（工程热物理专业论文）电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量.pdf

摘要 本文针对目前国内电站锅炉主要采用的四角切圆燃烧方式的二次风系统进行流 动特性分析。由于二次风系统多支管、阀门调节、短通道的结构特性，传统的测量 方式运用于二次风系统时或多或少受到限制，本文采用三维数值模拟的方法，对系 统进行了研究。 对应于二次风系统的结构特性，本文模拟了9 0 。直角弯道、空风道( 不装阀门) 及阀门变化下的流场，并对阀门开度变化的各个工况进行了详细的模拟和分析。在 数值模拟中，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 风道出口的流量系数。 另外，本文还建立了二次风系统几何实验模型并进行了模化实验研究，采用等 面积法测量了模型风道出1 3 流量，并对实验模型的各组工况进行了数值摸拟。通过 实验测量值与模拟的结果的对比分析，可以采用一定的方法对模拟的结果进行构造 得到测量值。通过这种方法，能够预测风道的出1 3 流量，从应用角度来看这是非常 有意义的。 关键词：二次风系统结构特征数值模拟 流动特性 冷态模化实验 a b s t r a c t t l l i st h e s i sc o n c e r n sw i t ht h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca b o u tt h es e c o n d a r yw i n ds y s t e m o fp o w e rp l a n tt a n g e n t i a lf i r i n gb o i l e r b e c a u s eo ft h es n l l c n l i ef e a t u r e so ft h es e c o n d a r y 、i n ds y s t e mi ss os p e c i a l w h i c hc o n t a i n sm a n ye m b r a n c h m e n t 、v a l v ea d j u s t m e n ta n d s h o r tt u b e , t h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n ti sm o r eo rl e s sl i m i t e db yt h es p e c i a ls y s t e m s t h e s i se s t a b l i s h e dt h e3 - dm o d e l so ft h es y s t e mt os i m u l a t e ，a n d s t u d yt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c c o r r e s p o n d i n gt ot h es t r u c t u r ef e a t u r e s ，t h es i m u l a t i o no b j e c ta r er e s p e c t i v e l yr i g h t a n g l er e c t a n g l ed u e ta n de m p t yd u c t a l s ot h es y s t e m sw i t l ld i f f e r e n tv a l v ea n g l e c o n d i t i o n sa r es i m u l a t e d a n da l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l ea n a l y z e d i na d d i t i o n , t h ee x p e r i m e n t sa t ed o n et oe x a m i n et h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o n s t h es m a l is c a l em o d e li sc o n s t i t u t e d 1 1 1 ef l u xo ft h ed u e te x i t sa r em e a s u r e di nt h e m e t h o do fe q u a l - a r e am e a s u r e m e n t a f t e rc o m p a r i n gt h em e a s u r e dr e s u l t sw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h ep o s s i b i l i t yt oc o n s t i t u t et h em e a s u r e dr e s u l t sa c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sb ys o m em e a n s t h u s i ti se a s yt op r e d i c tt h eo u t f l o wo ft h e s y s t e mb yt h es i m u l a t i o n 1 1 l i sw i l lm a k es e n s et oa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s e c o n d a r yw i n ds y s t e m s i m u l a t i o n f l o wc h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n t s t r u c t u r ef e a t u r e sn u m e r i c a l n o r m a lt e m p e r a t u r es i m u l a t i o n 主要符号表 变量 下标 压强( p a ) 体积流量( m 3 s ) 焓( k j k g ) 流量系数 速度( m s ) 密度( k g m 3 ) 当量直径( m ) 粘度( k g ( 小s ) ) 雷诺数 误差 标定系数及偏差系数 温度( k ) 临界 进口及编号 出口 v p q h q v p d p风e a t 声明 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： 2 凸蟛年参月2 弓日 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_ 蕃童艮盔驯年易月矽日 堡士论文电站锅炉= 次风系统的数值模拟与测量 l 绪论 1 1 选题背景 在电站锅炉的送风系统中，一般分为一次风，二次风和三次风。其中，一次风 的主要作用是送粉和提供着火后燃烧所需的空气；二次风的作用主要是提供燃烧后 期所需的空气直至燃尽。在电站锅炉运行中，保持适当的二次风速及风率是建立正 常的炉内空气动力场和稳定燃烧的必要条件，文献表吲，正确使用二次风，能有 效地提高锅炉的热效率；如果二次风调整不当，就可能会导致燃烧失稳，安全性下 降。另外，随着能源价格的提高和能源紧张的压力，人们日益重视二次风的作用， 研究了二次风的进风速度、喷嘴角度等对燃烧的影响，对二次风布置不合理的锅炉， 在喷嘴形式、喷口尺寸、喷口的安装角度及二次风率等方面进行了改造【1 0 1 3 1 。但是 在研究的过程中，较多的是考察二次风喷口的平均速度对燃烧过程的影响，而对于 气体在二次风系统内的流场分布缺乏深入的整体研究。然而事实上，正是二次风在 系统内的流动特性决定了其出口速度从而影响了燃烧过程，因此，本文提出对于二 次风系统流动特性的研究。 1 2 研究进展综述 在电站锅炉二次风系统中，热风是由二次风总管分配到炉膛各角的二次风箱， 再由二次风箱到分配到各个二次风道，经过喷口进入炉膛。从某个二次风道来看， 其入口是二次风箱，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口条件复杂。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 二次风的测量 l 21i 传统二次风的监测手段 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、速度型和质量 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种，就只有速度型测量元件有可能用于二次风的流量 i 硕士论文电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 测量，传统的二次风的监测基本上采用速度型测量元件传统的监测手段主要有两 种 1 4 - 1 5 j ： 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 6 1 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。 1 2 1 2 近年来针对二次风系统的测量技术概况 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 埘，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。贵阳发电厂9 号炉为了安装机翼型测速元件进行 2 塑量文电站锅炉二次风系统的数值模拟与铡量 了下列改造i lg i ：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6 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 系统，正确指导运行人员进行二次风量的调节。 赵永刚等 t g - 2 2 j 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，张庆欣等歼发出一种新型周向涡轮流量计田l ，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 噪音可以被降低至0 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，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。 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。 本文作者也曾参与热示踪型二次风量测量方法研究，该方法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。 耳前，国外锅炉( 主要是c e 公司的四角切圊燃烧方式) 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 二次风的数学模型和数值模拟 在对二次风风量进行调整时，调节挡板开度是锅炉控制运行的一个重要手段。 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， 顼士论文电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 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， 难于傲般意义上的推广。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 l 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1 2 5 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 - n 型w 火焰 锅炉为算例，计算结果符合实际情况。 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 e 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 用软件与实验结果相符合 2 6 - 3 0 1 。但是针对于二次风的模拟，目前研究还较少，美国 的b o b b yg m a l o n e 【3 l l 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【3 2 】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。 由上述可知，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 而日渐受到人们的重视，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。在计算机技术成熟的今天，数值模拟提供了人们另外 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 4 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动特性获得清 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 ) 使用c f d 商用软件f l u e n t 来计算在不同来流速度、管道几何结构、阻力 件状态下的支管流量分配特性： 2 ) 分析各种不同的条件对支管流量分配特性影响及其程度的大小： 3 ) 使用带有四个二次风喷口的二次风系统的几何模型对二次风系统进行模化实 验研究，测量喷口的流速。 4 ) 将数值模拟结果与实验结果进行对比分析。 硕士论文电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 2 二次风系统结构及一般测量方法 2 1 锅炉二次风系统介绍 目前，国内采用四角布置切圆燃烧方式的电站锅炉是极为普遍的。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 风量、风速及风温 一般情况下【3 3 ，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 ) 一次风量和风速 一次风量主要取决于煤质的挥发含量和挥发分的发热量。由于不同燃料的着火 特性差异，所需的一次风量也就不同。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。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 2 ) 二次风量和风速 二次风量、风速、风温和投入位置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。二次风是在煤粉气流着火后混入 的。由于高温火焰粘度很大，二次风必须以很高的速度才能穿透火焰，以增强空气 于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 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 6 磺 论文屯站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 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。热风稳 定的推荐值如下表2 2 ： 表2 2 二次风温推荐值 2 1 2 直流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1 3 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) 。我国的电站在四角切圆燃烧方面具有丰富的经验， 典型的布置方式如图2 1 所示。 ( a ) 正四角布置 c o ) 正八角布置( c ) 同向大小双切圆方式 ( d ) 正反切圆方式 图2 i 直流燃烧器的布置方式 ( e ) 双室炉膛切圆方式 7 硕士论文 电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 2 2 二次风系统的结构特点 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乎支管，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，典型结构见图2 2 。 图2 2 二次风系统结构 2 2 19 0 。直角管道 从图2 2 中可以看到，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。事实上，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 图2 2 所示是某燃烧器四角中的一角，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1 3 ，也就是说， 共有1 6 3 2 个喷1 ：3 。这些支管之间祸合关系强烈，各支管问的流量分配是一个比较 复杂的情况。 2 2 3 阀门特性 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，各喷口所需风量在变化，因此，需要添加调节 堕堡塞 电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 阀来控制所需风量。 调节阀的流量特性【圳，是指流体流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之 间的关系。易推知，相对流量与相对开度成正相关，即阀门通道越小，相对开度越 小，相对流量越小：阀门通道越大，相对开度越大，相对流量也越大。阀门通道为 零时，这时流量为零，即阀门关闭。 2 2 3 1 理想流量特性 理想流量特性是在阀前后压差固定的情况下得到的流量特性，它决定于阀芯的 形状，因此也称之为结构特性。在常用的调节阀中，有四种典型的理想流量特性， 如图2 3 所示。 。 0 2 04 0 阳i 弘f ) ( 1 ) 宜线性流量特性 ( 2 ) 等百分比流量特性 ( 3 ) 快开流量特性( 4 ) 抛物线流量特性 图2 3 调节阀的理想特性 1 ) 直线性流量特性 直线性流量调节阀的相对流量q q 一与相对开度l 几。成直线关系，即单位行程 变化所引起的流量变化是一个常数。 2 ) 等百分比流量特性 等百分比流量特性又称为对数流量特性，其单位相对开度的变化所引起的相对 量变化与此点的相对流量成比例关系。 3 ) 快开流量特性 具有快开流量特性的阀门流量随开度增加很快，而在阀行程的后面部分，流量 变化不大，故此种流量特性的阀不可用作调节阀。 4 ) 抛物线流量特性 抛物线流量特性，其单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与该点的相对 流量值的平方根成正比。 2 2 3 2 工作流量特性 调节阀处于工艺管路系统中工作时，管路系统的阻力变化或旁路阀的开启程度 的阀前后压差变化，使得在同样的阀门开度时，不再像理想流量特性那样流量保持不 9 顿t 论文 电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 变，对应的流量将有所变化。这种调节阀前后压差变化的流量特性就称为工作特性。 1 ) 串联管路 在工程中，调节阀是装在具有阻力的管道系统上，见图2 4 。当该系统两端总 压差一定时，调节阀上的压差就会随着流量的增加而减少。随着阀门开大，阀前后 压差减少，因此，在阀相对开度相同的情况下。此时的流量比理想流量特性下要小 一些。在阀门开度较大时，调节阀前后的压差减小，流量较大。 卜一p 叫 q 书廿n 卜卜厂一 卜r * r o 4 0 l o o l 几m ( i ) 图2 4串联管道 图2 5 串联- 作f 对数流量特性 图2 5 可以看出，当阀权度p i _ 1 0 时，调节阀的理想流量特性即为工作流量特性： 当调节阀上的压差a p t 减小，在同一相对开度l i , m a x 下，相对流量q q m a x 增大，使 得流量特性发生变化，理想流量特性为对数特性的阀之工作特性向线性特性靠近。 2 ) 并联管道 图2 6 为调节阀并联的情况。调节阀两端压力虽为恒定，其并联的旁路阀的开启 程度也会影响调节阀的流量特性，因为在并联工作时，经旁路阀流出的流量不能被 调节。图2 7 为并联工作时，理想对数流量特性在不同旁路流量下的工作特性。其中 q l o o 为调节阀全开时的流量，x = q i o d q m a x 表示调节阀所在支路流量所占总流量的比 值，q m a x 为总流量。图中可以看出，g - - - l 时其余旁路关闭，为理想工作特性。当旁 路流量增大时。调节阀的可调性降低。 图2 6 并联管道 在二次风系统中，既有串联管道， ： 窑 l ： o 2 0 , t o6 0 1 0 0 l a m x 慢) 图2 7 并联时对数流量特性 也有并联管道，而且在每个并联管道中都有 l o 1 ) g 占； 堕士论文 电站锅炉二次风系统的效值模拟与测量 调节阀，这使得每个调节阀的工作特性变得复杂，对于某个特定的二次风系统，不 能以单纯的调节阀的参数和理想特性进行调节，必须在现场进行标定后建立一一对 应的关系才能运用，否则将可能造成失误。 2 3 测量方法介绍 对于锅炉燃烧系统中多支管、高流速、有定含尘量、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。 下面就目前现场常规应用在二次风喷口风速的监测技术进行分析口5 】： 2 3 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 垒h i = p 幼压+ p 井压 即假设在位黄势能不变，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： 1 ) 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。 2 ) 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。 3 ) 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 3 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2 ，8 。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。 硕士论文电站锅炉二欢风系统的数值模拟与测量 图2 8 风门挡板开度控制结构 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0 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) ，从而能直接得到各 支管出口的流量。 2 3 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。 1 ) 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。 1 2 壁塑电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 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 n - 。x ，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。 2 ) 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。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。 3 ) 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6 7 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凡股气流，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。 2 3 4 示踪法 示踪法是一种间接测量通道流量的方法，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。 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 硕：t 论文电站锅炉二二攻风系统的数值模拟与测量 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。在 锅炉送风系统的应用中，从精度来看，放射性同位素示踪精度最高。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。从检测成本 来看，热示踪最为廉价；从系统配置来看，浓度示踪最简单。本文作者参与热示踪 型二次风量测量装置的开发，经在工业现场使用标定二次风流量与风门开度的关系， 测量结果与实际在定性上相符合。该装置能够在热态条件下进行短期工作，标定热 态风门。采用热示踪的方法进行热态标定，选用的示踪荆为锅炉水处理系统生产的 除盐水，标定系统如图2 9 所示： 霉诧 图2 9热示踪法标定系统组成示意图 除盐水通过柱塞泵升压到7 味伸a 的压力，经过精密流量计后送入注气管( 管径 d n 2 0 ，喷嘴的口径d = 0 1 m m 、喷嘴数目n = 1 0 、喷嘴间距l l = 1 0 0 n u n 、喷嘴角度b = 1 5 0 。、布气管位置参数l 2 = 1 0 m m 、l 山= o 7 ) ，除盐水从注气管的喷嘴中碰入待 标定的二次风道的热风中，雾化蒸发后( 雾化粒径l oi im ) 成为水蒸汽汇入主流， 并使得主流温度下降。主流温度由布置在待标定的二次风道下游的温度计测出。精 密流量计和温度计的信号通过标定电控箱送入工业控制计算机。设精密流量计的指 示示踪剂流量为q ，喷水前的主流温度为t o ，喷水后的主流稳定温度为t ，则待定 的二次风道的实时流量q i 可以按照下式计算： n f q = _ 兰与 ( 2 3 1 ) 。h o 一一 式中。1 1 0 、h 、i 分别表示温度为t 0 时空气的比焓、温度为t 时空气的比焓，温 度为t 时水蒸气的比焓，比焓是温度的函数，作为物性参数，其函数关系已经存储 在计算机中可供调用。在不同的风门开度组合下重复以上标定过程，就可以完成二 次风道的热态标定。 1 4 兰 这种热示踪的间接测量方法，将流速的测量转化为温度的测量，流体风道中的 紊流结构使得出口截面速度分布不均，虽然非常不利于流速的直接测量，但是对于 热示踪方法中热量传递却是非常有利的，可以使得温度分布变得均匀。在二次风系 统这种复杂的流场中，采用热示踪的方法进行测量是比较合适的。 1 5 硕士论文 电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 3 2 0 0 m w 褐煤机组二次风系统的数值模拟 本文的研究对象为哈尔滨锅炉厂生产的2 0 0 m w 的褐煤机组，该机组锅炉采用 四角切圆燃烧方式，其二次风系统由送风总管送至四角的二次风箱，每个二次风箱 上有四层二次风道。由于对风门进行现场标定具有繁复性，本文认为，可以采用数 值模拟的方法来减少该工作的复杂性，同时也能了解流场内部的结构，揭示其流动 特性。本文采用商用c f d 软件f l u e n t 进行模拟。 3 1f l u e n t 软件介绍 3 1 1 c f d 概述 。 c f d 是- - f 1 用数值计算方法直接求解流动主控方程( 欧拉或n - s 方程) 以发现各 种流动现象规律的学科。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得 出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。它综合 了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。自二十世纪六十年 代以来c f d 技术得到飞速发展，其原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业 自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限， 迫使人们需要用先进的计算机模拟手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发 周期，节约研究经费。四十年来，c f d 在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、 并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来了革命性的变化。 目i i 应用于模拟流体运动的数值模拟软件( c f d 软件) 主要有：f l u e n t ， s t a r - c d ，p h o e n i x ，a n s y s f l o t r a n 等，而其中最为广泛的就是f l u e n t 软 件，本文就利用f l u e n t 软件对二次风系统流场进行数值模拟，其数值模拟的基本 流程如图3 1 。 3 1 2f l u e n t 软件简介 3 1 2 1 f l u e n t 软件模拟流程 f l u e n t 公司是享誉世界的最大的计算流体力学( c f d ) 软件供应商。在全球众多 的c f d 软件开发、研究厂商中，f l u e n t 独占了4 0 以上的市场份额。f l i ，e n t 数值模拟流程如图3 1 ： 1 6 硕士论文电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 黍望翳饕翳蒙的三维实体摸塑建立所研充对象的三维实体摸塑 对三臻安体缕型进行隔格霓唾分 霸嚣蓬券篓荐迭豁箨界条俘 敬酚鍪鑫耋髂望始德 结苯分析 图3 ir _ , u e n t 数值模拟流程图 3 i2 2f l u e n t 软件的前处理器 f l u e n t 软件的前置处理器主要是指g a m b i t 软件，它具有强大的网格生成能 力，主要体现在以下几个方面： 1 ) 完全非结构化的网格能力 g a m b i t 能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格 及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强的自动化能力， 因而大大减少了工程师的工作量。 2 ) 网格的自适应技术 f l u e n t 采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和改 进网格，从而使得计算结果更加准确。这是目静在c f d 技术中提高计算精度的最重 要的技术之一，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大 提高计算精度。 3 ) 混合网格和附面层内的网格功能 g a m b i t 提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。而且附面层 内的贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外， g a m b i t 能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混合起来，这对复 杂几何外形来说尤为重要，既能保证了壁面的精度，又可以大大节省网格数目。 1 7 颂十论文电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 3 1 2 3f l u e n t 软件包含成熟的湍流模型 f l u e n t 软件包含了8 种工程上常用的湍流模型( 包括9 2 年提出的一方程的s a 模型，双方程的k - 模型，雷诺应力模型和最新的大涡模型等) ，而每一种模型又有 若干子模型。其中k e 模型又包括鲁棒性较好的s t a n d a r dk - e 模型：针对逆压梯度 的r n gk - e 模型和针对旋流的r e a l i z a b l ek - 模型。 3 1 2 4f l u e n t 软件的后处理功能 f l u e n t 具有强大的后置处理功能，能够完成c f d 计算所要求的功能，包括速 度矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图，并具有积分功能，对于用户关心的 参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。 3 2f l u e n t 模型及其求解 3 2 1 模型 为了使模拟更具有普遍意义，本文根据某电站四角切圆燃烧锅炉二次风系统进行了 以下简化及假设： 1 ) 忽略了风道内因实际施工需要时所增加的不规则墙壁； 2 ) 将送风系统的四角视为对称，选取其中一角来进行计算，以减小计算量； 3 ) 忽略阀门附近不规则的驱动结构，将阀门视为一块无厚度的板( 为了便于 4 ) 模型的网格划分，本文将阀门设置为很小厚度的平板) ，该板可旋转，当该 板与管道中轴线垂直时设阀门角度为0 。，对应开度为0 ，当板与管道中轴线 平行时阀门角度为9 0 。，对应开度为l ； 5 ) 风道内气体低速度流动，可视为不可压缩流体，同时忽略由流体粘性力做 功所引起的耗散热，忽略炉膛辐射热量； 6 ) 风道内流动过程流动为稳态湍流； 7 ) 满足b o u s s i n e s q 假设，认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响； 8 ) 在几何相似的条件下，当气流流动达到自模化后，湍流准则亦基本上达到 自模化。 所建立的模型如图3 2 ： 颂论文电站锅炉二次风系统的数值模拟与测量 图3 2 哈锅厂2 0 0 m