燃煤電廠輸灰系統(tǒng)優(yōu)化研究

陳志釗 徐曉宇 周高盛

（1.國能（福州）熱電有限公司，福建 福州 350309；2.福建中試所電力調(diào)整試驗(yàn)有限責(zé)任公司，福建 福州 350309）

燃煤電廠煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰，而輸灰系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是影響效率與能耗的關(guān)鍵[1]。合理優(yōu)化輸灰系統(tǒng)是火電節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

潘料庭[2]等在實(shí)際工程中選用氣相傳輸除塵，其效能良好；朱家[3]評(píng)估了實(shí)際工程采用的正壓濃相氣力輸灰系統(tǒng)，認(rèn)為其輸送力足、對(duì)場(chǎng)地要求低且更節(jié)能環(huán)保；鄭偉德[4]等通過優(yōu)化壓縮空氣系統(tǒng)，針對(duì)不同灰質(zhì)調(diào)節(jié)參數(shù)，提高了除灰效率；陳亮亮[5]等通過理論分析，改進(jìn)氣力輸送系統(tǒng)，取得了較好成果；郭俊海[6]等將輸灰系統(tǒng)管道改為卡套連接，消除了連接縫隙。

基于上述實(shí)際工程研究對(duì)輸灰系統(tǒng)的具體影響參數(shù)的作用不明確，鑒于此，本文深入分析了燃煤電廠除灰系統(tǒng)氣力輸送過程中的影響參數(shù)，基于實(shí)際工況，選用ANSYS 有限元仿真，解析各參數(shù)的優(yōu)化方向。

1 輸灰系統(tǒng)影響參數(shù)

灰氣比是指煤炭燃燒后產(chǎn)生的灰質(zhì)質(zhì)量與輸送氣體的流量的比值[7]，其公式如下：

其中，Wm為灰質(zhì)量，kg/s；W為輸送氣體流量，kg/s。

灰氣比[8]是評(píng)價(jià)電廠輸灰系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。設(shè)備的輸灰能力與灰氣比呈正相關(guān)，灰氣比越大，則所需輸送氣體量少，能耗較少，設(shè)備使用成本低；但若灰氣比過大，則輸送管道將承受過大的壓力，容易形成疲勞損傷，出現(xiàn)質(zhì)量問題；此外，灰氣比過大也會(huì)導(dǎo)致輸送過程中有較大的單位壓力損失，從而造成管道堵塞。

輸灰系統(tǒng)中的灰氣比設(shè)計(jì)需要對(duì)包括灰質(zhì)特性、輸送速度、能耗在內(nèi)的各項(xiàng)因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，其基本規(guī)則如下：當(dāng)輸送中距離、低功率的重灰質(zhì)時(shí)，灰氣比設(shè)置為0.5～5，選用10 kPa左右的輸送壓力；當(dāng)輸送遠(yuǎn)距離、大功率的重灰質(zhì)時(shí)，灰氣比設(shè)置為5～25，選用0.05～0.35 MPa 的輸送壓力。

氣力輸送[9]主要分為稀相、中相、濃相三種。由于燃煤電廠產(chǎn)生的灰質(zhì)多為粉煤灰，其持氣性、透氣性良好，需要設(shè)置較大的灰氣比方能實(shí)現(xiàn)灰質(zhì)輸送的穩(wěn)定，而濃相輸送的方式更適合大灰氣比。故燃煤電廠在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，綜合考慮輸灰能耗和設(shè)備成本后，多選用濃相輸送[10]。

灰氣比會(huì)對(duì)灰質(zhì)輸送速度產(chǎn)生一定的影響。尤其是粉煤灰性質(zhì)特殊[11]，輸送過程中會(huì)存在一定的顆粒懸浮，故需控制最小輸送速度，使其大于顆粒懸浮速度，方能避免管道堵塞，保證輸送安全。而在濃相輸送過程中，灰氣比和最小輸送速度呈反向相關(guān)，如圖1。因此，需要根據(jù)最小輸送速度范圍的要求，設(shè)置合理的灰氣比。

圖1 灰氣比與最小輸送速度的關(guān)系

在輸送速度一致的情況下，灰氣比越大，對(duì)輸送管道產(chǎn)生的壓力越大，則相對(duì)的能量損耗就會(huì)越大，即灰氣比與能耗呈正向相關(guān)，如圖2。

圖2 灰氣比與能耗的關(guān)系

濃相氣力輸送的空氣速度對(duì)輸灰系統(tǒng)性能具有極大影響。空氣速度是指單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的空氣體量[12]。一般在進(jìn)行濃相氣力輸送時(shí)，空氣速度變化造成的輸送管道單位壓力損失存在一個(gè)最小值，此時(shí)的空氣速度最利于控制輸灰系統(tǒng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本，故稱最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流速。最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流速與灰氣比正向相關(guān)，故需要針對(duì)灰氣比選擇最佳空氣速度，在保障輸灰系統(tǒng)效率的情況下盡可能降低能耗。

輸灰系統(tǒng)的管道性質(zhì)也會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響，故在設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際工程情況，選擇合適的管道，進(jìn)行合理的布置。

2 輸灰系統(tǒng)工程實(shí)例

基于ANSYS 仿真分析軟件，根據(jù)實(shí)際輸灰系統(tǒng)的局部工況選用控制變量法，分析了灰氣比、空氣速度、管道性質(zhì)等因素對(duì)其效率和能耗的影響，提出優(yōu)化建議。

2.1 灰氣比對(duì)管道壓力的影響

選擇工程實(shí)例的局部直管道，其直徑為30 cm、長(zhǎng)度為1 m。分別選用7.5、4.3、2.7、1.4 的灰氣比進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果見表1。

表1 灰氣比仿真結(jié)果

得到管道內(nèi)部的壓力云圖的分布情況規(guī)律如圖3。由結(jié)果可知，管道壓損與灰氣比直接相關(guān)，二者呈現(xiàn)明顯的正向相關(guān)。

圖3 不同灰氣比管道壓力云圖

2.2 濃相空氣速度對(duì)輸灰系統(tǒng)的影響

為研究濃相空氣速度的影響，建立內(nèi)徑為40 mm、長(zhǎng)度為4 m 直管道模型，設(shè)置灰質(zhì)密度為1023 kg/m3，對(duì)表2 所示的兩種工況進(jìn)行仿真分析，選擇最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流速。

表2 濃相空氣速度工況

將仿真所得的空氣速度與相應(yīng)的管道單位壓力損失匯總成圖，并進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4。

圖4 濃相空氣速度與管道單位壓力損傷的關(guān)系

由圖4 可知，當(dāng)灰質(zhì)直徑為200 μm，灰質(zhì)質(zhì)量流量為400 kg/（m2·s）時(shí)，其最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流量為14.9 m/s，相應(yīng)的管道單位壓力損失為229.4 Pa；當(dāng)灰質(zhì)直徑為200 μm，灰質(zhì)質(zhì)量流量為200 kg/（m2·s）時(shí)，其最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流量為11.1 m/s，相應(yīng)的管道單位壓力損失為116.5 Pa。

2.3 管段特性對(duì)輸送系統(tǒng)影響

2.3.1 彎管彎度

針對(duì)彎管彎曲角度進(jìn)行仿真分析，各個(gè)模型選用如下參數(shù)進(jìn)行交叉設(shè)置：彎管直徑為0.1 m、1.5 m，彎曲角度為30°、45°、60°、90°，灰質(zhì)與彎管內(nèi)壁碰撞系數(shù)為0.9、0.5。仿真結(jié)果如圖5。因灰質(zhì)顆粒密度較空氣大，故其多分布于外側(cè)，和彎管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，從而造成能量損耗。彎管彎度越大，摩擦越明顯，管道受力越復(fù)雜。因此，管道單位壓力損失、壓力分布的復(fù)雜程度與彎曲角度呈正向相關(guān)。圖5 顯示不同彎度彎管的壓力分布特性。

圖5 不同彎曲角度管道壓力云圖

2.3.2 彎管曲率半徑

針對(duì)曲率半徑進(jìn)行仿真，各模型均設(shè)置彎度為60°與彎管直徑為0.1 m，改變曲率半徑大小，依次將其設(shè)置為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m，仿真結(jié)果如圖6。在氣力輸送的除灰系統(tǒng)中，灰質(zhì)和空氣在彎管中的離心力是影響灰質(zhì)與內(nèi)壁摩擦程度的關(guān)鍵，而隨著曲率半徑的增大，離心力的影響變小，則灰質(zhì)與彎管的摩擦程度降低，從而使得管道單位壓力損失變小，即管道單位壓力損失與彎管曲率半徑呈負(fù)向相關(guān)。

圖6 不同彎曲半徑管道壓力云圖

3 結(jié)論

本文通過對(duì)影響輸灰系統(tǒng)效率和能耗的各參數(shù)進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）灰氣比對(duì)氣力輸送除灰系統(tǒng)影響極大，與設(shè)備輸灰能力、管道單位壓力損失、系統(tǒng)綜合能耗等呈正向相關(guān)，與最小輸送速度呈負(fù)向相關(guān)，故需綜合考慮將其設(shè)置在合理范圍內(nèi)。

2）燃煤電廠產(chǎn)生了大量粉煤灰，需設(shè)置較大灰氣比，故選用濃相輸送。其空氣速度與管道單位壓力損失存在先減小后增大的變化規(guī)律，需合理選擇空氣速度使其達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流速。

3）通過對(duì)彎管的不同彎度和曲率半徑進(jìn)行仿真分析，可知管道性質(zhì)對(duì)輸灰效率有明顯影響，故需在工程中根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇。