谷聰偉，李　智，史俊瑞，伍志朋，陳鵬飛

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部；b.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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某400 t/h四角切圓燃煤鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬

谷聰偉a，李智，史俊瑞b，伍志朋a，陳鵬飛a

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部；b.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

摘要：四角切圓的燃燒方式在大型燃煤火電廠鍋爐中普遍使用，利用CFD計(jì)算方法對(duì)某鍋爐四角切圓空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析在不同一二次風(fēng)配比情況下的爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)和溫度分布。同時(shí)，對(duì)總風(fēng)量相同、一二次風(fēng)配比不同、改變各燃燒器噴口風(fēng)速這3種不同工況進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：所建模型成功捕捉到了四角切圓空氣動(dòng)力場(chǎng)的整體特性，不同的風(fēng)率和風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生火焰對(duì)沖或?qū)t膛產(chǎn)生貼壁沖刷，切圓直徑過(guò)小或過(guò)大，火焰中心高度也會(huì)隨之發(fā)生變化，合適的一二次風(fēng)配比使空氣動(dòng)力場(chǎng)混合更加均勻，氣流更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：四角切圓；空氣動(dòng)力場(chǎng)；數(shù)值模擬

爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)主要指爐膛內(nèi)空氣(包括空氣所攜帶的燃料)以及燃燒產(chǎn)物的流動(dòng)方向和速度值的分布情況，一般分為冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)和熱態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)。爐膛熱態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)的測(cè)定是在鍋爐運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的，由于所需布置的測(cè)點(diǎn)較多，且實(shí)驗(yàn)裝置需滿足耐高溫和耐腐蝕等方面的要求，所以實(shí)驗(yàn)難度很大；而冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)的測(cè)定操作簡(jiǎn)便、安全，在工程應(yīng)用中較為普遍，但布置的測(cè)點(diǎn)有限，所以從整體上了解爐膛內(nèi)的空氣動(dòng)力場(chǎng)情況也較為困難。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用CFD軟件對(duì)爐膛四角切圓空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究，選取Realizable 湍流模型，在爐膛結(jié)構(gòu)及燃燒器的布置方面得到了很多經(jīng)驗(yàn)和成果[1,2]。雖然很多學(xué)者對(duì)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)單一變量進(jìn)行對(duì)比的描述并不詳盡。因此，為了詳盡描述爐內(nèi)各層面氣流的分布情況，使鍋爐安全高效地運(yùn)行，采用CFD軟件對(duì)某大型電站400 t/h四角切圓燃煤鍋爐的空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并進(jìn)行調(diào)整和對(duì)比試驗(yàn)。

1400 t/h四角切圓燃煤鍋爐簡(jiǎn)介

某鍋爐廠400 t/h四角切圓煤粉爐寬9 600 mm、深8 375 mm、高31 800 mm，分為5個(gè)區(qū)段，依次為冷灰斗段、燃燒器段、上爐膛段、冷灰斗與燃燒器交界面段、燃燒器與上爐膛交接面段。該爐為分級(jí)配風(fēng)直流燃燒器，噴嘴分為7層布置，配風(fēng)順序由上到下依次為上二次風(fēng)、中上二次風(fēng)、一次風(fēng)、中下二次風(fēng)、一次風(fēng)、一次風(fēng)和下二次風(fēng)，間距分別為670 mm、950 mm、670 mm、670 mm、670 mm和750 mm。一次風(fēng)風(fēng)口面積1.6848 ㎡，二次風(fēng)風(fēng)口面積為3.0464 m2。在一二次風(fēng)溫度保持不變的情況下，設(shè)定總風(fēng)量不變，改變一、二次風(fēng)風(fēng)率以及風(fēng)速，研究燃燒器各層和爐膛中心截面處各空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)。

2數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型

鍋爐內(nèi)部是極為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)，一般采用Realizable 湍流模型來(lái)模擬氣相湍流運(yùn)動(dòng)。將爐內(nèi)流動(dòng)過(guò)程視作穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的三維流動(dòng)狀態(tài)，在模擬中不考慮化學(xué)反應(yīng)[3]，則氣相控制方程為

(1)

其中，φ為因變量，Γφ為擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為源項(xiàng)，特定意義的φ具有特定量Γφ和Sφ，流場(chǎng)微分方程組通用形式如下表1所示。

表1　流場(chǎng)微分方程組通用形式

2.2網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格是數(shù)值計(jì)算的前提。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到數(shù)值解的計(jì)算精度，而且這種影響在許多情況下是具有決定性的。由于鍋爐本體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用非一致化網(wǎng)格生成技術(shù)劃分網(wǎng)格，共生成320 235個(gè)網(wǎng)格。為了減少數(shù)值偽擴(kuò)散，要求流體流動(dòng)方向垂直于網(wǎng)格邊界方向，即流體方向與網(wǎng)格邊界的法向平行。在燃燒器區(qū)域，流體速度等數(shù)值變化較大，為了模擬該區(qū)域各物理量的劇烈變化，網(wǎng)格適當(dāng)密集[4]。而在其他區(qū)域，網(wǎng)格適當(dāng)分布稀松，這樣可以減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。燃燒區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖1所示，其中a為某級(jí)燃燒器截面網(wǎng)格，b為鍋爐爐膛豎直中心截面網(wǎng)格劃分。

圖1　鍋爐網(wǎng)格劃分

從圖1中的a圖可以看出，在燃燒器入口附近，網(wǎng)格較為密集，且來(lái)流方向與網(wǎng)格邊界相垂直，這樣有利于噴口氣流的數(shù)值分析。從圖1中的b圖可以看出，網(wǎng)格在燃燒器區(qū)域內(nèi)較為密集，這樣有利于詳細(xì)分析燃燒器附近的流場(chǎng)分布。在折焰角附近，網(wǎng)格劃分出現(xiàn)不規(guī)則情況，這和爐膛尺寸有關(guān)，對(duì)整體研究所造成的影響較小。

2.3數(shù)值求解方法

燃燒器噴口設(shè)定為速度入口，爐膛出口設(shè)置為壓力出口，對(duì)壓力速度耦合采用SIMPLE算法處理，對(duì)壁面附近粘性層面采用壁面函數(shù)法處理[5]。

3結(jié)果與分析

在保持風(fēng)溫與實(shí)際運(yùn)行工況一致的情況下，選取一次風(fēng)和二次風(fēng)的溫度分別為373 K和556 K，模擬了4種不同工況下一、二次風(fēng)的風(fēng)速分布，如表1所示。其中，速度等于0的工況，表示該風(fēng)口關(guān)閉。

表2　4種不同工況下一、二次風(fēng)的風(fēng)速分布　m·s-1

一、二次風(fēng)在工況1條件下的溫度場(chǎng)如圖2所示，其中a圖為數(shù)值預(yù)測(cè)的中上二次風(fēng)噴口截面的溫度場(chǎng)情況，b圖為中一次風(fēng)噴口溫度場(chǎng)。一次風(fēng)在工況1條件下的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)如圖3所示。

圖2　一、二次風(fēng)在工況1下的溫度場(chǎng)

圖3　一次風(fēng)在工況1下的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)

根據(jù)圖2可以看出，一次風(fēng)溫度變化較大，形成了明顯的四角切圓形式，受到較高溫度的二次風(fēng)氣流擾動(dòng)和混合的影響，切圓中心溫度較高，氣流與墻壁間距合理，無(wú)明顯貼墻。二次風(fēng)溫度較高的情況下，溫度分布改變較小，但是仍出現(xiàn)了溫度場(chǎng)的四角切圓形式，切圓情況較一次風(fēng)溫度場(chǎng)切圓情況不明顯。圖3中的a圖為中一次風(fēng)壓力場(chǎng)，在氣流入口處，壓力較大，在爐膛中心及背火側(cè)，存在負(fù)壓區(qū)。由于背火側(cè)靠近快速噴射的氣流，壓力較低，氣流在爐膛中心形成了明顯且較為理想的切圓形式，在背火側(cè)及切圓中心，氣流速度較小，補(bǔ)氣效果好；同樣，氣流會(huì)向墻壁附近偏斜，切圓中心壓力較低，速度值較低。需要指出的是，預(yù)測(cè)的切圓直徑明顯大于設(shè)計(jì)值，且模型預(yù)測(cè)到了爐膛中心和背火側(cè)的負(fù)壓區(qū)，這與經(jīng)典的理論分析是一致的，說(shuō)明了模型的可靠性[6]。

中上二次風(fēng)和中一次風(fēng)的速度分布如圖4所示。在同一工況下，二次風(fēng)和一次風(fēng)速度分布存在差異，二次風(fēng)風(fēng)速較高，氣流射程長(zhǎng)，氣流剛性較好，偏斜程度小，切圓直徑較小，但是切圓中心和背風(fēng)側(cè)風(fēng)速比一次風(fēng)風(fēng)速小。

在上述工況下，得到了較為理想的計(jì)算結(jié)果。但爐膛內(nèi)的燃燒情況極其復(fù)雜，為適應(yīng)多種情況，在保持總風(fēng)量不變的情況下，研究不同風(fēng)率和配風(fēng)的空氣動(dòng)力場(chǎng)很有必要。

圖4　一、二次風(fēng)在工況1下的速度分布

圖5和圖6分別為在工況2、3、4下中上二次風(fēng)以及中一次風(fēng)的速度場(chǎng)分布。

圖5　工況2、3、4下中上二次風(fēng)的速度場(chǎng)分布

圖5中的a圖和c圖分別是中上二次風(fēng)在原工況下改變一次風(fēng)率之后的效果，二次風(fēng)射流剛性明顯不同，工況4下的剛性較好，氣流偏斜程度小，直流射流的射程長(zhǎng)，在爐膛氣流中貫穿能力強(qiáng)。作為助燃風(fēng)，具有較強(qiáng)剛性的二次風(fēng)有利于增強(qiáng)擾動(dòng)和混合，使得煤粉氣流能夠快速著火燃燒。工況2的二次風(fēng)氣流速度較工況4小，氣流易發(fā)散，偏斜程度較為嚴(yán)重，剛性較差。但是在這兩種工況下都形成了明顯的四角切圓，且在靠近壁面區(qū)以及切圓中心處的氣壓較低，速度較小，這是四角切圓鍋爐中的一個(gè)固有特征[6]。

圖5中的a圖和b圖表示在相同的配風(fēng)速率下，改變?nèi)紵鲊娍诘臄?shù)量，對(duì)其余燃燒器切面空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響。圖b為關(guān)閉上二次風(fēng)噴口后的中上二次風(fēng)截面速度分布，射流速度較大，氣流剛性較大，強(qiáng)風(fēng)區(qū)較長(zhǎng)，形成的切圓更加接近設(shè)計(jì)切圓，射流偏斜程度小，在貼壁處及爐膛中心形成了較為明顯的低速區(qū)。

圖6　工況2、3、4下中一次風(fēng)的速度場(chǎng)分布

由圖6可以看出，在一定范圍內(nèi)，控制改變一次風(fēng)率對(duì)一次風(fēng)空氣動(dòng)力場(chǎng)影響比較直接[7]。圖a和圖c分別表示工況2和工況4在不同配風(fēng)速率下的速度場(chǎng)。由此可見，氣流剛度明顯不同，氣流偏斜程度及擴(kuò)散程度也不同，工況4形成了較小的切圓面積，但在背火側(cè)沒(méi)有明顯的負(fù)壓區(qū)，空氣動(dòng)力場(chǎng)的效果不是很理想。圖a和圖b比較，工況3的氣流剛度較大，偏斜程度小，在切圓中心以及背火側(cè)形成了明顯的低速區(qū)和無(wú)風(fēng)區(qū)。這3種工況下的四角切圓效果都比較明顯，符合實(shí)際運(yùn)行情況。

爐膛豎直中心截面的速度場(chǎng)分布情況如圖7所示。由于配風(fēng)速率的不同，爐膛中心位置處風(fēng)速差別較大，折焰角及爐膛出口附近氣流速度也有較大區(qū)別，燃燒器噴口上方形成低壓區(qū)的大小也因此受到影響。燃燒器數(shù)量的不同，會(huì)顯著影響燃燒器附近高速氣流的區(qū)域大小、切圓大小以及爐膛整體氣流速度分布。

4結(jié)論

1)此模型成功預(yù)測(cè)到了四角切圓鍋爐的空氣動(dòng)力場(chǎng)特性，在爐膛中心及氣流背火側(cè)存在低壓區(qū)，低壓區(qū)對(duì)應(yīng)流速低，爐內(nèi)四角切圓特性明顯。

2)對(duì)于相同的燃燒器噴口而言，隨著一、二次風(fēng)風(fēng)速的增大，使得氣流剛性增強(qiáng)，切圓直徑減小，在實(shí)際配風(fēng)中，一、二次風(fēng)在很大程度上影響燃燒產(chǎn)物，其射流剛性以及配風(fēng)率對(duì)于保證爐膛正常點(diǎn)火燃燒很有必要。

3)由對(duì)比結(jié)論可知，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大一次風(fēng)的配風(fēng)率會(huì)使得爐膛整體空氣動(dòng)力場(chǎng)混合更加均勻，氣流更加穩(wěn)定。改變噴口數(shù)量對(duì)爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中盡量避免改變?nèi)紵鲾?shù)量。

圖7　爐膛豎直截面速度場(chǎng)分布情況

4)數(shù)值模擬可靠性好，對(duì)于爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)，可以適當(dāng)減少布置測(cè)點(diǎn)，提高測(cè)量?jī)x器的使用效率，減少調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)人員的工作量。

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(責(zé)任編輯張凱校對(duì)佟金鍇)

Numerical Simulation of Aerodynamic Field of One

400 t/h Four Tangential Coal-fired Boiler

GU Cong-weia,LI Zhi,SHI Jun-ruib,WU Zhi-penga,CHEN Peng-feia

(a.Graduate Department;b.School of Energy and Power Engineering,

Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：The tangentially fired combustion was widely used in large coal fired power plant.This paper presents a three-dimensional numerical simulation on aerodynamic field for a full-size tangentially fired boiler base on the computational fluid dynamics method.Attention was focused on the influence of the ratio between the primary air and second air on the furnace velocity and temperature profiles.Four cases with different primary air and second air proportion within same air quantity were conducted and analyzed,depended on changing burner wind speed.Results showed that our model successfully captured the overall characteristics of the aerodynamic field for the tangentially fired,different wind ratios caused bi-direction flame or washing down furnace,tangential circle diameter smaller or larger and different flame center heights.the reasonable ratio between the primary air and second air made aerodynamic field well-mixed and airflow steadier.This work provides theoretical basis for combustion adjusting.

Key words：tangential fired,aerodynamic field,numerical simulation

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.007

通訊作者：李智(1963-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院特殊津貼專家，主要從事研究電站熱力過(guò)程仿真控制技術(shù)及電站機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行方面的研究.

作者簡(jiǎn)介：李格(1990-)，女，河南三門峽人，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371200)

收稿日期：2014-09-03

中圖分類號(hào)：TK229.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)01-0025-06