摘要：广东红海湾发电有限公司（下称“汕尾电厂”）3 号锅炉磨煤机入口一次风量显示失真，风量调节特性差，严重影响磨煤机运行的安全性和经济性。为实现磨煤机入口在线一次风量的准确监测，为磨煤机入口一次风量的精细化自动控制奠定基础,需进行磨入口一次风流场优化。
关键词：磨煤机入口；一次风量；流场优化；CFD 数值模拟；
1 现状概述
与其他国内由东方锅炉厂生产660MW超超临界机组的制粉系统相同，原广东红海湾发电有限公司3号锅炉热一次风和冷一次风均为先以母管形式送达磨煤机入口附近区域，再分别引出支管并进行混合后进入磨煤机入口。从母管到磨煤机入口的管道距离不足10米，其间还要布置冷风门、热风门、混合风门、冷风混入点并要经过变截面、转向等复杂的几何结构，从流体动力学原理知道，在这样的复杂几何结构内，流体的运动将会处于一种非常紊乱的状态。
原3号炉冷风混合点是在热风管道上直接开口掺入，并未采取均匀掺入的措施，因此，在冷热风的初始混合点温度是“泾渭分明”的，只有依靠沿着混合点之后的流程的扰动和传热传质过程才能逐步实现冷热均匀，故在短距离内难以实现温度均匀的效果。
原风门挡板（冷、热风及混合风挡板）对下游流场分布形态的影响也很大。在其开度发生变化的过程（也即是对风量、风温的调节过程）中，对其下游流体的速度、温度分布都会产生明显影响，因此很难在下游存在一个流态相对稳定的截面。在实际应用过程中就表现为一次风测量的动态响应特性不良，并且进入到磨煤机的一次风流场也是非常混乱。
通过一次风道流场的优化改造，改善3号锅炉A、F磨煤机入口一次风测风装置附近的流场条件，为风量测量元件创造良好的外部测量环境，以实现热态下一次风量的精确测量与控制，同时改善进入到磨煤机的一次风流场条件，提高磨煤机的安全经济性。
2 采用的详细技术路线，技术原理及主要技术特征。
2.1设计原理
为定量了解我厂 3 号锅炉 A、F 磨煤机入口一次风流场不均匀程度，我们对A、F 磨煤机入口一次风道（包含冷、热一次风道以及冷热混合风道）的流场进行了CFD 数值模拟研究，结果分析如下：
现有冷、热一次风道布置条件下，一次风量测量元件截面处气流速度场非常不均匀，如图 （a）所示的气流速度分布云图，此时测量截面处出现明显的气流低速区和高速区，表明此时冷热一次风混合较差；图 （b） 为磨煤机入口气流温度场分布云图，图中清楚地显示了温度场存在明显的低温区和高温区，表明经过一段较短距离的混合段后，冷热一次风几乎未得到任何混合。图 （c）和图 （d） 显示的冷热一次风流线图进一步表明，现有一次风道布置条件下，冷热一次风在混合段存在明显的“泾渭分明”现象，仅通过冷热一次风自身混合作用很难获得较为理想的一次风流场。同时对模拟计算结果进行了数据统计。风量测量原件截面处流速相对标准偏差达到了 25%，气流速度范围 12.2m/s~29.9m/s，气流场流速分布非常不均匀。进一步考察磨煤机入口截面处的流场，此时流速相对标准偏差为18%，气流速度13.3m/s~26.1m/s，流速偏差有所减小，但仍比较大；气流场温度相对偏差为 9.2%，混合气流温度区间为 160℃~313℃，高温区与低温区相差近150℃，偏差非常大，这样的混合一次风气流进入到磨煤机内部进行入炉煤的干燥必然会产生一系列的安全经济性问题。
（a） 风量测量原件截面流速分布云图
（b） 磨煤机入口混合流体温度分布云图
（c） 冷一次风气流流线图
（d） 热一次风气流流线图
2.2 技术方案
针对3号锅炉磨煤机入口一次风流场存在的问题，提出气流均布器+均流板的均流改造方案，能够实现现有测量截面处速度和温度分布的均匀和稳定，保证一次风测量的准确性，同时使磨煤机入口的气流混合更加充分和均匀，提高磨煤机运行的安全经济性。
2.2.1气流均布器（图（e））
气流均布器是通过组合隔板将一股气流分隔为多股，使其在出口截面上均布。红海湾电厂优化设计的冷一次风气流均布器是先通过圆形喇叭风道注入到热一次风道，气流均布器将冷一次风均匀分隔成三股，然后通过特殊设计的渐缩型气流分配箱将三股冷一次风分别隔成若干股，并在热一次风道的径向均匀分布。气流均布器出口的隔板的组合优化设计能够保证每一股冷一次风的流量分配较为均匀。入口的扩口设计能够较大幅度地减小气流均布器引起的压损。出口处设计的叶片式静态混合器能够很好地增强冷、热一次风的混合。
（e）气流均布器
2.2.2均流板（图（f））
均流板对气流有较强的均布作用，气流通过均流板后，速度分布的均匀性大幅提高。但在风道中设置均流板后，压阻也会大幅增加。因此，必须通过CFD数值模拟来确定最大风量工况下均流板的孔隙率和压损之间的定量关系。由此选择合适的孔隙率，以保证运行时均流板引起的压损不超过设计值。此外，均流板在风道中的位置也需要优化设计，以保证测量截面的速度均布达到最佳状态。
（f）均流板
2.2.3改造过程
1）拆除原有拟改造部分的风道；
2）按照图（h）将已加工定制好的气流均布器装置整体预制件（图（g））安装到指定位置，并进行焊接后的气密性试验，并经过相关专业人员的严格验收；
按照图（i）指示安装均流板；
最后将现场相关风道的支撑以及风门恢复。
(g)整体预制件
（h）预制件安装位置示意图
（i）均流板（多孔板）安装位置示意图
3 主要技术经济指标：
A、F 磨煤机改造后各项指标均达到了改造性能保证值，同时改造后磨煤机冷热风自动控制性能不低于改造前指标。以下为本次改造后主要优化的技术经济指标：
一次风流场优化改造后，A、F 磨煤机入口的速度场和温度场均匀，A 磨流速分布的相对标准差为 9.77%~13.30%，温度分布的相对标准差为 3.07%~3.34%，高温区与低温区温差为 27℃~35℃，F 磨流速分布的相对标准差为 6.37%~9.17%，温度分布的相对标准差为 2.34%~2.56%，高温区与低温区温差为 14℃~16℃，这为在线风速测量元件提供了均匀的速度场和温度场，在线风量测量装置在不同风量下的系数偏差均低于 3%。A、F 磨煤机表盘一次风量能够准确地反映实际的真实风量，达到了准确监测磨煤机入口一次风量的目的。
从磨煤机入口一次风压表盘值及修正后的压损值来对比，一次风流场优化改造后，A、F 磨煤机入口风道阻力增加不大于 100Pa，改造后，磨煤机一次风量实现精细化控制，可以大幅降低一次风量，实际运行阻力有望降低。
A、F 磨煤机入口一次风流场优化改造后，当磨煤机给煤量和冷、热风门开度不变时，磨煤机入口一次风量的波动在±2t/h 以内，磨煤机出口温度的波动在 0.5℃以内，改造后磨煤机冷热风自动控制性能不低于改造前指标， A、F 磨煤机入口一次风流场稳态特性较好。
A、F 磨煤机冷、热一次风门自动控制试验表明，热风门对磨煤机入口风量及冷
一次风门对磨出口温度的自动控制品质较好，且风门的抗干扰能力较强。
4 技术的新颖性、先进性、适用性和成熟度，主要技术指标与国内外同类技术先进水平的比较，对社会经济发展和科技进步的作用意义。
为定量了解3 号锅炉 A、F 磨煤机入口一次风流场不均匀程度，对A、F 磨煤机入口一次风道（包含冷、热一次风道以及冷热混合风道）的流场进行了CFD 数值模拟研究。同时对模拟计算结果进行了数据统计，风量测量原件截面处流速相对标准偏差达到了 25%，气流速度范围 12.2m/s~29.9m/s，气流场流速分布非常不均匀。进一步考察磨煤机入口截面处的流场，此时流速相对标准偏差为18%，气流速度范围 13.3m/s~26.1m/s，流速偏差有所减小，但仍比较大；气流场温度相对偏差为 9.2%，混合气流温度区间为 160℃~313℃，高温区与低温区相差近150℃，偏差非常大，这样的混合一次风气流进入到磨煤机内部进行入炉煤的干燥必然会产生一系列的安全经济性问题。
4．1主要指标
针对 3 号锅炉 A、F 磨煤机入口一次风流场存在的问题，提出气流均布器+均流板的均流改造方案，能够实现现有测量截面处速度和温度分布的均匀和稳定，保证一次风测量的准确性，同时使磨煤机入口的气流混合更加充分和均匀，提高磨煤机运行的安全经济性。
通过对冷、热一次风系统进行 CFD 数值模拟，模拟计算冷、热一次风的流动和混合情况，以测量截面处的速度以及磨煤机入口截面气流速度和温度分布为评价指标，得到适用于3 号锅炉 A、F 磨煤机冷、热一次风道条件下的气流均布器和均流板的最佳设计。
4．2作用及意义
磨煤机一次风量实现精细化控制，可以大幅降低一次风量，实际运行阻力有望降低，极大提高磨煤机运行的安全经济性。
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6、常毅君,王晓冰,张波,牛国平，磨煤机入口一次风量测量数值模拟研究，热力发电 2012年第012期
论文作者:肖劲骅
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
标签：风量论文; 磨煤机论文; 气流论文; 入口论文; 风道论文; 截面论文; 测量论文; 《电力设备》2019年第16期论文;