燃煤鍋爐不同結(jié)構(gòu)風門理想流量特性研究

西安熱工研究院有限公司 趙 鵬 王小華 梅振鋒 陳 敏

1 引言

燃煤鍋爐在運行中，通過風門實時調(diào)節(jié)各一次風和二次風通道風量，目前燃煤鍋爐運行指標控制不斷精細化，燃煤鍋爐各風道風量對煤粉燃盡、NOx濃度生成、排煙溫度、爐膛結(jié)焦、高溫腐蝕等鍋爐運行經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保參數(shù)均有決定性影響[1-3]，燃煤鍋爐風門的流量特性研究具有重要意義。

風門的流量特性是指介質(zhì)流過風門的相對流量q與風門相對開度k之間的函數(shù)關(guān)系q=f(k)，在風門前后壓差恒定條件下的流量特性稱為理想流量特性，它取決于風門的結(jié)構(gòu)，是風門的固有特性。理想流量特性主要有線性流量特性、等百分比流量特性、拋物線流量特性、快開流量特性等四種[4-6]，ASHRAE手冊給出了線性、等百分比和快開三種流量特性曲線[7]，如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

目前燃煤鍋爐風門從風道形狀可以分為圓形風門和方形風門；從作用可以分為調(diào)節(jié)風門和關(guān)斷門；從結(jié)構(gòu)上可以分為插板門和擋板門。常見的風門結(jié)構(gòu)主要有單插板門、雙插板門、斜雙插板門、單擋板門、雙擋板對向門、雙擋板同向門及多擋板門等，不同風門具有不同的流量—開度特性。本文將通過CFD數(shù)值模擬計算不同結(jié)構(gòu)風門的理想流量特性，分析不同風門流量特性差異，并根據(jù)常見風門的流量特性，設計一種具有線性流量特性新型風門結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模擬計算方法

2.1 幾何模型

本文選取了燃煤鍋爐常見風門結(jié)構(gòu)進行了三維建模，包括單插板門、雙插板門、斜雙插板門、單擋板門、雙擋板對向門、雙擋板同向門，模型里包含了風道和擋板門，風道橫截面尺寸為2m×1.2m，長度為12m，風門位于風道中間位置，如圖2所示。

圖2 風門幾何模型

建立幾何模型后，需要對計算區(qū)域離散化，本文采用gambit對研究模型進行網(wǎng)格劃分。由于模型結(jié)構(gòu)復雜，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方式，進行網(wǎng)格無關(guān)性測試后，網(wǎng)格總數(shù)約為600萬。

2.2 數(shù)值模擬計算模型

本文涉及的模型主要為氣相湍流流動，采用Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型求解風道內(nèi)的流場[8-9]。

計算中的工作介質(zhì)為不可壓縮理想空氣，采用壓力入口、壓力出口和無滑移的壁面邊界條件，入口壓力為8000Pa，出口壓力為7800Pa，空氣溫度為500K。

3 常見風門理想流量特性計算結(jié)果

在數(shù)值模擬計算中，對單插板門、雙插板門、斜雙插板門、單擋板門、雙擋板對向門、雙擋板同向門六種常見風門在0、25%、50%、75%和100%五個開度下進行了計算，計算結(jié)果如表1所示，流量特性曲線如圖3所示。

圖3 常見風門理想流量特性曲線

表1 常見風門理想流量特性計算結(jié)果

由常見風門理想流量特性計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，插板門的流量特性接近于線性特性，單插板門線性流量特性最優(yōu)，相對流量與相對開度偏差在5%以內(nèi)，在低開度下流量偏低，高開度下流量偏高；雙插板門線性流量特性略差于單插板門，相對流量與相對開度偏差在6%以內(nèi)；斜雙插板門相對流量大于相對開度，偏差達到了10.6%，線性較差。三類擋板門的理想流量特性的線性度均很差，單擋板門和雙擋板對向門流量特性幾乎一致，在風門相對開度為25%和50%時相對流量僅在5%和26%左右，在低開度下相對流量大幅低于相對開度，不利于風量的快速準確調(diào)節(jié)；雙擋板同向門流量特性的線性度優(yōu)于前兩者，但偏差仍達到了11.3%。

插板門的相對流通面積和相對開度為線性關(guān)系，而當擋板門開度為α°時，相對通流面積S=1－cosα，與開度呈余玄函數(shù)關(guān)系，兩種類型風門的相對流通面積隨相對開度變化曲線如圖4所示，與兩種類型風門理想流量特性曲線相似，說明造成氣體流量與擋板門開度呈非線性的主要原因是由流通面積非線性造成的。同類型風門之間的流量特性差異，是由于結(jié)構(gòu)不同在相同開度下的局部阻力不一致，從而導致通流流量不一樣。

圖4 插板門和擋板門開度—流通面積曲線

4 線性流量特性擋板門

在燃煤鍋爐實際應用中，盡管插板門流量特性的線性較好，但是由于調(diào)節(jié)行程長、調(diào)節(jié)靈活性差，一般用作關(guān)斷門，不作為流量調(diào)節(jié)風門使用。燃煤鍋爐的一次風、二次風調(diào)節(jié)風門一般采用擋板門。為了提升擋板門線性特性，在線性特性相對較好的雙擋板同向門結(jié)構(gòu)基礎上，設計了一種新型同向異形雙擋板門，如圖5所示。新型同向異形雙擋板門由固定擋板2和轉(zhuǎn)動擋板3組成，固定擋板2為平板，固定在風道1上；轉(zhuǎn)動擋板3為異形平板，形狀、大小與固定擋板2互補，同向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動擋板3轉(zhuǎn)動時，控制轉(zhuǎn)動擋板3和風道1、固定擋板2之間的間隙，實現(xiàn)對風道1內(nèi)氣體流量的調(diào)節(jié)作用。

圖5 新型同向異形雙擋板門結(jié)構(gòu)圖

固定擋板2的形狀、大小、尺寸和固定位置應根據(jù)實際工作的風溫、風壓和風量條件進行確定。在本文研究對象風道結(jié)構(gòu)和邊界條件下，通過計算機數(shù)值模擬輔助設計，固定擋板2的形狀設計為直角三角形，其短直角邊長度為0.2m，固定在風道短邊上，其長直角邊長度為0.8m，與風道長邊方向平行，距離為0.1m。

為了分析新型同向異形雙擋板門的理想流量特性，對新型同向異形雙擋板門進行了數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果如表2所示。在風門開度為0%、25%、50%、75%和100%時相對流量分別為0%、22.5%、47.0%、78.7%和100%，擋板門相對開度與相對流量基本一致，偏差保持在4%以內(nèi)，風門調(diào)節(jié)線性良好。

表2 新型同向異形雙擋板門理想流量特性計算結(jié)果

為了進一步驗證新型同向異形雙擋板門流量特性，加工制造出了新型同向異形雙擋板門樣品，并設計了風門流量特性的冷態(tài)實驗測試臺架，如圖6～圖7所示。實驗風道截面尺寸為400mm×280mm，在實驗風道入口前為風機和風機出口過渡段，擋板門上游實驗測孔距風道入口約11倍風道特征長度，距新型同向異形雙擋板門約3倍風道特征長度，確保氣流達到充分發(fā)展段，保證測量結(jié)果準確性。在新型同向異形雙擋板門下游約5倍風道特征長度處設置了下游實驗測孔，作為上游測孔的平行測孔。

圖6 新型同向異形雙擋板門樣品

圖7 風門流量特性的冷態(tài)測試實驗臺架

模化實驗介質(zhì)為大氣，風機出口壓力設為215Pa不變，新型同向異形雙擋板門開度分別調(diào)至0%、25%、50%、75%和100%五個開度，采用畢托管和微壓計進行風量測量，實驗結(jié)果如表3所示。在風門開度為0%、25%、50%、75%和100%時相對流量分別為2.2%、26.2%、50.5%、77.9%和100%，偏差在3%以內(nèi)，新型同向異形雙擋板門具有良好的線性流量特性，能夠為鍋爐風量的準確快速調(diào)節(jié)創(chuàng)造先決條件。

表3 新型同向異形雙擋板門的流量特性模化試驗測試結(jié)果

本文采用CFD數(shù)值模擬計算和實驗臺架模化試驗等方法分析了燃煤鍋爐常見風門結(jié)構(gòu)的理想流量特性，并設計了一種具有良好線性特性的新型同向異形雙擋板門，結(jié)論如下：

通過CFD數(shù)值模擬計算了單插板門、雙插板門、斜雙插板門、單擋板門、雙擋板對向門、雙擋板同向門的理想流量特性，發(fā)現(xiàn)插板門流量線性特性優(yōu)于擋板門，雙擋板同向門流量線性特性優(yōu)于單擋板門和雙擋板對向門；

在雙擋板同向門結(jié)構(gòu)基礎上，設計了一種新型同向異形雙擋板門，其由固定擋板和轉(zhuǎn)動擋板組成，轉(zhuǎn)動擋板的形狀、大小與固定擋板互補，同向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動擋板轉(zhuǎn)動時，控制轉(zhuǎn)動擋板和風道、固定擋板之間的間隙，實現(xiàn)對風道內(nèi)氣體流量的調(diào)節(jié)作用；

通過CFD數(shù)值模擬流量特性計算以及實驗臺架模化測試驗證，新型同向異形雙擋板門相對開度與相對流量基本一致，偏差保持在4%以內(nèi)，風門調(diào)節(jié)線性優(yōu)于目前燃煤鍋爐常見風門，具有良好的線性調(diào)節(jié)特性，能夠為鍋爐風量的準確快速調(diào)節(jié)創(chuàng)造先決條件。