（工程热物理专业论文）四角切圆锅炉截屏改造的冷模实验及数值研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：四角切圆锅炉是我国电站普遍采用的燃煤锅炉，而它存在的烟气偏差 问题是影响电厂锅炉安全性和经济性的重要原因。某电厂煤粉锅炉长期存在再热 汽欠温、过热器减温水过量、水平烟道入口左右侧汽温偏差大的问题，通过对过 热器分隔屏受热面截短2 m 改造后，取得了满意的效果。分隔屏截短后对切圆锅炉 旋转气流的切割作用有所减弱，为了掌握截屏后炉内流动及燃烧变化情况，炉膛 出口截面会否出现烟气走廊，本文以该电厂锅炉为研究对象，从数值模拟和冷态 实验入手，进行了分隔屏截短后的炉内流场分析。 本文对锅炉模型进行冷态试验，采用五孔探针对炉膛出口截面不同测点速度 进行了测量。对比了分隔屏在4 种不同结构下，炉膛出口处气流切向速度变化，通 过最大流速偏差系数m ) 和速度偏差比e 两个指标，对速度场进行了分析。结果 表明：随着分隔屏长度的截短，炉膛出口下部区域左右侧烟气偏差没有恶化，反 而有所缓和，出口截面右下侧局部速度变化不大，不会出现烟气走廊。 在冷态模化实验的基础上，进行了冷态数值模拟，采用标准七一s 湍流模型、 s m 位l e 算法、q u i c k 格式模拟了炉膛内部空气动力场。详细分析了4 个分隔屏结 构下燃烧器o f a 喷口截面、屏区、炉膛出口截面速度变化，炉膛出口截面及局部 体积流量变化，冷态数值模拟结果表明：随着分隔屏长度的截短，炉膛出口处没 有出现局部气流速度过大区域，没有产生烟气走廊，与实验结果基本吻合。 为了掌握热态情况下炉内的流场结构，本文对实际锅炉分隔屏改造前后的不 同结构进行了数值模拟。采用两相流动模型、非预混燃烧模型及d o 辐射模型，得 到了分隔屏在原结构及分别截短1 m 、2 m 、3 m 的不同工况下，炉内烟气速度、烟气 温度、氧气浓度等的分布。对各结构的模拟结果综合分析表明，分隔屏截短后水 平烟道入口处左右侧烟气温度偏差并未加剧；后水平烟道入口右下侧没有出现烟 气走廊；水平烟道入口截面平均氧气浓度降低，说明可燃物燃尽过程提前。热态 模拟结果与锅炉实际运行结果基本一致。 关键词：四角切圆锅炉；分隔屏；冷态实验；数值模拟；流场 分类号：t k l 6 a b s 缸a c t a b s t i a c t a b s 。i r a c i ： t 纽g e n t i a l l yf i r e db o i l e ri sm a i n 幻，p eo fb o i i e ri 1 1 o u rc o u n 缸了p o w e rs t a t i o n n o n - u m f o m ig a sv e l o c i 够a i l d 锄：n p e r a m l ed i s t r i b u t i o n sh a v et o u 曲i n n u e i l c e so nm e s a f e t ya 1 1 de c o n o m yo fe 1 洲cp o w e rp l 趾t p r o b l 锄so fr e h e a ts t e 锄u n d e r h e a t i n 岛 e x c e s so fd e s u p e r h e a t i n gs p r a yn u ) 【a i l ds t e 锄t e m p 舭d i 鼠r e i l c eb e 咐e e nt 、 s i d e sa td l eh o r i z o n t a l 丑u e 瑚e ta r ee x i s t e dd 嘶n gt h eo p 耐i o ni na 蚀g e 芏l t i a l l yc o a l j 6 i 血l gb o i l e r 矗map o w e rp l a i l t t h i sb o i l e r0 p 耐e ss a t i s f a c t i 嘶1 y 雄e r2m e t e f s 仃u n c a t i o no fm es u p e r h e 栅p 硎t i o np l a t 吼l s c l c a v 她r eo nm e 删i n gg a sw o u l db e w e a k e na f t e rt h e 眦l c 撕o no fm ep 删t i o np l a t 钮1 s c o l d c o n d i t i o ne x p e r i m e n ta n d m l m e r i c a ls i n l u l a t i o na r eu s e dt oe v a l u a t em ea c 和i d y n 锄i cf i e l d s 锄dt e i n p e r a ：t u r e v a r i e t y1 1 n d e r4o p e r a t i n gc o n d i t i o n sb e f 0 a n da n e rt h es l l p e r h e a t e rp 枷t i o np l a t 甜l s a r e 饥m c a t e d ，t om a k es 1 1 r ei f m ef l u eg 嬲c o r r i d o rw o u 1 da p p e 札 n 呦u 曲t h ec 0 1 dc o n d i t i o ne x p 舒m e n to f 也i sb o i l 1 ea i r 丑o wt a n 刚i a l v e l o c i t i 器a r em e a s l l r e db yf i v e h o l ep r o b ea tm ei n l e to f 也eh o rf l u e ，m es p e e d v a r i a t i o nu n d e re ac ：ho ft h e4o p e r a t i o nc o n d i t i o n si si i lc o n 仃a s tw i t l le ac ：ho m e r t h e v e l o c i t ) rj e i e l dc a nb eo b t a i n e db yt h ea i l a l y s i so fm d ( m a x i 玎1 u mv d o d t ) ，d 训a l i o n ) a n de e l o c i 锣d 喇a t i o nr 鲥o ) 髓e nw ec a nd r 1 ws o m ec o n c l l l s i o n sb e l o w ：m e v e l o c i t ) ri i n b a l a n c ed o e s n tw o r s e nb e t w e e nt 、釉s i d e sa tt t l ei n l e to fh o r i z o n t a 】f l u e ，i t d e c r e 嬲e so nt t l ec o n l 工_ a r ) 7 l o c a lv c l o c i t ya tm e r i g mu n d e r s i d eo ft l l e a i c ee x i tv 撕e s l i t t i e ， m en u eg 嬲c o r r i d o rd o e sn o ta p p e a r n ec o l d 加m 酣c a ls i m m a t i o ni sc o n d u c t e db 嬲e d0 nt l 聆c 0 1 d s 眦ee x p 嘶m e n t t h et u r b 讪e n tm o d e lo fk - 、s i m p l ea l g o r i t h ma i l dq u i c k 伍n i t ed i 侬彻c em e m o d a r eu s c dt os i n m l a t em ea e r 0d ) ，n 锄i cj e i e l d t h ev e l o c 时v a r i e t i e so f 廿l eo f as p o u t s 硎o n 、p l a t e n 双l p 础e a t e ra e r o 锄dt h e 矗l m a c ee 虹ta r eo b t a i n e d ，a sw e l la st h ev 0 1 u m e n o wv a r i 啊a tm ef i l m a c ee x i t t h es i m u l a t e dr e 刚t sm i c a t em a t1 0 c a lv e l o c i t ) rd o e s n t t o oe x c e s s i 、，et oe n g e n d e rg a sc o r r i d o r t h e s ec o n c l u s i o n sa r ef 0 1 m dt 0b ei nl i n e 、斫m t h ee x p e r i m e m a lr c s u l t s t om a k es u r ci f 廿l ef l o w 丘d dc h a l l g e si nn l eh o tc o n d i t i o n ，i ti sn c c e s s 纠哆t 0 e v a l l l a t et h eo p e 枷n gc o n d i t i o n sb e f o r ea n da r e rt h es u p e r h e a t e rp 枷t i o np l a t e l l sa r e 栅l c a t e d m u l t i - n u i dt w o p h a s em o d e l ，i l o n p r e i n i xc o m b l 】s t i o nm o d e la n dd i s c r 战e o r d i n a t e ( d o ) r a d i a t i o nm o d e l a r eu s e di i lm en u m 萌c a 】s i n m l a t i o n v e l o c i 饥 t 锄p 咖e a n do x y g e l lc o n c e n 仃a t i o na r eo b t a i n e df o rd i 仃e 崩l tl e n g m 饥m c a t i o n so f t l l es u p e r h e a t e rp a r t i t i o np l a t 锄略t h es i n m l a t i o nr e s u l t s 血d i c a t em a t l et e l l 叩e r a t u r e i 埘b a l 锄c ed o e s n tw o r s e nb 咖e e nt w os i d e sa tm ei i l l e to f h o d z o n t a l 丑u e ，m en u eg 鹪 c 0 r i i d o rd o e si l o t 印p e a ra i l dt h eo x y g c 0 n c 删0 ng e t sr e d u c e dw h i c hi i l d i c a t e s m ec o l b u s t i o np r o c e s so fc o i d b u s t i b l em a t 舐a 1b e c o m e sf a 船n l er e s u no fm e s i i l m l 撕o nu n d e rh o ts t a t ei si l l 舢r d a n c e 、衍t hm ea c | n l a lo p e r a ：t i o n y w o i m s ： t a n g 础a l l y 丘r e d a c e ；s u p e r l l 船t e rp 枷t i o np l a t e i l ；c o l d c o n d i t i o n e x p 幽e n t ；枷如嘎e 打c a ls i n m l a t i o n ；n o wf i e l d 致谢 本论文的工作是在我的导师何伯述教授的悉心指导下完成的，何教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，对我们的学习和工作都有 很大的启迪。在此衷心感谢两年来何伯述教授对我的指导。 何伯述教授指导我们完成实验室科研工作的同时，在学习上和生活上都给予 了我们很大的关心和帮助，在此向何伯述教授表示衷心的感谢。 研究生学习及实验研究期间，严林博、闰娜、孙韶阳、姚放、李旭升同学以 及煤科院王永英同学、东汽技术开发公司徐振华经理都给予了热情帮助，在此向 他们表达我的感激之情。 感谢我的父母多年来对我的无私付出，对我做出任何决定都给予的鼓励、支 持和帮助，感谢亲戚和朋友们，是他们的关怀和支持使我能够顺利考上研究生， 完成自己的学业，在此向他们表示我诚挚的谢意。 最后，感谢各位专家的审查、点评和指导。 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国是世界第二大能源消费国，也是世界上最大的煤炭生产国和消费国【1 1 。我 国煤炭资源总量为5 6 万亿吨，其中已探明储量为1 万亿吨，占世界总储量的1 1 ， ( 石油占2 4 ，天然气占1 2 ) 。建国以来，煤炭在全国一次能源生产和消费中 的比例长期占7 0 以上。根据我国资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中的比 例，以煤炭为主体的能源结构在很长一段时间内不会改变【2 1 。 电力行业是我国煤炭资源的消费大户，2 0 0 3 年以来，火电发电量增长加快， 由1 5 4 0 0 亿千瓦时增长到2 7 2 1 8 3 亿千瓦时，年均增长率高达1 5 4 6 ，作为火电主要 原料的电煤消耗量也加快增加，电煤0 3 年消耗量为8 2 亿吨，2 0 0 7 年增长到1 3 0 5 亿 吨，年均增长率高达1 4 8 7 ，电煤占煤炭产量的比重进一步提高【3 】。“十一五”提出 单位g d p 能耗下降2 0 的目标在各省区任务的分解，使迸一步发展高效、低污染燃 烧技术，节约能源，保护大气环境成为关乎国计民生的重大课题。因此，作为一 个以煤为主要能源需求的发展中大国，随着电力事业的发展，燃煤需求量的不断 增加，对燃煤技术提出了越来越高的要求。近年来，我国火力发电机组朝着大容 量、高参数不断发展，国外先进的大型锅炉制造技术也不断引进，在提高煤的燃 烧稳定性和利用率，提高燃煤锅炉的运行可靠性、安全性、热经济性以及降低事 故率和污染物排放方面，都有很多工作需要去做 4 ，5 】。 我国火电机组的研制从5 0 年代中期6 m w 中压机组起步，到7 0 年代己具备设计 制造2 0 0 m w 超高压机组和3 0 0 m w 亚临界压力机组的能力，现已发展到6 0 0 m w 的 亚临界压力机组m 。 煤粉燃烧器是锅炉燃烧设备的主要组成部分，燃烧器的性能对燃烧的稳定性 和经济性都有很大的影响。性能良好的煤粉燃烧器应满足下列要求【7 j ： 1 ) 将燃料和燃烧所需空气送入炉膛，在炉内形成良好的空气动力场，使燃料 能迅速稳定地着火； 2 ) 及时供应空气，与燃料适时混合，造成必须的燃烧强度，使燃料在炉内达 到完全燃烧；燃烧可靠稳定，炉内不结焦，保证锅炉安全经济地运行； 3 ) 有较好的燃料适应性，具有良好的调节性能和较大的调节范围，以适应煤 种和负荷变化的要求； 4 ) n o x 的生成量控制在允许范围内，以达到环保的要求。 北京交通大学硕士学位论文 煤粉燃烧器按其出口气流特征可分为直流燃烧器和旋流燃烧器【7 j 。我国现役大 型火电机组的电站锅炉大多都是采用四角切圆燃烧方式。四角布置的直流燃烧器 喷流射向炉膛中心的假想切圆，形成很大的旋转火焰。这种燃烧方式具有许多优 点，如火焰充满度高、着火稳定性好、运行操作简单和煤种适应性好。但在实际 运行中也出现了新问题，随着锅炉容量的增大，炉膛断面和烟道宽度也增大，炉 内旋转上升气流在炉膛出口的残余旋转引起水平烟道左右侧烟速、烟温存在较大 的偏差。炉膛出口以及锅炉主、再热蒸汽温度的较大偏差，导致过热器和再热器 的爆管，严重影响到锅炉的安全经济运行以及电厂生产，经济损失巨大l s 1 0 】。 多年来，已有大量的研究者对切圆锅炉过热器及再热器热偏差问题进行过许 多分析和研究f l 。但是由于运行环境的差异和各方面非人为因素，热偏差依然大 量存在，所以解决热偏差的问题必须针对具体问题进行分析和实验。 本文针对某电厂一期( 2x6 0 0 m w ) 煤粉炉长期存在的再热蒸汽欠温、过热器 减温水过量、水平烟道左右侧气温偏差大等问题的解决方案，即为解决再热器欠 温、过热器减温水过量，对屏式过热器进行了改造前后实际尺寸不同工况下的热 态数值模拟以及按比例缩小的冷态模型的数值分析及实验研究，验证一套应用于 改进燃煤锅炉热偏差的优化方案，为此方案今后实施于相同问题的锅炉提供更可 靠的理论和实验依据。 1 2 国内外切圆锅炉炉内流场研究方法 针对大型燃煤四角切圆燃烧锅炉存在的烟温汽温偏差问题，机械电子工业部 将引进型锅炉烟温、汽温偏差的问题列入了国家重大技术装备“八五”科技攻关 项目，分别从试验研究和数值计算两个方面对锅炉烟温汽温偏差着手，探讨存在 的原因及其解决的措施。 1 2 1 切圆锅炉炉内流场实验研究方法 ，炉膛空气动力场的测试一般有两类，一种是炉膛热态测试，另一种冷态测试。 前者是在锅炉燃烧运行时，即炉膛炽热时，测试炉膛空气动力场，其难度较大， 一般应用较少；后者是在炉膛停用时，即炉膛为冷态时测试炉膛空气动力场。目 前炉膛空气动力场得实验研究方法已有不少种类，比较常见的有五孔探针法、热 线风速仪加飘带示踪法、激光( p ) 法，现在还有声波法。 锅炉冷态模化试验就是在冷态模型或实际炉膛中用冷态气流模拟没有燃烧升 温状态下的炉内流动情况，通过测量炉膛中气流各点的速度或显示炉内气流分布 2 第一章绪 论 情况，从而达到对炉内空气动力场进行研究的试验方法。 目前国内外常用的近似模化方法有纯几何法，峨- n e w b y 法和z e l k o w s k i 法等。纯几何模化法保证燃烧器出口边界条件相似，根据雷诺准则和欧拉准则， 当雷诺数r e i 2 3 x 1 0 5 时，欧拉数e u 值不再发生变化，则认为此时炉内气流运动已 进入第二自模化区： 怒：丝 ( 1 1 ) ， 式中：彤一炉膛水平截面气流上升速度， 扛为炉膛水平截面当量直径， 1 l 一为气体运行粘性系数。 国内有不少研究者采用纯几何相似的模化方法通过冷态试验对锅炉的炉内空 气动力场进行研究。 周俊虎，宋国良吲用速度偏差s 来衡量水平烟道内速度分布的不均匀程度： 占= ( 一) 吃 ( 1 - 2 ) 式中，圪分别为水平烟道内某一截面切向速度最大值，最小值和 平均值。 在水平烟道宽度方向上的烟速偏差会在对流受热面区域引起烟温偏差，且烟 速高的区域其烟温也高。在水平烟道内，烟速与烟温之间近似存在如下关系： 矿矽= ( r 乙) 4 ( 2 五一) ( 2 互一r ) ( 1 - 3 ) 式中：形一一流束的烟速，毗 厂斗均烟速，幽 弘一流束的烟温，k 砀平均烟温，k 乃- 炉膛出口烟温，k 。 同样采用左右侧速度偏差的还有周屈兰、窦文字【1 3 1 通过冷态和热态实验测量 研究了四角切圆燃烧锅炉的炉内流场特性。 徐宝山、刘晓东【1 卅等人在大型冷态空气动力场模化试验台上，利用热线风速 仪和烟雾飘带示踪技术，对不同燃烧器布置方式工况下的炉内空气动力场进行了 试验研究。试验所用冷态模型以盘山6 0 0 m w 机组设计方案为原型，采用几何相似 原则。 同样使用热线风速仪并辅以飘带示踪法的还有刘泰生、许晋源【1 5 】等人，以某 电厂国产6 0 0 m w 锅炉为原型建立了l ：4 0 的模型，试验布置见图1 1 和图1 2 。利用 热线风速仪对炉内流场进行了详细测量。流速测量主要在末级再热器后截面和屏 间上进行。采用2 个指标来评价烟气偏差：最大流速偏差系数帆d 及左右侧流量比 3 北京交通大学硕士学位论文 r ( 后文中的速度偏差比e ) 。 最大流速偏差系数：脚= 翌旁堕 左右侧流量比：尺= 赛 ( 形) 一水平烟道沿宽度方向最大流速； 矿水平烟道平均流速； 赡、级分别为水平烟道中右侧和左侧的气流流量。 ( 1 _ 4 ) ( 1 - 5 ) 图1 1 锅炉总体布置简图 图1 - 2 屏区布置简图 m v d 适于评价系统性偏差。由于锅炉水平烟道中的烟温、烟速和汽温偏差， 是由于炉内空气动力场的固有特性造成的，是系统性偏差。脚也与我国锅炉性 能设计中壁温计算方法接轨。采用饥，d 评价水平烟道中烟速偏差是合适的。 刘勇、魏风、唐必光【1 6 】以某电厂3 0 0 m w ，1 0 2 5 t l l 锅炉为模型，针对水平烟道 的烟温偏差问题，进行了锅炉整体冷模试验，对炉膛上部、水平烟道及转向室处 烟气的流动进行模拟，明确了水平烟道内引起烟温偏差的烟气速度场偏置的具体 情况及尾部烟道气流分布的特性。 1 2 2 切圆锅炉炉内流场数值研究 对于锅炉的试验研究，由于试验条件、设计各方面的限制，即使十分简单的 试验也是十分困难的，需要消耗大量的人力、财力，同时，锅炉试验结果的重复 性差也是一个重要问题。七十年代初以来，大型计算机以及计算流体力学、计算 传热学和计算燃烧学的迅速发展，使得目前已有可能用数值模拟的方法计算并预 4 第一章绪论 测锅炉炉膛及水平烟道的流场、壁面热流、燃烧，有效地提供进行最优化设计的 完整数据，大大减少试验所用的人力、物力、财力。 燃煤电站锅炉炉内过程的数值模拟是深入认识煤粉燃烧过程的重要理论方 法，目前己受到广泛的关注和研究。近年来，德国、英国、美国及中国等国的学 者相继发展了锅炉炉膛煤粉气流燃烧过程数值计算的研究工作，并己经推出了这 方面的商业软件，其中f l u e n t ，p h o e n i c s ，s t 扑c d 和c f x 等大型软件最具代 表性。 w i l l i a m s 等人和e a t o n 等人对煤粉燃烧过程的数学模型和算法给出了详细 的综述，预计了未来的主要研究方向。利用计算流体动力学( c f d ) 的理论和方法， 对煤粉与空气混合物燃烧过程进行数值模拟，对炉内流动、传热、传质和化学反 应的控制方程组进行求解，得出炉膛内部烟气速度、温度、气相组分浓度和颗粒 相浓度的空间分布，进而指导煤粉燃烧锅炉的设计和运行。 a b b a s 和l o c k w o o d 等对前墙布置燃烧器和切向燃烧两种类型的锅炉进行了气 相燃烧模拟，采用离散传播辐射模型，所得的冷态流场模拟数据与试验值相吻合 【1 9 j ，燃烧室的模拟开始走向大型的炉内模拟。 b o y d 和k e n t l 2 0 j 对5 0 0 m w 四角切圆锅炉进行了模拟，气相湍流采用七一s 双方程 模型，离散传播( d t ) 辐射模型，比较完整地模拟出炉内的气体速度场和温度场 分布、组分浓度、颗粒运动轨迹及壁面辐射热流量，数值计算结果与热线风速仪 测量结果相符。 g o m e r 和z i n 9 2 1 】对侧墙有8 个燃烧器的锅炉炉膛进行数值模拟，采用七一占湍 流模型，煤粉热解用一方程模型，计算得出气相流场、颗粒运动轨迹、焦炭和c 0 2 的浓度分布。 c i h s 【2 2 】对5 m 1 5 m 1 3 m 的锅炉模型进行了冷态数值模拟，并与实测结果进 行了比较，提出了防止伪扩散的方法，即“节点迎风格式”。 李彦鹏，何伯述团j 利用空度概念及其数值方法，对采用二次风反切技术时的 炉内流动过程进行了数值研究，得出在二次风反切情况下，炉膛切圆直径明显减 小。刘林华，余其铮在p c g c 2 阱】二维计算程序的基础上，针对烟温偏差问题，建 立炉内煤粉气固两相流动、燃烧、传热过程的三维数学模型，计算过热器和再热 器沿炉膛宽度方向的吸热偏差。孙锐，李争起等【2 5 】利用p h o e n i c s3 5 对2 0 0 m w 四 角切圆水平浓淡燃烧煤粉炉进行数值研究，得出不同二次风风量情况下，炉内各 截面处的烟气温度、燃料浓度、以及炉内辐射热流分布。姜秀民，崔志刚【2 6 】利用 燃烧数值模拟程序对6 7 0 t l 四角切圆锅炉进行三次风与o f a 风反切工况数值研究。 周萍，徐琼辉等人t 2 7 】利用流体力学计算的商业软件c f x _ 4 3 ，对炉膛内温度场、速 度场、浓度场进行了数值研究。 5 北京交通大学硕士学位论文 切圆煤粉锅炉燃烧数值模拟研究中，使用得最多的模拟软件是f l 切巳n t 脚j 。 f l u e n t 主要用于来求解二维和三维流场，是目前功能最全、使用最广泛的c f d 软 件之一，广泛用于模拟流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。 何伯述、王丽俐等人采用f l u e n t 对大港电厂3 号锅炉再热器超温问题进行了 数值研究，分析反切风的投入量、投入方式、二次风是否下摆等因素对末级再热 器入口截面的烟气速度和温度分布的影响。陈志兵、宋亚强采用f l l u e n t 6 1 软件 对四角切圆燃煤锅炉的炉内过程进行数值模拟，分析了炉膛内温度场、速度场和 气相各组分的浓度场的分布规律，计算结果与实际炉内过程取得了较好的一致性， 为研究四角切圆锅炉炉内过程提供了参考。赵立业、辛国华采用f l u e n t 对6 0 0 m w 切圆燃烧锅炉炉内的流动、传热及燃烧进行了数值模拟f 2 9 - 3 l 】。 1 3 控制热偏差技术现状 1 3 1 二次风反切 为了解决大型四角切圆燃烧锅炉的烟速、烟温偏差问题，二次风反切技术近 年来得到了应用。燃烧器喷口采用一次风反切、二次风反切或者几种反切方式相 结合，反切气流与主体旋转气流间进行激烈的动量、质量交换，产生湍流耗散使 主体气流旋转强度降低，减小炉膛出口气流残余旋转，从而改善水平烟道中左右 侧烟气速度分布的不均匀性。 文献【1 2 1 【2 6 】【2 9 】【3 2 1 通过数值模拟和冷态试验相结合的方法，研究得出，燃烧器上 部风反切可以减小炉膛切圆直径，有效减小水平烟道烟温烟速偏差，并通过比较 得出上二次风反切是更为可行的改造方案，反切角度合理的二次风反切，可有效 抑制炉膛出口的烟速和烟温偏差。 1 3 2 受热面改造 炉膛上部的屏对切圆燃烧产生的旋转气流具有消旋、导流作用，对烟气偏差 有较大影响。因此，通过改变分隔屏与炉膛前墙的距离，改变分隔屏与后屏的距 离，或者改变屏式过热器的结构，从而改善烟气偏差情况将为解决热偏差问题提 供另一条途径。 文献1 5 】【3 3 】【蚓从改变屏的结构、在管屏中间安装节流短管、改变屏的位置等方 面，从烟气侧与蒸汽侧来减小热偏差。 6 第一章绪论 1 3 3 燃烧器布置改造 锅炉采用切圆燃烧方式时，水平烟道烟温分布不均的根本原因是烟气进入水 平烟道时残余旋转的存在。为了削弱气流的残余旋转，通过改变燃烧器气流引入 方向，减小切圆直径，改变燃烧器结构与摆角等方法也有利于减小残余旋转。文 献【3 5 1 中有介绍。 1 4 本课题的研究内容及意义 1 4 1 课题来源 某电厂一期( 2 6 0 0 m w ) l 号煤粉锅炉实际运行中长期存在二次汽( 再热汽) 欠温、过热器减温水过量、水平烟道入口左右侧汽温偏差大的问题。而对锅炉运 行的安全性和经济性带来了不利影响，经理论分析及数值模拟研究，对过熟器分 隔屏受热面进行截短2 米改造，改造完成后锅炉运行稳定，各负荷下二次汽温达到 了设计值、过热器减温水平均下降了3 0t l l 左右、左右侧汽温偏差明显减少，取得 了满意的改造效果【3 引。 文献1 3 7 j 对改造前后不同工况进行了热力计算分析，并与实际改造结果进行对 比，吻合较好。本文从截屏改造出发，通过冷态试验与数值模拟相结合的方法， 对截屏改造后的炉内流场变化以及是否出现烟气走廊等问题进行分析。 1 4 2 研究内容 本文主要任务是，计算所研究的四角切圆锅炉在屏式过热器分别截短不同长 度后炉内空气动力场的变化。 四角切圆锅炉炉内气流的具有强烈旋转的特性，因此进入屏区的气流仍然带 有残余旋转，分隔屏与后屏在与烟气进行热交换的同时，还能起到有效切割以及 导流旋转气流的作用。本课题中采用将分隔屏长度截短改造后，对旋转气流的切 割作用会减弱。水平烟道入口截面左右侧烟速偏差会有所加剧，进而引起烟温偏 差加剧。由于气流还存在着贴壁现象，大部分气流还以贴壁形式进入屏区，引起 水平烟道烟气局部速度过大而出现烟气走廊。 理论分析、试验研究及数值计算是工程研究的基本手段。在实际工作中将这3 种方法有机的结合起来，可以起到相互补充和促进的作用，并且能够使试验研究 工作更为有效。为了研究锅炉截屏改造后的运行效果，本文以该电厂锅炉为研究 7 北京交通大学硕士学位论文 对象，从数值模拟和冷态试验两方面入手，进行炉内流场分析。 本文主要分三部分进行研究： 一、以该电厂锅炉为原型按1 ：3 5 比例建立了冷模试验台，采用纯几何相似的模 化方法进行冷态模化试验。在冷态空气动力场模化试验台上，根据影响水平烟道 流场的因素，对炉膛上部进行辐射式换热的分隔屏分别进行截短2 8 7 m m 、5 7 4 n 吼、 8 6 1 姗改造，对改造前后锅炉炉内空气动力场进行了试验研究，利用五孔探针对 不同工况下炉膛出口烟速大小及方向进行测量，掌握锅炉上炉膛以及水平烟道中 气流分布特性，对比得出最合适的工况。 二、利用f l n t 6 3 数值模拟软件进行冷态数值模拟，利用前处理软件 g a m b i t 按原炉结构1 ：3 5 建立冷态数值模型，研究分隔屏截短前后4 种工况( 与实 验工况一致) 下燃烧器上部以及炉膛出口流场分布、变化情况。主要研究截屏改 造后，水平烟道入口会否出现烟气走廊。将冷态实验得出的水平烟道入口截面左 右侧烟气速度偏差与此模拟结果对比，验证模拟方法适用性。 三、利用f i ，1 甩n t 6 3 数值模拟软件对锅炉原型实施热态模拟，对分隔屏在原 结构及分别截短1 m 、2 m 、3 m 四种工况下锅炉燃烧设计煤种时炉内煤粉燃烧过程及 流场进行数值模拟计算，以考察截屏改造后炉膛出口截面的左右侧烟速烟温偏差 是否加剧、会否出现烟气走廊及对炉内煤粉燃烧有无不利影响等，对分隔屏截短 改造后的效果从数值模拟的角度加以理论分析。 1 4 3 实验部分 按纯几何相似原理，冷态试验台与原锅炉比例l ：3 5 缩小，由有机玻璃板制成。 试验台主要由一台冷态锅炉、四个送风机、一个引风机、八个皮托管、八个传感 器、一个五孔探针、五套五孔探针夹具、一台旋风分离器、一个布袋式除尘器、 一台巡检仪组成。巡检仪控制风机风速的大小，以及开关的控制。八个皮托管分 别连接八个传感器并连接到巡检仪上。 测速装置采用球形压力五孔探针，五孔探针不仅可以实现对总压、静压的测 量，同时能对气流的三维流动方向进行较准确的测量。如图1 3 为本实验所使用五 孔探针示意图。 8 第一章绪 论 y ，- = 卜、。 爱要磋至：，3 。 il o k jt _ ”工。一_ _ _ _ _ ， i ： ” 飞 凰| 探针头探针杆活动角标 固定表盘测压接头 图1 3五孔探针头部与尾部排管对应图 主要测压仪器为倾斜式微压计，根据流体静力学原理，利用液柱所产生的压 力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力的大小。 在炉膛出口布置两个测点c 1 和c 2 ，测量不同工况下这两个点x 轴向速度变 化情况。 本实验共进行4 个工况，各工况的分隔屏结构设置如表1 1 所示： 表1 1 各工况屏结构介绍 1 4 4 数值模拟部分 数值模拟分为两部分： 第一部分对炉膛模型进行冷态模拟，分析几个不同工况下炉膛燃烧器区域以 及炉膛出口的速度场，计算气流在c 1 、c 2 为起点的沿炉膛宽度方向不同点的x 轴向速度，并与冷态试验得出的结果进行对比。 第二部分对锅炉原型进行热态数值模拟，分析4 种工况下分隔屏水平中心截 面、炉膛出口处温度场、速度场的分布规律的变化，气相组分浓度场的分布变化。 前期采用g a m b i t 软件进行几何结构的建立和网格的生成，设置边界条件。 为了划分网格的方便，将炉膛分成了若干个区段，分别生成网格。 后期利用t e c p l o t 软件进行数据处理。 数值模拟部分在第三、四、五章会有详细的描述。 9 北京交通大学硕士学位论文 如图1 4 为锅炉冷态模型的结构图： 1 5 本章小结 x ，m 图1 _ 4 冷态试验台模型本体 本章简述了四角切圆燃煤锅炉燃烧特点，以及运行中存在的问题，介绍了炉 膛中烟气偏差成因与危害；四角切圆锅炉国内外实验研究与数值研究现状，国内 控制热偏差方面采用的常用技术；提出了本课题来源，介绍了研究内容及基本方 法，从冷态试验和数值模拟两方面着手。 l o 第二章炉膛模型冷态实验研究 第二章炉膛模型冷态实验研究 冷态模化是指冷炉实验时模拟没有燃烧升温状态下的炉内流动情况，设计新 炉和电厂新炉投入运行时，可通过模化试验或冷炉试验来了解掌握流动规律，验 证和修改设计运行方案；对已运行的不正常的燃烧设备，可通过冷炉试验找出其 修正措施。 2 1 模化设计 2 1 1 自模化区确定 利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流 动所受到的阻力。冷态模拟试验的理论依据是”驯：当r p 数变到足够大的时候气流 完全处于湍流状态下，当尺e 1 0 5 时，外加的压力差产生的惯性力远远大于气流 内部的粘性力，粘性力的作用可以完全忽略，此时流动便进入了第二自模化区， 流动状况会显示出不再随鼬数的增加而发生变化的特性。 冷态模化不能完全准确描绘炉内复杂的物理化学过程，只能对炉内流动过程 提供一些定性的结果，要使等温模化试验尽可能接近真实情况，提出了相似原理， 进行炉内冷态模化试验时应遵守的原则是【3 卅： ( 1 ) 模型和实物几何相似； 模型和原型锅炉几何相似就是要求模型和原型锅炉整体及内部结构几何参数 对应成比例。 ( 2 ) 保持气流状态进入自模化区； 所谓气流运动进入自模化区，是指当尺p 大于某一定值后，眈值不再随胎变 化而变化，此时惯性力起决定性作用，粘性力的影响可以忽略，气流质点的运动 轨迹主要受惯性力支配而不再受尺p 影响。欧拉数眈反映了流体流动中压力的影 响，计算公式为勖= p p v 2 。 通常大型锅炉的j r e 值很高，如果让缩小了几十倍的模型的尺p 与原型热态运 行胎数值相等，则模型中的流速要比锅炉原型中大很多，这是很难实现的，此时 可以利用自模化区的特点，用较低的尺e 值来进行试验，可以实现在较低的胎下 试验而得到相同的结果。 当r 晓4 5 1 0 4 时，勘接近于常数，表明该炉进入自模化区。确定炉内自模化 区的关键是准确测定燃烧器区域附近和炉膛出口两截面间的压差p ，对大多数锅 北京交通大学硕士学位论文 炉，r 忿1 0 5 即进入自模化区，进入自模化区的临界雷诺数如表2 1 。 表2 1四角布置锅炉进入自模化区临界雷诺数尺 ( 3 ) 边界条件相似。 边界条件相似指原型和模型炉内燃烧器喷口组合射流的运动相似和力学相似 的前提。因此： 1 ) 保持模型和原型锅炉炉内燃烧器各对应喷口射流动量比相等； 2 ) 保持模型和原型锅炉炉内燃烧器区气流旋转动量与燃烧器喷口射流动量之 比相等； 3 ) 保持模型和原型锅炉炉内上升气流动量与燃烧器喷口射流动量之比相等。 2 1 2 冷态模化原理 冷态模化时，除保持冷模气流运动进入自模化区，模型与实物几何相似外， 还应遵守一定的边界条件，其中最主要的是考虑进入炉内各股气流之间的关系。 影响炉内流动工况最主要的参数是动量，因此保证模型与实物之间的动量比相等 是十分必要的。以角标o 、m 分别代表原型和模型，角标l ，2 ，3 分别代表的是 一次风、二次风和三次风，厂代表喷口面积、w 代表平均流速、p 、朋分别代表密 度及煤粉质量流量，若质量流量为聊p 。则模型和实物一、二次风的动量比可写成： 竺! 丛垡丛：! 竺1 2 ! ! 兰旦 磁2 材1 j l ，掰2 d w ! d ( 2 - 1 ) 实物一次风动量是由一次风和煤粉动量组成： + ( 聊。+ 所p ) m 。= ( 岛厶w d + 所p ) 。= n 。z 。屹( 1 + 二) = ( 1 + 助) 局。石。以 。 n o ，l d w l d ( 2 - 2 ) 式中：为一次风中煤粉的质量浓度；七为考虑煤粉流速与风速不同的系数， 可以取近似值0 8 ： 1 2 第二章炉膛模型冷态实验研究 层“肼屹一( 1 + 幽豳记 晚m j 2 满mp 2 0 】西 、 一 为保持动量比相等，模型的一二次风速比为： w l 肼一嵋d md 若燃烧器几何相似，即：砉= 老，则有： ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 老= 老摆筹糯舡， 泣5 ， w 2 0 、ff w + 2 7 3f l d + 2 7 3 、 同理可写出二三次风速比的公式： 兰丝：鳖 w mw j o 冷态试验中“= 乞m ，式2 5 、2 6 还可进一步简化。 ( 2 6 ) 速度的绝对值可以用达到自模化区时尺e = w d y 1 0 5 的关系式求出，冷模平 均速度为： w = _ = l = 一 足e ，y y l o dd 所需送风量：q 3 6 0 0 哦罴 式中：f 为冷漠实验风温，为冷模炉膛横截面积。 燃烧器二次风模型和实物的欧拉准则相等： 肋w2 棚蔫= 彘 由此可以确定冷态模化时二次风速： 嘞晤荨 ( 2 7 )。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 流阻拿纽的比值可以任意选择，但必须出于自模化区，风机容量尽量选择较 锄d 大值，以提高风速测量的准确度4 1 1 。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 风量计算 锅炉内部工况在第二自模化区运行时，炉膛内部属于粘性流体运动，考虑粘 性力时，r e 对粘性流体的流动状态起决定性作用，由( 2 7 ) 可得： r e ：旦丝：丝( 2 1 1 ) 刁 y 式中m ，一定性速度，对于炉膛可取为气流的平均上升速度，耐s ； 仁定性尺寸，对于矩形炉膛可取其水力当量直径，计算公式为： d ：兰堕 ( 2 1 2 ) 口+ 易 口和6 矩形两边长，m ； 严流体密度，k 耐； 矿确体动力粘度，k 咖s ； y ：旦流体运动粘度，m 2 s 。 p 由冷态模化原理，气流进入第二自模化区后，确定模型最低风量，取定一次 风量，由上节介绍方法求出二次风喷口风速。同理可以求出其他喷口风速。本实 验台炉膛每角燃烧器的一、二次风由同一台一、二次风机送风，因此，每角的一 次风喷口的风速均相等。同理，二次与o f a 风速也相等。 冷态模化炉内参数进入第二自模化区内，此时尺纠5 1 0 4 ，勘接近于常数， 对大多数锅炉，足晓1 0 5 即进入自模化区。本实验计算，取肛1 0 5 。实际炉膛已知 量：一次风质量流量4 6 8 6 k s ，二次风质量流量2 5 7 2 蝇，s ，一次风标准体积流量 1 31 2 9 0 n m 3 m ，二次风标准体积流量7 2 0 5 5 0 n m 3 m ，一次风温2 8 4 ，二次风温 2 9 0 。计算中用到的燃烧器尺寸参数见下节表2 1 。 1 ) 计算进入自模区时冷模炉膛横截面积的平均流速w ： 炉膛当量直径：d - 2 0 4 9 8 o 5 3 ( 0 4 9 8 + 0 5 3 ) = 0 5 1 3 5 室温下空气运动粘度：v = l5 5 3 10 由m 2 ，s i 沁1 0 5 时，由( 2 1 1 ) ： 1 ，= r p x ，付= 1 5 5 3 1 0 _ 6 1 0 s 0 5 1 3 5 = 3 0 2 4 m s 2 ) 由( 2 - 8 ) 可得出进入第二自模化区最小送风量： q ：3 6 0 0 w e ，堡：3 6 0 0 3 0 2 4 o 4 9 8 o 5 3 ：2 8 7 3l n 3 m q = 3 6 0 0 w 蒜2 3 6 0 0 娃0 2 4 o 鹪8 娥5 3 。2 8 7 3 m j m 1 4 第二章炉膛模型冷态实验研究 3 ) 炉膛需要的体积流量：3 0 2 4 o 4 9 8 o 5 3 ：o 7 9 8 岔s 4 ) 冷态模型中燃烧器二次风喷口总面积( 因0 f a 喷口与二次风采用同一个风 机送风，因此二次风喷口总面积为二次风与o f a 喷口面积之和) ： 2 3 2 1 0 0 0 ( 3 8 + 1 2 5 1 + 2 2 1 7 5 ) 1 0 0 0 4 = o 0 1 4 9 m 2 同理冷态模型中一次风喷口总面积： 2 3 2 10 0 0 2 0 3 4 1o o o 6 4 = = o 0 113m 2 5 ) 一二次风模化速度比值兰竖： w 2 吖 老= 嚣挎舄篇c ，俐，幻旷锄 w 2 md 、乞m + 2 7 3 d + 2 7 3 、 。7 1 兰生：丝 w 2 mw 2 d 嵋d 2 1 3 1 2 9 0 ( 2 8 4 + 2 7 3 1 5 ) 趁7 3 1 5 3 6 0 0 0 1 1 3 3 5 ) 2 5 3 6 m s w 2 d = 7 2 0 5 5 0 ( 2 9 0 + 2 7 3 1 5 ) 2 7 3 1 5 ，3 6 0 0 ，( 0 0 1 4 9 3 5 ) - 2 2 4 9 6 m s 旦丛= 5 3 6 2 2 4 9 6 x ( o 9 8 9 3 1 4 0 7 5 ) o 5 = 0 2 8 1 吖 旦旦：( 4 6 8 6 “8