（机械电子工程专业论文）火电厂锅炉自整流二次风调节阀研究.pdf

硕1 j 论文 火电厂锅炉白整流二次风调节阀研究 摘要 火电厂锅炉绝大多数是采用煤粉燃烧的方式发电，二次风的配风调节影响着火和燃 尽过程，而锅炉内燃烧过程的好坏直接关系到锅炉运行的经济性和可靠性。目前国内绝 大多数火力发电厂使用普通翻板阀对二次风进行调节，而翻板阀的流量调节特性为快开 特性并且阀后流场分布不均匀，影响了煤粉的充分燃烧。 本论文针对翻板阀存在的缺点，设计了一套新型二次风调节阀。首先通过数值模拟 的方法，对翻板阀和新型二次风调节阀主要结构建模仿真，通过比较结果指出新型二次 风调节阀在结构上的合理性。然后通过使用s o l i d w o r k s 软件对新型二次风调节阀进行结 构设计并做必要的分析。最后在实验室搭建实验台，通过实验验证了所设计的调节阀在 流量调节特性和阀后流场分布都要优于翻板阀，实验结果表明该调节阀可以用来调节二 次风。 论文最后针对火电厂中二次风风道尺寸不同的现状，需要设计尺寸不同的二次风调 节阀来满足不同电厂锅炉的需求，建立了基于s o l i d w o r k s 二次开发的特征零件库，实现 了快速设计。 关键词：二次风，调节阀，数值模拟，结构设计，二次开发 a b s t r a c t m o s to ft h eb o i l e r sg e n e r a t ee l e c t r i c i t yb yb u r n i n gp u l v e r i z e dc o a li nt h et h e r m a lp o w e r p l a n t t h ea d j u s t m e n to ft h es e c o n d a r ya i ri sa ni m p o r t a n tk e yd u r i n g b o i l e rb u r n i n gp r o c e s s t h es t a n do rf a l lo fc o m b u s t i o np r o c e s sd e c i d e st h ee f f i c i e n c y & r e l i a b i l i t yo fb o i l e r s o p e r a t i o nd i r e c t l y n o wm o s to ft h ed o m e s t i ct h e r m a lp o w e rp l a n t s a r eu s i n go r d i n a r yf l a p v a l v et oa d j u s tt h es e c o n d a r ya i r , b u tt h ef l o wa d j u s t i n gc h a r a c t e r i s t i co ff l a pv a l v e si sf a s t o p e n i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef l o wf i l e de f f l u xf r o mf l a pv a l v ei su r l e v e nh a si n f l u e n c e dt h e f u l l yb u m i n go fp u l v e r i z e dc o a l f o rt h es h o r t c o m i n g so ff l a pv a l v e ，t h i st h e s i sd e s i g n e dan e wt y p eo fs e c o n d a r ya i r c o n t r o lv a l v e f i r s t ，b yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt ob u i l dt h em o d e lb u i l d i n gf o r t h e m a i ns t r u c t u r eo ff l a pv a l v ea n dt h en e ws e c o n d a r ya i rc o n t r o lv a l v e ，a n db yc o m p a r i n gt h e r e s u l t s ，t h en e ws e c o n d a r ya i rc o n t r o lv a l v ei s r e a s o n a b l ei nt h es t r u c t u r e t h e nd ot h e s t r u c t u r ed e s i g nf o rt h es e c o n d a r ya i rc o n t r o lv a l v eu s i n gs o l i d w o r k sa n dd os o m en e c e s s a r y a n a l y s i s f i n a l l y , p u t t i n gu pat e s t b e ds t r u c t u r ei nl a b o r a t o r y , a n dt h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e n e w t y p eo fs e c o n d a r ya i rc o n t r o lv a l v ei ss u p e r i o rt ot h ef l a pv a l v e i nb o t ht h ef l o wa d j u s t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ff l a pv a l v e sa n dt h en o n u n i f o r mo ft h ef l o wf i l e dd i s t r i b u t i o n ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wt y p eo fs e c o n d a r ya i rc o n t r o lv a l v ec a nb eu s e df o r a d j u s t i n gs e c o n d a r ya i r f o rd i f f e r e n tt h e r m a lp o w e rp l a n th a v ed i f f e r e n ts e c o n d a r ya i rd u c t ，f i n a l l y , i t i s n e c e s s a r yt od e s i g nm a n ys e c o n d a r ya i rc o n t r o lv a l v e sw i t hd i f f e r e n ts i z ef o rd i f f e r e n tt h e r m a l p o w e rp l a n t ，s ot h i st h e s i sh a v eb u i l tac h a r a c t e r i s t i cp a r t sl i b r a r yb a s e d o nt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s ，a n da c h i e v e dr a p i dd e s i g n k e yw o r d ：s e c o n d a r ya i r , c o n t r o lv a l v e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n ， s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：至圭毖羔，。湃月l 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名一王聿丝妒缛6 月、7 日 硕士论文 火也厂锅炉自整流二次风调节阀研究 1 绪论 1 1 课题的背景 新中国建立以来，经过5 0 年的发展，目前中国能源工业已经形成了以煤炭为主、多 种互补的能源生产体系，在一次能源生产和消费总量中的比例大约为：煤炭7 5 ，石油 1 7 ，天然气2 ，一次电力( 水电、核电、新能源发电) 6 。由此可见，在相当长的 时期内，煤炭作为主要能源，在我国能源结构中的地位不会改变【1 】。其中煤炭的4 0 用 来发电，对于燃煤发电，在不考虑发电对环境造成的污染的情况下，其发电单位投资和 发电成本与可再生能源相比较低，但若计入燃煤发电造成的经济损失后，燃煤发电的发 电成本将增加0 1 5 元k w h ，在我国某些地区，燃煤发电成本将上升到每千瓦时0 4 5 元， 这一数据超过了我国大部分水电厂的发电成本，而且甚至超过了某些风电的发电成本。 国际上将劣质燃料用于燃烧发电是通用的做法，随着国民经济的发展，用电量的不断上 升，大量燃煤锅炉的经济性对整个国家能源消耗的影响举足轻重，因此燃煤效率的提高 迫在眉睫。 目前，我国的电厂锅炉绝大多数是采用煤粉燃烧方式的锅炉，影响煤粉气流着火的 因素很多，概括起来主要有燃料因素、设备结构因素及运行因素三个方面【2 】。具体如图 1 1 1 所示： 图1 1 1 锅炉煤粉燃烧影响因素 在锅炉燃烧设备和煤质一定的条件下，一次风与二次风的调节是决定火和燃尽过程 的关键。炉内燃烧过程的好坏，不仅直接关系到锅炉生产能力和生产过程的可靠性，而 l 绪论 硕上论文 且在很大程度上决定了锅炉运行的经济性。燃烧过程的经济性要求保持合理的风煤配 合，一、二次风配合和送引风配合，此外还要水保持适当的炉膛温度。合理的风煤配合 就是要保持最佳的过量空气系数；合理的一、二次风配合就是要保证着火迅速、燃烧完 全；合理的送引风配合就是要保持适当的炉膛负压、减少漏风。当运行工况改变时，这 些配合l l 歹, j 如果调节适当，就可以减少燃烧损失，提高锅炉效率。 由于国内绝大多数发电厂锅炉运行二次风道内的配风情况缺乏合理的调节手段，有 些锅炉甚至仅仅凭借二次风门的丌度来确定配风状况，这些电厂的锅炉运行人员很难确 切知道锅炉配风状况是否合理以及煤粉浓度是否均匀，因此，为了提高锅炉燃烧效率， 锅炉二次风配风及其调节的研究具有十分重要的意义。大量的运行实践表明，锅炉的二 次风匹配合理，二次风管管内风速调整均匀，锅炉燃烧工况就会明显改善，锅炉效率就 会显著提高。 1 2 国内外研究现状 煤粉锅炉运行的经济性在很大程度上取决于风粉系统的流动工况，其中主要的运行 参数有：炉膛出口处的过量空气系数；各级受热面和烟道、风道的漏风系数；各个燃烧 器的一、二、三次风的风量和风温；各个燃烧器的一次风的煤粉浓度等。对于四角布置 组织切圆燃烧的煤粉锅炉，决定炉内燃烧工况的决定性因素是炉内的空气动力场和浓度 场，要保证良好的燃烧状态，四角燃烧器的一、二、三次风的风量( 风率) 或风速以及 一次风的煤粉浓度必须保持在与煤种相适应的合理值并保证四角均衡，否则就会破坏j 下 常的燃烧过程，对煤粉着火，燃烬不利，影响燃烧效率，导致炉内流速场，燃烧物质浓 度场和温度场异常，炉内结渣，管壁局部过热等不安全现象；引起炉膛火焰中心偏斜、 燃烧不稳、局部结焦、爆管，锅炉热效率下降，甚至导致锅炉熄火放炮而诱发事故。 在电厂锅炉运行中，保持适当的二次风速及风率是建立f 常的炉内空气动力场和稳 定燃烧的必要条件，f 确使用二次风，可以搅拌炉内烟气，不但能够加强烟气中可燃气 体与空气中氧气的良好混合，同时可以延长悬浮的细煤屑在炉膛中的行程和停留时间， 提高燃尽率，另外二次风增强炉内气流的扰动，依靠旋涡的分离作用，把飞狄和未燃尽 的碳粒甩回燃煤层复燃，不仅降低了飞灰含碳量、减少化学不完全燃烧损失，提高锅炉 的效率，同时又可起到良好的消烟除尘效果【3 ，4 5 1 。二次风的布置方便，炉膛结构也不因 之而变得复杂。因此，无论在锅炉设计还是改造中，都是一项花钱少、效果好的措施， 所以稍大一点的锅炉上都利用二次风。随着能源价格的提高和能源紧张的压力，人们r 益重视二次风的作用，研究了二次风的进风速度、配风比、喷嘴角度等对燃烧的影响 6 , 7 , 8 j 9 对二次风布置不合理的锅炉，纷纷进行了改造，提高了锅炉的热效率【1 0 , 1 1 】。且在 解决小型工业锅炉的消烟除尘的措施中，也特别注重二次风的使用，取得了很好的效果。 对以往大都不设尾部受热面的中小型锅炉，现在人们也丌始注重回收烟气余热，采用热 2 硕上论文火电厂。锅炉白整流二次风调节阀研究 管空气余热器可以强化预热的空气作为送入锅炉的二次风，可以明显改善燃烧状况，有 效地提高锅炉的热效率和锅炉地安全经济运行水平，大大降低排烟黑度【1 2 】。 1 、 一、二次风风率变化对过滤热经济性能影响的研究现状 电厂锅炉运行时，其热经济指标往往离设计要求相差较远，主要表现是排烟温度偏 高和飞灰含碳量偏大，当然影响锅炉排烟温度及飞灰含碳量的因素较多，其中一、二次 风风量的匹配对其影响最大。锅炉一、二次风率，即锅炉一、二次风量的大小匹配比率。 燃烧器保持适当的一、二次风配比即保持适当的一、二次风出口速度和风量，是建 立良好的炉内工况，使风粉混合均匀，保持燃料正常着火与燃烧的必要条件。一次风速 过高会推迟着火，过底则容易烧坏燃烧器并在一次风管内造成煤粉沉积。二次风过高或 过低都直接影响气流的混合扰动情况，从而降低燃烧的稳定性。 在锅炉实际运行过程中，由于煤质变化较大，气温、气压、排烟温度等变化也较大， 因此，在煤质变化较大时，需要根据实际情况对二次风调节进行人工干预。通过实际运 行的不断摸索，可以总结出二次风的调节对燃烧的影响：从运行稳定性比较，高负荷时 采用均等配风；低负荷时采用倒宝塔配风对燃烧稳定有利。对气温、排烟温度等小指标 的调节，是对部分二次风调节阀的细微调节。上部二次风压住火焰不使其过分上飘，使 煤粉燃烧和燃尽，并可有效地降低炉膛出口温度；中部二次风提供煤粉燃烧所需氧气， 保证锅炉的稳定运行；下部二次风防止煤粉离析，托住火焰不向下冲，防止冲刷冷灰斗。 增加上二次风，减少下二次风，可使炉膛火焰中心下移，对稳定燃烧、提高汽温很有效： 反之，火焰中心上移，可有效的提高汽温，但排烟温度随之上升，只有进行综合比较， 相应采取不相同的调整方法，才能取得最佳效果。 煤质发生变化时，在自动方式下可通过改变燃料风门的偏置来调整燃料量与风量的 比例关系。对于燃烧反应性差，挥发含量低的煤种时，在相同燃料量的情况下，燃料风 门的开度应控制的适当小些，以保证稳定燃烧；反之，对于燃烧反应性好的煤种则可以 适当增大风门开度。 各层辅助风门的开度，取决于实际运行需要，可通过改变各自的偏置值来进行调整。 各二次风门自动调节过程中，将对锅炉总风量带来直接的影响，为了维持自动调节过程 中锅炉总风量不变，各二次风门应在风量自动投运的情况下，方可投入自动运行状态， 在手动调节过程中，应密切注意风箱与炉膛差压值，不能过高和过低。风箱与炉膛差压 值低，二次风刚性较差，在火焰中心处不能提供燃烧所需要的氧气量，火焰暗红且有零 星光亮点；风箱与炉膛压差值高，则二次风刚性强，低符合时容易造成煤粉的分层，对 着火和稳定燃烧不利。 二次风调节阀是一个复杂的调节对象，在锅炉运行的动态变化过程中，要确保运行 的安全性和经济性，必须掌握各种扰动下参数变化的范围和幅度以及参数变化的物理本 质，做到提前判断、提前调整，保证锅炉安全、经济运行。针对不同的锅炉与调节阀来 1 绪论 硕士论文 说，其运行的各项参数也略有不同，需要在长期运行中不断总结，分析，才能掌握其性 能。 2 、二次风道流量特性的研究状况 在锅炉的设计中，二次风设计随着能源供应的紧张而日渐受到人们的重视，二次风 布置得恰当合理，不但能提高锅炉的热效率，而且能起到消烟除尘的作用，减少烟气中 的污染颗粒和污染气体。由于二次风随时间脉动量大，可能导致燃烧不稳定；阻力件调 节阀的改变，对各风道间的相互流量有非常大的影响；另外，由于通道很短，二次风得 不到充分发展，出口截面速度极有可能分布不均，因此，发展一种比较可靠的方法，建 立与流量对应的阀门开度的关系，对于燃烧的稳定性来说，有着非常重要的意义。在计 算机技术成熟的今天，数值模拟提供了人们另外一个视野，可以模拟现实中复杂而不易 测量的环境。到现在为止，虽然很多人对二次风的进行了研究，但是有关二次风的理论 仍不是一套系统的、成熟的理论，对于二次风系统的设计，大多还是依经验来设计的， 没有提出具体明确的设计准则以有效地提高效率，所以还需要进一步的研究，使之形成 完整的理论系统。 文献 1 3 】对二次风道流量特性进行了探讨，指出目前普遍使用的二次风道和二次风门 的结构过于简单，因此存在很大缺陷，主要表现在二次风道的原始阻力系数严重偏小和 风门涡流强烈，从而造成二次风产生强烈的脉动。通道内的相对流量可以简单的表达为： = ( 1 + y ) m 5 其中) r = 六彘，六为风门阻力系数，彘为风道原始阻力系数。由简化条件 下二次风道的流量特性可得结论为：通道内的相对流量不单纯地取决于风门阻力系数 f ，而是取决于风门阻力系数f 。与风道原始阻力系数彘的比值y 。由以上分析可看出目 i j 二次风道配风系统所存在的一些不足之处： ( 1 ) 同样结构的风门安装在不同的风道中，将具有不同的流量调节特征。在实际 锅炉运行中，用风门开度来调节二次风不合理； ( 2 ) 理想的风量调节特性如线性调节特性( 风门丌度与通道流量之间呈现线性关 系) ，需要在风门设计中综合考虑风门阻力系数与风道原始阻力系数之间的匹配，使 ( 1 + y ) m 5 的值与风门开度呈线性关系才能获得。考虑到在风门的可调区鼻远大于磊。所 以彘的微小变化都足以使y 值产生巨大变化，因此对于二次风道而言，通用的线性调节 关系的二次风门根本不存在，必须针对具体的二次风道的结构进行个性化的单独设计。 同理，通用的等百分比调节关系的二次风门也是根本不存在的。 ( 3 ) 现有的风门( 普通翻板阀) 具有极不理想的快开特性，小开度时阻力系数的变化 率很大，大开度时阻力系数的变化率很小，同时流体通过阀门时在其后侧形成两个漩涡， 漩涡尺度的大小随阀门开度增大而逐渐消失，且阀门沿来流方向后端那一侧的漩涡先消 失。根据相对流量表达式，增加原始阻力系数彘，可以使风门的调节特性得到改善。 ( 4 ) 从通道内的流动稳定性来看，并联的相邻短通道之间的相互干扰( 俗称抢风) 造成 4 硕士论文火电厂锅炉自整流二次风调节阀研究 的流量脉动主要扰动因素是彘的随机变化 作为二次风风量调节器件的二次风调节阀调节性能的好坏与否对二次风系统来说 至关重要。 3 、计算流体动力学在电厂中的应用的现状 2 0 世纪4 0 年代，电子计算机的诞生使得复杂非线性偏微分方程组的数值求解逐渐 成为可能，从而引起了人们对数值求解流体力学问题( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， 简称c f d ) 的浓厚兴趣。在日新月异的计算机技术的强有力推动下，计算流体力学获得 了突飞猛进的发展。到2 0 世纪8 0 年代，计算流体力学在离散方法、网格生成和求解方 法等各方面已基本成熟，针对各种具体流动情况而发展起来的不同的湍流模型，也为各 种工程问题的解决起到越来越大的作用，被广泛地应用于能源、化工、国防的各个流域， 为工程的设计和优化提供了大量有益的帮助，缩短了工程周期，节约了资金。在电厂的 应用方面，因锅炉过热器和再热器的超温爆管，炉膛结焦、掉焦灭火时有发生，严重地 影响着机组的安全运行。环保的要求需要研制丌发新型燃烧器，但是锅炉燃烧过程是个 复杂的传热、传质过程，由于工作条件恶劣和边界条件的复杂性，进行常规的测试不仅 花费大量的人力和财力，而且这方面的测试在现今的条件下无法实现或者有很大的误 差。另外电厂锅炉一、二次风的调节对煤粉燃烧效率的影响等，都可以通过计算流体动 力学进行数值模拟。因此，通过c f d 技术进行锅炉燃烧过程的冷态、热态数值模拟， 有很大的应用空间【1 7 】。 与常规方法相比，c f d 的结果可以更直观、更全面地反映实际的锅炉内燃烧过程， 现场采集的只是局部的数据，且很受时间地点的限制，而c f d 得到的燃烧场则是计算 域内的一个完整场，它可以显示计算域内任何地方的速度、压力、温度，或是整个区域 的分布规律。由于数值计算可以在不打断正常生产的前提下，对多种预想的燃烧过程进 行计算仿真，从而找出理想的燃烧方式，所以在锅炉的优化燃烧方面有非常大的应用优 势。数值计算也可以应用在机械设计前的仿真分析，为机械结构的确定提供依据。 4 、基于s o l i d w o r k s 的参数化设计二次开发研究现状 s o l i d w o r k s 是美国s o l i d w o r k s 公司基于w i n d o w s 平台开发的著名的全参数化三维 实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、管道设计、绘制二维工程图、支持 异地协同工作等功能，它可以实现由二维实体造型向二维工程图的转化，能够使零件设 计、装配设计和工程图保持全时间的相关和同步。目前，各类用户不仅在应用s o l i d w o r k s 的强大功能进行各类专业设计，同时也不断探索s o l i d w o r k s 的二次开发技术，从而力求 扩展s o l i d w o r k s 的功能并使其用户化、专业化。 在机械行业中，许多机械零件的形状结构具有共同特征，只是在相对大小或局部特 征上存在一定的差异，如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型，就会大大提高设 计效率。参数化设计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中随产品规格不同而变化 5 l 绪论 硕十论文 的参数用相应的变量替代，通过对变量的修改，从而实现同类结构机械零件设计的参数 化。参数化实体造型的关键是几何约束关系的提取、表达、求解以及参数化几何模型的 构建。 当前，随着产品设计信息化进程的不断推进，企业运用三维c a d 系统进行设计正 日趋广泛，三维参数化设计无疑是提高设计效率的最好方法之一。所谓参数化设计就是 将模型中的约束信息变量化，使之成为可以调整的参数，赋以变量化参数以不同数值， 就可得到大小和形状的零件模型，这种设计方法效率高、实现简单、程序量小、可移植 性强等，对形状或功能相似的产品设计具有重要意义【1 8 , 1 9 ，2 0 1 。s o l i d w o r k s 就是一款优秀 的三维参数化设计软件，它为参数化设计提供了两种途径，一是直接使用s o l i d w o r k s 界面中的系列零件设计表参数化( s p e c i f y i n gd e s i g nt a b l ep a r a m e t e r s ) 功能，这种方法无 需编程，简单实用。二是利用s o l i d w o r k s 软件内嵌的应用程序接1 5 1 ( a p i ) 实行二次开 发，任何支持o l e 和c o m 的编程语言都可作为丌发工具，如d e l p h i ，c c + + ，v i s u a l c + + v b a ，v i s u a lb a s i c 等【纠2 2 。 1 3 本论文的任务及论文结构 由前所述，大多数电厂锅炉二次风的调节性能不能满足配风调节要求，二次风配风 调节直接影响着锅炉的安全、经济、洁净运行。为改善这一局面，结合国内外研究现状， 本文对锅炉二次风配风技术进行研究，主要进行以下工作： ( 1 ) 应用数值模拟的方法，分别对目前电厂中普遍使用的翻板阀和新设计的二次 风调节阀的主要结构进行仿真分析，为调节阀的结构设计提供设计依据。 ( 2 ) 重点研究配风系统中二次风及二次风道的特性，设计一种全新结构的二次风 调节阀来代替普通的二次风门，并对其进行机械性能分析，使其能够完成预定的调节动 作。 ( 3 ) 通过实验验证所设计的调节阀的流量调节性能，并评价其整流效果。 ( 4 ) 通过基于s o l i d w o r k s 二次开发的方法对所设计的新型二次风调节阀建立零部 件库，并对该课题的进一步深化发展提出展望。 论文第一章介绍了课题背景及意义，并简要介绍了电厂锅炉二次风调节的现状。论 文第二章采用数值模拟的方法分别对老式翻板阀与新型二次风调节阀进行数值模拟。论 文第三章详细介绍了新型二次风调节阀的结构设计。论文第四章通过实验，测出新型二 次风调节阀的流量特性曲线和整流效果。论文第五章为新型二次风调节阀建立了基于 s o l i d w o r k s 二次开发的二次风调节阀特征零件库。论文第七章对论文做了总结并对新型 二次风调节阀的应用做了展望。 6 顾士论文火电厂锅炉自整流二次风调节阀研究 2 典型煤粉锅炉二次风门的数值模拟 在设计调节阀之前，首先需要确定调节阀选用何种结构型式。本文认为，可以采用 数值模拟的方法分别对翻板阀和新型二次风调节阀的主要结构进行数值模拟，同时也能 了解流场内部的结构，揭示其流动特性，从数值模拟的结果指出新型二次风调节阀在结 构上的合理性，并把仿真结果与实验结果进行比较。本文采用商用c f d 软件f l u e n t 进行模拟。 2 1f l u e n t 软件介绍 2 1 1 c f d 概述 计算流体动力学( c f d ) 是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和 热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本思想可以归纳为：把原来在时间 域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量 值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代 数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看成是在流体基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒) 控制 下对流体的数值模拟。通过这种模拟，可以得到及其复杂问题的流场内各个位置上的基 本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况， 确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等【2 3 1 。 目前应用于模拟流体运动的数值模拟软件( c f d 软件) 主要有：f l u e n t ，s t a r c d ， p h o e n i x ，a n s y s f l o t r a n 等，而其中最为广泛的就是f l u e n t 软件，本论文选用 f l u e n t 软件对二次风系统流场进行数值模拟。 2 1 2 f l u e n t 软件简介 1 f l u e n t 软件模拟流程 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司子1 9 8 3 年推出的c f d 软件，是目前功能最全面、 适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。f l u e n t 数值模拟流程如图2 1 2 1 所 示： 7 2 典型煤粉锅炉二次风门的数值模拟 硕l 论文 l 在g a m b l t 前处理模块中创建几 何模型和网格模型 上 l 把创建好的模型导入到f l u e n t 求解器 土 l 检查网格模型，并选用合适的计 算模型 上 设置边界条件，材料特性，以及 控制求解的有关参数 上 i 初始化并进行迭代计算 上 显示并保存求解结果 图2 1 2 1f l u e n t 数值模拟流雅图 2 f l u e n t 软件的前处理器 f l u e n t 软件的前置处理器主要是指g a m b i t 软件，它具有强大的网格生成能力， 主要体现在以下几个方面： 1 ) 完全非结构化的网格能力 g a m b i t 能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格及 混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强的自动化能力，因而大 大减少了工程师的工作量。 2 ) 网格的自适应技术 f l u e n t 采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和改进网 格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在c f d 技术中提高计算精度的最重要的技 术之一，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精 度。 3 ) 混合网格和附面层内的网格功能 g a m b i t 提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。而且附面层内的 硕二l 论文火电厂锅炉白整流二次风调节阀研究 贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外，g a m b i t 能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混合起来，这对复杂几何外形来 说尤为重要，既能保证了壁面的精度，又可以大大节省网格数目。 3 f l u e n t 软件包含成熟的湍流模型 f l u e n t 软件包含了8 种工程上常用的湍流模型( 包括9 2 年提出的一方程的s a 模型，双方程的k o 模型，雷诺应力模型和最新的大涡模型等) ，而每一种模型又有若 干子模型。其中k 模型又包括鲁棒性较好的s t a n d a r dk 模型；针对逆压梯度的r n g k 模型和针对旋流的r e a l i z a b l ek 模型。 4 f l u e n t 软件的后处理功能 f l u e n t 具有强大的后置处理功能，能够完成c f d 计算所要求的功能，包括速度 矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图、并具有积分功能，对于用户关心的参数和 计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。 2 2f l u e n t 模型及其求解 2 2 1 模型 为了与实验结果进行比较，模型的建立需要与所搭建的实验台相同。本文采用 g a m b i t 建立模型，并进行以下简化及假设： 1 ) 忽略阀门附近不规则的驱动结构，将阀门视为一块无厚度的板( 为了便于模型 的网格划分，本文将阀门设置为很小厚度的平板) 。 2 ) 风道内的气体低速流动，可视为不可压缩流体，同时忽略由流体粘性力做功所 引起的耗散热，忽略炉膛辐射热量。 3 ) 风道内流动过程流动为稳态湍流。 图2 2 1 1翻板阀结构图2 2 1 2 新型二次风调节阀结构 在这里分别为帆板阀与新型二次风调节阀的主要结构( 图2 2 1 1 与图2 1 1 2 ) 建立 数值模拟的模型，选用图2 1 1 2 所示新型二次风调节阀结构的原因将在第三章说明，在 这旱直接给出结构。所建立的模型如图2 2 1 3 与图2 2 1 4 所示。建立模型的作用是通 过数值模拟，求解出空气通过阀门后阀前后的流场分布与阀门出口流速分布。 9 2m ! 妣粉”一坎h1 的# 值# 拟m _ 二论文 摊“r 视闰 幽22 l3 翻扳 横掣上视幽 k 、 、 麓熬戮澎莲瓣熙鳞震密 挂掣右视幽 ： ： 。 模型右视幽 幽22 l4 新型一玖风调订阀模型 2 2 2 网格划分 对计算区域进行网格划分是计算机数值模拟计算中最为重要的一环而且也是最难 处理的一环。最重要是田为网格划分质量的好坏将直接影州到模拟结果的精度、模拟的 10 ?雩，、暴一”了；墨嘎0凡 ， 新刊二次风调竹脚 q巷矗警n ，i，囊、t 0 x 硕| 二论文火电厂锅炉白整流二次风调节阀研究 可靠性以及模拟过程中的稳定性和收敛性。最难处理是因为对于具有复杂外形的三维实 体，要想划分出理想的网格是非常困难的。 本文采用专用网格划分软件g a m b i t 对二次风调节系统三维实体进行网格划分。 对三维实体进行网格划分是一项非常繁琐的工作，尤其是二次风道内还有挡板。网格划 分从总体上看有三种：结构化网格、非结构化网格和半结构化网格。采用结构化网格对 实体模型进行网格划分时，可以人工控制任意方向的加密要求，但它却无法适应切除挡 板后的风道结构，其生成网格为六面体网格。这时g a m b i t 提供了解决这一难题的方 法，那就是采用非结构化网格，即四面体网格，采用非结构化网格对三维实体进行网格 划分，它有很强的适应性，能对任何具有复杂外形的实体进行四面体网格划分，但采用 这种网格，由于其三个方向尺度基本一致，很难像结构化网格那样可以人工控制任意方 向的加密程度，所以当某些地方需要加密网格时，将会导致整个区域的网格数量巨增， 从而需要计算机有更大的内存，而且计算时间大幅度增加。 为了提高c f d 对计算区域流体流动参数模拟的精度，在进行网格划分时需 遵循以下几点： 1 ) 尽量采用结构化网格； 2 )网格节点的走向尽量与计算区域流场流线一致； 3 ) 在流场中流动参数急剧变化的地方，网格尽量小。 根据网格划分的基本原则，在阀门附近采用非结构化网格划分，在道及二次风箱处 采用结构化网格划分，最终生成网格数在1 0 0 万左右，在内存为7 5 0 m 的计算机上可以 进行计算处理。 2 2 3 基本物理模型 1 ) 控制方程【2 4 】 本文中，描述二次风道内空气流动的三维n s 方程可由式( 2 2 3 1 ) 表示： 连续方程： 譬+ 昙扣0 ( 2 2 3 2 1 ) 动量守恒方程： 昙) + 毒b i v j ) = 毒l ( 考+ 瓦o v ) 一；如鲁 + 毒( - 丽) c 2 2 3 式中：p 一密度( 1 ( 咖) x i 一位置坐标( m ) ( i _ l ，2 ，3 分别表示x ，y ，z 三个方向) v i - x i 方向的速度( m s ) 2 典型煤粉锅炉二次风门的数值模拟 硕士论文 u 一粘性系数0 , g ( m s ) ) p 一流体压力( p a ) t 一温度( k ) 2 ) 湍流模型 由h a r l o w 和n a k a y a m a 于1 9 6 8 年提出的k 湍流模型是到目前为止，应用最为广 泛的湍流粘性模型，且对k 模型的广泛研究、应用和检验，使人们对其优点和缺陷有 了充分的了解，关于此模型的论文也屡见不鲜。标准双方程模型是依据湍流动能k 和它 的耗散项e 的输运方程而建立起来的半经验模型。k e 方程除了雷诺方程以外，还引入 了有关湍流内部结构信息。标准k 模型的方程包括湍流动能方程k ，和扩散方程 3 7 】： 掣+ 毒瞬) = 毒( 箦毒) + “( 善+ 等 蔷也 c 2 n 3 ， 昙协，+ 毒c 厄小瓦( 9l ( 吼a , 缸a s ；- + 妻 c 以( 詈+ 等 考一g 伊 c 2 n 4 ， 其中五个常数需要确定，c 。= o 0 9 ，常数吼和仃。包含在湍流扩散项中，通过数值最佳化， 认为仃t = 1 0 ，口。= 1 3 最合适。常数c l 、c 2 多数研究者认为，取c i = 1 4 4 和c 2 = 1 9 2 较好。本文中，流体的流动可视为定常不可压流，因此密度p 为常数，可将上式进一步 简化。 与k 模型相配的，近壁处理采用标准壁面函数进行处理。 2 2 4 解算器及算法 本文采用分离隐式求解器，保证解的稳定性。f l u e n t 采用有限体积法来离散方程。 由于同时存在有四面体网格和六面体两种网格，采用二阶迎风格式比较适合四面体网 格，而且对六面体网格能获得更精确的结果。另外考虑到二阶格式不易收敛，因此本文 在离散方程时先采用一阶迎风格式得到收敛结果后再用二阶迎风格式继续运算，获得收 敛结果；压力速度耦合算法采用s i m p l e 算法。 2 2 5 边界条件及物理性质 1 ) 进1 2 1 边界条件 设置进1 2 边界条件为速度进1 2 ，由于随着阀门开度的不断增大，出1 2 1 流速分布逐渐 均匀，为了便于比较，进1 2 1 速度统一取2 6 8 0 m s ，阀门开度为2 0 。 2 ) 出1 ：3 边界条件 设置出1 ：3 边界条件为压力出1 ：3 。 3 ) 流体物理性质 为标准大气压下的空气i 硕i 。论殳 火f uj 祸炉白控漉二次吼州节闷研究 4 ) 操作压力 本文计算的锅炉二次风门在大气压下运行，操作压力y , j1 0 1 35 1 0 p a 。 2 2 6 收敛判断 一般情况下，当残差达到小于1 0 。时，主要的流场特征确立。因此当残差小于1 0 。 时，一般可认为达到收敛。本文中不但监视了贱差，而且监视了阀门变化所在风道的出 口流量的积分平均值，当残差小于1 0 “3 且出口流量达到稳定值时，再看进出口流量是否 守恒，若守恒，则可认为收敛。 2 3 数值模拟结果分析 2 3 1 二次风风道结构流量特性分析 1 ) 风道内流场分布 土， 幽2 3i1 翻板阀住2 0 开度f 模拟风道内流场分布 一般矩形管道同一横截面速度分布为抛物线性，在中帕j 位置速度摄大。由于从引风 管道到二次风风道要经过一个9 0 。的急转弯，在拐角背风处形成漩涡，使流体在沿二次 风风道流动时还有横向的速度，从而导致喷管出口流体往右端倾斜，从左到右速度不断 增大。 裟篙黧麓篓黧篙黜黧 吲川川川圈 2 赡型蝌牯锅炉t 风门的数值模拟 i i i 1 - 上 ! ! ! 曼! 曩 幽2 3l2 一次风调在2 0 开度r 挺拟风道山的流场分布 从图2312 可以看出，随着气流从引风管进入二次j x lj x l 箱。山于风箱底端封闭，因 此在胍箱底端近壁区存在明显的滞止网流区。不同丌度下二次风道中流速分如及变化 趋势大致十1 1 1 掣, ，二次；x u x l 箱巾的流体在进入二次风j x l 道时，山于流向灾然变 r u i n 锐缘效 应，二次风道左删壁处发生分离，二次风道断匝右侧流速较大，向左州j 歪渐减小，并在 二次风道左删壁面处形成一漩涡。随着。t 流在二：次j 扎道中的流动推进二次m 道断面流速 分如渐趋均匀。 2 3 2 整流效果分析 1 ) 阀门d h 后流场分布 出国2321 中可以看出，当翻板阀丌度较小时流体通过阀门后在阀门投影区后方 两侧形成两个结掏相似的澈涡；随着阀门丌度的增大碉门与来流茸朋的兴角会越柬越 小，阀门沿柬流方同时端邢一侧的漩涡同着闷门倾制的方问倾斜，) 至渐占掘整个阀门后 投影区的空恻，随着阀门丌度不断增大，漩涡逐渐消失。 山图232 2 中可以看出，流体通过二次风调节阀后在阀门投影区后方没有形成涡流 区，流体比较平缓地经过阀门，随着经过阀门后的流体不断| i ；】 j i 】推进t 流体流动趋于稳 定。 2 ) j 札道出口流速分析】 从图2 323 中可以看出，翻板阀出口流速分布极不均匀，受流经翻板词后形成的两 个漩涡的影口出口处上方与下方的速度大于中i b 的速度，开且上方的速度也稍大了二f 方的速度。 侧的述度稍小f 右侧的速度，从图2 312 巾m 道内的流场分佰术再，这是 蚕 嚣|lii嚣il=篡篡裟黧 硕i 论z 火i uj 锅灯一自整流二次风训节阀研究 因为流体经过弯头变向，导致速度由左同右增大。 从图2 324 中可以看出，二次风调节阀出口流速分布较为均匀，仅芷侧速度小丁右 侧，其原因也是因为流体经过弯头变向导致的，而不是受调节闽调节性能的影响。 通过以上分析可以得出结论，新型二次风调节阀的结构从整流效果上看要远远好于 翻板阀。 舅爱 t6 8 t 0 1 幽232 1 翻扳删在2 0 开度f 阀ij 前后流场分布云幽 譬i 墨 l 型2322 一玖风阔i 侧住2 0 开度r 刊r j 前后流场钟布云幽 2 典型博粉锅炉二? 咒风1 的数值模拟 硕j 一论文 2 4 本章小结 图232 4 流体流经新型二次风调仃阀后山口处流速分布云图 本章内容首先分别为目前电厂中普遍使用的翻板阀与新型二次风调节阀的主要结 构建立了数值模拟的模型并进行数值模拟。以阀后流场的稳定性与阀门出口的流速分布 为评价指标，分别对两种阀门数值模拟的结果进行比较，指出了新型二次m 调节阀在整 流效果上的优点，为下一章中新型二次风调节阀的结构设计提供了设计依据。 1 6 硕士论文 火电厂锅炉白整流二次风调节阀研究 3 新型二次风调节阀设计 二次风布置的恰当合理，不但能提高锅炉的热效率，而且能起到消烟除尘的效果， 减少烟气中的污染颗粒和有害气体。二次风随时间波动量大，可能导致燃烧不稳定：阻 力件调节阀的改变，会影响各风道的相互流量；由于通道很短，二次风得不到充分发展， 出口截面速度极有可能分布不均。当气体流过传统的调节阀时，由于调节阀开口面积的 突然变化会导致气体在阀门前后不平稳的流动，这种流动会带来很大的气体阻力，使得 阀门的流量特性发生畸变，使阀门出风口附近出现漩涡，从而引起较大的沿程阻力。因 此，设计一种比较可靠的方法，建立与流量相对应的阀门开度的关系，对于燃烧的稳定 性来说，是有着非常重要的意义。二次风调节阀是二次风系统中的重要组成部分，其调 节性能的好坏直接影响锅炉的运行效率及安全，所以，设计合理调节性能的二次风调节 阀是十分必要。本章内容基于目前电厂锅炉中普遍使用的翻板阀所存在的问题，提出改 进的方法，并全新设计了一种新型的二次风调节阀。 3 1 二次风调节阀概述及设计依据 3 1 1 二次风调节阀概述 现阶段电厂锅炉中二次风道中普遍使用的调节阀主要是翻板阀，如图3 1 ：1 1 所示， - 其流量特性不是很理想，主要表现为：一是翻板阀的流量调节特性是快开特性，即当阀 门开度较小时，改变阀门开度，其流量变化非常大。二是气体流过调节阀后会形成漩涡， 使气体不能平稳流动，严重影响了锅炉中煤粉的充分燃烧，可以参考上一章中数值模拟 的结果。随着阀门开度的不断增大，漩涡会逐渐消失，且沿来流方向后端那一次的漩涡 先消失。新设计的调节阀主要是为了解决以上两个问题，力求新设计阀门的流量特性尽 可能的接近等百分比特性，且漩涡越小越好，阀门后能形