某400 t/h四角切圆燃煤锅炉空气动力场的数值模拟

谷聪伟，李　智，史俊瑞，伍志朋，陈鹏飞

(沈阳工程学院 a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)



某400 t/h四角切圆燃煤锅炉空气动力场的数值模拟

谷聪伟a，李智，史俊瑞b，伍志朋a，陈鹏飞a

(沈阳工程学院 a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：四角切圆的燃烧方式在大型燃煤火电厂锅炉中普遍使用，利用CFD计算方法对某锅炉四角切圆空气动力场进行数值模拟，重点分析在不同一二次风配比情况下的炉膛空气动力场和温度分布。同时，对总风量相同、一二次风配比不同、改变各燃烧器喷口风速这3种不同工况进行了模拟分析。结果表明：所建模型成功捕捉到了四角切圆空气动力场的整体特性，不同的风率和风速会产生火焰对冲或对炉膛产生贴壁冲刷，切圆直径过小或过大，火焰中心高度也会随之发生变化，合适的一二次风配比使空气动力场混合更加均匀，气流更加稳定。

关键词：四角切圆；空气动力场；数值模拟

炉膛空气动力场主要指炉膛内空气(包括空气所携带的燃料)以及燃烧产物的流动方向和速度值的分布情况，一般分为冷态空气动力场和热态空气动力场。炉膛热态空气动力场的测定是在锅炉运行时进行的，由于所需布置的测点较多，且实验装置需满足耐高温和耐腐蚀等方面的要求，所以实验难度很大；而冷态空气动力场的测定操作简便、安全，在工程应用中较为普遍，但布置的测点有限，所以从整体上了解炉膛内的空气动力场情况也较为困难。

国内外许多学者采用CFD软件对炉膛四角切圆空气动力场进行了大量的研究，选取Realizable 湍流模型，在炉膛结构及燃烧器的布置方面得到了很多经验和成果[1,2]。虽然很多学者对冷态空气动力场进行了大量研究，但是对单一变量进行对比的描述并不详尽。因此，为了详尽描述炉内各层面气流的分布情况，使锅炉安全高效地运行，采用CFD软件对某大型电站400 t/h四角切圆燃煤锅炉的空气动力场进行三维数值模拟，并进行调整和对比试验。

1400 t/h四角切圆燃煤锅炉简介

某锅炉厂400 t/h四角切圆煤粉炉宽9 600 mm、深8 375 mm、高31 800 mm，分为5个区段，依次为冷灰斗段、燃烧器段、上炉膛段、冷灰斗与燃烧器交界面段、燃烧器与上炉膛交接面段。该炉为分级配风直流燃烧器，喷嘴分为7层布置，配风顺序由上到下依次为上二次风、中上二次风、一次风、中下二次风、一次风、一次风和下二次风，间距分别为670 mm、950 mm、670 mm、670 mm、670 mm和750 mm。一次风风口面积1.6848 ㎡，二次风风口面积为3.0464 m2。在一二次风温度保持不变的情况下，设定总风量不变，改变一、二次风风率以及风速，研究燃烧器各层和炉膛中心截面处各空气动力场的分布状态。

2数值模拟

2.1数值模型

锅炉内部是极为复杂的三维湍流流动，一般采用Realizable 湍流模型来模拟气相湍流运动。将炉内流动过程视作稳态、不可压缩的三维流动状态，在模拟中不考虑化学反应[3]，则气相控制方程为

(1)

其中，φ为因变量，Γφ为扩散系数，Sφ为源项，特定意义的φ具有特定量Γφ和Sφ，流场微分方程组通用形式如下表1所示。

表1　流场微分方程组通用形式

2.2网格划分

划分网格是数值计算的前提。网格质量的好坏直接影响到数值解的计算精度，而且这种影响在许多情况下是具有决定性的。由于锅炉本体结构比较复杂，所以采用非一致化网格生成技术划分网格，共生成320 235个网格。为了减少数值伪扩散，要求流体流动方向垂直于网格边界方向，即流体方向与网格边界的法向平行。在燃烧器区域，流体速度等数值变化较大，为了模拟该区域各物理量的剧烈变化，网格适当密集[4]。而在其他区域，网格适当分布稀松，这样可以减少网格数量，节省计算时间。燃烧区域网格划分如图1所示，其中a为某级燃烧器截面网格，b为锅炉炉膛竖直中心截面网格划分。

图1　锅炉网格划分

从图1中的a图可以看出，在燃烧器入口附近，网格较为密集，且来流方向与网格边界相垂直，这样有利于喷口气流的数值分析。从图1中的b图可以看出，网格在燃烧器区域内较为密集，这样有利于详细分析燃烧器附近的流场分布。在折焰角附近，网格划分出现不规则情况，这和炉膛尺寸有关，对整体研究所造成的影响较小。

2.3数值求解方法

燃烧器喷口设定为速度入口，炉膛出口设置为压力出口，对压力速度耦合采用SIMPLE算法处理，对壁面附近粘性层面采用壁面函数法处理[5]。

3结果与分析

在保持风温与实际运行工况一致的情况下，选取一次风和二次风的温度分别为373 K和556 K，模拟了4种不同工况下一、二次风的风速分布，如表1所示。其中，速度等于0的工况，表示该风口关闭。

表2　4种不同工况下一、二次风的风速分布　m·s-1

一、二次风在工况1条件下的温度场如图2所示，其中a图为数值预测的中上二次风喷口截面的温度场情况，b图为中一次风喷口温度场。一次风在工况1条件下的压力场和速度场如图3所示。

图2　一、二次风在工况1下的温度场

图3　一次风在工况1下的压力场和速度场

根据图2可以看出，一次风温度变化较大，形成了明显的四角切圆形式，受到较高温度的二次风气流扰动和混合的影响，切圆中心温度较高，气流与墙壁间距合理，无明显贴墙。二次风温度较高的情况下，温度分布改变较小，但是仍出现了温度场的四角切圆形式，切圆情况较一次风温度场切圆情况不明显。图3中的a图为中一次风压力场，在气流入口处，压力较大，在炉膛中心及背火侧，存在负压区。由于背火侧靠近快速喷射的气流，压力较低，气流在炉膛中心形成了明显且较为理想的切圆形式，在背火侧及切圆中心，气流速度较小，补气效果好；同样，气流会向墙壁附近偏斜，切圆中心压力较低，速度值较低。需要指出的是，预测的切圆直径明显大于设计值，且模型预测到了炉膛中心和背火侧的负压区，这与经典的理论分析是一致的，说明了模型的可靠性[6]。

中上二次风和中一次风的速度分布如图4所示。在同一工况下，二次风和一次风速度分布存在差异，二次风风速较高，气流射程长，气流刚性较好，偏斜程度小，切圆直径较小，但是切圆中心和背风侧风速比一次风风速小。

在上述工况下，得到了较为理想的计算结果。但炉膛内的燃烧情况极其复杂，为适应多种情况，在保持总风量不变的情况下，研究不同风率和配风的空气动力场很有必要。

图4　一、二次风在工况1下的速度分布

图5和图6分别为在工况2、3、4下中上二次风以及中一次风的速度场分布。

图5　工况2、3、4下中上二次风的速度场分布

图5中的a图和c图分别是中上二次风在原工况下改变一次风率之后的效果，二次风射流刚性明显不同，工况4下的刚性较好，气流偏斜程度小，直流射流的射程长，在炉膛气流中贯穿能力强。作为助燃风，具有较强刚性的二次风有利于增强扰动和混合，使得煤粉气流能够快速着火燃烧。工况2的二次风气流速度较工况4小，气流易发散，偏斜程度较为严重，刚性较差。但是在这两种工况下都形成了明显的四角切圆，且在靠近壁面区以及切圆中心处的气压较低，速度较小，这是四角切圆锅炉中的一个固有特征[6]。

图5中的a图和b图表示在相同的配风速率下，改变燃烧器喷口的数量，对其余燃烧器切面空气动力场的影响。图b为关闭上二次风喷口后的中上二次风截面速度分布，射流速度较大，气流刚性较大，强风区较长，形成的切圆更加接近设计切圆，射流偏斜程度小，在贴壁处及炉膛中心形成了较为明显的低速区。

图6　工况2、3、4下中一次风的速度场分布

由图6可以看出，在一定范围内，控制改变一次风率对一次风空气动力场影响比较直接[7]。图a和图c分别表示工况2和工况4在不同配风速率下的速度场。由此可见，气流刚度明显不同，气流偏斜程度及扩散程度也不同，工况4形成了较小的切圆面积，但在背火侧没有明显的负压区，空气动力场的效果不是很理想。图a和图b比较，工况3的气流刚度较大，偏斜程度小，在切圆中心以及背火侧形成了明显的低速区和无风区。这3种工况下的四角切圆效果都比较明显，符合实际运行情况。

炉膛竖直中心截面的速度场分布情况如图7所示。由于配风速率的不同，炉膛中心位置处风速差别较大，折焰角及炉膛出口附近气流速度也有较大区别，燃烧器喷口上方形成低压区的大小也因此受到影响。燃烧器数量的不同，会显著影响燃烧器附近高速气流的区域大小、切圆大小以及炉膛整体气流速度分布。

4结论

1)此模型成功预测到了四角切圆锅炉的空气动力场特性，在炉膛中心及气流背火侧存在低压区，低压区对应流速低，炉内四角切圆特性明显。

2)对于相同的燃烧器喷口而言，随着一、二次风风速的增大，使得气流刚性增强，切圆直径减小，在实际配风中，一、二次风在很大程度上影响燃烧产物，其射流刚性以及配风率对于保证炉膛正常点火燃烧很有必要。

3)由对比结论可知，在一定范围内，适当增大一次风的配风率会使得炉膛整体空气动力场混合更加均匀，气流更加稳定。改变喷口数量对炉膛空气动力场影响较大，在实际应用中尽量避免改变燃烧器数量。

图7　炉膛竖直截面速度场分布情况

4)数值模拟可靠性好，对于炉膛空气动力场试验，可以适当减少布置测点，提高测量仪器的使用效率，减少调试、运行和维护人员的工作量。

参考文献

[1]常胜良，黄军，武文斐.四角切圆锅炉煤粉燃烧的数值模拟研究[J].内蒙古科技大学学报，2012(2)：193-199.

[2]郭强，马万军，孙锐.2000t/h四墙切圆锅炉炉内空气动力场试验研究[J].电站系统工程，2010(5)：4-6.

[3]陶文铨.数值传热学[M].第2版.西安：西安交通大学出版社，2001.

[4]刘霞，高小涛，肖军，等.400t/h煤粉锅炉分级送风低NOx燃烧数值模拟[J].燃烧科学与技术，2006(3)：274-280.

[5]贾艳艳，毕明树，柳智.四角切圆燃烧锅炉改造工况数值模拟[J].锅炉技术，2008，39(5)：43-48.

[6]刘勇，魏风，唐必光.四角切圆锅炉冷态空气动力场流动特性的实验研究[J].武汉大学学报：工学版，2002，35(6)：52-55.

[7]朱伟平.超细粉再燃对锅炉燃烧NOx排放影响的数值研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2007，3(1)：26-28.

(责任编辑张凯校对佟金锴)

Numerical Simulation of Aerodynamic Field of One

400 t/h Four Tangential Coal-fired Boiler

GU Cong-weia,LI Zhi,SHI Jun-ruib,WU Zhi-penga,CHEN Peng-feia

(a.Graduate Department;b.School of Energy and Power Engineering,

Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：The tangentially fired combustion was widely used in large coal fired power plant.This paper presents a three-dimensional numerical simulation on aerodynamic field for a full-size tangentially fired boiler base on the computational fluid dynamics method.Attention was focused on the influence of the ratio between the primary air and second air on the furnace velocity and temperature profiles.Four cases with different primary air and second air proportion within same air quantity were conducted and analyzed,depended on changing burner wind speed.Results showed that our model successfully captured the overall characteristics of the aerodynamic field for the tangentially fired,different wind ratios caused bi-direction flame or washing down furnace,tangential circle diameter smaller or larger and different flame center heights.the reasonable ratio between the primary air and second air made aerodynamic field well-mixed and airflow steadier.This work provides theoretical basis for combustion adjusting.

Key words：tangential fired,aerodynamic field,numerical simulation

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.007

通讯作者：李智(1963-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，硕士生导师，国务院特殊津贴专家，主要从事研究电站热力过程仿真控制技术及电站机组优化运行方面的研究.

作者简介：李格(1990-)，女，河南三门峡人，硕士研究生。

基金项目：国家自然科学基金项目(61371200)

收稿日期：2014-09-03

中图分类号：TK229.6

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)01-0025-06