李 明，馬國(guó)偉，李 航

(1.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，寧夏 銀川 750000；2.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

火電機(jī)組常常在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)煤粉管道堵塞問(wèn)題，這不僅會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定、燃燒器噴口結(jié)焦，而且在堵塞嚴(yán)重的情況下甚至?xí)斐晒艿雷匀?、鍋爐滅火、煤粉管道爆炸等安全事故[1]。如何準(zhǔn)確快速的找出煤粉堵塞的原因并且制定出有效的解決措施是徹底解決電站鍋爐煤粉堵塞事故的關(guān)鍵。

1 鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)概況

鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉、П 型布置。

采用中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配6 臺(tái)磨煤機(jī)，型號(hào)為HP1203，其中5 臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況下；R90煤粉細(xì)度為18%，主要參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 磨煤機(jī)參數(shù)

燃燒器采用前后墻對(duì)沖分級(jí)燃燒技術(shù)。在爐膛前后墻各分三層布置低NOx旋流煤粉燃燒器，6 臺(tái)磨煤機(jī)分別對(duì)應(yīng)6 層燃燒器，從每臺(tái)磨煤機(jī)磨制出來(lái)的煤粉進(jìn)入四根母管，各母管在燃燒器不遠(yuǎn)處分為兩根支管，隨后進(jìn)入與之相連的燃燒器。故每層布置8 只燃燒器，全爐共設(shè)有48 只燃燒器。在前后墻距最上層燃燒器噴口一定距離處布置了燃盡風(fēng)噴口，每層10 支。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 燃燒器主要設(shè)計(jì)參數(shù)表(BMCR工況)

2 煤粉管道積粉堵塞原因分析

該超超臨界機(jī)組鍋爐C 層燃燒器布置在前墻主燃燒器區(qū)域的最上層，右至左依次為C1 到C8。煤粉母管和支管之間未設(shè)置煤粉分配器。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，C 磨煤機(jī)出力增加到50 t/h 以上后，C8 煤粉支管頻繁堵塞導(dǎo)致該磨煤機(jī)無(wú)法在高負(fù)荷下運(yùn)行。引起煤粉堵塞的原因有很多種，如煤粉管道一次風(fēng)速過(guò)低導(dǎo)致煤粉沉降在管道下方、燃燒器噴口結(jié)焦導(dǎo)致煤粉管道阻力增大、煤粉水分含量較高磨煤機(jī)干燥出力不足、輸煤管道彎頭較多導(dǎo)致沿程阻力增大、磨煤機(jī)磨制煤粉顆粒較粗導(dǎo)致的煤粉沉降等[2]。依次檢查C8 燃燒器噴口的結(jié)焦情況、積粉時(shí)煤粉的水分含量、煤粉細(xì)度等情況，發(fā)現(xiàn)這些都不是引起煤粉管道積粉堵塞的主要原因。對(duì)C 磨煤機(jī)各母管和部分支管的一次風(fēng)速進(jìn)行摸底測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列,其中各母管用C01-C04 表示，相對(duì)應(yīng)的支管用C1-C8 表示。

表3 C磨煤機(jī)煤量50 t/h時(shí)各粉管風(fēng)速 m/s

從表3 可知，C 磨母管的一次風(fēng)速存在較大偏差，其中C02 母管一次風(fēng)速最高，且遠(yuǎn)高于其他三根母管風(fēng)速。而且C7、C8 支管的風(fēng)速也存在較大的偏差，根據(jù)C04 母管和C7、C8支管的設(shè)計(jì)管徑計(jì)算得知，正常情況下三個(gè)管道內(nèi)的風(fēng)速是一樣的，但C8 支管的一次風(fēng)速遠(yuǎn)低于C7 支管的風(fēng)速，這是導(dǎo)致C8 支管積粉堵塞的主要原因。分析認(rèn)為C8 煤管頻繁堵塞是因?yàn)镃 磨煤機(jī)各母管的一次風(fēng)速存在較大偏差，且C7、C8 支管的一次風(fēng)速偏差更大，導(dǎo)致隨著C 磨煤機(jī)出力的增加，大量的風(fēng)都進(jìn)入到C7支管，使得C8 支管的一次風(fēng)速過(guò)低，攜帶煤粉的能力減弱，從而開(kāi)始大量積粉。故首先對(duì)C 磨煤機(jī)各母管進(jìn)行一次風(fēng)速調(diào)平試驗(yàn)，由于該鍋爐可調(diào)縮孔沒(méi)有伸縮量標(biāo)尺，反復(fù)調(diào)節(jié)對(duì)各母管一次風(fēng)速的影響變化較小，并不能完全消除支管速度偏差。經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)平后，各粉管風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4所列。

表4 母管風(fēng)速調(diào)平后C磨煤機(jī)50 t/h時(shí)各粉管風(fēng)速 m/s

由表4 可知，調(diào)平后C04 母管的一次風(fēng)速有所提升，與之相對(duì)應(yīng)的C7、C8 支管的風(fēng)速也隨之升高，但是C7、C8 支管的風(fēng)速偏差并沒(méi)有消除，只是在粉管不堵塞的前提下磨煤機(jī)出力有所提高。C 磨煤機(jī)的出力至70 t/h 時(shí)，發(fā)現(xiàn)C8 支管開(kāi)始出現(xiàn)煤粉積粉堵塞現(xiàn)象。C 磨煤機(jī)的出力盡管雖然提升，但是仍然達(dá)不到磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)出力。因此只有把C7、C8 支管的一次風(fēng)速偏差降下來(lái)，才能從根本上解決粉管積粉堵塞的問(wèn)題。

在C 磨煤機(jī)只通風(fēng)不給煤的情況下，測(cè)算C7、C8 支管的一次風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)在冷態(tài)情況下，這兩根支管的風(fēng)速基本一樣，并沒(méi)有存在偏差。查看C 磨煤機(jī)其他各支管的布置結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)各母管的煤粉經(jīng)過(guò)彎頭處，大部分煤粉由于慣性作用貼著管壁的外側(cè)前進(jìn)，而C04 母管在分為C7、C8 兩根支管前的直管段相比于其他各母管較短，這就導(dǎo)致風(fēng)粉氣流還沒(méi)有在直管段充分混合均勻，大部分煤粉由于離心力的作用就直接進(jìn)入了C8 支管，使C8 支管的煤粉濃度較高。隨著C8 支管的積粉堵塞，C8 支管的管道阻力增大，更多的風(fēng)量都進(jìn)入到了C7 支管，因此導(dǎo)致兩個(gè)支管風(fēng)速偏差變的更大。

為了進(jìn)一步分析判斷，使用CFD 軟件對(duì)風(fēng)粉管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為簡(jiǎn)化問(wèn)題做如下假設(shè)：1)將一次風(fēng)作為連續(xù)相，且為不可壓縮流體的等溫定常流動(dòng)；2)將煤粉作為顆粒相，煤粉均為粒徑相同的球體；3)忽略煤粉間的碰撞；4)一次風(fēng)與煤粉之間具有雙向動(dòng)量耦合作用。

采用Realizablek-ε湍流模型模擬管內(nèi)氣相湍流的流動(dòng)[3]。采用離散型模型模擬顆粒相的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用隨機(jī)顆粒軌道模型模擬顆粒的湍流耗散，并將每個(gè)網(wǎng)格單元追蹤的顆粒隨機(jī)軌道數(shù)目設(shè)置為20[4]。

在ICEM CFD 中對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分生成混合網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為632 243，其中左側(cè)為C8 支管，右側(cè)為C7支管，具體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 風(fēng)粉管道混合網(wǎng)格

數(shù)值模擬中將熱空氣作為氣相介質(zhì)，為70℃的空氣。顆粒類(lèi)型為惰性顆粒，密度為1 400 kg/m3，顆粒的粒徑假定為均勻分布，取70 μm[5]。模擬工況及邊界條件見(jiàn)表5所列。

表5 模擬工況及邊界條件

模擬結(jié)果如圖2所示和見(jiàn)表6所列。

圖2 管道內(nèi)煤粉顆粒濃度分布情況

表6 管道出口煤粉質(zhì)量 kg/s

由圖2 可知，由于離心力的作用，C04 母管的煤粉氣流在通過(guò)彎頭的過(guò)程中大部分煤粉顆粒沿管壁外側(cè)前進(jìn)。通過(guò)彎頭后，C04 母管的煤粉氣流并沒(méi)有在直管段充分混合均勻就進(jìn)入了兩根支管段，C8 支管的煤粉濃度明顯高于C7 支管的煤粉濃度。而且表6 可以看出四個(gè)工況下C8 支管的出口煤粉質(zhì)量均高于C7 支管。因此該數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了上述分析。

3 改造方案

提出在C04 母管處增加可伸縮式的導(dǎo)流板，將部分煤粉顆粒上揚(yáng)，引流到C7 支管，從而達(dá)到解決C8 煤粉積粉堵塞的目的。改造方案是在C7 管道中心線的延長(zhǎng)線與C04 母管彎頭的交接點(diǎn)處開(kāi)槽焊接安裝可伸縮式導(dǎo)流板，導(dǎo)流板采用耐磨的鑄鐵材質(zhì)，厚度50 mm，為了避免煤粉在煤粉腔體沉積，設(shè)計(jì)了一路壓縮空氣對(duì)腔體內(nèi)實(shí)時(shí)吹掃，導(dǎo)流板的具體安裝位置如圖3所示。

圖3 加裝導(dǎo)流板改造方案示意圖

4 結(jié)果分析

改造后，在C 磨煤機(jī)不同給煤量下，依次調(diào)整導(dǎo)流板的伸縮量，并測(cè)算C7 和C8 支管的一次風(fēng)速，使得兩支管的風(fēng)速偏差在一定的范圍內(nèi)，保證C8 支管不積粉堵塞，得出了不同給煤量下導(dǎo)流板的最佳伸縮量及對(duì)應(yīng)的C7 和C8支管的風(fēng)速。結(jié)果見(jiàn)表7所列。

表7 不同給煤量在導(dǎo)流板最佳伸縮量時(shí)C7和C8支管風(fēng)速

由表7 可知，改造后隨著C 磨煤機(jī)煤量的提升，C7 和C8 兩支管的風(fēng)速偏差逐漸增大。在給煤量為80 t/h 時(shí)，偏差達(dá)到了14 m/s，風(fēng)速偏差盡管已經(jīng)達(dá)到了未改造之前兩粉管的風(fēng)速偏差，但經(jīng)過(guò)了C 磨煤機(jī)的一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)，C04 母管的風(fēng)速有所提升，致使C8 支管風(fēng)速有所增加，未出現(xiàn)C8 支管堵塞的現(xiàn)象。C 磨煤機(jī)出力至90 t/h，出現(xiàn)C8 煤粉堵塞的現(xiàn)象，從C04 母管進(jìn)行煤粉取樣并化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有粗顆粒煤粉，煤粉細(xì)度R90為32%，R200為19%，通過(guò)調(diào)整動(dòng)態(tài)分離器擋板，煤粉細(xì)度降低有限，分析認(rèn)為隨著磨煤機(jī)出力的增加，通風(fēng)出力增加，研磨出力不足，導(dǎo)致粗顆粒煤粉沉降堆積。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)將磨煤機(jī)彈簧加載力從21 MP調(diào)到23 MP，分離器折向擋板(0 是全開(kāi)，10 是全關(guān))從2 調(diào)到5，各負(fù)荷段風(fēng)煤比控制在1.8左右，煤粉細(xì)度能控制在R90為20%以?xún)?nèi)，磨煤機(jī)出力在90 t/h 可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，未出現(xiàn)積粉堵塞的現(xiàn)象。出于機(jī)組運(yùn)行的安全性考慮，改造后C 磨煤機(jī)的最大出力控制在90 t/h 以?xún)?nèi)。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)C 磨煤機(jī)進(jìn)行一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)，在C04母管的彎頭處增加可伸縮式導(dǎo)流板，調(diào)整煤粉細(xì)度控制在R90為20%以?xún)?nèi)，使得該機(jī)組在C8支管不積粉堵塞的情況下，C 磨煤機(jī)最大出力從50 t/h 增加到90 t/h，磨煤機(jī)出力達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求出力，提升效果顯著，解決了該C 磨煤機(jī)無(wú)法在高負(fù)荷下運(yùn)行的問(wèn)題。