引言在大型燃煤电厂的设计中，煤仓间多采用前煤仓或侧煤仓的布置形式。与前煤仓方案相比，侧煤仓布置方案可以减少主厂房用地、降低基建成本，侧煤仓方案的给水管道、主蒸汽管道、冷再管道、热再管道等四大管道长度均有所减少，转运站和输煤皮带长度也相应减少［1］。但是，侧煤仓方案的磨煤机布置于锅炉侧面，各磨煤机和对应的热一次风道相对于锅炉炉膛和空预器位置，呈不对称分布，使热一次风道内流动阻力和至各磨煤机的支管风量存在不均匀性，导致各层燃烧器间风量偏差。因此，需要对侧煤仓布置条件下的热一次风道流场进行数值模拟分析，优化热一次风道的布置，降低各磨煤机入口风量偏差，降低热一次风系统压损，以达到降低一次风机运行电耗、提高机组运行经济性的目的。1计算模型以某 1000 MW机组为例，该机组采用集中侧煤仓布置，锅炉采用前后墙对冲燃烧方式，机组安装2台50%容量的一次风机和6台中速磨煤机。热一次风从两台空预器出口流出后合并至母管，母管上引出6个支管至各磨煤机。各支管热一次风关断门后至磨煤机的风道布置完全相同，此次数值模拟不考虑关断门后风道和磨煤机本体对热一次风流动的影响，假设风道各支管上调节门全开，未参与调节。以该机组真实的空预器和磨煤机相对位置为基础，设计热一次风道，计算模型为2个空预器出口至6个支管关断门前范围内的热一次风道。热一次风道内空气流动的数学模型主要包括控制方程和湍流模型方程，忽略热一次风道的散热损失，对计算空间内某一微元体，无质量源项，质量守恒方程可表示为：∂ρ∂t+∇⋅ρv⃗=0 (1)热一次风道内空气可认为是不可压缩流体，其流体密度为常数，因此质量守恒方程可简化为：∇⋅ρv⃗=0 (2)对于黏性为常数的不可压缩流体，微元体动量守恒方程：∂ρv⃗∂t+∇(ρv⃗2)=-∇p+ρg+∇⋅(τ)+F (3)热一次风道内空气流动状态为湍流，采用标准k-ε湍流模型：∂(ρk)∂t+∂(ρkui)∂xi=∂∂xjμ+μtσk∂k∂xj+Gk+Gb-ρε-YM+Sk (4)∂(ρε)∂t+∂(ρεui)∂xi=∂∂xjμ+μtσk∂ε∂xj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k+Sε (5)式中：k——湍动能；ε——湍动能耗散率；C1ε、C2ε、C3ε——常系数。对风道内近壁面区域采用标准壁面方程求解；对空气的压力和速度的耦合采用Simple算法求解；压力离散化采用标准格式；对动量、湍动能和动量耗散率的离散采用二阶迎风差分格式。2热一次风道数值模拟分析与优化初始设计的热一次风道布置为方案一，母管的直径不变，两端采用封头，各支管与母管直插连接，该布置方式设计相对简单，加工制作及安装也较方便，设计施工周期短。对方案一建立计算模型，对其进行数值模拟。针对方案一母管两端流速过低、涡流现象较突出的问题，对方案一进行优化。随着母管流量的减小及时缩小管径，使母管各段流速基本相当。母管两端与支管通过弯头连接，以解决母管两端流速过低和流动阻力过大的问题。计算模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F001图1热一次风道方案一计算模型以6台磨全部投运的情况进行数值模拟计算，2台一次风机各带50%负荷，设置机组的每个空预器出口处空气流量为87.59 m3/s，压力为12.2 kPa。热一次风道内空气流线图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F002图2热一次风道内空气流线图方案一母管的管径不变，但是空气流量由中部向两端逐渐减小，导致母管内空气流速由中部向两端降低，至母管两端堵头附近，形成低流速区，风道流动阻力增大。方案一热一次风系统总阻力为550 Pa。通过对比方案一可以看出，管径渐缩的母管内空气流动较流畅，除空预器出口处方方节外，空气流速分布均匀。由于管径渐缩母管的两段采用弯头连接支管，降低了两端支管的流动阻力，方案二热一次风系统总阻力为533 Pa，比方案一降低了3%。方案二也小幅节省了制作耗材，但是母管设计和施工的工作量相对较大。方案二的热一次风道各支管出口流量占总热风量的比例分布如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F003图3方案二热一次风道各支管出口流量所占比例热一次风道支管的流量分布不均匀，两端支管1和6与母管采用弯头连接，阻力小，其流量占比最大，中间4个支管与母管采用直插连接，局部流动阻力较大，流量相对较小。在理想情况下，各支管流量均等，占比分别为16.67%。方案二最大和最小流量支管的流量占比与理想情况对比，偏差分别为+5.55%和-3.70%。各支管流量的方差的计算为：S2=∑i=1nQi-Q¯2n (6)式中：Qi——各支管流（m3/s）；Q¯——各支管平均流量（m3/s）；n——支管数量。这一参数可定量衡量各支管流量的均匀程度。方案二各支管流量的方差为55.93。因此，在热一次风道调节门全开时，热一次风道各支管的风量分布并不均匀。中间4个支管与主管采用直插连接，空气须急转90° 从母管进入支管，局部流动阻力较大，流动不畅，流量较小。在方案二基础上提出优化方案三，在中间4个支管加45° 弯头与母管连接，以进一步降低流动压降并提高各支管风量均匀性。可进一步优化方案三，适当增大3和4支管的流动阻力，将3和4支管与母管的连接弯头由45°弯头改为30°弯头。提出方案四，即从中间向两端，母管管径随风量减小而逐渐减小，6个支管分别采用30°、45°和90°弯头与母管连接。各支管采用不同角度弯头连接，使中间支管与母管连接处的局部阻力较大，远端支管与母管连接处的局部阻力较小，这样各支管的总阻力相近，可使热一次风道各支管空气流量分布均匀。优化后的热一次风道计算模型如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F004图4优化后的热一次风道计算模型方案三、方案四的热一次风道内空气的流线图如图5所示，母管和各支管中间横截面上空气流速分布如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F005图5热一次风道内空气流线图10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F006图6热一次风道内空气流速分布中间4个支管的空气流动明显更加顺畅，支管内流速提高，两端支管内空气流量降低。3和4支管距离母管中部入口较近，采用45°弯头连接时，大量空气直接进入3和4支管。各支管的流量分布占比如图7所示。由图7可知，3和4支管流量所占比例由原设计方案的占比最小变成了占比最大，分别为17.48%和21.49%，显著大于其他4个支管的流量。方案三最大和最小流量支管的流量占比与理想化情况对比，偏差分别为+4.82%和-2.22%。方案三各支管流量的方差为20.79，比方案二降低了62.83%，各支管流量分配比方案二更加均匀。方案三优化了热一次风道支管与母管的连接方式，热一次风系统总阻力降低至422 Pa，比方案二降低了20.8%，可有效降低一次风机出力，节省运行厂用电。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F007图7优化后热一次风道各支管出口流量分布占比6个支管的流量分布较均匀，1号支管流量最大，5号支管最小。方案四与理想化情况对比，最大和最小流量支管的流量占比偏差分别为+2.11%和-1.71%，最大流量与最小流量之差只有3.82%。方案四各支管流量的方差为5.71，比方案二降低了89.8%，比方案三降低了72.5%。方案四增大了3和4支管的局部阻力，热一次风道系统总阻力为428 Pa，只比方案三增加1.4%，比方案二降低了19.7%。4种方案中，方案三总阻力最小，方案四总阻力较小，各支管流量分配最均匀。综合考虑，方案四为最优方案。以方案四的设计为例，对机组负荷改变时，热一次风道流场的均匀性进行分析。3机组变工况运行时热一次风道流场分析当机组负荷改变时，需要改变投运的燃烧器和磨煤机数量，对应的一次热风量也随之变化。锅炉采用前后墙对冲方式燃烧，前后墙各有3层燃烧器，锅炉厂给出了各负荷下推荐使用的燃烧器。在燃用设计煤种时，各负荷下热一次风道相关运行参数总结如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.T001表1各负荷工况下热一次风道运行参数项目THA75%THA50%THA40%THA空预器出口风量（单个）/（m3/s）87.5969.0649.6940.76磨煤机投运数量/台5432磨煤机备用数量/台1234锅炉厂推荐使用燃烧器对应的磨煤机编号1、2、4、5、61、2、5、61、5、62、5在THA工况下，磨煤机5台运行，1台备用，停用不同的磨煤机时，方案四各支管空气流量占比如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F008图8方案四各支管空气流量占比6种不同的停运方案下，各支管流量相差较小，且都较均匀。由于6个支管相对于母管的位置不同，停运时对其他支管的均匀性影响也略有不同。当停运母管中部的3号磨煤机时，其他支管最大和最小流量的占比相差最大，为5.10%，各支管流量的方差为8.94。而停运两端的1号磨煤机时，其他支管最大和最小流量的占比相差最小，为2.91%，各支管流量的方差为2.88。停运其他磨煤机时，各支管流量的方差在5.97~7.87之间，与6台磨煤机全部运行时接近。不同工况下优化后热一次风道各支管出口流量所占比例如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.010.F009图9不同工况下优化后热一次风道各支管出口流量所占比例在其他低负荷工况下，需分别停运2~4台磨煤机，可能出现的情况较多，本文仅计算了使用锅炉厂推荐的燃烧器时，不同工况下方案四热一次风道的流动情况。各低负荷工况下，各支管流量相差较小，对于75%、50%和40%THA工况下，支管流量的方差分别为4.12、5.28和0.35。因此，在各种工况下，优化后的热一次风管道内空气流动顺畅，各支管流量均匀。4结语对侧煤仓布置条件下的热一次风道建立模型并进行了数值计算。针对常规布置方案存在系统总阻力较大和各支管流量不均匀的缺点，对热一次风道母管提出了优化方案。通过对比分析，热一次风道采用母管管径逐渐减小，各支管根据位置不同，采用不同角度弯头与母管连接的形式，可有效降低系统总阻力，改善风道内流场，各支管的流量分布均匀。对优化后的热一次风道在不同负荷工况下的流动状态进行数值计算，结果表明，各种工况下，各支管的流量都较均匀。优化后的热一次风道母管可有效降低机组运行电耗，提升机组稳定性。