350MW 超临界电站锅炉一次风机建模及流场优化

2024-02-23刘明志杨浩冯欣

中国设备工程 2024年3期

刘明志，杨浩，冯欣

（1.上海大屯能源股份有限公司热电厂，江苏徐州 221018；2.西安格瑞电力科技有限公司，陕西西安 710032）

1 前言

每台锅炉配套两台一次风机是我国大型电站锅炉普遍采取的办法。在火电厂正常运行中，一次风机直接决定了煤粉的稳定供应和锅炉的正常燃烧，是最关键的辅机之一。同时，高容量、大机组的占比逐年提升也促使大容量风机大面积应用，风机耗电量大约占到全厂的25%～30%，降低风机耗电量对提高机组经济性和节能减排有着重要意义。

本文以某燃煤热电机组一次风机为研究对象，实际运行中，一次风机长期处于入口挡板半开状态，仅能依靠电机变频调节风机出力。开大入口挡板会造成两侧风机抢风导致出力及电流波动，甚至导致机组停运。这种运行状态会增加系统阻力和耗电量，加剧设备磨损。通过现场性能测试以及一次风系统建模计算，对目前风机和一次风系统存在的问题进行分析，并根据现场能试验结果以及流场建模情况提出优化改造方案。仿真结果表明，改造后，流场分布较为均匀，空预器入口截面的速度分布均匀性有较大改善，消除了两台风机出口的并联风机抢风问题。

2 机组概况

本研究对象为国内某超临界燃煤循环流化床锅炉(CFB),设计配套两台一次风机，左右对称布置。风机出口风道汇合进入空预器，如图1 所示。一、二次风机均为豪顿华工程有限公司生产的L3N 型双吸入离心式风机。风机为双吸入离心式一二次风机。空气通过入口风道进入风机，风机包括机壳、叶轮、主轴、进气箱、进风口、进口调节门等。叶轮安装在主轴上，机壳将其封闭在内并与出口管道连接，叶轮将能量传递给空气。进气箱连接在机壳一侧，进口调节门与进气箱入口连接，进口管道与进口调节门相连，空气通过调节门、进气箱、集流器进入叶轮，进口调节门调节所需风量，进口调节门由电动执行器通过连杆驱动。一次风机本体部分参数如表1 所示。

表1 一次风机本体部分参数表

图1 一次风道示意图

3 数值模拟及优化

3.1 建模

本文对一次风系统按照1∶1 的比例建立全尺度三维模型，利用流体动力学计算软件对其内部流场进行数值模拟计算。计算入口为一次风机出口，采用速度入口（Velocity inlet）边界条件，计算出口为空预器出口，设置为压力出口（Pressure-outlet）边界条件。模型中主要考虑风道结构、导流板对流场的影响。采用分区划分网格的方法，将计算区域分解多个相对简单的模型分别进行网格划分，对导流板和风道进行局部网格加密。

3.2 优化前模拟

通过CFD 软件模拟优化前风道内流场，优化前各特征截面速度分布如图2 ～5 所示。截面1 为一次风机出口风道水平截面，截面2 为进空预器竖直风道截面，截面3 为空预器入口上游300mm 截面，截面4 为空预器入口截面，截面5 为空预器出口截面，按照实际运行情况，设置一次风侧空预器的压降467Pa。

图2 优化前各截面速度分布图

一次风机出口至空预器入口风道较短，存在多处风道变截面、流向转折、两个风道汇流。原风道内未增设导流装置，变截面位置流体不能在自然状态下按截面形状均匀扩散，产生高速区和低速区，如图3、图4 所示。两个风道汇流处介质质点间剧烈碰撞存在动量交换，流体在流向风道折转位置时产生涡流、速度重新分布引起加速或减速造成局部压力损失，速度分布不均匀；图5为空预器入口300mm 截面，由于上游风道变截面及流向折转的影响，使得空预器入口截面风速分布不均匀。

图3 优化前截面1 速度分布图

图4 优化前截面2 速度分布图

图5 优化前截面3 速度分布图

两侧风机结构对称布置，根据试验测试值330MW 负荷下2 台风机的流量相当，从图3 可以看到2 台风机汇流处的流动状态，汇流处未出现抢风现象。

3.3 优化方案

本次优化采取以下3 种方法：（1）在流通面积或流体运动方向发生变化处安装适当形状的导流板，既可以避免在弯曲处的内外侧出现大范围的涡流区，也可以减少二次流的产生和影响范围；（2）流通面积平稳过渡，尽可能采用逐渐扩大或逐渐缩小代替突然扩大或突然缩小；（3）在流通结构汇流或分流处增加分割导流板，以减少流体介质之间的相互干扰。

为缓解一次风道内流场分布不均匀的现象，在风道折转段加装导流板，优化因流动方向发生变化造成的流场分布不均匀，如导流板组2 和导流板组3；在截面变化处增加导流板使流通面积气体平稳过渡，如导流板组1。其次，在2 个风道汇流处增加分隔板消除气流混合冲撞的影响，分隔板从风道汇流处一直延伸到空预器入口，如分隔板1。风道内加装导流板模型图如图6 所示。