大型锅炉四角切向燃烧器射流偏转的原因分析

大型锅炉四角切向燃烧器射流偏转的原因分析 Study of Burner Jet Deflection in the Tangentially Fired Furnace of Large Capacity Boilers (250002)山东电力研究院 肖 明 王金枝 摘 要 采用理论分析和冷态模化实验的方法,研究了大型四角切向燃烧锅炉中导致射流偏转的两个因素:射流自身的卷吸作用和 炉内横向气流的冲击作用。然后从这两个因素出发,找出影响射流偏转的参数,为改善炉内空气动力学特性,设计和改造锅炉提供了 理论依据。 关键词 射流偏转 卷吸 横向气流冲击 Abstract Theoretical analysis and isothermal model experiments were conducted to study two main factors ,the entrainment of jet and the impinging ef2 fect of rotating gas ,which led to jet deflection in the tangentiallyfiredfurnace of large capacity boilers. The results can help to improve aerodynamic field in the furnace and provide some basis for boiler design and retrofit. K ey Words Jet deflection Entrainment The impinging effect of rotating gas 中图分类号:TK233.23 文献标识码:A 文章编号:1007 - 9904(2001)04 - 0011 - 02 0 引言 大型四角切向燃烧锅炉由于其煤种适应性广, 着火条件优越,得到广泛应用。但是从四角燃烧器 喷出的射流并不总是沿其几何轴线运动,而是出现 一定程度的偏离,当偏离严重时会导致燃烧器射流 贴附或冲击炉墙,从而大大增强了炉内旋转气流的 角动量,致使在上炉膛及水平烟道中沿宽度方向存 在烟温偏差,随着锅炉容量的增大,热偏差问题越 严重。据资料介绍 1 :造成烟气偏差的关键因素为 炉膛出口仍存在较强的残余旋转,而在炉膛受热面 布置一定的情况下,从燃烧器出口喷出的射流在炉 内的旋转强度即使到达炉膛出口,衰减也不太大, 所以要想从根本上减轻炉膛出口的残余旋转角动 量,必须减轻燃烧器区射流的偏转。 1 射流偏转的原因 目前,公认的造成燃烧器射流偏转的主要因素 为 2 :燃烧器射流自身对周围气体的卷吸作用;炉 内旋转气流的冲击作用。 1.1 射流的卷吸作用是造成射流偏转的根本原因 从燃烧器喷口喷出的射流在炉内扩展的过程 中将卷吸周围烟气。对于高宽比较大的矩形喷口, 通常只考虑其长边两侧的卷吸介质,而在射流两侧 造成负压。当射流两侧的补气条件不同时,射流两 侧的负压值也就不等,造成射流两侧出现压力差。 在此压差的作用下,射流会偏离其几何轴线,偏向 压力低的一侧。 通常情况下,布置在矩形炉膛四角的燃烧器几 何轴线与两相邻炉墙的夹角总是不等的(内侧要大 于外侧 ) , 因而射流两侧卷吸气体的补气空间不等, 两侧的补气条件有差异。另一方面,对于四角切圆 燃烧锅炉,向火侧(内侧)有上游邻角气流横扫过 来,补气条件也要优于背火侧,这样就在炉内形成 了外低内高的静压分布,从而导致射流发生偏转。 射流的偏转进一步加大了射流两侧补气条件的差 异,致使射流进一步偏转,直至射流贴壁。即使对 于方形炉膛,燃烧器的几何轴线与炉膛的几何轴线 重合的情况,理论上两侧的卷吸气体的补气条件相 同,射流不会发生偏转,但是,实际上当射流一旦由 于微小扰动使射流偏向一侧炉墙,则必须会导致射 流两侧的卷吸条件不同,造成射流偏转。而实际运 行的锅炉,即使炉膛为正方形,其燃烧器通常也不 布置为对冲形式,以防止炉内流动工况不稳。 1.2 炉内旋转气流对射流的横向冲击作用 影响射流偏转的因素除了射流自身的卷吸作 用外,还有一个比较明显的原因是炉内旋转气流的 横向冲击作用。炉内横向冲击气流不仅影响射流 的补气条件,而且上邻角气流还会对射流产生一横 向推力。大量实验证明:在切向燃烧锅炉炉膛内, 当只投一个燃烧器时,射流两侧的静压差比较小, 燃烧器射流的偏转也较小;而四角燃烧器全部开启 11 山东电力技术 SHANDONGDIANLIJISHU2001年第4期(总第120期) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 时,射流的偏转便很大,如果燃烧器的结构或运行 不合理时,可能造成射流的贴壁、 冲墙。这就说明 了炉内旋转气流的横向冲击作用对射流扩展轨迹 的影响较大。在这里强调一点:炉内横向气流的推 力大小取决于炉内旋转气流的旋转强度。 2 射流偏转的理论分析与计算 2.1 射流卷吸作用引起射流偏转的理论分析与计 算 图1 一角燃烧器射流的扩展情况 图1所示一个燃烧器喷口的情况。假定射流 的卷吸只在射流的两侧进行(射流的高宽比较大, 不计高度方向的卷吸 ) , 而且射流的介质与卷吸气 体的介质相同。距喷口x处射流的卷吸质量流率 为: me=m0(0.32 x b - 1) (1 - 1) m0 射流的质量流率; 为简化计算,假定补充气流的方向平行于壁 面,补气气流的流速大小为射流卷吸气体的质量流 率与流通面积的比值。 us= me 2A 0 = hbu0(0.32 x b - 1) 2A (1 - 2) 其中:us 卷吸气流的速度 A为射流下游一侧的卷吸面积, A= x sin( -)h cos (1 - 3) 有限空间射流的扩展角= 9. 7 3 ,简化后 (1 - 2) 式可以写成: us= bu0 2x (0.32 x b - 1) 1 sin( -) (1 - 4) 根据式(1 - 4) ,由于补气条件不同而在射流两 侧产生的压差为: ps=p2-p1= - 1 2 (us22-us12) = 0u0 2 8 (0.32 - b x ) 2 1 sin 2 (1-1) - 1 sin 2 (2-2) (1 - 5) 上式说明,射流的卷吸作用对偏转的影响取决 于燃烧器的结构(高度比h b) 和燃烧器几何轴线 与相邻炉墙的夹角,角相差越大,射流两侧的 补气空间也就越悬殊,因此射流两侧的压差 P也 就越大,越容易导致射流偏转。而射流的高宽比 hb的大小直接反映了射流刚性的大小,影响了射 流的偏转情况。 2.2 炉内旋转气流横向冲击引起的射流偏转 前面的分析已经说明,射流的卷吸作用是导致 射流偏转的内在原因。实际上,单纯由射流卷吸作 用引起的射流两侧的压差值,只有在背火侧的夹角 很小时才明显;而炉内旋转气流对射流的横向撞 击作用引起的压差值要大得多。考虑到炉内横向 气流的冲击作用,射流在接触到炉墙之前的运动微 分方程为: d ds = 1 b 1v12 0v02 (1 - 6) 由上式可以看出,上邻角射流和燃烧器射流的 动量相差越大,则炉内气流横向撞击引起的射流偏 转越大,为了更进一步说明炉内旋转气流的撞击作 用对射流的影响,本文对此作了实验研究。 图2 射流受横向冲击 图2 作用时扩展情况 3 射流偏转 的实验研究 本次实验以 哈尔滨锅炉厂制 造的HG - 2008 18. 2 - Y M2四角 切向燃烧锅炉为 原型,考虑到燃 料着火后烟气体 积膨胀,对燃烧 器喷口采用热态 (下转第34页) 21 山东电力技术 2001年第4期(总第120期)SHANDONGDIANLIJISHU 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 支出 (6)内部债务款项 (7)固定资产所包含的未实现内部销售利润 (8)内部投资收益、 子公司期初未分配利润与 子公司本期利润分配和期末未分配利润 (9)调整合并盈余公积数额 在实际工作中,对上述需要调整、 抵销的项目, 集团公司通常按照已经确定的合并范围,规范设计 出部分集团内部应抵销事项的表格,比如内部往来 明细表,将对应集团合并范围内的子公司的往来款 项按不同的科目分别填表,如应收帐款、 其他应收 款、 应付帐款等所有往来款项;内部销售明细表,将 对应集团合并范围内的子公司的当前实现销售收 入、 及发生的成本分别填入表内;内部委贷及借款 明细表,将对应集团合并范围内的子公司之间发生 的委托贷款、 长短期借款以及因借款当期发生的利 息收入或利息支出分别填入表内。根据汇总的个 别会计报表及内部往来明细表等内容,分别编制调 整分录及抵销分录。 5.4 编制合并会计报表 将调整分录及抵销分录过入已编制好的汇总 会计报表,得出合并资料负债表、 合并损益表。 (收稿日期:2001 - 06 - 05) (上接第12页) 放大(Thring - Newby模化 ) , 其它部分按几何相似 原则设计,原型:模型= 40 :1。 P(Pa) (a)沿前墙距喷口距离 (b)沿侧墙距喷口距离 图3 压力沿相邻炉墙的分布图 通过冷态模化实验,测出燃烧器区的流场以及 压力分布。为了弄清炉内横向气流的撞击作用,本 文作了一组对比实验,实验中的两组工况只有开启 燃烧器喷嘴的个数不同。1工况开启一个燃烧器 喷口时,炉内旋转气流的动量几乎为零,因此只考 虑射流的卷吸作用;2工况开启四个燃烧器喷口, 此时除了射流的卷吸作用影响射流的扩展轨迹外, 炉内横向气流的横向撞击作用对此影响颇大。实 验测得的压力沿两相邻炉墙的分布如图3 : 从图3看出,1工况只开一个燃烧器喷口时,燃烧 器射流在根部两侧的压差也只有几个Pa ,而四角 全开时,由于炉内横向气流的撞击作用,导致射流 偏转的情况较一个喷口时严重,从而影响到射流两 侧的压差情况,使其达到几十个Pa。 4 结论 (1)通过理论分析和模拟实验的方法分析了射 流偏转的原因,得出了单纯考虑射流得卷吸作用时 射流两侧压差P的关系式,找出其影响因素,为 以后提出改进措施提供了理论根据。 (2)用实验验证了炉内横向气流的撞击作用对 射流偏转的影响。 参考文献 1张文宏,刘泰生等.引进型切向燃烧煤粉残余旋转的试验 研究,动力工程.1998 ,Vol.18 ,No1:34 - 37