350MW 超臨界電站鍋爐一次風機建模及流場優化

劉明志，楊浩，馮欣

（1.上海大屯能源股份有限公司熱電廠，江蘇 徐州 221018；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710032）

1 前言

每臺鍋爐配套兩臺一次風機是我國大型電站鍋爐普遍采取的辦法。在火電廠正常運行中，一次風機直接決定了煤粉的穩定供應和鍋爐的正常燃燒，是最關鍵的輔機之一。同時，高容量、大機組的占比逐年提升也促使大容量風機大面積應用，風機耗電量大約占到全廠的25%～30%，降低風機耗電量對提高機組經濟性和節能減排有著重要意義。

本文以某燃煤熱電機組一次風機為研究對象，實際運行中，一次風機長期處于入口擋板半開狀態，僅能依靠電機變頻調節風機出力。開大入口擋板會造成兩側風機搶風導致出力及電流波動，甚至導致機組停運。這種運行狀態會增加系統阻力和耗電量，加劇設備磨損。通過現場性能測試以及一次風系統建模計算，對目前風機和一次風系統存在的問題進行分析，并根據現場能試驗結果以及流場建模情況提出優化改造方案。仿真結果表明，改造后，流場分布較為均勻，空預器入口截面的速度分布均勻性有較大改善，消除了兩臺風機出口的并聯風機搶風問題。

2 機組概況

本研究對象為國內某超臨界燃煤循環流化床鍋爐(CFB),設計配套兩臺一次風機，左右對稱布置。風機出口風道匯合進入空預器，如圖1 所示。一、二次風機均為豪頓華工程有限公司生產的L3N 型雙吸入離心式風機。風機為雙吸入離心式一二次風機。空氣通過入口風道進入風機，風機包括機殼、葉輪、主軸、進氣箱、進風口、進口調節門等。葉輪安裝在主軸上，機殼將其封閉在內并與出口管道連接，葉輪將能量傳遞給空氣。進氣箱連接在機殼一側，進口調節門與進氣箱入口連接，進口管道與進口調節門相連，空氣通過調節門、進氣箱、集流器進入葉輪，進口調節門調節所需風量，進口調節門由電動執行器通過連桿驅動。一次風機本體部分參數如表1 所示。

表1 一次風機本體部分參數表

圖1 一次風道示意圖

3 數值模擬及優化

3.1 建模

本文對一次風系統按照1∶1 的比例建立全尺度三維模型，利用流體動力學計算軟件對其內部流場進行數值模擬計算。計算入口為一次風機出口，采用速度入口（Velocity inlet）邊界條件，計算出口為空預器出口，設置為壓力出口（Pressure-outlet）邊界條件。模型中主要考慮風道結構、導流板對流場的影響。采用分區劃分網格的方法，將計算區域分解多個相對簡單的模型分別進行網格劃分，對導流板和風道進行局部網格加密。

3.2 優化前模擬

通過CFD 軟件模擬優化前風道內流場，優化前各特征截面速度分布如圖2 ～5 所示。截面1 為一次風機出口風道水平截面，截面2 為進空預器豎直風道截面，截面3 為空預器入口上游300mm 截面，截面4 為空預器入口截面，截面5 為空預器出口截面，按照實際運行情況，設置一次風側空預器的壓降467Pa。

圖2 優化前各截面速度分布圖

一次風機出口至空預器入口風道較短，存在多處風道變截面、流向轉折、兩個風道匯流。原風道內未增設導流裝置，變截面位置流體不能在自然狀態下按截面形狀均勻擴散，產生高速區和低速區，如圖3、圖4 所示。兩個風道匯流處介質質點間劇烈碰撞存在動量交換，流體在流向風道折轉位置時產生渦流、速度重新分布引起加速或減速造成局部壓力損失，速度分布不均勻；圖5為空預器入口300mm 截面，由于上游風道變截面及流向折轉的影響，使得空預器入口截面風速分布不均勻。

圖3 優化前截面1 速度分布圖

圖4 優化前截面2 速度分布圖

圖5 優化前截面3 速度分布圖

兩側風機結構對稱布置，根據試驗測試值330MW 負荷下2 臺風機的流量相當，從圖3 可以看到2 臺風機匯流處的流動狀態，匯流處未出現搶風現象。

3.3 優化方案

本次優化采取以下3 種方法：（1）在流通面積或流體運動方向發生變化處安裝適當形狀的導流板，既可以避免在彎曲處的內外側出現大范圍的渦流區，也可以減少二次流的產生和影響范圍；（2）流通面積平穩過渡，盡可能采用逐漸擴大或逐漸縮小代替突然擴大或突然縮小；（3）在流通結構匯流或分流處增加分割導流板，以減少流體介質之間的相互干擾。

為緩解一次風道內流場分布不均勻的現象，在風道折轉段加裝導流板，優化因流動方向發生變化造成的流場分布不均勻，如導流板組2 和導流板組3；在截面變化處增加導流板使流通面積氣體平穩過渡，如導流板組1。其次，在2 個風道匯流處增加分隔板消除氣流混合沖撞的影響，分隔板從風道匯流處一直延伸到空預器入口，如分隔板1。風道內加裝導流板模型圖如圖6 所示。

圖6 加導流板模型圖

4 優化后模擬

優化后風道內各截面的速度分布模擬如圖7 ～9 所示。由圖7 和圖9 可以看出，風道內加裝導流板后，流場分布較為均勻，緩解了因風道變截面、流向折轉以及風道匯流造成的流場紊亂和流動不穩定等問題，流通面積內氣體平穩過渡。

圖7 優化后截面1 速度分布圖

圖8 優化后截面2 速度分布圖

圖9 優化后截面3 速度分布圖

從圖9 可以看出，優化后空預器入口截面的速度分布均勻性有較大改善。從圖7 可以看出，2 個風道匯流處增加分割板后流場分布均勻，避免因2 臺風機出口的氣流相互壓制而造成的并聯風機搶風問題，消除因搶風帶來的風機穩定運行隱患。

5 結語

（1）風道內加裝導流板后，流場分布較為均勻，緩解了因風道變截面、流向折轉以及風道匯流造成的流場紊亂和流動不穩定等問題，流通面積內氣體平穩過渡，優化后空預器入口截面的速度分布均勻性有較大改善。

（2）2 個風道匯流處增加分割板后流場分布均勻，避免因2 臺風機出口的氣流相互壓制而造成的并聯風機搶風問題，消除因搶風帶來的風機穩定運行隱患。風道內增加導流板和分隔板后，一次風機出口至空預器入口段增加阻力68Pa，阻力增加較小。