固體蓄熱電鍋爐放熱過程蓄熱體組溫降一致性研究

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 前言

隨著國家治理霧霾、煤改電供暖政策的推進(jìn)，煤改電供暖設(shè)備的代表產(chǎn)品之一——固體蓄熱電鍋爐迎來了極大的市場需求。然而，固體蓄熱鍋爐本身存在的弊病(諸如電熱絲或電熱管容易燒壞、蓄熱鍋爐體積龐大等)也得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。其中，蓄熱鍋爐放熱過程中出現(xiàn)的蓄熱體組溫降不一致問題是電加熱絲或電加熱管燒壞的根源。因此實(shí)現(xiàn)蓄熱體組放熱過程溫降一致性問題應(yīng)引起重視。

圖1 固體蓄熱鍋爐結(jié)構(gòu)原理

固體蓄熱電鍋爐的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，低谷電時(shí)段電熱絲通電加熱使蓄熱體的溫度升高至750 ℃左右，非低谷電時(shí)段停止加熱，借助循環(huán)風(fēng)機(jī)以及氣水換熱器使蓄熱體降溫并加熱循環(huán)熱水(或其他流體)。初始蓄熱結(jié)束時(shí)蓄熱體組內(nèi)各點(diǎn)溫度幾乎相等，而放熱過程中則會因?yàn)轱L(fēng)道內(nèi)循環(huán)風(fēng)流速的不同導(dǎo)致蓄熱體組內(nèi)溫度的不均勻。這樣，在下一個(gè)蓄熱周期內(nèi)蓄熱過程結(jié)束時(shí)蓄熱體組內(nèi)就會存在很大的溫差。如果蓄熱體溫度傳感器設(shè)置在流速較小的部位，則自控系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，高流速部位蓄熱體的溫度將達(dá)不到設(shè)定溫度，從而不能充分發(fā)揮蓄熱體的蓄熱能力。反之，如果傳感器設(shè)置在流速較大的部位，則自控系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，低流速部位蓄熱體的溫度將會嚴(yán)重超溫，從而燒壞電加熱絲。由于上述原因，目前許多生產(chǎn)企業(yè)大多采用降低蓄熱鍋爐蓄熱溫度的方法來保證鍋爐運(yùn)行的可靠性，即通過增加蓄熱體的數(shù)量、減小蓄熱體的有效蓄熱溫差來保證足夠的蓄熱量，進(jìn)而在保證鍋爐蓄熱量的前提下實(shí)現(xiàn)鍋爐的可靠運(yùn)行。這樣做不僅增加了蓄熱鍋爐的成本，而且還增加了鍋爐房的基建投資[1]。因此，實(shí)現(xiàn)固體蓄熱鍋爐放熱過程蓄熱體組溫降一致性對提高蓄熱鍋爐的性能至關(guān)重要。以某企業(yè)生產(chǎn)的240 kW固體蓄熱鍋爐為例，詳細(xì)介紹了采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段完善固體蓄熱鍋爐性能工程案例，為同類產(chǎn)品的改進(jìn)提供了有益的參考。

2 原鍋爐結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)測試

2.1 原鍋爐配風(fēng)箱及蓄熱體組換熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)

原有蓄熱鍋爐的配風(fēng)箱及均風(fēng)室如圖2所示。循環(huán)風(fēng)機(jī)型號為Y5-47NO.5。配風(fēng)箱采用單個(gè)導(dǎo)流板將風(fēng)量平均分配給2個(gè)支風(fēng)道，2個(gè)支風(fēng)道分別連接2個(gè)均風(fēng)室，為2個(gè)獨(dú)立的蓄熱體組模塊提供循環(huán)風(fēng)。每個(gè)蓄熱模塊有60個(gè)截面為0.03 m×0.135 m、長度為1.480 m的換熱風(fēng)道，如圖3所示。均風(fēng)室為長方體結(jié)構(gòu)，其幾何參數(shù)：長×寬×高分別為0.915 m×0.517 m×2.15 m。由于配風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致2個(gè)蓄熱模塊，120個(gè)換熱風(fēng)道的風(fēng)量極不均勻，運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)電加熱絲燒壞的故障。

圖2 原有爐型的配風(fēng)箱及換熱通道示意圖

圖3 測點(diǎn)位置及編號對應(yīng)圖

2.2 原鍋爐換熱風(fēng)道的流速及蓄熱體溫度測試

由于鍋爐在實(shí)際使用過程中，電加熱絲燒斷的情況時(shí)有發(fā)生，首先對蓄熱體組換熱風(fēng)道的流速進(jìn)行了測試。2個(gè)蓄熱體組的換熱風(fēng)道的分布為8列、15行，如圖3所示，換熱風(fēng)道的位置采用矩陣的形式表示，如A3表示第一行第三列換熱風(fēng)道。

風(fēng)速測量采用法國KIMO風(fēng)速測量儀(可測量大于0.1 m/s的風(fēng)速)。測量過程風(fēng)機(jī)的頻率分別設(shè)定為50.0 Hz、22.9 Hz、10.5 Hz、4.8 Hz和2.2 Hz 5個(gè)工況。實(shí)驗(yàn)得到的典型風(fēng)道的出風(fēng)口風(fēng)速如圖4所示。

圖4 換熱通道風(fēng)量測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖4中可以看出，原有爐型在5個(gè)運(yùn)行工況下?lián)Q熱風(fēng)道的出口風(fēng)速均存在較大的差異，低頻率下運(yùn)行時(shí)風(fēng)速相差較小，高頻率下運(yùn)行時(shí)風(fēng)速相差很大，對于50 Hz的工況而言，最大出風(fēng)口的風(fēng)速C5=17 m/s，最小出風(fēng)口的風(fēng)速M(fèi)6=2.8 m/s，相差約6倍。

另外，還對鍋爐熱態(tài)的溫度進(jìn)行了測量，圖5是利用JK-XU多路溫度巡檢儀記錄的換熱通道C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8內(nèi)部32 h的溫度變化情況。

圖5 換熱通道溫度測量試驗(yàn)結(jié)果

從圖5中可以看出，初次蓄熱階段結(jié)束時(shí)，蓄熱體組的溫度基本相等，而初次放熱結(jié)束時(shí)，蓄熱體組內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度出現(xiàn)了較大的差別。溫度最低點(diǎn)C5約90 ℃，溫度最高點(diǎn)M6約270 ℃。第二次蓄熱結(jié)束時(shí)，溫度最低點(diǎn)C5約810 ℃，而溫度最高點(diǎn)M6約1 050 ℃。結(jié)合鍋爐運(yùn)行的情況發(fā)現(xiàn)，電加熱絲經(jīng)常燒斷的部位正是風(fēng)速最小、溫度最高的區(qū)域。

2.3 原鍋爐配風(fēng)箱的數(shù)值模擬

圖6 網(wǎng)格劃分示意圖

配風(fēng)箱的出口風(fēng)量是否一致是實(shí)現(xiàn)蓄熱體換熱風(fēng)道風(fēng)量一致性的關(guān)鍵。為了分析原鍋爐配風(fēng)箱的空氣流動情況，利用CFD軟件對其流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型建立及網(wǎng)格劃分如圖6所示。幾何建模過程中將左右2個(gè)出風(fēng)口分別均分為4等分，對8個(gè)等截面的出風(fēng)口自左向右分別標(biāo)記為出口1、出口2、…、出口8。鍋爐循環(huán)風(fēng)機(jī)型號為Y-5-47NO.5，幾何建模過程采用了風(fēng)機(jī)的實(shí)際幾何參數(shù)。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為52 902。

在利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，葉輪的過流部分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域[2]。分別模擬了304 rad/s、139.02 rad/s、63.742 rad/s、29.1 rad/s和13.36 rad/s(對應(yīng)變頻器頻率為50.0 Hz、22.9 Hz、10.5 Hz、4.8 Hz和2.2 Hz)5種運(yùn)行工況。風(fēng)道內(nèi)流體采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型k-ε，采用SIMPLE算法求解耦合關(guān)系，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流動能、湍流耗散項(xiàng)、動量方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。進(jìn)口邊界條件為pressure-inlet，出口邊界條件為pressure-outlet。

圖7、圖8分別給出了50 Hz工況下配風(fēng)箱的速度矢量圖和8個(gè)出口空氣的質(zhì)量流量圖。

從圖7、圖8可以看出，由于送風(fēng)道結(jié)構(gòu)極不規(guī)則，原設(shè)計(jì)僅在配風(fēng)箱內(nèi)設(shè)置了一個(gè)導(dǎo)流板，很難使8個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量相等或接近。尤其右側(cè)換熱模塊出風(fēng)口，風(fēng)速極不均勻，出風(fēng)口8的風(fēng)量幾乎占據(jù)了右側(cè)出風(fēng)口的全部風(fēng)量。這樣的結(jié)果將會影響右側(cè)蓄熱體組內(nèi)x方向(水平方向)散熱風(fēng)道風(fēng)量的均勻性，最終對蓄熱體放熱過程溫降的一致性帶來很大的困難。

圖7 原鍋爐50 Hz工況下配風(fēng)箱速度矢量圖

圖8 改進(jìn)前不同工況下出口1-8的流量

圖9 鍋爐配風(fēng)箱改進(jìn)方案示意圖

3 鍋爐配風(fēng)箱的改進(jìn)

3.1 改進(jìn)方案

為了實(shí)現(xiàn)配風(fēng)箱8個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量相等或接近，在多次數(shù)值實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了圖9所示的配風(fēng)箱改進(jìn)方案,并通過對各導(dǎo)流板角度的多次調(diào)整得到了最終的配風(fēng)箱幾何參數(shù)。

3.2 改進(jìn)后配風(fēng)箱流場數(shù)值模擬結(jié)果

圖10、圖11分別給出了配風(fēng)箱改進(jìn)后的速度矢量圖和出風(fēng)口風(fēng)量分布圖，通過數(shù)值模擬可以得到不同頻率下出風(fēng)口1-8的流量分布情況。

由圖10可以看出，配風(fēng)箱內(nèi)部以及8個(gè)出風(fēng)口的速度場得到了明顯的改善。從圖11可以看出，相對原配風(fēng)箱而言，8個(gè)出風(fēng)口流量的差別已經(jīng)很小，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖10 改進(jìn)后配風(fēng)箱50 Hz工況下速度矢量圖

圖11 改進(jìn)后不同工況下出口1-8的流量

3.3 配風(fēng)箱出風(fēng)口風(fēng)速均勻性評價(jià)

多通道風(fēng)量的均勻性可利用出風(fēng)口1-8的風(fēng)量進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)方法采用克里斯琴森均勻系數(shù)[3]

(1)

顯然，CU值越接近1，整個(gè)系統(tǒng)的氣流組織均勻性越好。通過數(shù)值模擬的結(jié)果整理得到的配風(fēng)箱改進(jìn)前后的相關(guān)數(shù)據(jù)及用于評價(jià)出口流量均勻性的CU值見表1。

表1 改進(jìn)前后配風(fēng)箱50 Hz工況下出口風(fēng)量均勻性結(jié)果

顯然，改進(jìn)后的配風(fēng)箱其8個(gè)出口流量對應(yīng)的CU值達(dá)到0.956 106 61，在原來的基礎(chǔ)上提高了66%。

4 配風(fēng)箱改進(jìn)后蓄熱體換熱風(fēng)道風(fēng)速及蓄熱體溫度實(shí)測結(jié)果

將改進(jìn)后的配風(fēng)箱安裝在鍋爐上進(jìn)行了冷態(tài)流速和熱態(tài)溫度的實(shí)際測量，數(shù)據(jù)曲線見圖12和圖13。

圖12 蓄熱體組換熱通道風(fēng)速分布

圖13 蓄熱體組換熱通道溫度分布

由圖12可以看出，在5種工況下運(yùn)行時(shí)，典型風(fēng)口的風(fēng)速較改進(jìn)前得到了明顯的改善。由圖13可以看出，典型風(fēng)口處蓄熱體的溫差也得到了明顯的控制，初次放熱結(jié)束時(shí)，蓄熱體組內(nèi)部的最低溫度約120 ℃，最高溫度約170 ℃。第二次蓄熱結(jié)束時(shí)，最低溫度約700 ℃，最高溫度約750 ℃。顯然，相對于改進(jìn)前而言，蓄熱體組內(nèi)部的溫度分布得到了顯著的改善。可見，保證固體蓄熱鍋爐運(yùn)行過程中各換熱通道空氣流速盡量一致是實(shí)現(xiàn)固體蓄熱電鍋爐放熱過程蓄熱體溫降一致性的有效途徑，并且配風(fēng)箱各出口風(fēng)量的一致性直接影響換熱通道內(nèi)空氣流速的一致性。

5 結(jié)論

(1)保證固體蓄熱鍋爐運(yùn)行過程中各換熱通道風(fēng)速的均勻性是實(shí)現(xiàn)固體蓄熱電鍋爐放熱過程蓄熱體溫降一致性的有效途徑，其中配風(fēng)箱各出口風(fēng)量的一致性直接影響換熱通道內(nèi)風(fēng)速的一致性。

(2)在復(fù)雜形狀配風(fēng)箱內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板可實(shí)現(xiàn)配風(fēng)箱出口空氣流量的一致性。為達(dá)到這一目的，采用數(shù)值模擬的方法來完善配風(fēng)箱的流場是一種行之有效的方法。