600 MW 超临界机组尾部烟道流场优化

（浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722）

0 引言

随着燃煤发电厂超低排放及节能改造的全面推进，大部分燃煤发电厂出现烟道阻力偏高、管道振动及噪音超标等现象，烟风流场问题对机组安全、经济、环保运行的重要性愈发突出。

为探究大型火力发电厂烟风管道系统优化机理，李昊燃等人利用数值模拟的方法，对大多数发电厂采用方截面烟道模型的流场进行数值计算并分析，结果表明：方截面烟道的内撑杆后存在明显的尾迹涡流区，且流动稳定以后的直烟道有效流动面积仅为烟道截面总面积的79%左右；方截面直烟道和90°弯头的出口速度偏差分别为0.209 和0.246，烟道阻力偏高，烟道压力损失严重[1]。烟风系统中的风机设备是燃煤机组的耗电大户，据统计，发现目前发电厂运营机组中为克服烟气系统阻力而设置的风机设备约占厂用电率的1%[2]。由于在前期设计过程中未充分考虑尾部烟道系统阻力，导致烟道系统阻力较大，生产能耗指标高。如果能够对烟风系统的设备及烟道进行优化，降低其运行阻力，就能大幅降低发电厂能耗，达到节能降耗的目的。

1 设备简介

某发电厂3 号机组配置600 MW 超临界直流锅炉，锅炉型号为HG-1890/25.4-YM4，一次中间再热，固态排渣、单炉膛、平衡通风、Π 型布置、全钢构架悬吊结构、露天布置，燃烧方式为前后墙对冲燃烧，采用30 只低NOX双调风轴向旋流燃烧器，每层5 只，前后墙各15 只，分三层对称布置。为实现空气分级降低NOX，前后墙各布置两层OFA（燃尽风装置），每层5 只，共20只。锅炉尾部烟气依次流经SCR（选择性催化还原脱硝）装置、空预器、MGGH（热媒体气气换热器）冷却段、静电除尘器、引风机、脱硫吸收塔、湿式除尘器、MGGH 加热段、烟囱。

自超低排放及MGGH 改造后，锅炉尾部烟道及设备阻力显著增大，锅炉尾部烟道（空预器出口至吸收塔入口）布置结构不合理，该段烟道变径、转向烟道比较多，造成尾部烟道阻力大、入口烟气流速分布均匀性极差，从流场角度来看，MGGH 冷却段存在较大磨损泄露的风险。3 号机组在530 MW 负荷时，引风机出力已达到了额定工况，进而影响了机组进一步带负荷的能力。为降低锅炉尾部烟道运行阻力，计划利用3 号锅炉检修机会对其尾部烟道阻力集中段进行降阻及流场优化改造。

2 改造前烟道模型及数值模拟

数值模拟采用大型商业流动动力学计算软件k-ε 湍流模型，网格采用边界层加密。边界条件设置为：进口质量流量边界条件，出口压力边界条件，壁面采用无滑移边界条件。由于数值模拟均采用均匀来流速度边界条件，且未考虑烟道内管撑、角钢、加强肋等构件的影响，实际改造后烟道阻力与数值模拟结果略有差别。

2.1 空预器出口至电除尘入口段烟道

图1 所示为空预器出口至电除尘入口段烟道布置三维模型。空预器出口至静电除尘器入口由2 个烟道组成，单侧空预器烟道一分为二，流经MGGH 冷却段进入到静电除尘器入口。空预器出口至静电除尘器入口段烟道长度仅为20 m 左右，其间布置了5 个转向烟道，且MGGH 冷却段距离分叉、转向烟道非常近，可以初步判断该段烟道阻力非常大，MGGH 冷却段入口烟气流场分布非常差。

图1 空预器出口至电除尘入口烟道三维模型

图2 为该段烟道烟气流场CFD（计算流体力学）数值模拟计算结果。从结果来看，由于该段多个变径、转向烟道的存在，烟气流动过程中烟气全压变化大，表明该段烟气流动阻力较大。图3及图4 为MGGH 冷却段入口烟道烟气流速分布云图，从图中可以看出，进入MGGH 冷却段通道后烟气出现明显的气流分离现象，高、低速气流“泾渭分明”，非常不利于MGGH 冷却段正常运行。

图2 空预器出口至MGGH 冷却段入口烟道全流程全压分布

图3 MGGH 冷却段入口水平段烟道流速分布

图4 MGGH 冷却段入口烟道截面流场分布

数值模拟统计如表1 所示，结果表明，各MGGH 冷却段通道入口烟气最低流速仅为1.0 m/s，最高流速达到了20.0 m/s，入口截面烟气流速相对标准偏差达到了70%以上，如此恶劣的烟气流场非常不利于MGGH 冷却段高效安全运行。

表1 各MGGH 冷却段入口烟道烟气流场

另外，数值模拟计算统计如表2 所示，结果表明，空预器出口至MGGH 冷却段入口段烟道烟气阻力达到了830 Pa，该段的烟气阻力明显偏大。这是烟道阻力高的主要原因，也是进行烟道优化需要重点解决的问题。

表2 空预器出口至静电除尘器入口烟道烟气阻力

2.2 引风机至吸收塔入口段烟道

图5 为引风机出口至吸收塔入口段烟道三维模型。烟气经过两台引风机汇合后进入吸收塔，该段烟道布置了多个变径、汇合以及转向烟道，烟气阻力有一定降低空间。

图5 引风机出口至吸收塔入口段烟道

图6、图7、图8 为CFD 模拟计算云图。从图中可以看出，原始方案下，整个烟道行程内烟气全压变化幅度大，表明烟气流动阻力大；烟气流动中存在大片气流速度高低分明的区域，显著增加了气流耗散阻力，大大增加了烟气流动阻力。CFD 模拟计算结果表明，该段烟道的烟气阻力为328 Pa，烟气阻力偏大，可通过烟道降阻流场优化降低该段烟道阻力。

图6 引风机出口至吸收塔入口段烟道流动全压云图

图7 吸收塔入口段烟道流速分布云图

图8 吸收塔入口段烟道流速分布云图

3 优化方案

3.1 空预器出口至静电除尘入口段烟道流场优化设计

图9 所示为空预器出口至静电除尘器烟道降阻流场优化设计方案，该方案在考虑该段烟道降阻效果的同时，充分考虑了MGGH 冷却段入口流场流速分布的均匀性。图10、图11、图12 为优化设计方案下烟道烟气流场CFD 数值模拟计算结果。从结果来看，优化设计方案下，该段烟道烟气阻力明显降低。

图9 空预器出口至静电除尘器烟道流场优化设计方案

图10 空预器出口至MGGH 冷却段入口烟道全流程全压分布

图11 MGGH 冷却段入口水平段烟道流速分布

图12 MGGH 冷却段入口烟道截面流场分布

数值模拟统计结果表明，该段烟道烟气阻力降至275 Pa，烟气降阻达到555 Pa，降阻率达到67%。另外，MGGH 冷却段入口烟气流速分布范围由1～20 m/s 降至3～8 m/s，入口截面速度相对标准偏差也由70%以上降至26%左右，表明该方案在显著降低烟气阻力的同时，MGGH 冷却段入口烟气流场均匀性也达到了显著改善，有利于MGGH 装置高效、安全运行。

3.2 引风机至吸收塔入口段烟道流场优化设计

图13 为引风机出口至吸收塔入口段烟道降阻优化设计方案。通过在变径、汇合以及转向烟道处设置合适的导流板，可有效降低烟气流动阻力。CFD 模拟计算结果表明，优化设计方案下，该段烟道的烟气阻力由328 Pa 降至226 Pa，烟气阻力降低了102 Pa。图14、图15 为优化设计方案下烟道烟气流场CFD 数值模拟计算结果。从结果来看，优化设计方案下，该段烟道烟气阻力明显降低，烟气流场均匀性也达到了明显改善。

图13 引风机出口至吸收塔入口段烟道降阻优化设计方案

图14 引风机出口至吸收塔入口段烟道流动全压云图

4 改造效果

图15 吸收塔入口段烟道流速分布云图

根据CFD 模拟计算结果，结合改造工期和收益，3 号锅炉选择对空气预热器出口至静电除尘器烟道、引风机出口至脱硫塔入口烟道实施降阻改造，并在改造前、后分别进行了烟道沿程阻力、烟气流量和烟道阻力优化性能验收试验。试验工况下，根据入炉煤煤质化验数据、灰渣可燃物数据、烟气成分及入炉煤量等数据，计算得出改造前、后烟气流量基本相当。改造前、后各项参数如表3—5 所示。

表3 改造前、后锅炉各烟道测点全压

表4 改造前、后各段烟道阻力

表5 改造前、后主要参数对比

3 号锅炉烟道阻力优化改造后，在机组负荷600 MW 试验工况下，空气预热器出口至烟气冷却器入口烟道阻力为112 Pa，比改造前下降624 Pa；引风机出口至脱硫塔入口烟道阻力为173 Pa，比改造前下降175 Pa。

改造前、后参数对比表明，在炉膛负压、烟囱入口烟压以及烟气量基本相同的条件下，改造后引风机全压升减小了0.6 kPa，引风机电流减小了15 A。

根据引风机的电机功率计算公式估算，2 台引风机电流减小30 A，发电设备平均利用小时数取4 500 h，电价按0.415 元/kWh 计算，则每年节约的引风机耗电量约为125.2 万kWh，仅风机电费每年可节约51.96 万元，节能效果较好。

5 结论

（1）通过尾部烟道流场优化改造，烟道阻力大幅降低，可有效释放引风机能力，机组带负荷能力恢复至铭牌值。

（2）尾部烟道流场优化，消除了大部分气流旋流，减轻设备磨损，保证MGGH 冷却段及引风机安全运行。