220 t／h鍋爐空氣動力場特性研究

王 勇，李 智，吳景興，袁德權(quán)，王文生

（1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179）

220 t／h鍋爐空氣動力場特性研究

王 勇1，李 智1，吳景興2，袁德權(quán)2，王文生2

（1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179）

為了確定爐內(nèi)流體動力特性，以大修后的某220 t／h供熱鍋爐為研究對象，對其進行冷態(tài)空氣動力場試驗，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)時測得的爐內(nèi)四角切圓大小與假想值基本相當，而在動態(tài)時由于受到不同層次風速的共同影響，實際切圓直徑將變大。通過對爐內(nèi)不同層次風速的調(diào)整，使其速度場達到合理分布。最后利用有限元軟件ANSYS對爐膛內(nèi)部氣流分布情況進行模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比后，發(fā)現(xiàn)兩者非常接近，為鍋爐啟動、熱態(tài)燃燒調(diào)整以及運行提供參考。

四角切圓；鍋爐；冷態(tài)；動力場；數(shù)值模擬

冷態(tài)空氣動力場試驗是一種省時、省力、高效的試驗方法，鍋爐在改造后其內(nèi)部布置要重新測定，必須進行冷態(tài)試驗，其目的是全面檢查和了解鍋爐設(shè)備和系統(tǒng)的冷態(tài)運行性能。本文以220 t／h供熱鍋爐為研究對象，主要對鍋爐內(nèi)部切圓大小進行測量以及速度場的調(diào)整進行闡述，并結(jié)合有限元軟件對爐內(nèi)空氣動力場進行模擬再現(xiàn)氣流在爐內(nèi)的分布情況，應(yīng)用計算流體動力學（CFD）進行鍋爐冷態(tài)試驗研究，以彌補常規(guī)冷態(tài)試驗周期長、成本高、工況調(diào)整和測量困難、精度低等不足［1］，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析從而得出準確結(jié)論。

1 鍋爐概況

該鍋爐為武漢鍋爐廠制造的WGZ220／9.8－13型自然循環(huán)煤粉鍋爐，鍋爐呈倒U型布置，爐膛四周布置膜式水冷壁，鍋爐配有2套鋼球磨煤機中間儲倉式制粉系統(tǒng)，送粉方式為熱風送粉。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

鍋爐改造后采用濃淡式煤粉燃燒器四角切圓燃燒方式，設(shè)計假想切圓直徑為608 mm。燃燒器采用均等配風，分6層布置，布置形式為“3、2、1、2、1、2”，即最上層為三次風，以下一、二次風相間布置，燃燒器特性數(shù)據(jù)見表2。

表2 燃燒器特性參數(shù)

2 冷態(tài)模化機理

2.1 試驗原理

根據(jù)相似原理，燃燒器冷態(tài)空氣動力場試驗應(yīng)遵循以下原則［2］。

幾何相似：由于冷態(tài)試驗與熱態(tài)運行的試驗對象相同，因此滿足幾何相似。

保持空氣流動狀態(tài)進入自模區(qū)：氣流運動狀態(tài)不隨雷諾數(shù)變化，當速度和雷諾數(shù)均增大時，只有空間各點速度絕對值按比例增大，而其速度場圖形不再變化。

邊界條件相似：進入爐內(nèi)各股氣流之間的動量比與熱態(tài)保持一致。

2.2 冷態(tài)模化試驗計算方法

邊界條件相似遵循式（1）［3］：

式中ρ1、ρ2——一、二次風密度，kg／m3；

ω1、ω2——一、二次風風速，m／s；

l——冷態(tài)；

r——熱態(tài)。

其中冷態(tài)時一、二次風密度相等，即（ρ1）l＝（ρ2）l。由于熱態(tài)一、二次風溫較高，靜壓對流體密度影響較小，可以忽略。

熱態(tài)二次風的密度為

考慮到煤粉濃間速度差的影響，熱態(tài)一次風粉的密度

由此可以推導(dǎo)噴口風速比的計算公式：

同理可推導(dǎo)二、三次風速比的公式：

式中k——煤粉相對于一次風氣流的滯后系數(shù)，通常取0.8；

μ——一次風中煤粉的質(zhì)量濃度，kg／kg，通常取0.51；

（t1）r、（t2）r、（t3）r——設(shè)計熱態(tài)工況下噴口一、二、三次風溫度，℃。

進行冷態(tài)計算時取一次風速（ω1）l＝21 m／s，則按式（4）、（5）計算的冷態(tài)二次風速（ω2）l＝22.6 m／s，三次風速（ω3）l＝39.56 m／s，滿足燃燒器冷、熱態(tài)一、二次風動量比相等的原則。

2.3 冷模最小送風量

進入自模化區(qū)時爐膛所需最小風量按式（6）計算［3］：

式中F——爐膛斷面積，m2；

ω——爐膛冷模的平均速度，m／s。

爐膛冷模的平均速度按式（7）計算：

式中ν——流體的運動粘度，對于溫度為30℃的空氣，ν＝16.1×10－6m2／s；

Re——氣流的雷諾數(shù)，當Re≥105時，氣流進入自模化區(qū)；

d——爐膛斷面的當量直徑，m。

爐膛斷面的當量直徑按式（8）計算：

式中：m、n分別為爐膛深度和寬度，m。

將各參數(shù)數(shù)值帶入式（6），可得Q＝39 488 m3／h。

試驗時，將一、二、三次風噴口速度調(diào)整到21 m／s、22.6 m／s和39.56 m／s，噴口風量及爐膛風量均大于進入自模化區(qū)所需最小風量，同時，一、二、三次風動量比相同，滿足冷態(tài)模化試驗條件。

3 冷態(tài)空氣動力場試驗

3.1 靜態(tài)爐內(nèi)假想切圓測量

爐內(nèi)中心假想切圓測量是以下一次風噴口下沿為基準高度，沿每個角的燃燒器下邊緣中心線作射線，根據(jù)四角燃燒器所作的4條射線測繪爐內(nèi)的切圓大小［4］，其結(jié)果為1、2、3、4號角燃燒器中心線與爐膛中心點的垂直距離分別為310 mm、305 mm、320 mm、310 mm。由測量結(jié)果可知，1號角與3號角軸線切于爐內(nèi)D630 mm的切圓，2號角與4號角軸線切于爐內(nèi)D615 mm的切圓，與設(shè)計假想切圓直徑D608 mm基本相當。

3.2 動態(tài)風速測量試驗

為了使冷態(tài)試驗?zāi)軌蜻_到各項自模化條件，試驗開始前將送風機、引風機、排粉風機均投入運行，各角二次風門開度控制在100%，調(diào)整送風機、引風機、排粉機擋板開度及熱風門冷風門開度以調(diào)整一、二次風速，使其盡量保持與理論選取的風速接近。冷態(tài)風速實際測量結(jié)果見表3。

表3 冷態(tài)風速測量結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

a.一、二、三次風速平均值與理論選取值比較接近，滿足冷態(tài)模化試驗的各項要求；

b.各層一次風速偏差相對較小，最大分別為6.6%和5.1%；

c.各層二次風速略有偏差，最大分別為5.1%、8.8%和7.6%。

用風速儀測量爐內(nèi)中心線上各點的風速，繪出爐內(nèi)速度分布情況［5］。圖1為鍋爐下一次風燃燒器噴口中心標高爐膛水平截面上的氣流速度分布圖。可見，爐內(nèi)速度場分布基本合理，和靜態(tài)相比，動態(tài)條件下受一、二、三次風共同影響，實際切圓將變大，實測的切圓直徑大小約為1.6 m，貼壁風速約為1～3 m／s。

4 爐膛空氣動力場數(shù)值模擬

4.1 爐膛有限元模型的建立

圖1 下一次風燃燒器截面速度流場分布

利用有限元軟件ANSYS對鍋爐冷態(tài)空氣動力場進行分析，通過數(shù)值模擬能夠更加直觀地查看氣流在爐膛內(nèi)部的分布情況。為計算簡潔方便，建立模型時鍋爐最下端至冷灰斗出口［6］，最上端至水冷壁出口，爐膛寬×深×高為7 600 mm×7 600 mm× 11 477 mm，湍流模型選擇Realizable k?epsilon，選擇標準壁面函數(shù)Standard Wall Functions［7］，以不同工況的風速作為邊界條件。為了保證計算精準性與可靠性，需對爐膛的有限元模型進行細密的網(wǎng)格劃分，爐膛模型網(wǎng)格劃分示意圖見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

4.2 結(jié)果分析

分別選取冷態(tài)設(shè)計工況與實際測量工況，對下一次風燃燒器氣流速度分布進行模擬［8］，即工況1下一次風風速在爐膛4個角都取（ω1）l＝21 m／s，工況2取表3中實際測量得到的下一次風風速。圖3、圖4分別為冷態(tài)下的下一次風燃燒器內(nèi)部截面速度分布矢量圖。

圖3 設(shè)計工況下一次風速度矢量圖

圖4 實際工況下一次風速度矢量圖

由圖3、圖4可以看出，在設(shè)計工況與實際工況下，下一次風燃燒器在爐膛內(nèi)部的速度矢量分布接近，并且能夠在爐膛內(nèi)形成穩(wěn)定的切圓，下一次風從4個角的燃燒器噴出，并集中在切圓四周，在爐膛壁面，貼壁風速矢量分布較小，熱態(tài)時有利于減輕對四周水冷壁的破壞程度。通過觀察發(fā)現(xiàn)，圖3、圖4中形成的切圓大小基本相近，說明模擬過程與結(jié)果的正確性。

最后在設(shè)計工況下對一、二、三次風全投時進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果俯視速度矢量圖見圖5，整體速度矢量圖見圖6。

圖5 俯視速度矢量圖

圖6 整體速度矢量圖

由圖5可以看出，將設(shè)計工況下的一、二、三次風全部投入后，鍋爐內(nèi)部切圓比較明顯且在切圓周圍形成顯著的旋流，加強了爐內(nèi)擾動。圖6中氣流在整個爐膛內(nèi)呈穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)上升趨勢，但在最下面1層燃燒器的氣流，由于受到冷灰斗的影響有向下的趨勢。

5 結(jié)論

a.靜態(tài)實際測得1號角與3號角軸線切于爐內(nèi)D630 mm的切圓，2號角與4號角軸線切于爐內(nèi)D615 mm的切圓，與設(shè)計假想切圓直徑基本一致。

b.冷態(tài)條件下一、二、三次風速基本達到模化試驗要求的風速。各層一次風速偏差最大分別為6.6%和5.1%，各層二次風速偏差最大分別為5.1%、8.8%和7.6%。

c.根據(jù)冷態(tài)試驗結(jié)果對爐膛空氣動力場進行數(shù)值模擬，經(jīng)過對比分析在設(shè)計燃燒器噴口速度下，爐膛內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的切圓，但是由于受到一、二、三風的影響實際切圓要比設(shè)計值大些。

d.當燃燒器一、二、三次風全投時，通過模擬發(fā)現(xiàn)在爐膛內(nèi)形成切圓的同時，其周圍還會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流且擾動效果明顯，這樣使煤粉在鍋爐燃燒時更加充分，整體觀察爐膛內(nèi)流動時，發(fā)現(xiàn)氣流呈穩(wěn)定上升的趨勢。

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［2］廖宏楷，王 力.電站鍋爐試驗［M］.北京：中國電力出版社，2007.

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［7］范志鵬.260 t／h四角切圓鍋爐爐內(nèi)冷態(tài)流場的數(shù)值模擬研究［D］.青島：中國石油大學，2008.

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Study on Aerodynamic Field Characteristic in 220 t／h Boiler

WANG Yong1，LI Zhi1，WU Jing?xing2，YUAN De?quan2，WANG Wen?sheng2
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Huadian Electric Power Research Institute Northeast Branch，Shenyang，Liaoning 110179，China）

The cold aerodynamic field test is done for a 220 t／h overhauled heating boiler which is as research object to confirm the fluid dynamic characteristics within boiler.The results show that the tangential diameter measured is close to the hypothetical values un?der the condition of static，the actual tangential diameter under the influence of different wind speed is bigger.The velocity field in boil?er can achieve reasonable distribution in the different wind speed adjustment under the dynamic.The condition of airflow distribution is simulated by using the finite element software ANSYS.The result of the simulation and the test are compared，the result is approxima?tion which provides theoretical reference for the boiler star up，hot combustion adjustment and boiler operation.

Tangential；Boiler；Cold state；Dynamic field；Numerical simulation

TK224

A

1004－7913（2016）07－0047－04

王 勇（1990—），男，碩士在讀，研究方向為鍋爐燃燒調(diào)整優(yōu)化。

2016－01－08）