300MW循环流化床锅炉布风系统数值模拟

马英

摘 要：对东锅自主300MW CFB锅炉采用的两侧进风狭长水冷风室展开静压分布研究，通过采用直径为31mm的节流孔板代替原始风帽，对含有风帽的布风系统进行数值模拟，模拟结果显示，由于突扩效应，在进风口上、下方各形成一个涡旋。影响的风帽列数为单侧5列风帽，占总风帽6.2%。由于回流区在布风板两侧形成了一个局部的低压区域，低压回流区的压力降约为160多帕斯卡。

关键词：循环流化床锅炉；风帽简化；布风系统；数值模拟

0 引言

随着近几年环境的恶化及雾霾天气不断的出现，环境保护问题一再成为发展焦点，对电厂的发展也提出了新要求。从20世纪80年代开始，循环流化床锅炉逐渐发展成为新一代高效环保锅炉。从化学的角度看运行状态下的循环流化床锅炉，其本身就是一个超大型流态化的化学反应器，大量床料在一次风的作用下强烈的扰动混合，为固体反应物提供了较高的气、固滑移速度以及较长的停留时间，进一步强化传热和气-固、固-固之间的反应。循环流化床锅炉具燃烧效率相对较高、脱硫脱硝成本低、燃烧适应性广、负荷调节性能强、可用率高等优点而显示出了强大的生命力。循环流化床锅炉主要由布风装置、密相区、稀相区、炉膛受热面、旋风分离器、返料装置、尾部受热面等组成。其中布风装置、旋风分离器和返料装置是循环流化床锅炉的特有结构。布风板作为循环流化床锅炉核心构件之一，对保障炉料气固反应起着至关重要的作用。布风板阻力的大小关系直接到床层的稳定性、流化均匀性以及系统动力消耗。布风板阻力过大、燃烧系统消耗过多风机电耗，降低机组的经济性。阻力过小又极可能导致布风板密相区流化不均，造成床料泄露，影响密相区的燃烧。

目前，国内学者对东锅自主型300MW循环流化床锅炉采用的两侧进风狭长水冷风室的静压分布存在较大分歧，曾庭华[1]等学者认为中间静压最高，但潘昕[2]等认为中间风压最低。基于此，本文对东锅自主300MW CFB锅炉采用的两侧进风狭长水冷风室展开静压分布研究，通过对风帽进行简化从而缩减布风板网格数量，对含有风帽的布风系统进行数值模拟，结合布风系统内部流场分析一次风室静压分布情况。以期为该炉型水冷风室的静压分布研究提供参考。

1 钟罩型风帽阻力特性及简化分析

1.1 建模及边界条件

风帽头罩于内径为54mm的芯管之上，与芯管外壁之间形成10mm环隙，芯管顶端周向错列均匀分布两排共24个直径为7mm的圆孔，风帽头底部周向均匀分布10个水平斜向下8°的出风口，为实现更加接近现实工况的进风条件，在风帽芯管底部增加边长为0.2m的正方体。采用GAMBIT 软件进行三维建模和网格划分，物理模型如图1所示，底部0.2m×0.2m×0.2m的正方体用以实现真实风帽底部的进风条件。钟罩型风帽内的流动属于强湍流，通过对比模拟结果后采用RNG k-ε湍流模型。入口边界设为均匀来流的速度进口；出口设置为压力出口，压力设置为7000pa；进口工质温度220℃，表压力10kpa，操作压力为一个大气压。

1.2 风帽阻力特性及结构简化

风帽的阻力系数是表示风帽流动阻力特性的参数，按照经典流体力学，沿程阻力损失和局部阻力损失均与速度的平方成正比，风帽阻力系数ξ可以表示如下：

式中，Δp为风室静压与风帽出口静压之差，Pa；ρ为热空气的密度，kg/m3；u为风帽指定截面上（缓变流）的平均流速，m/s；ξ为风帽阻力系数。

图2为钟罩型风帽阻力特性曲线，当风帽芯管流速大于20 m/ s后，风帽内的气流流动就已经进入了自模化，即风帽的阻力系数基本上不随着芯管雷诺数的变化而变化，阻力系数稳定在29.5。

由于风帽结构复杂且数量庞大，模拟采用多孔介质区域不能完全反映风帽对风室布风系统内部流场的影响，需对风帽进行等效简化。循环流化床锅炉改造前正常运行时风帽内介质流动处于自模化，因此仅仅针对自模化后的阻力进行等效简化。对于标准的孔板流量计，由于质量流量和压差关系如下：

注：qm为流过孔板流量计的流量，m3/s；C为无量纲流出系数；为节流件与管道的直径比；ε为可膨胀系数；d为节流装置开孔直径，m；Δp为流体流过节流件时的压差，pa；ρ为流体密度，kg/m3。风帽内为不可压缩流动，可膨胀系数ε=1，标准孔板模型可简化为下式：

标准孔板阻力系数如式（3），β是节流件与管道的直径比，C是流出系数，C为实际流量与理论流量的比值。當孔板的几何形状确定的时候，c由雷诺数唯一确定[3]。当雷诺数大于10000之后，流出系数可以视为定值。即标准孔板综合阻力系数为一个常数，可代替自模化风帽的。依据迭代法求取标准孔板流量计的β值和C值，最终求得节流孔板直径为31mm，按照国标取标准孔板流量计上游的直管段长度为10D=620mm；下游的直管段长度为5D=310mm，这时候上有入口和下流出口的压降满足速度对应的压降要求。依照标准取标准孔板的厚度E=3mm；节流孔的厚度e=1mm；孔的扩散圆锥表面倾斜角为45?。图3为钟罩型风帽节流简化前后阻力特性对比曲线，简化风帽与实际风帽偏差小于3%。

图3是实际风帽和简化风帽不同速度下的压降值和阻力系数对比表格，在布风板上为错列排布。但是由于整个风室是两端进风，所以在模拟的时候想画出全部的风帽抑或是画四分之一的风室结构以及风帽，这样的计算是难以实现的，所以对整个模拟进行了简化，采用在风室前后方向上切一个小薄片的形式并用周期性边界进行简单的处理。

2 带简化风帽的风室模拟及分析

2.1 建模及边界条件

该300MW循环流化床锅炉的布风板上每列布置17个钟罩型风帽，锅炉左右方向上一共有161列，总计风帽个数2737个，风帽在布风板上开孔直径62mm。风帽在布风板上以250mm横向截距、174mm的纵向截距错列排布。由于模拟对象网格数量过多，因此采用周期性边界条件进行模拟简化，该模拟对象包含80个简化风帽，每个简化风帽网格数量约7万，风室模拟模型与简化风帽节局部放大如图4所示。风室内流动属于强湍流，通过对比模拟结果后采用RNG k-ε湍流模型。入口边界设为均匀来流的速度进口；出口设置为压力出口。

2.2 速度矢量图

一次风室整体与局部放大速度矢量图如图5所示，由于进风开口面积仅占风室左右壁面面积的40%，气流由于突扩效应，在进风口上、下方各形成一个涡旋。影响的风帽列数为单侧5列风帽，占总风帽6.2%，由于回流区在布风板两侧形成了一个局部的低压区域，低压回流区的压力降约为160pa。

参考文献

[1]曾庭华，湛志钢，邵景涛，等.300MW循环流化床锅炉调整试运[M].中国电力出版社，2011.

[2]潘昕，孟洛伟，江建忠.东锅自主开发型300MW循环流化床锅炉运行分析及完善[J].电力建设，2010，31（5）：108-110.

[3]李康康，贾玉明，葛素楠.多孔孔板节流装置的应用[J].石油化工自动化，2010，46（4）：60-63.