某1000MW超超臨界機組尾部煙道流場優化研究

江蘇新海發電有限公司 劉全軍

江蘇某發電公司裝設2臺1000MW超超臨界機組，鍋爐型號為SG-3049/28.25-M548，由上海鍋爐廠有限公司采用APBG公司的技術進行制造。鍋爐為單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊構造、露天布置，燃用煤種為煙煤。機組鍋爐超低排放改造后，尾部煙道后煙氣流程依次為：脫硝、空預器、電除塵、引風機、低溫省煤器、脫硫、濕式除塵器、煙囪，其中每臺機組煙氣系統配置3臺（電機驅動）引風機，其系統阻力大幅上升，引風機電耗顯著增加，存在較大的失速風險，極大地影響了機組的安全和經濟運行，且夏季高負荷工況下引風機出力不夠，機組帶負荷能力受限，不利于機組的經濟運行[1-3]。

本文基于數值模擬研究方法，對現有尾部煙道流場進行診斷評估，找出系統中局部阻力集中、流量分配不均的位置并分析原因，提出優化設計方案。

1 流場診斷

1.1 空預器至除塵器段煙道

如圖1所示為按照1:1比例空預器至除塵器段煙道建模圖。空預器出口至除塵器入口由對稱的兩個煙道組成，單側空預器煙道一分為三進入到除塵器入口。

圖1 空預器出口至電除塵入口段煙道3D模型圖（單側）

原始煙道布置形式下，空預器出口至除塵器入口段煙道布置了多個轉向煙道，并且空預器出口煙道截面尺寸變化較大，該段煙道具備降阻空間。

如圖2所示為該段煙道煙氣流場CFD數值模擬計算結果。該段多個變徑、轉向煙道的存在，煙氣流動過程中具有一定的阻力，數值模擬結果表明，在原始煙道布置條件下，空預器出口至除塵器入口截面煙氣總阻力為412Pa；煙氣從空預器出口進入煙道時，沖向一個傾斜度較大的斜坡，該段局部煙氣流速過大，煙道內氣流分布不均勻；現有布置條件下，除塵器入口三個通道煙氣量分配差異較大，煙氣量最大偏差達到了52.2%。

圖2 現有布置下空預器至除塵器段煙道流場分布（單側）

1.2 除塵器出口至引風機入口段煙道

如圖3所示為除塵器出口至引風機入口段煙道3D模型圖。該段煙道布置了多個變徑、匯合以及轉向煙道。如圖4所示為除塵器出口至引風機入口段煙道煙氣流場CFD數值模擬計算結果。結果表明，該段煙道的煙氣阻力為112Pa，有進一步優化的空間。

圖3 除塵器出口至引風機入口段煙道3D模型圖

圖4 除塵器出口至引風機入口段煙道截面流場分布

1.3 低溫省煤器出口至脫硫入口段

如圖5所示為低溫省煤器出口至脫硫塔入口煙道3D建模。煙氣從三臺引風機出口經低省匯流后進入脫硫入口，該段煙道彎頭較多，并且存在煙氣匯流段，煙道阻力較大。如圖6所示為低溫省煤器至脫硫塔段煙道的煙氣流場分布，數值模擬結果表明，煙道現有布置下，該段煙道總阻力為250Pa。

圖5 低溫省煤器出口至脫硫塔入口煙道3D建模

圖6 低溫省煤器至脫硫塔段煙道的煙氣流場分布

2 優化方案

2.1 空預器至除塵器段煙道系統優化設計

優化方案在考慮該段煙道降阻效果的同時，也考慮了電除塵入口各通道煙氣量分布的均勻性。如圖7所示為優化設計方案下煙道煙氣流場CFD數值模擬計算結果。從結果來看，優化設計方案下，該段煙道煙氣阻力明顯降低，煙氣流動更為有序。

圖7 優化后空預器出口至電除塵入口煙道流場分布

數值模擬統計結果表明，優化設計方案下，該段煙道煙氣阻力由412Pa降至211Pa，煙氣阻力降低了201Pa，基本消除了煙道內煙氣流動的低速區，可有效緩解煙道積灰問題。此外，優化改造后電除塵入口三個通道煙氣量分配最大偏差為由改造前的52.2%降低至8.0%，電除塵入口三個通道煙氣流量分布更為均勻，有利于提高除塵器的除塵效率。

2.2 除塵器至引風機段煙道系統優化設計

如圖8所示為優化后電除塵出口至引風機入口段煙道內部流場。可以清楚地看到，煙道內低速區大幅減少。優化后由電除塵出口至引風機入口煙道阻力也從優化前的112Pa減小至優化后的81Pa，阻力降低了31Pa。

2.3 低溫省煤器至脫硫塔段煙道系統優化設計

如圖9所示給出了優化后的流場。數值模擬結果表明，優化后氣流流動較為平順，吸收塔入口截面速度分布更為均衡，有效消除了吸收塔入口可能帶來的返漿結垢現象，該段煙道阻力也從優化前的250Pa減小至優化后的94Pa，阻力降低了156Pa。

圖9 優化后低溫省煤器至脫硫塔段煙道煙氣流場分布

3 效益估算

CFD模擬計算表明，通過流場優化改造，該超超臨界機組實際降阻可達310Pa以上。以滿負荷煙氣量約為3541.8t/h，發電設備每年平均利用4500h，電價0.35元/kWh為條件計算，若尾部煙道系統降阻性能保證在310Pa以上，則每年節約的引風機耗電量約為189.3萬kWh以上，僅風機電費每年可至少節約66.3萬元。除此之外，流場改善后，煙氣流場均勻性得到較大提升，機組運行的安全性及設備工作效率也得到進一步的提升。

4 結論

綜上所述，通過對1000MW超超臨界機組尾部煙道系統進行降阻改造，在不改變原煙道布置的基礎上，對阻力集中的關鍵煙道位置進行局部降阻改造，系統性地減少尾部煙道整體阻力，改造效果及效益如下。

一是改造后，機組額定工況下，空預器出口至電除塵器入口煙道煙氣阻力由412Pa降至211Pa，煙氣阻力降低了201Pa，且三個通道煙氣量最大偏差為由改造前的52.2%降低至8.0%。

二是改造后，機組額定工況下，電除塵器出口至引風機入口煙道阻力也從優化前的112Pa減小至優化后的81Pa，阻力降低了31Pa。

三是改造后，機組額定工況下，低溫省煤器至脫硫塔段煙道系統阻力從優化前的250Pa減小至優化后的94Pa，阻力降低了156Pa。

四是若尾部煙道系統降阻性能保證在310Pa以上，每年節約的風機電費可達66.3萬元。除此之外，流場改善后，煙氣流場均勻性得到較大提升，機組運行的安全性及設備工作效率也能夠得到進一步的提升。