燃煤電廠一次熱風道數值模擬及應用研究

馬治安，董 方，劉 袖，彭 麗，蔡志鵬，王家林

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638017；3.華電國際電力股份有限公司天津開發區分公司，天津 300270）

面對雙碳目標的提出和當前能源結構的變化的形勢，燃煤電廠發電設備的安全穩定運行依然是發電企業節能降耗和電力行業能源轉型升級的基礎保障。目前大型火力發電廠普遍采用中速磨直吹式制粉系統，但由于一次風道結構和磨煤機布置不合理等原因，易造成各磨煤機之間一次風壓分布不均，使得部分磨煤機入口因風壓偏低造成送粉管出現堵塞現象，從而引發送粉管內積粉堵塞自燃，影響機組安全穩定運行[1]。此外，一次風率偏大對鍋爐燃燒和蒸汽溫度影響較大[2]，單臺磨煤機入口界面的流場和溫度場分布不均，影響風量測量[3-5]，進而影響磨煤機運行性能[6]。

目前，關于一次風和制粉系統的優化改造，學者提出了不同的方案。張鋒等通過對空預器熱一次風出口至磨煤機入口風道增容改造，發現改造后風機運行安全性得到了顯著提高[7]；董志強等通過對制粉系統和一次風系統進行診斷與節能優化改造，改造后磨煤機出力提高20%，鍋爐效率有所提高，發電煤耗平均下降鍋爐效率有所提高，發電煤耗平均下降2.4 g/kW·h[8]；王龍飛等發現在褐煤鍋爐上布置一次風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]；李華等通過對磨煤機入口一次風道進行模擬分析，并提出一次風道改造方案，改造后消除了各磨煤機間的一次風量偏差，提高了制粉設備運行穩定性[10]。

本項目對該機組一次風系統和制粉系統進行統籌協同優化系統研究，通過數值計算分析，對優化后計算結果分析對比和實施改造后，從源頭上解決了鍋爐熱一次風道設計布置不合理，導致的磨煤機入口風量測量不均、各臺磨煤機入口風量偏差大，引起煤粉管道堵塞等問題；有效降低了熱一次風管網的通風阻力，降低了一次風機電流。通過本方案，可顯著提升節能效果，有效解決粉管道堵管問題，全面提升了燃煤電廠節能降碳能力和安全運行穩定性。

1 設備概況

某電廠為600 MW 亞臨界燃煤機組，鍋爐為自然循環、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道、全鋼構架的П 型汽包爐，制粉系統采用中速磨煤機直吹式，設置6 臺北京電力設備廠生產的ZGM-113G 型中速磨煤機，燃燒方式為前后墻對沖燃燒，自投產以來，鍋爐B、E 磨煤機始終存在入口進風量低的現象，對應的B、E 磨的一次煤粉管出現頻繁堵管問題，造成經常停運磨煤機進行清理疏通，嚴重影響鍋爐的安全穩定運行。

鍋爐一次風由兩臺風機一次風機A 和一次風機B 提供，兩臺風機對應兩個主風管，兩個主風管從空預器共同進入磨煤機前的一次熱風母管匯合一次熱風母管下游6 個一次熱風支管分別對應A、B、C、D、E、F磨煤機。

2 數值計算分析

2.1 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熱一次風管道系統圖紙和一次風的安裝施工圖紙按1：1 的比例進行建模。模型圖見圖1。

原熱一次風道模型及網格劃分見圖2。進行網格劃分時，優先采用六面體結構化網格，對復雜流動區域及流動變化較大區域進行了網格加密處理，保證網格精度同時滿足計算要求，經過網格無關性驗證后，最終網格數量為679 萬。

2.2 計算模型及求解方法

湍流計算采用標準k-e 雙方程模型和標準的壁面函數模型。求解方法采用分離式SIMPLE 算法，計算式采用二階迎風差分格式對方程進行離散。

2.3 計算結果分析

數值計算結果顯示，優化前A-F 磨煤機入口一次風量（kg/s）分配分別26.10/19.43/26.36/26.37/19.20/26.38，平均風量23.973 kg/s，偏差（%）分別為8.87/-18.95/9.96/10/-19.91/10.04，磨煤機B 和磨煤機E 對應的支管偏差特別大。該廠一次風道各支管的風量不均的根本原因在于風道的系統結構布置上，其中磨煤機B 和磨煤機E 對應的支管壓力較小，流量低，使得支管調節風量閥門開度不能夠有效將風量調節均衡，如表1 所示，B 磨和E 磨對應的支管出口速度明顯偏低，使得相對應的磨煤機的一次風煤粉管道常年易堵，影響磨煤機出力的同時存在很大的安全隱患問題。

表1 改造前各支管出口速度

3 熱一次風道優化

3.1 優化方案

改前A-F 磨入口壓力不同，其中B、E 磨流量和壓力較小，使得進入這兩臺磨的壓力比較大。為了提高B、E 磨煤機通風出力，對其相對應的位置進行優化改造，提高B、E 磨的流量，對一次風道兩端安裝倒流板進行優化，使一次熱風道各支管的流量整體相對均衡。磨煤機A 和磨煤機F 對應的支管入口采用倒角，起導流作用，減少壓力損失。磨煤機B 和磨煤機E 對應的支管入口處采用擴口和加裝導流板，使更多流體進入B、E 磨煤機，到達均衡各支管的流量和壓力。

3.2 優化后計算結果分析

改造優化前，磨煤機各支管進入熱一次風的質量流量偏差較大，其中磨煤機B 和磨煤機E 的入口質量流量偏差為18.95%和19.91%。優化后，數值模擬統計結果顯示見圖3，一次熱風道各支管的流量相對均衡，使得各支管的壓力相對均衡，一次熱風進入各臺磨煤機支管質量流量整體偏差在5%以內，見圖4。改造前磨煤機B 和磨煤機E 對應的一次風道支管內速度較其它各支管低，磨煤機A 和磨煤機F 對應的一次風道支管速度較高，在主風道兩端優化后，磨煤機各個支管速度不均衡得到明顯的改善。

3.3 優化后實際運行效果

現場運行參數顯示，通過改造后，B 磨煤機和E磨煤機的一次風量得到了提升，與其它磨煤機入口風壓的偏差值減小。從改造后的運行效果來看，B 磨煤機和E 磨煤機缺風的問題得到了有效解決，運行至今未發生堵管問題。該機組在600 MW 負荷工況下，磨煤機熱一次風門全開的情況下，各磨煤機的入口風壓相當均衡，效果良好。

優化了各磨煤機對應的一次熱風道支管的流場，在一定程度上降低了一次風系統壓力損失。改造后，通過電廠DCS 運行數據統計，如表2 和表3 所示，各磨之間入口風壓最大偏差2.23%，一次風機A 出口風壓降低462 pa，一次風機B 出口風壓降低401 pa，兩臺一次風機出口風壓降低了約4 個百分點，A 一次風機電流降低5.35 A，B一次風機A出口電流降低3.78 A。

表2 改造前、后磨煤機入口風壓統計對比

表3 改造前、后一次風機運行參數統計對比

4 結論

通過對一次熱風道數值模擬計算優化和改造，從源頭上增加了磨煤機B 和E 一次熱風的進風量，磨煤機B 和E 磨煤機出力也得到了提升，對應的煤粉管道堵管問題也得到了有效解決，運行2 年來，均未再發生過煤粉堵管現象，為鍋爐安全穩定運行提供了保障。優化改造后鍋爐經濟性也得到了明顯提升，熱一次風進入每臺磨煤機的風量均勻，各支管對應磨煤機入口風壓也更加均勻，有效降低了熱一次風管網的通風阻力，鍋爐A 一次風機和B 一次風機出口風壓分別降低462 pa 和401 pa，一次風機A 和一次風機B 電流下降5.35 A 和3.78 A，節能效果明顯。由于我國的燃煤機組一次熱風管道在實際運行中，大部分也存在類似流量分配不均類似問題，所以一次熱風道數值模擬計算設計技術也適用于通類電廠的技術改造。