350MW 超臨界電站鍋爐一次風(fēng)機(jī)建模及流場優(yōu)化

劉明志，楊浩，馮欣

（1.上海大屯能源股份有限公司熱電廠，江蘇 徐州 221018；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710032）

1 前言

每臺(tái)鍋爐配套兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)是我國大型電站鍋爐普遍采取的辦法。在火電廠正常運(yùn)行中，一次風(fēng)機(jī)直接決定了煤粉的穩(wěn)定供應(yīng)和鍋爐的正常燃燒，是最關(guān)鍵的輔機(jī)之一。同時(shí)，高容量、大機(jī)組的占比逐年提升也促使大容量風(fēng)機(jī)大面積應(yīng)用，風(fēng)機(jī)耗電量大約占到全廠的25%～30%，降低風(fēng)機(jī)耗電量對(duì)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排有著重要意義。

本文以某燃煤熱電機(jī)組一次風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，實(shí)際運(yùn)行中，一次風(fēng)機(jī)長期處于入口擋板半開狀態(tài)，僅能依靠電機(jī)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出力。開大入口擋板會(huì)造成兩側(cè)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)導(dǎo)致出力及電流波動(dòng)，甚至導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)。這種運(yùn)行狀態(tài)會(huì)增加系統(tǒng)阻力和耗電量，加劇設(shè)備磨損。通過現(xiàn)場性能測試以及一次風(fēng)系統(tǒng)建模計(jì)算，對(duì)目前風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，并根據(jù)現(xiàn)場能試驗(yàn)結(jié)果以及流場建模情況提出優(yōu)化改造方案。仿真結(jié)果表明，改造后，流場分布較為均勻，空預(yù)器入口截面的速度分布均勻性有較大改善，消除了兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出口的并聯(lián)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)問題。

2 機(jī)組概況

本研究對(duì)象為國內(nèi)某超臨界燃煤循環(huán)流化床鍋爐(CFB),設(shè)計(jì)配套兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，左右對(duì)稱布置。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道匯合進(jìn)入空預(yù)器，如圖1 所示。一、二次風(fēng)機(jī)均為豪頓華工程有限公司生產(chǎn)的L3N 型雙吸入離心式風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)為雙吸入離心式一二次風(fēng)機(jī)。空氣通過入口風(fēng)道進(jìn)入風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)包括機(jī)殼、葉輪、主軸、進(jìn)氣箱、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)口調(diào)節(jié)門等。葉輪安裝在主軸上，機(jī)殼將其封閉在內(nèi)并與出口管道連接，葉輪將能量傳遞給空氣。進(jìn)氣箱連接在機(jī)殼一側(cè)，進(jìn)口調(diào)節(jié)門與進(jìn)氣箱入口連接，進(jìn)口管道與進(jìn)口調(diào)節(jié)門相連，空氣通過調(diào)節(jié)門、進(jìn)氣箱、集流器進(jìn)入葉輪，進(jìn)口調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)所需風(fēng)量，進(jìn)口調(diào)節(jié)門由電動(dòng)執(zhí)行器通過連桿驅(qū)動(dòng)。一次風(fēng)機(jī)本體部分參數(shù)如表1 所示。

表1 一次風(fēng)機(jī)本體部分參數(shù)表

圖1 一次風(fēng)道示意圖

3 數(shù)值模擬及優(yōu)化

3.1 建模

本文對(duì)一次風(fēng)系統(tǒng)按照1∶1 的比例建立全尺度三維模型，利用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算入口為一次風(fēng)機(jī)出口，采用速度入口（Velocity inlet）邊界條件，計(jì)算出口為空預(yù)器出口，設(shè)置為壓力出口（Pressure-outlet）邊界條件。模型中主要考慮風(fēng)道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板對(duì)流場的影響。采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，將計(jì)算區(qū)域分解多個(gè)相對(duì)簡單的模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)導(dǎo)流板和風(fēng)道進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。

3.2 優(yōu)化前模擬

通過CFD 軟件模擬優(yōu)化前風(fēng)道內(nèi)流場，優(yōu)化前各特征截面速度分布如圖2 ～5 所示。截面1 為一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道水平截面，截面2 為進(jìn)空預(yù)器豎直風(fēng)道截面，截面3 為空預(yù)器入口上游300mm 截面，截面4 為空預(yù)器入口截面，截面5 為空預(yù)器出口截面，按照實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置一次風(fēng)側(cè)空預(yù)器的壓降467Pa。

圖2 優(yōu)化前各截面速度分布圖

一次風(fēng)機(jī)出口至空預(yù)器入口風(fēng)道較短，存在多處風(fēng)道變截面、流向轉(zhuǎn)折、兩個(gè)風(fēng)道匯流。原風(fēng)道內(nèi)未增設(shè)導(dǎo)流裝置，變截面位置流體不能在自然狀態(tài)下按截面形狀均勻擴(kuò)散，產(chǎn)生高速區(qū)和低速區(qū)，如圖3、圖4 所示。兩個(gè)風(fēng)道匯流處介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間劇烈碰撞存在動(dòng)量交換，流體在流向風(fēng)道折轉(zhuǎn)位置時(shí)產(chǎn)生渦流、速度重新分布引起加速或減速造成局部壓力損失，速度分布不均勻；圖5為空預(yù)器入口300mm 截面，由于上游風(fēng)道變截面及流向折轉(zhuǎn)的影響，使得空預(yù)器入口截面風(fēng)速分布不均勻。

圖3 優(yōu)化前截面1 速度分布圖

圖4 優(yōu)化前截面2 速度分布圖

圖5 優(yōu)化前截面3 速度分布圖

兩側(cè)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，根據(jù)試驗(yàn)測試值330MW 負(fù)荷下2 臺(tái)風(fēng)機(jī)的流量相當(dāng)，從圖3 可以看到2 臺(tái)風(fēng)機(jī)匯流處的流動(dòng)狀態(tài)，匯流處未出現(xiàn)搶風(fēng)現(xiàn)象。

3.3 優(yōu)化方案

本次優(yōu)化采取以下3 種方法：（1）在流通面積或流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化處安裝適當(dāng)形狀的導(dǎo)流板，既可以避免在彎曲處的內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)大范圍的渦流區(qū)，也可以減少二次流的產(chǎn)生和影響范圍；（2）流通面積平穩(wěn)過渡，盡可能采用逐漸擴(kuò)大或逐漸縮小代替突然擴(kuò)大或突然縮小；（3）在流通結(jié)構(gòu)匯流或分流處增加分割導(dǎo)流板，以減少流體介質(zhì)之間的相互干擾。

為緩解一次風(fēng)道內(nèi)流場分布不均勻的現(xiàn)象，在風(fēng)道折轉(zhuǎn)段加裝導(dǎo)流板，優(yōu)化因流動(dòng)方向發(fā)生變化造成的流場分布不均勻，如導(dǎo)流板組2 和導(dǎo)流板組3；在截面變化處增加導(dǎo)流板使流通面積氣體平穩(wěn)過渡，如導(dǎo)流板組1。其次，在2 個(gè)風(fēng)道匯流處增加分隔板消除氣流混合沖撞的影響，分隔板從風(fēng)道匯流處一直延伸到空預(yù)器入口，如分隔板1。風(fēng)道內(nèi)加裝導(dǎo)流板模型圖如圖6 所示。

圖6 加導(dǎo)流板模型圖

4 優(yōu)化后模擬

優(yōu)化后風(fēng)道內(nèi)各截面的速度分布模擬如圖7 ～9 所示。由圖7 和圖9 可以看出，風(fēng)道內(nèi)加裝導(dǎo)流板后，流場分布較為均勻，緩解了因風(fēng)道變截面、流向折轉(zhuǎn)以及風(fēng)道匯流造成的流場紊亂和流動(dòng)不穩(wěn)定等問題，流通面積內(nèi)氣體平穩(wěn)過渡。

圖7 優(yōu)化后截面1 速度分布圖

圖8 優(yōu)化后截面2 速度分布圖

圖9 優(yōu)化后截面3 速度分布圖

從圖9 可以看出，優(yōu)化后空預(yù)器入口截面的速度分布均勻性有較大改善。從圖7 可以看出，2 個(gè)風(fēng)道匯流處增加分割板后流場分布均勻，避免因2 臺(tái)風(fēng)機(jī)出口的氣流相互壓制而造成的并聯(lián)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)問題，消除因搶風(fēng)帶來的風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行隱患。

5 結(jié)語

（1）風(fēng)道內(nèi)加裝導(dǎo)流板后，流場分布較為均勻，緩解了因風(fēng)道變截面、流向折轉(zhuǎn)以及風(fēng)道匯流造成的流場紊亂和流動(dòng)不穩(wěn)定等問題，流通面積內(nèi)氣體平穩(wěn)過渡，優(yōu)化后空預(yù)器入口截面的速度分布均勻性有較大改善。

（2）2 個(gè)風(fēng)道匯流處增加分割板后流場分布均勻，避免因2 臺(tái)風(fēng)機(jī)出口的氣流相互壓制而造成的并聯(lián)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)問題，消除因搶風(fēng)帶來的風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行隱患。風(fēng)道內(nèi)增加導(dǎo)流板和分隔板后，一次風(fēng)機(jī)出口至空預(yù)器入口段增加阻力68Pa，阻力增加較小。