（制冷及低温工程专业论文）煤粉锅炉二次风系统流量特性研究.pdf

硕论文 煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 摘要 我国电站锅炉大多数是采用煤粉燃烧的方式发电，二次风的配风调节影响着煤粉 着火和燃尽过程，而这又直接关系到锅炉运行的经济性和可靠性。目前国内绝大多数 发电厂锅炉二次风道内的配风情况缺乏合理的调节和监测手段，很难确切知道锅炉配 风状况是否合理，为了进一步提高锅炉燃烧效率，有必要发展一种合理分配二次风的 流量调节手段。 本文针对二次风系统多支管、短通道、阀门调节风量的结构特性，首先以电站锅 炉为原型建立了二次风系统模化实验台；其次，采用三维数值模拟的方法，对二次风 流量分配特性的影响因素进行了研究。对应于二次风系统的结构特性，本文模拟了9 0 0 直角弯道、空风道( 不装阀门) 及阀门开度变化的各个工况下的流场，并进行了详细 的分析。通过数值模拟建立起风门开度组合与流量分配的对应关系表，以便于负荷变 化时根据对应关系表来调整风门开度，在模拟过程中不但得到整个系统的流场分布， 而且得到在结构特性变化的情况下各风道出口的流速分布和流量系数，并优选出了几 组流量均匀分配的风门开度组合。 最后，本文搭建了二次风系统的实验装置，进行冷态模化实验研究。在实验系统 进入自模化区后，采用热示踪的方法研究了流量均匀分配的典型工况和风门全开时的 工况，并进行了细化调整，在验证模拟结果可行性的同时进一步优化风门开度组合。 通过这种方法，能够优选出流量均匀分配的风门开度组合工况，对二次风流量精细化 分配具有指导意义。 关键词：二次风系统，流量分配特性，热示踪，数值模拟，冷态模化实验 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t m o s to ft h eb o i l e r sg e n e r a t ee l e c t r i c i t yb yb u r n i n gp u l v e r i z e dc o a li nt h et h e r m a lp o w e r p l a n t s t h ea d j u s t m e n to ft h es e c o n d a r ya i ri si m p o r t a n td u r i n gt h eb u r n i n gp r o c e s so ft h e b o i l e r , w h i c hi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee c o n o m ya n dr e l i a b i l i t yo ft h eb o i l e r a tp r e s e n t ，t h ea i r d i s t r i b u t i o no fm o s tt h e r m a lp o w e rp l a n tb o i l e r s s e c o n d a r ya i rl a c ko far e a s o n a b l em e a n so f r e g u l a t i n ga n dm o n i t o r i n g t h e r e f o r e ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt ok n o we x a c t l yi ft h e 、加n ds i t u a t i o n i sr e a s o n a b l ei nt h eb o i l e r i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo ft h eb o i l e r , i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o par e g u l a t i n gm e a s u r e st od i s t r i b u t et h es e c o n d a r ya i rr e a s o n a b l y o nt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs e c o n d a r ya i rs y s t e m ：m a n ye m b r a n c h m e n t ，s h o r t t u b ea n dv a l v ea d j u s t m e n t ，t h i st h e s i st e n d st ob u i l das e c o n d a r ya i r s y s t e mm o d e l i n g t e s t b e do ft h et h e r m a lp o w e rp l a n tb o i l e rt ot h ep r o p o r t i o no f1 ：1f i r s t l y a n dt h e nw i t ht h e m e t h o do ft h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l m i o n ，t h e a u t h o rt e n d st o s t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o no fs e c o n d a r ya i r t h ea u t h o rs t i m u l a t e st h ef l o w d i s t r i b u t i o n so fr i g h ta n g l er e c t a n g l ed u c t ，e m p t yd u c ta n dt h es y s t e m s 、i t hd i f f e r e n tv a l v e a n g l ec o n d i t i o n so ft h es e c o n d a r y a i rs y s t e m a n da l lt h es i m u l m i o nr e s u l t sa l ea n a l y z e d t h e a u t h o ri n t e n d st oe s t a b l i s hat a b l eo ft h ec o m b i n a t i o no f t h r o t t l eo p e n i n gd e g r e ea n dt h ef l o w d i s t r i b u t i o nt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l m i o n t h i st a b l ei su s e dt oa d j u s tt h eo p e n i n gd e g r e e o ft h et h r o t t l ea c c o r d i n gt h el o a d t h ea u t h o rc a ng a i nn o to n l yt h ef l o wd i s t r i b u t i o no ft h e w h o l es y s t e mb u ta l s ot h ef l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n df l o wc o e f f i c i e n to f e v e r ya i rd u c t e x i tw h e nt h es t r u c t u r ei sc h a n g e dd u r i n gt h es t i m u l a t i n gp r o c e s s a n ds e v e r a lc o m b i n a t i o n s o fo p e n i n gd e g r e eo ft h et h r o t t l ei nw h i c ht h ef l o wi sw e l l d i s t r i b u t e da r ec h o s e n f i n a l l y , t h ea u t h o re s t a b l i s h e sat e s td e v i c eo fs e c o n d a r ya i ra n dd o e st h en o r m a l t e m p e r a t u r es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h s i n c et h em o d e le n t e r si n t ot h em o d e l i n ga r e a , t h ea u t h o rs t u d i e st h et y p i c a lc o n d i t i o n so fw e l l d i s t r i b u t e df l o wa n dw i d e o p e n i n go ft h e t h r o t t l et h r o u g ht h em e t h o do ft h e r m a lt r a c e ra n d e x p a t i a t e so nt h e ma n da d j u s t st h e m t h e a u t h o rt e s t st h ef e a s i b i l i t yo ft h es t i m u l a t i n gr e s u l t sa n da tt h es a m et i m eh eo p t i m i z e st h e c o m b i n a t i o no ft h eo p e n i n gd e g r e eo ft h et h r o t t l e b y t h i sw a y , c o m b i n a t i o n so fo p e n i n g d e g r e eo ft h et h r o t t l ei nw h i c ht h ef l o wi sw e l l - d i s t r i b u t e da r ec h o s e n ，w h i c hh a sp r o f o u n d g u i d i n gs i g n i f i c a n c et oc a r e f u lt h ed i s t r i b u t i o no fs e c o n d a r ya i rs y s t e m k e y w o r d s ：s e c o n d a r ya i rs y s t e m ，c h a r a c t e r i s t i c so ff l o wd i s t r i b u t i o n ，t h e r m a lt r a c e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n o r m a lt e m p e r a t u r es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t h 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：壑塾堕圳年乡月名日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：查塾塑 渺7 年多月形日 硕士论文煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 1 绪论 1 1 选题背景与科学意义 我国是以燃煤为主的国家【l 】，煤炭在一次能源中的比重约为7 0 左右，以煤为主的 能源结构还将维持相当长的一段时期。我国共有5 0 多万台1 2 0 多万吨的电站锅炉，其中 8 5 燃煤，年消耗原煤占全国煤年产量的1 3 ，煤在燃烧过程中产生大量的灰渣、s 0 2 、 n o x 污染物，严重污染生态环境。在我国锅炉设计效率一般为7 2 8 0 ，平均运行效率 约6 0 - - - 6 5 ，比国外先进水平低1 5 2 0 个百分点。而在煤粉锅炉风系统中，二次风是单 独送入炉膛的空气，各个二次风道的空气流量及流量分配状况直接影响到炉膛内的空 气动力场和温度场。为了满足着火、火焰稳定、负荷调节、过热气温调节、防止结焦 结渣、控$ i j n 0 。生成率、燃烧效率优化等运行要求，必须合理地配置各个二次风通道的 流量，使煤粉在燃烧过程中燃尽，以提高锅炉效率。 在煤粉锅炉运行中【2 捌，各个二次风通道保持适当的风速及风率，是建立正常的炉 内空气动力场和实现稳定燃烧的必要条件。由于二次风具有相对较高的风速并占有较 大风率，因此二次风对炉内的空气动力场和温度场的影响很大。如果二次风失衡或失 稳，就可能诱发炉膛结渣、燃烧效率下降、着火不稳等一系列不正常工况。通常，二 次风失衡是指同层二次风的风量不能保持均衡，而二次风失稳是指某二次风通道在给 定风门开度时发生的风量脉动，这两种工况都与二次风道的结构直接相关。因此，深 入研究二次风系统的结构对流量特性的影响，将有利于改善煤粉锅炉的燃烧过程，提 高锅炉效率。 1 2 二次风系统研究进展综述 煤粉炉是以煤粉为燃料的锅炉设型1 0 - 1 1 1 ，它具有燃烧迅速、完全，容量大，效率 高，适应煤种光，便于控制调节等优点。其燃烧特点是燃料随空气一起进入燃烧室， 并在悬浮状态下燃烧。目前，国内电站煤粉锅炉使用较多的是四角布置燃烧器，它的 特点是燃烧器出口气流的几何轴线切于炉膛中心的假想圆，当四股气流同时喷入炉膛 后，上游气流撞击下游气流，形成围绕炉膛中心轴线强烈旋转的旋涡。在锅炉的热态 运行中，从一个角喷出的煤粉气流受到上游邻角冲刷过来的正在剧烈燃烧的高温火焰 的加热，达到着火温度而着火。四个角喷出的煤粉气流相互点燃，着火稳定性相对较 好。与之对应的二次风系统中，热风是由二次风总管分配到炉膛各角的二次风箱，再 在四角二次风大风箱内分组，然后分别分配到各层二次风水平支管，经过在管段中安 装的二次风门，在煤粉气流着火后，进入炉膛内。从某个二次风道来看，其入口是二 1 绪论 硕士论文 次风箱，出口为炉膛，风道上还设置有风门( 通常为翻板阀) 以调节该风道的风量。从入 口条件来看，热风从二次风总管通过连接风道分配到某个二次风箱，再分配到某个二 次风道，需要经历若干个弯头( 甚至有可能是空间弯头) 和两次并联风道的分配过程， 这使得二次风道的气流入1 ：3 条件复杂。大容量煤粉锅炉的二次风道口径很大，按相对 长度属于短风道，且里面还装有二次风门。二次风的这种送风流动特性是一个看似简 单实则相当特殊的复杂问题，虽然这种短通道歧管送风结构应用很广，但多年来一直 缺乏对其流场特性的认识。从研究的方法来看，对于二次风的研究包括两个方面：一 方面是二次风的测量，包括冷态测量及热态在线监测；另一方面是对二次风系统建立 数学计算模型及数值模拟。 1 2 1 二次风的监测 1 2 1 1 传统二次风监测手段 按照测量原理，常规工业流量测量装置通常分为三类：容积型流量计、速度型流 量计和质量型流量计。容积型流量计由于阻力太大，不适宜于二次风的流量测量；燃 烧设备中，二次风口的数量很多，质量流量计( 比如哥氏流量计) 由于价格昂贵，也 无法大规模应用。因此常规的流量装置中，就只有速度型测量元件有可能用于二次风 的流量测量，传统的二次风的监测基本上都是采用速度型测量元件。传统的监测手段 主要有两种l 1 2 - 1 3 ： ( 1 ) 依据安装于每个燃烧器二次风支管及风箱上的静压测点指示，调平各层风速 其测量原理是利用流体力学的伯努利方程，即假设在全压相等的前提下，动压等 于全压减静压，通过测量静压来比对动压。该方法的优点是系统简单、直观。采用此 方法的前提流场处于稳定段，但是在二次风管道中流场处于稳定段这个重要的条件很 难满足，因为二次风支管的静压测点的上、下游都保证足够长的直管段几乎是不可能 的，现场的静压测点甚至会位于涡流区。 ( 2 ) 通过对各风门进行冷、热态的风门特性试验，依据风门开度的大小来实现二 次风的调整 该方法的前提是要求风门开度指示与挡板的实际位置建立起一一对应的关系。但 是由于使用年限和炉本体膨胀的影响( 热态膨胀量很大) ，易使二次风门特性改变， 使一些二次风门的实际开度与远方指示不一致。 为解决这个问题，文献【1 4 】在每个二次风门的侧面风箱上开一个环行开口，用焊接 在环开口上的一个环形倒“凸形的装置固定云母片，并同时加装一个标有开度的环 状牌。在挡板的可见部分的中心，焊接一个指针，与执行器连接前，进行二次风门挡 板特性试验，找出挡板与喷口风速的关系，并用二次风门挡板特性曲线建立燃烧运行 卡。但是由于风门控制系统的结构特点及执行机构、挡板所处的环境恶劣，风道内挡 2 硕士论文煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 板的实际开度往往与执行器开度指示相脱节，风门特性经常变化，加之运行中，风门 的检查、维修工作困难难以保证这种一一对应的关系。 对于锅炉燃烧系统中多支管、高流速、有一定含尘量、测量所需直管段短的各个 二次风分支管道中的风速测量，到目前为止，还没有比较好的解决方案。现场常规应 用在二次风喷e 1 风速的监测方法有【1 5 】： 1 ) 静压测量方法 依据安装于每个燃烧器二次风支管及风箱上的静压测点指示，调平各层风速其测 量原理是利用简化后的流体力学能量守恒方程式( 伯努利方程) ， p 全压= pm m + p 静压 即假设在位置势能不变，全压相等的前提下，动压等于全压减静压，通过测量静 压来比对动压。如果通过节流阀门，把管道中的静压力调整到相等状况，则说明管道 中的流动介质的动压力相等，在截面面积相同的情况下，流速保持一样。 该方法的优点是系统简单、直观。存在的问题是： 由于二次风系统结构上的差异，风箱到各个喷口的烟风阻力不相等，而且随炉 型增大，差异变大。 在二次风管道中，由于存在调节挡板、变径等结构因素的影响，流场的稳定性 相当差，存在二次流，在不采取一定有效措施的前提下，准确测量静压值是很困难的。 即使能够测量到准确的静压，由于系统中各个管道的阻力无法得到较好的补偿， 只能实现定性测量，无法实现与设计风速值的定量比对。即只能知道风速相等，但无 法知道风速的大小。 2 ) 风门特性测量方法 依据风门开度的大小来进行锅炉各个二次风喷口风速的调整。该方法的优点同样 是简单、直观，无需其它附属设备。但该方法有效使用的前提是风门开度指示与挡板 的实际位置必须建立起一一对应的关系。 首先，由于风门控制系统结构特点，决定了风门开度只是反映执行器的开度，而 不是风门挡板的开度。风门控制系统是由风门挡板，执行机构，集控室操作开关和开 度指示组成，见图1 1 。其中，阀门开度指示的信号来源于执行机构，是在保证执行机 构的动作与阀门开度一一对应的前提下，通过反映执行机构的位置来表示风门的开度 的。 图1 1 风门挡板开度控制结构 3 l 绪论 硕士论文 由于风门控制系统结构特点及执行机构、挡板所处的环境恶劣，在运行中，风门 的检查、维修工作困难，风道内挡板的实际开度情况难以了解。加之一些电厂的正常 运行维护和检修不完善，难以实现上述执行机构的动作与阀门开度一一对应的要求。 现场的实际情况是，由于风道变形，风门卡涩转动不灵，执行机构动作不到位等 原因，使得表盘指示常常与就地实际开度不符。运行人员能看到仪表盘的开度指示只 是执行器的开度，而不是实际风门挡板的开度，因此，也不能得到较为正确的信号指 导运行，这样就会很容易在炉内形成不良的燃烧工况。 另外一种测量是在风门前后差压维持一定的前提下，通过现场标定试验，确定流 量与风门开度存在的线性关系来实现的。但是，由于各个风门的特性不一致，而且， 每一个风门的速度修正系数随风门开度的变化发生变化。在现场标定过程中，一般采 用的方法是：选定需要标定的某个支管的阀门，将其他支管的阀门都调节在一个固定 开度，将需标定的阀门的开度在肌l 之间选取几个典型开度，现场测量出对应的出口 流量。采用这种方法，可以得到一个阀门的变化曲线，但是由于二次风系统从二次风 箱分出多个支管通道，各通道之间的耦合关系非常强烈，而且在实际锅炉运行中，为 了燃烧的稳定和充分，各个支管要求的流量并不相同，阀门处于各种开度下，因此， 仅仅得出固定开度状态下某个支管中阀门开度的对应关系是不够的。而假若对所有工 况全部标定的话，需要的测量工作量庞大。我们希望发展一种方法，能根据在某些典 型开度关系下的标定的数据，计算出当各个阀门处于不同的开度时，各个支管出口的 流量分配系数( 下文中简称流量系数，流量系数定义为支管流量与主管总流量的比 值。) ，从而能直接得到各支管出口的流量。 3 ) 常规气体速度测量技术 气体速度测量方法中使用最早和应用最广的是气力式测速装置，如毕托管、全靠 背管、匀速管等。下面就常见的几种气体速度测量方法的测量原理、测量装置的适用 范围、基本测量条件等分别进行分析。 毕托管速度测量 由于毕托管的构造，只能测量流体中某一点的流速，不代表流体的平均流速。只 有当流动达到典型的层流或紊流流速分布状况时，测出中心最大流v m 觚，才可以根据 相应的图表查出平均流v 。如果满足不了上述情况，一般对测量截面采用均等分割或 采用对数线性法、对数切比雪夫法将测量面积分割成数个测量区域，在各个区域平均 流速相应位置上布置流速测点，进行测量，利用公式对测量结果进行加权平均，才能 求出管道中的平均流速。 靠背管速度测量 与毕托管风速测量一样，靠背管也是对流场中的一点速度进行测量。测量截面的 平均流速，必须采用毕托管同样的方式解决，无法解决流场不均匀性造成的测量误差。 4 硕士论文 煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 一般至少需要测量2 0 点的流速才可求出较好精度的平均流速。不易实现流速测量的自 动化。 匀速管速度测量 匀速管是一种固定安装在管道内测量器体平均流速的非标准测量装置，按其取压 方式的不同有笛型管、双笛型管( b s i i i 型) 、阿纽巴管( a n n u b a r ) 测速管等。使用测量洁 净气体。 一般来说，匀速管要求的测试直管段较长。为保证测试结果在一定误差范围内， 上述匀速管测量的基本条件，要求测量截面前最少应有倍当量直径的直管段，测 量截面后应有2 3 倍当量直径d 的直管段。另外，匀速管输出的差压信号偏小，受安 装精度、流场的脉动和不均匀性影响较大，不稳定。 现场使用中在二次风分支管道中进行测量，由于几乎没有足够长的直管段，因此， 信号出入极大，无规律可循，甚至出现负值。 另外近年来应用较多的机翼测速元件是安装在气流通道中的一组机翼形整流叶 栅，涡流区的流场经过叶栅整流后得到相对稳定的几股气流，在各个机翼的迎风处取 出全压，在叶面上取出静压，就可以获得比较稳定的差压信号，从而顺利实现在涡流 区的流量测量。应用于二次风系统的测量是比较成功的，但是机翼型测速元件的安装 需要对风道进行改造，这对于已投入使用的电站锅炉来说，工程浩大。 1 2 1 2 近年来二次风测量技术概况 近年来，人们认识到传统的监测手段并不可靠，开始依靠安装全压测速管、靠背 管、笛形管等技术来测量风量以试图解决二次风风速的测量问题【1 6 1 ，但靠背管等动压 测量元件无法用于涡流区，而二次风道内的测点又无法提供足够的直管段，由于现场 所能提供的测量条件和上述一次测量元件自身测量条件要求的限制，取出的差压有很 大的而且难以消除的噪音信号，在工业现场的实际应用中尚存在一些问题。 对于二次风系统这种特殊的管道几何特性，使用比较成功的测量元件为机翼型测 速元件，机翼测速元件是安装在气流通道中的一组机翼形整流叶栅，涡流区的流场经 过叶栅整流后，可以得到相对稳定的几股气流，此时在各个机翼的迎风处取出全压， 在叶面上取出静压( 皆经过多点自动平均) ，就可以获得比较稳定的差压信号，从而顺 利实现在涡流区的流量测量。它是喉部取压，测量信号稳定，精度和灵敏度较高，本 身可以对流场进行整形，要求的前后直管段短，适用于低速、大管径、矩形截面、纯 净空气流速测量领域的装置，但是机翼型测速元件的安装需要对燃烧器的风道进行整 体改造，工程浩大，测量方法本身也存在一些不足：一是它大大减少风道的流通面积， 为保持应有风量，必须提高风机功率，增大能源消耗；二是机翼压力引出管大多用仪 表管引出，大量灰粒沉结在引出管口上，容易堵塞；三是长时间使用后，感压孔经常 会堵塞，导致流量信号不准确。贵阳发电厂9 号炉为了安装机翼型测速元件进行了下 5 1 绪论 硕士论文 列改造【1 7 】：在该炉大修期间根据该炉二次风道的布置情况，将二次风箱由原来的整体 式改为六个单风道并将各风道入口水平段加长，然后在各二次风道上加装机翼测风装 置，经正、负压取样管取出差压信号，再将其送至差压变送器转换成电信号送入配套 b s m ( b u s i n e s ss e r v i c em a n a g e m e n t ) 系统，正确指导运行人员进行二次风量的调节。 赵永刚等【博2 1 】对翼形风速测速装置的结构、制造工艺、计算方法进行了相应的改 进，开发出的机翼型测速装置适合于矩形、圆形、小管径、高流速、全截面( 多点、阿 格法) 平均风速、低含尘气流动压准确测量的需要。这种机翼腔体感压效果良好；设计 了特殊的结构，有效地解决了在低浓度含尘气体中，机翼感压孔易积灰、堵塞的问题， 该在线监测系统的风速测量误差小于5 。 另外，张庆欣等【2 2 】开发出一种新型周向涡轮流量计，这种新型周向涡轮流量计是利 用风叶转速正比于风速的特点，获得一个与风量成正比的频率信号输出，这种流量计 保留了涡轮流量计固有的高精度等优点，但与常规气体涡轮流量计相比，它可以直接 在气体通道的壁面上开孔安装。这种周向涡轮流量计被安装在涡流区时，由于涡轮叶 片扫过个区域，因此与差压型流量测量装置的测点取压方式相比，信号噪音可以被降 低到较低的水平。这种流量计可以输出一个与流量成线性关系的频率信号，具体的函 数关系需要在线标定。 示踪法是一种间接测量通道流量的方法【2 3 】，其原理是在被测通道的上游定量注入 示踪剂，再在下游测量示踪剂的浓度，通过守恒量的关系式，就可以得到主流的流量， 从而将流量测量问题转换为上游示踪剂注入流量与下游示踪剂浓度的测量问题。只要 下游取样口位置能够达到示踪剂浓度均匀分布，这种测量方式就与通道内的流速分布 状态无关。英国开发出的碘同位素示踪装置已经得到应用，但价格非常昂贵，国内一 般不采用。本文课题组成员曾采用除盐水作示踪剂，通过测量喷水前后主流稳定温度 和除盐水的流量可计算出二次风道的实时流量。经在工业现场使用，测量结果与实际 在定性上相符合。 示踪法作为一种非常规的流量测量方法，在矿井通风、机舱换气等场合的流量测 量被广泛使用，但是应用于燃烧设备的二次风系统，还存在一些问题：首先，在示踪 剂的选择上，要考虑价格以及耐高温性能；其次，下游的浓度测量仪表必须是廉价的， 并且具有较高的精度；最后必须采取措施，保证在一个短通道内注入的失踪剂在到达 下游取样点时已经与主流气流混合均匀，使得系统具有合理的测量精度 目前，国外锅炉( 主要是c e 公司的四角切圆燃烧方式) 的燃烧系统的设计、制造较 为过关，燃烧调整手段比较多，加之吹灰手段比较完善，相应的燃烧系统发生的问题 不是很集中，是否必须要实现喷口风速及流量的准确测量问题不是很突出，因此这方 面的研究工作较少。 总的看来对于二次风流场特性的认识还比较少，对于二次风进行测量和研究也在逐 6 硕士论文煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 渐发展中，上述这些方法精度都不太高，适用范围窄，在工业现场的实际应用方面还 有些各自不同的困难，因此开展这方面的研究有着重要的现实意义。 1 2 2 二次风系统的数学模型和数值模拟 在锅炉二次风系统中，由于二次风随时间脉动量大，可能导致燃烧不稳定；阻力 件调节阀的改变，对各风道间的相互流量有非常大的影响；另外，由于通道很短，二 次风得不到充分发展，出口截面速度极有可能分布不均，因此，发展一种比较可靠的 方法，建立与流量对应的阀门开度的关系，对于燃烧的稳定性来说，有着非常重要的 意义。对于二次风挡板开度与风量之间的对应关系，往往需要凭经验花费较长时间去 摸索，通过经验所得的数据建立对应关系，而且这种方法只对于某个特定锅炉具有意 义，难于做一般意义上的推广。因此，建立一个喷口流量的数学模型，对于指导二次 风的调节和控制有重要的意义，亦有一些人做了这方面的尝试：文献 2 4 - 3 3 】对二次风喷 口流量的数学模型及测量方法进行研究，由挡板前后两个截面的伯努利方程，通过自 定义的挡板通流系数k 来建立与流量及流速的关系，而挡板通流系数k 借助于冷态自 模化试验可获得。根据这个方法，可以借助于微机或智能仪表对二次风喷口流速、流 量、风温等运行参数进行监测。 陈宝明等【3 4 j 对一个w 型电站锅炉风箱二次风并联管道，采用阻抗法根据流体力学 管路计算理论，建立了二次风道挡板开度( 即阻力件状态) 与流量关系的稳态数学模 型，可以得出在任一工况( 如流量、压力) 下各个挡板的开度，使锅炉在高效率下运 行，提高其经济性。并以山西阳泉第二发电厂的d g 一1 0 2 5 1 8 一i i 型w 火焰锅炉为算 例，计算结果符合实际情况。 王丽娟1 3 5 j 对韶关发电厂3 0 0m w 机组w 形火焰锅炉的二次风道进行了计算分析。 通过对二次风道的4 个工况的模拟计算，找出前后墙风量偏差的原因，提出了结构优 化的方法，使前后墙风量合理分配，稳定了锅炉的燃烧工况。 另外由于数值模拟在锅炉复杂的设计、调试方面的有着无可比拟的优势，由于近 年来随着c f d 商用软件如f l u e n t 、c f x 、p h o c n i c s 等的功能越来越完善，因此越来 越多的人选择采用商用软件对锅炉炉膛以及燃烧等进行模拟，很多报导表明商用软件 模拟结果与实验结果相符合【3 6 彤】。但是针对子二次风的模拟，目前研究还较少，美国 的b o b b yg m a l o n c 4 6 采用c f x 软件对于二次风的平衡进行了数值模拟，建立了一个几 何风箱及相关管道的计算模型，并在几个相关情况，用1 8 缩小几何模型的实验数据对 比来测试该c f d 模型。结果表明，在大多数情况下，模拟和实验结果吻合得非常好， 而且应用数值模拟可以显示出实验所不能准确测量的内部流场；只在少数局部的情况 下，模拟和实验结果有出入。文献【47 】进一步提出二次风平衡的设计方案。 从上述数值模拟与实验结果的吻合情况来看，数值摸拟在二次风的研究中所用的 7 1 绪论硕士论文 数值模型和算法应用得当，能够提供足够的计算数据。但是，对于二次风系统这种特 殊的短通道送风系统本身所具有的流场特性，目前进行的数值研究很有限，需要进一 步深入研究。 在锅炉的设计中，二次风的监测与调节控制随着能源供应的紧张而日益受到人们 的重视，二次风布置得恰当合理，能提高锅炉的热效率，减少烟气中的污染颗粒和污 染气体。在测量方面，由于二次风随时间脉动量大，可能导致燃烧不稳定；阻力件调 节阀的改变，对各风道间的相互流量有非常大的影响；另外，由于通道很短，二次风 得不到充分发展，出口截面速度极有可能分布不均，因此，发展一种比较可靠的方法， 建立与流量对应的阀门开度的关系，对于燃烧的稳定性来说，有着非常重要的意义。 在计算机技术日益成熟的今天，数值模拟给人们提供了另外一个视野，可以模拟现实 中复杂而不易测量的环境，相信在这方面，还有很多值得我们去做的工作。如果能够 发展一种可靠的测试手段对二次风系统流量特性获得清晰的定性定量认识，将有助于 进一步改进其结构设计，更好地控制送风流场。 1 3 本文的主要工作 1 ) 搭建带有四个二次风喷口的二次风系统的模化实验台，对二次风系统进行模化 实验研究，对气流流量进行热示踪标定，测量计算各个二次风道流量。 2 ) 针对模化实验台使用c f d 商用软件f l u e n t 模拟计算在不同管道几何结构、 阻力件状态下的二次风道流量分配特性。 3 ) 分析各种不同的条件对二次风道流量分配特性影响及其程度的大小，优选出二 次风流量均匀分配的风门开度组合。 4 ) 结合实验测量结果与数值模拟结果进行分析，总结出二次风系统流量特性。 硕士论文 煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 2 二次风系统结构特征与流量特性研究 2 1 锅炉二次风系统介绍 煤粉锅炉炉型】主要包括n 型炉、w 型火焰炉、塔式炉、旋风炉等，其中型炉最 多，分为四角燃烧、墙式燃烧。目前，国内电站锅炉普遍采用四角布置切圆燃烧方式， 对于这种燃烧方式来说，需要沿炉膛的轴线在炉膛内形成一个自下而上均匀、稳定的 旋转性气流，使得煤粉气流着火、燃烧稳定，混合、扰动强烈，火焰燃烧强度均匀， 炉膛充满度好，即需要在炉膛内建立起良好的空气动力场。 由于煤粉悬浮燃烧是建立在固体微粒在宏观气态流场下进行燃烧化学反应模式基 础上的。所以，在燃烧调整中，关键的调整项目是保证锅炉炉膛四角一、二次风风速、 风量的匹配均匀合理，在炉膛中建立起良好的空气动力工况。这对于强化混合、燃烧 作用，射流刚性、射程大的二次风的风速、风量有着非常高的要求。只有对一、二次 风两种作用的射流进行科学的组织和精确的调整，炉膛内部才能建立合理的空气动力 场，才能为锅炉在在各种负荷下稳定燃烧提供必要的手段。 2 1 1 二次风系统主要特性参数 一般情况下【4 引，在锅炉燃烧设备和煤质一定的条件下，一次风与二次风的调节是 决定着火和燃尽过程的关键。一次风与二次风的工作参数用风量、风速和风温来表示： ( 1 ) 一次风量、风速和风温 一次风量主要取决于煤质的挥发含量和挥发分的发热量。当锅炉燃用的煤质确定 时，一次风量对煤粉气流着火速度和着火稳定性的影响是主要的。一次风量愈大，煤 粉气流加热至着火所需的热量就越多，即着火热愈多。这时着火速度就愈慢，因而， 距离燃烧器出口的着火位置延长，使火焰在炉内的总行程缩短，即燃料在炉内的有效 燃烧时间减少，导致燃烧不完全。显然，这时炉膛出口烟温也会升高，不但可能使炉 膛出口的受热面结渣，还会引起过热器或再热器超温等一系列问题，严重影响锅炉安 全经济运行。 对于不同的燃料，由于它们的着火特性的差别较大，所需的一次风量也就不同。 应在保证煤粉管道不沉积煤粉的前提下，尽可能减小一次风量。对一次风量的要求：满 足煤粉中挥发分着火燃烧所需的氧量，满足输送煤粉的需要，如果同时满足这两个条 件有矛盾，则应首先考虑输送煤粉的需要。 在燃烧器结构和燃用煤种一定时，确定了一次风量就等于确定了一次风速。一次 风速不但决定着火燃烧的稳定性，而且还影响着一次风气流的刚度。在一定的总风量 下，燃烧器保持适当的一次风出口风速，是建立良好炉内工况和稳燃所必须的。一次 9 2 二次风系统结构特征与流量特性研究硕士论文 风速过高，会推迟着火，引起燃烧不稳定，甚至灭火。一次风速过低，对稳定燃烧和 防止结渣也是十分不利的。 一次风速对燃烧器的出口烟气温度和气流偏转也有影响。一次风速过大，着火距 离拖长，燃烧器出口附近烟温低，着火相对困难。一次风中较大煤粉颗粒可能因其动 能大而穿越燃烧区不能燃尽，增大不完全燃烧损失。一次风速如果过低，会造成一次 风管堵塞，而一次风射流刚性小，很容易偏转和贴壁，且卷吸高温烟气的能力差，对 于着火性能好的煤种，着火太靠近燃烧器可能烧损燃烧器喷口。四角布置燃烧器配风 风速的推荐值如表2 1 ： 表2 1 四角布置燃烧器配风风速推荐值 一次风温对煤粉气流的着火、燃烧速度影响较大。提高一次风温，可以减少煤粉 着火热，使着火位置提前。一次风温升高，提高炉内的温度水平，炉膛温度升高加快， 煤粉着火提前。运行实践表明，提高一次风温还能在低负荷时稳定燃烧。有的试验发 现，当煤粉气流的初温2 0 c 从提高到3 0 0 。c 时，着火热可降低6 0 左右。提高一次风 气流的温度对煤粉着火十分有利。因此，提高热风温度是提高煤粉着火速度和着火稳 定性的必要措施之一。根据煤质挥发分含量的大小，一次风温既应满足使煤粉尽快着 火，稳定燃烧的要求，又应保证煤粉输送系统工作的安全性。一次风温超过煤粉输送 的安全规定时，就可能发生爆炸或自燃。当然，一次风温太低对锅炉运行也不利。除 了推迟着火，燃烧不稳定和燃烧效率降低之外，还会导致炉膛出口烟温升高，引起过 热器超温或汽温升高。 ( 2 ) 二次风量和风速 气流着火后，二次风的投入方式对着火稳定性和燃尽过程起着重要作用。对于大 容量锅炉尤其要注意二次风穿透火焰的能力。当燃用的煤质一定时，一次风量与煤粉 的配比就被确定了，这时二次风量也随之确定。对于已经运行的锅炉，由于燃烧器喷 口结构不变，故二次风速只随二次风量变化。由于高温火焰黏度很大，二次风必须以 很高的速度才能穿透火焰，以增强空气与焦炭粒子表面的接触和混合，故通常二次风 速比一次风速提高一倍以上，推荐的二次风速见表2 1 。 实际运行中，二次风速应根据具体情况决定，二次风混入一次风的时间也应该合 适。如果在着火前混入，等于增加了次风量，使着火时间推迟：如果过迟混入，又 会使煤粉气流着火时严重缺氧，降低燃烧速度，造成不完全燃烧损失。因此，二次风 应在煤粉气流着火后，燃烧过程发展到迫切需要氧气时及时混入。二次风速应大于一 1 n 硕士论文 煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 次风速。只有保持较高的二次风速，才能使空气与煤粉充分混合；但二次风速也不能 比一次风速大得过多，否则会迅速吸引一次风，使空气与煤粉提前混合，对着火不利。 总之，二次风的混入应该做到及时、均匀、强烈，才能真正起到二次风的作用，使空 气与煤粉理想混合，保证燃烧迅速而完全。 ( 3 ) 二次风温 从燃烧的角度来看，二次风温越高，越能强化燃烧，并能在低负荷运行时增加着 火稳定性。但是二次风温的提高受到空气预热器传热面积的限制，传热面积越大，金 属耗量就越多，不但增加投资，而且使空气预热器结构庞大，不便布置。热风温度的 推荐值如下表2 2 ： 表2 2 二次风温推荐值 2 1 2 四角切圆燃烧器二次风的布置方式 我国电站较为普遍使用的四角布置切圆燃烧方式，一般采用直流式燃烧器设置于 炉膛四角，二次风喷口为矩形喷口，一、二次风喷口的布置方式有两种：均等配风( 一、 二次风喷口交替间隔排列，相邻喷口的中心间距较小) 和一次风集中布置分级配风( 一 次风喷口集中布置，一、二次风喷口中心间距较大，二次风分为先后两批送入着火后 的煤粉气流中) 。直流燃烧器通常有以下几种典型的布置方式： ( a ) 正四角布置( b ) 正八角布置( c ) 同向大小双切圆方式 怼 7 i ( d ) 正反双切圆方式( e ) 双室炉膛切圆方式 图2 1 直流燃烧器的布置方式 2 二次风系统结构特征与流量特性研究硕士论文 我国不少电厂对四角切圆燃烧方式进行了改进，其主要特点为： ( 1 ) 一、二次风不等切圆布置。这种方法是将一、二次喷口按不同角度组织切圆， 二次风靠炉墙一侧，一次风靠内侧布置。这种布置方式既保持了邻角相互点燃的优势， 又使炉内气流流动稳定，火焰不贴炉墙，因而防止了结渣。但容易引起煤粉气流与二 次风的混合不良，可燃物的燃烧不充分。一次风喷口以小切圆方式布置，二次风喷口 射出的气流与一次风气流偏转一个角度，即称为偏转二次风。这种方法的特点是在燃 料着火后，及时供应二次风，将火焰与炉墙“隔开”，形成一层“气幕”，在水冷壁附近区 域造成氧化性气氛，可提高灰熔点温度，减轻水冷壁的结渣。还可以降低n o x 的生成 量。适用于燃用烟煤及挥发分较高的贫煤。 ( 2 ) 一次风正切圆、二次风反切圆布置。这种布置方法可减弱炉膛出口的残余旋转， 从而减小了过热器的热偏差，并能防止结渣。 ( 3 ) 一次风对冲、二次风切圆布置。这种方法减小了炉内一次风气流的实际切圆直 径，使煤粉气流不易贴壁，因而能防止结渣，而且能减弱气流的残余旋转。 2 2 二次风系统的结构特点及流量特性 在锅炉二次风系统中，热风是由二次风总管分配到炉膛各角的二次风箱，再从四 角二次风大风箱进行分组，然后分别分配给各层二次风水平支管，通过变径管段调整 气流方向，连接到燃烧器喷口，并在管段中安装二次风门对空气进行节流调整，将空 气送入炉膛内。二次风系统的结构特性表现为：在变向时多采用9 0 。直角拐弯；出口 为多支管并联风道；风道内部装有阀门来调节风量，且阀门离出口的距离很短。 2 2 1 直角管道 在二次风系统结构中，从总风管至各二次风箱，以及从二次风箱分别至各二次风 道，均采用直角管道。在电厂现场施工时，风道的设计是以最小的代价和空间将各个 设备连接起来的，而且管道截面积的形状大部分设计为矩形，采用直角管道也是最经 济、最方便之举，因此，大部分电站锅炉都采用直角管道。 2 2 2 多分支管道 二次风由空气预热器加热至预定温度后，由总风管送入各角二次风箱，每角二次 风箱上一般有4 8 层二次风喷口，也就是说，共有1 6 3 2 个喷口。这些支管之间耦合 关系强烈，各支管间的流量分配是一个比较复杂的情况。二次风喷口可以作水平设置， 也可以向下倾斜1 0 0 2 5 0 的角度。四角切圆布置时，甚至可以向下倾斜4 0 4 5 。由于 炉内烟气是向上流动的，所以一i 次风向下倾斜可以加强对烟气的扰动和混合。四角切 圆布置的二次风，一般总是向下倾斜的。这样有利于造成范围较大的旋转气流，当然， 这时二次风喷口必须布置得较高一些。 1 2 硕士论文煤粉锅炉二次风系统流量特性研究 2 2 3 风门特性 对于确定的二次风系统，其结构已经固定，因此，对应于某个入口风速，各二次 风喷口的出流量也是确定不变的。但是，在锅炉燃烧过程中，各层喷口的流量不尽相 同，而且对于不同的燃烧工况，各喷口所需风量也