馬治安，董 方，劉 袖，彭 麗，蔡志鵬，王家林

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.四川廣安發(fā)電有限責任公司，四川 廣安 638017；3.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300270）

面對雙碳目標的提出和當前能源結(jié)構(gòu)的變化的形勢，燃煤電廠發(fā)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行依然是發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗和電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)保障。目前大型火力發(fā)電廠普遍采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，但由于一次風道結(jié)構(gòu)和磨煤機布置不合理等原因，易造成各磨煤機之間一次風壓分布不均，使得部分磨煤機入口因風壓偏低造成送粉管出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，從而引發(fā)送粉管內(nèi)積粉堵塞自燃，影響機組安全穩(wěn)定運行[1]。此外，一次風率偏大對鍋爐燃燒和蒸汽溫度影響較大[2]，單臺磨煤機入口界面的流場和溫度場分布不均，影響風量測量[3-5]，進而影響磨煤機運行性能[6]。

目前，關(guān)于一次風和制粉系統(tǒng)的優(yōu)化改造，學者提出了不同的方案。張鋒等通過對空預器熱一次風出口至磨煤機入口風道增容改造，發(fā)現(xiàn)改造后風機運行安全性得到了顯著提高[7]；董志強等通過對制粉系統(tǒng)和一次風系統(tǒng)進行診斷與節(jié)能優(yōu)化改造，改造后磨煤機出力提高20%，鍋爐效率有所提高，發(fā)電煤耗平均下降鍋爐效率有所提高，發(fā)電煤耗平均下降2.4 g/kW·h[8]；王龍飛等發(fā)現(xiàn)在褐煤鍋爐上布置一次風加熱器可以改善鍋爐脫硝能力，降低鍋爐排煙溫度，從而提升了鍋爐效率[9]；李華等通過對磨煤機入口一次風道進行模擬分析，并提出一次風道改造方案，改造后消除了各磨煤機間的一次風量偏差，提高了制粉設(shè)備運行穩(wěn)定性[10]。

本項目對該機組一次風系統(tǒng)和制粉系統(tǒng)進行統(tǒng)籌協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)研究，通過數(shù)值計算分析，對優(yōu)化后計算結(jié)果分析對比和實施改造后，從源頭上解決了鍋爐熱一次風道設(shè)計布置不合理，導致的磨煤機入口風量測量不均、各臺磨煤機入口風量偏差大，引起煤粉管道堵塞等問題；有效降低了熱一次風管網(wǎng)的通風阻力，降低了一次風機電流。通過本方案，可顯著提升節(jié)能效果，有效解決粉管道堵管問題，全面提升了燃煤電廠節(jié)能降碳能力和安全運行穩(wěn)定性。

1 設(shè)備概況

某電廠為600 MW 亞臨界燃煤機組，鍋爐為自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構(gòu)架的П 型汽包爐，制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機直吹式，設(shè)置6 臺北京電力設(shè)備廠生產(chǎn)的ZGM-113G 型中速磨煤機，燃燒方式為前后墻對沖燃燒，自投產(chǎn)以來，鍋爐B、E 磨煤機始終存在入口進風量低的現(xiàn)象，對應(yīng)的B、E 磨的一次煤粉管出現(xiàn)頻繁堵管問題，造成經(jīng)常停運磨煤機進行清理疏通，嚴重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

鍋爐一次風由兩臺風機一次風機A 和一次風機B 提供，兩臺風機對應(yīng)兩個主風管，兩個主風管從空預器共同進入磨煤機前的一次熱風母管匯合一次熱風母管下游6 個一次熱風支管分別對應(yīng)A、B、C、D、E、F磨煤機。

2 數(shù)值計算分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

計算流體動力學（CFD）模型利用三維建模軟件根據(jù)廠方提供的熱一次風管道系統(tǒng)圖紙和一次風的安裝施工圖紙按1：1 的比例進行建模。模型圖見圖1。

原熱一次風道模型及網(wǎng)格劃分見圖2。進行網(wǎng)格劃分時，優(yōu)先采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對復雜流動區(qū)域及流動變化較大區(qū)域進行了網(wǎng)格加密處理，保證網(wǎng)格精度同時滿足計算要求，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為679 萬。

2.2 計算模型及求解方法

湍流計算采用標準k-e 雙方程模型和標準的壁面函數(shù)模型。求解方法采用分離式SIMPLE 算法，計算式采用二階迎風差分格式對方程進行離散。

2.3 計算結(jié)果分析

數(shù)值計算結(jié)果顯示，優(yōu)化前A-F 磨煤機入口一次風量（kg/s）分配分別26.10/19.43/26.36/26.37/19.20/26.38，平均風量23.973 kg/s，偏差（%）分別為8.87/-18.95/9.96/10/-19.91/10.04，磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的支管偏差特別大。該廠一次風道各支管的風量不均的根本原因在于風道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置上，其中磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的支管壓力較小，流量低，使得支管調(diào)節(jié)風量閥門開度不能夠有效將風量調(diào)節(jié)均衡，如表1 所示，B 磨和E 磨對應(yīng)的支管出口速度明顯偏低，使得相對應(yīng)的磨煤機的一次風煤粉管道常年易堵，影響磨煤機出力的同時存在很大的安全隱患問題。

表1 改造前各支管出口速度

3 熱一次風道優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

改前A-F 磨入口壓力不同，其中B、E 磨流量和壓力較小，使得進入這兩臺磨的壓力比較大。為了提高B、E 磨煤機通風出力，對其相對應(yīng)的位置進行優(yōu)化改造，提高B、E 磨的流量，對一次風道兩端安裝倒流板進行優(yōu)化，使一次熱風道各支管的流量整體相對均衡。磨煤機A 和磨煤機F 對應(yīng)的支管入口采用倒角，起導流作用，減少壓力損失。磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的支管入口處采用擴口和加裝導流板，使更多流體進入B、E 磨煤機，到達均衡各支管的流量和壓力。

3.2 優(yōu)化后計算結(jié)果分析

改造優(yōu)化前，磨煤機各支管進入熱一次風的質(zhì)量流量偏差較大，其中磨煤機B 和磨煤機E 的入口質(zhì)量流量偏差為18.95%和19.91%。優(yōu)化后，數(shù)值模擬統(tǒng)計結(jié)果顯示見圖3，一次熱風道各支管的流量相對均衡，使得各支管的壓力相對均衡，一次熱風進入各臺磨煤機支管質(zhì)量流量整體偏差在5%以內(nèi)，見圖4。改造前磨煤機B 和磨煤機E 對應(yīng)的一次風道支管內(nèi)速度較其它各支管低，磨煤機A 和磨煤機F 對應(yīng)的一次風道支管速度較高，在主風道兩端優(yōu)化后，磨煤機各個支管速度不均衡得到明顯的改善。

3.3 優(yōu)化后實際運行效果

現(xiàn)場運行參數(shù)顯示，通過改造后，B 磨煤機和E磨煤機的一次風量得到了提升，與其它磨煤機入口風壓的偏差值減小。從改造后的運行效果來看，B 磨煤機和E 磨煤機缺風的問題得到了有效解決，運行至今未發(fā)生堵管問題。該機組在600 MW 負荷工況下，磨煤機熱一次風門全開的情況下，各磨煤機的入口風壓相當均衡，效果良好。

優(yōu)化了各磨煤機對應(yīng)的一次熱風道支管的流場，在一定程度上降低了一次風系統(tǒng)壓力損失。改造后，通過電廠DCS 運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表2 和表3 所示，各磨之間入口風壓最大偏差2.23%，一次風機A 出口風壓降低462 pa，一次風機B 出口風壓降低401 pa，兩臺一次風機出口風壓降低了約4 個百分點，A 一次風機電流降低5.35 A，B一次風機A出口電流降低3.78 A。

表2 改造前、后磨煤機入口風壓統(tǒng)計對比

表3 改造前、后一次風機運行參數(shù)統(tǒng)計對比

4 結(jié)論

通過對一次熱風道數(shù)值模擬計算優(yōu)化和改造，從源頭上增加了磨煤機B 和E 一次熱風的進風量，磨煤機B 和E 磨煤機出力也得到了提升，對應(yīng)的煤粉管道堵管問題也得到了有效解決，運行2 年來，均未再發(fā)生過煤粉堵管現(xiàn)象，為鍋爐安全穩(wěn)定運行提供了保障。優(yōu)化改造后鍋爐經(jīng)濟性也得到了明顯提升，熱一次風進入每臺磨煤機的風量均勻，各支管對應(yīng)磨煤機入口風壓也更加均勻，有效降低了熱一次風管網(wǎng)的通風阻力，鍋爐A 一次風機和B 一次風機出口風壓分別降低462 pa 和401 pa，一次風機A 和一次風機B 電流下降5.35 A 和3.78 A，節(jié)能效果明顯。由于我國的燃煤機組一次熱風管道在實際運行中，大部分也存在類似流量分配不均類似問題，所以一次熱風道數(shù)值模擬計算設(shè)計技術(shù)也適用于通類電廠的技術(shù)改造。