馬治安，董 方，劉 袖，彭 麗，蔡志鵬，王家林

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638017；3.華電國(guó)際電力股份有限公司天津開(kāi)發(fā)區(qū)分公司，天津 300270）

面對(duì)雙碳目標(biāo)的提出和當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)的變化的形勢(shì)，燃煤電廠發(fā)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行依然是發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗和電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ)保障。目前大型火力發(fā)電廠普遍采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，但由于一次風(fēng)道結(jié)構(gòu)和磨煤機(jī)布置不合理等原因，易造成各磨煤機(jī)之間一次風(fēng)壓分布不均，使得部分磨煤機(jī)入口因風(fēng)壓偏低造成送粉管出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，從而引發(fā)送粉管內(nèi)積粉堵塞自燃，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。此外，一次風(fēng)率偏大對(duì)鍋爐燃燒和蒸汽溫度影響較大[2]，單臺(tái)磨煤機(jī)入口界面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布不均，影響風(fēng)量測(cè)量[3-5]，進(jìn)而影響磨煤機(jī)運(yùn)行性能[6]。

目前，關(guān)于一次風(fēng)和制粉系統(tǒng)的優(yōu)化改造，學(xué)者提出了不同的方案。張鋒等通過(guò)對(duì)空預(yù)器熱一次風(fēng)出口至磨煤機(jī)入口風(fēng)道增容改造，發(fā)現(xiàn)改造后風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性得到了顯著提高[7]；董志強(qiáng)等通過(guò)對(duì)制粉系統(tǒng)和一次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行診斷與節(jié)能優(yōu)化改造，改造后磨煤機(jī)出力提高20%，鍋爐效率有所提高，發(fā)電煤耗平均下降鍋爐效率有所提高，發(fā)電煤耗平均下降2.4 g/kW·h[8]；王龍飛等發(fā)現(xiàn)在褐煤鍋爐上布置一次風(fēng)加熱器可以改善鍋爐脫硝能力，降低鍋爐排煙溫度，從而提升了鍋爐效率[9]；李華等通過(guò)對(duì)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道進(jìn)行模擬分析，并提出一次風(fēng)道改造方案，改造后消除了各磨煤機(jī)間的一次風(fēng)量偏差，提高了制粉設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性[10]。

本項(xiàng)目對(duì)該機(jī)組一次風(fēng)系統(tǒng)和制粉系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)研究，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，對(duì)優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比和實(shí)施改造后，從源頭上解決了鍋爐熱一次風(fēng)道設(shè)計(jì)布置不合理，導(dǎo)致的磨煤機(jī)入口風(fēng)量測(cè)量不均、各臺(tái)磨煤機(jī)入口風(fēng)量偏差大，引起煤粉管道堵塞等問(wèn)題；有效降低了熱一次風(fēng)管網(wǎng)的通風(fēng)阻力，降低了一次風(fēng)機(jī)電流。通過(guò)本方案，可顯著提升節(jié)能效果，有效解決粉管道堵管問(wèn)題，全面提升了燃煤電廠節(jié)能降碳能力和安全運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 設(shè)備概況

某電廠為600 MW 亞臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構(gòu)架的П 型汽包爐，制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式，設(shè)置6 臺(tái)北京電力設(shè)備廠生產(chǎn)的ZGM-113G 型中速磨煤機(jī)，燃燒方式為前后墻對(duì)沖燃燒，自投產(chǎn)以來(lái)，鍋爐B、E 磨煤機(jī)始終存在入口進(jìn)風(fēng)量低的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的B、E 磨的一次煤粉管出現(xiàn)頻繁堵管問(wèn)題，造成經(jīng)常停運(yùn)磨煤機(jī)進(jìn)行清理疏通，嚴(yán)重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

鍋爐一次風(fēng)由兩臺(tái)風(fēng)機(jī)一次風(fēng)機(jī)A 和一次風(fēng)機(jī)B 提供，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)兩個(gè)主風(fēng)管，兩個(gè)主風(fēng)管從空預(yù)器共同進(jìn)入磨煤機(jī)前的一次熱風(fēng)母管匯合一次熱風(fēng)母管下游6 個(gè)一次熱風(fēng)支管分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D、E、F磨煤機(jī)。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 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)廠方提供的熱一次風(fēng)管道系統(tǒng)圖紙和一次風(fēng)的安裝施工圖紙按1：1 的比例進(jìn)行建模。模型圖見(jiàn)圖1。

原熱一次風(fēng)道模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。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，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)區(qū)域及流動(dòng)變化較大區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，保證網(wǎng)格精度同時(shí)滿(mǎn)足計(jì)算要求，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679 萬(wàn)。

2.2 計(jì)算模型及求解方法

湍流計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-e 雙方程模型和標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)模型。求解方法采用分離式SIMPLE 算法，計(jì)算式采用二階迎風(fēng)差分格式對(duì)方程進(jìn)行離散。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，優(yōu)化前A-F 磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量（kg/s）分配分別26.10/19.43/26.36/26.37/19.20/26.38，平均風(fēng)量23.973 kg/s，偏差（%）分別為8.87/-18.95/9.96/10/-19.91/10.04，磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)E 對(duì)應(yīng)的支管偏差特別大。該廠一次風(fēng)道各支管的風(fēng)量不均的根本原因在于風(fēng)道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置上，其中磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)E 對(duì)應(yīng)的支管壓力較小，流量低，使得支管調(diào)節(jié)風(fēng)量閥門(mén)開(kāi)度不能夠有效將風(fēng)量調(diào)節(jié)均衡，如表1 所示，B 磨和E 磨對(duì)應(yīng)的支管出口速度明顯偏低，使得相對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)的一次風(fēng)煤粉管道常年易堵，影響磨煤機(jī)出力的同時(shí)存在很大的安全隱患問(wèn)題。

表1 改造前各支管出口速度

3 熱一次風(fēng)道優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

改前A-F 磨入口壓力不同，其中B、E 磨流量和壓力較小，使得進(jìn)入這兩臺(tái)磨的壓力比較大。為了提高B、E 磨煤機(jī)通風(fēng)出力，對(duì)其相對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行優(yōu)化改造，提高B、E 磨的流量，對(duì)一次風(fēng)道兩端安裝倒流板進(jìn)行優(yōu)化，使一次熱風(fēng)道各支管的流量整體相對(duì)均衡。磨煤機(jī)A 和磨煤機(jī)F 對(duì)應(yīng)的支管入口采用倒角，起導(dǎo)流作用，減少壓力損失。磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)E 對(duì)應(yīng)的支管入口處采用擴(kuò)口和加裝導(dǎo)流板，使更多流體進(jìn)入B、E 磨煤機(jī)，到達(dá)均衡各支管的流量和壓力。

3.2 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果分析

改造優(yōu)化前，磨煤機(jī)各支管進(jìn)入熱一次風(fēng)的質(zhì)量流量偏差較大，其中磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)E 的入口質(zhì)量流量偏差為18.95%和19.91%。優(yōu)化后，數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示見(jiàn)圖3，一次熱風(fēng)道各支管的流量相對(duì)均衡，使得各支管的壓力相對(duì)均衡，一次熱風(fēng)進(jìn)入各臺(tái)磨煤機(jī)支管質(zhì)量流量整體偏差在5%以?xún)?nèi)，見(jiàn)圖4。改造前磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)E 對(duì)應(yīng)的一次風(fēng)道支管內(nèi)速度較其它各支管低，磨煤機(jī)A 和磨煤機(jī)F 對(duì)應(yīng)的一次風(fēng)道支管速度較高，在主風(fēng)道兩端優(yōu)化后，磨煤機(jī)各個(gè)支管速度不均衡得到明顯的改善。

3.3 優(yōu)化后實(shí)際運(yùn)行效果

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)顯示，通過(guò)改造后，B 磨煤機(jī)和E磨煤機(jī)的一次風(fēng)量得到了提升，與其它磨煤機(jī)入口風(fēng)壓的偏差值減小。從改造后的運(yùn)行效果來(lái)看，B 磨煤機(jī)和E 磨煤機(jī)缺風(fēng)的問(wèn)題得到了有效解決，運(yùn)行至今未發(fā)生堵管問(wèn)題。該機(jī)組在600 MW 負(fù)荷工況下，磨煤機(jī)熱一次風(fēng)門(mén)全開(kāi)的情況下，各磨煤機(jī)的入口風(fēng)壓相當(dāng)均衡，效果良好。

優(yōu)化了各磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的一次熱風(fēng)道支管的流場(chǎng)，在一定程度上降低了一次風(fēng)系統(tǒng)壓力損失。改造后，通過(guò)電廠DCS 運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表2 和表3 所示，各磨之間入口風(fēng)壓最大偏差2.23%，一次風(fēng)機(jī)A 出口風(fēng)壓降低462 pa，一次風(fēng)機(jī)B 出口風(fēng)壓降低401 pa，兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓降低了約4 個(gè)百分點(diǎn)，A 一次風(fēng)機(jī)電流降低5.35 A，B一次風(fēng)機(jī)A出口電流降低3.78 A。

表2 改造前、后磨煤機(jī)入口風(fēng)壓統(tǒng)計(jì)對(duì)比

表3 改造前、后一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一次熱風(fēng)道數(shù)值模擬計(jì)算優(yōu)化和改造，從源頭上增加了磨煤機(jī)B 和E 一次熱風(fēng)的進(jìn)風(fēng)量，磨煤機(jī)B 和E 磨煤機(jī)出力也得到了提升，對(duì)應(yīng)的煤粉管道堵管問(wèn)題也得到了有效解決，運(yùn)行2 年來(lái)，均未再發(fā)生過(guò)煤粉堵管現(xiàn)象，為鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。優(yōu)化改造后鍋爐經(jīng)濟(jì)性也得到了明顯提升，熱一次風(fēng)進(jìn)入每臺(tái)磨煤機(jī)的風(fēng)量均勻，各支管對(duì)應(yīng)磨煤機(jī)入口風(fēng)壓也更加均勻，有效降低了熱一次風(fēng)管網(wǎng)的通風(fēng)阻力，鍋爐A 一次風(fēng)機(jī)和B 一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓分別降低462 pa 和401 pa，一次風(fēng)機(jī)A 和一次風(fēng)機(jī)B 電流下降5.35 A 和3.78 A，節(jié)能效果明顯。由于我國(guó)的燃煤機(jī)組一次熱風(fēng)管道在實(shí)際運(yùn)行中，大部分也存在類(lèi)似流量分配不均類(lèi)似問(wèn)題，所以一次熱風(fēng)道數(shù)值模擬計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)也適用于通類(lèi)電廠的技術(shù)改造。