燃煤锅炉不同结构风门理想流量特性研究

2022-04-08西安热工研究院有限公司王小华梅振锋

电力设备管理 2022年6期

西安热工研究院有限公司赵鹏王小华梅振锋陈敏

1 引言

燃煤锅炉在运行中，通过风门实时调节各一次风和二次风通道风量，目前燃煤锅炉运行指标控制不断精细化，燃煤锅炉各风道风量对煤粉燃尽、NOx浓度生成、排烟温度、炉膛结焦、高温腐蚀等锅炉运行经济性、安全性和环保参数均有决定性影响[1-3]，燃煤锅炉风门的流量特性研究具有重要意义。

风门的流量特性是指介质流过风门的相对流量q与风门相对开度k之间的函数关系q=f(k)，在风门前后压差恒定条件下的流量特性称为理想流量特性，它取决于风门的结构，是风门的固有特性。理想流量特性主要有线性流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性、快开流量特性等四种[4-6]，ASHRAE手册给出了线性、等百分比和快开三种流量特性曲线[7]，如图1所示。

图1 调节阀流量特性曲线

目前燃煤锅炉风门从风道形状可以分为圆形风门和方形风门；从作用可以分为调节风门和关断门；从结构上可以分为插板门和挡板门。常见的风门结构主要有单插板门、双插板门、斜双插板门、单挡板门、双挡板对向门、双挡板同向门及多挡板门等，不同风门具有不同的流量—开度特性。本文将通过CFD数值模拟计算不同结构风门的理想流量特性，分析不同风门流量特性差异，并根据常见风门的流量特性，设计一种具有线性流量特性新型风门结构。

2 数值模拟计算方法

2.1 几何模型

本文选取了燃煤锅炉常见风门结构进行了三维建模，包括单插板门、双插板门、斜双插板门、单挡板门、双挡板对向门、双挡板同向门，模型里包含了风道和挡板门，风道横截面尺寸为2m×1.2m，长度为12m，风门位于风道中间位置，如图2所示。

图2 风门几何模型

建立几何模型后，需要对计算区域离散化，本文采用gambit对研究模型进行网格划分。由于模型结构复杂，采用六面体结构网格和四面体非结构网格相结合的方式，进行网格无关性测试后，网格总数约为600万。

2.2 数值模拟计算模型

本文涉及的模型主要为气相湍流流动，采用Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型求解风道内的流场[8-9]。

计算中的工作介质为不可压缩理想空气，采用压力入口、压力出口和无滑移的壁面边界条件，入口压力为8000Pa，出口压力为7800Pa，空气温度为500K。

3 常见风门理想流量特性计算结果

在数值模拟计算中，对单插板门、双插板门、斜双插板门、单挡板门、双挡板对向门、双挡板同向门六种常见风门在0、25%、50%、75%和100%五个开度下进行了计算，计算结果如表1所示，流量特性曲线如图3所示。

图3 常见风门理想流量特性曲线

表1 常见风门理想流量特性计算结果

由常见风门理想流量特性计算结果可以发现，插板门的流量特性接近于线性特性，单插板门线性流量特性最优，相对流量与相对开度偏差在5%以内，在低开度下流量偏低，高开度下流量偏高；双插板门线性流量特性略差于单插板门，相对流量与相对开度偏差在6%以内；斜双插板门相对流量大于相对开度，偏差达到了10.6%，线性较差。三类挡板门的理想流量特性的线性度均很差，单挡板门和双挡板对向门流量特性几乎一致，在风门相对开度为25%和50%时相对流量仅在5%和26%左右，在低开度下相对流量大幅低于相对开度，不利于风量的快速准确调节；双挡板同向门流量特性的线性度优于前两者，但偏差仍达到了11.3%。

插板门的相对流通面积和相对开度为线性关系，而当挡板门开度为α°时，相对通流面积S=1－cosα，与开度呈余玄函数关系，两种类型风门的相对流通面积随相对开度变化曲线如图4所示，与两种类型风门理想流量特性曲线相似，说明造成气体流量与挡板门开度呈非线性的主要原因是由流通面积非线性造成的。同类型风门之间的流量特性差异，是由于结构不同在相同开度下的局部阻力不一致，从而导致通流流量不一样。

图4 插板门和挡板门开度—流通面积曲线

4 线性流量特性挡板门

在燃煤锅炉实际应用中，尽管插板门流量特性的线性较好，但是由于调节行程长、调节灵活性差，一般用作关断门，不作为流量调节风门使用。燃煤锅炉的一次风、二次风调节风门一般采用挡板门。为了提升挡板门线性特性，在线性特性相对较好的双挡板同向门结构基础上，设计了一种新型同向异形双挡板门，如图5所示。新型同向异形双挡板门由固定挡板2和转动挡板3组成，固定挡板2为平板，固定在风道1上；转动挡板3为异形平板，形状、大小与固定挡板2互补，同向转动。转动挡板3转动时，控制转动挡板3和风道1、固定挡板2之间的间隙，实现对风道1内气体流量的调节作用。

图5 新型同向异形双挡板门结构图

固定挡板2的形状、大小、尺寸和固定位置应根据实际工作的风温、风压和风量条件进行确定。在本文研究对象风道结构和边界条件下，通过计算机数值模拟辅助设计，固定挡板2的形状设计为直角三角形，其短直角边长度为0.2m，固定在风道短边上，其长直角边长度为0.8m，与风道长边方向平行，距离为0.1m。

为了分析新型同向异形双挡板门的理想流量特性，对新型同向异形双挡板门进行了数值模拟计算，计算结果如表2所示。在风门开度为0%、25%、50%、75%和100%时相对流量分别为0%、22.5%、47.0%、78.7%和100%，挡板门相对开度与相对流量基本一致，偏差保持在4%以内，风门调节线性良好。

表2 新型同向异形双挡板门理想流量特性计算结果

为了进一步验证新型同向异形双挡板门流量特性，加工制造出了新型同向异形双挡板门样品，并设计了风门流量特性的冷态实验测试台架，如图6～图7所示。实验风道截面尺寸为400mm×280mm，在实验风道入口前为风机和风机出口过渡段，挡板门上游实验测孔距风道入口约11倍风道特征长度，距新型同向异形双挡板门约3倍风道特征长度，确保气流达到充分发展段，保证测量结果准确性。在新型同向异形双挡板门下游约5倍风道特征长度处设置了下游实验测孔，作为上游测孔的平行测孔。

图6 新型同向异形双挡板门样品

图7 风门流量特性的冷态测试实验台架

模化实验介质为大气，风机出口压力设为215Pa不变，新型同向异形双挡板门开度分别调至0%、25%、50%、75%和100%五个开度，采用毕托管和微压计进行风量测量，实验结果如表3所示。在风门开度为0%、25%、50%、75%和100%时相对流量分别为2.2%、26.2%、50.5%、77.9%和100%，偏差在3%以内，新型同向异形双挡板门具有良好的线性流量特性，能够为锅炉风量的准确快速调节创造先决条件。