300MW鍋爐二次風(fēng)噴嘴的低成本優(yōu)化*

張立棟 李偉偉 匡青峰 于婷俐 周 陽(yáng) 賴(lài)福生

(1．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2. 華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司；3. 國(guó)電雙鴨山發(fā)電有限公司)

300MW鍋爐二次風(fēng)噴嘴的低成本優(yōu)化*

張立棟1李偉偉2匡青峰2于婷俐3周 陽(yáng)3賴(lài)福生2

(1．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2. 華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司；3. 國(guó)電雙鴨山發(fā)電有限公司)

二次風(fēng)射流對(duì)鍋爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的構(gòu)成起重要作用，對(duì)二次風(fēng)噴嘴進(jìn)行改造，在噴嘴內(nèi)添加不同形狀的導(dǎo)葉，并進(jìn)行不同工況下的對(duì)比，得知圓弧形導(dǎo)葉效果最佳，同時(shí)進(jìn)行爐內(nèi)切圓對(duì)比，可知采用圓弧形導(dǎo)葉對(duì)噴嘴出口速度進(jìn)行優(yōu)化，能夠提高噴嘴射流剛度、明顯改善爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)、優(yōu)化鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。

鍋爐 噴嘴 導(dǎo)葉 動(dòng)壓 爐內(nèi)切圓

切圓鍋爐燃燒狀態(tài)較為穩(wěn)定，但依然存在諸多不足，其原因多與爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)不理想有關(guān)，入爐的一次風(fēng)速度較低，作用是輸送燃料，而二次風(fēng)因速度較高、風(fēng)量較大，主要起構(gòu)建爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的作用，但由于射流不理想，易造成實(shí)際切圓直徑過(guò)大，帶來(lái)射流偏斜、偏燒及沖刷水冷壁等問(wèn)題。隨著電站鍋爐燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于電站系統(tǒng)鍋爐設(shè)備的技術(shù)改造也偏向此方向，如郭強(qiáng)等通過(guò)模擬燃燒器熱態(tài)設(shè)計(jì)工況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出將四角切圓改成四墻切圓以改善爐內(nèi)燃燒的情況[1]。陳世和等在研究不同因素對(duì)飛灰含碳量的影響時(shí)，通過(guò)改進(jìn)CFD計(jì)算模型得出二次風(fēng)切圓直徑與飛灰含碳量成正比關(guān)系[2]。Sha L等在研究1 000MW鍋爐非圓型空氣動(dòng)力場(chǎng)流動(dòng)時(shí)，提出增加二次風(fēng)射流速度能有效改善爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)[3]；蔣曉峰在分析1 000MW鍋爐燃燒方式時(shí)，對(duì)比雙切圓和單切圓的效果，得出采用兩套燃燒器的雙切圓方式能防止結(jié)渣、減少NOx的生成[4]。Qin M等在對(duì)比不同切圓方式對(duì)爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性影響時(shí)，認(rèn)為同樣的噴嘴射流，墻式切圓(FWT)要好于四角切圓(FCT)[5]。因?yàn)樯淞鲃傂缘玫教嵘?，趙盼龍等在研究電站鍋爐屏底結(jié)渣的影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)將部分燃燒器改裝為反向切圓或?qū)_能有效減弱屏底結(jié)渣問(wèn)題[6]，通常此類(lèi)改造工程需改動(dòng)鍋爐水冷壁、更換整套燃燒器，并重新選擇適當(dāng)位置安裝，雖然能達(dá)到較好的改造目的，但成本較高。

二次風(fēng)噴嘴作為二次風(fēng)進(jìn)入爐膛的最終設(shè)備，是構(gòu)成爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的重要部分，對(duì)二次風(fēng)射流剛度影響較大。為此，筆者提出一種低成本的改造方案，對(duì)二次風(fēng)噴嘴出口參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行模擬，取得較好的效果，可為此類(lèi)改造和設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型數(shù)值方案

1.1物理模型及網(wǎng)格劃分

筆者以某300MW鍋爐設(shè)備二次風(fēng)噴嘴為研究對(duì)象。該噴嘴高為0.81m，入口截面為長(zhǎng)0.7m的正方形，噴嘴入口段長(zhǎng)0.3m，噴嘴進(jìn)、出口之間的軸線距離0.5m，出口截面為長(zhǎng)0.7m、寬0.3m的矩形截面，噴嘴段收縮比2.33。導(dǎo)葉布置在入口段，離兩側(cè)收縮的壁面底部各0.15m處。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)劃分(圖1)，收縮部分加密，選取不同網(wǎng)格數(shù)(30萬(wàn)、34萬(wàn)、45萬(wàn)、50萬(wàn))，考慮計(jì)算效率網(wǎng)格精度不宜過(guò)高[7]，最終選取網(wǎng)格數(shù)45萬(wàn)。

圖1 噴嘴網(wǎng)格劃分

1.2方案設(shè)置

在漸縮段開(kāi)始添加導(dǎo)葉，使工質(zhì)在中間部分更加集中，提高出口參數(shù)的中間部分，但不同形狀的導(dǎo)葉對(duì)相關(guān)參數(shù)影響的程度不同，在相同位置布置不同形狀的導(dǎo)葉，進(jìn)行同一工況下不同方案的對(duì)比。采用不添加導(dǎo)葉(方案一)和添加4種不同形狀(直線型、三次曲線、拋物線形、圓弧形)的導(dǎo)葉(方案二～方案五)，在不同入口速度(9、12、15、18、21、24、27、30 m/s)下進(jìn)行模擬。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1不同入口速度下噴嘴出口參數(shù)

通常影響噴嘴射流剛性的因素有噴嘴出口高寬比、周界或側(cè)向高流速伴隨流、射流速度、收縮比及收縮曲線形狀等。切圓鍋爐運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷多根據(jù)電網(wǎng)指令不斷變化，爐內(nèi)燃燒情況也不斷改變，因此，需根據(jù)各層燃燒器的投入情況調(diào)整爐內(nèi)氧量和燃料量以應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化，在負(fù)荷不斷變化的過(guò)程中，需不斷調(diào)整二次風(fēng)噴嘴的角度和擋板開(kāi)度，以調(diào)整進(jìn)入噴嘴的二次風(fēng)速度。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行下8種不同入口速度、5種方案計(jì)算噴嘴出口靜壓和平均速度，并列于表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，各工況的速度差異較小，同一入口速度下，未添加導(dǎo)葉的噴嘴(方案一)在入口速度變化時(shí)，靜壓變化較敏感。8種入口速度下，各方案的出口平均速度差異較小，以入口速度為15m/s為例，各方案出口平均速度差異在0.36%以?xún)?nèi)，導(dǎo)葉形狀對(duì)噴嘴出口平均速度影響小，入口速度變化時(shí)，不同方案的出口速度差別同樣較小。鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，擋板開(kāi)度、入口速度發(fā)生改變，導(dǎo)葉形狀對(duì)噴嘴的加速性能影響較小，即導(dǎo)葉對(duì)噴嘴內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量流速產(chǎn)生的影響可以忽略。

表1 噴嘴出口處的靜壓和平均速度

圖2為噴嘴不同出口速度與平均靜壓的關(guān)系，從圖中可以看出，不同工況下，方案一的平均靜壓均為最高，工質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中，過(guò)流面積的變化會(huì)帶來(lái)一定的壓力損耗[8]，即添加導(dǎo)葉造成了流動(dòng)阻力；而添加導(dǎo)葉的方案中，圓弧導(dǎo)葉(方案五)靜壓在各工況下都大于其他方案，其結(jié)構(gòu)因素造成的壓力損耗較小。

圖2 噴嘴不同出口速度與平均靜壓的關(guān)系

2.2出口動(dòng)壓分布

在漸縮噴嘴內(nèi)部，工質(zhì)沿軸線流動(dòng)，在垂直于軸線平面上，工質(zhì)隨噴嘴壁面的收縮壓力的降低流速不斷加快，但在噴嘴內(nèi)部垂直于射流方向的平面內(nèi)，不同位置的速度變化率不同。工質(zhì)在漸縮噴嘴內(nèi)流動(dòng)時(shí)，相對(duì)于噴嘴的軸線處，壁面附近的速度通常較大，但靠近壁面的流動(dòng)邊界層速度較低，通常與中心軸線部分速度相近，導(dǎo)致兩側(cè)收縮的噴嘴在出口截面的速度分布呈現(xiàn)M形。圖3為入口速度為9m/s時(shí)，出口截面中間線速度分布。

圖3 入口速度9m/s時(shí)出口截面中間線速度分布

動(dòng)壓是指流體在流動(dòng)過(guò)程中受阻時(shí)，由于動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芏鸬某^(guò)流體靜壓力部分的壓力，動(dòng)壓與速度的關(guān)系為：

式中p——?jiǎng)訅?，Pa；

v——法向速度，m/s；

ρ——工質(zhì)密度(空氣密度1.29kg/m3)。

在入口速度15m/s時(shí)，不同方案的出口動(dòng)壓如圖4所示。可以看出，方案一動(dòng)壓均勻，從717～795Pa的部分占79.88%；方案二動(dòng)壓分布出現(xiàn)明顯的峰谷，但整個(gè)出口截面上波動(dòng)范圍較小，從658～768Pa的部分約占53.62%，在768～878Pa的部分面積占45.09%，動(dòng)壓較低的區(qū)域所占面積較小；方案三動(dòng)壓在684.39～798.45Pa之間的區(qū)域占整個(gè)出口面積的61.75%，動(dòng)壓較高部分中心流體約占71.0%；方案四動(dòng)壓在中間部分高于其他部分，但中間部分與兩側(cè)相比大小相近，且所占出口面積大小相近；方案五動(dòng)壓從兩側(cè)向中心呈山峰狀上升，612.41～765.52Pa占61.33%，765.52～918.62Pa占16.77%，918.62～1 071.71Pa則占20.45%，可知方案五的中心流體速度、壓力較高。

圖4 入口速度15m/s時(shí)不同方案的出口動(dòng)壓

如圖4所示，同一工況下，方案五中間流體的動(dòng)壓在5個(gè)方案中最高，即在噴嘴出口的射流剛度方面，方案五優(yōu)勢(shì)明顯。

3 爐內(nèi)模擬

以所選二次風(fēng)噴嘴所在的鍋爐為模型，爐膛寬14 022mm，深12 339mm，鍋爐高44 000mm，理論切圓直徑6 120mm，一、二次風(fēng)間隔布置。采用gambit分區(qū)劃分網(wǎng)格，靠近燃燒器區(qū)域加密并采用近流線方法劃分，避免網(wǎng)格偽擴(kuò)散，網(wǎng)格總數(shù)196萬(wàn)。入口邊界為速度入口，出口邊界為壓力出口，湍流采用RNGk-ε模型，SIMPLE算法。方案一、五的模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 模擬結(jié)果

根據(jù)以上模擬結(jié)果，將方案五爐內(nèi)模擬二次風(fēng)噴口設(shè)置為3塊，中間為高速區(qū)，兩側(cè)為低速區(qū)。鍋爐內(nèi)部二次風(fēng)射流剛度較大，主要為煤粉燃燒提供足夠的氧氣，同時(shí)構(gòu)成爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)。如果二次風(fēng)切圓不夠理想將直接影響鍋爐的燃燒效率，同時(shí)切圓偏斜會(huì)嚴(yán)重威脅運(yùn)行安全。

從湍流的角度分析，方案一(無(wú)導(dǎo)葉)的出口截面湍流強(qiáng)度最小，方案二與方案一大小相近，方案三、四各工況下出口湍流強(qiáng)度比方案一、二高出30%左右，方案五出口湍流強(qiáng)度最大，較方案三高出35%左右，但中間部分射流動(dòng)壓明顯高于其他區(qū)域，中心區(qū)域流速較快，射流抗干擾能力增強(qiáng)幅度較大，削減了由于湍流增強(qiáng)導(dǎo)致的射流速度的衰減。即方案五(圓弧形導(dǎo)葉)對(duì)噴嘴射流剛度提高程度最好。

從爐膛出口截面的速度分布(圖5)可以分析出爐內(nèi)二次風(fēng)切圓狀態(tài)和殘余旋轉(zhuǎn)情況，進(jìn)而分析出切圓狀態(tài)對(duì)爐膛上部和出口區(qū)域速度分布造成的影響。爐內(nèi)切圓不理想會(huì)直接導(dǎo)致切殘余旋轉(zhuǎn)過(guò)大或局部速度過(guò)大，使得部分區(qū)域的管壁超溫，運(yùn)行時(shí)發(fā)生的換熱管失效[9]與該狀況有直接關(guān)系，從圖5中可以看出采用不同的二次風(fēng)噴嘴，爐膛出口速度分布差異較大，添加導(dǎo)葉之后速度分布較為均勻，煙氣偏轉(zhuǎn)明顯有所改善。

圖5 爐膛出口速度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)8種入口速度下，不同方案(燃燒器噴嘴不添加導(dǎo)葉和添加4種不同形狀導(dǎo)葉)對(duì)四角切圓鍋爐爐內(nèi)燃燒情況的影響進(jìn)行數(shù)值研究，通過(guò)對(duì)不同工況參數(shù)分布情況的對(duì)比分析，從靜壓分布、噴嘴中心部分動(dòng)壓和出口湍流強(qiáng)度3個(gè)方面綜合考慮，可知：添加導(dǎo)葉能夠明顯改變噴嘴出口截面的動(dòng)壓分布，提高中心區(qū)域的速度；不同方案中，圓弧型導(dǎo)葉綜合效果最優(yōu)；添加導(dǎo)葉能夠明顯提高噴嘴射流剛度，改善爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)，減少煙氣偏轉(zhuǎn)。

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Low-costOptimizationofSecondary-airNozzlein300MWBoiler

ZHANG Li-dong1, LI Wei-wei2, KUANG Qing-feng2, YU Ting-Li3,ZHOU Yang3, LAI Fu-sheng2
(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China; 2.HuanengChaohuPowerGeneratingCo.,Ltd.，Chaohu238015,China；3.GuodianShuangyashanPowerGeneratingCo.,Ltd.,Shuangyashan155136,China)

The secondary-air jet means important to the aerodynamic field in the furnace. Optimizing secondary-air nozzle and adding differently-shaped guide vanes and comparing them under different conditions show that the circular arc-shaped guide vane can be selected; and as compared to the furnace inscribed circle, applying arc-shaped guide vane to optimize nozzle exit velocity can improve jet flow’s rigidity and the aerodynamic field in furnace as well as optimize furnace operating state

boiler, nozzle, guide vane, dynamic pressure, inscribed circle

* 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204049SF)，吉林市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201414007)。

** 張立棟，男，1980年8月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ054+.9

A

0254-6094(2016)02-0235-05

2015-04-13，

2016-03-16)