某电厂煤粉管道积粉堵塞原因分析及改造方案

李 明，马国伟，李 航

(1.国家能源集团科学技术研究院有限公司银川分公司，宁夏 银川 750000；2.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引言

火电机组常常在运行过程中会出现煤粉管道堵塞问题，这不仅会造成燃烧不稳定、燃烧器喷口结焦，而且在堵塞严重的情况下甚至会造成管道自燃、锅炉灭火、煤粉管道爆炸等安全事故[1]。如何准确快速的找出煤粉堵塞的原因并且制定出有效的解决措施是彻底解决电站锅炉煤粉堵塞事故的关键。

1 锅炉设备及系统概况

锅炉为超超临界参数变压运行直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、紧身封闭、П 型布置。

采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统，配6 台磨煤机，型号为HP1203，其中5 台运行，1台备用在锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工况下；R90煤粉细度为18%，主要参数见表1所列。

表1 磨煤机参数

燃烧器采用前后墙对冲分级燃烧技术。在炉膛前后墙各分三层布置低NOx旋流煤粉燃烧器，6 台磨煤机分别对应6 层燃烧器，从每台磨煤机磨制出来的煤粉进入四根母管，各母管在燃烧器不远处分为两根支管，随后进入与之相连的燃烧器。故每层布置8 只燃烧器，全炉共设有48 只燃烧器。在前后墙距最上层燃烧器喷口一定距离处布置了燃尽风喷口，每层10 支。主要设计参数见表2所列。

表2 燃烧器主要设计参数表(BMCR工况)

2 煤粉管道积粉堵塞原因分析

该超超临界机组锅炉C 层燃烧器布置在前墙主燃烧器区域的最上层，右至左依次为C1 到C8。煤粉母管和支管之间未设置煤粉分配器。随着运行时间的增加，C 磨煤机出力增加到50 t/h 以上后，C8 煤粉支管频繁堵塞导致该磨煤机无法在高负荷下运行。引起煤粉堵塞的原因有很多种，如煤粉管道一次风速过低导致煤粉沉降在管道下方、燃烧器喷口结焦导致煤粉管道阻力增大、煤粉水分含量较高磨煤机干燥出力不足、输煤管道弯头较多导致沿程阻力增大、磨煤机磨制煤粉颗粒较粗导致的煤粉沉降等[2]。依次检查C8 燃烧器喷口的结焦情况、积粉时煤粉的水分含量、煤粉细度等情况，发现这些都不是引起煤粉管道积粉堵塞的主要原因。对C 磨煤机各母管和部分支管的一次风速进行摸底测试，测试数据见表3所列,其中各母管用C01-C04 表示，相对应的支管用C1-C8 表示。

表3 C磨煤机煤量50 t/h时各粉管风速 m/s

从表3 可知，C 磨母管的一次风速存在较大偏差，其中C02 母管一次风速最高，且远高于其他三根母管风速。而且C7、C8 支管的风速也存在较大的偏差，根据C04 母管和C7、C8支管的设计管径计算得知，正常情况下三个管道内的风速是一样的，但C8 支管的一次风速远低于C7 支管的风速，这是导致C8 支管积粉堵塞的主要原因。分析认为C8 煤管频繁堵塞是因为C 磨煤机各母管的一次风速存在较大偏差，且C7、C8 支管的一次风速偏差更大，导致随着C 磨煤机出力的增加，大量的风都进入到C7支管，使得C8 支管的一次风速过低，携带煤粉的能力减弱，从而开始大量积粉。故首先对C 磨煤机各母管进行一次风速调平试验，由于该锅炉可调缩孔没有伸缩量标尺，反复调节对各母管一次风速的影响变化较小，并不能完全消除支管速度偏差。经多次优化调平后，各粉管风速测试数据，见表4所列。

表4 母管风速调平后C磨煤机50 t/h时各粉管风速 m/s

由表4 可知，调平后C04 母管的一次风速有所提升，与之相对应的C7、C8 支管的风速也随之升高，但是C7、C8 支管的风速偏差并没有消除，只是在粉管不堵塞的前提下磨煤机出力有所提高。C 磨煤机的出力至70 t/h 时，发现C8 支管开始出现煤粉积粉堵塞现象。C 磨煤机的出力尽管虽然提升，但是仍然达不到磨煤机的设计出力。因此只有把C7、C8 支管的一次风速偏差降下来，才能从根本上解决粉管积粉堵塞的问题。

在C 磨煤机只通风不给煤的情况下，测算C7、C8 支管的一次风速，发现在冷态情况下，这两根支管的风速基本一样，并没有存在偏差。查看C 磨煤机其他各支管的布置结构，发现各母管的煤粉经过弯头处，大部分煤粉由于惯性作用贴着管壁的外侧前进，而C04 母管在分为C7、C8 两根支管前的直管段相比于其他各母管较短，这就导致风粉气流还没有在直管段充分混合均匀，大部分煤粉由于离心力的作用就直接进入了C8 支管，使C8 支管的煤粉浓度较高。随着C8 支管的积粉堵塞，C8 支管的管道阻力增大，更多的风量都进入到了C7 支管，因此导致两个支管风速偏差变的更大。

为了进一步分析判断，使用CFD 软件对风粉管道内的流场进行数值模拟，为简化问题做如下假设：1)将一次风作为连续相，且为不可压缩流体的等温定常流动；2)将煤粉作为颗粒相，煤粉均为粒径相同的球体；3)忽略煤粉间的碰撞；4)一次风与煤粉之间具有双向动量耦合作用。

采用Realizablek-ε湍流模型模拟管内气相湍流的流动[3]。采用离散型模型模拟颗粒相的运动，同时采用随机颗粒轨道模型模拟颗粒的湍流耗散，并将每个网格单元追踪的颗粒随机轨道数目设置为20[4]。

在ICEM CFD 中对三维模型进行网格划分，采用非结构化网格划分生成混合网格，总网格数为632 243，其中左侧为C8 支管，右侧为C7支管，具体网格划分如图1所示。

图1 风粉管道混合网格

数值模拟中将热空气作为气相介质，为70℃的空气。颗粒类型为惰性颗粒，密度为1 400 kg/m3，颗粒的粒径假定为均匀分布，取70 μm[5]。模拟工况及边界条件见表5所列。

表5 模拟工况及边界条件

模拟结果如图2所示和见表6所列。

图2 管道内煤粉颗粒浓度分布情况

表6 管道出口煤粉质量 kg/s

由图2 可知，由于离心力的作用，C04 母管的煤粉气流在通过弯头的过程中大部分煤粉颗粒沿管壁外侧前进。通过弯头后，C04 母管的煤粉气流并没有在直管段充分混合均匀就进入了两根支管段，C8 支管的煤粉浓度明显高于C7 支管的煤粉浓度。而且表6 可以看出四个工况下C8 支管的出口煤粉质量均高于C7 支管。因此该数值模拟结果验证了上述分析。

3 改造方案

提出在C04 母管处增加可伸缩式的导流板，将部分煤粉颗粒上扬，引流到C7 支管，从而达到解决C8 煤粉积粉堵塞的目的。改造方案是在C7 管道中心线的延长线与C04 母管弯头的交接点处开槽焊接安装可伸缩式导流板，导流板采用耐磨的铸铁材质，厚度50 mm，为了避免煤粉在煤粉腔体沉积，设计了一路压缩空气对腔体内实时吹扫，导流板的具体安装位置如图3所示。

图3 加装导流板改造方案示意图

4 结果分析

改造后，在C 磨煤机不同给煤量下，依次调整导流板的伸缩量，并测算C7 和C8 支管的一次风速，使得两支管的风速偏差在一定的范围内，保证C8 支管不积粉堵塞，得出了不同给煤量下导流板的最佳伸缩量及对应的C7 和C8支管的风速。结果见表7所列。

表7 不同给煤量在导流板最佳伸缩量时C7和C8支管风速

由表7 可知，改造后随着C 磨煤机煤量的提升，C7 和C8 两支管的风速偏差逐渐增大。在给煤量为80 t/h 时，偏差达到了14 m/s，风速偏差尽管已经达到了未改造之前两粉管的风速偏差，但经过了C 磨煤机的一次风调平试验，C04 母管的风速有所提升，致使C8 支管风速有所增加，未出现C8 支管堵塞的现象。C 磨煤机出力至90 t/h，出现C8 煤粉堵塞的现象，从C04 母管进行煤粉取样并化验，发现有粗颗粒煤粉，煤粉细度R90为32%，R200为19%，通过调整动态分离器挡板，煤粉细度降低有限，分析认为随着磨煤机出力的增加，通风出力增加，研磨出力不足，导致粗颗粒煤粉沉降堆积。针对此问题，通过将磨煤机弹簧加载力从21 MP调到23 MP，分离器折向挡板(0 是全开，10 是全关)从2 调到5，各负荷段风煤比控制在1.8左右，煤粉细度能控制在R90为20%以内，磨煤机出力在90 t/h 可以长时间运行，未出现积粉堵塞的现象。出于机组运行的安全性考虑，改造后C 磨煤机的最大出力控制在90 t/h 以内。

5 结论

本文利用数值模拟和现场试验相结合的方法，对C 磨煤机进行一次风调平试验，在C04母管的弯头处增加可伸缩式导流板，调整煤粉细度控制在R90为20%以内，使得该机组在C8支管不积粉堵塞的情况下，C 磨煤机最大出力从50 t/h 增加到90 t/h，磨煤机出力达到了设计的要求出力，提升效果显著，解决了该C 磨煤机无法在高负荷下运行的问题。