1000MW燃煤機組鍋爐風煙系統全流程流場優化技術應用研究

國能江蘇諫壁發電有限公司 黃 俊

1 引言

國能江蘇諫壁發電有限公司七期擴建工程2×1000MW 配套鍋爐為3040t/h 超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調溫、平衡通風、全鋼架懸吊結構、露天布置、采用機械刮板撈渣機固態排渣的鍋爐。研究表明，隨著燃煤電廠超低排放及節能改造的全面推進，增加了一系列煙氣環保處理設備及節能設備，而鍋爐機組受場地空間限制，鍋爐風煙系統風煙道布局緊湊，包括了冷熱一次風道、冷熱二次風道、尾部煙道（空預器出口至煙囪），風煙道結構復雜，阻力較大，不利于機組的經濟運行[1-3]。

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

2 流場診斷

2.1 冷、熱一次風系統煙道

根據一次風機入口風道及一次風機出口風道布置，按照1:1比例分段建立冷一次風系統3D 模型圖，如圖1所示。

圖1 冷一次風系統3D 模型圖

通過CFD 數值模擬計算得到了一次風機入口壓力場云圖和流線圖、一次風機出口風道流線圖，如圖2所示。數值模擬結果表明，這兩段一次風道阻力分別為25Pa 和20Pa，降阻空間十分有限。

圖2 冷一次風數值模擬計算云圖

圖3所示為根據熱一次風道系統布置建立的3D模型圖。

圖3 熱一次風系統3D 模型圖

為了定量分析各臺磨入口風量的分配情況，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 數值模擬計算得到了六臺磨煤機入口的一次風風量分布，如圖4所示，結果表明，各臺磨之間的一次風分配較為均勻，風量偏差保持在4%以內，一次風母管至磨入口支管接口處阻力達321Pa，有較大的降阻空間。

圖4 熱一次風數值模擬計算云圖

2.2 冷、熱二次風系統煙道

如圖5所示，針對冷、熱二次風道建立了3D 模型圖，鍋爐二次風系統結構沿鍋爐中心線呈左右側對稱布置，故選取一側進行CFD 數值模擬計算。

圖5所示數值模擬結果表明：熱二次風風道總阻力為83Pa，冷二次風風道阻力為107Pa，降阻空間均有限；冷二次風總風量在線測量截面的平均風速為19.6m/s，截面速度分布的相對標準差為15.7%，速度分布均勻性較好；熱二次風道由于風箱入口90°彎頭的存在，二次風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30%。

圖5 二次風系統3D 模型圖

2.3 尾部煙道

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

圖6 二次風數值模擬計算云圖

圖7 空預器出口至除塵器入口段煙道3D 模型圖

數值模擬結果表明，盡管在低省入口彎頭和漸擴段已經布置了水平導流板組和豎直導流板組，但低省入口截面流場分布仍然十分紊亂。

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

圖8 引風機出口至脫硫入口段煙道3D 模型圖

圖9所示數值模擬結果表明，引風機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、渦流等現象，現有布置煙道阻力為196Pa，有一定的降阻空間。

圖9 引風機出口至脫硫入口段數值計算云圖

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機、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，數值模擬結果表明，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

基于上述數值模擬研究結果，部分風煙道結構復雜，流量分配不均，阻力集中且較大，存在設計缺陷，本文優化設計主要聚焦于熱一、二次風道、空預器出口至除塵器入口煙道以及引風機出口至脫硫入口煙道，通過導流、擴流、均流等裝置改善風煙道流場。

3 優化方案

3.1 熱一次風道系統優化設計

圖11所示為熱一次風道系統優化方案示意圖。針對空預器出口的熱一次風道連續彎頭和熱一次風母管至磨入口支管接口等阻力集中位置進行局部降阻改造，主要內容包括：兩側空預器出口熱一次風道彎頭處增設導流板，共4處彎頭；熱一次風母管至磨入口支管接口擴口改造，包括水平段2個擴口、豎直段6個支管起始端擴口；支管起始端熱風膨脹節下移。

圖11 熱一次風道系統優化方案示意圖

如圖12所示，優化后數值模擬結果表明，各臺磨之間的一次風分配仍然較為均勻，風量偏差保持在4%以內，一次風母管至磨入口支管接口處阻力降低至131Pa。

圖12 優化后熱一次風數值模擬計算云圖

3.2 熱二次風道系統優化設計

圖13所示為熱二次風道系統優化方案示意圖。針對二次風箱入口速度分布不均勻問題，主要改造內容為：在二次風箱入口彎頭處布置了導流板，緩解氣流流經彎頭后出現的偏流問題。

圖13 熱二次風道系統優化方案示意圖

如圖14所示，優化后數值模擬結果表明，二次風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準偏差從優化前的23.8%降低至7.3%。

圖14 優化后熱二次風數值模擬計算云圖

3.3 空預器出口至除塵器入口段煙道系統優化設計

圖15所示為空預器出口至除塵器入口段煙道系統優化方案示意圖。針對空預器出口至除塵器入口煙道阻力問題，主要內容為：在空預器出口處增設導流板組；拆除、切割原部分導流板組件；在彎頭處增設導流板。

圖15 空預器出口至除塵器入口段煙道系統優化方案示意圖

如圖16所示，優化后數值模擬結果表明，空預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。

圖16 優化后空預器出口至除塵器入口煙道流場數值模擬計算云圖

3.4 引風機出口至脫硫入口煙道

圖17所示為引風機出口至脫硫入口煙道段煙道系統優化方案示意圖。針對該段煙道內三通匯流處存在的煙氣加速、回流、渦流等問題，主要優化內容為：在三通處，兩側氣流對沖區域設計導流板組件。

圖17 引風機出口至脫硫入口煙道系統優化方案示意圖

優化后，煙氣偏流現象大幅緩解，渦流區及回流區基本消除，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 結語

本文基于數值模擬研究方法，對現有全流程煙風流場進行診斷評估，主要包括冷、熱一次風、冷、熱二次風、尾部煙道流場，找出系統中局部阻力集中、流量分配不均的位置并分析原因，提出優化設計方案，改善明顯，結論如下：

鍋爐機組風煙系統風煙道布局緊湊，其中連續彎頭、交流、匯流等處，極易產生偏流、渦流、回流等流場不均的問題，為流場阻力集中處；

通過熱一、二次風道流場優化，對冷熱一次風道內局部阻力集中位置進行降阻改造，同對二次風箱入口風量分配進行均流改造，數值模擬計算結果如下：滿負荷運行時熱一次風道阻力可下降131Pa；二次風箱入口截面速度分布相對標準偏差從優化前的23.8%降低至7.3%；

優化后，1000MW 負荷工況下，空預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；

優化后，引風機出口至脫硫入口煙道內煙氣偏流現象大幅緩解，渦流區及回流區基本消除，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。