旋流對沖燃煤鍋爐的爐內流場模擬

叢星亮，陳 劍，余永生

（國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601）

旋流對沖燃煤鍋爐的爐內流場模擬

叢星亮，陳 劍，余永生

（國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601）

利用流體力學軟件，對330MW電站的旋流對沖燃煤鍋爐進行了爐內流場的數值模擬。根據旋流燃燒器在前后墻的布置方式，采用k-ε雙方程模型，對爐內流場進行了冷態模擬計算。計算結果表明，該型鍋爐布置的前后對沖燃燒器，其流場呈現較好的對稱性，爐膛的出口流場分布均勻，有效減少了爐膛出口煙溫的偏差，為對沖燃煤鍋爐的經濟運行提供了理論依據。

旋流；鍋爐；燃煤；數值；模擬；流場；分布；特性

0 概 述

旋流對沖燃煤鍋爐具有爐膛出口流場分布均勻，爐膛內流場對稱，能明顯降低爐膛出口煙溫偏差等特性。在國內，由于旋流對沖燃煤鍋爐沒有四角切圓鍋爐應用得廣泛，國內技術人員對旋流對沖燃煤鍋爐的特性了解有限［1］。目前，僅通過試驗，還不能全面掌握旋流對沖燃煤鍋爐的爐內流場分布情況。隨著計算機技術的進步，采用流體力學軟件（CFD）對電站鍋爐的爐內流場進行模擬計算，已成為指導工程實踐工作的一種重要手段［2］。為了更好地了解旋流對沖燃煤鍋爐爐內流場的流動特征，進一步為該型鍋爐的經濟運行提供理論依據，現采用k-ε雙方程模型，對330MW電站的旋流對沖燃煤鍋爐進行爐內流場的數值模擬和計算，展示對沖燃煤鍋爐爐內流場的特性。

1 設備系統

某型DG1150/25.4-Ⅱ3鍋爐是變壓直流超臨界鍋爐，一次再熱、前后墻對沖燃燒、單爐膛、尾部為雙煙道結構。采用擋板調節再熱汽溫，固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、平衡通風及露天布置。爐膛為全焊膜式水冷壁，由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁等結構組成。螺旋管與垂直管之間的連接，由過渡段水冷壁和水冷壁過渡段集箱進行轉換連接。

燃燒設備分別為前、后墻布置，采用對沖燃燒、旋流式燃燒器系統。風、粉氣流從投運的煤粉燃燒器噴進爐膛后，每個燃燒器在爐膛內形成獨立的火焰。前、后墻燃燒器的布置方式，如圖1所示。由圖1可知，前墻布置3層雙旋風煤粉燃燒器，后墻布置2層雙旋風煤粉燃燒器，每層4只，共計20只燃燒器。每臺磨煤機對應供給每層4只燃燒器。在前后墻各布置一層燃燼風噴口，其中2只側燃燼風（SAP）噴口，4只燃燼風（AAP）噴口。

圖1前、后墻燃燒器的布置

2 數學模型及計算方法

由于流體湍流運動的復雜性和隨機性，目前，還沒有一種模型能有效描述各種流動。盡管如此，在工程上利用k-ε雙方程模型進行模擬計算仍較為廣泛，而且取得非常好的效果［3-5］。因此，現采用k -ε雙方程模型，模擬旋流對沖燃煤鍋爐爐內湍流的流動，分析爐內流場的分布情況。

計算方程組包括了連續方程、動量方程、湍動能方程、湍動能耗散率方程和能量方程，在三維直角坐標系中統一的表達形式為［6］：

div（dvh）-div（Γgradh）=Sh（1）

其中h表示待求解的變量（如u，v等）。式（1）中第一項div（dvh）為對流項；第二項div（Γgradh）為擴散項，Γ為擴散系數；Sh為方程源項。

模型假設了爐內流動為定常流動，出口邊界沿著流動方向流動參數的導數為零，固體壁面采用無滑移條件處理。計算采用了有限差分法離散微分方程，對離散方程組采用SIMPLE算法求解，收斂標準各項均小于10-3。爐膛呈π型分布，選取了爐膛下部的冷灰斗至爐膛頂部水平煙道作為計算區域，爐膛寬度為15101.2mm，深度為12866mm，爐膛高度為57000mm。采用非結構化的四面體網格劃分爐膛燃燒區域，對燃燒器區域網格進行了細分處理，其他區域采用結構化網格進行劃分，共劃分232萬個網格。鍋爐爐膛的結構和網格劃分，如圖2所示。

圖2鍋爐爐膛結構和網格劃分

選取前墻下面兩層燃燒器和后墻兩層燃燒器全投、前墻最上層燃燒器投二次風的正常運行工況進行數值計算。入口采用速度進口條件設置，主要入口條件，如表1所示。停運燃燒器，利用內二次風和外二次風為停運的燃燒器提供冷卻風。內二次風和外二次風通過與燃燒器同心的環形通道進入爐內。內二次風通過軸向旋流器產生旋流，外二次風通過切向布置的風門調節形成旋流。燃燼風及側燃燼風中央部位的氣流為直流氣流，外圈氣流為旋轉氣流。入口條件按進口均勻分布取值，進口處湍流動能K取為進口處平均湍流動能的10%，進口處湍流動能耗散率，按照進口處的K值和進口的特征長度計算［7］。出口條件按照壓力出口設置，為爐膛負壓-90Pa。

表1燃燒器入口條件

3 計算結果及其分析

為了了解旋流對沖燃煤鍋爐內部流動特征，圖3顯示了爐內流場的豎直截面速度矢量的計算結果。圖3中，分別展示了不同燃燒器位置，在鍋內豎直截面的速度矢量圖，兩個豎直截面相距2.845m，方向由右側墻到左側墻。由圖3可知，前后墻位置上燃燒器的噴出氣流，在爐膛中間相互撞擊，大部分氣流向爐膛頂部運動，最下層的燃燒器噴出的氣流部分向爐膛下部運動，沖到冷灰斗，在冷灰斗處形成停滯漩渦區。同一燃燒器位置的爐內流場的豎直截面，在前后墻附近的流場分布呈現較好對稱性，而且不同燃燒器位置的鍋爐爐內流場基本相同。模擬結果表明，該類型鍋爐布置的前后對沖燃燒器，其流場的對稱性較好。

圖3處于燃燒器位置的爐內流場的豎直截面速度矢量圖

圖4顯示了相鄰燃燒器中間位置的鍋爐豎直截面速度矢量圖，兩個豎直截面相距2.845m，方向由右側墻到左側墻。從圖3、圖4可知，由于氣流的衰減，相鄰燃燒器中間位置的爐內氣流速度較低，但是相鄰燃燒器中間位置的爐內流場分布規律與燃燒器位置處的爐內流場分布規律相類似，流場分布呈現較好的對稱性。

圖4相鄰燃燒器在中間位置的鍋爐豎直截面速度矢量圖

旋流對沖鍋爐的爐內流場模擬結果顯示，二次風噴入爐膛后，外緣與卷吸周圍的空氣混合，形成環狀回流區，卷吸的高溫煙氣加熱煤粉流，有利于粉煤的加熱和燃燒。由于二次風的強烈旋轉，出現了回流區，起到穩定燃燒的作用。一次風和二次風噴射至爐內后，氣流發生衰減，射程較短，初期氣流的速度適當，混合強烈，后期速度衰減，混合衰弱。這是因為從旋流燃燒器噴出的氣體，既有旋轉向前的趨勢，又有切向飛出的趨勢，氣流初期的擾動非常強烈。由于射流不斷卷吸周圍氣體，并不斷擴展，其切向速度的旋轉半徑也不斷增大，切向速度衰減很快，后期擾動衰退。此外，最大軸向速度也因為卷吸周圍氣體而很快地衰減，導致射程較短［8］。

最上層燃燒器布置在鍋爐前墻，在鍋爐后墻位置上沒有布置。機組滿負荷運行時，只投前后墻下面兩層燃燒器，停運最上層的燃燒器。最上層燃燒器投二次風，為停運的燃燒器提供冷卻作用，同時起到分級送風，降低NOx生成量的作用。如圖5所示，是燃燒器位于爐內流場橫截面上氣流速度矢量的計算結果。在圖5中，分別展示了最下層燃燒器、中間層燃燒器和最上層燃燒器位置的鍋爐爐內流場的橫截面視圖。由圖5可知，下面兩層燃燒器位置氣流從前后墻射入爐膛，在爐膛中心位置相遇，碰撞后，大部分形成了向上氣流，少量氣流向下運動，且兩側燃燒器的部分氣流向側墻沖刷形成漩渦氣流。進行模擬計算后，對沖旋流鍋爐爐內流場的計算結果與夏鈞［6］的模擬計算結果相一致。

圖5燃燒器位置與爐內流場的橫截面視圖

由圖5可知，最下層燃燒器位置與中間層燃燒器位置的鍋爐爐內流場的橫截面分布規律相類似，流場分布呈現較好對稱性。最上層燃燒器只投二次風，保護燃燒器噴嘴。最上層燃燒器投二次風后，鍋爐爐內靠近前墻部分的流場橫截面分布規律與其他兩層燃燒器位置爐內相應位置的分布規律相類似，兩側燃燒器的部分氣流向側墻沖刷形成漩渦氣流。鍋爐爐內靠近后墻部分的流場橫截面也形成了漩渦氣流。

相鄰燃燒器中間位置的鍋爐爐內橫截面速度矢量圖，如圖6所示，兩個橫截面相距3.885m，方向從爐膛底部到爐膛頂部。由圖5、圖6可知，處于相鄰燃燒器中間位置的爐內氣流速度較低，但是相鄰燃燒器中間位置的鍋爐爐內流場分布規律與燃燒器位置的鍋爐爐內流場分布規律相類似，流場分布呈現較好對稱性，部分氣流向側墻沖刷形成漩渦氣流。

圖6相鄰燃燒器中間位置的爐內橫截面速度矢量圖

鍋爐頂部水平煙道沿著爐高方向的流場的速度矢量圖，如圖7所示。各個橫截面相距2m，方向沿著爐高方向由下往上。由圖7可知，水平煙道爐膛出口的流場分布比較均勻。這表明該類型鍋爐的燃燒方式，能有效降低爐膛出口的煙溫偏差，防止水平煙道過熱器、再熱器出現超溫爆管等現象。

圖7鍋爐頂部水平煙道沿著爐高方向的流場分布圖(各橫截面相距2m)

4 結 語

對具有20只旋流燃燒器的330MW燃煤鍋爐的爐內流場進行了模擬計算。計算結果表明，該型鍋爐布置的前后對沖燃燒器，其流場呈現較好的對稱性，爐膛出口流場分布均勻，能有效降低爐膛出口的煙溫偏差。通過數值模擬，為對沖燃煤鍋爐的經濟運行提供了理論依據。

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NumericalSimulationResearchonFlowFieldintheChamber ofaSwirl-OpposedFiringBoiler

CONGXing-liang，CHENJian，YUYong-sheng，XIEHong，CHENXin，LIYong
（ElectricPowerResearchInstituteofAnhuiElectricPowerCompanyinStateGrid，Anhui230601，Hefei，China）

Numericalsimulationofflowfieldinthechamberofa330MWswirl-opposedfiringboilerinpowerplanthas beencarriedoutbyusingcomputationalfluiddynamicssoftware.TheK-εtwo-equationmodelswereusedto numericallycalculatethree-dimensionalcoldflowfieldofa330MWcoal-firedboilerwith20swirlburnerarrangedon frontwallandbackwallintheformofopposedfiring.Thenumericalresultsshowtheflowfieldinthechamberof thiskindofboilerswithopposed-firingburnersisregularandcharacterizedbygoodsymmetry.Moreover，the uniformflow-fielddistributionatfurnaceoutletiscontributedtodecreasegastemperaturedeviationbetweentwosides offurnaceoutletandhorizontalgasduct.Theresearchresultsinthispapercanprovidetheoreticalfoundationforsafe andeconomicaloperationofswirl-opposedfiringboilerandplayapositiveroleinfurtherresearchonswirling combustionprocessinthiskindofboilers.

swirl；boiler；coal；numerical；simulation；flowfield；distribution；characteristic

TK223.21

A

1672-0210(2015)04-0035-04

2015-08-19

叢星亮（1985-），男，博士研究生，研究方向為電站鍋爐性能試驗及其燃燒控制。