（热能工程专业论文）330mw锅炉旋流燃烧器冷态实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着电站锅炉技术的不断发展，旋流燃烧器因其炉膛出口烟温和流速较稳定的优 势，在国内外得到广泛的应用。但在我国的使用过程中，旋流燃烧器又普遍存在一些 问题。本文是针对宁夏石嘴山电厂燃烧器存在可燃物损失大及次风管路磨损严重的 问题而进行的。 针对石嘴山电厂存在的问题，通过相似模化理论按比例搭建了冷态实验台，本文 利用热膜风速仪测量原燃烧器稳燃齿和改进后稳燃齿的燃烧器出口的风速和湍动度， 分析流场的流动情况，研究改造后的稳燃齿是否会对煤粉燃烧产生影响：另外为了减 小一次风管路的磨损，本文通过运用等速取样枪测量旋流燃烧器惠部煤粉浓度分布情 况，对旋流燃烧器内部原条状均流槽改为齿状均流槽进行了试验研究。 关键词：冷态模化。可燃物损失，双调风旋流燃烧器，热膜风速仪 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs t a t i o nb o i l e r st e c h n o l o g y , t h ec y c l o n eb u r n e r sw h i c hh a v et h e a d v a n t a g et h a tt h e i rf l l r n a c eo u t l e tg a st e m p e r a t u r ea n df l o wr a t ea r cs t e a d ya r cw i d e l yu s e da t b o t hh o m ea n da b r o a d a tt h es a m et i m e ，t h ec y c l o n eb u r n e r sh a v em a n yp r o b l e m sd u r i n gt h e a p p l i c a f i o no ft h e mi nc h i n a t h i sp a p e rm a i n l yt a l k sa b o u t t h ep r o b l e m st h a tt h ei n f l a m m a b l e m a t t e rl o s si sl a r g ci nc y c l o n eb u r n e r sa n dt h e # m a r ya i rp i p e l i n ei sa b r a d e db a d l yi nn i n gx i a s h iz u i s h a np o w e r p l a n t a g a i n s tt h ep r o b l e m so ft h es h iz u i s h a np o w e rp l a n t ，t h ec o l de x p e r i m e n tt a b l ei s e s t a b l i s h e d p r o p o r t i o n a l l yb y t h es i m i l a rm o d e lt h e o r y ，i nt h i s p a p e rt h eh o t f i l m a n e m o s c o p ew i l lm e a s u r et h ef u r n a c eo u t l e ta i rs p e e da n dt u r b u l i v i t yo ft h eo r i g i n a ls t e a d y b u r nf i n ea n dt h er e b u i l to n e ，a n a l y z i n gf l o ws i t u a t i o no ft h ef l o wf i e l da n dr e s e a r c ht h a tt h e r e b u i l ts t e a d yb u mt i n ew i l lh a si n f l u e n c ea b o u tc o a ld u s tf i r i n go rn o t o t h e r w i s e ，i no r d e r t or e d u c et h ea b r a s i o no fp r i m a r ya i rp i p e l i n e ，t h i sp a p e rw i l lu s et h ec o n s t a n ts p e e d s a m p l i n gg u nt om e a s u r et h ed i s t r i b u t i n gc o n d i t i o no fc o a ld u s td e n s i t yi nc y d o n eb u r n e r s a n dr e s e a r c ht h ed e n t a t ef l o we q u a l i z a t i o nh u n d e rw h i c hi sm o d i f i c a t i o no ft h eo r i g i n a ts t r i p f l o we q u a l i z a t i o nl a u n d e ri nt h ec y c l o n eb u r n e r s w a n gj u n j i e ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o m i n k e yw o r d s ：c o l dm o d u i a r i z a t i o n ，i n f l a m m a b l em a t t e rl o s s ，d u a lc h a n n e l c y c l o n eb u r n e r ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n e m o m e t e r 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( 3 3 0 m w 锅炉旋流燃烧器冷态实验研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豆盟日期： 沙j 7 、；、g 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 副吞圣 导师签名： 日期：避3 、砂6 华北电力大学硕士学位论文 1 1 背景 第一章绪论 我国的能源以煤为主，电力工业用煤以劣质煤为主，而且煤种多变、挥发份低， 所以保证煤粉燃烧的高效和稳定是电力工业的一个重要任务。 在火电厂，锅炉运行的可靠性和经济性与炉膛空气动力场的好坏有着密切的联 系。组织良好的炉膛空气动力场可以保证锅炉燃烧稳定、燃尽迅速、有合宜的炉膛 燃烧中心和良好的炉膛火焰充满度，而且炉膛气流无偏斜也无贴边冲刷炉膛。这样 就可以保持经济可靠的燃烧，从而使锅炉能有效丽安全地运行1 1 1 。 旋流煤粉燃烧器在国内外有着广泛应用，在我国电站锅炉中，采用旋流燃烧器的 锅炉占总容量的2 0 左右。国产旋流燃烧器目前能应用在3 0 0 m w 以下锅炉机组， 从国外引进的大型锅炉机组旋流燃烧器也只应用在6 0 0 m w 锅炉机组的水平上1 2 】。 旋流燃烧器依靠高温回流区作为稳定的热源，提高了火焰稳定性，并可单独进行 燃烧。采用旋流燃烧器的大型煤粉锅炉有其独特的优点：首先可以避免采用直流燃 烧器四角切圆燃烧产生的过热器区的热偏差；其次是对炉膛形状没有严格的要求， 不必一定接近正方型，给尾部受热面布置带来了极大的方便。 从国外进口的3 0 0 m w 及其以上容量大型机组大多采用旋流燃烧器。国外开发 旋流燃烧器的主要出发点是降低n o x 的排放，减少环境污染。由于我国机组以燃 用劣质煤为主，进口机组在运行时，普遍存在一些问题，如高温腐蚀，低负荷稳燃 能力差等【2 1 。 国内外很多学者对旋流燃烧器作了大量研究工作，d i x o n 等人利用五孔探针研 究了一次风不同旋流强度下旋转射流的流动特性 3 1 。v u 等人利用球形五孔探针和一 维恒温式热线风速仪测量了同轴同向旋转和反向旋转环形组合射流的时均流场和 湍流流场的特性参数，并对其流动规律进行了研究【4 l 。李争起等人利用多谱勒两相 流测量技术( p d a ) 对径向浓淡旋流煤粉燃烧器出口气固两相流场进行了研列卯。 本文针对宁夏石嘴山电厂燃烧器实际运行存在问题：可燃物损失大，在炉底灰 中出现未燃尽黑色块状物，大约占底灰的1 0 ；燃烧器一次风管壁局部磨损严重的 问题，磨损严重主要部位为一次风渐缩段均流槽后下方。通过对未燃尽黑色块状物 的观察以及燃烧器本身结构的分析，寻找造成该锅炉可燃物损失及一次风管壁磨损 严重的原因，做出需要对燃烧器进行必要的改造的意见。本课题是鉴于上述情况而 开展的工作。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 燃烧器概述 在组织炉膛空气动力场时，其中一个很重要的设备便是燃烧器。燃煤燃烧器按 其出口气流特性可分为两大类：直流燃烧器、旋流燃烧器。 1 2 1 直流式燃烧器的特点 直流燃烧器的出口气流是直流射流，它的特征是扩散角小、射程远，单股射流 对周围的卷吸作用小而且没有中心回流，这对着火不利。二次风的送入风口与次风 口相对独立，相互间的排列自由，可以在布置上变化出多种形式。各种直流式燃烧 器的主要不同在于其一、二次风口的排列布置。简单介绍几种直流式燃烧器的风口 布置情况 典型烟煤燃烧器的一、二次风间隔布置，着火后二次风混入快，适应于高挥发 分煤种对二次风混入及时的要求。一、二次风口间的距离可根据煤种的性质决定， 对优质烟煤距离可设计为零【7 。 具有周界风的直流燃烧器其特点是一次风相对集中，提高局部煤粉浓度；一、 二次风的距离较大，混合较迟，以利提高着火性能；一次风口为狭长方形，煤粉气 流的迎火周界长，对着火有利：一次风口周围是周界风，但周界风风量不大而风速 较高，具有冷却一次风喷口的作用。上二次风风口有2 个，可以进行分级配风，有 利于调节。这种燃烧器用来燃烧无烟煤，适应无烟煤挥发分低、着火困难和碳化程 度高、燃尽困难的特性【丌 1 2 2 旋流式燃烧器的特点 旋流式燃烧器的特点是气流的扩展角大，中心的回流区可以卷吸来自燃烧室深 处的高温烟气，加热煤粉气流的根部，这对着火有利；但从另一方面看，二次风与 一次风相距很近，一二次风的混合较早，又使着火升温所需的热量增大而又对着火 不利。旋转射流的旋转效应消失得很快，而且最大轴向气流速度的衰减也快，这样对 挥发分低或挥发分中等而灰分大的煤种，旋流式燃烧器前期混合显得偏早，而后期 混合又不够强烈，所以容易导致着火不稳定或燃尽较困难的情况。旋流燃烧器的射程 小，火焰粗而短，对燃烧室的截面形状不要求是正方形或接近正方形，可以是较扁的 长方形。长方形截面的燃烧室，深度小，这有利于在锅炉后部布置空气预热器和送 风机等辅助设备。旋流式燃烧器常见的布置方式：前墙布置和前后墙对冲或错列布 置。在大容量锅炉上，往往又布置成多排多层1 7 】 旋流式燃烧器是其出口气流是旋转射流。气流旋转的情况分别两种：一种是一 次风和二次风都旋转，一种是二次风旋转而一次风为直流。按促使气流旋转的旋流 部件的形式分，比较典型的有蜗壳式和叶片式两类。蜗壳式又分为双蜗壳和单蜗壳； 2 华北电力大学硕士学位论文 叶片式分为轴向式和切向式。 1 2 2 1 双蜗壳型旋流燃烧器 双蜗壳型旋流燃烧器的一二次风均利用在蜗壳中的流动而产生旋转，两股射流 的旋转方向相同。大蜗壳中是二次风，小蜗壳中是一次风。燃烧器中心有一中心管， 可以在管中设置油喷嘴。二次风进口处装有舌形挡板，用来调整二次风的旋流强度。 由于一二次风都是旋转气流，因此在进入燃烧室后就扩散成为空心锥环状气流。在 气流的卷吸作用下，空心锥的内外表面部会受到高温烟气的加热。 这种燃烧器旋流强度的调节幅度小，当煤种变化时可能会因火焰位置不好调整 而容易结渣。另外，一二次风的阻力大，煤粉在一次风气流中的分布不均匀，也是 这种燃烧器的不足之处 7 1 。( 如图l 一1 ) 1 8 l 图1 - 1 双蜗壳旋流燃烧器简图 1 2 2 2 单蜗壳型旋流燃烧器 一次风为直流，二次风气流利用蜗壳产生旋转后沿环状通道进入燃烧室。一次 风由中心风管进入燃烧室，在一次风出口处装有一个蘑菇形扩散锥，扩散锥后产生 的回流区有助于煤粉气流的着火。扩散锥可通过手轮和拉杆前后移动改变一次风粉 气流的扩散角度。 扩散锥处于高温烟气回流区，容易结渣或烧坏 7 1 。( 如图1 2 ) 【8 】 图1 - 2 单蜗壳旋流燃烧器简图 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 3 轴向叶片型旋流燃烧器 一次风为直流，二次风是旋转的，中心有一根中心风管，中心风管外是一次风 环形通道，中心风管内可以设置油喷嘴。二次风气流流动时受轴向叶片的引导而产 生旋转。二次风叶轮可通过调整机构沿轴向移动，从而调整二次风的旋流强度。二次 风通道是一个环锥形的套简，二次风叶轮也是环锥形的，叶轮装在套筒内。用叶轮上 的拉杆轴向移动叶轮，就可改变叶轮与环锥形通道之间的径向间隙。流经环状通道径 向间隙的气流是不旋转的直流气流，因此调节叶轮的位置便可改变旋转气流与直流 气流的比例，从而达到调整二次风气流旋流强度的目的一次风虽为直流，但可以 用一次风壳上装设的舌形挡板调节，使一次风出口气流有一定的扩展 7 1 。( 如图1 3 ) 嗍 一改只 尽蕞螭 ，、 l i j 办l 雌飞蔼 = 戎强 图1 - 3 轴向可动叶转式旋流燃烧器 1 2 2 4 切向叶片型旋流燃烧器 一次风气流为直流或弱旋射流，二次风气流通过切向叶片旋流器而产生旋转。 般切向叶片做成可调式，改变叶片的倾斜角即可调节气流的旋流强度【叭。 1 3 双调风旋流燃烧器 双调风旋流燃烧器的特点，在于它具有内外两层旋流调风器。但与双蜗壳燃烧 器分别将一、二次风旋流相比具有本质不同，它是将二次风分为内、外两圈可调节 的环状旋转气流，内、外层之间的风量分配由配风盘来进行调节，其中大部分二次 风由外调风器进入炉膛，煤粉由中心一次风喷八炉内。燃烧器的一次风管内装有煤 粉导向装置和锥形扩散器，可使煤粉均匀流动和形成环状浓粉气流。燃烧器能产生 良好的空气动力场，形成有利于着火、稳燃的高温烟气回流区。提供完全燃烧所需 的空气与煤粉的良好和适时的混合。燃料的着火是在火焰中心的含粉浓度较大的风 粉混台物中发生的，流经内调风器的数量较少的内二次风与一次风混台并形成内燃 烧区，在此区域的高浓度风粉混台物和相对的低温燃烧。确保了着火稳定，限制了 4 华北电力大学硕士学位论文 燃料型n o x 的生成量。从外调风器流入的数量和刚性相对较大的外二次风，将内 燃烧区包围，并在炉膛中与内燃烧区中未燃尽的煤粉充分混合，进一步促使煤粉燃 尽。这样就使煤粉燃烧的过程历时较长，燃烧区域内的温度水平降低，因而减少了 热力型n o x 的生成量 6 1 。( 如图l 一5 ) 【6 l 井 1 4 论文的主要工作 图1 4 双调风旋流燃烧器简图 针对宁夏石嘴山电厂燃烧器实际运行存在的可燃物损失大及燃烧器一次风管 壁局部磨损严重的问题本论文用冷态模化实验研究的方法，模拟燃烧器实际运行 工况，对燃烧器提出合理的改造意见。找出切实可行的措施来解决该锅炉燃烧器存 在的问题。 具体工作如下： 一、在之前搭建的试验台上对实际燃烧器运行中的一次风磨损问题提出改造方 案并做相应的试验来解决此问题。 二，对于燃烧器稳燃齿改造方案中改造后对于整个燃烧器实际运行的影响进行 试验分析。以石嘴山电厂3 3 0 m w 机组锅炉旋流燃烧器作为原型，设计、加工新的 冷态模化实验台，根据电厂燃烧器具体的设计参数，按照满足自模化条件，完成对 冷态模化的风速和风量、实验台的阻力计算及旋流强度等相关数据的计算。 三、根据计算的参数联系相关试验设备的生产厂家，进行实验台的搭建。主要 设备有燃烧器模型、鼓风机，引风机等，购置测试仪器，进行仪器的标定和调试。 四、制定试验方案，安排实验工况，对燃烧器出口进行不同工况下的气相实验 研究，用以测量原有燃烧器结构和改进后结构的流场情况、湍动度等数据。 五、将实验结果进行分析，提出彻底解决石嘴山电厂锅炉实际运行存在问题的 合理改造方案。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 原型描述 第二章冷态模化理论 电厂锅炉运行时，炉膛内的气流流动属于粘性流体不等温的稳定受迫流动【埘， 工作时炉内的温度在1 0 0 1 6 0 0 。c 范围内变化【1 2 1 。根据流体流动过程遵循的连续方 程、运动方程及导热方程可导出如下相似准n - 动力时均性准则： 热力时均性准则： 欧拉准则： 雷诺准则： 贝克列准则： h o 。坚c 删 f 丹墅删 w e u - - p - - t - - c o i k 鲥f ，r r r e 型倒埘 芦 p e 丛c 删 口 式中w 、f 、f 、g 、p 、p 、芦、口分别代表速度、时间、定性尺寸，重力加速度、 压强、密度、动力粘度、导温系数。 现有实验室处于常温常压态下，相比于锅炉工作环境，是一座冷态实验台。而 冷态状态下的空气动力工况与热态烟气动力工况有较大的差别，前者为常温的等温 稳定强迫流动，而后者为高温的不等温稳定强迫流动。为了保证冷态空气动力场的 测试结果尽可能的接近热态烟气流场的实际工况，要运用冷态模化原理。 2 2 模化条件 根据相似第二定理【1 0 1 ，模型与实物要保证流动相似，使得模型中出现的现象相 似于实物中的现象，他们之间应遵循的如下的相似条件： ( 1 ) 二流动都属于同一类流动，都为相同的微分方程组所描述。 炉膛内的气流流动属于粘性流体不等温的稳定受迫流动，要使的模型流场的流 动情况与之完全一样，严格的讲只有当模型与实物采用同一介质才能实现。当介质 不同时，如以空气代替烟气，完整方程组中，物理特性与温度函数关系就不相同， 但在温差不大的情况下，尚不致于产生明显偏差另外，在温差不大时，可压缩流 体可按不可压缩流体处理。因此，对于一般热力设备，只要模型与实物的介质都是 粘性流体，这一条件也就得到了保证。而烟气和空气的流动属于粘性流动【1 0 】。 ( 2 ) 单值条件相同或相似，包括： 6 华北电力大学硕士学位论文 a 几何相似对于在锅炉或其模型上的冷态试验，几何相似很容易满足； b 边界条件相似。由于粘性流体具有“稳定性”，故由几何相似就可使介质进入 及引出模型的流速分布与实物相似而得到保证； c 物理参数相似。锅炉燃烧过程的温度变化为1 0 0 1 6 0 0 ，由于等温过程进 行模化难以办到，只能在分析试验结果时考虑不等温状态的影响； d 起始条件相似。由于流体流动属于稳定流动，故不存在此问题。 ( 3 ) 由单值条件中的物理量所组成的相似准则数相等。 为使试验研究工况与实际情况相似，必须保持前述5 个相似准则数相等。 对工程有实际意义的是稳定状态下的流动，于是考虑时间因素的均时性准则h o 将不存在。 准则f r 表示重力因素，在自由运动场合下，对流动状态起决定性作用，但在一 般受迫运动条件下，自由运动的因素不大，微分方程式中的重力一项可以忽略不计， 则准则f r 可以不予考虑。 准则p c 可改为p r f - p e r c = c o n s t ，称为柏朗特准厦! ，它只包含流体的物理参数， 用以说明流体的物理性质对于气体来说，当原子数目相等时，其值几乎不变，很 少受温度的影响。用冷空气模拟不等温的热烟气，准贝l j p r 将自行相等。因空气主要 由双原子气体组成，而烟气的大部分成分也是双原子气体，尽管有一部分为三原子 气体，但三原子气体的p r 数与双原子气体的相差不大【加l 。 因此粘性不可压缩流体的稳定不等温受迫运动完整方程组的解，可写成如下形 式的准则方程式： e u = ，( 胎) 当粘性流体在r e 大于第二临界值时，其对流体的紊乱程度及流速分布的影响非 常微弱，流动状态与流速分布不再发生变化，并彼此相似，这一特性就是粘性流体 的“自模化性”。利用进入自模化区进行实验是很有必要的： ( 1 ) 通常大型锅炉r e 值很高，如果缩小了几十倍的模型r c 准则与实物数值相等， 势必要求模型中流速比实物大十倍以上。这是不容易实现的。但在自模化区，模型 的r e 数值可以比原型低很多，而且可满足要求。 ( 2 ) 在锅炉进行冷态流体动力试验时，达到热态运行r e 值的冷态炉内风速低， 测量比较困难。此时也可利用自模化区的特点。 ( 3 ) 当实际的r e 处于自模化区时，模型的r e 值可不必与实际值相等，只要与实 际r e 处于同一自模化区就可满足相似性 冷态动力场模化试验正是利用粘性流体的“自模化性”来保证实际与模化试验的 e u 数值相等以简化模化条件来实现相似试验。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 单值条件的确定 单值条件确定，即确定出试验的工况。为使试验模拟炉内某一特定的真实工况， 必须对试验参数进行控制，而其控制参数一般由真实工况的单值及边界条件得到。 根据冷模试验所应遵守的边界条件，应考虑进入炉内各股气流之间的关系，而 影响炉内流动工况最主要的参数是动量，因此冷模试验与实际工况之间各动量比相 等是十分必要的【1 1 】【1 3 1 。 若一脚标o 、m 分别代表实物和模型，脚标1 、2 、3 分别代表一、二、三次风， ，_ ，、p 、m 分别代表喷口面积、平均流速、密度及喷口质量流量。则模型和实物 一、二次风的动量比可写成： ( r ，l l j f w k ) ( m 嘶m k ) - ( j ，l l o + 肼，) b w 2 d )( 2 1 ) 实物一次风动量是由一次风和燃料动量两部分组成： + 肼，k - k 厶 t - 麒，k 。几厶砣( “去) ( 2 2 ) 一q + 舡h 。允磊 式中，口为一次风中燃料的质量浓度；k 为考虑煤粉流速与风速不同的系数，可近 似取为0 8 。 为了保持动量比相等，又燃烧器为几何相似，则模型的一、二次风速比： 老- i w 自o1 f l i t u , + 丽2 7 3x 石t 2 0 + 丽2 7 3 u , + 掣， ( 2 3 ) 同理可写二、三次风速比： 竺堕。w 3 0 f 鱼三丝堑翌( 2 - 4 1 w w 2 0 1 i fr w + 2 7 3 + 2 7 3 、 速度的绝对值可用达到自模化区r e w d t 1 0 5 的关系求出，即冷模平均速度： p i r e ，v l d - ，1 0 5 d ( 2 5 ) 或所需送风量为： q 3 呲景舳| i l ( 2 - 式中，t 为冷模试验风温；匕为冷模横截面积。 因模化试验在自模化区内进行，其西值与m 无关且保持不变，即模型和实物 的欧拉准则相等，即 8 华北电力大学硕士学位论文 印母2 d p 2 n w 知p 2 d 岛 由此可确定模化时二次风速： 。侩x 鲁 亿7 ， 模型和实物流阻的比值安善可以任意选择，但必须使模型试验处于自模化区内。 值的选择对模化试验很重要，过商会使风机出力满足不了试验要求，过低将使试验 不在自模化区内。选择原则一般以试验总风量接近风机额定出力为准，这样可使风 速标定更加准确。 另外，冷态实验按等温模化只能做近似相似。因为热态炉膛空间内实际上存在 着不可忽视的温度梯度，各点气流的密度和粘度有相当的差异，这是冷态实验不可 能模拟的，从而冷态炉膛速度分布必然较热态真实情况有一定畸变。考虑到实验条 件和研究问题的需要，本文结果分析时忽略此点 综上所述，在冷态炉内空气动力场模化实验中，一般采用近似模拟的方法。模 化准则可概括成三条【1 1 9 】：a 模型与原型几何相似；b 进入自模化区；c 模型与 原型动量比相等。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 1 电厂锅炉设备介绍 3 1 1 锅炉简介 第三章实验系统 石嘴山发电厂锅炉型号为w g z l 0 0 4 1 8 4 0 2 ，生产厂家为武汉锅炉股份有限公 司。锅炉热力参数见表3 1 ： 表3 - 1 锅炉热力参数表 1 0 0 7 5 5 0 3 5 b高加 n o名称单位b m c r 一 e c re c re c rm c r全切 l 电负荷 m w3 5 33 3 0 2 4 8 1 6 51 2 43 3 0 2过热蒸汽 流量 t h 1 0 0 49 2 66 7 0 4 4 7 3 3 2 2 8 5 0 3 过热蒸汽 出口压力 m p a g 1 8 41 8 31 8 1 7 8 01 1 7 01 8 1 8 4过热蒸汽 出口温度 5 4 35 4 35 4 35 4 35 4 35 4 3 5再热蒸汽 流量 t h9 1 3 08 4 4 16 1 6 34 1 5 53 1 7 18 4 9 0 6再热蒸汽 进口压力 m p a g 4 2 6 3 3 9 4 4 2 8 6 91 9 9 41 1 64 0 3 8 7再热蒸汽 出口压力 m p a g 4 0 8 73 7 7 72 7 5 01 8 3 11 1 13 9 0 8 8再热蒸汽 进口温度 3 3 5 53 2 7 53 0 0 72 8 6 9 2 7 73 3 4 9 9 再热蒸汽 出口温度 5 4 35 4 35 4 35 4 35 4 35 4 3 1 0给水温度 2 5 6 12 5 1 52 3 3 72 1 3 01 9 0 3 1 8 4 2 石嘴山发电厂锅炉设计参数见下表3 2 ： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 表3 - 2 石嘴山发电厂锅炉设计参数表 项目单位数值 炉膛高度m m5 1 6 5 2 炉膛深度m m 1 1 0 9 6 炉膛宽度m m 1 6 4 1 6 炉膛受热面积 m 23 7 7 8 炉膛容积 m 37 8 2 1 炉膛容积热负荷 1 0 3 k j m 3 h ( 1 0 3 k c a l 3 6 9 3 2 ( 8 8 2 1 ) 炉膛断面热负荷 1 0 6 l 【j m 2 h ( 1 0 6 k c a l 1 5 8 5 9 ( 3 7 8 8 ) 炉膛设计压力 p a 5 8 0 0 炉膛出口烟温 1 0 1 7 6 冷渣斗容积 m 3- - 4 5 煤粉在燃烧室停留时间 s1 9 5 3 1 2 燃烧器简介 宁夏石嘴山电厂采用武汉锅炉厂生产的2 4 台双通道带有煤粉浓缩装置的轴向 旋流燃烧器，燃烧器布置成水平4 排，每捧6 台，每台相邻燃烧器旋向相反。与燃 烧器支持框架为一体的独立风箱向每一排6 个双通道带有煤粉浓缩装置的轴向旋流 燃烧器提供内外二次风，一台磨煤机供应每一排的6 个燃烧器，使送入热量沿整个 炉膛宽度均匀分布，以保持最小的温度变化。燃烧器设计参数见表3 3 表3 3 燃烧器设计参数表 石嘴山3 3 0 m 设计煤石嘴山3 3 0 m 校核煤 名称 风率风速m s风温风率风速m s风温 一次风1 9 13 2 7 5 1 8 13 0 37 5 内二次风 1 2 12 4 53 2 11 2 32 4 73 2 1 外二次风 5 5 25 8 53 2 15 5 95 93 2 1 漏风 44 o y d w 5 0 3 2 5 k c a l k gq y d w 5 8 4 4 6 k c a l k g 煤质 v r 3 1 - 1 v r 3 5 0 2 1 1 华北电力大学硕士学位论文 a y 2 9 7 8 a y 2 1 3 w y 4 9 8 w y 4 4 2 4 台中速磨z g m l l 3 n一台 备用 制粉系统 最大出力5 9 1 t h 最大出力6 4 8 9 t h 风煤比1 7 1 k g k g风煤比1 8 7 k g k g 燃烧器一次风出口处设有火焰稳燃器。它由稳燃齿和稳燃环两部分组成，( 见 图3 1 ) 。稳燃齿可对煤粉的分布进行合理的调整，强化煤粉的着火。同时，大量煤 粉颗粒流过稳燃齿时，形成较高的煤粉浓度，回流区内的湍流度也较高。这种高温 度、高浓度、高湍流同时存在，形成了局部的煤粉着火有利条件，煤粉气流可在此 区域内被迅速加热，实现及时着火和稳定燃烧。在稳燃齿外装有耐热钢圆环( 称为 火焰稳燃环) 图3 1 稳燃环结构 3 2 锅炉燃烧器实际运行存在问题及解决方案 3 2 1 可燃物损失大的问题及解决方案 石嘴山电厂实际运行中可燃物损失较大，在炉渣中含有大量未燃尽黑色块状 物，大约占1 0 ，旋流燃烧器的稳燃齿上也附着黑焦，针对这一问题对燃烧器的结 构进行分析。 沿周向封闭的稳燃齿结构有其优缺点，优点为在稳燃齿前端形成回流区，有利 于煤粉的着火过程。稳燃齿结构的技术弱点在于稳燃齿形成的周向封闭的台阶迎风 侧会发生煤粉颗粒的堆积。由于一次风温度为7 5 ，二次风温度为3 2 1 口，炉膛煤 粉燃烧形成的高温区域对稳燃齿的辐射换热在稳燃齿的台阶处形成局部高温。堆积 的煤粉颗粒在高温作用下发生热解，热解产生的有机物质在煤粉颗粒表面发生凝 结，形成一种柔软、粘性比较大的薄膜。这层薄膜与来自迎风侧的煤粉颗粒发生作 用，煤粉颗粒粘接堆积在热解的煤粉颗粒表面。这样，经过煤粉堆积、热解、粘接、 传热等过程的反复循环，最后在稳燃齿与一次风管的台阶处形成了块状黑色物质。 华北电力大学硕士学位论文 由于电站锅炉在运行中存在一定的振动，当黑色物质重量足够大或者振动强度足够 大的时候，黑色物质就会掉下来，落在炉底捞渣机中。经过上述分析认为需要对该 旋流燃烧器封闭的稳燃齿进行必要的改造。 为避免稳燃齿处发生堆积，又保留原稳燃齿的优点，拟将周向封闭的稳燃齿改 造为非封闭的稳燃齿，根据具体的分析，提出了三种稳燃齿改造方案，分别为1 6 、 2 0 和2 4 齿，如图5 2 所示。将其与原有封闭稳燃齿进行气固两相流实验与数值模 拟的对比分析，提出解决可燃物损失大的最佳方案。 图3 2 燃烧器一次风及稳燃齿改造图 石嘴山电厂燃烧器部分数据如表3 - 4 所示。 表3 4 石嘴山燃烧器数据表 3 3 0 m w 设计煤3 3 0 m w 校核煤 名称 风率风速( m s ) 风温( )风率风速( m s ) 风温( ) 一次风 1 9 13 2 7 51 8 1 3 0 37 5 ， 内二次风 1 2 12 4 53 2 11 2 32 4 73 2 1 外二次风 5 5 25 8 53 2 15 5 95 93 2 1 漏风 44 q d w 5 0 3 2 k c a l k g ；v 3 1 1 ：q d w 5 8 4 4 k c a l k g ；v r 3 5 0 2 ； 煤质 a 2 9 7 8 ：w y 4 9 8 a y 2 1 3 ：w y 4 4 2 四台中速磨z g m l l 3 n ，一台备用 制粉系统 最大出力5 9 1 t h最大出力6 4 8 9 t h 风煤比1 7 1 k g k g风煤比1 8 7 k g k g 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 一次风管磨损的问题及解决方案 石嘴山电厂在实际运行中存在着燃烧器一次风管壁局部磨损严重的问题，磨损 严重主要部位为次风渐缩段均流槽后下方。分析认为磨损的主要原因是一次风粉 混合物在经过4 5 0 。蜗壳旋转后，由于离心力的作用，经过渐缩段均流槽的高浓度煤 粉经条状均流槽的阻断，形成更高浓度的煤粉，造成了一次风管壁局部磨损严重。 由此提出了可能解决此问题的两个方案：一是将蜗壳旋转4 5 0 。改为2 7 0 。，减小一次 风粉混合物的旋流强度二是针对原有燃烧器总有一到两个条状均流下方有明显的 因局部煤粉浓度高引起的磨损问题，提出将条状均流槽全部或部分改为梳状均流槽 的改造方案。 将蜗壳旋转角度从4 5 0 。减小为2 7 0 。的改造方案，这一方案的实验研究主要是从 解决均流槽后一次风管的磨损问题出发，通过分析旋转2 7 0 。和旋转4 5 0 。的实验结 果，分析蜗壳旋转角度对旋流的影响，为下一步提出均流槽的改造方案进行前期的 准备。 本文共对四个均流槽改造方案进行均流槽后气固两相的实验研究，均流槽后测点如 图3 3 所示，原燃烧器的八个条状均流槽位于八个测点的中间。这里提出的均流槽改。孟 造方案是指把原燃烧器的条状均流槽部分或全部改为梳状均流槽，形状如图3 4 所 示。第一个均流槽改造方案把八个条状均流槽全部改为梳状，这一方案在后文中称 为梳状均流槽；第二个改造方案把与测点3 相邻的两个均流槽改为梳状，其它六个 依然保持条状，称为两梳状均流槽，3 ；第三个改造方案把与测点4 相邻的两个均流槽 改为梳状，其它六个依然保持条状，这一改造方案称为两梳状均流槽4 ；第四个改 造方案为把与测点5 相邻的两个均流槽改为梳状，其它六个依然保持条状，这一方 案称为两梳状均流槽，5 。 7 1 麓飘 ，瓣嫠 3 5 b b 图3 3 燃烧器均流槽后测点布置图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 3 冷态实验台 条状均流槽 险梳状均彩舒憎 图3 4 燃烧器均流槽改造方案 针对石嘴山电厂锅炉实际运行中存在的可燃物损失大和一次风管均流槽后壁 面磨损严重的问题，以该燃烧器及提出的改造方案为研究对象进行了一次风的实验 研究；对燃烧器的一、二次风进行实验研究，来检验改造方案对燃烧器着火特性的 影响因此本实验搭建了两个实验台，现分别介绍如下。 3 3 1 实验台1 本实验台以石嘴山电厂3 3 0 m w 机组锅炉旋流燃烧器一次风管作为原型，按1 ： 4 比例设计并加工制造。模型总长1 1 3 3 m m ，测试段两侧和顶部由普通玻璃制成， 其余部分均由铁板制成，测点置在模型前置段及一次风出口处。燃烧器出口区域沿 着径向均匀分布测点，燃烧器测试段区域分布2 排测量孔。每排测量孔布置8 个， 每个测孔测量和6 点。整个装置采用微负压系统，一次风由鼓风机进入炉膛，流经 管道、测试段、前置段，经过布袋除尘器过滤后乏气摔入大气，过滤后的飞灰回到 给料机循环使用，给料机选用g z v 4 电磁振动给料机。系统由鼓风机来克服鼓风机 出口到除尘器入口的流动阻力，根据空气动力计算原理，鼓风机选型为4 9 1 9 型， 配3 k w 电机。固相颗粒示踪实验中，飞灰由给料机送入随一次风进入燃烧器，经 布袋除尘器除尘后，乏气直接排入大气，固相颗粒回流到料仓。布袋除尘器为 h d 8 9 2 4 型，除尘效果可达到8 5 9 9 。由u 型管流量计测量燃烧器入口和出口压 差，通过涡街流量计读取一次风风量。实验台1 系统布置如图3 5 所示。 在模型和实物几何相似方面，实验台以石嘴山电厂3 3 0 m w 机组旋流燃烧器为 原型，将其一次风缩小4 倍，结构数据如表3 5 和3 - 6 所示 冷态模化时，除保持冷模气流运动进入自模化区，并使模型和实物几何相似， 还应遵守旋流强度相同的条件。 华北电力大学硕士学位论文 1 - 调节阀；2 - 管道；3 - 突扩段；4 前置段；5 振动给料机；矗布袋除尘器 7 - 引风机；孓鼓风机；9 - 涡街流量计；l o - 热膜风速仪；1 1 等速取样枪 图3 - 5 实验台l 系统布置示意图 表3 5 燃烧器模型数据袭 为了正确测得气固两相流中固相的浓度，并且使抽取的固体颗粒样品具有代表 性，对于气固两相流的直接取样必须在等速的条件下进行。所谓等速取样，即吸入 取样探头的速度与探头周围的来流速度相等。典型的气固两相流取样系统依靠抽吸 泵将两相气流吸入取样探头，经过滤器收集吸入的全部固体颗粒，同时由流量测量 装置计量抽吸的气体容积，其中取样探头是保证等速准确取样的关键。 华北电力大学硕士学位论文 本实验中利用等速取样原理设计制造了一种新型煤粉取样装置。压缩空气流经 文丘里抽气器时产生负压，将一次风、粉混合物吸人取样探头，气、粉混合物流经 滤筒时进行离心分离，分离下来的煤粉颗粒落人滤筒中，乏气直接排入大气。两个 过滤滤筒并行布置，这样可以直接切换而不需要停机，可以节省时间，节省飞灰样 品。取样枪设有总压管，通过手柄旋转取样枪可以使取样孔正对准来流速度最大的 方向。从而可以测量旋流的一次风。新设计的等速取样枪的特点是寿命比较长、工 作稳定可靠。 该装置设有控制面板，面板固定两个过滤装置、两个u 型管、流量计和文丘里 装置。流量可以通过流量计读取，通过调节文丘里观测u 型管内液体位置实现等速 取样。 3 3 2 实验台2 1 突扩段；2 - 等速取样枪：3 - 热膜风速仪；4 前置段；5 振动给料机； 6 中心风流量计；7 一次风流量计；8 - 外二次风流量计；9 内二次风流 量计；1 0 一送风机；1 1 内二次风调节门；1 2 外二次风调节门；1 3 中心 风调节门；1 4 - 一次风调节门；1 5 一总风门；1 6 一旁路门；1 7 除尘器入口 门；1 8 除尘器下料门；1 9 布袋除尘器；2 0 给料斗；2 1 引风机 图3 - 6 冷态实验台系统布置示意图 1 7 华北电力大学硕士学位论文 燃烧器一二次风实验台系统如图3 - 6 所示，实验台燃烧器模型与实际燃烧器比 例为1 ：6 。实验台系统的送风机出口有五路风走向，分别为1 系统旁路，2 一次风 管路，3 内二次风管路，4 外二次风管路，5 中心风管路。各路风管都安装调节风门 来控制管路风量，系统旁路直接排向大气，其余四路风经过调节门、笛型管流量计 进入燃烧器模型。各路风从燃烧器出来后进入突扩段然后进入除尘器，经由引风机 排入大气。除尘器下方为下料口，飞灰经过下料口进入给料斗，然后经过给粉机进 入一次风管路，从而进入燃烧器模型以此达到飞灰的循环利用和减小对环境的污 染 一次风、内外二次风分别由高压风机送入，各股风的风量由阀门调节控制，气相速 度由热线风速仪测量。为了确保内外二次风沿圆周方向送风均匀，模型采用了均压 风箱送风。 3 4 热线( 膜) 风速仪介绍及标定 一、热线风速仪的概述1 2 6 1 热线风速仪是常用的热电式测速装置，被广泛应用来进行气流速度的测量。与 毕托管、均速管、三孔探针、五孔探针等气力式测速装置相比，、具有以下优点： l 、灵敏度高，能够进行低速气流的测量。 2 、频率响应好，可以利用来测量各种紊流参数。 3 、感应元件体积小，对被测气流干扰小 4 、以电量为输出信号，可以在远离研究对象处进行自动记录及计算机数据处 理。 热线风速仪是利用被加热探头在不同风速下温度或电阻等参数的变化规律来 进行测量的。通常，热线风速仪用于实验室测量速度和气流紊流参数。 二、基本原理【2 4 l 热线风速仪是一根很细的金属丝，通电后会产生一定的热量。通电的热线在流 场中受到气流的冲刷会产生热损失，此热损失直接受气流流速的影响【卅。 设流过热线的电流为，热线电阻为r ，热线产生的热量为q j ，则 q t - i z r 热线探头在流场中的散热以对流为主，略去辐射散热后，热线散热q 2 q 2 一a f 一t ) 式中：“一热线温度；t 一气流温度： 口一对流换热系数；f 一热膜散热面积 当q 1 - q 2 时，有 华北电力大学硕士学位论文 j 2 r 一订 一玎) 电阻是热线温度的函数。在固定探头与流体条件下，口与气流速度有关，当气 流温度不变时，气流速度只与电流及热线温度有关，即 v - f q ，t j 根据这一关系式，即可以按恒电流或恒温两种方法之一测量气流平均速度。本 实验室用热线风速仪采用恒温工作方式，在此工作方式下，保持“为常数， ，- ，。 可以根据电流，测得速度l ， 热线输出信号的强弱与气流方向有关，当热线的轴线与气流速度方向垂直时， 气流对热线的冷却能力达到最大，热线输出信号最强。如果热线轴线与气流速度方 向的交角逐渐减小，输出信号也逐渐减弱。根据此现象，原则上可以确定气流速度 的方向 三、热线探头与工作线路 热线探头有热线和热膜两种1 2 7 1 热线通常用铂丝或钨丝，直径可以细到氲肼， 典型直径为3 8 5 a n ，长度约l 2 m m 。为了减小气流绕流支杆带来的干扰，热线 两端镀有合金，起敏感元件作用的只有中间部分。热膜是用铂或铬制成的金属薄膜， 用熔焊的方法将其固定在楔形或圆柱形石英骨架上。热线的体积比热膜小，响应频 率高，但机械强度低，不适用于液体或带颗粒的气流中工作。而热膜的机械强度相 对较高 热线探头还可以分为一元、二元和三元探头一元探头用来测量一元气流速度； 二元探头用来测量平面气流速度；三元探头用来测量空间气流速度。本实验台用一 元s 型探针和二元j 型探针。恒温式热膜风速仪工作原理( 如图3 7 ) 。 1 1 热线探头2 伺服放大器3 电桥电压表 图3 7 恒温式热膜风速仪工作原理图 1 9 华北电力大学硕士学位论文 四、数据采集 本实验台采用了美国t s i 公司生产的i f a3 0 0 恒温式热膜风速仪系统( i f a 3 0 0 c o n s t a n t t e m p e r a t u r e a n e m o m e t e r s y s t e m ) 。实验系统如图3 8 该系统主要部分采用易安装的通道模块，将信号调节器和风速仪电桥电路安装 在一块电路板上，在一台风速仪机箱内可同时插入8 块通道电路板。系统利用自动 电桥优化技术，对每个通道的线路进行自动调节和优化，减少机器启动后调整电路 参数的时间。系统配有内