王 羽， 韋紅旗， 沈萌萌

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210018; 2. 南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司， 南京 211100)

煤炭一直是我國(guó)最主要的能源形式，煤炭的主導(dǎo)地位決定了我國(guó)目前電力格局仍以燃煤發(fā)電為主[1]。制粉系統(tǒng)是燃煤鍋爐系統(tǒng)中必不可少的一部分，目前我國(guó)大型燃煤電站普遍采用中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)中一次風(fēng)風(fēng)量測(cè)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到鍋爐燃燒工況的調(diào)整，而磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口處風(fēng)速對(duì)磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度、石子煤排放率等也有重要的影響[2-3]。

我國(guó)在運(yùn)的很多燃煤機(jī)組中，由于冷、熱一次風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理，磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)傾角設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)龋斐梢淮物L(fēng)風(fēng)室流場(chǎng)紊亂、風(fēng)環(huán)卡塞磨損及風(fēng)環(huán)流量不均勻等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行[4-5]。因此，確保一次風(fēng)風(fēng)道及磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)內(nèi)流場(chǎng)分布均勻?qū)Ω纳骑L(fēng)環(huán)磨損，提高一次風(fēng)風(fēng)量測(cè)量準(zhǔn)確性，保證機(jī)組的安全都具有重大的意義。筆者利用FLUENT軟件對(duì)某電廠600 MW機(jī)組冷、熱一次風(fēng)管道及磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)處流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)原結(jié)構(gòu)流場(chǎng)特點(diǎn)提出合理改造方案，改善流場(chǎng)均勻性，提高一次風(fēng)風(fēng)量測(cè)量的準(zhǔn)確性，為一次風(fēng)風(fēng)道及磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 原結(jié)構(gòu)模擬

該電廠600 MW超臨界燃煤機(jī)組鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)正壓直吹系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配備6臺(tái)ZGM113G-Ⅱ型磨煤機(jī)，依次編號(hào)為1、2、3、4、5、6，在5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)鍋爐能達(dá)到最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，存在磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)量測(cè)量不準(zhǔn)、出口粉管濃度偏差大的問(wèn)題，其中2號(hào)磨煤機(jī)和5號(hào)磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)量測(cè)量不準(zhǔn)、出口粉管濃度偏差大尤為突出。因此，筆者著重對(duì)2號(hào)磨煤機(jī)和5號(hào)磨煤機(jī)進(jìn)行分析研究。

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型利用三維建模軟件根據(jù)廠方提供的冷、熱一次風(fēng)管道及磨煤機(jī)的安裝施工圖紙按1∶1的比例進(jìn)行建模。為準(zhǔn)確分析2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)量測(cè)量不準(zhǔn)、出口粉管濃度偏差大尤為突出的原因，筆者建立的CFD模型包含全部6臺(tái)磨煤機(jī)及其上游冷、熱一次風(fēng)管道，磨煤機(jī)本體部分進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，最終模型圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 原結(jié)構(gòu)整體模型圖

圖2 磨煤機(jī)進(jìn)口至風(fēng)環(huán)出口簡(jiǎn)化模型圖

進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，優(yōu)先采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為523萬(wàn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

1.2 邊界條件

由于原結(jié)構(gòu)模擬僅對(duì)模型內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行分析，故模擬僅在高風(fēng)量、調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的工況下進(jìn)行。計(jì)算時(shí)將入口設(shè)置為均勻速度入口，速度通過(guò)高風(fēng)量工況下的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量與冷、熱一次風(fēng)比例進(jìn)行計(jì)算；出口設(shè)置為壓力出口[6]。具體邊界條件見(jiàn)表1。模擬采用SIMPLEC 算法模擬速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的耦合，迭代過(guò)程采用低松弛迭代的變松弛因子法[7]。

表1 數(shù)值模擬主要邊界條件

1.3 結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格和邊界條件模擬計(jì)算得到原結(jié)構(gòu)整體風(fēng)道流線圖，見(jiàn)圖4。

圖4 原結(jié)構(gòu)模型整體流線圖

從圖4可以看出：熱一次風(fēng)由母管進(jìn)入支管時(shí)，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)磨煤機(jī)支管氣流充滿度良好，而2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)支管氣流充滿度不佳，氣流在慣性的作用下偏向風(fēng)道一側(cè)，流場(chǎng)分布較為紊亂，進(jìn)而影響下游風(fēng)量測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。分析認(rèn)為上述現(xiàn)象與2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)支管與母管接口處缺少導(dǎo)流裝置有關(guān)。

圖5、圖6分別為5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口流線圖與流速分布云圖。由于2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)在空間上呈對(duì)稱(chēng)布置，因此2臺(tái)磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)道及風(fēng)環(huán)處流場(chǎng)具有相似性，故磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口流線圖及流速分布云圖僅以5號(hào)磨煤機(jī)為例。

圖5 原結(jié)構(gòu)5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口流線圖

圖6 原結(jié)構(gòu)5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口截面流速分布云圖

分析磨煤機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)狀況發(fā)現(xiàn)，因磨煤機(jī)一次風(fēng)風(fēng)室進(jìn)口前風(fēng)道中存在與流動(dòng)方向垂直的支撐擋板(見(jiàn)圖7)，造成一次風(fēng)進(jìn)口截面中心區(qū)域存在較大的低速區(qū)，嚴(yán)重影響后續(xù)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)內(nèi)的流場(chǎng)。

圖7 5號(hào)磨煤機(jī)進(jìn)口支撐板現(xiàn)場(chǎng)圖

為了進(jìn)一步了解風(fēng)環(huán)處的流場(chǎng)，分別截取2號(hào)磨煤機(jī)和5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布云圖進(jìn)行分析(見(jiàn)圖8、圖9)，風(fēng)環(huán)出口截面位于風(fēng)環(huán)噴嘴出口上方50 mm處。

圖8 原結(jié)構(gòu)2號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布云圖

圖9 原結(jié)構(gòu)5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布云圖

2號(hào)磨煤機(jī)和5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面存在明顯的流速偏差，2號(hào)磨煤機(jī)靠風(fēng)道內(nèi)彎側(cè)流速偏大，5號(hào)磨煤機(jī)靠風(fēng)道外彎側(cè)流速偏大，而風(fēng)環(huán)出口較大的速度偏差易造成磨煤機(jī)出口粉管濃度偏差大。磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口前支撐擋板將一次風(fēng)氣流分為2股，進(jìn)入磨煤機(jī)后因風(fēng)環(huán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，因而導(dǎo)致2號(hào)磨煤機(jī)內(nèi)彎側(cè)流速偏高，而5號(hào)磨煤機(jī)外彎側(cè)流速偏高。

2 優(yōu)化方案及結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化方案

根據(jù)原結(jié)構(gòu)流場(chǎng)存在的問(wèn)題，對(duì)熱一次風(fēng)支管管道及磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口前支撐擋板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體優(yōu)化方案如下：

(1) 針對(duì)2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)熱一次風(fēng)支管進(jìn)口處氣流嚴(yán)重偏斜的問(wèn)題，在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工量與施工難度后，最終確定將2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)道支管進(jìn)口改成楔角連接，并在2個(gè)風(fēng)道支管進(jìn)口各新增1塊導(dǎo)流板，阻止氣流向一側(cè)偏斜。

(2) 為了解決磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口截面流場(chǎng)紊亂的問(wèn)題，將磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口前支撐擋板放置方式改為與氣流方向平行(數(shù)值模擬時(shí)簡(jiǎn)化處理，按去除此塊擋板建模)，優(yōu)化后最終結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖10。

圖10 優(yōu)化后模型圖

2.2 結(jié)果分析

優(yōu)化后模型網(wǎng)格劃分及邊界條件與原結(jié)構(gòu)相同。優(yōu)化后模型整體流線圖見(jiàn)圖11，5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)道流線圖及一次風(fēng)進(jìn)口截面流場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖12、圖13，2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖14、圖15。

圖11 優(yōu)化后模型整體流線圖

圖12 優(yōu)化后5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)道流線圖

圖13 優(yōu)化后5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口流速分布云圖

圖14 優(yōu)化后2號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布云圖

圖15 優(yōu)化后5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布云圖

對(duì)比優(yōu)化前后模型整體流線圖(圖4、圖11)及磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)道流線圖(圖5、圖12)可以看出：優(yōu)化后2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)熱一次風(fēng)支管進(jìn)口氣流偏斜問(wèn)題明顯改善，氣流能很好地充滿風(fēng)道。將磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口前支撐擋板改為與氣流方向平行后，2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口截面的流場(chǎng)均勻性有所提高，中間低速帶消失，風(fēng)道頂部與底部流速分層現(xiàn)象有所改善，且磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流速偏差較原結(jié)構(gòu)減小。

為定量分析優(yōu)化后2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流場(chǎng)分布狀況，將風(fēng)環(huán)出口截面分為42個(gè)區(qū)域，以一次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)道中軸線上方區(qū)域?yàn)?號(hào)并按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行編號(hào)，分別編為1～42號(hào)(見(jiàn)圖16)。

圖16 風(fēng)環(huán)出口截面編號(hào)示意圖

提取原結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后每個(gè)區(qū)域氣流的平均流速進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖17和圖18。

圖17 優(yōu)化前后2號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面各分區(qū)流速

圖18 優(yōu)化前后5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面各分區(qū)流速

在高風(fēng)量及調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的工況下，原結(jié)構(gòu)中2號(hào)磨煤機(jī)與5號(hào)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口各噴嘴處平均流速偏差較大，2號(hào)磨煤機(jī)最大流速偏差為48 m/s，5號(hào)磨煤機(jī)最大流速偏差為38 m/s。優(yōu)化后2臺(tái)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面流速偏差均明顯減小，2號(hào)磨煤機(jī)最大流速偏差為19 m/s，5號(hào)磨煤機(jī)最大流速偏差為18 m/s，在一定程度上有利于改善出口粉管濃度偏差較大的問(wèn)題。

表2為優(yōu)化前后模型內(nèi)部壓損情況。

表2 模型各段壓損匯總表 Pa

由表2可以看出：優(yōu)化后系統(tǒng)壓損較原結(jié)構(gòu)有所下降，2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)熱一次風(fēng)進(jìn)口至磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口總壓損分別下降214 Pa和166 Pa，有利于降低風(fēng)機(jī)功耗，提高節(jié)能效果。

3 風(fēng)量測(cè)量裝置準(zhǔn)確性

3.1 原風(fēng)量測(cè)量裝置

針對(duì)原風(fēng)量測(cè)量裝置測(cè)量準(zhǔn)確性不高的現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)原裝置布置在熱一次風(fēng)支管彎頭下方1.5 m處，見(jiàn)圖19。

圖19 原風(fēng)量測(cè)量裝置所在位置及現(xiàn)場(chǎng)布置圖

氣流經(jīng)過(guò)彎頭后沖向彎頭外側(cè)，在彎頭內(nèi)側(cè)形成渦流及局部低速區(qū)，截面流場(chǎng)分布均勻性較差(見(jiàn)圖20)。在測(cè)量截面流場(chǎng)分布不均時(shí)，應(yīng)增加測(cè)點(diǎn)的數(shù)量以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[8-9]，而原測(cè)量裝置在此截面中只布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)數(shù)量偏少，因而測(cè)量準(zhǔn)確性較低[10]。

圖20 原風(fēng)量測(cè)量裝置所在截面速度分布云圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證原測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性，筆者將原測(cè)量裝置測(cè)點(diǎn)所在位置的速度平均值與測(cè)量截面的速度平均值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：在高風(fēng)量、調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的工況下，2號(hào)磨煤機(jī)各測(cè)點(diǎn)流速的平均值與整個(gè)截面的流速平均值的相對(duì)偏差為1.33%，5號(hào)磨煤機(jī)各測(cè)點(diǎn)流速平均值與整個(gè)截面的流速平均值的相對(duì)偏差為5.4%。由此可見(jiàn)，原測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確性較差。

3.2 新增風(fēng)量測(cè)量裝置

此次改造在不拆除原有測(cè)量裝置的前提下新增1組測(cè)量裝置。新增測(cè)量裝置為三維矩陣式流量測(cè)量裝置，裝置安裝在靠近2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口的位置(見(jiàn)圖21)。三維矩陣式流量測(cè)量裝置是在傳統(tǒng)二維多點(diǎn)矩陣式風(fēng)量測(cè)量裝置基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，優(yōu)化設(shè)計(jì)為從三維空間多點(diǎn)取壓并形成較大均壓腔，其主要結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理見(jiàn)圖22。

圖21 新增測(cè)量裝置布置示意圖

圖22 新增測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)及原理示意圖

盡管新裝置測(cè)點(diǎn)所在位置靠近磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口彎頭，此處流場(chǎng)具有一定的不均勻性(見(jiàn)圖23)，但測(cè)量裝置是根據(jù)不同流線位置在三維空間連續(xù)布點(diǎn)，因此即使流場(chǎng)較為紊亂，其所測(cè)動(dòng)壓信號(hào)也能準(zhǔn)確反映實(shí)際流量的大小。

圖23 新增風(fēng)量測(cè)量裝置所在截面速度分布云圖

此外，通過(guò)將新測(cè)量裝置所有測(cè)點(diǎn)所在位置流速的平均值與測(cè)點(diǎn)所在截面的流速平均值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)系數(shù)修正后，2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)在高風(fēng)量、調(diào)節(jié)閥全開(kāi)工況下新測(cè)點(diǎn)流速的平均值較測(cè)點(diǎn)所在整個(gè)截面的流速平均值的相對(duì)偏差均在0.5%左右，測(cè)量準(zhǔn)確性較原結(jié)構(gòu)有明顯提高。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 原風(fēng)道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果表明：2號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)熱一次風(fēng)支管進(jìn)口氣流偏斜嚴(yán)重，磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口處流場(chǎng)較為紊亂且各磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)出口截面均有明顯的流速偏差，分析認(rèn)為主要原因?yàn)闊嵋淮物L(fēng)支管進(jìn)口缺少導(dǎo)流裝置及磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口前支撐擋板較寬。優(yōu)化后，2臺(tái)磨煤機(jī)一次風(fēng)支管進(jìn)口氣流偏斜問(wèn)題有所改善，磨煤機(jī)一次風(fēng)進(jìn)口流場(chǎng)均勻性提高，風(fēng)環(huán)出口截面流速偏差減小，系統(tǒng)阻力有所下降。

(2) 原風(fēng)量測(cè)量裝置測(cè)點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)與測(cè)點(diǎn)所在截面的數(shù)據(jù)平均值的相對(duì)偏差較大，測(cè)量準(zhǔn)確性低，且原測(cè)點(diǎn)數(shù)量少，測(cè)量結(jié)果的偶然性偏高。采用新的風(fēng)量測(cè)量裝置后，測(cè)點(diǎn)數(shù)量大大增加，經(jīng)系數(shù)修正后，測(cè)量結(jié)果與測(cè)點(diǎn)所在截面的數(shù)據(jù)平均值的相對(duì)偏差很小，測(cè)量準(zhǔn)確性顯著提高，測(cè)量結(jié)果更具代表性。