燃煤电厂一次热风道数值模拟及应用研究

马治安，董 方，刘 袖，彭 丽，蔡志鹏，王家林

（1.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；
2.四川广安发电有限责任公司，四川 广安 638017；
3.华电国际电力股份有限公司天津开发区分公司，天津 300270）

面对双碳目标的提出和当前能源结构的变化的形势，燃煤电厂发电设备的安全稳定运行依然是发电企业节能降耗和电力行业能源转型升级的基础保障。目前大型火力发电厂普遍采用中速磨直吹式制粉系统，但由于一次风道结构和磨煤机布置不合理等原因，易造成各磨煤机之间一次风压分布不均，使得部分磨煤机入口因风压偏低造成送粉管出现堵塞现象，从而引发送粉管内积粉堵塞自燃，影响机组安全稳定运行[1]。此外，一次风率偏大对锅炉燃烧和蒸汽温度影响较大[2]，单台磨煤机入口界面的流场和温度场分布不均，影响风量测量[3-5]，进而影响磨煤机运行性能[6]。

目前，关于一次风和制粉系统的优化改造，学者提出了不同的方案。张锋等通过对空预器热一次风出口至磨煤机入口风道增容改造，发现改造后风机运行安全性得到了显著提高[7]；
董志强等通过对制粉系统和一次风系统进行诊断与节能优化改造，改造后磨煤机出力提高20%，锅炉效率有所提高，发电煤耗平均下降锅炉效率有所提高，发电煤耗平均下降2.4 g/kW·h[8]；
王龙飞等发现在褐煤锅炉上布置一次风加热器可以改善锅炉脱硝能力，降低锅炉排烟温度，从而提升了锅炉效率[9]；
李华等通过对磨煤机入口一次风道进行模拟分析，并提出一次风道改造方案，改造后消除了各磨煤机间的一次风量偏差，提高了制粉设备运行稳定性[10]。

本项目对该机组一次风系统和制粉系统进行统筹协同优化系统研究，通过数值计算分析，对优化后计算结果分析对比和实施改造后，从源头上解决了锅炉热一次风道设计布置不合理，导致的磨煤机入口风量测量不均、各台磨煤机入口风量偏差大，引起煤粉管道堵塞等问题；
有效降低了热一次风管网的通风阻力，降低了一次风机电流。通过本方案，可显著提升节能效果，有效解决粉管道堵管问题，全面提升了燃煤电厂节能降碳能力和安全运行稳定性。

某电厂为600 MW 亚临界燃煤机组，锅炉为自然循环、前后墙对冲燃烧、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、尾部双烟道、全钢构架的П 型汽包炉，制粉系统采用中速磨煤机直吹式，设置6 台北京电力设备厂生产的ZGM-113G 型中速磨煤机，燃烧方式为前后墙对冲燃烧，自投产以来，锅炉B、E 磨煤机始终存在入口进风量低的现象，对应的B、E 磨的一次煤粉管出现频繁堵管问题，造成经常停运磨煤机进行清理疏通，严重影响锅炉的安全稳定运行。

锅炉一次风由两台风机一次风机A 和一次风机B 提供，两台风机对应两个主风管，两个主风管从空预器共同进入磨煤机前的一次热风母管汇合一次热风母管下游6 个一次热风支管分别对应A、B、C、D、E、F磨煤机。

2.1 模型建立与网格划分

计算流体动力学（CFD）模型利用三维建模软件根据厂方提供的热一次风管道系统图纸和一次风的安装施工图纸按1：1 的比例进行建模。模型图见图1。

原热一次风道模型及网格划分见图2。进行网格划分时，优先采用六面体结构化网格，对复杂流动区域及流动变化较大区域进行了网格加密处理，保证网格精度同时满足计算要求，经过网格无关性验证后，最终网格数量为679 万。

2.2 计算模型及求解方法

湍流计算采用标准k-e 双方程模型和标准的壁面函数模型。求解方法采用分离式SIMPLE 算法，计算式采用二阶迎风差分格式对方程进行离散。

2.3 计算结果分析

数值计算结果显示，优化前A-F 磨煤机入口一次风量（kg/s）分配分别26.10/19.43/26.36/26.37/19.20/26.38，平均风量23.973 kg/s，偏差（%）分别为8.87/-18.95/9.96/10/-19.91/10.04，磨煤机B 和磨煤机E 对应的支管偏差特别大。该厂一次风道各支管的风量不均的根本原因在于风道的系统结构布置上，其中磨煤机B 和磨煤机E 对应的支管压力较小，流量低，使得支管调节风量阀门开度不能够有效将风量调节均衡，如表1 所示，B 磨和E 磨对应的支管出口速度明显偏低，使得相对应的磨煤机的一次风煤粉管道常年易堵，影响磨煤机出力的同时存在很大的安全隐患问题。

表1 改造前各支管出口速度

3.1 优化方案

改前A-F 磨入口压力不同，其中B、E 磨流量和压力较小，使得进入这两台磨的压力比较大。为了提高B、E 磨煤机通风出力，对其相对应的位置进行优化改造，提高B、E 磨的流量，对一次风道两端安装倒流板进行优化，使一次热风道各支管的流量整体相对均衡。磨煤机A 和磨煤机F 对应的支管入口采用倒角，起导流作用，减少压力损失。磨煤机B 和磨煤机E 对应的支管入口处采用扩口和加装导流板，使更多流体进入B、E 磨煤机，到达均衡各支管的流量和压力。

3.2 优化后计算结果分析

改造优化前，磨煤机各支管进入热一次风的质量流量偏差较大，其中磨煤机B 和磨煤机E 的入口质量流量偏差为18.95%和19.91%。优化后，数值模拟统计结果显示见图3，一次热风道各支管的流量相对均衡，使得各支管的压力相对均衡，一次热风进入各台磨煤机支管质量流量整体偏差在5%以内，见图4。改造前磨煤机B 和磨煤机E 对应的一次风道支管内速度较其它各支管低，磨煤机A 和磨煤机F 对应的一次风道支管速度较高，在主风道两端优化后，磨煤机各个支管速度不均衡得到明显的改善。

3.3 优化后实际运行效果

现场运行参数显示，通过改造后，B 磨煤机和E磨煤机的一次风量得到了提升，与其它磨煤机入口风压的偏差值减小。从改造后的运行效果来看，B 磨煤机和E 磨煤机缺风的问题得到了有效解决，运行至今未发生堵管问题。该机组在600 MW 负荷工况下，磨煤机热一次风门全开的情况下，各磨煤机的入口风压相当均衡，效果良好。

优化了各磨煤机对应的一次热风道支管的流场，在一定程度上降低了一次风系统压力损失。改造后，通过电厂DCS 运行数据统计，如表2 和表3 所示，各磨之间入口风压最大偏差2.23%，一次风机A 出口风压降低462 pa，一次风机B 出口风压降低401 pa，两台一次风机出口风压降低了约4 个百分点，A 一次风机电流降低5.35 A，B一次风机A出口电流降低3.78 A。

表2 改造前、后磨煤机入口风压统计对比

表3 改造前、后一次风机运行参数统计对比

通过对一次热风道数值模拟计算优化和改造，从源头上增加了磨煤机B 和E 一次热风的进风量，磨煤机B 和E 磨煤机出力也得到了提升，对应的煤粉管道堵管问题也得到了有效解决，运行2 年来，均未再发生过煤粉堵管现象，为锅炉安全稳定运行提供了保障。优化改造后锅炉经济性也得到了明显提升，热一次风进入每台磨煤机的风量均匀，各支管对应磨煤机入口风压也更加均匀，有效降低了热一次风管网的通风阻力，锅炉A 一次风机和B 一次风机出口风压分别降低462 pa 和401 pa，一次风机A 和一次风机B 电流下降5.35 A 和3.78 A，节能效果明显。由于我国的燃煤机组一次热风管道在实际运行中，大部分也存在类似流量分配不均类似问题，所以一次热风道数值模拟计算设计技术也适用于通类电厂的技术改造。

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