王 勇，李 智，吳景興，袁德權(quán)，王文生

（1.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.華電電力科學(xué)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(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.華電電力科學(xué)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(jìn)行冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)，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(dāng)，而在動態(tài)時由于受到不同層次風(fēng)速的共同影響，實(shí)際切圓直徑將變大。通過對爐內(nèi)不同層次風(fēng)速的調(diào)整，使其速度場達(dá)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(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(yùn)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(yàn)是一種省時、省力、高效的試驗(yàn)方法，鍋爐在改造后其內(nèi)部布置要重新測定，必須進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，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(yùn)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(jìn)行測量以及速度場的調(diào)整進(jìn)行闡述，并結(jié)合有限元軟件對爐內(nèi)空氣動力場進(jìn)行模擬再現(xiàn)氣流在爐內(nèi)的分布情況，應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）進(jìn)行鍋爐冷態(tài)試驗(yàn)研究，以彌補(bǔ)常規(guī)冷態(tài)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對比分析從而得出準(zhǔn)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(jī)中間儲倉式制粉系統(tǒng)，送粉方式為熱風(fēng)送粉。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)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(jì)假想切圓直徑為608 mm。燃燒器采用均等配風(fēng)，分6層布置，布置形式為“3、2、1、2、1、2”，即最上層為三次風(fēng)，以下一、二次風(fēng)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(jī)理

2.1 試驗(yàn)原理

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

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

保持空氣流動狀態(tài)進(jìn)入自模區(qū)：氣流運(yùn)動狀態(tài)不隨雷諾數(shù)變化，當(dāng)速度和雷諾數(shù)均增大時，只有空間各點(diǎn)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(jìn)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)?；囼?yàn)計(jì)算方法

邊界條件相似遵循式（1）［3］：

式中ρ1、ρ2——一、二次風(fēng)密度，kg／m3；

ω1、ω2——一、二次風(fēng)風(fēng)速，m／s；

l——冷態(tài)；

r——熱態(tài)。

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

熱態(tài)二次風(fēng)的密度為

考慮到煤粉濃間速度差的影響，熱態(tài)一次風(fēng)粉的密度

由此可以推導(dǎo)噴口風(fēng)速比的計(jì)算公式：

同理可推導(dǎo)二、三次風(fēng)速比的公式：

式中k——煤粉相對于一次風(fēng)氣流的滯后系數(shù)，通常取0.8；

μ——一次風(fēng)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(jì)熱態(tài)工況下噴口一、二、三次風(fēng)溫度，℃。

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

2.3 冷模最小送風(fēng)量

進(jìn)入自?；瘏^(qū)時爐膛所需最小風(fēng)量按式（6）計(jì)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(jì)算：

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

Re——?dú)饬鞯睦字Z數(shù)，當(dāng)Re≥105時，氣流進(jìn)入自?；瘏^(qū)；

d——爐膛斷面的當(dāng)量直徑，m。

爐膛斷面的當(dāng)量直徑按式（8）計(jì)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(yàn)時，將一、二、三次風(fēng)噴口速度調(diào)整到21 m／s、22.6 m／s和39.56 m／s，噴口風(fēng)量及爐膛風(fēng)量均大于進(jìn)入自模化區(qū)所需最小風(fēng)量，同時，一、二、三次風(fēng)動量比相同，滿足冷態(tài)模化試驗(yàn)條件。

3 冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)

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(fēng)噴口下沿為基準(zhǔn)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?。?］，其結(jié)果為1、2、3、4號角燃燒器中心線與爐膛中心點(diǎn)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(jì)假想切圓直徑D608 mm基本相當(dāng)。

3.2 動態(tài)風(fēng)速測量試驗(yàn)

為了使冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到各項(xiàng)自?；瘲l件，試驗(yàn)開始前將送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)均投入運(yùn)行，各角二次風(fēng)門開度控制在100%，調(diào)整送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)擋板開度及熱風(fēng)門冷風(fēng)門開度以調(diào)整一、二次風(fēng)速，使其盡量保持與理論選取的風(fēng)速接近。冷態(tài)風(fēng)速實(shí)際測量結(jié)果見表3。

表3 冷態(tài)風(fēng)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(fēng)速平均值與理論選取值比較接近，滿足冷態(tài)?；囼?yàn)的各項(xiàng)要求；

b.各層一次風(fēng)速偏差相對較小，最大分別為6.6%和5.1%；

c.各層二次風(fēng)速略有偏差，最大分別為5.1%、8.8%和7.6%。

用風(fēng)速儀測量爐內(nèi)中心線上各點(diǎn)的風(fēng)速，繪出爐內(nèi)速度分布情況［5］。圖1為鍋爐下一次風(fēng)燃燒器噴口中心標(biāo)高爐膛水平截面上的氣流速度分布圖?？梢姡瑺t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(fēng)共同影響，實(shí)際切圓將變大，實(shí)測的切圓直徑大小約為1.6 m，貼壁風(fēng)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(fēng)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(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)Standard Wall Functions［7］，以不同工況的風(fēng)速作為邊界條件。為了保證計(jì)算精準(zhǔn)性與可靠性，需對爐膛的有限元模型進(jìn)行細(xì)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(jì)工況與實(shí)際測量工況，對下一次風(fēng)燃燒器氣流速度分布進(jìn)行模擬［8］，即工況1下一次風(fēng)風(fēng)速在爐膛4個角都?。é?）l＝21 m／s，工況2取表3中實(shí)際測量得到的下一次風(fēng)風(fēng)速。圖3、圖4分別為冷態(tài)下的下一次風(fēng)燃燒器內(nèi)部截面速度分布矢量圖。

圖3 設(shè)計(jì)工況下一次風(fēng)速度矢量圖

圖4 實(shí)際工況下一次風(fēng)速度矢量圖

由圖3、圖4可以看出，在設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況下，下一次風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(jì)工況下對一、二、三次風(fēng)全投時進(jìn)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(jì)工況下的一、二、三次風(fēng)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(qiáng)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(shí)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(jì)假想切圓直徑基本一致。

b.冷態(tài)條件下一、二、三次風(fēng)速基本達(dá)到?；囼?yàn)要求的風(fēng)速。各層一次風(fēng)速偏差最大分別為6.6%和5.1%，各層二次風(fēng)速偏差最大分別為5.1%、8.8%和7.6%。

c.根據(jù)冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對爐膛空氣動力場進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過對比分析在設(shè)計(jì)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(fēng)的影響實(shí)際切圓要比設(shè)計(jì)值大些。

d.當(dāng)燃燒器一、二、三次風(fēng)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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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?yàn)殄仩t燃燒調(diào)整優(yōu)化。

2016－01－08）