四墻切圓爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場數(shù)值試驗(yàn)研究

王 斌

（國電豐城發(fā)電有限公司，江西豐城 331100）

0 引言

鍋爐冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)是火力發(fā)電廠的重要試驗(yàn)之一，但其工作量較大、工況調(diào)整困難和測量方法復(fù)雜等。并且要獲得爐內(nèi)各物理量的細(xì)節(jié)信息方面有很大難度，而計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件為鍋爐研究提供了一個虛擬平臺。本文將針對該爐進(jìn)行爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場的數(shù)值模擬，得到在該鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒器布置方式下爐內(nèi)空氣動力特性和結(jié)焦原因。

1 鍋爐本體結(jié)構(gòu)介紹

本文所模擬的對象是某電廠2號鍋爐系哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司自主開發(fā)研制的HG-1964/25.4-YM17型墻式切圓燃燒超臨界鍋爐。該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排焦、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置的π型鍋爐。采用中速磨直吹制粉系統(tǒng)，每爐配6臺HP1003碗式中速磨煤機(jī)，燃用設(shè)計(jì)煤種時5臺運(yùn)行，1臺備用。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2 冷態(tài)空氣動力場的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值方法

圖1 爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸和燃燒器切圓示意圖（單位：mm）

由于四墻切圓鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了使數(shù)值計(jì)算可行、準(zhǔn)確，需對實(shí)際爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化處理。本文采用了非均勻六面體網(wǎng)格，由于該鍋爐所劃分的網(wǎng)格線與流動方向垂直，因此無需考慮模擬中產(chǎn)生的偽擴(kuò)散現(xiàn)象，共生成網(wǎng)格數(shù)1553536個。在通用方程的離散操作中,對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式。對。對壁面附近粘性層中的模擬計(jì)算,本文采用壁面函數(shù)法予以處理，壓力速度耦合采用SIMPLE算法處理

出口壓力設(shè)為-90Pa。

在固體壁面上，氣流按無滑移條件且無湍流運(yùn)動處理，即

2.2 數(shù)學(xué)模型

表2 流場微分方程組通用形式

2.3 邊界條件及模擬工況

模擬計(jì)算中燃燒器噴口處各物理量取均勻入口條件，入口條件設(shè)為速度入口，即一次風(fēng)風(fēng)速V1=25m/s，二次風(fēng)風(fēng)速V2=56m/s，Vsofa=60m/s，爐膛出口設(shè)為壓力出口。具體分3個模擬工況：

工況1：設(shè)計(jì)工況，即V1=25m/s，V2=56m/s，Vsofa=60m/s。

工況2：1、3號角速度同時減小，設(shè)為V1=20m/s，V2=48m/s，Vsofa=60m/s。2、4號角保持不變。

工況3：1號角速度減小，設(shè)為V1=20m/s，V2=48m/s，Vsofa=60m/s。2、3、4號角保持不變。

3 模擬結(jié)果及分析

圖2中，從工況1即設(shè)計(jì)工況可以看出，氣流切向運(yùn)動形成明顯的切圓燃燒工況，切圓中心在爐膛中央，未發(fā)生氣流偏斜現(xiàn)象。前、后、左、右最大貼壁速度均小于6.5m/s,不會造成嚴(yán)重的氣流刷墻現(xiàn)象和結(jié)焦問題。

工況2中切圓中心偏向較為明顯，即偏向射流剛性弱的1號角。從工況2中可以看出前墻和右墻的貼壁速度明顯大于后墻和左墻的貼壁速度，貼壁速度最大為18m/s，易造成氣流刷墻的現(xiàn)象，引起爐內(nèi)產(chǎn)生局部超溫和結(jié)焦的現(xiàn)象。

工況3中由于1、3號角氣流動量比2、4號角動量小，射流易發(fā)生偏斜，導(dǎo)致前、后、左、右墻都有明顯的貼壁現(xiàn)象，貼壁速度大概為12m/s。由于是均勻減小對角一、二次風(fēng)風(fēng)速，所以爐內(nèi)切圓整體未發(fā)生明顯的偏離，但切圓直徑有所增大，這是導(dǎo)致貼壁速度增大的主要原因。

圖2 同層一、二次風(fēng)噴嘴截面上的速度矢量

4 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

為較好地驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性及可信度,將數(shù)值模擬結(jié)果與冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對比分析,以驗(yàn)證誤差是否在允許范圍內(nèi)。以設(shè)計(jì)工況為模擬和試驗(yàn)工況，將其結(jié)果進(jìn)行對比及分析，得出的結(jié)論如圖3所示。

由圖3可知，爐內(nèi)氣流速度沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，模擬切圓比實(shí)際切圓稍大，且兩切圓橢圓度都較好，切圓中心基本與爐膛中心吻合，符合設(shè)計(jì)工況的要求。模擬值與實(shí)測值的曲線分布趨勢較相互較為吻合，但存在一定程度的偏差，大約是3～5m/s。誤差的原因主要是由于三維模型的簡化和儀器的系統(tǒng)誤差引起的。

圖3 爐內(nèi)測量風(fēng)速得到的實(shí)際切圓和模擬切圓

5 結(jié)論

1）從工況1可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明該數(shù)值模型和方法能較好地反映爐內(nèi)真實(shí)的流場特性，更好的保證結(jié)論的可靠性和準(zhǔn)確性，將更好的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)工作。

2）從數(shù)值模擬結(jié)果來看，射流的剛性與氣流的動量有很大的關(guān)系，動量越大則越不易偏斜，動量小則較易偏斜。氣流偏斜較嚴(yán)重時，則容易引起氣流刷墻，從而導(dǎo)致水冷壁的高溫腐蝕和結(jié)焦等問題。

3）從三個工況來看，以不平衡供風(fēng)工況與正常工況對比，得出不均等配風(fēng)工況對爐內(nèi)空氣動力場的影響，可以通過結(jié)合數(shù)值模擬，改變配風(fēng)來優(yōu)化爐內(nèi)流場，保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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