文 // 郭新海 祁月琴 呂磊 呂宏奇 安徽華電六安發(fā)電有限公司

135MWCFB鍋爐二次風(fēng)機(jī)性能測(cè)試與數(shù)值模擬

文 // 郭新海 祁月琴 呂磊 呂宏奇 安徽華電六安發(fā)電有限公司

降低廠(chǎng)用電率是降低火力發(fā)電廠(chǎng)成本的一種有效方法。煤粉鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐(CFB)目前是我國(guó)火力發(fā)電廠(chǎng)的主要爐型，二者相比，循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的廠(chǎng)用電率更高，主要是循環(huán)流化燃燒所需要的風(fēng)機(jī)壓頭更高。所以，降低風(fēng)機(jī)電耗，最終降低廠(chǎng)用電率對(duì)裝備循環(huán)流化床鍋爐的電廠(chǎng)更為重要。

安徽某電廠(chǎng)目前擁有2臺(tái)135MW等級(jí)的循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一次風(fēng)機(jī)以及二次風(fēng)機(jī)的電耗明顯偏高，特別是在電廠(chǎng)低負(fù)荷的狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)的效率明顯下降。因此，該公司計(jì)劃對(duì)鍋爐的風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。

目前，流化床鍋爐風(fēng)機(jī)的選型往往偏大，所以電廠(chǎng)常用降低風(fēng)機(jī)電耗的方法進(jìn)行改造，如改造葉輪或者安裝變頻器等等，而本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)135MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組二次風(fēng)機(jī)增加小葉片后的效率進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)際測(cè)量的流量與壓力進(jìn)行對(duì)比，為今后的風(fēng)機(jī)技術(shù)改造提供依據(jù)。

表1 二次風(fēng)機(jī)技術(shù)性能

表2 二次風(fēng)機(jī)用液力偶合器性能

1 二次風(fēng)機(jī)設(shè)備

二次風(fēng)機(jī)為后向葉輪離心式風(fēng)機(jī)，其傳動(dòng)采用液力耦合器方式。二次風(fēng)機(jī)以及液力偶合器的技術(shù)性能指標(biāo)如表1、表2。

2 風(fēng)機(jī)壓力與流量測(cè)量

2.1 風(fēng)機(jī)壓力測(cè)量

（1）動(dòng)壓測(cè)量。風(fēng)機(jī)入口面積為2.9×1.05m2，在矩形入口風(fēng)道寬度方向上平均開(kāi)5個(gè)測(cè)孔，孔間距大約為0.6m，在深度方向上取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距約為0.25m。采用標(biāo)定過(guò)的靠背管逐點(diǎn)測(cè)量動(dòng)壓。在一個(gè)測(cè)孔上測(cè)量動(dòng)壓時(shí)，應(yīng)進(jìn)行叉入和抽出兩次的測(cè)量，同一測(cè)點(diǎn)上兩次測(cè)量的動(dòng)壓波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)±2%。風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖1。

（2）氣溫測(cè)量。采用校驗(yàn)過(guò)的T型鎧裝熱電偶測(cè)量風(fēng)量測(cè)量面處的氣體溫度，用T型熱電偶溫度表進(jìn)行讀數(shù)。同時(shí)，在風(fēng)機(jī)出口處對(duì)氣體溫度也做了測(cè)量。

（3）靜壓測(cè)量。用U型測(cè)壓計(jì)測(cè)量風(fēng)量測(cè)量面的靜壓最后求出平均值，作為實(shí)測(cè)靜壓值。

（4）大氣壓力測(cè)量。用盒式大氣壓力計(jì)在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量求平均值。

（5）空氣密度。根據(jù)實(shí)測(cè)的空氣溫度以及壓力計(jì)算空氣的實(shí)際密度。

2.2 風(fēng)機(jī)流量測(cè)量

根據(jù)上面壓力測(cè)量的結(jié)果，風(fēng)量的計(jì)算采用速度場(chǎng)法測(cè)量。依據(jù)DL/T469-2004 《電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)》中的相關(guān)規(guī)定，風(fēng)機(jī)風(fēng)量按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Q ——?dú)怏w實(shí)際體積流量，m3/h；

A ——風(fēng)量測(cè)量面管道截面積，m2；

ν ——風(fēng)道內(nèi)氣體流速，m/s；

Q＊——標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體體積流量，Nm3/h；

Pact——環(huán)境大氣壓力，Pa；

Pj—— 風(fēng)量測(cè)量面實(shí)測(cè)氣體靜壓，Pa；

tsj——風(fēng)量測(cè)量面實(shí)際氣體溫度，℃；

k —— 靠背管修正系數(shù)，取標(biāo)定系數(shù)；

Pd——風(fēng)量測(cè)量面實(shí)測(cè)動(dòng)壓平均值，Pa；

Psj——風(fēng)量測(cè)量面實(shí)際氣體密度，kg/m3；

Po——標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體密度，kg/m3。

平均動(dòng)壓應(yīng)按照下式計(jì)算：

式中：(Pd)i——風(fēng)量測(cè)量面內(nèi)任一測(cè)點(diǎn)兩次讀數(shù)的算術(shù)平均值，Pa。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

2013年8月，該公司組織技術(shù)人員對(duì)2號(hào)機(jī)組鍋爐A二次風(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。試驗(yàn)期間鍋爐燃燒穩(wěn)定，試驗(yàn)期間機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在130MW、120MW、110MW，同時(shí)，在機(jī)組負(fù)荷為110MW情況下，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1170r/min和817r/min條件下的風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 二次風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表3 二次風(fēng)機(jī)性能計(jì)算主要結(jié)果匯總

4 風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

為了給風(fēng)機(jī)的改造提供合理的技術(shù)方案，有必要對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，為改造方案提供依據(jù)。

根據(jù)相關(guān)設(shè)備制造企業(yè)提供的風(fēng)機(jī)尺寸，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的方法，建立了風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道、葉輪、蝸殼以及出口風(fēng)道的模型，見(jiàn)圖2。圖2為利用gambit軟件生成的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)風(fēng)機(jī)不同部位結(jié)構(gòu)尺寸的大小，風(fēng)機(jī)內(nèi)不同區(qū)域的網(wǎng)格大小不同，網(wǎng)格總數(shù)140多萬(wàn)個(gè)。

利用fluent軟件對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)做了數(shù)值模擬。為了盡可能的提高風(fēng)機(jī)模擬的結(jié)果的準(zhǔn)確性，在模擬的過(guò)程中，將部分風(fēng)機(jī)的入口風(fēng)道和出口風(fēng)道也一并考慮在內(nèi)。但是因?yàn)槿狈︼L(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)門(mén)以及進(jìn)口消音器等的數(shù)據(jù)，所以在風(fēng)機(jī)出口沒(méi)有考慮風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)對(duì)流場(chǎng)的影響，也不考慮進(jìn)口消音器的影響。

圖2 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的3D計(jì)算網(wǎng)格

圖3 風(fēng)機(jī)流量測(cè)量與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

在模擬過(guò)程中，按照表3中的數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)模擬的邊界條件選取壓力邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε雙方程模型，貼壁處無(wú)滑移，計(jì)算誤差不大于10-5。風(fēng)機(jī)流量計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)圖3。

在圖3中可以看出，計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值相比均偏大，可能是因?yàn)橛?jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)門(mén)對(duì)風(fēng)道流通面積影響的緣故。但二者的變化趨勢(shì)基本保持一致，所以基本可以認(rèn)為風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的模擬結(jié)果與實(shí)際流場(chǎng)相符。風(fēng)機(jī)葉輪中部的速度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)見(jiàn)圖4。由于1170r/min在電廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的頻次更高，所以圖4給出了該轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪中截面上的速度與壓力分布圖，作為風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的代表。

4.2 增加小葉片后風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬

風(fēng)機(jī)的性能首先取決于風(fēng)機(jī)各部件的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，而風(fēng)機(jī)葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)效率的影響在風(fēng)機(jī)組件中是最大的，根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，風(fēng)機(jī)葉輪出口處的各種復(fù)雜渦系是影響風(fēng)機(jī)葉輪效率的一個(gè)重要因素，因此，在此位置通過(guò)增加小葉片對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行整流的方式有可能提高風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)效率，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)的效率。根據(jù)這一設(shè)想，研究了增加小葉片后對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響。

圖5給出了在風(fēng)機(jī)原有葉片中間位置添加小葉片后的gambit生成圖。即在目前的兩個(gè)葉片中間位置增加小葉片，其中粗線(xiàn)為原葉片，細(xì)線(xiàn)為增加的小葉片。

為了驗(yàn)證增加小葉片后對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響，通過(guò)fluent軟件模擬了4種不同長(zhǎng)度葉片對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的影響，并對(duì)風(fēng)機(jī)效率進(jìn)行了計(jì)算，效率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的結(jié)果見(jiàn)圖7。計(jì)算中沒(méi)有考慮小葉片厚度對(duì)流場(chǎng)的影響。

圖6中風(fēng)機(jī)橫坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為rad/s；縱坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)的計(jì)算效率。圖6中1為小葉片長(zhǎng)度168.8mm；2為小葉片長(zhǎng)度319.8mm；3為小葉片長(zhǎng)度453.1mm；4為小葉片長(zhǎng)度586.4mm。0為沒(méi)有添加小葉片時(shí)風(fēng)機(jī)的效率。

圖4 風(fēng)機(jī)葉輪中截面速度與壓力場(chǎng)分布圖

圖5 為小葉片的增加方式

從圖6中可以看出，原來(lái)風(fēng)機(jī)的效率隨著葉輪轉(zhuǎn)速的降低，效率越來(lái)越低，主要原因是風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)較少，在低轉(zhuǎn)速情況下，風(fēng)機(jī)葉片出口處氣流紊亂比較嚴(yán)重，降低了風(fēng)機(jī)的效率；但在風(fēng)機(jī)添加小葉片以后，隨著轉(zhuǎn)速的降低，效率先增加后降低，有一個(gè)最大值。另外，就添加小葉片的效果來(lái)看，小葉片越長(zhǎng)效率越高。

不過(guò)在風(fēng)機(jī)較高轉(zhuǎn)速下，即在1410r/min時(shí)，增加小葉片長(zhǎng)度168.8mm、319.8mm、453.1mm時(shí)，效率反而降低，這是增加了小葉片之后，對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)會(huì)有所改變：一方面通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)原有葉片出口處的整流作用來(lái)提高風(fēng)機(jī)的效率；但另一方面因?yàn)樵黾恿祟~外的葉片，會(huì)增加空氣流動(dòng)的摩擦阻力，反而會(huì)降低風(fēng)機(jī)的效率，這兩個(gè)作用的強(qiáng)弱對(duì)風(fēng)機(jī)的整個(gè)效率會(huì)產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)工況條件下，因?yàn)樵酗L(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部的流場(chǎng)比較均衡，紊亂度較小，所以增加了小葉片之后整流效果較弱而因?yàn)轱L(fēng)機(jī)流量較大，所以增加內(nèi)部空氣摩擦阻力較大，這樣增加小葉片后的收益低于對(duì)效率的反面影響，降低了風(fēng)機(jī)效率；但是葉片長(zhǎng)度在586.4mm時(shí)，風(fēng)機(jī)效率提高，即改善風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的正效應(yīng)增加值超過(guò)了改變流場(chǎng)所帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)，因此總體效率增加。尤其是在風(fēng)機(jī)低速情況下，流場(chǎng)改變效益提升較明顯。

圖6 風(fēng)機(jī)添加小葉片后效率變化

圖7 增加小葉片后風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某135MW等級(jí)循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的二次風(fēng)機(jī)性能的實(shí)際測(cè)試與數(shù)值模擬，并對(duì)該型風(fēng)機(jī)添加小葉片后的性能進(jìn)行了模擬分析得出：對(duì)本身的數(shù)值模擬與風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)值吻合較好，模擬結(jié)果基本能夠反映出風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)情況；增加小葉片后的模擬結(jié)果顯示，風(fēng)機(jī)本身在低轉(zhuǎn)速下效率顯著下降，但是增加小葉片后，風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)的效率有所提升，提升幅度和葉片長(zhǎng)度相關(guān)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，提升越明顯。