火电厂中速磨煤机一次风道流场优化

王 羽， 韦红旗， 沈萌萌

(1. 东南大学 能源与环境学院， 南京 210018; 2. 南京科远自动化集团股份有限公司， 南京 211100)

煤炭一直是我国最主要的能源形式，煤炭的主导地位决定了我国目前电力格局仍以燃煤发电为主[1]。制粉系统是燃煤锅炉系统中必不可少的一部分，目前我国大型燃煤电站普遍采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统，制粉系统中一次风风量测量的准确性直接关系到锅炉燃烧工况的调整，而磨煤机风环出口处风速对磨煤机的煤粉细度、石子煤排放率等也有重要的影响[2-3]。

我国在运的很多燃煤机组中，由于冷、热一次风风道设计不合理，磨煤机风环倾角设计不当等，造成一次风风室流场紊乱、风环卡塞磨损及风环流量不均匀等现象，严重影响机组的安全运行[4-5]。因此，确保一次风风道及磨煤机风环内流场分布均匀对改善风环磨损，提高一次风风量测量准确性，保证机组的安全都具有重大的意义。笔者利用FLUENT软件对某电厂600 MW机组冷、热一次风管道及磨煤机风环处流场进行数值模拟，根据原结构流场特点提出合理改造方案，改善流场均匀性，提高一次风风量测量的准确性，为一次风风道及磨煤机结构的优化设计提供参考。

1 原结构模拟

该电厂600 MW超临界燃煤机组锅炉制粉系统采用中速磨煤机正压直吹系统，每台锅炉配备6台ZGM113G-Ⅱ型磨煤机，依次编号为1、2、3、4、5、6，在5台磨煤机运行时锅炉能达到最大连续蒸发量(BMCR)工况。在机组实际运行中，存在磨煤机进口风量测量不准、出口粉管浓度偏差大的问题，其中2号磨煤机和5号磨煤机进口风量测量不准、出口粉管浓度偏差大尤为突出。因此，笔者着重对2号磨煤机和5号磨煤机进行分析研究。

1.1 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冷、热一次风管道及磨煤机的安装施工图纸按1∶1的比例进行建模。为准确分析2号、5号磨煤机进口风量测量不准、出口粉管浓度偏差大尤为突出的原因，笔者建立的CFD模型包含全部6台磨煤机及其上游冷、热一次风管道，磨煤机本体部分进行了一定的简化处理，最终模型图见图1和图2。

图1 原结构整体模型图

图2 磨煤机进口至风环出口简化模型图

进行网格划分时，优先采用六面体结构化网格，经过网格无关性验证后，最终网格数量为523万(见图3)。

图3 原结构网格图

1.2 边界条件

由于原结构模拟仅对模型内部的流场进行分析，故模拟仅在高风量、调节阀全开的工况下进行。计算时将入口设置为均匀速度入口，速度通过高风量工况下的设计进风量与冷、热一次风比例进行计算；出口设置为压力出口[6]。具体边界条件见表1。模拟采用SIMPLEC 算法模拟速度场与压力场的耦合，迭代过程采用低松弛迭代的变松弛因子法[7]。

表1 数值模拟主要边界条件

1.3 结果分析

根据设置的网格和边界条件模拟计算得到原结构整体风道流线图，见图4。

图4 原结构模型整体流线图

从图4可以看出：热一次风由母管进入支管时，1号、3号、4号、6号磨煤机支管气流充满度良好，而2号、5号磨煤机支管气流充满度不佳，气流在惯性的作用下偏向风道一侧，流场分布较为紊乱，进而影响下游风量测量装置的准确性。分析认为上述现象与2号、5号磨煤机一次风支管与母管接口处缺少导流装置有关。

图5、图6分别为5号磨煤机一次风进口流线图与流速分布云图。由于2号、5号磨煤机在空间上呈对称布置，因此2台磨煤机进口风道及风环处流场具有相似性，故磨煤机一次风进口流线图及流速分布云图仅以5号磨煤机为例。

图5 原结构5号磨煤机一次风进口流线图

图6 原结构5号磨煤机一次风进口截面流速分布云图

分析磨煤机进口流场状况发现，因磨煤机一次风风室进口前风道中存在与流动方向垂直的支撑挡板(见图7)，造成一次风进口截面中心区域存在较大的低速区，严重影响后续磨煤机风环内的流场。

图7 5号磨煤机进口支撑板现场图

为了进一步了解风环处的流场，分别截取2号磨煤机和5号磨煤机风环出口截面流场分布云图进行分析(见图8、图9)，风环出口截面位于风环喷嘴出口上方50 mm处。

图8 原结构2号磨煤机风环出口截面流场分布云图

图9 原结构5号磨煤机风环出口截面流场分布云图

2号磨煤机和5号磨煤机风环出口截面存在明显的流速偏差，2号磨煤机靠风道内弯侧流速偏大，5号磨煤机靠风道外弯侧流速偏大，而风环出口较大的速度偏差易造成磨煤机出口粉管浓度偏差大。磨煤机一次风进口前支撑挡板将一次风气流分为2股，进入磨煤机后因风环逆时针转动，因而导致2号磨煤机内弯侧流速偏高，而5号磨煤机外弯侧流速偏高。

2 优化方案及结果分析

2.1 优化方案

根据原结构流场存在的问题，对热一次风支管管道及磨煤机一次风进口前支撑挡板进行优化设计。具体优化方案如下：

(1) 针对2号、5号磨煤机热一次风支管进口处气流严重偏斜的问题，在综合考虑现场施工量与施工难度后，最终确定将2号、5号磨煤机风道支管进口改成楔角连接，并在2个风道支管进口各新增1块导流板，阻止气流向一侧偏斜。

(2) 为了解决磨煤机一次风进口截面流场紊乱的问题，将磨煤机一次风进口前支撑挡板放置方式改为与气流方向平行(数值模拟时简化处理，按去除此块挡板建模)，优化后最终结构模型见图10。

图10 优化后模型图

2.2 结果分析

优化后模型网格划分及边界条件与原结构相同。优化后模型整体流线图见图11，5号磨煤机一次风进口风道流线图及一次风进口截面流场分布云图见图12、图13，2号、5号磨煤机风环出口截面流场分布云图见图14、图15。

图11 优化后模型整体流线图

图12 优化后5号磨煤机一次风进口风道流线图

图13 优化后5号磨煤机一次风进口流速分布云图

图14 优化后2号磨煤机风环出口截面流场分布云图

图15 优化后5号磨煤机风环出口截面流场分布云图

对比优化前后模型整体流线图(图4、图11)及磨煤机一次风进口风道流线图(图5、图12)可以看出：优化后2号、5号磨煤机热一次风支管进口气流偏斜问题明显改善，气流能很好地充满风道。将磨煤机一次风进口前支撑挡板改为与气流方向平行后，2号、5号磨煤机一次风进口截面的流场均匀性有所提高，中间低速带消失，风道顶部与底部流速分层现象有所改善，且磨煤机风环出口截面流速偏差较原结构减小。

为定量分析优化后2号、5号磨煤机风环出口截面流场分布状况，将风环出口截面分为42个区域，以一次风进口风道中轴线上方区域为1号并按顺时针方向进行编号，分别编为1～42号(见图16)。

图16 风环出口截面编号示意图

提取原结构及优化后每个区域气流的平均流速进行对比分析，结果见图17和图18。

图17 优化前后2号磨煤机风环出口截面各分区流速

图18 优化前后5号磨煤机风环出口截面各分区流速

在高风量及调节阀全开的工况下，原结构中2号磨煤机与5号磨煤机风环出口各喷嘴处平均流速偏差较大，2号磨煤机最大流速偏差为48 m/s，5号磨煤机最大流速偏差为38 m/s。优化后2台磨煤机风环出口截面流速偏差均明显减小，2号磨煤机最大流速偏差为19 m/s，5号磨煤机最大流速偏差为18 m/s，在一定程度上有利于改善出口粉管浓度偏差较大的问题。

表2为优化前后模型内部压损情况。

表2 模型各段压损汇总表 Pa

由表2可以看出：优化后系统压损较原结构有所下降，2号、5号磨煤机热一次风进口至磨煤机风环出口总压损分别下降214 Pa和166 Pa，有利于降低风机功耗，提高节能效果。

3 风量测量装置准确性

3.1 原风量测量装置

针对原风量测量装置测量准确性不高的现象，通过现场勘查及数值模拟发现原装置布置在热一次风支管弯头下方1.5 m处，见图19。

图19 原风量测量装置所在位置及现场布置图

气流经过弯头后冲向弯头外侧，在弯头内侧形成涡流及局部低速区，截面流场分布均匀性较差(见图20)。在测量截面流场分布不均时，应增加测点的数量以提高测量结果的准确性[8-9]，而原测量装置在此截面中只布置了6个测点，测点数量偏少，因而测量准确性较低[10]。

图20 原风量测量装置所在截面速度分布云图

为了进一步验证原测量装置的准确性，笔者将原测量装置测点所在位置的速度平均值与测量截面的速度平均值进行对比，结果表明：在高风量、调节阀全开的工况下，2号磨煤机各测点流速的平均值与整个截面的流速平均值的相对偏差为1.33%，5号磨煤机各测点流速平均值与整个截面的流速平均值的相对偏差为5.4%。由此可见，原测量装置的测量准确性较差。

3.2 新增风量测量装置

此次改造在不拆除原有测量装置的前提下新增1组测量装置。新增测量装置为三维矩阵式流量测量装置，装置安装在靠近2号、5号磨煤机一次风进口的位置(见图21)。三维矩阵式流量测量装置是在传统二维多点矩阵式风量测量装置基础上发展而来，优化设计为从三维空间多点取压并形成较大均压腔，其主要结构及测量原理见图22。

图21 新增测量装置布置示意图

图22 新增测量装置结构及原理示意图

尽管新装置测点所在位置靠近磨煤机一次风进口弯头，此处流场具有一定的不均匀性(见图23)，但测量装置是根据不同流线位置在三维空间连续布点，因此即使流场较为紊乱，其所测动压信号也能准确反映实际流量的大小。

图23 新增风量测量装置所在截面速度分布云图

此外，通过将新测量装置所有测点所在位置流速的平均值与测点所在截面的流速平均值进行对比发现：经系数修正后，2号、5号磨煤机在高风量、调节阀全开工况下新测点流速的平均值较测点所在整个截面的流速平均值的相对偏差均在0.5%左右，测量准确性较原结构有明显提高。

4 结语

(1) 原风道结构数值模拟结果表明：2号、5号磨煤机热一次风支管进口气流偏斜严重，磨煤机一次风进口处流场较为紊乱且各磨煤机风环出口截面均有明显的流速偏差，分析认为主要原因为热一次风支管进口缺少导流装置及磨煤机一次风进口前支撑挡板较宽。优化后，2台磨煤机一次风支管进口气流偏斜问题有所改善，磨煤机一次风进口流场均匀性提高，风环出口截面流速偏差减小，系统阻力有所下降。

(2) 原风量测量装置测点所测数据与测点所在截面的数据平均值的相对偏差较大，测量准确性低，且原测点数量少，测量结果的偶然性偏高。采用新的风量测量装置后，测点数量大大增加，经系数修正后，测量结果与测点所在截面的数据平均值的相对偏差很小，测量准确性显著提高，测量结果更具代表性。