800MW锅炉旋流燃烧器空气动力场试验与数值仿真研究

  800MW锅炉旋流燃烧器空气动力场试验与数值仿线MW锅炉旋流燃烧器空气动力场试验与数值仿线MW锅炉旋流燃烧器空气动力场试验与数值仿线月 中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE Vo1．24No．8Aug．2004 ~2004 Chin．Soc．for Flee．Eng． 文章编号：0258-8013(2004)08—0201—04 中图分类号：TK223 文献标识码：A 学科分类号：470·20 8OOMW 锅炉旋流燃烧器空气动力场 试验与数值仿真研究 许 昌 ，v，吕剑虹 ，曾庆广 2，郑 源s (1．东南大学动力工程系，江苏 南京 ...

  第24卷 第 8期 2004年 8月 中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE Vo1．24No．8Aug．2004 ~2004 Chin．Soc．for Flee．Eng． 文章编号：0258-8013(2004)08—0201—04 中图分类号：TK223 文献标识码：A 学科分类号：470·20 8OOMW 锅炉旋流燃烧器空气动力场 试验与数值仿真研究 许 昌 ，v，吕剑虹 ，曾庆广 2，郑 源s (1．东南大学动力工程系，江苏 南京 210096；2．国家电站燃烧工程技术研究中心，辽宁 沈阳110034； 3．河海大学热能与动力工程系，江苏 南京 210098) RESEARCH oN AERoDYNA ⅡC FIELD EXPER眦 NTS AND NU Ⅱ￡RICAL SD UL棚 oN FoR THE SW IRLING BURNER oF 8l MW BoⅡ ER XU Chang 1,3 ，LU Jian-hong。，ZENG Qing-guang ，ZHENG Yuan (1．PowerEngineeringDepartmentofSoutheastUIliversity,Nanjing21OO96。China；2．NafionflResearchCenterof Combustion Engineering Techniques in Power Plan ts，Shenyang 110034，China；3．Thermal and Power Engineering Department of Hehai University,Nanjing 210098，China) ABSTRACTl The combustion stability of all imported 800MW boiler in Suizhong Power Plant is controlled by its central air quantity and the vane angle of second air． he tests on air dynamical field ofthis burner model are proceeded by a heat thread anemoscope under various conditions，and resulting in ttlat the ratio of central air tO second air is about 5％一6％ ．and the vane angle of second air is about 30o-40O,That ensures that the burning process be safe，economic and steady．How the relation caused by the adjustment of central air and second air affect the flow field is alSO studied ．A numerical sim ulation on the air dynamical field of single burner is proceeded，and resulting in a coincidence with the test results，that provides a standard for design，operation and reconstruction of a high parameter and huge capacity boiler in China． KEY W ORDS： Thermal power engineering；Boiler；Burner； Heat thread anemoscope；Simulation 摘要：绥中电厂引进的 800MW 锅炉机组燃烧稳定性是通 过调整中心风量和二次风叶片角度得到的。文中介绍用热 线风速仪对该燃烧器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 30。一40o。通过试验研究中心风、 二次风调整对流场影响的规律，并对单台燃烧器所形成的 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燃烧器的设计、运 行、改造提供参考。 关键词：热能动力工程；锅炉；燃烧器；热线 引言 燃烧方式选择和燃烧器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燃烧器四角 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，大量采用旋流煤粉燃烧器。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 II．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，并已将旋流煤粉燃烧器应用在该 锅炉上。燃烧器共有 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。单台燃烧器由 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 40。，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 。 该锅炉机组煤粉燃烧器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 了一些燃烧器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 维普资讯 中 国 电 机 工 程 学 报 第 24卷 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，试验燃烧器模型结构见图 1。要求 Re

  1．2xl05，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，所以也要满足 Re

  1．2xl05和各层气流动量比相同的要求【 】。 二次风 烟气 图1 燃烧器模型结构 Fig．1 The structure ofa burner model 考虑到实际燃烧器安装在前墙上，因而在模 型燃烧器的出口处附加了一个 1500mmxlS00mm 的前墙挡板。试验装置如图2所示。 图 2 试验测量系统 Fig．2 Experimentmeasurement system 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做标定。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 1O。、2O。、3Oo、 4O。、5O。时做试验。根据结果得出，当二次风旋流叶 片角度为 1O。～2O。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 5O。时，燃烧器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 3O。～4o。时，中心风占总风量(中心风和二次风之 和，下同)O～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 3O。时，如果中心风很小，回流区 起点位于燃烧器风口内部，显然对保护燃烧器不 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％～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 流区起点离开燃烧器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 3O。时，中心风量控制在 5％～6％时可得到较理想的燃烧空气动力场。二次 风叶片角为 3O。时，中心风量与回流区长度的关系 见图 3，能够准确的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 1％-4％时回流区较长，但 回流区的起点从燃烧器内部开始，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。所以中心风量控制在5％～6％为宜。 中心风td％ 图3中心风量与回流区长度的关系 Fig．3 Relationbetweencenterwindquantityand circnmfluence are8length 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燃烧器二次风出口参 数、回流区的位置和大小、速度的衰减、射流扩 张角的影响。燃烧器出口速度测量时，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，燃烧器出口气流速度分布如图4所示。 从图 4能够准确的看出，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【0】在 1Oo～4Oo 之间随着角度的提高而增加，气体流动全部符合 流体流动原理，在 4O。～5O。叶片角度时，则随着角 维普资讯 第 8期 许 昌等： 800MW 锅炉旋流燃烧器空气动力场试验与数值仿线 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。 慧 二次风时片角度，(。) 图4二次风叶片角度与二次风出口速度关系 Fig．4 Relationbetween secondwindvaneanglean d outletvelocity 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％T况为例(见图5、6)， 能够准确的看出，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。 首 ·匡 幂 与风口距离，衄 图5 最大轴向速度衰减 Fig．5 Attenuation of maximal axis velocity 首 越 匠 0 200 400 600 80O 与风口距离／mm 图6 最大切向速度衰减 Fig．6 Attenuation of maximal swirling velocity 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 10。～20。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 20。～50。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 10。～20。范围内，气流扩张角基本不 变，为 32。；在 20。～30。范围内调整时扩张角可变 化 14。左右；在 30。～40。范围内调整，扩张角就要 增加或减少 30。左右；在 40。～50。范围内调整，扩 张角就要增加或减少 20。左右。所以二次风叶片在 30o～40。范围内调整，扩张角变化最为灵敏。 ／ ／ ◆—————◆—／ 20 40 60 二次风叶片角度 。) 图 7 二次风叶片角度对扩散角的影晌 Fig．7 Relation betw eensecondwindvane aligle and diffusingangle 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 10。、20。时，无论有 无中心风，均无显著的中心回流区存在。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 30。、40~、50。时，都可出现非常明显 的中心回流区。中心风量较dx(1％～2％)时，二次风 叶片角度为 30。、4o。、50o时均有中心回流区，且 随着角度的增大回流区起点越靠近燃烧器的出 口，50。时回流区就缩到燃烧器风口内部，这是不 可取的工况。中心风量较大(7％～8％)时，二次风旋 流叶片角小于30。的工况没有中心回流区，4o。、50。 也不很明显。在中心风量较合适的工况(5％～6％) 下，二次风旋流叶片为 30。、4o。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 4o。时所测量的流场轴向速度图。从燃烧器 出口 0．2m～lm 均有明显的内回流区；燃烧器出口 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。 宙 ·匡 幂 测点 — ◆一0．2m —● 0．5m 一 一 1．0m —·．_一1．5m - -m---2．0m —●—_2 5m —+-3．0m 图 8 流场轴向速度 Fig．8 Axisvelocity oftheflowfield 4 数值仿真及比较 本文采用PHONICS软件，选用k-e湍流模型， 把单台燃烧器所形成的空气动力场简化为轴截面 维普资讯 中 国 电 机 工 程 学 报 第24卷 一 半的二维流场，燃烧器的出口参数从试验中测 试【 叫。物理模型中燃烧器的径向为燃烧器外径的 2倍，轴向长度为 10．5m。计算的网格如图9所示， 从燃烧器的内部开始计算，采用不均匀的网格。 中心风占总风量 5％，二次风叶片角 40。时所计算 出来的流场矢量如图10所示。 图 9 数值计算所用的网格 Fig．9 Gridinnumerical simulation 图 lO 计算出来的流场矢量 Fig．10 Flow fieId velocity of simulation 从图 10能够准确的看出，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 40。时， 在燃烧器出口 lm 的截面上，轴向速度计算值和 测量值的对比如图 11所示，能够准确的看出，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，可完全用计算来代替实测，并 且快速、节约费用。 径 向位置， 图n 轴向速度计算值和测量值的对比 Fig．11 Axis velocity contrast of simulation and illesSillement 5 结论 (1)燃烧器中心风分配为占总风量的5％～6％， 二次风叶片角度设置为 30。～4o。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)一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燃烧器出口。 (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)合理的燃烧器出口流场为径向速度分布， 且有内回流区的 “M”型分布。 (6)数值计算可完全用来代替试验，进行 单只燃烧器所形成流场的分析。 参考文献 [1】胡荫平。贾鸿祥．新型煤粉燃烧器【M】．西安：西安交通大学出版 社．1993．12． [2】岑可法．锅炉燃烧试验研究

  及测量技术[M】．北京：水利电力出 版社，1987． f3】3 朱珍锦，张长鲁．切圆锅炉炉内冷态模化理论研究 【J】．中国电机工 程学报。2001，21(5)：47．21． ZhuZhenjin，ZhangChanglu．Study011 coldmodelingtheoryoffurnace in tangential firing system[J]．1roeeeai~ of the CSEE。2001。21(5)： 47—21． [4】4 张颉，孙锐，吴少华，等．200MW 旋流燃烧方式煤粉炉炉内燃烧试 验和数值研究 【J】．中国电机工程学报。2003。23(8)：215．220． Zhang Jie。SunRui。WuShaohua,eta1．Anexperimentalandnumerical study 011 swirling combustion process in a 20嘶 pulverized coal fired boiler[J]．Proceedings of the CSEE，2003。23(8)：215-220． [5】5 周月桂，章明川I，徐通模，等．四角切向燃烧锅炉烟道烟速偏差的 实验研究与数值模拟 【J】．中国电机工程学报，2001。21(1)：68—72． Zhuo Yuegui，Zlumg Mingehuan，Xu Tongmo，et a1．Experimental and numerical study On the flue gas velocity deviation in a tangentially fired boiler fumaee[J]．Proceedings of the CSEI~，2001。21(1)：68—72． [6】Sanders J P H。mamelS A P G G Modeling and calculation of turbulent lifted diffusion names[J]．Combustion and Flame，1995．96：1025—1031． [7】傅维镰，张永廉，王清安．燃烧学IM]．北京：高等教育出版杜．1987． [8】张泽，吴少华，秦裕琨，等．炉内流场中复杂结构喷嘴射流的近流线 数值模拟 [J】冲 国电机工程学报，2001，2t(8)：108．113． ZhangZe．Wu Shaohua,QinYttlo．m,et ．Closedto sIleamlin~numerical simulation 011 complicated structural nozzle jcts in furnace flow field[J]． Proceedings ofthe CSEI~。2001。21(8)：108—113． [9】任安禄，范毓润，叶涛，等．复杂回旋流场的数值模拟和实验研究 【J】． 空气动力学学报，1994,12(2)：178—184． Ren Anlu，Fan Yurtm, Ye Tao，et a1．Numerical simulation and experiment Stllay in the complex circular flow field[J]．Aeta Aerodynamic Sinie，1994，12(2)：178·184． 收稿日期：2003—12—22。 作者简介： 许 昌(1973．)，男，安徽全椒人，博士研究生，讲师，从事燃烧 系统建模与控制仿线-)，男，江苏常熟人，教授，博士生导师，专门从事 热工自动化方面的研究。 一二 一 ■～ 二 加 5 0 5 一首 艘匣摒 维普资讯

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