徐之昌，饒 勇，李昊燃，朱紅偉，張廣才，陶 然，彭 元，孫大偉

(1.廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516363；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；3.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710032)

為響應(yīng)節(jié)能減排基本政策，大型火力發(fā)電廠爐后煙氣脫硝、脫硫、換熱器等環(huán)保設(shè)備大多是投產(chǎn)后增容改造或增設(shè)的，這導(dǎo)致風(fēng)煙系統(tǒng)原有引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)不能滿足環(huán)保改造后的出力要求，所以需要對(duì)設(shè)備重新進(jìn)行改造。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)可知，煙風(fēng)系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的用電率占全廠的1%左右，占比較高[1-8]。因此，在對(duì)引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造時(shí)可兼顧節(jié)能降耗方面的考慮。

本文對(duì)某1 000 MW級(jí)別機(jī)組引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行二合一(以下簡(jiǎn)稱“引增合一改造”)后煙風(fēng)管道(以下簡(jiǎn)稱“煙道”)優(yōu)化工程的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及數(shù)值模擬進(jìn)行了深入研究，提出多種煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算對(duì)比，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效果及現(xiàn)場(chǎng)改造可行性等基礎(chǔ)上，給出最佳方案。

1 風(fēng)機(jī)改造情況簡(jiǎn)介

某國(guó)產(chǎn)1 000 MW超超臨界壓力燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐型號(hào)為SG-3093/27.46-M533，型式為∏型布置、單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、八角雙切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、機(jī)械干式排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)露天布置，采用帶BCP泵的內(nèi)置式啟動(dòng)分離系統(tǒng)、三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，采用正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)、超超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，鍋爐同期建設(shè)有脫硝裝置。

為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策，電廠計(jì)劃對(duì)引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行二合一改造。引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)合并改造完成后，除塵器出口至脫硫塔原煙氣入口段煙道，因?yàn)榇嬖诓季植缓侠淼葐栴}，所以具有巨大的優(yōu)化空間。為此，本文首先針對(duì)引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口段煙道(包括增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口段煙道)提出了優(yōu)化改造方案，然后運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)各方案的優(yōu)化效果做了比較，最后通過對(duì)比選出合適的煙道優(yōu)化方案。

2 原始煙道布置及阻力情況

改造前引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口煙道如圖1所示。

圖1 改造前引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口段煙道模型

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量，機(jī)組1 000 MW負(fù)荷工況下，除塵器出口相關(guān)原始煙道阻力如下：

1)除塵器出口至引風(fēng)機(jī)入口250 Pa；

2)引風(fēng)機(jī)出口至增壓風(fēng)機(jī)入口700 Pa；

3)增壓風(fēng)機(jī)出口至吸收塔入口100 Pa。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，引風(fēng)機(jī)出口至增壓風(fēng)機(jī)入口之間的煙道系統(tǒng)阻力最大，具有較大的節(jié)能優(yōu)化空間。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及優(yōu)化方案介紹

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

借助大型商業(yè)流場(chǎng)分析軟件求解三維定常N-S方程組，對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。采用基于有限元的有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)離散采用高精度中心差分格式，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。利用大型網(wǎng)格劃分軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為300萬，網(wǎng)格剖分示意圖如圖2所示，網(wǎng)格采用了邊界層加密。計(jì)算邊界條件：進(jìn)口給定速度，出口給定靜壓，壁面采用無滑移邊界條件[9-11]。

圖2 煙道網(wǎng)格剖分示意圖

3.2 改造前煙道數(shù)值計(jì)算結(jié)果

引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口段原始煙道的流場(chǎng)流線示意圖如圖3所示。

圖3 原始煙道流場(chǎng)流線示意圖

由圖3可知，引風(fēng)機(jī)出口對(duì)沖段、兩臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)入口煙道分離處存在明顯的旋渦流動(dòng)區(qū)域，這是煙道阻力高的主要原因，也是進(jìn)行煙道優(yōu)化需要重點(diǎn)解決的問題。

3.3 優(yōu)化方案介紹

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察，本文提出了5種不同的煙道優(yōu)化改造方案，下面將對(duì)這5種方案進(jìn)行詳細(xì)說明和流場(chǎng)計(jì)算[12-18]。其中方案1～4是按照新風(fēng)機(jī)布置在現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)中的位置進(jìn)行考慮，方案5是按照新風(fēng)機(jī)布置在原增壓風(fēng)機(jī)中的位置進(jìn)行考慮。

如圖4所示，方案1從現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)量最小的角度考慮，即拆除增壓風(fēng)機(jī)，重新制作連接增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口段的煙道，該段煙道通過彎頭和變徑管連接，由于沒有進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化，原有煙道流場(chǎng)沒有改變，因此沒有煙道阻力下降空間。

如圖5所示，方案2盡量減少現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)量，拆除增壓風(fēng)機(jī)入口豎直段至脫硫塔入口段的煙道，重新制作方煙道將增壓風(fēng)機(jī)原入口匯通煙道與吸收塔入口直連。由于沒有進(jìn)行徹底的流場(chǎng)優(yōu)化，原引風(fēng)機(jī)出口對(duì)沖高損失區(qū)仍然存在，因此節(jié)能效果比較有限，預(yù)計(jì)滿負(fù)荷時(shí)阻力下降150 Pa。

如圖6所示，方案3提出了對(duì)引風(fēng)機(jī)出口煙道進(jìn)行圓型煙道改造的優(yōu)化方案。將引風(fēng)機(jī)出口煙道直接改造成圓形煙道，從中間出口位置直接架高，引入吸收塔入口。由于對(duì)引風(fēng)機(jī)出口煙道進(jìn)行了徹底優(yōu)化，減少了原引風(fēng)機(jī)出口的旋渦區(qū)，同時(shí)圓型煙道自身的降阻效果好，整體方案的煙道節(jié)能比較理想，預(yù)計(jì)滿負(fù)荷時(shí)阻力下降400 Pa。

如圖7所示，方案4在方案3的基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工方便，仍采用方案3的引風(fēng)機(jī)出口圓型煙道走向，但將圓煙道布置在地面上，減少現(xiàn)場(chǎng)改造施工量。該方案的流場(chǎng)情況與方案3基本相同，因此整體節(jié)能效果也與方案3相同。

如圖8所示，由于機(jī)組增壓風(fēng)機(jī)也是兩臺(tái)布置，因此可以考慮將新引風(fēng)機(jī)布置在增壓風(fēng)機(jī)位置上，對(duì)除塵器出口至增壓風(fēng)機(jī)入口之間的煙道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照此思路本設(shè)計(jì)提出了方案5的優(yōu)化方案，即將除塵器匯通后引出的兩段煙道利用圓型煙道直接引入增壓風(fēng)機(jī)，一路煙道利用原有引風(fēng)機(jī)出口匯通主煙道支架進(jìn)行布置，另一路煙道重新興建。此方案對(duì)原引風(fēng)機(jī)進(jìn)出口煙道進(jìn)行整體圓型優(yōu)化布置，最大程度降低了此段煙道阻力，但是沒有對(duì)原除塵器出口及增壓風(fēng)機(jī)至吸收塔的煙道進(jìn)行優(yōu)化。綜合考慮，方案5預(yù)計(jì)降低煙道阻力500 Pa。

圖7 優(yōu)化方案4模型示意圖及流場(chǎng)圖

各優(yōu)化方案對(duì)比情況見表1，方案3、方案4和方案5的節(jié)能效果比較理想，其中方案5節(jié)能效果最佳(與方案3相比多降阻力100 Pa，一年預(yù)計(jì)多節(jié)省電費(fèi)20萬元)，但是現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)量大，改造費(fèi)用高(預(yù)計(jì)比方案3多投資250萬元)，改造工期控制難度大(預(yù)計(jì)需60天工期)，相比方案3，經(jīng)濟(jì)性不理想。因此建議采用方案3引風(fēng)機(jī)出口圓形煙道高空布置方案。

圖8 優(yōu)化方案5模型示意圖及流場(chǎng)圖

方案1方案2方案3方案4方案5阻力下降/Pa0150400400500廠用電下降/%00.020.0580.0580.072預(yù)計(jì)年節(jié)省費(fèi)用/萬元030.0 80.0 80.0 100.0 煙道工程量/t-125180180280

4 改造后現(xiàn)場(chǎng)示意圖及節(jié)能效果

采用優(yōu)化方案3的改造后現(xiàn)場(chǎng)煙道照片見圖9。

表2中給出了引風(fēng)機(jī)及煙道優(yōu)化改造前后滿負(fù)荷靜壓測(cè)量值。由表2中數(shù)據(jù)可得，改前滿負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)出口后煙道及脫硫系統(tǒng)總阻力為2 331.8 Pa，改后滿負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)出口后煙道及脫硫系統(tǒng)總阻力為1 865.0 Pa。由此可知，改造后滿負(fù)荷煙道阻力減低約467 Pa，達(dá)到預(yù)期效果。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及改造前后阻力降低值對(duì)改造后節(jié)能量及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行預(yù)估。如表3所示，經(jīng)過改造后年可節(jié)省電量2 156 470 kW·h，年可節(jié)約電費(fèi)97.0萬元，表明該改造方案具有較大的節(jié)能量和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(a)風(fēng)機(jī)出口上升段

(b)煙道改造后俯視圖
圖9 煙道改造后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果圖

表2 1 000 MW負(fù)荷下煙值改造前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

參數(shù)數(shù)據(jù)改前試驗(yàn)數(shù)據(jù)引風(fēng)機(jī)平均出口靜壓/Pa17.0增壓風(fēng)機(jī)平均入口靜壓/Pa-696.3增壓風(fēng)機(jī)平均出口靜壓/Pa1 618.5改后試驗(yàn)數(shù)據(jù)引風(fēng)機(jī)平均出口靜壓/Pa1 865.0

表3 節(jié)能量預(yù)估

注：“年利用小時(shí)數(shù)”參考同類機(jī)組水平。

5 結(jié)論

1)本文對(duì)某1 000 MW電廠引增合一改造后煙道優(yōu)化提出了5種優(yōu)化方案，并對(duì)每種優(yōu)化方案進(jìn)行節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，推薦采用方案3進(jìn)行改造。

2)通過改造前后試驗(yàn)測(cè)量對(duì)比可得，經(jīng)過方案3優(yōu)化改造后，煙道阻力下降467 Pa，年節(jié)電量2 156 470 kW·h，年可節(jié)約電費(fèi)97.0萬元，達(dá)到改造預(yù)期效果，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3)綜上所述，本次煙道改造效果非常成功，本文所采用的煙道優(yōu)化思路對(duì)相關(guān)工程改造具有較好的借鑒意義。