旋流對沖燃煤鍋爐的爐內(nèi)流場模擬

叢星亮，陳 劍，余永生

（國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601）

旋流對沖燃煤鍋爐的爐內(nèi)流場模擬

叢星亮，陳 劍，余永生

（國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601）

利用流體力學(xué)軟件，對330MW電站的旋流對沖燃煤鍋爐進(jìn)行了爐內(nèi)流場的數(shù)值模擬。根據(jù)旋流燃燒器在前后墻的布置方式，采用k-ε雙方程模型，對爐內(nèi)流場進(jìn)行了冷態(tài)模擬計算。計算結(jié)果表明，該型鍋爐布置的前后對沖燃燒器，其流場呈現(xiàn)較好的對稱性，爐膛的出口流場分布均勻，有效減少了爐膛出口煙溫的偏差，為對沖燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

旋流；鍋爐；燃煤；數(shù)值；模擬；流場；分布；特性

0 概 述

旋流對沖燃煤鍋爐具有爐膛出口流場分布均勻，爐膛內(nèi)流場對稱，能明顯降低爐膛出口煙溫偏差等特性。在國內(nèi)，由于旋流對沖燃煤鍋爐沒有四角切圓鍋爐應(yīng)用得廣泛，國內(nèi)技術(shù)人員對旋流對沖燃煤鍋爐的特性了解有限［1］。目前，僅通過試驗(yàn)，還不能全面掌握旋流對沖燃煤鍋爐的爐內(nèi)流場分布情況。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，采用流體力學(xué)軟件（CFD）對電站鍋爐的爐內(nèi)流場進(jìn)行模擬計算，已成為指導(dǎo)工程實(shí)踐工作的一種重要手段［2］。為了更好地了解旋流對沖燃煤鍋爐爐內(nèi)流場的流動特征，進(jìn)一步為該型鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供理論依據(jù)，現(xiàn)采用k-ε雙方程模型，對330MW電站的旋流對沖燃煤鍋爐進(jìn)行爐內(nèi)流場的數(shù)值模擬和計算，展示對沖燃煤鍋爐爐內(nèi)流場的特性。

1 設(shè)備系統(tǒng)

某型DG1150/25.4-Ⅱ3鍋爐是變壓直流超臨界鍋爐，一次再熱、前后墻對沖燃燒、單爐膛、尾部為雙煙道結(jié)構(gòu)。采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)及露天布置。爐膛為全焊膜式水冷壁，由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁等結(jié)構(gòu)組成。螺旋管與垂直管之間的連接，由過渡段水冷壁和水冷壁過渡段集箱進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接。

燃燒設(shè)備分別為前、后墻布置，采用對沖燃燒、旋流式燃燒器系統(tǒng)。風(fēng)、粉氣流從投運(yùn)的煤粉燃燒器噴進(jìn)爐膛后，每個燃燒器在爐膛內(nèi)形成獨(dú)立的火焰。前、后墻燃燒器的布置方式，如圖1所示。由圖1可知，前墻布置3層雙旋風(fēng)煤粉燃燒器，后墻布置2層雙旋風(fēng)煤粉燃燒器，每層4只，共計20只燃燒器。每臺磨煤機(jī)對應(yīng)供給每層4只燃燒器。在前后墻各布置一層燃燼風(fēng)噴口，其中2只側(cè)燃燼風(fēng)（SAP）噴口，4只燃燼風(fēng)（AAP）噴口。

圖1前、后墻燃燒器的布置

2 數(shù)學(xué)模型及計算方法

由于流體湍流運(yùn)動的復(fù)雜性和隨機(jī)性，目前，還沒有一種模型能有效描述各種流動。盡管如此，在工程上利用k-ε雙方程模型進(jìn)行模擬計算仍較為廣泛，而且取得非常好的效果［3-5］。因此，現(xiàn)采用k -ε雙方程模型，模擬旋流對沖燃煤鍋爐爐內(nèi)湍流的流動，分析爐內(nèi)流場的分布情況。

計算方程組包括了連續(xù)方程、動量方程、湍動能方程、湍動能耗散率方程和能量方程，在三維直角坐標(biāo)系中統(tǒng)一的表達(dá)形式為［6］：

div（dvh）-div（Γgradh）=Sh（1）

其中h表示待求解的變量（如u，v等）。式（1）中第一項(xiàng)div（dvh）為對流項(xiàng)；第二項(xiàng)div（Γgradh）為擴(kuò)散項(xiàng)，Γ為擴(kuò)散系數(shù)；Sh為方程源項(xiàng)。

模型假設(shè)了爐內(nèi)流動為定常流動，出口邊界沿著流動方向流動參數(shù)的導(dǎo)數(shù)為零，固體壁面采用無滑移條件處理。計算采用了有限差分法離散微分方程，對離散方程組采用SIMPLE算法求解，收斂標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)均小于10-3。爐膛呈π型分布，選取了爐膛下部的冷灰斗至爐膛頂部水平煙道作為計算區(qū)域，爐膛寬度為15101.2mm，深度為12866mm，爐膛高度為57000mm。采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格劃分爐膛燃燒區(qū)域，對燃燒器區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分處理，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共劃分232萬個網(wǎng)格。鍋爐爐膛的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

選取前墻下面兩層燃燒器和后墻兩層燃燒器全投、前墻最上層燃燒器投二次風(fēng)的正常運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值計算。入口采用速度進(jìn)口條件設(shè)置，主要入口條件，如表1所示。停運(yùn)燃燒器，利用內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)為停運(yùn)的燃燒器提供冷卻風(fēng)。內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)通過與燃燒器同心的環(huán)形通道進(jìn)入爐內(nèi)。內(nèi)二次風(fēng)通過軸向旋流器產(chǎn)生旋流，外二次風(fēng)通過切向布置的風(fēng)門調(diào)節(jié)形成旋流。燃燼風(fēng)及側(cè)燃燼風(fēng)中央部位的氣流為直流氣流，外圈氣流為旋轉(zhuǎn)氣流。入口條件按進(jìn)口均勻分布取值，進(jìn)口處湍流動能K取為進(jìn)口處平均湍流動能的10%，進(jìn)口處湍流動能耗散率，按照進(jìn)口處的K值和進(jìn)口的特征長度計算［7］。出口條件按照壓力出口設(shè)置，為爐膛負(fù)壓-90Pa。

表1燃燒器入口條件

3 計算結(jié)果及其分析

為了了解旋流對沖燃煤鍋爐內(nèi)部流動特征，圖3顯示了爐內(nèi)流場的豎直截面速度矢量的計算結(jié)果。圖3中，分別展示了不同燃燒器位置，在鍋內(nèi)豎直截面的速度矢量圖，兩個豎直截面相距2.845m，方向由右側(cè)墻到左側(cè)墻。由圖3可知，前后墻位置上燃燒器的噴出氣流，在爐膛中間相互撞擊，大部分氣流向爐膛頂部運(yùn)動，最下層的燃燒器噴出的氣流部分向爐膛下部運(yùn)動，沖到冷灰斗，在冷灰斗處形成停滯漩渦區(qū)。同一燃燒器位置的爐內(nèi)流場的豎直截面，在前后墻附近的流場分布呈現(xiàn)較好對稱性，而且不同燃燒器位置的鍋爐爐內(nèi)流場基本相同。模擬結(jié)果表明，該類型鍋爐布置的前后對沖燃燒器，其流場的對稱性較好。

圖3處于燃燒器位置的爐內(nèi)流場的豎直截面速度矢量圖

圖4顯示了相鄰燃燒器中間位置的鍋爐豎直截面速度矢量圖，兩個豎直截面相距2.845m，方向由右側(cè)墻到左側(cè)墻。從圖3、圖4可知，由于氣流的衰減，相鄰燃燒器中間位置的爐內(nèi)氣流速度較低，但是相鄰燃燒器中間位置的爐內(nèi)流場分布規(guī)律與燃燒器位置處的爐內(nèi)流場分布規(guī)律相類似，流場分布呈現(xiàn)較好的對稱性。

圖4相鄰燃燒器在中間位置的鍋爐豎直截面速度矢量圖

旋流對沖鍋爐的爐內(nèi)流場模擬結(jié)果顯示，二次風(fēng)噴入爐膛后，外緣與卷吸周圍的空氣混合，形成環(huán)狀回流區(qū)，卷吸的高溫?zé)煔饧訜崦悍哿?，有利于粉煤的加熱和燃燒。由于二次風(fēng)的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了回流區(qū)，起到穩(wěn)定燃燒的作用。一次風(fēng)和二次風(fēng)噴射至爐內(nèi)后，氣流發(fā)生衰減，射程較短，初期氣流的速度適當(dāng)，混合強(qiáng)烈，后期速度衰減，混合衰弱。這是因?yàn)閺男魅紵鲊姵龅臍怏w，既有旋轉(zhuǎn)向前的趨勢，又有切向飛出的趨勢，氣流初期的擾動非常強(qiáng)烈。由于射流不斷卷吸周圍氣體，并不斷擴(kuò)展，其切向速度的旋轉(zhuǎn)半徑也不斷增大，切向速度衰減很快，后期擾動衰退。此外，最大軸向速度也因?yàn)榫砦車鷼怏w而很快地衰減，導(dǎo)致射程較短［8］。

最上層燃燒器布置在鍋爐前墻，在鍋爐后墻位置上沒有布置。機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，只投前后墻下面兩層燃燒器，停運(yùn)最上層的燃燒器。最上層燃燒器投二次風(fēng)，為停運(yùn)的燃燒器提供冷卻作用，同時起到分級送風(fēng)，降低NOx生成量的作用。如圖5所示，是燃燒器位于爐內(nèi)流場橫截面上氣流速度矢量的計算結(jié)果。在圖5中，分別展示了最下層燃燒器、中間層燃燒器和最上層燃燒器位置的鍋爐爐內(nèi)流場的橫截面視圖。由圖5可知，下面兩層燃燒器位置氣流從前后墻射入爐膛，在爐膛中心位置相遇，碰撞后，大部分形成了向上氣流，少量氣流向下運(yùn)動，且兩側(cè)燃燒器的部分氣流向側(cè)墻沖刷形成漩渦氣流。進(jìn)行模擬計算后，對沖旋流鍋爐爐內(nèi)流場的計算結(jié)果與夏鈞［6］的模擬計算結(jié)果相一致。

圖5燃燒器位置與爐內(nèi)流場的橫截面視圖

由圖5可知，最下層燃燒器位置與中間層燃燒器位置的鍋爐爐內(nèi)流場的橫截面分布規(guī)律相類似，流場分布呈現(xiàn)較好對稱性。最上層燃燒器只投二次風(fēng)，保護(hù)燃燒器噴嘴。最上層燃燒器投二次風(fēng)后，鍋爐爐內(nèi)靠近前墻部分的流場橫截面分布規(guī)律與其他兩層燃燒器位置爐內(nèi)相應(yīng)位置的分布規(guī)律相類似，兩側(cè)燃燒器的部分氣流向側(cè)墻沖刷形成漩渦氣流。鍋爐爐內(nèi)靠近后墻部分的流場橫截面也形成了漩渦氣流。

相鄰燃燒器中間位置的鍋爐爐內(nèi)橫截面速度矢量圖，如圖6所示，兩個橫截面相距3.885m，方向從爐膛底部到爐膛頂部。由圖5、圖6可知，處于相鄰燃燒器中間位置的爐內(nèi)氣流速度較低，但是相鄰燃燒器中間位置的鍋爐爐內(nèi)流場分布規(guī)律與燃燒器位置的鍋爐爐內(nèi)流場分布規(guī)律相類似，流場分布呈現(xiàn)較好對稱性，部分氣流向側(cè)墻沖刷形成漩渦氣流。

圖6相鄰燃燒器中間位置的爐內(nèi)橫截面速度矢量圖

鍋爐頂部水平煙道沿著爐高方向的流場的速度矢量圖，如圖7所示。各個橫截面相距2m，方向沿著爐高方向由下往上。由圖7可知，水平煙道爐膛出口的流場分布比較均勻。這表明該類型鍋爐的燃燒方式，能有效降低爐膛出口的煙溫偏差，防止水平煙道過熱器、再熱器出現(xiàn)超溫爆管等現(xiàn)象。

圖7鍋爐頂部水平煙道沿著爐高方向的流場分布圖(各橫截面相距2m)

4 結(jié) 語

對具有20只旋流燃燒器的330MW燃煤鍋爐的爐內(nèi)流場進(jìn)行了模擬計算。計算結(jié)果表明，該型鍋爐布置的前后對沖燃燒器，其流場呈現(xiàn)較好的對稱性，爐膛出口流場分布均勻，能有效降低爐膛出口的煙溫偏差。通過數(shù)值模擬，為對沖燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

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NumericalSimulationResearchonFlowFieldintheChamber ofaSwirl-OpposedFiringBoiler

CONGXing-liang，CHENJian，YUYong-sheng，XIEHong，CHENXin，LIYong
（ElectricPowerResearchInstituteofAnhuiElectricPowerCompanyinStateGrid，Anhui230601，Hefei，China）

Numericalsimulationofflowfieldinthechamberofa330MWswirl-opposedfiringboilerinpowerplanthas beencarriedoutbyusingcomputationalfluiddynamicssoftware.TheK-εtwo-equationmodelswereusedto numericallycalculatethree-dimensionalcoldflowfieldofa330MWcoal-firedboilerwith20swirlburnerarrangedon frontwallandbackwallintheformofopposedfiring.Thenumericalresultsshowtheflowfieldinthechamberof thiskindofboilerswithopposed-firingburnersisregularandcharacterizedbygoodsymmetry.Moreover，the uniformflow-fielddistributionatfurnaceoutletiscontributedtodecreasegastemperaturedeviationbetweentwosides offurnaceoutletandhorizontalgasduct.Theresearchresultsinthispapercanprovidetheoreticalfoundationforsafe andeconomicaloperationofswirl-opposedfiringboilerandplayapositiveroleinfurtherresearchonswirling combustionprocessinthiskindofboilers.

swirl；boiler；coal；numerical；simulation；flowfield；distribution；characteristic

TK223.21

A

1672-0210(2015)04-0035-04

2015-08-19

叢星亮（1985-），男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娬惧仩t性能試驗(yàn)及其燃燒控制。