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行业知识

锅炉旋流燃烧器空气动力场试验与数值仿真研究

800MW锅炉旋流生物质燃烧机空气动力场试验与数值仿真研究

搞要:绥中电厂引进的800MW锅炉机组燃烧稳定性是通过词整中心风量和二次风叶片角度得到的。文中介绍用热线风速仪对该生物质燃烧机模型在各工况下的空气动力场进行测试的结果,确定合理的中心风量应为二次风量的5%一6%、二次风叶片调整角度应为300~400。通过试验研究中心风、次风调整对流场影响的规律,并对单台生物质燃烧机所形成的空气动力场进行数值仿真,经比较,仿真结果和测试结果基本吻合。可为国内高参数大容量锅炉生物质燃烧机的设计、运行、改造提供参考。

1  引言

    燃烧方式选择和生物质燃烧机运行调整对电站锅炉的安全经济运行起着举足轻重的作用。在我国的电站锅炉中,燃烧方式多是选用直流生物质燃烧机四角布置,气流在炉内形成单切圆或双切圆的强化燃烧方式【l】。但是,最近几年从国外引进的大容量高参数锅炉,大量采用旋流煤粉生物质燃烧机。本文所讨论的辽宁绥中发电厂锅炉是我国首次从俄罗斯引进的800MW锅炉机组,型号为II 11-2650-25-545-KT。锅炉采用矩形单炉膛T型布置,配备8套直吹式制粉系统,并已将旋流煤粉生物质燃烧机应用在该锅炉上。生物质燃烧机共有48台,分4层以对冲的要求布置在炉膛的前后墙,运行时可按负荷选择投入的层数。单台生物质燃烧机由4个通道组成.由内向外,中心投入中心风;第2层投入煤粉和一次风;第3层投入循环烟气;第4层投入二次风。中心风、一次风、循环烟气均通过轴向旋流叶片产生旋流,旋流叶片轴向角均为400,且不可调。二次风通过蜗壳和径向旋流叶片产生旋流,旋流叶片的角度可调。

    该锅炉机组煤粉生物质燃烧机中心风和二次风之和设计为一定值,要求通过调整中心风、二次风量分配比例和二次风的叶片角度来调整燃烧流场。在运行中,由于没有调整这些参数的经验,出现了一些生物质燃烧机被烧毁和着火延迟等不利于燃烧的现象,所以很有必要通过试验和数值仿真来研究中心风与二次风的分配比例、二次风叶片角度调整对燃烧空气动力场的影响状况,得出最佳的运中  国  电机工程学报行参数。

2试验装置介绍

    根据相似与模化的基本准则,试验中原型和模型几何尺寸比为2:1,试验生物质燃烧机模型结构见图1。要求Re>l.2xl05,达到第二自模化区;保证作用于燃料质点受力之比相同,即要求原型和模型中气流的动量比相同。在试验中,一次风、烟气再循环量对流场也有较大的影响

    考虑到实际生物质燃烧机安装在前墙上,因而在模型生物质燃烧机的出口处附加了一个1500mmx1500mm的前墙挡板。试验装置如图2所示。

    试验中采用丹麦丹迪公司制造的热线风速仪,每次试验前需对测试设备进行标定。整个试验过程在沈阳国家电站燃烧技术研究中心完成。

3试验过程及分析

3.1中心风量的确定

    针对中心风与二次风的不同比例关系以及不同二次风叶片角度进行探索性试验。在每种比例关系下,二次风旋流叶片角分别为100、200、300、400、500时进行试验。结果表明,当二次风旋流时片角度为100—200时,不论中心风和二次风的比例如何,中心回流区都不很明显:当二次风旋流叶片角大于500时,生物质燃烧机形成的气流扩张角较大,并有“飞边”现象出现;当二次风旋流叶片为300~400时,中心风占总风量(中心风和二次风之和,下同)0—8%时均有中心回流区存在,但回流区的位置和尺寸随中心风量的变化比较敏感。如二次风旋流叶片为300时,如果中心风很小,回流区起点位于生物质燃烧机风口内部,显然对保护生物质燃烧机不利,随中心风量变大,中心回流区始点前移,当中心风量增加到5%一6%时中心回流区起点刚好位于风口出口界面附近,再增加中心风量,中心回流区起点离开生物质燃烧机风口出口截面并随中心风量的增大,回流区起点越来越远,长度越来越短。当中心风量为8%时中心回流区几乎消失,所以,当二次风旋流叶片为300时,中心风量控制在5%一6%时可得到较理想的燃烧空气动力场。二次风叶片角为300时,中心风量与回流区长度的关系见图3,可以看出回流区长度随着中心风量的增加逐渐减小;当中心风为10/0—4%时回流区较长,但回流区的起点从生物质燃烧机内部开始,不可取;当中心风量大于8%时,回流区逐渐远离出口,且逐渐消失。所以中心风量控割在5%一6%为宜。

3.2射流特性和调整特性试验研究

    当中心风量确定后,各次风的风量都被确定。唯一可调整流场流态的就是二次风的叶片角度。二次风量比其它气流量大得多,因而二次风在组织燃烧方面起主导作用。可调参数的试验主要研究二次风叶片角度的变化对生物质燃烧机二次风出口参数、回流区的位置和大小、速度的衰减、射流扩张角的影响。生物质燃烧机出口速度测量时,在每次风出口均匀取8个测点,并取平均值为该层风的出口速度,以减少测量误差。中心风量占总风量5%时,生物质燃烧机出口气流速度分布如图4所示。

    从图4可以看出,二次风叶片角度对二次风出口速度的影响。轴向速度随二次风叶片角度变化不大。而二次风切向速度和旋流强度【81在100~40。之间随着角度的提高而增加,气体流动完全符合流体流动原理,在400—500叶片角度时,则随着角度的增加而降低,二次风切向速度由7.9m/s降低为6.97m/s,而旋流强度则由10.04降低为8.86。这是由于在二次风角度较大时,气流扩张角太大,气流径向速度变大的缘故。

    二次风旋流叶片角对速度衰减的影响也很大。以中心风占总风量的6%工况为例(见图5、6),可以看出,旋流叶片角对轴向速度和切向速度的衰减影响较大,基本规律是:旋流叶片角度越大,最大轴向速度和最大切向速度衰减越快。

    二次风叶片角度对扩张角的影响也较大,以中心风占总风量5%为例,见图7。二次风叶片在100—200范围内,叶片角度对扩张角的影响不大,此时,扩张角基本不变。而在200~500范围内调节,扩张角变化较大。图中还可看出,扩张角在二次风叶片角度为100~200范围内,气流扩张角基本不变,为320;在200~300范围内调整时扩张角可变化140左右;在300~400范围内调整,扩张角就要增加或减少300左右;在400~500范围内调整,扩张角就要增加或减少200左右。所以二次风叶片在300—400范围内调整,扩张角变化最为灵敏。

    二次风叶片角度对中心回流区的影响也比较明显。当二次风叶片角度为100、200时,无论有无中心风,均没有明显的中心回流区存在。这是由于此时二次风的轴向速度较大,旋流数较小,流量很大,导致与内部气流混合后射流内部旋流数较小,不足以形成内部中心回流区;当二次风旋流叶片角度为300、400、500时,都可出现明显的中心回流区。中心风量较小(1%—2010)时,二次风叶片角度为300,400、500时均有中心回流区,且随着角度的增大回流区起点越靠近生物质燃烧机的出口,500时回流区就缩到生物质燃烧机风口内部,这是不可取的工况。中心风量较大(7%一8%)时,二次风旋流叶片角小于300的工况没有中心回流区,400、500也不很明显。在中心风量较合适的工况(5%一6%)下,二次风旋流叶片为300、400时回流区明显且合理。图8为中心风占总风量的5%、二次风叶片角度为400时所测量的流场轴向速度图。从生物质燃烧机出口0.2m~lm均有明显的内回流区;生物质燃烧机出口1.5m处不再有内回流区,仅有外回流区。整个截面上的速度分布为一“M”型。随着气流离出口越远,截面上的轴向速度越趋于均匀。这些都符合旋转气流的基本规律。

4数值仿真及比较

    本文采用PHOMCS软件,选用k-e湍流模型,把单台生物质燃烧机所形成的空气动力场简化为轴截面204    中  国  电机工程学报    第24卷一半的二维流场,生物质燃烧机的出口参数从试验中测试【,’9】。物理模型中生物质燃烧机的径向为生物质燃烧机外径的2倍,轴向长度为10.5m。计算的网格如图9所示,从生物质燃烧机的内部开始计算,采用不均匀的网格。中心风占总风量5%,二次风叶片角400时所计算出来的流场矢量如图10所示。

    从图10可以看出,在整个流场中出现了两个回流区,在气流的内部形成了内回流区,在气流的外部形成外回流区,这两个回流区在燃烧时可起到稳定火焰、加速着火的作用;在径向上形成“M”型气流轴向速度分布图,随着气流的前移,逐渐变成在径向上均匀分布,随后气流将变成烟气流方向的“凸”抛物型分布。

    中心风占总风量5%,二次风叶片为400时,在生物质燃烧机出口Im的截面上,轴向速度计算值和测量值的对比如图11所示,可以看出,计算值和测量值的基本趋势是相同的,计算的精度也在可接受的范围内,完全可以用计算来代替实测,并且快速、节约费用。

5结论

    (1)生物质燃烧机中心风分配为占总风量的5%一6%,二次风叶片角度设置为300~400时较为合理,实践证明采用这一运行参数得到了较为安全稳定的运行效果。

    (2) -般随着二次风叶片角度的增加,二次风出口切向速度增大,而轴向速度的变化不大。

    (3)随着中心风占总风量比例的增加,中心回流区的起点逐渐远离生物质燃烧机出口

    (4)随着二次风叶片角度的增加,轴向速度和切向速度的衰减都将加快。

    (5)合理的生物质燃烧机出口流场为径向速度分布,且有内回流区的“M”型分布。

    (6)数值计算完全可以用来代替试验,进行单只生物质燃烧机所形成流场的分析。


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点击次数:  更新时间:2017-02-03 20:29:39  【打印此页】  【关闭