二次風(fēng)旋流強(qiáng)度可調(diào)范圍的數(shù)值模擬研究

李兵臣， 宋景慧， 沈躍良， 李德波， 周少祥

（1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510600）

煤粉在爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性是電站鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要影響因素之一.對于旋流燃燒器，二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對爐內(nèi)流場的影響較大，主要表現(xiàn)在燃燒器出口附近中心回流區(qū)的形成情況，較好的回流區(qū)可使?fàn)t內(nèi)煤粉形成良好的燃燒，不會出現(xiàn)爐內(nèi)局部溫度過高的現(xiàn)象.如果旋流強(qiáng)度過大，形成的回流區(qū)穩(wěn)定性差，容易造成爐內(nèi)飛邊，煤粉氣流沖刷水冷壁，燃燒器出口易被燒壞，附近的水冷壁易發(fā)生結(jié)焦，因此必須對二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的范圍進(jìn)行深入研究與分析.

由于旋流燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量手段有限，所以國內(nèi)外多數(shù)研究者進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并取得了一定的成果［1－7］，模擬的結(jié)果較好地顯示了爐內(nèi)流場的分布.但是這些模擬僅僅是針對單個旋流燃燒器進(jìn)行的研究，忽略了燃燒器之間的相互作用和爐膛空間大小對燃燒器模擬結(jié)果的影響.只有考慮到這些因素的影響，才能獲得更真實(shí)的燃燒器出口附近回流區(qū)的變化以及內(nèi)、外二次風(fēng)各自的旋流強(qiáng)度范圍的模擬結(jié)果.其中，旋流強(qiáng)度Ω為無因次數(shù)，即切向動量與軸向動量之比.

以整個爐膛為研究對象，利用Ansys 12.0軟件，采用數(shù)值模擬的方法對內(nèi)、外二次風(fēng)各自的旋流強(qiáng)度進(jìn)行分析，在模擬過程中保證一、二次風(fēng)配風(fēng)量不變，采用對比法分別對內(nèi)、外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度范圍進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為該型號燃燒器旋流強(qiáng)度的調(diào)整和爐內(nèi)穩(wěn)燃提供理論依據(jù).

1 模型及計算方法

1.1 模型結(jié)構(gòu)

旋流燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃燒器的中心風(fēng)和一次風(fēng)為直流，內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流，內(nèi)二次風(fēng)設(shè)計為軸向葉片旋流，外二次風(fēng)設(shè)計為切向葉片旋流.通過對該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了爐內(nèi)穩(wěn)燃條件下內(nèi)、外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的范圍.

圖1 旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of the swirl burner

該模型為前后墻對沖燃燒鍋爐，包括整個爐膛以及36個相同結(jié)構(gòu)的旋流燃燒器，前后墻分別布置3層，每層有6個燃燒器且相鄰燃燒器的間距相同，如圖2所示.由于需要計算旋轉(zhuǎn)流動，為了得到較好的模擬結(jié)果，整個模型分為幾個區(qū)域單獨(dú)劃分網(wǎng)格.燃燒器及附近的燃燒區(qū)采用加密網(wǎng)格，燃燒區(qū)上方和冷灰斗區(qū)的網(wǎng)格則較為稀疏.

圖2 燃燒器布置簡圖Fig.2 Arrangement diagram of burners

1.2 計算方法

由于流場局部屬于高速旋轉(zhuǎn)流動且具有較大的時均應(yīng)變力，標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型不能表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流動，因此湍流模型選擇帶有旋流修正的realizable k－ε模型.壓力方程選擇presto格式作為方程的差分離散方法，差分方程選用simple算法.

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 冷態(tài)模擬與試驗(yàn)的對比分析

旋流燃燒器的入口條件通過電廠實(shí)測得到，中心風(fēng)、一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的風(fēng)速分別為18m／s、22.4m／s、35m／s和35m／s，內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度Ω1＝0.58，外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度Ω2＝0.58.

由于燃燒器結(jié)構(gòu)相同且等距分布，因此只需比較分析相鄰2個燃燒器及其附近爐膛的模擬結(jié)果，圖3為某2個相鄰燃燒器的冷態(tài)流場模擬結(jié)果，其中內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度均為0.58，x為鍋爐前墻燃燒器出口至后墻的距離，y為爐膛高度.由圖3可知，在燃燒器軸線方向上，中心回流區(qū)出現(xiàn)在燃燒器出口距后墻0.8～2.2m的范圍內(nèi)，其中距離為1.4～2.0m區(qū)域內(nèi)的回流現(xiàn)象最明顯.為了驗(yàn)證冷態(tài)數(shù)值模擬的可行性，進(jìn)行了相同工況下的冷態(tài)試驗(yàn)測量.在燃燒器出口放置長飄帶，通過飄帶的偏轉(zhuǎn)來觀察流場情況.冷態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在距離燃燒器噴口1.0～2.0m的區(qū)域內(nèi)，一次風(fēng)射流剛度比較強(qiáng)；在距離噴口2.0～5.0m區(qū)域內(nèi)，飄帶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，飄帶末端偏離軸線約600mm.這表明冷態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)在定性方面是一致的，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性.

圖3 燃燒器的冷態(tài)流場矢量圖Fig.3 Vector graph of the cold－state flow field of burner

中心回流區(qū)的作用是卷吸已經(jīng)著火的高溫?zé)煔獠⑹蛊溥M(jìn)行回流，為燃燒器出口附近的煤粉氣流提供著火熱和活化能.如果回流區(qū)中心與燃燒器出口相距較遠(yuǎn)，則不能提供穩(wěn)定的熱源，易造成煤粉燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象.

中心回流區(qū)對煤粉著火過程和爐內(nèi)穩(wěn)燃起著重要的作用，通過改變中心回流區(qū)，分析和研究了內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度.將模擬結(jié)果與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析（表1），模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明模型模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確，可用于燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)旋流流動的模擬分析.

表1 數(shù)值模擬與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的對比Tab.1 Comparison between simulated and experimental results m

2.2 二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對流場的影響

外二次風(fēng)的作用是提供煤粉完全燃燒需要的空氣，同時冷卻燃燒器出口及其附近的水冷壁，防止燃燒器被燒壞或水冷壁結(jié)焦.該燃燒器的外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度由切向葉片控制，葉片有開關(guān)風(fēng)門的作用，開度越小，旋流強(qiáng)度越大，形成中心回流區(qū)的面積越大，越有利于煤粉在爐內(nèi)與氣流充分混合.然而旋流強(qiáng)度過大可能會引起爐內(nèi)氣流產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象，由于煤粉燃燒時混合不充分，煤粉氣流的流動性受到影響，燃燒器附近區(qū)域會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，引起水冷壁燒壞或結(jié)焦，從而給鍋爐運(yùn)行帶來極其不利的影響.當(dāng)Ω1＝0.58時，外二次風(fēng)的參數(shù)變化如表2所示，其中二次風(fēng)傾角為切向葉片氣流方向與豎直方向的夾角.

表2 外二次風(fēng)的參數(shù)Tab.2 Parameters of the external secondary air

當(dāng)Ω1＝0.58時，不同外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的流場軌跡如圖4所示，表3為不同外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時回流區(qū)的變化情況.由工況1～3可知，回流區(qū)中心逐漸遠(yuǎn)離燃燒器的軸線，回流區(qū)的長度逐漸增加，回流區(qū)的面積增大.然而在工況4中，中心回流區(qū)已經(jīng)偏移到2個燃燒器之間的水冷壁附近，形成的回流區(qū)不穩(wěn)定，大部分氣流貼壁流動，開始出現(xiàn)爐內(nèi)飛邊現(xiàn)象，此時煤粉燃燒會造成爐內(nèi)水冷壁被燒壞的事故.由此可見，中心回流區(qū)受外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的影響，外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍只能是0.58～1.00，當(dāng)旋流強(qiáng)度大于1.00時，不能形成較好的爐內(nèi)流場，這對鍋爐運(yùn)行影響較大，可能會引起水冷壁結(jié)焦和燃燒器出口被燒壞的事故.

表3 不同外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時回流區(qū)的變化情況Tab.3 Variation conditions of backflow zone at different swirl intensities of external secondary air

2.3 內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對流場的影響

內(nèi)二次風(fēng)的作用是形成中心回流區(qū)，卷吸爐內(nèi)高溫?zé)煔獠⑵漭斔椭寥紵鞒隹诟浇拿悍壑饏^(qū)域，用于點(diǎn)燃煤粉和穩(wěn)定燃燒.該燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)由軸向旋流葉片形成，葉片傾角是軸向方向與葉片之間的夾角.當(dāng)Ω2＝0.58時，內(nèi)二次風(fēng)的參數(shù)如表4所示.夾角越大，內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度越大.

圖4 不同外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時爐內(nèi)流場矢量圖Fig.4 Vector graph of in－furnace flow field at different swirl intensities of external secondary air

表4 內(nèi)二次風(fēng)的參數(shù)Tab.4 Parameters of the internal secondary air

當(dāng)Ω2＝0.58時，不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的流場軌跡如圖5所示，表5為不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時回流區(qū)的變化情況.由工況1、工況5、工況6和工況7可知，隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，回流區(qū)中心開始遠(yuǎn)離燃燒器出口軸線，回流區(qū)長度增長，回流區(qū)面積增大，同時存在一個旋流強(qiáng)度極限值，旋流強(qiáng)度過大會發(fā)生飛邊現(xiàn)象.內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的可調(diào)范圍為0.58～2.74，當(dāng)Ω1＞2.74時，爐內(nèi)氣流易發(fā)生飛邊現(xiàn)象.

由工況1～7可知，單獨(dú)改變旋流強(qiáng)度時，內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的可調(diào)范圍分別為0.58～2.74和0.58～1.00.由于燃燒器的內(nèi)、外二次風(fēng)都是旋流，中心回流區(qū)由相鄰的旋流射流形成，但中心回流區(qū)的形成是由二次風(fēng)的平均旋流強(qiáng)度所決定的.內(nèi)二次風(fēng)是燃燒器的內(nèi)層旋流風(fēng)，受到中心風(fēng)、一次風(fēng)和外二次風(fēng)等因素影響，當(dāng)增大內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度時，外二次風(fēng)起到一個旋流強(qiáng)度邊界的作用，制約著內(nèi)二次風(fēng)的改變.然而外二次風(fēng)是燃燒器的外層旋流風(fēng)，僅受內(nèi)二次風(fēng)的影響，受到的制約因素較少，當(dāng)增大外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度時，雖然內(nèi)二次風(fēng)會對外二次風(fēng)產(chǎn)生一個引力的作用，但是影響較小.因此，這種旋流燃燒器外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的可調(diào)范圍較小，而內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的可調(diào)范圍較大.

圖5 不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時爐內(nèi)流場矢量圖Fig.5 Vector graph of in－furnace flow field at different swirl intensities of internal secondary air

表5 不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時回流區(qū)的變化情況Tab.5 Variation conditions of backflow zone at different swirl intensities of internal secondary air

3 結(jié) 論

（1）內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度各自增大時，中心回流區(qū)的變化趨勢相同.隨著旋流強(qiáng)度的增加，中心回流區(qū)開始遠(yuǎn)離燃燒器出口軸線位置，回流區(qū)長度增加，回流區(qū)面積增大，但當(dāng)旋流強(qiáng)度大于某一數(shù)值時，將不能形成很好的中心回流區(qū)，易發(fā)生飛邊現(xiàn)象，給鍋爐運(yùn)行帶來不利的影響.

（2）爐內(nèi)要形成穩(wěn)定的中心回流區(qū)且不發(fā)生飛邊現(xiàn)象，內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的可調(diào)范圍分別為0.58～2.74和0.58～1.00.

（3）外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對回流區(qū)的影響較大，且調(diào)節(jié)范圍較小，而內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的可調(diào)范圍較大.在實(shí)際調(diào)節(jié)中，應(yīng)以調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度為主，而外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度盡量不要調(diào)整.

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