330 MW机组循环流化床锅炉二次风系统节能研究

郭 俊，史民科，王 强，李健奇，丰 斌

(1.内蒙古京泰发电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.北京润科通用技术有限公司，北京 100080； 3.北京中电长峰节能科技有限公司，北京 100020)

在流化床锅炉燃烧过程中，一次风主要提供部分氧气及床料流化的作用；二次风除了提供其余氧气起到补燃作用以外，还可以利用其较大流速及动量，射流穿透力较强的特点，增加气固两相混合、强化传质传热及协助流化的作用。通过优化一次、二次风的比例能够降低NOx原始排放浓度与风机电耗率，对机组脱硫效率也有一定的影响[1-6]。

目前流化床锅炉二次风系统设计采用上、下2层布置共用风箱的形式。下二次风喷口距离布风板更近，床压较高，为了防止运行时高温烟气出现返流烧坏下二次风喷口[7]，需要较高的二次风压力；上二次风喷口距离布风板较远，床压较低，本该有更大的射流穿透力，但因为共用风箱，为了维持二次风压力，需要利用阀门对其进行节流，这对上二次风穿透力造成较大的影响，节流损失也增加了风机电耗率[8]。

上、下二次风系统没有安装流量计，在实际运行中无法得到上、下二次风的实际流量，也就无法估算二次风射流穿透力，给锅炉优化运行带来了较大的困难。内蒙古某电厂330 MW机组循环流化床锅炉二次风系统采用上、中、下3层布置方式，给运行调整带来的困难更大。本文利用成熟的流体力学计算软件对该锅炉的二次风系统进行节能研究，研究结果能够为流化床锅炉的运行调整及二次风系统改造提供技术依据。

1 锅炉概述

锅炉为单汽包、自然循环、循环流化床燃烧方式，主要由1个膜式水冷壁炉膛、3台汽冷式旋风分离器和1个由汽冷包墙包覆的尾部竖井3部分组成。炉膛内前墙布置12片屏式过热器管屏、6片屏式再热器管屏，后墙布置2片水冷蒸发屏。锅炉部分参数见表1。

表1 330 MW机组流化床锅炉部分设计参数

锅炉二次风从空气预热器出来，经过布置在锅炉两侧截面尺寸为3032 mm×2800 mm的风道进入前、后墙的二层二次风箱，上、下二次风箱截面尺寸分别为1460 mm×1650 mm及1070 mm×1650 mm，锅炉两侧二次风道之间安装直径为1820 mm的联络管。上、中二次风管穿过下二次风箱与上二次风箱相连接，下二次风管与下二次风箱相连接。锅炉前墙布置8根喷口直径为420 mm的上二次风管，中二次风管以及下二次风管分别为4根和8根，喷口直径均为430 mm；锅炉后墙布置6根上二次风管、4根中二次风管以及6根下二次风管，上、中、下二次风管喷口直径均与前墙对应喷口直径相同。每根二次风管均安装调节阀门，前后墙的上、下二次风箱入口支管安装调节阀门。二次风系统见图1。

2 数学模型

根据二次风系统的几何尺寸建立系统流体模型，计算采用标准k-ε双方程模型。

机组在满负荷运行时上二次风管内阀门开度一般为30%，中、下二次风管内阀门开度为100%，因此在建模中上二次风喷口的阀芯与管道垂线之间的夹角α为27°，见图2。

3 计算结果分析

该机组在某307 MW负荷工况下锅炉二次风温度为230 ℃，压力约为6 kPa；下二次风喷口压力约为5.4 kPa；中二次风喷口压力约为4.5 kPa；上二次风喷口压力约为1.8 kPa。以此数据为边界条件对二次风系统做数值模拟，见表2，从表2中可以看出，在网格数量达到510万个以后，数值模拟结果随网格数量增多而变小。本文的计算结果是在网格数量为514.96万个时的计算结果。

表2 网格相关性检查

二次风流量对于燃烧及污染物排放均有较大的影响，因此给出上、中、下二次风总流量的分布，如图3所示。从图3可以看出，上二次风喷口压力较低，但是阀门开度仅有30%，节流作用较大，因此总风量最少；下二次风管数量更多，但是背压较大，所以总风量较多；中二次风管数量最少，但是总风量最多。

二次风参与燃烧的程度与其穿透力密切相关，而动量又与其质量流量相关，因此分别给出前墙各二次风喷口气流流量及气流动量，如图4、图5所示。从图4及图5中可以看出，中二次风喷口气流速度最大，气流动量最高，穿透力较强；下二次风喷口气流动量较小；上二次风喷口流量最小，动量也最小，穿透力最差。此外中二次风喷口流量及气流速度要稍高于两侧的喷口，这是因为二次风从两侧进入风箱，在风箱中间位置的流速最低，根据伯努利原理，风箱中间的气流压力要稍高于两侧。

如果上二次风喷口阀门全开，由于没有节流作用，上二次风流量大大增加，气流动量也随之大大增加，见图6及图7。此外由于其背压很低，中、下二次风流量均受其影响，尤其是下二次风。由于二次风总流量超过160 kg/s，大大超过实际运行所需要的风量，因此在锅炉实际运行过程中，可以根据锅炉负荷灵活调整阀门开度。

4 二次风系统节能方案研究

从模拟结果来看，上二次风因为阀门节流，系统能量损失较大，同时由于中、下二次风背压较高，二次风入口压力需要维持在较高的水平，因此二次风机的整体电耗率也较高，二次风系统的节能工作就显得更重要。

为了降低阀门的节流损失并提高二次风的穿透力，文献[8]提出二次风系统改造方案，即将上、下二次风箱隔离，2台风机分别给上、下二次风箱送风，因为上、下二次风出口压力不同，所以风机出口压力也不同，减少了系统节流损失，同时提高了二次风穿透力。不过文献[8]没有对改造方案节能量进行深入研究。

本文研究的二次风系统，上、下二次风箱入口支管均安装阀门，所以只要在联络管某处安装阀门，就可以很方便的将上、下二次风系统隔离。例如在图1中的A处安装阀门并关闭，将右侧风道去上二次风箱的2个阀门关闭，将左侧风道去下二次风箱的2个阀门关闭，把8根中二次风管喷口阀门关闭，就可以模拟改造后的系统，计算在相同风量下的节能量。

在改造方案节能量的模拟过程中，由于关闭了中二次风喷口阀门，为了满足燃烧需要，中二次风流量都并入上二次风，上二次风总流量为57.37 kg/s，下二次风总流量为39.92 kg/s。在上二次风阀门全开，总流量为57.37 kg/s时，前墙8根二次风管喷口流量与气流动量如图8所示。从图8可以看出，上二次风喷口动量远远超过图5中上二次风的喷口动量，其穿透力得到了极大的提高；下二次风喷口动量与图5中下二次风喷口动量相比较小，但是炉膛内该处烟气密度也较小，所以仍然可以保证下二次风有较大的穿透力。该工况二次风入口空气压力仅需2.8 kPa，远小于6 kPa的入口压力，由于阀门全开，气流不受阻碍，所以压力损失大大降低。

该机组所处环境大气压力约为87.6 kPa，环境温度为21 ℃，因此质量流量为57.37 kg/s时，其体积流量为55.27 m3/s。

与改造前对比，上二次风出口压力降低了6-2.8=3.2 kPa，如果二次风机的运行效率取75%，改造后的二次风系统降低风机电耗率为

(1)

代入数据后可以得到风机电耗下降了235.82 kW。

采用该种改造方案，可以在风机出口安装高精度风量测量装置[9-10]来测量上、下二次风流量，同时采用风机变频方式直接调整上、下二次风流量，避免阀门节流损失，从而能够提高二次风穿透力、优化燃烧及降低风机电耗率[11]。如果进行具体的工程实施，还需要提前对上、中、下二次风流量进行优化，找到更佳的上、下二次风流量比，更好的分配空气预热器上、下二次风的具体换热面积，同时需要进一步确定上二次风喷口高度。

5 结论

a.本文所建的330 MW循环流化床锅炉二次风系统模型计算结果与试验结果对比，误差在可接受范围内，因此可以模拟不同工况的二次风系统流动特性，为锅炉优化调整提供技术参考。

b.由于上二次风阀门在运行中开度仅有30%，给上二次风带来很大的节流损失，降低了上二次风的动量及穿透力。采用2台风机各自独立提供上、下二次风的技术改造方案，大大增加了上二次风的动量及穿透力，更有利于燃烧调节，有效降低风机电耗率。