300MW循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬

馬英

摘 要：對(duì)東鍋?zhàn)灾?00MW CFB鍋爐采用的兩側(cè)進(jìn)風(fēng)狹長水冷風(fēng)室展開靜壓分布研究，通過采用直徑為31mm的節(jié)流孔板代替原始風(fēng)帽，對(duì)含有風(fēng)帽的布風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，由于突擴(kuò)效應(yīng)，在進(jìn)風(fēng)口上、下方各形成一個(gè)渦旋。影響的風(fēng)帽列數(shù)為單側(cè)5列風(fēng)帽，占總風(fēng)帽6.2%。由于回流區(qū)在布風(fēng)板兩側(cè)形成了一個(gè)局部的低壓區(qū)域，低壓回流區(qū)的壓力降約為160多帕斯卡。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；風(fēng)帽簡化；布風(fēng)系統(tǒng)；數(shù)值模擬

0 引言

隨著近幾年環(huán)境的惡化及霧霾天氣不斷的出現(xiàn)，環(huán)境保護(hù)問題一再成為發(fā)展焦點(diǎn)，對(duì)電廠的發(fā)展也提出了新要求。從20世紀(jì)80年代開始，循環(huán)流化床鍋爐逐漸發(fā)展成為新一代高效環(huán)保鍋爐。從化學(xué)的角度看運(yùn)行狀態(tài)下的循環(huán)流化床鍋爐，其本身就是一個(gè)超大型流態(tài)化的化學(xué)反應(yīng)器，大量床料在一次風(fēng)的作用下強(qiáng)烈的擾動(dòng)混合，為固體反應(yīng)物提供了較高的氣、固滑移速度以及較長的停留時(shí)間，進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱和氣-固、固-固之間的反應(yīng)。循環(huán)流化床鍋爐具燃燒效率相對(duì)較高、脫硫脫硝成本低、燃燒適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能強(qiáng)、可用率高等優(yōu)點(diǎn)而顯示出了強(qiáng)大的生命力。循環(huán)流化床鍋爐主要由布風(fēng)裝置、密相區(qū)、稀相區(qū)、爐膛受熱面、旋風(fēng)分離器、返料裝置、尾部受熱面等組成。其中布風(fēng)裝置、旋風(fēng)分離器和返料裝置是循環(huán)流化床鍋爐的特有結(jié)構(gòu)。布風(fēng)板作為循環(huán)流化床鍋爐核心構(gòu)件之一，對(duì)保障爐料氣固反應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。布風(fēng)板阻力的大小關(guān)系直接到床層的穩(wěn)定性、流化均勻性以及系統(tǒng)動(dòng)力消耗。布風(fēng)板阻力過大、燃燒系統(tǒng)消耗過多風(fēng)機(jī)電耗，降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。阻力過小又極可能導(dǎo)致布風(fēng)板密相區(qū)流化不均，造成床料泄露，影響密相區(qū)的燃燒。

目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)東鍋?zhàn)灾餍?00MW循環(huán)流化床鍋爐采用的兩側(cè)進(jìn)風(fēng)狹長水冷風(fēng)室的靜壓分布存在較大分歧，曾庭華[1]等學(xué)者認(rèn)為中間靜壓最高，但潘昕[2]等認(rèn)為中間風(fēng)壓最低?；诖?，本文對(duì)東鍋?zhàn)灾?00MW CFB鍋爐采用的兩側(cè)進(jìn)風(fēng)狹長水冷風(fēng)室展開靜壓分布研究，通過對(duì)風(fēng)帽進(jìn)行簡化從而縮減布風(fēng)板網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)含有風(fēng)帽的布風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合布風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部流場分析一次風(fēng)室靜壓分布情況。以期為該爐型水冷風(fēng)室的靜壓分布研究提供參考。

1 鐘罩型風(fēng)帽阻力特性及簡化分析

1.1 建模及邊界條件

風(fēng)帽頭罩于內(nèi)徑為54mm的芯管之上，與芯管外壁之間形成10mm環(huán)隙，芯管頂端周向錯(cuò)列均勻分布兩排共24個(gè)直徑為7mm的圓孔，風(fēng)帽頭底部周向均勻分布10個(gè)水平斜向下8°的出風(fēng)口，為實(shí)現(xiàn)更加接近現(xiàn)實(shí)工況的進(jìn)風(fēng)條件，在風(fēng)帽芯管底部增加邊長為0.2m的正方體。采用GAMBIT 軟件進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，物理模型如圖1所示，底部0.2m×0.2m×0.2m的正方體用以實(shí)現(xiàn)真實(shí)風(fēng)帽底部的進(jìn)風(fēng)條件。鐘罩型風(fēng)帽內(nèi)的流動(dòng)屬于強(qiáng)湍流，通過對(duì)比模擬結(jié)果后采用RNG k-ε湍流模型。入口邊界設(shè)為均勻來流的速度進(jìn)口；出口設(shè)置為壓力出口，壓力設(shè)置為7000pa；進(jìn)口工質(zhì)溫度220℃，表壓力10kpa，操作壓力為一個(gè)大氣壓。

1.2 風(fēng)帽阻力特性及結(jié)構(gòu)簡化

風(fēng)帽的阻力系數(shù)是表示風(fēng)帽流動(dòng)阻力特性的參數(shù)，按照經(jīng)典流體力學(xué)，沿程阻力損失和局部阻力損失均與速度的平方成正比，風(fēng)帽阻力系數(shù)ξ可以表示如下：

式中，Δp為風(fēng)室靜壓與風(fēng)帽出口靜壓之差，Pa；ρ為熱空氣的密度，kg/m3；u為風(fēng)帽指定截面上（緩變流）的平均流速，m/s；ξ為風(fēng)帽阻力系數(shù)。

圖2為鐘罩型風(fēng)帽阻力特性曲線，當(dāng)風(fēng)帽芯管流速大于20 m/ s后，風(fēng)帽內(nèi)的氣流流動(dòng)就已經(jīng)進(jìn)入了自?；?，即風(fēng)帽的阻力系數(shù)基本上不隨著芯管雷諾數(shù)的變化而變化，阻力系數(shù)穩(wěn)定在29.5。

由于風(fēng)帽結(jié)構(gòu)復(fù)雜且數(shù)量龐大，模擬采用多孔介質(zhì)區(qū)域不能完全反映風(fēng)帽對(duì)風(fēng)室布風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部流場的影響，需對(duì)風(fēng)帽進(jìn)行等效簡化。循環(huán)流化床鍋爐改造前正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)帽內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)處于自?；虼藘H僅針對(duì)自?；蟮淖枇M(jìn)行等效簡化。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的孔板流量計(jì)，由于質(zhì)量流量和壓差關(guān)系如下：

注：qm為流過孔板流量計(jì)的流量，m3/s；C為無量綱流出系數(shù)；為節(jié)流件與管道的直徑比；ε為可膨脹系數(shù)；d為節(jié)流裝置開孔直徑，m；Δp為流體流過節(jié)流件時(shí)的壓差，pa；ρ為流體密度，kg/m3。風(fēng)帽內(nèi)為不可壓縮流動(dòng)，可膨脹系數(shù)ε=1，標(biāo)準(zhǔn)孔板模型可簡化為下式：

標(biāo)準(zhǔn)孔板阻力系數(shù)如式（3），β是節(jié)流件與管道的直徑比，C是流出系數(shù)，C為實(shí)際流量與理論流量的比值。當(dāng)孔板的幾何形狀確定的時(shí)候，c由雷諾數(shù)唯一確定[3]。當(dāng)雷諾數(shù)大于10000之后，流出系數(shù)可以視為定值。即標(biāo)準(zhǔn)孔板綜合阻力系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，可代替自模化風(fēng)帽的。依據(jù)迭代法求取標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的β值和C值，最終求得節(jié)流孔板直徑為31mm，按照國標(biāo)取標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上游的直管段長度為10D=620mm；下游的直管段長度為5D=310mm，這時(shí)候上有入口和下流出口的壓降滿足速度對(duì)應(yīng)的壓降要求。依照標(biāo)準(zhǔn)取標(biāo)準(zhǔn)孔板的厚度E=3mm；節(jié)流孔的厚度e=1mm；孔的擴(kuò)散圓錐表面傾斜角為45?。圖3為鐘罩型風(fēng)帽節(jié)流簡化前后阻力特性對(duì)比曲線，簡化風(fēng)帽與實(shí)際風(fēng)帽偏差小于3%。

圖3是實(shí)際風(fēng)帽和簡化風(fēng)帽不同速度下的壓降值和阻力系數(shù)對(duì)比表格，在布風(fēng)板上為錯(cuò)列排布。但是由于整個(gè)風(fēng)室是兩端進(jìn)風(fēng)，所以在模擬的時(shí)候想畫出全部的風(fēng)帽抑或是畫四分之一的風(fēng)室結(jié)構(gòu)以及風(fēng)帽，這樣的計(jì)算是難以實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)整個(gè)模擬進(jìn)行了簡化，采用在風(fēng)室前后方向上切一個(gè)小薄片的形式并用周期性邊界進(jìn)行簡單的處理。

2 帶簡化風(fēng)帽的風(fēng)室模擬及分析

2.1 建模及邊界條件

該300MW循環(huán)流化床鍋爐的布風(fēng)板上每列布置17個(gè)鐘罩型風(fēng)帽，鍋爐左右方向上一共有161列，總計(jì)風(fēng)帽個(gè)數(shù)2737個(gè)，風(fēng)帽在布風(fēng)板上開孔直徑62mm。風(fēng)帽在布風(fēng)板上以250mm橫向截距、174mm的縱向截距錯(cuò)列排布。由于模擬對(duì)象網(wǎng)格數(shù)量過多，因此采用周期性邊界條件進(jìn)行模擬簡化，該模擬對(duì)象包含80個(gè)簡化風(fēng)帽，每個(gè)簡化風(fēng)帽網(wǎng)格數(shù)量約7萬，風(fēng)室模擬模型與簡化風(fēng)帽節(jié)局部放大如圖4所示。風(fēng)室內(nèi)流動(dòng)屬于強(qiáng)湍流，通過對(duì)比模擬結(jié)果后采用RNG k-ε湍流模型。入口邊界設(shè)為均勻來流的速度進(jìn)口；出口設(shè)置為壓力出口。

2.2 速度矢量圖

一次風(fēng)室整體與局部放大速度矢量圖如圖5所示，由于進(jìn)風(fēng)開口面積僅占風(fēng)室左右壁面面積的40%，氣流由于突擴(kuò)效應(yīng)，在進(jìn)風(fēng)口上、下方各形成一個(gè)渦旋。影響的風(fēng)帽列數(shù)為單側(cè)5列風(fēng)帽，占總風(fēng)帽6.2%，由于回流區(qū)在布風(fēng)板兩側(cè)形成了一個(gè)局部的低壓區(qū)域，低壓回流區(qū)的壓力降約為160pa。

參考文獻(xiàn)

[1]曾庭華，湛志鋼，邵景濤，等.300MW循環(huán)流化床鍋爐調(diào)整試運(yùn)[M].中國電力出版社，2011.

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[3]李康康，賈玉明，葛素楠.多孔孔板節(jié)流裝置的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2010，46（4）：60-63.