某1000MW超超临界机组尾部烟道流场优化研究
2023-11-10江苏新海发电有限公司刘全军
江苏新海发电有限公司 刘全军
江苏某发电公司装设2台1000MW超超临界机组，锅炉型号为SG-3049/28.25-M548，由上海锅炉厂有限公司采用APBG公司的技术进行制造。锅炉为单炉膛塔式布置、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊构造、露天布置，燃用煤种为烟煤。机组锅炉超低排放改造后，尾部烟道后烟气流程依次为：脱硝、空预器、电除尘、引风机、低温省煤器、脱硫、湿式除尘器、烟囱，其中每台机组烟气系统配置3台（电机驱动）引风机，其系统阻力大幅上升，引风机电耗显著增加，存在较大的失速风险，极大地影响了机组的安全和经济运行，且夏季高负荷工况下引风机出力不够，机组带负荷能力受限，不利于机组的经济运行[1-3]。
本文基于数值模拟研究方法，对现有尾部烟道流场进行诊断评估，找出系统中局部阻力集中、流量分配不均的位置并分析原因，提出优化设计方案。
1 流场诊断
1.1 空预器至除尘器段烟道
如图1所示为按照1:1比例空预器至除尘器段烟道建模图。空预器出口至除尘器入口由对称的两个烟道组成，单侧空预器烟道一分为三进入到除尘器入口。
图1 空预器出口至电除尘入口段烟道3D模型图（单侧）
原始烟道布置形式下，空预器出口至除尘器入口段烟道布置了多个转向烟道，并且空预器出口烟道截面尺寸变化较大，该段烟道具备降阻空间。
如图2所示为该段烟道烟气流场CFD数值模拟计算结果。该段多个变径、转向烟道的存在，烟气流动过程中具有一定的阻力，数值模拟结果表明，在原始烟道布置条件下，空预器出口至除尘器入口截面烟气总阻力为412Pa；烟气从空预器出口进入烟道时，冲向一个倾斜度较大的斜坡，该段局部烟气流速过大，烟道内气流分布不均匀；现有布置条件下，除尘器入口三个通道烟气量分配差异较大，烟气量最大偏差达到了52.2%。
图2 现有布置下空预器至除尘器段烟道流场分布（单侧）
1.2 除尘器出口至引风机入口段烟道
如图3所示为除尘器出口至引风机入口段烟道3D模型图。该段烟道布置了多个变径、汇合以及转向烟道。如图4所示为除尘器出口至引风机入口段烟道烟气流场CFD数值模拟计算结果。结果表明，该段烟道的烟气阻力为112Pa，有进一步优化的空间。
图3 除尘器出口至引风机入口段烟道3D模型图
图4 除尘器出口至引风机入口段烟道截面流场分布
1.3 低温省煤器出口至脱硫入口段
如图5所示为低温省煤器出口至脱硫塔入口烟道3D建模。烟气从三台引风机出口经低省汇流后进入脱硫入口，该段烟道弯头较多，并且存在烟气汇流段，烟道阻力较大。如图6所示为低温省煤器至脱硫塔段烟道的烟气流场分布，数值模拟结果表明，烟道现有布置下，该段烟道总阻力为250Pa。
图5 低温省煤器出口至脱硫塔入口烟道3D建模
图6 低温省煤器至脱硫塔段烟道的烟气流场分布
2 优化方案
2.1 空预器至除尘器段烟道系统优化设计
优化方案在考虑该段烟道降阻效果的同时，也考虑了电除尘入口各通道烟气量分布的均匀性。如图7所示为优化设计方案下烟道烟气流场CFD数值模拟计算结果。从结果来看，优化设计方案下，该段烟道烟气阻力明显降低，烟气流动更为有序。
图7 优化后空预器出口至电除尘入口烟道流场分布
数值模拟统计结果表明，优化设计方案下，该段烟道烟气阻力由412Pa降至211Pa，烟气阻力降低了201Pa，基本消除了烟道内烟气流动的低速区，可有效缓解烟道积灰问题。此外，优化改造后电除尘入口三个通道烟气量分配最大偏差为由改造前的52.2%降低至8.0%，电除尘入口三个通道烟气流量分布更为均匀，有利于提高除尘器的除尘效率。
2.2 除尘器至引风机段烟道系统优化设计
如图8所示为优化后电除尘出口至引风机入口段烟道内部流场。可以清楚地看到，烟道内低速区大幅减少。优化后由电除尘出口至引风机入口烟道阻力也从优化前的112Pa减小至优化后的81Pa，阻力降低了31Pa。
2.3 低温省煤器至脱硫塔段烟道系统优化设计
如图9所示给出了优化后的流场。数值模拟结果表明，优化后气流流动较为平顺，吸收塔入口截面速度分布更为均衡，有效消除了吸收塔入口可能带来的返浆结垢现象，该段烟道阻力也从优化前的250Pa减小至优化后的94Pa，阻力降低了156Pa。
图9 优化后低温省煤器至脱硫塔段烟道烟气流场分布
3 效益估算
CFD模拟计算表明，通过流场优化改造，该超超临界机组实际降阻可达310Pa以上。以满负荷烟气量约为3541.8t/h，发电设备每年平均利用4500h，电价0.35元/kWh为条件计算，若尾部烟道系统降阻性能保证在310Pa以上，则每年节约的引风机耗电量约为189.3万kWh以上，仅风机电费每年可至少节约66.3万元。除此之外，流场改善后，烟气流场均匀性得到较大提升，机组运行的安全性及设备工作效率也得到进一步的提升。
4 结论
综上所述，通过对1000MW超超临界机组尾部烟道系统进行降阻改造，在不改变原烟道布置的基础上，对阻力集中的关键烟道位置进行局部降阻改造，系统性地减少尾部烟道整体阻力，改造效果及效益如下。
一是改造后，机组额定工况下，空预器出口至电除尘器入口烟道烟气阻力由412Pa降至211Pa，烟气阻力降低了201Pa，且三个通道烟气量最大偏差为由改造前的52.2%降低至8.0%。
二是改造后，机组额定工况下，电除尘器出口至引风机入口烟道阻力也从优化前的112Pa减小至优化后的81Pa，阻力降低了31Pa。
三是改造后，机组额定工况下，低温省煤器至脱硫塔段烟道系统阻力从优化前的250Pa减小至优化后的94Pa，阻力降低了156Pa。
四是若尾部烟道系统降阻性能保证在310Pa以上，每年节约的风机电费可达66.3万元。除此之外，流场改善后，烟气流场均匀性得到较大提升，机组运行的安全性及设备工作效率也能够得到进一步的提升。
