火電廠中速磨煤機一次風道流場優化

王 羽， 韋紅旗， 沈萌萌

(1. 東南大學 能源與環境學院， 南京 210018; 2. 南京科遠自動化集團股份有限公司， 南京 211100)

煤炭一直是我國最主要的能源形式，煤炭的主導地位決定了我國目前電力格局仍以燃煤發電為主[1]。制粉系統是燃煤鍋爐系統中必不可少的一部分，目前我國大型燃煤電站普遍采用中速磨煤機正壓直吹式制粉系統，制粉系統中一次風風量測量的準確性直接關系到鍋爐燃燒工況的調整，而磨煤機風環出口處風速對磨煤機的煤粉細度、石子煤排放率等也有重要的影響[2-3]。

我國在運的很多燃煤機組中，由于冷、熱一次風風道設計不合理，磨煤機風環傾角設計不當等，造成一次風風室流場紊亂、風環卡塞磨損及風環流量不均勻等現象，嚴重影響機組的安全運行[4-5]。因此，確保一次風風道及磨煤機風環內流場分布均勻對改善風環磨損，提高一次風風量測量準確性，保證機組的安全都具有重大的意義。筆者利用FLUENT軟件對某電廠600 MW機組冷、熱一次風管道及磨煤機風環處流場進行數值模擬，根據原結構流場特點提出合理改造方案，改善流場均勻性，提高一次風風量測量的準確性，為一次風風道及磨煤機結構的優化設計提供參考。

1 原結構模擬

該電廠600 MW超臨界燃煤機組鍋爐制粉系統采用中速磨煤機正壓直吹系統，每臺鍋爐配備6臺ZGM113G-Ⅱ型磨煤機，依次編號為1、2、3、4、5、6，在5臺磨煤機運行時鍋爐能達到最大連續蒸發量(BMCR)工況。在機組實際運行中，存在磨煤機進口風量測量不準、出口粉管濃度偏差大的問題，其中2號磨煤機和5號磨煤機進口風量測量不準、出口粉管濃度偏差大尤為突出。因此，筆者著重對2號磨煤機和5號磨煤機進行分析研究。

1.1 模型建立與網格劃分

計算流體動力學(CFD)模型利用三維建模軟件根據廠方提供的冷、熱一次風管道及磨煤機的安裝施工圖紙按1∶1的比例進行建模。為準確分析2號、5號磨煤機進口風量測量不準、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臺磨煤機及其上游冷、熱一次風管道，磨煤機本體部分進行了一定的簡化處理，最終模型圖見圖1和圖2。

圖1 原結構整體模型圖

圖2 磨煤機進口至風環出口簡化模型圖

進行網格劃分時，優先采用六面體結構化網格，經過網格無關性驗證后，最終網格數量為523萬(見圖3)。

圖3 原結構網格圖

1.2 邊界條件

由于原結構模擬僅對模型內部的流場進行分析，故模擬僅在高風量、調節閥全開的工況下進行。計算時將入口設置為均勻速度入口，速度通過高風量工況下的設計進風量與冷、熱一次風比例進行計算；出口設置為壓力出口[6]。具體邊界條件見表1。模擬采用SIMPLEC 算法模擬速度場與壓力場的耦合，迭代過程采用低松弛迭代的變松弛因子法[7]。

表1 數值模擬主要邊界條件

1.3 結果分析

根據設置的網格和邊界條件模擬計算得到原結構整體風道流線圖，見圖4。

圖4 原結構模型整體流線圖

從圖4可以看出：熱一次風由母管進入支管時，1號、3號、4號、6號磨煤機支管氣流充滿度良好，而2號、5號磨煤機支管氣流充滿度不佳，氣流在慣性的作用下偏向風道一側，流場分布較為紊亂，進而影響下游風量測量裝置的準確性。分析認為上述現象與2號、5號磨煤機一次風支管與母管接口處缺少導流裝置有關。

圖5、圖6分別為5號磨煤機一次風進口流線圖與流速分布云圖。由于2號、5號磨煤機在空間上呈對稱布置，因此2臺磨煤機進口風道及風環處流場具有相似性，故磨煤機一次風進口流線圖及流速分布云圖僅以5號磨煤機為例。

圖5 原結構5號磨煤機一次風進口流線圖

圖6 原結構5號磨煤機一次風進口截面流速分布云圖

分析磨煤機進口流場狀況發現，因磨煤機一次風風室進口前風道中存在與流動方向垂直的支撐擋板(見圖7)，造成一次風進口截面中心區域存在較大的低速區，嚴重影響后續磨煤機風環內的流場。

圖7 5號磨煤機進口支撐板現場圖

為了進一步了解風環處的流場，分別截取2號磨煤機和5號磨煤機風環出口截面流場分布云圖進行分析(見圖8、圖9)，風環出口截面位于風環噴嘴出口上方50 mm處。

圖8 原結構2號磨煤機風環出口截面流場分布云圖

圖9 原結構5號磨煤機風環出口截面流場分布云圖

2號磨煤機和5號磨煤機風環出口截面存在明顯的流速偏差，2號磨煤機靠風道內彎側流速偏大，5號磨煤機靠風道外彎側流速偏大，而風環出口較大的速度偏差易造成磨煤機出口粉管濃度偏差大。磨煤機一次風進口前支撐擋板將一次風氣流分為2股，進入磨煤機后因風環逆時針轉動，因而導致2號磨煤機內彎側流速偏高，而5號磨煤機外彎側流速偏高。

2 優化方案及結果分析

2.1 優化方案

根據原結構流場存在的問題，對熱一次風支管管道及磨煤機一次風進口前支撐擋板進行優化設計。具體優化方案如下：

(1) 針對2號、5號磨煤機熱一次風支管進口處氣流嚴重偏斜的問題，在綜合考慮現場施工量與施工難度后，最終確定將2號、5號磨煤機風道支管進口改成楔角連接，并在2個風道支管進口各新增1塊導流板，阻止氣流向一側偏斜。

(2) 為了解決磨煤機一次風進口截面流場紊亂的問題，將磨煤機一次風進口前支撐擋板放置方式改為與氣流方向平行(數值模擬時簡化處理，按去除此塊擋板建模)，優化后最終結構模型見圖10。

圖10 優化后模型圖

2.2 結果分析

優化后模型網格劃分及邊界條件與原結構相同。優化后模型整體流線圖見圖11，5號磨煤機一次風進口風道流線圖及一次風進口截面流場分布云圖見圖12、圖13，2號、5號磨煤機風環出口截面流場分布云圖見圖14、圖15。

圖11 優化后模型整體流線圖

圖12 優化后5號磨煤機一次風進口風道流線圖

圖13 優化后5號磨煤機一次風進口流速分布云圖

圖14 優化后2號磨煤機風環出口截面流場分布云圖

圖15 優化后5號磨煤機風環出口截面流場分布云圖

對比優化前后模型整體流線圖(圖4、圖11)及磨煤機一次風進口風道流線圖(圖5、圖12)可以看出：優化后2號、5號磨煤機熱一次風支管進口氣流偏斜問題明顯改善，氣流能很好地充滿風道。將磨煤機一次風進口前支撐擋板改為與氣流方向平行后，2號、5號磨煤機一次風進口截面的流場均勻性有所提高，中間低速帶消失，風道頂部與底部流速分層現象有所改善，且磨煤機風環出口截面流速偏差較原結構減小。

為定量分析優化后2號、5號磨煤機風環出口截面流場分布狀況，將風環出口截面分為42個區域，以一次風進口風道中軸線上方區域為1號并按順時針方向進行編號，分別編為1～42號(見圖16)。

圖16 風環出口截面編號示意圖

提取原結構及優化后每個區域氣流的平均流速進行對比分析，結果見圖17和圖18。

圖17 優化前后2號磨煤機風環出口截面各分區流速

圖18 優化前后5號磨煤機風環出口截面各分區流速

在高風量及調節閥全開的工況下，原結構中2號磨煤機與5號磨煤機風環出口各噴嘴處平均流速偏差較大，2號磨煤機最大流速偏差為48 m/s，5號磨煤機最大流速偏差為38 m/s。優化后2臺磨煤機風環出口截面流速偏差均明顯減小，2號磨煤機最大流速偏差為19 m/s，5號磨煤機最大流速偏差為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題。

表2為優化前后模型內部壓損情況。

表2 模型各段壓損匯總表 Pa

由表2可以看出：優化后系統壓損較原結構有所下降，2號、5號磨煤機熱一次風進口至磨煤機風環出口總壓損分別下降214 Pa和166 Pa，有利于降低風機功耗，提高節能效果。

3 風量測量裝置準確性

3.1 原風量測量裝置

針對原風量測量裝置測量準確性不高的現象，通過現場勘查及數值模擬發現原裝置布置在熱一次風支管彎頭下方1.5 m處，見圖19。

圖19 原風量測量裝置所在位置及現場布置圖

氣流經過彎頭后沖向彎頭外側，在彎頭內側形成渦流及局部低速區，截面流場分布均勻性較差(見圖20)。在測量截面流場分布不均時，應增加測點的數量以提高測量結果的準確性[8-9]，而原測量裝置在此截面中只布置了6個測點，測點數量偏少，因而測量準確性較低[10]。

圖20 原風量測量裝置所在截面速度分布云圖

為了進一步驗證原測量裝置的準確性，筆者將原測量裝置測點所在位置的速度平均值與測量截面的速度平均值進行對比，結果表明：在高風量、調節閥全開的工況下，2號磨煤機各測點流速的平均值與整個截面的流速平均值的相對偏差為1.33%，5號磨煤機各測點流速平均值與整個截面的流速平均值的相對偏差為5.4%。由此可見，原測量裝置的測量準確性較差。

3.2 新增風量測量裝置

此次改造在不拆除原有測量裝置的前提下新增1組測量裝置。新增測量裝置為三維矩陣式流量測量裝置，裝置安裝在靠近2號、5號磨煤機一次風進口的位置(見圖21)。三維矩陣式流量測量裝置是在傳統二維多點矩陣式風量測量裝置基礎上發展而來，優化設計為從三維空間多點取壓并形成較大均壓腔，其主要結構及測量原理見圖22。

圖21 新增測量裝置布置示意圖

圖22 新增測量裝置結構及原理示意圖

盡管新裝置測點所在位置靠近磨煤機一次風進口彎頭，此處流場具有一定的不均勻性(見圖23)，但測量裝置是根據不同流線位置在三維空間連續布點，因此即使流場較為紊亂，其所測動壓信號也能準確反映實際流量的大小。

圖23 新增風量測量裝置所在截面速度分布云圖

此外，通過將新測量裝置所有測點所在位置流速的平均值與測點所在截面的流速平均值進行對比發現：經系數修正后，2號、5號磨煤機在高風量、調節閥全開工況下新測點流速的平均值較測點所在整個截面的流速平均值的相對偏差均在0.5%左右，測量準確性較原結構有明顯提高。

4 結語

(1) 原風道結構數值模擬結果表明：2號、5號磨煤機熱一次風支管進口氣流偏斜嚴重，磨煤機一次風進口處流場較為紊亂且各磨煤機風環出口截面均有明顯的流速偏差，分析認為主要原因為熱一次風支管進口缺少導流裝置及磨煤機一次風進口前支撐擋板較寬。優化后，2臺磨煤機一次風支管進口氣流偏斜問題有所改善，磨煤機一次風進口流場均勻性提高，風環出口截面流速偏差減小，系統阻力有所下降。

(2) 原風量測量裝置測點所測數據與測點所在截面的數據平均值的相對偏差較大，測量準確性低，且原測點數量少，測量結果的偶然性偏高。采用新的風量測量裝置后，測點數量大大增加，經系數修正后，測量結果與測點所在截面的數據平均值的相對偏差很小，測量準確性顯著提高，測量結果更具代表性。