负荷自适应射流自动偏转燃烧器的设计与实验研究

1、负荷自适应射流自动偏转燃烧器的设计与实验研究    摘 要：分析了四角切圆燃烧煤粉锅炉变工况运行时炉内实际切圆大小的变化规律及燃烧对实际切圆大小的客观要求，提出采用基于弹簧偏转挡板的自适应燃烧器代替现有固定结构燃烧器，以便在变工况运行时自动调节炉内实际切圆的大小，从而使燃烧处于最佳工况。详细介绍了这种新型燃烧器的结构、工作原理。冷态实验结果表明：这种新型燃烧器对出口射流的偏转角度具有良好的调节性能。关键词：动力机械工程；锅炉；燃烧器；负荷自适应；射流自动偏转根据四角切圆锅炉的优化燃烧理论1 ，炉内实际切圆的大小应随负荷的变化而变化，以满足： 高负荷时期望

2、实际切圆不要超过某一临界值，以免因切圆直径过大使煤粉气流直接冲刷炉墙引起结渣l3。 ； 在低负荷时，实际切圆不要小于某一期望值，使火焰具有较好的充满度，为人炉煤粉气流及时提供足够的着火热量，保证人炉煤粉气流的快速、稳定着火。炉内实际切圆直径与假想切圆直径间有强烈的相关性_s ，负荷越高，实际切圆直径越大。目前，假想切圆直径的设计大多凭经验确定，因而容易造成切圆直径设计过大而导致炉内结渣或因切圆直径设计过小而影响着火的稳定性与燃烧效率。当切圆直径过大时，燃烧器改造时通常采用两种办法：一是改变燃烧器的轴线位置；二是在燃烧器喷嘴内近出口处装设固定偏转挡板l8 。前者改造工程量大，后者改造简单，但对煤

3、质、负荷变化的适应性仍然有限。为使燃烧切圆直径能实时自动适应负荷的变化，本文提出了一种基于弹簧偏转挡板的全自动负荷自适应煤粉燃烧器。负荷变化时这种燃烧器能自动优化炉内的空气动力场。1 燃烧器的工作原理与结构自动偏转挡板燃烧器的工作原理与结构如图1和图2所示，它由燃烧器喷嘴、偏转挡板、挡板转轴及扭转弹簧组成，其中。扭转弹簧可装设在燃烧器喷嘴内部，也可装在喷嘴外部。由图2知：当燃烧器喷嘴入口气流速度W一0时，偏转挡板与燃烧器轴线间的夹角等于挡板的安装角0W>O时，因挡板的节流作用在挡板前后产生压差P，此压差作用在挡板上产生一旋转力矩 。力矩 使挡板偏转而使弹簧产生弹性扭转变形。变形后的弹簧产

4、生与M 方向相反的力矩 。当 一 时，偏转挡板稳定在某一位置 。2 燃烧器的设计偏转挡板燃烧器的设计按以下步骤进行： 根据优化燃烧的要求，确定射流最佳偏转角度 （图1）与锅炉负荷D 间的函数关系，即 一f2（D），这一点在参考文献57中已有详述；确定挡板结构尺寸（6、L）、安装位置（5、 ）与射流偏转角 之间的函数关系，即 一厂。（6、L、S、 ），并根据燃烧器的加工、安装与运行工艺要求，选择合适的挡板结构尺寸b、L与挡板安装位置5，然后由f2（D）一f3（6、L、S、 ）确定挡板的偏转范围A0；确定函数厂 （5，W，L）或P （5，W，L），并由式（2）、或式（3）确定扭转弹簧的力学常数k。

5、鉴于流体流动的复杂性，本文采用实验研究方法确定函数厂P 。3 实验装置与实验图3为确定函数厂l、_厂。的冷态实验测试系统。其中，送风机为离心风机，额定工况流量为1253m。h（25。C条件下）；燃烧器采用方形喷嘴，其内边长为80mm×80mm，燃烧器偏转挡板采用普通钢板，其厚度 3mm。风机出口装有调节风门，它可使燃烧器进口风速W=0445ms。在燃烧器进口前的直管上装有EY32八型热线风速仪。为了全面研究各种因素对燃烧器偏转挡板与出口射流偏转特性的影响，在实验时，在5、，J、k 3个可选参数中，先固定其中2个，来研究某个参数变化时挡板偏转角 、射流偏转角 与燃烧器进口流速间的关系。

6、0值可由燃烧器上的刻度表直接读数，值经图象处理后计算确定。4 实验结果分析4.1 挡板的偏转特性图5 图7分别给出了弹簧偏转挡板安装位置、挡板长度、弹簧力学常数发生变化时挡板偏转角度与燃烧器喷嘴中气流速度间的关系。当挡板安装位置及挡板长度一定时，对于不同的弹簧，其偏转角度（与气流速度成近似线性关系（图5），弹簧的力学常数越小，偏转角度越大，只要选择合适的扭转弹簧，就可在规定的速度范围内获得期望的挡板偏转角度；当挡板的长度与弹簧力学常数一定时，挡板转轴安装距离（在一定范围内）越大，挡板的偏转角度越大（图6）；挡板越长，则挡板偏转角度越大（图7）。以上表明：挡板的安装位置、挡板长度、扭转弹簧的力学

7、常数为挡板偏转特性的设计提供了很大的选择空间，只要合理组合这三个参数就可获得理想的挡板偏转特性。4.2 挡板前后的气流压差由图5 图7知，因弹簧偏转挡板的偏转角度与气流速度成近似线性关系，根据式（3）知：作用在偏转挡板上的平均压差与气流速度也成近似关系。设计时只要根据（3）式及图5 图7的结果，再根据挡板预期的角度偏转范围，就可选择合适的弹簧力学常数。4.3 射流的偏转特性4.3.1 挡板偏转角度对射流偏转特性的影响燃烧器出口射流偏转角度 同时受到挡板长度 、挡板安装位置 及挡板偏转角度0的影响。0对 的影响因 、5值的不同而呈现出不同的特性，如图8所示。对于各种长度的偏转挡板，当安装位置距离

8、燃烧器喷嘴出口较近，如S一16mm、31mm时，射流偏转角与挡板偏转角成近似线性单调增函数关系，且挡板越长，燃烧器出口射流的偏转角度对挡板偏转角度的变化愈敏感，如图8（a）、（b）示，；当 值较大，如S=45mm、67mm 时，较长偏转挡板燃烧器出口射流的 与0仍成近似线性单调增函数关系，而较短偏转挡板燃烧器出口射流的 与0成近似线性单调降函数关系，如图8（c）、（d）所示。出现上述现象的主要原因是挡板长度与安装位置对偏转挡板的导流作用具有很大的影响。当挡板末端位于燃烧器喷嘴出口平面以外时，射流的偏转主要取决于挡板的导流作用。当挡板末端位于燃烧器喷嘴出口平面以内时，挡板较长或安装位置5距燃烧器

9、出口较近时，挡板的导流作用较明显。反之，当偏转挡板末端离喷嘴出口较远时，因气流离开挡板后的自扩展恢复过程使射流的偏转对挡板偏转的敏感性下降，或因气流直接撞击燃烧器壁面使气流折向。4.3.2 挡板长度对射流偏转特性的影响当挡板末端在喷嘴出口平面附近时，挡板越长，射流偏转角度对挡板偏转角度的变化越敏感，且成近似线性单调增函数关系，如图8（a）、（b）所示；当挡板末端在喷嘴出口平面以内且距出口较远时，随挡板长度变化，射流会出现两种不同的偏转特性。一种是当挡板较长时，与问仍呈现出近似线性单调增函数关系；二是当挡板较短时， 与 间呈现出近似线性单调降函数关系，如图8（c）、（d）所示。这说明为了取得较好

10、的射流偏转特性，挡板末端应尽量在喷嘴出口平面附近，并尽量选用较长的偏转挡板。4.3.3 挡板安装位置对射流偏转特性的影响当挡板的长度一定时，挡板安装位置的变化实际上意味着。挡板的末端是自喷嘴出口平面向燃烧器喷嘴内移动还是向外移动。当改变挡板安装位置而使挡板末端自喷嘴出口平面以外向内移动时，射流的偏转角度会逐步下降。5 结论根据上述实验结果，可以得出以下几点结论：（1）弹簧挡板及燃烧器出口射流偏转角度对气流速度的变化具有较好的响应特性。燃烧器出口射流偏转角同时受到偏转挡板安装角度、挡板长度及挡板位置的影响。（2）当挡板末端在喷嘴出口平面附近时，挡板越长，其对射流的导流作用也越明显，且射流偏转角与

11、挡板偏转角之间呈现出近似线性增函数关系；当挡板末端在喷嘴出口平面以内时，随着安装位置的增加，挡板对气流的导流作用逐渐减弱，气流撞击燃烧器壁面引起的转向作用逐渐加强，射流偏转角度与挡板偏转角之间的关系由单调增函数关系逐渐转变为单调降函数关系（3）在燃烧器喷嘴出口附近加装弹簧自动偏转挡板是调整四角切圆燃烧锅炉炉内假想切圆与实际切圆的一种有效方法。    参考文献：1 许国庆，黄家洲。一次风微偏转燃烧方式异常工况调整I-J.锅炉技术，1999，30（5）：2225.2 李风瑞，赵玉晓，吕 薇，等。假想切圆直径对六角燃烧器区域速度场影响的PDA 试验研究J.动力工程，2002，22（5）。3 蒋啸，徐璋，李风瑞，等。导流板式煤粉燃烧器解决炉内结渣的数值试验J.燃烧科学与技术，2002，8（1）：63 68.4 张新育，樊建人，岑可法。电站锅炉燃烧器加挡板防止炉内结渣的数值试验研究I-J.热力发电，1 998（6）：1 5 1 7.5 李风瑞，池作和，周 昊，等。导流板式煤粉燃烧器炉内空气动力场的试验研究J.电站系统工程，1 998，14（5）：41 43.6 钱力庚，樊建人，夏 军，等。在不同工况下切圆燃烧锅炉炉内流体流动特性的研究J.动力工程，200