300MW四角切圆锅炉二次风风箱结构优化数值模拟.pdf

300MW 四角切圆锅炉二次风风箱 结构优化数值模拟 张立栋 李伟伟 陈正华 周 阳 王金柱 于婷俐 姜 波 （ 东北电力大学，吉林 吉林 ； 华能巢湖发电有限责任公司，安徽 巢湖 ； 中国化工建设公司第十一公司，合肥 ； 国电双鸭山发电有限公司，黑龙江 双鸭山 ； 吉林鼎基电力设备工程有限公司，吉林 吉林 ） 摘 要 采用计算流体力学软件对某 四角切圆锅炉机组二次风风箱流场进行分析，以湍动能 和出口速度分布均匀性为指标对风箱结构进行数值研究。 结果表明：设置有组合导叶、风箱倒角和蜂窝 器的方案有助于减少湍流，增加二次风刚性，保证切圆直径处于中心位置。 改进后的结构出口速度均匀 性为原设计的 倍，切圆直径与理论值相近。 关键词 四角切圆锅炉 风箱 结构优化 数值模拟 中图分类号 文献标识码 文章编号 - （）- - 目前，我国电力工业中采用四角切圆燃烧方 式的大容量电站锅炉仍占有较大比例，但四角切 圆燃烧炉膛的二次风风箱等由于锅炉布置等原 因，从总风管至各个二次风风箱均采用直角管 道 ， ，致使二次风风速与实际测量出现偏差，同 时出现二次风风速加大不均匀及流量分配不均匀 等现象。 研究人员对炉内空气动力场的研究很 多，如改变二次风入炉的速度、二次风率或是改进 其入炉位置等。 王志强等研究了二次风水平摆角 对煤粉锅炉在运行时由于燃烧的煤质多变影响锅 炉燃烧的稳定性和 x排放的问题 。 一般在 风箱处只设置一片或两片整体式转向导叶 ， 加上风箱内部的传动机构，使实际二次风出口速 度分布出现偏差，湍流过大，导致切圆时发生切圆 直径过大及结渣等问题影响实际燃烧工况。 赵振 宙等提出将二次风与一次风的喷嘴放置在一起形 成局部二次风，用来提高风煤混合物入炉刚性，更 好地组织起切圆燃烧，避免燃烧切圆中心偏离炉 膛中心，进而避免锅炉结焦及结渣等现象 。 锅炉的烟风系统风箱与空气动力学中的风洞 有较多的相似之处，在直角弯处加装导流板可以 减少一定的损失。 因此笔者根据低速风洞相关设 计原理 ，对二次风风箱与炉膛入口之间的转弯 部分进行研究，通过改变几何结构，达到增加二次 风入炉刚性及减少燃烧切圆偏心等问题，可为解 决炉膛燃烧结渣、减少二次风入炉速度偏差、提高 锅炉燃烧的稳定性提供借鉴。 1 初始结构模拟 在有弯曲的圆形或方形管道的工程应用中都 存在严重的积灰和磨损问题，解振华和周艳荣在 方截面弯管内加装导流板使管道内流场均 匀 。 导流板在工程上使用较多，如张新育等采 用计算流体力学的方法对矩形和方截面弯管内加 装导流板进行数值模拟，发现加装后形成了湍流 二次流，并沿着运动方向增大 ；在电厂的脱硫、 脱硝及除尘等设备中也加装了导流板来增加气流 的均匀性 。 燃煤电站布置紧凑，二次风进入斜向弯道再 经过直角弯道和喷嘴，最后进入炉膛，笔者以某厂 机组二次风风箱和喷嘴为研究对象，计算 网格如图 所示。 采用计算流体力学软件 对带导流板二次风弯道原设计进行了计算模拟， 风箱尺寸为：高 ，宽，长 。 网格采用非结构化四面体，边界条件为速度入口 和压力出口。 模型采用 k- 标准模型，二阶精度， 算法。 化 工 自 动 化 及 仪 表 第 卷 收稿日期：- - 基金项目：吉林省科技发展计划项目（）；吉林 市科技发展计划项目（） 图 原设计网格 按设计速度 作为入口速度，截取中间 截面，从原设计速度分布图（图）上可以看出，流 场内死区（速度较低）较多，从出口速度分布上可 以看出，在整个喷嘴出口两侧速度差较大， 侧大 于 侧约 。 图 原设计截面速度分布 原设计的风箱结构出口射流特性，从湍流和 速度分布上较差，易造成射流偏斜切圆直径过大， 且射流衰减过快，降低低负荷燃烧稳定性，同时可 能造成水冷壁结渣等。 2 改进方案与评价指标 2 1 改进方案 针对以上问题，减少风箱中的速度死区，对风 箱结构进行改进，改进后的风箱结构如图 所示。 图 改进后的风箱结构 ， 导叶； 蜂窝器 方案一。 使用组合导叶均匀流速分布（图 中的导叶 ），对箱体结构进行修整，在直角弯 区域切倒角减少死区，减少阻力。 方案二。 在方案一的基础上根据空气动力学 原理在局部（导叶出口位置，同时是湍流强度较 大的区域）加装蜂窝器，蜂窝器为蜂窝状的方形、 六边形或其他形状的直线通道，主要作用是将流 体切割为小部分，加速湍流的衰减，兼顾导直流 体。 本模型采用厚度为 、高度为 、宽 度为 、长度为 、边长为 的正 方形蜂窝器用以减少湍流。 采用 软件建立并划分网格，整个区 域分为 个区域分别进行网格划分，从入口到导 叶出口、蜂窝器和喷嘴部分。 网格采用非结构化 四面体网格，蜂窝器区域网格加密，整体网格数目 万。 边界条件、湍流及计算精度等条件与原设计 仿真条件保持一致。 实际运行的负荷不是固定不 变的，根据负荷变化，二次风的风量也不同，故设 置如下工况进行计算分析： 工况 入口速度 工况 入口速度 工况 入口速度 工况 入口速度 2 2 评价指标 2 2 1 出口湍流度 秦裕琨等对四角切圆燃烧流场中水平浓淡风 煤粉燃烧器的侧二次风与一次风动量比和射流的 刚性、湍流特性进行了较详细的研究，湍流强度较 大时射流进入炉内初期（喷口附近）混合较好，但 是后期衰减较快，导致无法维持理想的切圆状 态 。 同时，俞辉等也通过数值模拟得出，四角 切圆锅炉的射流刚性对气流影响较大，刚性强的 切圆不易偏斜，刚性差的易偏斜 。 2 2 2 速度均匀性 在研究出口速度分布时，基于面积加权平均 速度的均匀性可以较好地反映速度的分布均匀程 度 ，即在出口面上设置若干个数据采集点，通 过测量各个采集点的速度值，通过加权平均数形 式，反映整个截面上速度分布的均匀性。 其计算 公式为： n n j （Vj珔V） 珔 V （） 式中 珔V 整个出口的平均速度， ； 第 期 张立栋等 四角切圆锅炉二次风风箱结构优化数值模拟 Vj 采集元面的平均速度， ； 面积加权速度均匀性，。 二次风喷嘴约为长、宽 的矩形 出口，以长为 、宽 的小矩形为采集 元面，共设置 个。 3 数值计算与结果分析 3 1 湍动能分析 由方案一在工况 下的中间截面湍动能分布 图（图）上可以看出，在整个流场内大部分区域 湍动能较低，、 两片组合式导叶几乎不对湍动 能增加起作用，但为了保证出口速度的均匀性， 侧直角弯由于流体流经时在箱体直角弯流向变化 速度大于 侧直角弯部分，流体间碰撞和流体与 导叶 及壁面碰撞较多导致湍动能急剧增大。 图 方案一工况 下中间截面湍动能图 在箱体出口区域进入喷嘴之前的部分靠近 侧， 号导叶后部流场布置蜂窝器，同样工况 下，方案二（图）相比方案一，湍动能在蜂窝器出 口位置减小至 以下，对其他区域产生影 响较小，总体上添加蜂窝器对减少湍流强度效果 明显。 图 方案二工况 下中间截面湍动能图 从表 中可以看出各方案湍动能随入口速度 增加而增加，原设计湍动能增大速度明显大于方 案一和方案二。 在 个工况下，方案二喷嘴出口 湍动能皆低于原设计和方案一，方案二 个工况 下出口湍动能与方案一相比平均减少 ，与 原设计相比出口平均减少 ，添加蜂窝器能 够在对整体流场改动较小的情况下，明显降低湍 动能，有效降低二次风射流衰减率。 表 出口湍动能比较 工况原设计方案一方案二 wx 抖 趑 wx 抖 趑 wx 抖 趑 w寣 适 趑 3 2 速度均匀性 两个方案同原设计在不同工况下的出口速度 均匀性计算值见表 。 表 出口速度均匀性 工况原设计方案一方案二 w寣 揶 wx 揶 w寣 揶 w寣 揶 从表 可以看出，方案一和方案二喷嘴出口 速度的均匀性均明显高于原设计，总体上速度均 匀性随入口速度变化改变较小，结构因素较强，平 均速度均匀性方案二为 ， 方案一为 ，原设计为 。 以工况 为例，方案一在中间截面的速度分 布如图 所示，同时由于导角和组合式导叶的作 用，喷嘴部分 、 两侧速度差明显减小，在整个风 箱的流场中流动死区也明显减少。 图 方案二工况 下中间截面速度分布 从湍动能和速度均匀性上，方案二综合优于 方案一和原设计，采用方案二可使二次风射流效 果大幅改善。 化 工 自 动 化 及 仪 表 第 卷 3 3 炉内空气动力场数值分析 利用 软件，在原设计和优化之后的方 案两个出口参数分布的基础上，进行入炉切圆模 拟计算，锅炉结构为：高 、宽 、 深 ，二次风切圆理论直径 。 根据以上风箱计算结果设置入口湍流强度， 一次风速度为 ，而优化设计则因为速度分 布均匀可近似采用理想的入口，速度均等，两种方 式的二次风总量比为 。 边界条件采用速度入 口，炉膛出口采用压力出口，湍流模型采用 - k- 方程，都截取 层二次风喷嘴中间位置 截面，与炉膛上部 处的截面。 在原始设计的二次风风箱结构下运行时，射 流偏向壁面，切圆直径比较大，约为 ，水冷壁附近区域速度较快，无明显其 他旋流现象，此时，炉膛出口烟气残余旋转较大， 易引起过热器较大热偏差，中间区域温度降低， x排放减少，水冷壁附近易发生结渣及出口烟 温过高等现象。 从两个截面的速度分布（图 ）对比可以得 出，二次风出口速度分布和湍动能大小对炉内空 气动力场有明显影响。 在 层二次风喷口中间 截面，原设计由于出口速度分布均匀性较低，湍流 较大，速度衰减快，射流刚性低，切圆中心偏斜且 切圆现象不明显，切圆呈椭圆状，直径较大且与理 论切圆直径相差 ，同时在前后墙 区域二次风冲刷水冷壁现象明显。 方案二切圆中 心无明显偏斜，直径接近理论切圆直径，与理论切 圆直径相差 。 在上部截面位置，原设计 炉膛中心区域速度较高，烟气残余旋转的动量较 大，衰减较慢，易引起过热器热偏差。 方案二中心 区域速度较低，水冷壁区域速度较高，残余旋转动 量衰减快，不易引起热偏差。 图 炉内切圆对比 原设计残余旋转大于方案二，烟气在流过垂 直悬吊的过热器时，同一排管束上下烟气流速差 值较大，不利于控制炉膛内热偏差，不能有效地防 止炉膛上部和水平烟道过热器磨损。 原设计方案 出口的速度矢量偏斜程度大于方案二，长期运行 时过热器磨损较严重。 4 结论 4 1 组合导叶和风箱倒角有利于减少风箱中的 速度死区，进而减少速度损失。 4 2 局部加装蜂窝器可以增加出口速度均匀性， 降低湍动能。 本蜂窝器结构的模拟结果其出口速 度均匀性为原设计的 倍，湍动能为原设计的 。 4 3 改进后的风箱结构可使二次风入炉速度衰 减小，二次风射流刚度高，切圆直径接近理论值， 与理论值相差在 以内。 参考文献 范庆伟，张帆，刘定坡，等 锅炉二次风箱流量分配 特性数值模拟 热力发电，（）： 徐伟俊 锅炉两段式低 x燃烧技术下分离燃尽风 风道优化研究 发电设备，（）： 王志强，孙绍增，张晓辉，等 中二次风水平摆角对 炉内流场的影响 机械工程学报，（）： 郭育兵 火焰锅炉二次风风箱结构改造分析 科技情报开发与经济，（）： 张清懿 锅炉管道三通的建模分析及评价 化工 机械，（）： ， 王立杰，冯毅，张文健 保温层对废热锅炉温度及温 差应力影响的有限元分析 化工机械， （）： ， 赵振宙，杨亚平，赵振宁 局部分二次风对切圆燃烧 结焦性的改善 华北电力技术，（）： 代燚，陈作刚，马宁，等 低速风洞内部流场数值模 拟 空气动力学学报，（）： ， 解振华，周艳荣 方截面弯管内加装导流板的优 化研究 应用基础与工程科学学报， （）： 张新育，沈珞婵，樊建人，等 方截面弯管加导流板 时湍流二次流数值模拟 浙江大学学报（自然 科学版），（）： 第 期 张立栋等 四角切圆锅炉二次风风箱结构优化数值模拟 张立栋，王坤玉，薛长智，等 袋式除尘器内流量不 均匀性的数值研究 电站系统工程， （）： 秦裕琨，张泽，吴少华，等 切圆燃烧流场中水平浓 淡风煤粉燃烧器射流特性试验研究 中国电机 工程学报，（）： 俞辉，王潜，冷杰 锅炉冷态空气动力场数 值模拟研究 东北电力技术，（）： 陶红歌，陈焕新，谢军龙，等 基于面积加权平均速 度和质量加权平均速度的流体流动均匀性指标探 讨 化工学报，（）： Numerical Simulation of Optimized Structure of Secondary Air Bellows in 300MW Corner Tangential Fired Boiler - ， - ， - ， ， - ， - ， （ School of Energy and Power Engineering， Northeast Dianli University， Jilin ， China； Huaneng Chaohu Power Generation Co ， Ltd ， Chaohu ， China； CNCCC the th Construction Co ， Ltd ， Hefei ，China； Guodian Shuangyashan Power Co ， Ltd ， Shuangyashan ， China； Jilin Dingji Power Equipment Engineering Company Limited， Jilin ， China） Abstract ， - - ， ， - Key words ， ， ， （上接第 页） ， ， ， - - - - - ，（）：