辛凱 孫通 張全厚

（1.哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，哈爾濱 150046；2.神華（福建）能源有限責(zé)任公司，福州 350005；3.北方重工集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110141）

循環(huán)流化床鍋爐是在沸騰爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采用循環(huán)流化床的燃燒方式運(yùn)行，簡(jiǎn)稱(chēng)CFB鍋爐，由于其具有燃料適用性廣、煙氣中的污染物排放量低、爐膛內(nèi)燃燒效率高等顯著的優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛投入使用，在未來(lái)將向著幾十萬(wàn)千瓦級(jí)的大型化方向發(fā)展[1]，在這方面的研究、開(kāi)發(fā)和運(yùn)行優(yōu)化方面也日益受到相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者的重視。

爐膛的流場(chǎng)工況在很大程度上影響著鍋爐和電廠整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及設(shè)備的壽命，由于鍋爐的燃料性質(zhì)、設(shè)備狀況、工作人員的水平等因素影響鍋爐在理想工況下運(yùn)行，使得其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性受到一定程度的影響。但在當(dāng)今的電廠中，由于設(shè)備龐大而復(fù)雜，運(yùn)行中可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，試驗(yàn)不能應(yīng)對(duì)需要而隨時(shí)進(jìn)行，加之參數(shù)對(duì)與之有關(guān)的工況影響已不能憑想象和經(jīng)驗(yàn)做出判斷[2]，由此冷態(tài)試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。

近年來(lái)，已有多位學(xué)者對(duì)鍋爐冷態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究，衡麗君、段坤杰等[3]對(duì)220 t/h的循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)分析；張呂鴻、劉萌萌等[4]對(duì)二次風(fēng)入口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)研究；湛志鋼、曾庭華[5]對(duì)300 MW循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)分析，并將試驗(yàn)結(jié)果與135 MW等級(jí)機(jī)組冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由于現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件有限、試驗(yàn)耗費(fèi)的周期較長(zhǎng)等不利因素的影響，循環(huán)流化床鍋爐的冷態(tài)流場(chǎng)很難得到實(shí)時(shí)的分析，本文運(yùn)用大型商用CFD軟件FLUENT，基于Simple算法，運(yùn)用RNG k-ε湍流方程，結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，在一次風(fēng)速為25 m/s不變的情況下，針對(duì)二次風(fēng)速分別為40 m/s、45 m/s、50 m/s工況下的流場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬，并將三種工況下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，適時(shí)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，為循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

循環(huán)流化床鍋爐的物理模型、結(jié)構(gòu)尺寸及一次風(fēng)、二次風(fēng)流動(dòng)方向如圖1所示，采用solidworks軟件生成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT6.3研究爐膛內(nèi)的空氣流動(dòng)，利用gambit軟件建立三維模型和劃分網(wǎng)格，根據(jù)模型的特點(diǎn)，選擇六面體網(wǎng)格，數(shù)目為76萬(wàn)，增加兩次網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，得出的誤差在合理范圍內(nèi)，最終計(jì)算結(jié)果的精確性可得到保證。爐膛內(nèi)的空氣流動(dòng)采用RNG k-ε湍流方程求解，壓力速度耦合采用Simple二階迎風(fēng)的離散化算法，將迭代計(jì)算的殘差精度設(shè)置為10-5。

RNG k-ε模型是由Yakhot及Orzag提出的，通過(guò)大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的k方程和ε方程，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似：

圖1 循環(huán)流化床鍋爐的物理模型

Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，公式（1）介紹了計(jì)算方法；Gb是由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，公式（2）介紹了計(jì)算方法；YM是由于在可壓縮湍流中，過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶(hù)定義的。

與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型比較發(fā)現(xiàn)，RNG k-ε模型的主要變化是：

（1）通過(guò)修正湍流粘度，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況；

（2）在ε方程中增加了一項(xiàng)，從而反映了主流的時(shí)均應(yīng)變率Eff，這樣，RNG k-ε模型中產(chǎn)生項(xiàng)不僅與流動(dòng)情況有關(guān)，而且在同一問(wèn)題中也還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

從而，RNG k-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[6]。

1.3 邊界條件

一次風(fēng)和二次風(fēng)的邊界條件均設(shè)置為速度入口，其余設(shè)置為壁面邊界條件，出口設(shè)置為自由出口[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 速度場(chǎng)分析

迭代計(jì)算收斂后，在z =7.5 m處建立切片，并進(jìn)行三種工況的對(duì)比性能分析，圖2為針對(duì)二次風(fēng)速分別為40 m/s、45 m/s、50 m/s情況下的爐膛流場(chǎng)速度矢量圖。

圖2 不同二次風(fēng)速下的爐膛流場(chǎng)速度矢量圖

由圖2的模擬結(jié)果可以看出，在一次風(fēng)速不變的情況下，當(dāng)二次風(fēng)速定為40 m/s時(shí)，爐膛內(nèi)的流場(chǎng)分布較不均勻，邊界處易出現(xiàn)高速流動(dòng)區(qū)域和流動(dòng)死區(qū)，但隨著二次風(fēng)速的增大，爐膛內(nèi)的流場(chǎng)分布趨向平穩(wěn)，分布變得逐漸均勻，這是由于在固定的結(jié)構(gòu)和一次風(fēng)速不變的前提下，增大二次風(fēng)速，在一定程度上克服了空氣在爐膛中的流動(dòng)阻力，使流動(dòng)更為順暢，邊界處的流動(dòng)死區(qū)減少，可有效減少結(jié)垢現(xiàn)象，對(duì)提高設(shè)備的使用壽命提供保障[8]。

2.2 湍流強(qiáng)度分析

圖3為三種不同二次風(fēng)速時(shí)z =7.5 m截面處的湍流強(qiáng)度分布等值線圖。

圖3 不同二次風(fēng)速下的爐膛湍流強(qiáng)度等值線圖

圖3給出了不同二次風(fēng)速下的爐膛內(nèi)湍流強(qiáng)度等值線圖，通過(guò)對(duì)比可以看出，在二次風(fēng)速為40 m/s時(shí)，整體平均湍流強(qiáng)度較小，隨著二次風(fēng)速的增大，爐膛中的空氣流動(dòng)變得劇烈，湍流強(qiáng)度增大，這是由于在較低的二次風(fēng)速下，空氣的流動(dòng)處于較弱的湍流狀態(tài)。

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證模擬的精確性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)分析[9]，在爐膛中取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，同樣保持一次風(fēng)速恒定不變，二次風(fēng)速分別設(shè)置為40，45，50 m/s，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔3 min后，取一組數(shù)據(jù)，接連取5組，計(jì)算平均值，與FLUENT中的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，擬合出曲線圖4、圖5、圖6。

圖4 二次風(fēng)速為40 m/s時(shí)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 二次風(fēng)速為45 m/s時(shí)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 二次風(fēng)速為50 m/s時(shí)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖4至圖6可以看出，F(xiàn)LUENT的模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合曲線分布趨勢(shì)較為吻合，誤差在允許范圍內(nèi)，尤其是臨近爐膛空氣出口處，其誤差主要是由于測(cè)量系統(tǒng)偏差、人為操作、模型的簡(jiǎn)化處理等不可避免的原因引起的[10]。

4 結(jié)論

（1）本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工況和循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際尺寸，建立出模型，采用FLUENT軟件對(duì)調(diào)整二次風(fēng)速后的流場(chǎng)變化進(jìn)行了分析，解決了試驗(yàn)條件有限、不能適時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題。

（2）通過(guò)后續(xù)的試驗(yàn)對(duì)比分析，可見(jiàn)模擬結(jié)果的精確性可靠，可作為循環(huán)流化床鍋爐實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行的參考依據(jù)。

（3）一次風(fēng)速恒定不變，隨著二次風(fēng)速的增大，爐膛中的流場(chǎng)趨近平穩(wěn)，但綜合考慮爐膛總風(fēng)壓與燃燒充分性等因素，一、二次風(fēng)的配比需合理，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)酌情考慮。

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