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)機性能測試與數(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
降低廠用電率是降低火力發(fā)電廠成本的一種有效方法。煤粉鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐(CFB)目前是我國火力發(fā)電廠的主要爐型,二者相比,循環(huán)流化床鍋爐機組的廠用電率更高,主要是循環(huán)流化燃燒所需要的風(fēng)機壓頭更高。所以,降低風(fēng)機電耗,最終降低廠用電率對裝備循環(huán)流化床鍋爐的電廠更為重要。
安徽某電廠目前擁有2臺135MW等級的循環(huán)流化床鍋爐機組,在實際生產(chǎn)過程中,一次風(fēng)機以及二次風(fēng)機的電耗明顯偏高,特別是在電廠低負荷的狀態(tài)下,風(fēng)機的效率明顯下降。因此,該公司計劃對鍋爐的風(fēng)機進行技術(shù)改造。
目前,流化床鍋爐風(fēng)機的選型往往偏大,所以電廠常用降低風(fēng)機電耗的方法進行改造,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135MW循環(huán)流化床鍋爐機組二次風(fēng)機增加小葉片后的效率進行計算,并與實際測量的流量與壓力進行對比,為今后的風(fēng)機技術(shù)改造提供依據(jù)。
表1 二次風(fēng)機技術(shù)性能
表2 二次風(fēng)機用液力偶合器性能
二次風(fēng)機為后向葉輪離心式風(fēng)機,其傳動采用液力耦合器方式。二次風(fēng)機以及液力偶合器的技術(shù)性能指標如表1、表2。
(1)動壓測量。風(fēng)機入口面積為2.9×1.05m2,在矩形入口風(fēng)道寬度方向上平均開5個測孔,孔間距大約為0.6m,在深度方向上取4個測點,測點間距約為0.25m。采用標定過的靠背管逐點測量動壓。在一個測孔上測量動壓時,應(yīng)進行叉入和抽出兩次的測量,同一測點上兩次測量的動壓波動不應(yīng)超過±2%。風(fēng)機測點的布置見圖1。
(2)氣溫測量。采用校驗過的T型鎧裝熱電偶測量風(fēng)量測量面處的氣體溫度,用T型熱電偶溫度表進行讀數(shù)。同時,在風(fēng)機出口處對氣體溫度也做了測量。
(3)靜壓測量。用U型測壓計測量風(fēng)量測量面的靜壓最后求出平均值,作為實測靜壓值。
(4)大氣壓力測量。用盒式大氣壓力計在試驗現(xiàn)場多次測量求平均值。
(5)空氣密度。根據(jù)實測的空氣溫度以及壓力計算空氣的實際密度。
根據(jù)上面壓力測量的結(jié)果,風(fēng)量的計算采用速度場法測量。依據(jù)DL/T469-2004 《電站鍋爐風(fēng)機現(xiàn)場性能試驗》中的相關(guān)規(guī)定,風(fēng)機風(fēng)量按照下式進行計算:
式中:
Q ——氣體實際體積流量,m3/h;
A ——風(fēng)量測量面管道截面積,m2;
ν ——風(fēng)道內(nèi)氣體流速,m/s;
Q*——標準工況下氣體體積流量,Nm3/h;
Pact——環(huán)境大氣壓力,Pa;
Pj—— 風(fēng)量測量面實測氣體靜壓,Pa;
tsj——風(fēng)量測量面實際氣體溫度,℃;
k —— 靠背管修正系數(shù),取標定系數(shù);
Pd——風(fēng)量測量面實測動壓平均值,Pa;
Psj——風(fēng)量測量面實際氣體密度,kg/m3;
Po——標準工況下氣體密度,kg/m3。
平均動壓應(yīng)按照下式計算:
式中:(Pd)i——風(fēng)量測量面內(nèi)任一測點兩次讀數(shù)的算術(shù)平均值,Pa。
2013年8月,該公司組織技術(shù)人員對2號機組鍋爐A二次風(fēng)機進行了性能試驗。試驗期間鍋爐燃燒穩(wěn)定,試驗期間機組負荷穩(wěn)定在130MW、120MW、110MW,同時,在機組負荷為110MW情況下,對風(fēng)機轉(zhuǎn)速1170r/min和817r/min條件下的風(fēng)機風(fēng)量進行了測量。測量計算結(jié)果見表3。
圖1 二次風(fēng)機測點布置示意圖
表3 二次風(fēng)機性能計算主要結(jié)果匯總
為了給風(fēng)機的改造提供合理的技術(shù)方案,有必要對風(fēng)機內(nèi)部的流場進行數(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)機尺寸,同時采用現(xiàn)場測繪的方法,建立了風(fēng)機進口風(fēng)道、葉輪、蝸殼以及出口風(fēng)道的模型,見圖2。圖2為利用gambit軟件生成的風(fēng)機系統(tǒng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,根據(jù)風(fēng)機不同部位結(jié)構(gòu)尺寸的大小,風(fēng)機內(nèi)不同區(qū)域的網(wǎng)格大小不同,網(wǎng)格總數(shù)140多萬個。
利用fluent軟件對風(fēng)機內(nèi)部的流場做了數(shù)值模擬。為了盡可能的提高風(fēng)機模擬的結(jié)果的準確性,在模擬的過程中,將部分風(fēng)機的入口風(fēng)道和出口風(fēng)道也一并考慮在內(nèi)。但是因為缺乏風(fēng)機出口調(diào)節(jié)門以及進口消音器等的數(shù)據(jù),所以在風(fēng)機出口沒有考慮風(fēng)機調(diào)節(jié)門對流場的影響,也不考慮進口消音器的影響。
圖2 風(fēng)機系統(tǒng)的3D計算網(wǎng)格
圖3 風(fēng)機流量測量與計算結(jié)果的對比
在模擬過程中,按照表3中的數(shù)據(jù),風(fēng)機模擬的邊界條件選取壓力邊界條件,采用標準k?ε雙方程模型,貼壁處無滑移,計算誤差不大于10-5。風(fēng)機流量計算結(jié)果與測試結(jié)果的對比見圖3。
在圖3中可以看出,計算值與實際測量值相比均偏大,可能是因為計算過程中沒有考慮風(fēng)機出口調(diào)節(jié)門對風(fēng)道流通面積影響的緣故。但二者的變化趨勢基本保持一致,所以基本可以認為風(fēng)機內(nèi)部流場的模擬結(jié)果與實際流場相符。風(fēng)機葉輪中部的速度場以及壓力場見圖4。由于1170r/min在電廠實際運行中出現(xiàn)的頻次更高,所以圖4給出了該轉(zhuǎn)速時風(fēng)機葉輪中截面上的速度與壓力分布圖,作為風(fēng)機內(nèi)部流場的代表。
風(fēng)機的性能首先取決于風(fēng)機各部件的氣動設(shè)計,而風(fēng)機葉輪對風(fēng)機內(nèi)效率的影響在風(fēng)機組件中是最大的,根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果,風(fēng)機葉輪出口處的各種復(fù)雜渦系是影響風(fēng)機葉輪效率的一個重要因素,因此,在此位置通過增加小葉片對流場進行整流的方式有可能提高風(fēng)機葉輪的氣動效率,進而提高風(fēng)機的效率。根據(jù)這一設(shè)想,研究了增加小葉片后對風(fēng)機效率的影響。
圖5給出了在風(fēng)機原有葉片中間位置添加小葉片后的gambit生成圖。即在目前的兩個葉片中間位置增加小葉片,其中粗線為原葉片,細線為增加的小葉片。
為了驗證增加小葉片后對風(fēng)機效率的影響,通過fluent軟件模擬了4種不同長度葉片對風(fēng)機流場的影響,并對風(fēng)機效率進行了計算,效率計算結(jié)果見圖6,風(fēng)機內(nèi)部流場的結(jié)果見圖7。計算中沒有考慮小葉片厚度對流場的影響。
圖6中風(fēng)機橫坐標為風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,單位為rad/s;縱坐標為風(fēng)機的計算效率。圖6中1為小葉片長度168.8mm;2為小葉片長度319.8mm;3為小葉片長度453.1mm;4為小葉片長度586.4mm。0為沒有添加小葉片時風(fēng)機的效率。
圖4 風(fēng)機葉輪中截面速度與壓力場分布圖
圖5 為小葉片的增加方式
從圖6中可以看出,原來風(fēng)機的效率隨著葉輪轉(zhuǎn)速的降低,效率越來越低,主要原因是風(fēng)機的葉片數(shù)較少,在低轉(zhuǎn)速情況下,風(fēng)機葉片出口處氣流紊亂比較嚴重,降低了風(fēng)機的效率;但在風(fēng)機添加小葉片以后,隨著轉(zhuǎn)速的降低,效率先增加后降低,有一個最大值。另外,就添加小葉片的效果來看,小葉片越長效率越高。
不過在風(fēng)機較高轉(zhuǎn)速下,即在1410r/min時,增加小葉片長度168.8mm、319.8mm、453.1mm時,效率反而降低,這是增加了小葉片之后,對風(fēng)機流場會有所改變:一方面通過對風(fēng)機原有葉片出口處的整流作用來提高風(fēng)機的效率;但另一方面因為增加了額外的葉片,會增加空氣流動的摩擦阻力,反而會降低風(fēng)機的效率,這兩個作用的強弱對風(fēng)機的整個效率會產(chǎn)生影響。在設(shè)計工況條件下,因為原有風(fēng)機葉片內(nèi)部的流場比較均衡,紊亂度較小,所以增加了小葉片之后整流效果較弱而因為風(fēng)機流量較大,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效率的反面影響,降低了風(fēng)機效率;但是葉片長度在586.4mm時,風(fēng)機效率提高,即改善風(fēng)機流場的正效應(yīng)增加值超過了改變流場所帶來的負效應(yīng),因此總體效率增加。尤其是在風(fēng)機低速情況下,流場改變效益提升較明顯。
圖6 風(fēng)機添加小葉片后效率變化
圖7 增加小葉片后風(fēng)機內(nèi)部流場
通過對某135MW等級循環(huán)流化床鍋爐機組的二次風(fēng)機性能的實際測試與數(shù)值模擬,并對該型風(fēng)機添加小葉片后的性能進行了模擬分析得出:對本身的數(shù)值模擬與風(fēng)機的實測值吻合較好,模擬結(jié)果基本能夠反映出風(fēng)機內(nèi)部的流場情況;增加小葉片后的模擬結(jié)果顯示,風(fēng)機本身在低轉(zhuǎn)速下效率顯著下降,但是增加小葉片后,風(fēng)機在低轉(zhuǎn)速區(qū)的效率有所提升,提升幅度和葉片長度相關(guān),長度越長,提升越明顯。