)引風(fēng)機(jī)至低低溫省煤器，引風(fēng)機(jī)出口煙道尺寸為7000×7000mm，低溫省煤器入口截面尺寸為12000×16000mm，截面尺寸較大。該段煙道及導(dǎo)流板布置特點(diǎn)顯著，有較多不合理處：場(chǎng)地有限，結(jié)構(gòu)布置緊湊、存在連續(xù)彎頭，容易產(chǎn)生流速死區(qū)；低溫省煤器入口截面較大且距離彎頭距離較近，受慣性影響入口氣流分布不均；現(xiàn)有布置的導(dǎo)流板存在布置間距較大的缺點(diǎn)，引流效果受限等。

圖2為依據(jù)圖1構(gòu)建的原低低溫省煤器入口煙道的幾何建模，包括有引風(fēng)機(jī)出口煙道和低省入口煙道，煙道中布置有幾塊大型導(dǎo)流板，對(duì)原布置下的工況進(jìn)行數(shù)值摸底研究。

圖1 低低溫省煤器系統(tǒng)布置圖

圖2 原低低溫省煤器入口煙道布置示意圖

CFD 模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示，顯示兩側(cè)引風(fēng)機(jī)煙氣經(jīng)過(guò)第一個(gè)彎頭后形成對(duì)沖擠壓，因此在向上部低溫省煤器進(jìn)口運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生界面中間流速高、兩側(cè)流速低的現(xiàn)象，同時(shí)由于低省入口截面較大且極靠近彎頭，導(dǎo)流板間距較大且有較長(zhǎng)的延伸直段，氣流受慣性影響在導(dǎo)流板間通道形成上半部流速高、下半部流速低的分層現(xiàn)象，且極易在導(dǎo)流板直段背部形成低速區(qū)。受上述原因的影響，低省入口流場(chǎng)分布極不均勻，截面平均流速為7.14m/s、最高流速達(dá)18.96m/s、截面流速標(biāo)準(zhǔn)差為5.45m/s，CV 值高達(dá)76%，原布置相關(guān)參數(shù)如下：速度平均值7.14m/s、速度最高值18.96m/s、速度標(biāo)準(zhǔn)差5.45m/s、CV76%、阻力115Pa，容易引起低省換熱不均、局部嚴(yán)重磨損或低溫腐蝕的現(xiàn)象。

圖3 低低溫省煤器流場(chǎng)分布圖

2 優(yōu)化方案

根據(jù)診斷工況計(jì)算結(jié)果，對(duì)引風(fēng)機(jī)至低溫省煤器入口段煙道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖4為低溫省煤器入口段煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1布置圖，主要改造內(nèi)容為二次風(fēng)道導(dǎo)流板改造，優(yōu)化方案設(shè)計(jì)主要包括刪除原有導(dǎo)流板、增設(shè)新導(dǎo)流板、擴(kuò)口，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模計(jì)算（圖5）。

圖4 低溫省煤器入口段煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1布置圖

圖5 方案1優(yōu)化后低低溫省煤器流場(chǎng)分布圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案1優(yōu)化改造后監(jiān)測(cè)截面上流速死區(qū)及高速區(qū)大大減小，流場(chǎng)均勻性明顯得到改善，彎頭處渦流、旋流現(xiàn)象基本消失，截面平均流速由7.14m/s 降至5.81m/s，最高流速由18.96m/s 降至8.84m/s，CV值從76%降至19%，阻力由原有的115Pa 降至33Pa，流場(chǎng)均勻性大大改善。改造后原布置、方案1、方案2低省入口界面參數(shù)對(duì)比如下：速度平均值7.14/5.81/5.65m/s、速度最高值18.96/8.84/9.64m/s、速度標(biāo)準(zhǔn)差5.45/1.11/1.53m/s、CV76/19/27%、阻力115/33 /31Pa。

圖6為低溫省煤器入口段煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2布置圖，主要改造內(nèi)容在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)導(dǎo)流板、擴(kuò)口，相比方案1保留了原結(jié)構(gòu)中低省入口截面前的幾塊較大導(dǎo)流板，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模計(jì)算（圖7）。

圖6 低溫省煤器入口段煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2布置圖

圖7 方案2優(yōu)化后低低溫省煤器流場(chǎng)分布圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案2優(yōu)化改造后，監(jiān)測(cè)截面上流速死區(qū)及高速區(qū)也有減小，流場(chǎng)均勻性明顯得到改善，彎頭處渦流回流現(xiàn)象基本消失，但是從流線矢量圖中發(fā)現(xiàn)較大導(dǎo)流板的背面處仍然有一定旋流現(xiàn)象，相比方案1效果欠佳，截面平均流速由7.14m/s 降至5.65m/s，最高流速由18.96m/s 降至9.64m/s，CV 值從76%降至27%，阻力由原有的115Pa 降至31Pa，流場(chǎng)均勻性得到改善。

3 效益估算

3.1 直接受益

CFD 模擬計(jì)算表明，通過(guò)流場(chǎng)優(yōu)化改造后低溫省煤器入口段實(shí)際降阻在80Pa 左右。引風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率計(jì)算公式為：

式中：N 為電機(jī)功率、kW；Q 為煙氣量、m3/h；

P 為全壓、Pa；η0為風(fēng)機(jī)內(nèi)效率、取0.88；η1為機(jī)械效率、取0.95。根據(jù)上述公式估算，滿負(fù)荷煙氣量約為4500000m3/h，發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)取4500h，電價(jià)按0.388元/kWh 計(jì)算，尾部煙道系統(tǒng)降阻性能保證在65Pa 以上，則每年節(jié)約的引風(fēng)機(jī)耗電量約為43.74萬(wàn)kWh，僅風(fēng)機(jī)電費(fèi)每年可節(jié)約17.0萬(wàn)元。

改造后，低溫省煤器入口流場(chǎng)溫度場(chǎng)均勻性得到了很大改善，磨損及腐蝕現(xiàn)象得到緩解，年檢修成本約減少80.0萬(wàn)元（含磨穿后更換管材的費(fèi)用）。

3.2 潛在受益

低溫省煤器入口流場(chǎng)改善后煙道振動(dòng)將明顯降低，提升了機(jī)組運(yùn)行的安全性；同時(shí)，低溫省煤器入口流場(chǎng)改造后其換熱性能得到提升，進(jìn)一步降低機(jī)組煤耗。

4 結(jié)語(yǔ)

流場(chǎng)優(yōu)化改造應(yīng)用于低低溫省煤器，能夠有效改善其入口流場(chǎng)，同時(shí)有效緩解局部磨損以及低溫腐蝕的問(wèn)題，對(duì)1000MW 機(jī)組進(jìn)行了研究后，改善明顯，結(jié)論如下：

兩種優(yōu)化方案相比較，流場(chǎng)均勻性都明顯得到改善，彎頭處渦流、旋流現(xiàn)象基本消失，但方案2保留了低省入口處的較大導(dǎo)流板，其背面處存在一定旋流現(xiàn)象，因此相比方案1效果欠佳；方案1改造后，低省入口截面平均流速由7.14m/s 降至5.81m/s，最高流速由18.96m/s 降至8.84m/s，CV 值從76%降至19%；改造后，1000MW 負(fù)荷工況下，引風(fēng)機(jī)至低溫省煤器段阻力由原有的115Pa 降至33Pa，降阻明顯，經(jīng)濟(jì)性好。

優(yōu)化改造后，通過(guò)系統(tǒng)降阻每年節(jié)約的引風(fēng)機(jī)耗電量約為43.74萬(wàn)kWh，僅風(fēng)機(jī)電費(fèi)每年可節(jié)約17.0萬(wàn)元；低溫省煤器入口流場(chǎng)溫度場(chǎng)均勻性得到了很大改善，磨損及腐蝕現(xiàn)象得到緩解，年檢修成本約減少80.0萬(wàn)元（含磨穿后更換管材的費(fèi)用）；低溫省煤器入口流場(chǎng)改善后，煙道振動(dòng)將明顯降低，提升了機(jī)組運(yùn)行的安全性；同時(shí)，低溫省煤器入口流場(chǎng)改造后其換熱性能得到提升，進(jìn)一步降低機(jī)組煤耗。