四角切圓燃燒鍋爐冷態空氣動力場試驗研究

郭松濤 王 巖 劉德榮 華北電力科學研究院（西安）有限公司

四角切圓燃燒鍋爐冷態空氣動力場試驗研究

郭松濤 王 巖 劉德榮 華北電力科學研究院（西安）有限公司

通過對330MW四角切圓鍋爐燃燒器進行了爐內冷態空氣動力場試驗的研究，分析了B層燃燒器區域空氣速度分布和衰減情況，研究了一次風速，一、二次風動量比和周界風風量等因素對四角切圓燃燒方式的爐內空氣動力場的影響規律。試驗結果表明，四角的一次風射流衰減特性基本一致，射流剛性良好。在改變二次風與一次風動量比后，對爐內實際切圓直徑影響較小。周界風可以增強一次風射流的剛性，燃燒器上下擺動只改變了爐膛火焰中心的位置，并未改變切圓大小。這為燃燒器安全穩定運行提供技術依據和運行參考。

一次風 二次風 周界風 空氣動力場

鍋爐燃燒工況的穩定性和經濟性對大型發電機組安全、經濟運行有著至關重要的作用。四角切向燃燒方式以其燃燒充分、爐膛內熱負荷分布均勻、煤種適應性好等在我國火電站中被廣泛采用。燃燒的優劣在很大程度上決定于燃燒器及爐膛的空氣動力工況[1-3]。

某330MW發電機組的燃燒器由四組直流式燃燒器組成，布置在爐膛下部四只切角上。每組燃燒器由5組一次風(煤粉)噴嘴，7組二次風噴嘴，和兩層分離燃盡風(SOFA)噴嘴組成。燃燒器設計參數見表1。燃燒器噴口布置如圖1所示。其中A、B、C、D、E層為一次風噴嘴。燃燒器一次風噴嘴采用等間距布置，間距為1530mm。燃燒器噴嘴采用氣動執行機構，通過連桿和內外擺動機構裝置來實現。噴嘴水平位置為0°，一次風可上下擺動各20°，二次風可上下擺動各30°。一次風采用濃淡分離強化著火(EI)煤粉噴嘴。在一次風噴口周圍布置周界風，可以有效冷卻噴口，還能改善煤種適應性。二次風射流沿著與一次風射流相反的旋轉方向射入爐膛，一次風沿煤粉噴管軸線進入爐膛后，在動量較大的二次風射流引射和沖擊下，被帶入沿二次風射流方向旋轉的火球中。這樣使一次風和二次風強烈混合，改善了燃燒條件，同時形成中央富燃料、四周富氧的空氣動力結構，減少了水冷璧結渣的可能性。

表1 燃燒器的設計參數

為了掌握此臺鍋爐氣流混合和流動特性，爐內實際切圓直徑對燃燒的影響，本文通過進行爐內冷態空氣動力場試驗，研究了一次風，二次風及周界風對實際切圓直徑大小的影響，為機組運行及燃燒調整提供可靠的理論依據。

圖1 燃燒器噴口布置圖

1 冷態空氣動力場試驗方法

1.1 模化風速的確定

對于實際爐膛的冷態空氣動力場試驗，根據相似原理應滿足兩個條件：雷諾數處于自模化區；邊界條件相似。為確保鍋爐冷態試驗時爐膛內的氣流流動進入自模化區。

根據歐拉準則，Euc=Euh即：

取△Pc/△Ph=1可計算冷態模化時二次風速w2c。則二次風速w2c為：

式中：w——流體風速，m/s；

t——流體溫度，℃；

ρ——流體密度，kg/m3；

角標2——代表二次風；

角標c、h——冷態和熱態（下同）。

△P——燃燒器出口和爐膛出口的壓力差，Pa。

為了保證邊界條件相似，應使冷態和熱態一、二次風動量比相等，即：

其中mp表示煤粉的噴出質量流量。實際一次風是由一次風和燃料的動量兩部分組成，即：

式中：μ——一次風中燃料的質量濃度；

k——考慮煤粉流速與風速不同的系數，可以近似取為0.8。

根據一、二次風冷熱態動量比相等原則計算冷態模化時的一次風速，即：

其中冷態時一、二次風密度和溫度相等，即ρ1c=

ρ2c,t1c= t2c,則：

可計算得出：

為提高爐內冷態模化效果、便于觀測，即選取的一、二次風速分別為：w1c=27.6m/s，w2c=34m/s，

1.2 試驗方法及試驗項目

爐內試驗測點布置在B層燃燒器中心截面，“米”字型拉線，從燃燒器噴口、前后墻及左右墻開始每隔0.5m布置測點，且在測點處布置長0.2m的飄帶。利用熱線風速儀測量各測點風速。

本次試驗內容包括單一次風射流衰減特性試驗、周界風全開時一次風射流衰減特性試驗和四個工況的全爐膛空氣動力場試驗，即設計一、二次風動量比下的B層爐膛截面動力場試驗；增大二次風一次風動量比后B層爐膛截面動力場試驗；在設計一、二次風動量比下全關周界風后B層爐膛截面動力場試驗；在設計一、二次風動量比下燃燒器上、下擺動15°后B層爐膛截面動力場試驗。根據試驗結果分析其對假想切圓大小、氣流在爐膛的充滿度、是否偏心刷壁等的影響。全爐膛的空氣動力場各工況下控制參數見表2。

表2 空氣動力場試驗工況參數表

2 試驗結果及分析

2.1 一次風射流衰減特性試驗

一次風射流衰減特性試驗時噴口一次風速為27 m/s，試驗結果如圖2，3所示。由圖2，3可知，一次風氣流從噴口射出后都在25cm附近存在一個回流區，風速迅速下降后開始上升。在距噴口50cm處達到最大值，然后風速逐漸衰減。在距噴口450cm后風速降至5m/s以下，且射流基本無衰減。一次風風速在噴口附近衰減是因為燃燒器噴口裝有波形鈍體，在波形鈍體出口處，形成一個回流區，其卷吸的高溫煙氣與風粉混合物劇烈混合擾動，能夠及時提供煤粉燃燒所需的熱量，同時加強燃燒的穩定性。但與單一次風射流相比，周界風全開后，一次風衰減速度減慢，一次風剛性增強。一次風射流在燃燒器噴口4m距離內具有足夠的剛性，能夠保證火焰與噴口間的距離，有效的降低燃燒器附近熱負荷強度，防止燒壞噴口，同時確保燃燒器噴嘴附近不結渣[4-5]。

圖2 C層各一次風噴口衰減特性曲線

圖3 周界風全開一次風噴口衰減特性曲線

2.2 工況一試驗結果及分析

一次風噴口氣流速度為27.6m/s，二次風噴口氣流速度為34m/s，周界風速度為45.6m/s，沿爐膛中心十字線所布置測點位置逐一測量風速。在設計工況下，B層燃燒器的一次風、二次風及周界風混合流場試驗結果如圖4所示。由圖4可知，各測點風向均為逆時針方向，前后墻與左右墻最大風速測點間距離為長、短軸構成了一個近似橢圓形，橢圓長軸約為7.24m，短軸約為7.0m，且橢圓圓心基本與爐膛中心相重合，與假想切圓基本吻合。用3m長的飄帶置于1、2號角噴口中心處觀察, 整個試驗橫截面氣流充滿度好，速度分布均勻對稱，偏心小。一次風氣流無明顯沖刷墻壁的現象, 且爐膛充滿度較好。

圖4 設計工況C層爐膛截面速度分布

2.3 工況二試驗結果及分析

增大二次風和一次風的動量比后的一次風、二次風及周界風混合流場情況如圖5所示。其中一次風噴口速度為27.6m／s，二次風噴口速度為36m／s，周界風速度為45.6m／s。由圖5可知，在保持周界風與一次風動壓比不變的情況下，增大二次風和一次風的動量比后，橢圓長軸約為7.2m，短軸約為7.0m。但與工況一相比較，十字拉線上測點速度整體變大。這是由于隨著二次風與一次風動壓比的增大，爐膛內氣流的旋轉動量增加，對射流的橫向撞擊力增加。與此同時，隨著二次風動量增加，射流本身的抗偏轉能力加強。爐內實際切圓直徑的大小取決于射流本身抗偏轉能力和旋轉氣流動量的增加程度的綜合作用[6-7]。經過試驗證明，隨著二次風和一次風動量比的增加，爐內實際切圓直徑沒有變大，各角一次風氣流均勻，并且爐膛充滿度較好。這可以防止煤粉氣流貼壁，減少還原性氣體的生成，有效地防止燃燒器和爐膛結渣[8]。

圖5 增大二、一次風動量比后C層爐膛截面速度分布

2.4 工況三試驗結果及分析

關閉燃燒器周界風，保持二次風與一次風動量比不變，試驗結果如圖6所示。由圖6可知，在周界風全關的條件下，橢圓長軸約為8.2m，短軸約為8.0m，相對于工況一，爐內實際切圓直徑變大。周界風一般為二次風量的10%左右，其主要作用為冷卻燃燒器噴口和加強射流剛性。試驗表明，關閉周界風后一次風射流剛性減弱，受到旋轉氣流偏轉動量的影響相對增強，偏轉角度增加、實際切圓直徑變大。另外，爐膛內氣流旋轉動量的相對增強也導致旋轉氣流流速衰減變慢。關閉周界風對實際切圓直徑和風速都產生一定影響，但一次風射流剛性依舊較好，無刷壁傾向[9-10]。

圖6 周界風全關后C層爐膛截面速度分布

2.5 燃燒器上擺15°、下擺15°后的流場分布

保持一、二次風的動量比不變，燃燒器上擺15°、下擺15°的試驗結果如圖7、圖8所示。其中一次風噴口速度為27.6m／s，二次風噴口速度為34m／s，周界風速度為45.6m／s。由圖7、圖8所示，兩種工況下，形成的實際切圓直徑基本一致，并且與其他工況下形成的切圓直徑基本一致。通過觀察飄帶在噴口的運動軌跡，表明一次風氣流無明顯沖刷墻壁的現象。

圖7 燃燒器上擺15°后C層爐膛截面速度分布

圖8 燃燒器下擺15°后C層爐膛截面速度分布

3 結論

1）四角的一次風射流衰減特性基本一致，射流剛性良好，在距離燃燒器噴口25cm左右明顯存在回流區，表明燃燒器噴口內的水平鈍體對穩定燃燒有利。

2）在保持周界風與一次風動壓比不變的情況下，增大二次風和一次風的動量比后，爐膛實際切圓直徑并未發生變化，各角一次風氣流氣流均勻，并且爐膛充滿度較好。這可以防止煤粉氣流貼壁，減少還原性氣體的生成，有效地防止燃燒器和爐膛結渣。周界風可以增強一次風射流的剛性，能夠有效的降低燃燒器附近熱負荷強度，保證燃燒器噴嘴附近不結焦。

3）在設計工況下，燃燒器上擺15°、下擺15°后，形成的切圓大小基本未變，燃燒器上下擺動只改變了爐膛火焰中心的位置，并未改變切圓大小。

1 張彥軍,等.設計參數對四角切圓鍋爐實際切圓直徑影響的冷模試驗研究.電 站 系 統 工 程,2003,29(2)：13－18

2 譚厚章,余戰英,徐通模,惠世恩.四墻切圓布置燃燒器爐內實際切圓大小的試驗研究.熱能動力工程,2004,3(19)：157－159

3 常勝良,武文斐,黃軍,李保衛.四角切圓鍋爐冷態空氣動力場湍流模型研究.熱力發電,2013,2(2)：62－65

4 Modlinski.N.Computational modeling of a utility boiler tangentially-fired furnace retrofitted with swirl burners.Fuel Processing Technology,2010,91(11)：1601－1608

5 茍湘,周俊虎,周志軍.三次風對四角切圓鍋爐燃燒和NOX排放的影響.中國電機工程學報,2008,28(8)：7－12

6 蔡桃,段耀輝,喬曉磊,金燕.過量空氣系數對四角切圓燃燒鍋爐特性影響的數值模擬.電站系統工程,2013,29(2)：17－23

7 劉志強,劉志華,黎曉林.爐內配風方式對燃燒特性影響的數值模擬與試驗研究.鍋爐技術,2007,38(3)：50－53

8 范賢振,郭烈錦.200MW四角切向燃燒煤粉爐爐內過程的數值模擬.西安交通大學學報,2002,36(3)：242－245

9 潘建斌,金燕.過量空氣系數對粗煤氣燃燒特性影響的實驗研究.電力學報,2008,23(2)：84－86

As full scale cold f ow experiment was carried out in the burner of corner tangential f red boiler with 330MW, it analyzed the velocity distribution and jet decay in the burner area, investigated how the primary air velocity, air momentum ratio of the primary to the secondary, and the border air f ux affectthe aerodynamic f eld in the boiler. The result shows that four angle’s jet decay in the burner area are basically same and the rigid is good. After changing momentum ratio of the secondary to the primary air, the size of the practical tangential circle hardly changed. Boiler air f ux enhances rigid of the primary air. When burners swing up and down, it did only change center position of the furnace flame, not alter circle size. It provides technical base and reference for safe and stable operation of burners.

Primary air Secondary air Circumferential air Aerodynamic f eld

2013－09－10）