高宽比结构锅炉炉内空气动力场的试验研究

高宽比结构锅炉炉内空气动力场的试验研究

1缺角运行方式下炉内流场特性随着不同时期和环境的需求变化，锅炉通常需要减少负荷。因此，锅炉具有良好的负荷调节性能，应采用虚角运行，这是可变负荷变化的运行方式。缺角运行时经常会出现燃烧中心倾斜，火焰刷墙，以致出现炉膛结渣，高温腐蚀等故障，给安全运行带来隐患。这样必需对缺角运行方式下炉内流场的变化规律进行深入研究。当前，对于四角切圆燃烧炉内气体流动特性有了非常清楚的认识，对于六角切圆燃烧锅炉也作了比较深入的研究，而对六角切圆布置方式下缺角运行流场特性却研究得甚少。本文结合某电厂410t/h燃油锅炉改烧水煤浆燃料的改造工程，采用六角布置改造方案，对该方案进行了大量的模化试验。在此基础上，为了更详细反映炉膛在缺角运行方式下的流场特性，进行了不同工况下数值模拟计算。通过这些研究，系统地分析了各个角射流对整个中心流场，贴壁速度，前屏前气流速度的各种影响，并对高长宽比六角布置方式下炉内流场形成的规律进行了初步探讨，找到一种变负荷时可以采用的最佳缺角运行方式。2试验内容2.1燃烧模型及布置根据某电厂410t/h燃油锅炉改烧水煤浆的改造方案，本文设计了模化比为1:10的冷模试验台。模化后炉膛断面尺寸为807mm×1199mm，假想切圆直径为75mm,6组燃烧器分布在炉膛四壁：前后墙各两组，两侧墙各一组。在炉膛顶部模拟过热器，以反映前屏前气流的速度偏差；同时，在顶部和侧面设有观测孔，用来摄录烟花试验的全过程。炉膛冷模试验台见图1。燃烧器采用均等配风方式，每个角布置两层水煤浆燃烧器，在每个一次风口上、下分别配有二次风口，还在上面布置了燃尽风。模型燃烧器布置见图2。本试验采用三孔探针和微压计测量冷模炉内速度场的分布，用热球风速仪测量前屏前气流速度偏差，结合数值模拟计算，对不同缺角运行方式下的整个流场给出了对比分析。2.2u3000高温烟气的膨胀试验模化原理采用燃烧器放大后移加炉底风的热态模化法，由于综合考虑了燃烧器射流出口段和燃烧后高温烟气的膨胀，该法较单一的动量模化更接近锅炉燃烧的实际情况。根据相似原理，炉内冷态等温模化试验时应遵守的原则是：模型与实物需几何相似；保持原来气流运动状态进入自模化区；边界条件相似；增加炉底风。模化前、后燃烧器参数汇总见表1。2.3锅炉炉内气流旋转模拟数值计算的模拟对象为六角切圆燃烧锅炉冷态模化试验模型，在燃烧器区域网格较密，以提高模拟精度；数学模型采用发展成熟的k-ε双方程湍流模型，并应用相对较新的Realizablek-ε模型对其进行改进，以更好地反映出切圆燃烧锅炉炉内气流旋转的流动特性；模型网格在炉膛燃烧器附近划分较密，近似为矩形处理，以节省模拟时间；计算采用控制容积法离散微分方程，并使用二阶精度的逆风差分格式，以提高精度；边界条件为速度入口(参见表1)和压力出口的边界条件;在壁面和湍流核心区之间应用壁面函数法。2.4工况试验对比试验和数值模拟的工况完全相同，由于炉膛结构的不对称性，为了增加各种缺角运行方式下的可对比性，进行了3组共7个工况的试验和计算工作。试验工况参见表2。缺角时只停止该角的上中心风、上一次风和上二次风，该角的其它燃烧器风速保持不变。由于二次风风量最大，对缺角时流场影响也最大，为了增加可比性，选取最有代表性的上二次风横截面流场图进行分析。3结果分析3.1射流向壁面偏转的影响从数值模拟(见图3)和烟花示踪试验(见图4)可以看出：在不缺角运行时，炉内流场为一个略呈椭圆形结构，且位于炉膛的正中心，基本充满整个矩形区域。由于高长宽比及六角布置方式的结构特点，前后墙与两侧墙相比，位于前后墙上的射流向壁面偏转较严重，壁面气流速度较高，这是前后墙更容易结渣的首要因素。更进一步研究发现，在前后墙上的不同区域流场情况也十分复杂，存在一个不对称的结渣区域(见图3，位于后墙上的区域A和B)。与1号角对2号角的影响相比，由于6号角与1号角的距离相对较近，夹角较小，所以6号角对1号角的影响比1号角对2号角的影响大，使得1号角射流更容易偏向壁面，因此区域A的贴壁速度明显大于区域B的贴壁速度。从以上分析可知：对于高长宽比结构，采用六角布置方式可以形成一个非常合理的中心流场；但贴壁速度存在一个明显的不对称性，前后墙的贴壁速度高于两侧墙的贴壁速度；在前后墙上，区域A的贴壁速度高于区域B，因此，前后墙区域A可能是结渣最严重的区域，现场运行时需要密切注意。3.2可以冲击中心流场缺1号角时数值模拟流场图见图5。此时，虽然炉内流场中心切圆仍呈现椭圆形结构，但已发生明显变形。由于不存在1号角射流偏向后墙(1、2号长边)的冲击作用，而2号角射流又与后墙的夹角较大，基本远离了后墙壁面，整个后墙区域附近的流场变弱，在实际运行中对该区域的结渣具有明显的改善作用。可见后墙方向上结渣的形成主要是该边上1号角射流偏转的结果。缺2号角时数值模拟流场图见图6。此时，炉内中心流场未发生明显变形，切圆略呈椭圆形。与不缺角时相比，中心流场向后墙(1、2号长边)区域倾斜，1号角射流向后墙壁面方向偏转更加严重，加重了在后墙上结渣的可能性；同样，由于中心流场远离前墙(4、5号长边)区域，在前墙上结渣的情况反而能得到改善。缺2号角时流场中心向后墙壁面方向倾斜反过来证明了：2号角可以保证流场位于炉膛正中心。这是因为后墙上2号角射流距1号角射流较远，且与后墙夹角较大，2号角射流受1号角射流的影响较小，使得2号角射流可以直接冲击中心流场，保证流场位于正中心。缺3号角时数值模拟流场图见图7。缺3号角时，与不缺角相比，炉内中心切圆仍略呈椭圆形结构，炉内充满度有所降低；由于2号角和5号角结构的对称性，切圆距前后墙的距离基本保持不变，不会向前后墙倾斜；但在缺少3号角射流的作用下，中心流场略向左侧墙(3号短边)方向倾斜，由于左侧墙距中心切圆距离远，即使发生倾斜，对中心流场和结渣的影响不大，对前屏前气流速度的影响却很大(见以下分析)。同时，由于没有了3号角射流对4号角射流的冲击作用，4号角射流向炉膛中央偏转，使得炉内充满度降低，但对前墙(4、5号长边)的结渣情况可以稍稍改善。由此可见，3号角射流保证炉膛充满度较大，且前屏前气流速度偏差较小。不同的缺单角运行方式对中心流场的影响各不相同，这种影响也间接反映到前屏前气流速度分布(见图8)和前屏前气流速度不均匀系数(见表3)的变化上。通过试验测量了炉膛上部区域中心截面处前屏前气流的速度分布，与数值模拟结果进行对比，并引用气流速度不均匀系数的概念进行分析。气流速度不均匀系数∆ε定义为：其中，ωmax、ωmin、分别表示测量截面上气流最大、最小和平均速度。缺单角时，从前屏前气流速度分布图(见图8)和前屏前气流速度不均匀系数表(见表3)可以看出：侧墙缺单角(缺3号角)时，前屏前气流速度偏差最大，存在左、中、右3个较大的速度峰值，前屏前气流速度不均匀系数达到1.27；而前后墙缺单角(缺1号角，缺2号角)时，仅在左、右侧各存在一个较大的速度峰值，前屏前气流速度不均匀系数只有1.01左右。缺3号角时，没有了侧墙3号角射流对中心流场横向冲击作用，在流场左侧存在一个不受横向力作用的自由空间，中心流场向左侧墙方向倾斜，经过上升气流的旋转运动，该区域气流速度明显增大，出现一个速度峰值，因此前屏前气流的速度偏差增大，速度不均匀系数相应增大。前后墙缺单角时，这种影响经过炉膛中部上升阶段的旋转运动后，反映在前屏前气流速度分布上相差不大，且都低于两侧墙缺单角时的情况。通过对缺单角时的各个工况流场的比较，利用反证法的思路(即：不是研究单个角射流存在时的流场特性，反而研究在缺少该角，保留其他角射流时的流场特性以研究该角对流场的影响)进行分析，可以看出：由于高长宽比结构、六角布置方式的不对称性，每个角射流对整个流场的作用各不相同，相邻角之间的制约效果也各不相同，进而对整个流场的影响随着缺角运行方式的变化而变化。每个角射流的作用可概括为：后墙1号角射流受到侧墙6号角射流冲击使得1号角射流向后墙偏转，后墙区域贴壁速度增加；后墙2号角射流的作用主要体现在对中心流场的冲击作用上，使中心流场不向前后墙方向倾斜；侧墙3号角射流同样可以保证流场不向两侧墙方向倾斜，同时促进4号角射流向前墙偏转，增大炉内充满度，而且，如果缺少3号角射流，前屏前气流速度不均匀系数会明显增大。3.3缺双角的影响缺1、4号角时数值模拟流场图见图9。缺1、4号角时，炉内中心流场呈现倾斜的椭圆形结构。分别在2、5号角射流的冲击作用下，该区域的流场向1、4号角方向倾斜，呈现倾斜的椭圆形流场结构。同时，缺少1、4号角射流对前后墙区域的影响，使得前后墙以至整个流场区域的贴壁速度较低，可以有效的防止结渣。缺2、5号角时和缺1、4号时类似，数值模拟流场图见图10。整个椭圆形流场出现向2、5号角方向的倾斜。从缺单角运行流场的分析可以看出：1号角射流会导致后墙区域贴壁速度增大；2号角射流冲击中心流场，可以保证流场位于正中央。在缺少了2号角射流的作用下，3号角射流偏转减小，对中心切圆的夹角减小，冲击作用更强，使切圆倾斜更大，椭圆长轴拉长，6号角亦然。此时，流场出现严重的变形而拉长，前后墙区域附近流场变强，贴壁速度相应增加，流场恶化，容易结渣。缺3、6号角时数值模拟流场图见图11。缺3、6号角时，没有3、6号角射流分别对4、1号射流的冲击作用，前后墙区域贴壁速度减小，可以有效的防止结渣，且和不缺角时一样，中心流场呈圆形结构并位于炉膛正中心。但是流场充满度明显下降，此时整个炉膛可简化为四角布置的正方形炉膛，空间利用率差；同时，由于在两侧墙附近出现比较大的回闲空间，在上升气流的旋转作用下，对前屏前气流速度影响比较明显，出现比较大的速度偏差。缺双角时，从前屏前气流速度分布图(见图12)和前屏前气流速度不均匀系数表(见表3)可以看出：两侧墙缺双角(缺3、6号角)时，前屏前气流速度偏差最大，左右侧各存在一个速度峰值，前屏前气流速度不均匀系数达到1.11；而前后墙缺双角(缺1、4号角或缺2、5号角)时，速度分布比较均匀，前屏前气流速度不均匀系数只有0.85左右。通过不缺角时数值模拟流场图(图3)与烟花示踪图(图4，图9)，前屏前气流速度分布图中各工况下模化试验与数值模拟(图8与图12)的比较可知：试验结果与数值模拟吻合较好，证明了数值模拟可以成功地反映出炉内气流流动的基本特征，可以作为辅助试验研究的一种强有力的工具。由于炉膛横断面尺寸长宽比为1.5:1，在没有两侧墙射流对中心流场横向冲击作用下，左右两侧各存在一个不受横向力作用的很大的自由空间，经过上升气流的旋转运动，该区域气流速度增大，在前屏出现明显的速度偏差。而前后墙缺双角时对前屏前气流速度偏差的影响基本一致，都低于两侧墙缺双角的情况。从前屏前气流速度不均匀系数也可以看出：与缺单角相比，缺双角时的前屏前气流速度不均匀系数都比相应的缺单角时的情况要小。这是由于缺双角时，采用对称缺双角方式，流场存在某种程度的对称性，前屏前气流速度分布比较均匀，速度偏差要小，说明对称缺双角能有效减少气流的不对称性以及由此造成的速度偏差，对称缺双角是降负荷运行时的首选方式。通过不同的缺双角运行方式对比研究发现：缺3、6号角时炉内中心流场较理想，但充满度较低，前屏前气流速度偏差明显较大；缺2、5号角时炉内中心流场存在很大的变形，且前后墙区域贴壁速度较大；缺1、4号角时炉内中心流场变形不大，前屏前气流速度偏差不大，且能明显改善前后墙区域的贴壁速度。因此缺1、4号角运行方式是这种高长宽比六角布置方式下降负荷运行的最佳选择。4防结渣结构及流场分析本文通过对高长宽比六角切向锅炉缺角运行特性的试验与数值模拟研究，得到如下结论：(1）对于高长宽比锅炉，采用六角切圆布置方式可以达到流场均匀，充满度较大的运行效果。(2）与两侧墙相比，前后墙是容易结渣的首选区域，且靠近1号角和4号角的部分区域(如图3中的区域A所示)更是预防结渣的重点区域。(3）由于结构的不对称性，各角燃烧器射流对整个流场