基于均衡调节阀的电厂一次风风粉均衡调节研究

 基于均衡调节阀的电厂一次风风粉均衡调节研究

胡伟1 ,刘玉超2 ,张冠群2 

1国家能源集团江西电力有限公司，江西南昌  330029   2国能神华九江发电有限责任公司，江西九江  332500

摘要：燃煤电厂一次风风量和煤粉浓度是影响锅炉安全、经济运行的关键因素，而一次风流量、煤粉浓度的合理、均匀，是实现煤粉洁净、高效燃烧的关键。采用 FLUENT软件，采用随机颗粒轨迹模型，对格栅式调节阀在不同开度条件下的一次风速及煤粉浓度分布进行了数值模拟。仿真表明：对格栅式气门进行在线调节，一次风风速及煤粉浓度平衡得到了显著的改善。根据以上仿真结果，提出一种适用于一次风风粉平衡的在线平衡调节阀开度调整方案。

关键词：均衡；风粉；调节阀；研究；一次风；电厂

在燃煤火力发电厂，一次风管内的风速和煤粉浓度是影响机组安全运行的关键因素。目前国内电厂普遍使用的是中速直吹送粉方式，这种送粉方式的总体要求是：同一种燃烧器一次风管间的煤粉、空气要均匀分布，保证风量偏差不超过8%，煤粉分布偏差不超过10%。但是，由于煤粉分配偏差和煤种的频繁变化，导致了磨煤机至一次风粉支管的风粉浓度/流速分布偏差，再加上进入同一层的各个燃烧室的一次风粉分支管的阻力特性的内在差异，采用锅炉动态调节实验，在冷态下进行一次风粉调节后，在实际运行的热态工况下，同一磨煤机的煤粉流量和一次风流速都难以统一，分配偏差一般为20-30%，严重时可达50%。所以，对一次风、煤粉浓度进行平衡调节进行研究是十分必要的。

一、一次风粉系统的重要性与现状

目前，大型火力发电厂的锅炉多采用四边形喷嘴形式。在锅炉的燃烧中，保持风粉在各个燃烧室中的分布是十分关键的。由于每一种燃烧器都必须在最优的工作状态下工作，才能确保其着火和燃烧的稳定性，因此，在保证炉膛的过剩空气系数不变的情况下，必须确保每个燃烧室都能按照一定的风粉比例将燃油和空气输送到炉膛中。若各燃烧口的风粉分布不均匀，必然会导致部分燃烧口出现漏风或部分燃烧口缺煤，导致燃烧系统运行出现偏差。同时，燃烧室的负载分布对整个锅炉的温度和空气动力学都有很大的影响。在风粉分布不均匀的情况下，一次风管中的气流由于风粉的分布不均匀而使一些管路中的煤粉浓度过高或过低，从而使烟尘在管子中堆积、堵塞，同时也会使炉膛发生炉火偏移，局部热负荷过高，使炉膛中的部分地区由于煤粉浓度过高而使结渣、高温腐蚀，一些燃烧器出现了脉动、熄火等现象，从而引起炉内负压的剧烈波动。

1.风粉比例调节过程

通过合理的风粉比例调节，可以实现对烟气的有效控制，并可以减小烟温的波动。在锅炉运行中存在各种锅炉排烟温度波动的情况，烟气温度与风粉比例也有很大关系。锅炉运行时烟温一般保持在1000℃~1200℃之间波动，烟气温度波动幅度大则火焰易灼伤烟道，形成“烟温一次点火-烟温二次点火-烟温三次点火”的“三次点火-烟温三次点火”控制规律。如果当烟温升高时为确保低负荷运行烟气温度低于烟温运行方式的烟气温度时将烟温进一步降低而加大风粉比例（尤其是在高负荷时）。因此对锅炉的烟气系统设计及运行都应考虑风粉比例调节。

2.风粉效果监测

风粉效果是指锅炉燃烧过程中，锅炉烟气出口温度和出口烟气质量的监测数据。风粉效果检测主要是通过测量炉膛出口烟温来判定炉膛内各个风道中风粉的分布情况，从而能够了解各风道中炉膛内风粉的分布。一般来说风粉会直接影响着烟气出口处炉膛温度和烟温情况；同时风粉会影响着炉膛内炉底烟温情况。风尘量是电厂风吹煤系统风源供给满足状况的重要指标。风粉效果监测主要通过风机排风量大小确定风温和烟气流速变化，当风机排风量较大时可通过增加风机排风量来提高风吹煤效果；当风机排风量较小时可通过降低风机转速来提高风吹煤效果。为了能够实时监测风粉效果变化情况和风粉消耗量变化情况，需对风机排风量进行监测和调节。在风机排风量低时风粉消耗量高，此时应加大风机转速以增加风量从而降低风耗量；当风机排风量大时风机转速要相应提高以使风量能满足要求；在风机排风量大时风机要适当降低风量以减小风耗量。

3.风粉分布及均衡调节技术

(1)风粉分布及均衡调节技术风粉分布是指在锅炉燃烧工况下，一次风及炉膛烟气流分布在各个炉膛壁面上所形成的一个不均匀的气流通道。风粉分布不均匀在整个汽轮机效率和功率上是一个严重的缺陷。这会导致不同位置上煤质条件不一致；

(2)风机与锅炉之间气流不协调风机与炉膛烟道之间存在风压不平衡；锅炉风量增大时烟道阻力增加；炉膛出口风速不均匀炉膛出口风压不均衡炉膛压力不均衡；炉膛出口温度升高导致燃用低灰分煤种的锅炉烟道温度不能维持较高的燃用功率和燃烧稳定性；

(3)炉膛风机功率与燃料参数有一定关系炉膛燃烧器工作压力过高。

二、风粉分布不均匀现象的成因探讨

电厂运行一次风风粉失衡产生、变化的主要原因是由于风的调节存在一定的问题，风机和风量不足也会产生。在常规风速下，风侧入炉风量不足，对炉膛的压力不能满足入炉风量的要求，炉膛内不能形成稳定的热流场，造成炉膛内壁的温度升高与风阻增加及炉膛内氧含量升高相互矛盾、不平衡所造成的。风机与风量不足的情况下则容易出现风门打不开的情况。风机在运行过程中如果长期不更换润滑油、清洗轴承的话所产生的润滑油膜过厚并不能及时的脱落使风机长期处于工作状态下未充分排出空气而导致风机不能启动等现象还可能会导致风机电机损坏、电机内部轴承损坏、轴承不润滑等情况，造成风机不能正常工作而导致事故的发生；风机内部轴承损坏也会导致风机不能正常运行而会出现事故现象等各种问题；风机轴承温度过高会导致风机工作不正常甚至停止使用现象产生；风机电机出现异常也会影响风机正常供电、供气等问题等等引起一次风风粉失衡。

三、设备概况

某公司4号锅炉，采用HG-2023/17.5-HM11亚临界压力一次中间再热控制循环，单炉膛、U型布置、平衡通风、固态排渣汽包炉。锅炉为四边形的切向摆动燃烧炉，使用距离电厂7公里的露天煤矿，设计低发热量13.2MJ/kg，水分20%，灰分为25%。

经过长时间的使用，4号锅炉的燃烧火焰出现了倾斜，分析其原因是一次风系统的风粉分布不均匀，故计划在4号锅炉一次风管路上设置格栅式平衡调节阀，以解决风粉不均匀问题。本文通过数值仿真方法来分析和评价这种调节阀的调节作用。

四、物理建模及说明

文中给出了B型磨煤机一次风道等尺度模型。首先，利用SOLIDWORKS的三维造型软件，对一次风送粉管路进行了模拟，从磨煤机动力分离器开始，以四个燃烧口结束。对应于1号燃烧室的一次风分支管叫做#1，以此类推，4号燃烧室的一次风分支管叫做#4。从图1可以清楚地看到，四根分支管道的布局和其本身的长度差别很大。

图1 B磨煤机送粉管道仿真模型三维图

图2是一次风送粉管路上将要安装的网格式在线平衡调节阀的原理图。本文以此调节阀为研究对象，探讨了阀的开度对各管路的流速和密度分布的影响。

图2 均衡调节阀的挡板截面图

确定调节阀的节流比率是指阀门的流量对管道截面的比率，用m表示。通过计算出管道的直径711mm、阀门的直径700mm、厚度30mm和导向孔大小，得出其与开口的关系：

阀的开度用表示，其与角度的关系是：

五、数学模型和计算条件

1.数学模型

由于一次风送粉管中的煤粉颗粒直径通常在数十至数百微米之间，而煤粉的质量分数在10-6~10-3之间，所以一次风粉混合料的流动是一种稀相气固两相流。为方便本课题的研究，本文对风、粉两相的流动进行了以下假定：

(1)一次风为连续相，一次风为等温、恒定的不可压流。

(2)采用不考虑煤粉凝结和粉碎的煤粉为分散相，采用均匀粒度的煤粉。

(3)忽略粒子之间的撞击，仅考虑粒子所受的拖曳（移动阻力）和重力的影响。

(4)研究了空气-煤粉的双向动力耦合。

在此基础上，利用欧拉-拉格朗日法，利用紊流模型和DPM模型，分别模拟了煤粉粒子的运动。

2.物理和边界条件

仿真所用的气流是在70摄氏度下的热空气，其密度为1.006公斤/立方米，动态粘度为2.048x10~5 Pa.s；采用的煤粉是一种低热值煤粉，其密度为1400公斤/立方米，粉体直径50微米，粉料流量17.3公斤/秒。

在两相流仿真中，进口状态为2300 Pa的压力进口；出口状态设定在-100 Pa的相对静态压力下。重力加速度为9.8米/秒，与速度进口的方向相反。采用0.0026毫米的壁表面粗糙度作为水力平滑管道。

3.网格化和解法

为了解决阀门结构的复杂问题，本文提出了一种基于非结构网格的方法来实现混合网格的生成，并在管线和阀门的壁面上实现了局部加密。网格单元个数随着气门开度的不同而不同，但都在330万~380万左右，光顺后的网格最小正交质量比大于0.4，并通过栅格独立检验。

利用SIMPLE算法和一阶迎风格式求解气相流场，在气流收敛后，利用离散相模型对粒子的运动进行了数值模拟，并利用随机轨迹模式进行粒子的紊流消散。

六、数值仿真和分析

为测量同一层燃烧室四个一次风道内一次风速及煤粉浓度的偏差，采用四根管内风速/煤粉浓度的均方根误差（简称偏差）与平均偏差之比。

为了使问题更简单，将风机出风口的风速及煤粉浓度设置得均匀，表格1显示了炉膛内的流速及煤粉浓度。其中，1号管道的风速最小，2号管道略大于1号，3、4号管道的风速比较大，这与图1#1管线最长、#2次之、#3、#4号管线的长度基本一致，4#分支管线的风速差异最大，偏离率为11.91%。同时，煤粉质量分布也有较大的差异，以#4号为最大，#2号为最小，偏离率为21.96%。

表1

在综合最小阻力的基础上，采用#1管最长、管阻最大，根据先调节风量平衡，再考虑煤粉平衡的调节原理，#1管的阻力原则上不能再增大，开孔也要尽可能保持一致，对#3、#4号管进行优化，对#2管进行了优化。

七、在实际操作中的平衡调节策略

根据以上计算结果，结合开度调节程序，对已经安装了风速和煤粉浓度的实时测试仪，提出了采用在线平衡调节阀对一次风风粉平衡进行在线调节的方法。

①对四个并联分支管道的一次风速、煤粉浓度进行了实测，得到了四个分支管道的平均风速、煤粉浓度、残差（实测值与平均值的差）及偏移系数；

②对风速偏差系数和浓度偏差系数分别在5%以下、10%以下进行判定，如果两者都符合，则无需调整气门的开度。当风速变化系数低于5%时，浓度偏离系数超过10%时，进行③；当风速偏离值超过5%时，将相应分支管道的最大风速减小1%，并回到①；

③判定最大浓度分支管是不是最大浓度残余但不是最大风速的分支，如果是，表示这支管道的特点是风量较少，那么，就把最大风速分支管道中的阀门的相对开度减小

1%，回到①；

④判定浓度最大的分支管道是不是具有最大浓度残留和最大风速的分支，如果是，则说明这支管道的特点是风多，粉末多，不宜进行调整，回到①；

⑤判定浓度最低的分支管道是不是具有最大浓度残留和不是最小风速的分支管道，如果是，表示分支管道的特点是风多，粉末少，那么分支管道中的阀的相对开度减小1%，回到①；

⑥判定浓度最低的分支管道是不是具有最大浓度残余但最小风速的分支管道，如果是，则表示这支管道的特点是风少粉少，不宜进行调节，回到①。

结论：利用 ANSYSFLUENT软件，利用 DPM模型，对一次风平衡调节阀的风速、煤粉浓度进行了平衡调节，并根据实测的风速和煤粉浓度，提出了一种平衡调节阀调节一次风粉平衡的方法。

1.即使在风机出口风速和煤粉浓度平衡的情况下，当一次风支管自身布置的不同时，其流速偏差为11.91%，煤粉浓度为21.96%；

2.调整平衡调节阀，当阀门开度为时，可以将风速偏移到4.8%，而浓度偏移到6.9%，这表明，采用在线平衡调节阀可以有效地降低一次风粉的分配。

3.根据现有的煤粉浓度速度在线测试设备，提出了平衡调节阀在实际操作中的在线平衡调节策略，以实现对锅炉运行时的一次风粉分配进行在线调节，解决了电厂一次风、粉分配不均的问题。

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