（工程热物理专业论文）电站锅炉燃用水煤浆炉内结渣、传热及污染物排放特性的研究.pdf

浙江火学硕士学位论文王岭 摘要 摘要 y $ 3 7 # 0 4 我国的能源结构是以煤炭为主，煤炭大量开采和低效利用带来了严重的环 境污染。水煤浆是一种低污染、高效率、流动性强的代油新型清洁燃料，本文针 对广东省茂名热电厂2 # 油炉改烧水煤浆示范工程，对锅炉改造后的结渣特性、 炉内传热特性和污染物的排放特性进行了试验研究。 本文首先采用k e 双方程模型对水煤浆侧边风燃烧器进行了数值模拟， 并与实际锅炉燃烧器冷态调试试验结果对比，结果吻合较好，这为我们分析炉内 空气动力场特性提供了参考：其次对锅炉结渣动态特性试验，采用x r d 的分析 方法，较为准确的描述了实际锅炉结渣的过程；最后为了准确的判断出水煤浆的 结渣倾向，本文对锅炉结渣的七个影响因素提出了模糊综合判断模型，正确的反 映出了该水煤浆的结渣倾向。 本文介绍了燃油锅炉改烧水煤浆后炉内传热及其污染物的排放测试结果。 包括温度场、火焰黑度、过热器管壁温度、排烟温度、排烟成分。这些数据表明 了燃烧水煤浆的一些特点，可以为改烧水煤浆锅炉的改造和设计提供参考。 关键词：水煤浆炉内传热数值模拟火焰黑度锅炉改造排放 浙江大学硕士学位论文壬岭 摘要 a b s t r a c t c o a ii st h em a i ne n e r g yi nc h i n a se n e r g ys t r u c t u r e b u tt h el a r g e q u a n t i t ye x p l o i t a t i o no fc o a ia n d l o w e f f i c i e n c yc o n s u m i n gb r i n gs e r i o u s p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t c o a l - w a t a rs l u r r yi san e wt y p eo fc l e a n f u e ia sar e p l a c e m e n tf o ro i i t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e s t so fm a o m i n g n o 2o i l - f i r e d2 2 0t hu t i l i t yb o i l e rb e i n gr e t r o f i t t e dt of i r ec o a l - w a t e rs l u r r y , i n c l u d i n gs l a g g i n gt e n d e n c y ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e sa n dp o l l u t a n t e m i s s i o n s f i r s t l yt h ek t w o - e q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e | i su s e di nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rt h es i d e a i rb u r n e r ，c o m p a r e d w i t ht h ep r a c t i c a im e a s u r e s a n d t e s t s ，g o o da c c o r d a n c ea c h i v e s t h i s m e t h o dc a n b r i n gg r e a t c o n v e n i e n c ei n a n a l y z i n ga e r o d y n a m i c a if i e l d o fb o i l e r s e c o n d l yt h e m e t h o do fx r di su s e di n a n a l y z i n gt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o ni nt h e c o u r s eo fd y n a m i cs l a g g i n gt e s t 。s ow ec a nd e s c r i b et h ep r o c e s so f s l a g g i n gc o m p a r a t i v e l ya c c u r a t e l y l a s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do f f u z z ym a t h e m a t i c sm o d e l w h i c hc o m p r i s e sa na s s e m b l a g ec o m b i n e d b y s e v e n c h a n g e f a c t o r t h i sm o d e lc o r r e c t l yj u d g e st h es l a g g i n gt e n d e n c y o fak i n do fc o a l - w a t e r s l u r r y m e a s u r e m e n t sa r et a k e no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ，f l a m ee m i s s i v i t y , s u p e r h e a t e r t u b ew a l i t e m p e r a t u r e ，e x h a u s tg a st e m p e r a t u r e a n d c o m p o s i t i o n t h e s ed a t ar e p r e s e n ts o m es p e c i a lf e a t u r e so fc o a l - w a t e r s l u r r yc o m b u s t i o na n dm a ys e r v ea sr e f e r e n c ed a t ad u r i n gt h ed e s i g n a n d r e t r o f i t t i n go f ab o i l e rf o rf i r i n gc o a l - w a t e r s l u r r y k e y w o r d s ：c o a l w a t e r s l u r r y h e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f l a m e e m i s s i v i t y b o i l e r r e t r o f i t t i n g e m i s s i o n s 塑翌_ 大兰堡主堂堡堡壅兰坚墅二童i 堕 第一章绪论 s 1 1 引言 我国能源资源荠不十分丰富，供应十分紧张。在各种能源资源中，最具有 实际意义的是煤炭、石油与天然气、水能和核能资源。由于我国人口众多，能源 的人均资源占有量是世界人均资源量的l 2 ，仅及美国人均资源量的1 1 0 川。 根据第1 5 届世界能源会议提供的资料，世界媒炭经济可采储量情况见表 1 1 。 表l i世界煤炭经济可采储量( 亿吨) i国家烟煤次烟煤褐煤 总计 独联体 1 0 4 0 03 7 0 ，01 0 0 0 02 4 1 0 0 0 美国 1 1 2 6 6 89 5 9 2 93 1 9 6 3 2 4 0 5 6 1 中国 6 2 2 03 3 7 01 8 6 o o1 1 4 5 0 0 澳大利亚 4 5 3 42 7 o4 1 9 o o9 0 9 0 0 德国 2 3 9 1 95 1 6 5 0 8 0 0 ，o o 印度 6 0 6 4 81 9 o o6 2 5 4 8 南非 5 5 3 3 35 5 3 3 3 波兰 2 9 6 0 01 1 6 0 04 1 2 0 0 印度尼西亚 9 6 27 0 5 42 4 0 4 73 2 0 o o 全世界 5 2 1 4 1 31 8 9 4 8 63 2 8 2 8 41 0 3 9 1 8 3 在我国各种能源资源中，煤炭资源最为丰富，1 9 9 5 年保有量1 0 0 8 7 0 8 亿吨， 屠世界第三位。估计在遗下深1 5 0 0 米以内的煤炭资源总量为4 0 0 0 0 亿吨。在保 有的煤炭储量中，烟煤占7 0 以上，褐煤占1 4 ，无烟煤占1 4 ，我国已探明 的石油资源为7 0 多亿吨，其中可粟健量仅1 6 亿吨：已据明的天然气资源3 1 3 0 亿米3 。煤炭占我国各种化石燃料资源总储量的9 5 以上。 从我国能源资源的储量、当前能源生产和消费角度看，煤炭是我国最主要 的一次性能源( 表1 - 2 ) 。 表i 一2我国能源生产总量及掏成 能源生产总壁占能源生产总盈( ) 年份 ( 万吨标准煤)原煤原油天然气水电 1 9 5 24 8 7 l9 6 7】32 o 1 9 6 21 7 1 8 59 4 94 80 92 9 1 9 7 03 0 9 9 08 1 61 4 11 23 1 1 9 8 06 3 7 3 56 9 42 3 83 o3 8 1 9 8 57 6 6 8 27 2 82 0 92 0 4 3 浙江大学硕士学位论文王岭第一- 章绪论 1 9 8 9】0 】6 3 97 4 ，119 32 04 6 1 9 9 01 0 3 9 2 2 7 4 21 9 o2 o4 8 1 9 9 31 1 1 0 5 97 4 01 8 72 o 53 1 9 9 51 2 8 7 2 8 7 5 51 6 71 8 60 从能源消费总量及构成看，煤炭自1 9 8 0 年以来所占的比例一真在7 5 左 右，石油和天然气约占2 0 ，水电约占5 ，因此煤炭仍然是我国最主要的能源 r 表l - 3 ) 。 表1 3 我国能源消费总量及构成 能源消费总量 占能源消费总量( ) 年份 ( 万吨标准煤)原煤原油 天然气水电 1 9 5 79 6 4 49 2 34 6 0 13 o 1 9 6 21 6 5 4 08 9 - 2 6 60 9 3 2 1 9 7 02 9 2 9 1 8 0 91 4 70 9 3 5 1 9 8 06 0 2 7 5 7 2 22 0 7 3 14 0 1 9 8 57 6 6 8 2 7 5 81 7 1 2 24 9 1 9 8 99 6 9 3 4 7 6 01 7 12 0 4 9 1 9 9 09 8 7 0 3 7 6 21 6 62 1 5 1 1 9 9 31 1 5 9 9 37 4 7 1 8 21 95 2 _ 1 9 9 51 2 9 0 0 0 7 5 o1 7 3 1 85 9 6 2 6 4 这种以煤为主要动力燃料的状况将会长期存在。煤炭也是我国主要 的民用燃料，其中7 0 供应城市。 我国煤炭占能源生产和消费总量直稳定在7 5 左右，这一状况至少在最 近2 0 3 0 年内不会改变。由于在一次能源卒消费石油的比例大于石油在化石能 源资源储量中所占的比例，且这一比例不断在增大，因此今后石油的供应，如仅 依靠国内资源将会越来越紧张。随着国民经济持续的增长，煤炭生产和消费的总 量还将继续增长我国的能源结构、能源利用及其与环境的关系与世界其他国 家相比，具有如下的特点【2 j ： ( 1 ) 初级能源以煤为主： ( 2 ) 人均能源消费水平低； ( 3 ) 煤炭生产以地方和集体矿为主； 1 4 ) 原煤入选率低； ( 5 ) 煤炭消费构成复杂： ( 6 ) 能耗高，利用率低，浪费严重； ( 7 ) 烟煤型大气污染严重： 浙江大学硕士学位论文王龄 第一章绪i 仑 f 8 ) 硫酸型酸雨问题严重l j 】。 因此，在中国洁净煤技术九五计划和2 0l 0 年发展规划纲要中，选 煤和型煤被列为我国洁净煤技术的首选项目。与此同时，国家经贸委目前也f 在 积极推进洗选煤在各个行业特别是电力行业的应用，这无疑将推动煤炭加工的发 展步伐。 中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭大量开采和低效利用带来了严 重的环境污染，造成的经济损失高达几于亿元【4 l 。对此，1 9 9 5 年国务院专门成立 了国家洁净煤推广应用领导小组，批准了洁净煤技术的2 0 1 0 年发展规划。目前， 中国己成为了世界上最大的洁净煤市场。 1 2 具有战略意义的洁净燃料水煤浆 石油是我国另一主要一次能源产品，其资源十分有限，预计到下世纪将逐 步枯竭。目前，石油作为燃料烧掉的仍有3 0 0 0 1 0 a t ，其中6 0 0 0 m w 电站油炉 消耗2 0 0 0 1 0 4 t ，工业炉窑消耗为1 0 0 0 1 0 4 t 。从国家的长远利益出发，节约用 油、压缩烧油，保证不断增长的交通运输和石化工业发展需要的石油，是我国现 定的能源政策。可见，发展水煤浆技术，不但可高效、低污染的利用煤炭，而且 还可节约用油、缓解煤炭运输，是一项具有重大意义的，带有方向性的低污染代 油技术【5 6 - 们。 长期以来人们一直在考虑，假如煤炭也能像石油一样便于管道运输、燃烧 和储存，同时又能减少污染物的排放，必然会有良好的经济、社会和环境效益， 但由于有大量廉价的石油供应，因而一直未付诸行动。7 0 年代的石油危机给以 石油为主要能源供应的西方各国的冲击很大，人们竞相研究以煤代油的技术。煤 炭的气化与液化虽然已有成熟的技术，但投资大、成本高难以普遍推广替换现 有的燃油系统，因此通过物理加工获得的煤浆燃料受到了人们的重视。 7 0 年代，西方发达国家包括美国i s j 、加拿大、日本等纷纷投入大量的人力 和物力寻求代油燃料，进行水煤浆技术的开发和试验，并取得成熟技术，展开了 商业化应用。俄罗斯建有世界规模最大的年生产能力达2 0 0 万蟪鑫勺别罗沃水煤浆 制各厂，其输送管道长达2 6 0 公里。日本拥有目前世界上应用规模最大的东京勿 来发电厂6 0 0 m w 机组豹燃用水煤浆工程( 与媒粉、油混烧) 。我国从1 9 8 2 年开 始研究至今，建成有厂( 车间) 8 座，形成的总能力有1 5 0 万吨以上。和国外相 比，我国的主要差距是设备能力小、厂型小，缺乏规模效益，应用锅炉容量小。 但水煤浆代油具有的战略意义，已引起了我国政府的重视。近几年，中央领导多 次亲临水煤浆试验现场考察，指出应该把水煤浆技术作为一个战略问题来看待。 煤炭工业管理部门将其列入“十五”计划作为重点发展项目。 制备常规水煤浆的原料煤，一般是经过洗煤厂的洗精煤。经过湿法磨制成 浙江大学硕士学位论文王岭 第章绪论 颗粒直径为5 0 2 0 0 p m 的煤粉浆，这些煤粉浆经过浮洗净化处理，除去其中大 部分的狄分和硫分，再经过过滤和脱水，然后加入化学添加剂调制成合格的水煤 浆成品燃料。图1 一l 为制备水煤浆工艺流程图。由于在制备水煤浆时加入了总 量不超过2 的化学添加剂，以降低水煤浆的粘度和提高其稳定性，使水煤浆具 有类似6 号燃料油的流动特性。 图i - 1 水煤浆工艺流程图 由于制备水煤浆的原料煤是经过洗选的，原料煤浆通常的含灰量为7 1 0 ，洗选后其含硫量大为降低，燃烧后产生的飞灰量及二氧化硫的含量比一般的 燃煤锅炉低。此外水煤浆还含有3 5 左右的水分，使水煤浆火焰温度比煤粉燃 烧时低1 5 0 2 0 0 ，水蒸气在燃烧时的还原作用，会使n o x 还原为n 2 【9 j o 因此 水煤浆是一种清洁的燃料，可以解决煤炭燃烧造成的环境污染问题。 浙江大学是我国最早研究煤浆燃烧技术的单位，在1 9 7 8 年开始在国家计委 和中国科学院组织领导下，开展了油煤浆技术的研究，并在鞍钢电厂1 0 0 t h 锅炉 上加以实现，通过了国家鉴定。1 9 8 1 年3 月浙江大学向国家科委、科学院、煤 炭部建议开展水煤浆代油燃料的研究。之后由国家教委和煤炭部分别列入国家 “六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目，并成立了国家水煤浆工程技术研究中 心。并在白杨河电厂s 万千瓦机组水煤浆改造工程i i o 】、北京造纸厂热电联供煤 代油改造工程l 、广东省茂名热电厂水煤浆改造工程l ”1 1 1 3 1 等取得了良好的效果。 浙江入学硕1 “学位论文乇岭 第一章绪论 s 1 3 锅炉沾污结渣的危害 水煤浆中含有6 0 7 0 的煤粉，而煤粉中含有一定的灰分，因此燃油锅 炉改烧水煤浆后，要注意受热面的沾污结渣状况。 锅炉炉内沾污结渣所引起的主要问题有”4 j ： f 1 ) 沾污、结渣会降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面沉积后，由于 其导热系数很低，热阻很大，一般沾污数小时后水冷壁的传热能力会降低3 0 6 0 ，使得炉内火焰中心后移，炉膛出口烟温相应提高。 ( 2 1 由于炉膛出口烟温提高，使得飞灰易粘结在对流和屏式过热器上，引起 过热器的沾污和腐蚀。 f 3 ) 积灰会使省煤器和空气预热器堵塞、传热恶化，从而提高排烟温度，降 低锅炉运行的经济性。 ( 4 ) 由于总的传热阻力增大，会使锅炉可能无法维持在满负荷下运行，只好 增加燃料量，引起炉膛出口温度进一步提高，使灰渣更容易粘在受热面上，形成 恶性循环，导致发生一系列锅炉恶性事故，如过热器、省煤器管束堵灰、爆裂等。 ( 5 ) 在高温烟气作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生 复杂的化学反应，形成高温腐蚀。因此，沾污、结渣可看作高温腐蚀的前兆。 ( 6 ) 由于积灰、结渣、腐蚀及磨损而造成经济损失可归纳如下： ( i ) 经国内外资料统计，由于炉膛及排烟温度的提高，致使锅炉平均效率降 低l 2 ，并增加了煤耗： ( i i ) 只能低负荷运行。如某台 2 0 0 m w 锅炉燃用灰熔点低的煤( t l = 1 1 4 0 ) ，结渣严重时只能在4 0 负荷 下运行，还经常被迫停炉。 ( i i i ) 要经常停炉检修，因少发电 而带来了很大的经济损失，国外统计 表明，5 0 0 m w 机组每停运一天就要损 失1 0 万美元以上。 ( i v ) 要增加大量的检修费用，如 清渣、更换炉管等所需费用。据国外 估计，美国每年因锅炉受热面沽污、 结渣而带来的各种经济损失总和达2 0 1 0 0 亿美元。 图l 一2 示出了锅炉燃煤烟气侧 污染产生的危害过程。 图1 2 烟气侧污染危害 浙江大学硕士学位论文王岭第一章绪论 因此对于锅炉的沾污结渣状况的研究是非常有必要的。影响结渣的因素 主要有三个方面：煤灰成分与组成，炉膛环境温度，炉内空气动力场。 1 4 本文研究的内容 广东省是个耗油大户，1 9 9 9 年消耗燃烧油1 2 5 0 m t ，占全国燃料油总消 耗量的1 3 。由于近年来，燃油价格不断攀升，已造成大部分燃油电厂停机备用。 今后的油价也会因为石油资源的日益枯竭和国际石油组织的政策而居高不下。这 些因素已影响而且必将继续影响燃油电厂的正常运行。 广东省茂名热电厂2 # 炉为苏t k 3 制造的tn 一1 5 a 型2 2 0 t h 锅炉，原设 计为燃煤锅炉。该锅炉1 9 5 8 年制造，1 9 6 1 年安装，1 9 6 8 年1 月改烧重油，配备 2 台2 5 m w 抽凝式气轮机发电机组。2 0 0 1 年1 月，茂名热电厂委托浙江大学对2 # 燃油锅炉实施改烧水煤浆工程。最终于2 0 0 1 年1 2 月改造成功投入连续烧水煤 浆运行。 本文主要研究的是广东省茂名热电厂2 # 炉的炉膛沾污结渣特性、炉内传热 特性和污染物的排放特性，具体包括： 用k s 双方程模型，采用求解压力耦合方程的半隐方法- - s i m p l e 法来对 锅炉炉内冷态空气动力场进行数值模拟计算1 1 6 】，从而得到锅炉炉内空气动力场 的流场特性继而研究其对炉膛结渣的影响： 用硅炭棒做炉膛结渣厚度的动态实验，通过x 光多晶衍射，对不同时间段 的渣样进行成分物相分析，从而得到实际锅炉中炉膛结渣的过程【17 j ： 对所取得的灰样进行灰成份分析，通过模糊数学的综合判断模型来分析水 煤浆的结渣倾向1 1 8 】； 通过热力计算以及实际锅炉运行监测的数据，来对比锅炉燃油和燃水煤浆 传热特性： 对锅炉排放物进行成分分析，来检验水煤浆是否为清洁型燃料。 6 浙江人学硕十学位论文王岭 第二章炉内冷态空气动力场的模拟 第二章炉内冷态空气动力场的模拟 2 。l 引言 燃烧过程是一个复杂的物理一化学过程。虽然一般说来，它是一种放热的 氧化反应，但是物理过程，特别是能量，质量和动量的交换过程，对燃烧系统仍 起着重要的作用。在大多数工业燃烧巾，对总反应速度起决定作用的是物理过程 的速度。 燃烧实践中最关心的是如下的问题： 1 燃烧过程着火的稳定性问题： 2 燃烧强度，也即容积燃烧率问题； 3 火焰与新鲜的燃烧空气混合物以及与燃烧室环境介质间的热、质交换问 题； 4 与燃烧过程有关的结渣、腐蚀等安全性问题。 为了研究着火的稳定性，必须研究火焰传播的机理和火焰传播的速度。而 火焰传播的速度与燃烧室内的流动状态和流动结构有密切的关系。在紊流流动条 件下，由于质交换和热交换都显著增加，因而使火焰传播的速度也增加。如果在 燃烧室内有对流流动时( 譬如回流区) ，火焰传播速度将进一步增加。因而，是 否有回流区和回流区的参数与着火的稳定性有密切的关系。而这些因素都与燃烧 器和炉内空气动力场有关。炉内的空气动力场组织的好坏，对锅炉结渣具有举足 轻重的作用：炉内空气动力场不良，造成火焰偏斜，不仅燃烧不完全，而且出现 局部还原气氛、气流刷墙、局部高温等现象，往往要引起受热面结渣。 2 2 控制流体流动状态的基本微分方程 1 连续性方程 连续性方程是流体力学中质量守恒的表达式。对于任何一个化学组分茁，其 组分连续性方程为： 昙c 刚+ 毒帆p vm 沪毒卜引帆 其中：r 。为化学反应引起的组分r 的产生( 或消耗) 及多相反应产生的本 组分的质量源；l 是化学组分誓的运输系数。 浙“：火学硕士学位论文王岭 第二章炉内冷态空气动力场的模拟 将上式对各个r 进行相加，即得到整个流体的连续性方程 詈+ 丢c 户塾 f 2 1 ) 其中：r 为颗粒反应引起的质量总源项，当无颗粒相反应时r 。= 0 2 动量方程 动量方程的一般形式可写成： 掣+ ( 附卜挈峨( 2 - 2 ) 饼积 。 麟 其中：= p 岛一 考+ 等j + 詈等嘞，为流体的粘性系数，而 回= ?；：；瓯则包括各种体积力和阻力在i 方向上的分量。 3 能量方程 流体的能量方程可写为： 掣+ 掣= 孙瓦a t 蝎v 小刚肼 p s ， 其中：方程左边表示单位时间内单位质量流体总能量对时间的变化率；右边 第一项为热传导引起的单位体积能量变化，第二项为作用在表面上( 正应力和切 应力) 在单位时间内对单位质量流体做的功，第三项为外界通过热辐射、化学反 应或其他方式传入的热量，第四项为外力( 如体积力) 等做的功。 方程( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) d f l 未知数与方程数相等，该方程是封闭的，只要适当 描述边界条件和初始条件就应该能够解决任何流体流动问题。但事实上人们发 现，在实际的自然界和工程装置中流动往往是端流流动，而湍流是在个很小的 湍流尺度上进行的，求解这样一组方程也必须在湍流尺度的网格尺寸内进行，这 是目前计算机容量和速度还无法实现的。因此，求解湍流n a v i e r - s l o k e s 方程还 必须从其他方面寻求进一步的方法，这就是我们所说的湍流模型方法。 2 3 湍流模型 2 3 1 引言 浙江人学硕士学位论文王岭 第二章炉内冷态空气动力场的模拟 自o s b o r n er e y n o l d s l8 7 6 l8 8 3 年试验粘性流体在小直径中流动时，发现 紊流流动现象后，紊流的流动和传热一直是研究的主要方向。关于紊流流动数学 模拟计算的方法，迄今已经被采用的大致有三类： 1 1 完全模拟( o r s a g ，p a t t e r s o n1 9 7 2 ；l e o n a r d ，c l a r k1 9 7 4 ) ：用非稳态n a v i e r - - s t o k e s 方程来对紊流流动直接进行计算； 2 ) 大涡旋模拟( d e a r d o r f f ，1 9 7 0 ) ：用非稳态的n a v i e r - - s t o k e s 方程来直接 模拟紊流中的大尺度涡，而不是宜接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似 模型修正； 3 1 雷诺时均方程法：将非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对时间作平均，根据 对湍流物理性质的理解作出假设。建立起紊流的脉动值附加项与时均值之间的关 联式，使方程封闭。 正如上节所述，虽然流体力学的基本方程从形式上讲已经封闭而不必引入新 的方程，由于完全模拟和大涡模拟在对紊流流动进行数值计算时，需要采用较小 的时间步长与空间步长而受n t 计算机内存和容量的限制。因此，雷诺时均方程 法在目前工程紊流数值计算中应用较为广泛。 2 3 2 时均湍流运动方程的导出 为了求解n a v i e r - - s t o k e s 方程，将方程中的任一物理量用平均值和脉动值 之和的形式，对上节的方程组进行时均化，就获得了一组时均方程式： 1 ) 时均连续方程为： 善( 乃魂+ 鬲) + 昙西- i ，一m k + 石面+ v 一鬲+ i ，万+ m , v j = 芸以婴) + - g j“j 总连续方程为： o 扩旦p 岳( 万，i + 而= 砉百 2 ) 时均动量方程 9 浙江火学硕士学位论文王岭 第二章妒内冷态空气动力场弁勺模捌 言( 万i + 瓦) + 善( 万，ii + 万_ 万+ i 万+ i 万+ 雨) 孚+ i 其中气= 硪夏荨+ 丢 + ；万每毛+ ；莓 3 ) 时均能量方程 叫鲁+ 拳 昙函五+ 两+ 鲁6 ，i 氟一p 可+ 巧一, o h 再瓦+ 面) = 讣雏c 呱对瓦 这样得到得时均方程可用以妒为标量参数得统一形式： 昙西；+ 而+ 昙( i ；+ 石，历+ i 面+ ；_ p v j + 雨 = 和豺i 要求解此方程就必须对脉动量乘积得平均值迸行模化，从而获得方程得封 闭，得到可求解的方程。对这些脉动量乘积的不同模拟方法就形成了不同的湍流 模拟。 2 3 3 各种湍流模型简介 1 8 7 7 年，b o u s s i n e s q 提出湍流粘性系数的概念【2 l 】，即： 一p 访钒c 豢+ 善， 在此后的百余年里时间，围绕湍流粘性系数“以及r e y n o l d s 应力发展了一 系列湍流模型如：p r a n d t l 混和长度模型、单方程模型、k 一模型等等。其中应 用范围较广、相对较简单、声誉较好的要数j o n e s ，l a u n d e r 和s p a l d i n g 等人提 出的k f 双方程模型f 2 2 , 2 3 , 2 4 j 。 此外，在对非稳态n a v i e r s t o k e s 方程时均化后产生的脉动附加项( 布歹j ) 处理中，一些学者提出了确定脉动附加项的雷诺应力法，通过对时均形式的 n a v i e r - - s t o k e s 作各种运算，导出关于脉动值附加项的偏微分方程，由于在推导 过程中引入了更高阶未知量，需对更高阶的附加项建立方程，又由此引入了阶数 浙江_ 人学硕士学位论文王岭 第二章炉山冷态空气动力场的模拟 更高的附加项，因而，必须建立适当模型爿可以使方程组封闭。 近年来，随着计算机容量的增人，直接模拟r e n o l d s 应力的代数应力模型 ( a s m ) 1 2 5 】和应力运输模型( d s m ) 1 2 6 1 得到越来越多的应用。与k 一模型相 比，a s m 和d s m 都考虑到压力一应变关联( 应力的再分配) 和离心力一湍流相 互作用等更为复杂的物理机理。 a s m 是根据r o d i 近似，将偏微分的运输方程简化成代数方程，即认为： 二! ：c o n s l ( k 为湍流动能) ，从而得到v ，v ，的代数关系式： 半( ；匕叫= 局_ ， 而d s m 的一般形式是： 掣咆= 弓嘲啊 表2 1 简要总结了目前已有的主要湍流模型、提出者及其主要思想。 表2 - i 粘性不可压缩气体湍流流动的数学模型 分类紊流模型提出者主要思想 p r a n d t l ( 1 9 2 5 ) 混合长度模型“= 砌2 陋方f 零方程模型 v o n k a r m a n ( 1 9 3 0 ) 相似律 舻肚2 蕞装阴 假设模型 卡门系数r = 0 4 k o l m o g o r o v ( 1 9 4 2 ) p r a n d t l ( 1 9 4 5 ) 湍 流 单方程模型 e l l o r ( 1 9 6 6 )“= c 。肚f 粘 性 b r a d s h o w ( 1 9 6 7 ) 系 数 n e e k o v a s z n a y ( 1 9 6 8 ) k o l m o g o r o v ( 1 9 4 2 )k 一厂漩涡频率，= k “2 l 双 周培源( 1 9 4 5 ) 方 程 模 d a v i d o v ( 1 9 6 1 ) 型k 一占能量耗散= 驴7 2 l h a r l o w - n a k a y a m a ( 1 9 6 8 ) j o n e v l a u n d e r ( 1 9 7 2 ) 浙江大学硕士学位论文壬岭第一搴炉内冷态空气动力场的模拟 r o t t a ( 1 9 5 1 ) k 一，= 湍流标尺 s p a l d i n g ( 1 9 6 7 ) r o t t “1 9 6 8 ) ，( 1 9 7 1 ) k k l r o d i s p a l d i n g ( 19 7 0 ) = 能量与标尺面积 n g s p a l d i n 猷1 9 7 2 ) k 一国 s p a l d i n 豇1 9 6 9 ) 甜= k l 2 涡量脉动均方值 h a n j a l i c ( 1 9 7 0 ) l a u n d e r ( 1 9 7 2 ) k e f 三方程模型 h a n j a l i c - l a u n d e r ( 1 9 7 2 ) k s r 周培源( 1 9 4 5 ) o t t a ( 1 9 5 1 ) d a l y - h a r l o w ( 1 9 7 0 )直接建立r e y n o l d s 应力方程。 湍流应力模型 a n j a l i c - l a u n d e k l 9 7 2 )模化使方程封闭 雷诺应 m e l l o r ( 1 9 7 3 ) 力模型代数应力模型 r o d i ( 19 7 6 ) 警( 圭匕叫= 丘鸲飞 ( a s m ) 应力运输方程模型 l a u n d e v r e e c e - r o d i ( 1 9 7 5 ) 掣也= 魄气 ( d s m ) 2 3 4 本文采用的模型和微分方程 实际燃烧器及四角切向燃烧锅炉炉内流动是一个非常复杂的三维流动过 程。描述其运动的方程可从质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律推出。 本文采用在工程上广泛应用的k 占双方程模型，其封闭的直角坐标系下的偏微 分方程组可写成如下通用形式： 鲁( 却) + 昙( p _ ) + 专( p 。庐) + 未( p t ) ：嘉( 。罢) + 孔刳+ 鲁( 。警) q p 4 其中，妒，0 ，s 。各项的含义由表所示： 浙江大学硕j ：学俯论文王蛉第：章炉内冷态空气动力场的模拟 表2 - 2 ，l ，s t 含义表 项 方程 l s 西 连续性方程 l0o 一面+ 瓦【够瓦) + 面( 鲋丽) + 瓦( 彬面) ， x 轴向动量 “ “国 一j 2 瓦o ( 雄) 一可+ 瓦( 咿矽+ 万峋矽+ 瓦彬万 y 轴向动量 v 酐 一了2 面o ( 肚) 一i + 面( 盯瓦) + 丽( 盯瓦) + 瓦( 玎i ) z 轴向动量 w 耻呵 一了2 瓦o ( ) # 唾 湍流动能kq p 6 盯t 够 g - g 。三_ c ：p 三二 湍流动能耗散率 占 盯 口 能量方程 o 盯 表中：盯= + r ；r = c u p k 2 ； c 僦= 硝 z c 罢r + c 考，2 + c 豢1 + c 考+ 塞户+ 毫+ 面o w r + c 罢+ 老，0 各通用常数所取的值为：c ，= 0 0 9 , c o = 1 0 ，c l = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 , c r f = 1 0 ，吒= 1 3 。 浙江犬学硕j ：学位论文王岭 第二 炉内冷态空气动力场的模拟 2 4 求解湍流运动微分方程组的数值讨算方法 2 4 1 引言 描述三维多相流体湍流运动及燃烧过程的控制微分方程已经在上节中建 立，仔细分析方程( 2 - 4 ) ，不难发现它具有以下特点： 1 ) 非线性方程中存在因变量或它们的导数的非一次项，主要表现在对流项 和化学项反应项： 2 ) 多变量：方程中存在x ，y ，z ，f 四个自变量，是三维非稳态过程； 3 ) 强耦合：各方程不互相独立，因变量交错的存在于各个方程中； 4 ) 定解条件复杂：实际情况是多种多样的。 以上几个特点决定了这些微分方程不可能用解析法求解，而只能将微分方 程离散后，以计算机所擅长的数值迭代法求解。 微分方程离散成代数方程，其本质通常是用积分区域有限数目的孤立点上 的不连续的函数值取代函数定义域内的连续函数值【2 7 , 2 8 。目前，常用的离散化方 法有4 种，即：有限差分法、有限单元法、边界圆法和有限分析法。有限单元法 在固体力学的分析中发挥了巨大威力，尤其是在处理不规则的边界问题时具有明 显优势，但在处理流体力学中特有的对流项肘遇到了困难：边界单元法在求解较 为简单的微分方程时只需将边界离散化，具有计算量小的优点，但在处理有对流 项和源项的问题时还须在计算区域内部离散化，这样原来的优势也就不存在了； 有限分析法力图将微分方程的解析解与数值解联系起来，利用微分方程在计算区 域内局部的解析解，把函数在某一网格点的值与其相邻点上的值联系起来，构造 离散化的方程组，这种方法虽然较为准确，但耗费较多的计算时间，而且在求解 局部分析解时常会遇到困难：有限差分法目前被认为是处理流体力学问题时最有 效的离散化方法，它具有物理意义明确、计算简单、易于实现等优点，加上贴体 的坐标变换方法，有限差分法正愈来愈显示出强大的生命力而被广泛应用。 2 4 2 前人的工作 求解不可压n a v i e r - - s t o k e s 方程最早的是t h o r n ( t 9 2 8 ) ，他用流函数和涡函 数作参变量，把n a v i e r - s t o k e s 方程转换为流函数涡量方程求解。由于不能直接 求出压力场和边界条件，流函数涡量法的应用受到了较大的限制，只能用于二维 浙江人学硕士学位论文王岭 第二章炉内冷态空气动力场的模拟 流动问题的求解l 。 在以压力、速度为参变量的原始变量法中，控制方程组离散后得到的压力速 度的代数方程组，直接在给定的代数方程系数下同时解出p 和“、v 、w ，所需计算 机内存大、耗时长。而p 、“、v 、w ，各类变量独立的、有序的进行分离式求解的 方法，在目前大多数对流换热数值求解中被广为应用。 然而，在对压力一速度参变量进行分离求解时，却会遇到一个问题：压力本 身没有控制方程，它是以源项的形式出现在动量方程中。压力与速度的关系则隐 含在连续方程中，如果压力场是正确的，则据此压力场而解得的速度场必满足连 续性方程。如何构造计算压力改进值的方程，成为分离式求解方法中一个关于速 度与压力耦合处理的关键问题。 目前较为流行的压力修正法就是用来改进压力场的一类算法，通过假定或上 次计算所确定的压力场安次序求解“、v 、w 的代数方程，由此得到的速度场未必 能满足质量守恒，因而必须对给定的压力场加以修正。把由动量方程的离散形式 所规定的压力和速度关系代入连续性方程的离散方式，从而得到压力修正值方 程。由压力修正方程得出压力改进值，进而改进速度，反复计算，获得收敛解。 由此而得出的求解压力耦合方程的半隐方法- - s i m p l e 法( p a t a n k a r ，s p a l d i n g ， 1 9 7 2 ) 在求解不可压缩流体的n a v i e r - - s t o k e s 方程数值求解中应用十分广泛。同 时也不断的被各国学者改进和发展。目前已有：s i m p l e 法( p a t a n k a r ，1 9 8 0 ) ； s i m p l e s t ( d b s p a l d i n g ，1 9 8 1 ) ：s i m p l e c ( v a n d o o r m a l j p ，r a i t h b y ，g d ， 1 9 8 4 ) ，s i m p l e 的d a t e 修正方案( d a t e ，a w ，1 9 8 6 ) ：d u m p i n ( r a i t h b y ， g d 和s c h n e i d e r ，g e ，1 9 7 9 ) 。 c h o r i n ( 1 9 6 7 ) 求解了用速度、压力作参变量的原函数n a v i e r - - s t o k e s 方程。 利用p o i s s o n 方程计算压力、动量方程计算速度，将动量方程垂直投影到边界的 外法线上而得出压力的n e u m a n n 条件，来构造求解压力场的方程，由此压力场 最后计算速度场。这种投影方法( c h o r i n ，1 9 6 8 ：t e m a m ，1 9 6 9 ) 和标记格子( m a r k e r a i l d c e l l 简称m a c 法，h a r l o w ，w e l s h ，1 9 6 5 ) ，以及罚函数法( t e m a m ，1 9 6 5 ) 在求解三维非稳态不可压粘性n a v i e r - - s t o k e s 方程中，具有一定的代表性，且已 引起人们广泛的兴趣【2 9 】。 2 4 3 本文采用的数值计算方法 浙r 大学硕_ ：学位论文王岭 第一章炉内冷态空气动力场的模拟 由于s i m p l e 方法对直流燃烧器内这类非旋转射流的模拟是非常成功的， 所以本文对炉膛内单相流体控制微分方程组的求解采用了该方法。其主要步骤如 下【2 0 】： ( 1 ) 首先建立交错网格； f 2 ) 建立有限差分方程： ( 3 ) 估计整个积分区域的压力分布p + ； ( 4 ) 用雅克比逐点校正法解动量方程，得到速度场u + ，v + ，w + ： ( 5 ) 建立和求解压力校正方程，得到p ( 6 ) 求速度校正值u ，v ，w ，得到校正后的速度分布u = u * w u 等： ( 7 ) 校正压力分布，p = p + a p ，其中a 是松弛因子； ( 8 ) 把求出的p 作为下次迭代的估计值，重复( 1 ) 到( 5 ) ，直到收敛 计算中采用低松弛，即a 3 0 6 0 的条件下满足。当y 4 c 1 1 2 2 5 时，可以认为 u + = y + 另外，固体壁面处速度用无滑移条件处理，即垂直于壁面的速度和切向速 度都应为0 。 2 5 2 燃烧器冷态调试试验 试验的目的：通过试验，了解燃烧器的制造安装质量及特性，对各角配风 进行调平，观察和测量燃烧器出口气流流动状况及炉内切圆大小、位置及气流贴 壁状况，为锅炉热态运行提供资料，保证水煤浆的稳定燃烧。 试验内容和方法： 我们仅在全烧水煤浆的额定负荷( 投用1 0 只水煤浆枪) 工况下进行，中心 风停用，各喷口风速调整值按炉内冷态模化试验各种射流冷热态动量比相等原理 计算来确定的，其调整值分别为( 试验时风温为3 0 c ) ： 一次风风速： w l = 1 5 4 4m s 侧二次风风速：w e 2 = 1 6 8m s 上二次风风速：w s 2 = 2 0m s f - - 次风风速：w x 2 = 2 1m s 试验调整方法如下：启动送、引风机，保持炉膛负压为0 3 0 p a ，调整试验 在全部中心风和l # 和3 # 角分别为中层和上层燃烧器的一次风和侧二次风管风 门关闭状态下进行，按侧二次风一 一次风一 下二次风一 上二次风顺序对各次 风按确定的调整值进行精调，与调整值的偏差允许5 。 燃烧器出口中心轴线方向如下图所示： 蚪一 鲨 丛 三 协 浙江人学硕士学位论文王岭 第二章炉内冷态空气动力场的模拟 0 # 燃烧器 次风 # 燃烧器 j # 燃烧器二# 燃烧器 图2 - 3 炉膛内切圆布置示意图 一次风出口轴线的切圆大小为8 0 0 m m ，侧二次风的出口轴线切圆大小为 1 0 0 0 m m 。 炉膛断面的速度场，我们是在炉内中层水煤浆燃烧器出口中心平面纵横十 字坐标线，用转杯风速仪进行断面速度场测量。示意图见图2 _ 4 ，每隔5 0 0 m m 测一个点的速度。 图2 - 4 测试平面示意图 测得的速度如下： 塑坚奎堂堡主堂篁堡壅e 坚 塑三兰塑塑堡查至墨垫垄堑竺型一 幽2 - 5 左右侧墙中心连线速度分布 左右侧墙中心线速度分布( 从右到左) -i驴2 1 曼l i i i1 1 i l _ 1 。儿h j j 。) 寸。叫。吲。寸o ) 寸 o 矗小茁茁oo茁西d岛 图2 - 6 前后墙中心连线速度分布 乏。 通。 捌：