四墻切圓爐內冷態空氣動力場數值試驗研究

王 斌

（國電豐城發電有限公司，江西豐城 331100）

0 引言

鍋爐冷、熱態性能試驗是火力發電廠的重要試驗之一，但其工作量較大、工況調整困難和測量方法復雜等。并且要獲得爐內各物理量的細節信息方面有很大難度，而計算流體力學CFD軟件為鍋爐研究提供了一個虛擬平臺。本文將針對該爐進行爐內冷態空氣動力場的數值模擬，得到在該鍋爐結構和燃燒器布置方式下爐內空氣動力特性和結焦原因。

1 鍋爐本體結構介紹

本文所模擬的對象是某電廠2號鍋爐系哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發研制的HG-1964/25.4-YM17型墻式切圓燃燒超臨界鍋爐。該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風、固態排焦、全鋼架、全懸吊結構、露天布置的π型鍋爐。采用中速磨直吹制粉系統，每爐配6臺HP1003碗式中速磨煤機，燃用設計煤種時5臺運行，1臺備用。其結構示意圖見圖1。

2 冷態空氣動力場的數值模擬

2.1 數值方法

圖1 爐膛的結構尺寸和燃燒器切圓示意圖（單位：mm）

由于四墻切圓鍋爐爐膛結構復雜，為了使數值計算可行、準確，需對實際爐膛結構進行合理簡化處理。本文采用了非均勻六面體網格，由于該鍋爐所劃分的網格線與流動方向垂直，因此無需考慮模擬中產生的偽擴散現象，共生成網格數1553536個。在通用方程的離散操作中,對流項采用二階迎風格式，擴散項采用二階中心差分格式。對。對壁面附近粘性層中的模擬計算,本文采用壁面函數法予以處理，壓力速度耦合采用SIMPLE算法處理

出口壓力設為-90Pa。

在固體壁面上，氣流按無滑移條件且無湍流運動處理，即

2.2 數學模型

表2 流場微分方程組通用形式

2.3 邊界條件及模擬工況

模擬計算中燃燒器噴口處各物理量取均勻入口條件，入口條件設為速度入口，即一次風風速V1=25m/s，二次風風速V2=56m/s，Vsofa=60m/s，爐膛出口設為壓力出口。具體分3個模擬工況：

工況1：設計工況，即V1=25m/s，V2=56m/s，Vsofa=60m/s。

工況2：1、3號角速度同時減小，設為V1=20m/s，V2=48m/s，Vsofa=60m/s。2、4號角保持不變。

工況3：1號角速度減小，設為V1=20m/s，V2=48m/s，Vsofa=60m/s。2、3、4號角保持不變。

3 模擬結果及分析

圖2中，從工況1即設計工況可以看出，氣流切向運動形成明顯的切圓燃燒工況，切圓中心在爐膛中央，未發生氣流偏斜現象。前、后、左、右最大貼壁速度均小于6.5m/s,不會造成嚴重的氣流刷墻現象和結焦問題。

工況2中切圓中心偏向較為明顯，即偏向射流剛性弱的1號角。從工況2中可以看出前墻和右墻的貼壁速度明顯大于后墻和左墻的貼壁速度，貼壁速度最大為18m/s，易造成氣流刷墻的現象，引起爐內產生局部超溫和結焦的現象。

工況3中由于1、3號角氣流動量比2、4號角動量小，射流易發生偏斜，導致前、后、左、右墻都有明顯的貼壁現象，貼壁速度大概為12m/s。由于是均勻減小對角一、二次風風速，所以爐內切圓整體未發生明顯的偏離，但切圓直徑有所增大，這是導致貼壁速度增大的主要原因。

圖2 同層一、二次風噴嘴截面上的速度矢量

4 模擬結果與試驗結果對比分析

為較好地驗證數值模擬的正確性及可信度,將數值模擬結果與冷態試驗數據進行定量對比分析,以驗證誤差是否在允許范圍內。以設計工況為模擬和試驗工況，將其結果進行對比及分析，得出的結論如圖3所示。

由圖3可知，爐內氣流速度沿逆時針方向旋轉，模擬切圓比實際切圓稍大，且兩切圓橢圓度都較好，切圓中心基本與爐膛中心吻合，符合設計工況的要求。模擬值與實測值的曲線分布趨勢較相互較為吻合，但存在一定程度的偏差，大約是3～5m/s。誤差的原因主要是由于三維模型的簡化和儀器的系統誤差引起的。

圖3 爐內測量風速得到的實際切圓和模擬切圓

5 結論

1）從工況1可知，模擬結果與試驗結果基本一致，說明該數值模型和方法能較好地反映爐內真實的流場特性，更好的保證結論的可靠性和準確性，將更好的指導實際生產工作。

2）從數值模擬結果來看，射流的剛性與氣流的動量有很大的關系，動量越大則越不易偏斜，動量小則較易偏斜。氣流偏斜較嚴重時，則容易引起氣流刷墻，從而導致水冷壁的高溫腐蝕和結焦等問題。

3）從三個工況來看，以不平衡供風工況與正常工況對比，得出不均等配風工況對爐內空氣動力場的影響，可以通過結合數值模擬，改變配風來優化爐內流場，保證鍋爐的安全經濟運行。

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