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贴壁风对二次风箱流动特性影响数值模拟

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第46卷第4期 2017年4月 热 力 发 电 V_01.46 NO.4 Apr.2017 THERMAL POWER GENER r10N 贴壁风对二次风箱流动特性影响数值模拟 章洪涛 ,关 键2 刘瑞媚 ,胡 卿2,杨卫娟 ,王智化 ,裘立春 (1.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭I’I,I 310027; 2.浙江浙能技术研究院有限公司,浙江杭 w,l 310003) [摘 要]运用数值模拟方法,以某电厂300MW机组前后墙对冲燃烧锅炉二次风箱为研究对象,研 究了贴壁风改造对锅炉二次风箱内流动特性及流量分配特性的影响。结果表明:贴壁风改 造前,两侧燃烧器的流量低于中间燃烧器的流量,改造后,两侧燃烧器的流量高于中间燃 烧器的流量,并且流量分配的均匀性也得以提高,相应的出口截面速度规律相同:各负荷 下的贴壁风率较为恒定。均约为6.57%;常用负荷下增加4%二次风风量后,燃烧器流量与 无贴壁风工况差异在3%之内,仍能保证炉内燃烧稳定性。 [关键词]燃煤锅炉;对冲燃烧:贴壁风:二次风箱;燃烧器:流量分配;流动特性 [中图分类号]TK223[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2017)04。0077—04 [DOI 编号]1 0.3969/j.issn.1 002—3364.20 1 7.04.077 Influence of closing-to-wall air on flow characteristics of a boiler’S secondary- air-box:numerical simulation ZHANG Hongtao ,GUAN Jian2LIU Ruimei ,HU Qing2,YANG Weijuan , ,WANGZhihua ,Q1ULichun (1.State Key Laboratory ofClean Energy Utilization,Zh ̄iang University,nangzh0u 3 10027,China; 2.Zhejiang Energy Group R&D,HangzhOH 310003,China) Abstract:Taking the secondary.air-bOX of a 300 MW unit boiler with rontf and rear wall opposed ifirng as he texample.numerical simulation method was employed to investigate the effects of closing.to.wal1 air on air distribution and flow characteristies inside the secondary—air-box.The results show hatt,the flow rates of the side burners were lower han tthat of he mitddle ones before the transformation.Once he cltosing—to-wall air iet was added,the flow rates of he sitde burners increased and became higher than that of the middle ones,and the uniformity of he aitr distribution mmed better.The flue gas velocity at the burner exit section changed in the same rule.The closing—to—wall air rate was stable at about 6.57%in each case.Under rated load condition.the deviation of he tburner flow rate was within 3%when adding 4%secondary air rate.which could still ensure the furnace stability. Key words:coal—fired boiler,opposed ifing,clrosing—to—wall air,secondary—air-box,burner,air distribution,flow characteristies 为降低N 的排放,目前大型电站锅炉普遍采 影响锅炉机组的正常运行。 目前,在研究者提出的几种解决办法中,加 装贴壁风因其工程量少、可靠等优点受到广泛应 用炉膛分级送风及低氧燃烧等低N 燃烧技术,这 样因主燃区氧量不足会产生大量还原性气体。由于 旋流对冲燃烧锅炉的对冲气流易冲刷侧墙,从而在 用[6_7]。工程实际应用的贴壁风技术主要分为前后墙 布置、侧墙布置以及前后墙与侧墙组合布置[8】3类。 其中,前后墙布置方式由于取风方式简便、贴壁风 侧墙附近形成还原性气氛。据研究表明,当锅炉水 冷壁附近存在强还原性气氛时,就会产生高温腐蚀 现象[ 5]。高温腐蚀易造成水冷壁泄漏或爆管,严重 作用区域广应用最为广泛。 收稿日期:2016.07-20 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2012CB214906) Supported by:National Basic Research Program ofChina(973 Program)(2012CB214906) ;胃一作看简介:章洪涛(1994一),男,博士研究生,主要研究方向为燃烧的大涡模拟及激光诊断技术,jacksonzht@zju.edu.cI1。 热 力 发 电 前后墙布置方式贴壁风的取风方式一般为二 次风箱内部直接取风,这对二次风箱内部的速度场 数无关。 对模型采用商业软件Fluent进行求解,风箱入 口采用速度入口边界条件,燃烧器出口采用压力出 口边界条件。风箱内工质为热空气,温度为634K。 湍流模型采用Realizable s双方程模型,控制方程 的离散形式为二阶迎风差分格式,采用SIMPLE算 法求解压力速度耦合方程,各求解参数残差达到 10q时完成计算。 为研究不同负荷下贴壁风对风箱流量分配特 性的影响,以及常用负荷下最佳的运行工况,本文 对300 MW负荷下不加贴壁风工况(原始工况)、 加入贴壁风工况、加入贴壁风并增加4%风箱进风 及各燃烧器出口的流量分配特性均会产生一定的 影响。目前,对贴壁风技术的研究集中于贴壁风进 入炉膛后对炉膛燃烧特性的影响。陈敏生等[ ]对某 电厂超临界600 Mw机组前后墙对冲燃烧锅炉进行 r数值模拟研究,研究表日』j在前后墙布置3层贴壁 风喷口会破坏侧墙壁面附近的还原性气氛。李德波 等[io・I1】对某电厂600Mw机组旋流对冲锅炉进行了 数值模拟研究,并对单层贴壁风和双层贴壁风方案 做了对比优化分析。因此,本文以某电厂300 Mw 机组前后墙旋流对冲燃烧锅炉中层燃烧器二次风 箱为研究对象,分别研宄了不同负荷下贴壁风改造 对二次风箱内速度场、压力场及流量分配特性的影 响,并提出了常用负荷下贴壁风改造后的最佳运行 T况。 量工况以及200 Mw负荷下有无贴壁风工况分别进 行研究,具体计算工况见表1。 表1风箱计算工况 Table 1 The of calculation conditiOHS 1数值模型 1.1模拟对象 本文研究的中层燃烧器二次风箱结构如图l所 示。风箱内对称安装4只旋流燃烧器,燃烧器二次 风道分为内二次风与外二次风,内二次风风道内径 为0.375 m,外二次风风道内、外径分别为0.593 m 和0.849 m。二次风箱采用左右侧均匀进风。进行贴 壁风技术改造后,在前后墙距墙侧0.862 m处各安 2模拟结果分析 2.1贴壁风对流动特性的影响 ⑧ ⑧ 图2为各工况下燃烧器出口截面的速度场 云图。 谜度/(m・ 装1个贴壁风喷口,喷口尺寸为0.142mx0.380m。 ⑧ ◎ ◎ 速度/(m・s ) c)丁=况3 ◎ ◎ 图l风箱结构示意 Fig.1 Schematic diagram of the secondary-air-box d)一 况4 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 1.2计算方法及工况 模型采用结构化 格进行划分,网格总数约为 100万,经网格无关性检验,此时计算结果与网格 图2各工况下燃烧器出口截面速度场 Fig.2 Velocity field in the burners’outlet cross section http://www.rlfd.corn.cn 第4 j9] 章洪涛等 避风对_ _次 箱流动 lf牛整 塾盟堡 !! 由网2可 :加入贴壁风后,r}1于贴壁风分流 作用,通过燃烧器的气流流鼙卡H对减少,从而使燃 烧器H{口速度减小:对比工况1与 况3,300Mw 负荷卜,二次风风量增加4%,燃烧器1、4的 ¨ 截新速度分布较为‘致,而燃烧器2、3的出口截而 速度较原始I: 略微减少:各负荷下,加入贴壁风 由图4可见,加入贴壁J×l后,由于增加了2个 压力出【_],风箱内部 力有日』] 的变化,工况2较 工况1压力降低约200 Pa,而工况3下,由于增加 了4%二次风 ,风箱内部压力较工况2有所升高, 但仍比原始T况低100 Pa左右。 2.2贴壁风对流量分配特性的影响 图5为不同_l:况卜各燃烧器出口的流量偏差, 其中流量偏差的汁算方法为 只燃烧器的流量与 后,两侧燃烧 的J{II 1截面速度均由未加贴壁风前 的较中间燃烧 I{II】截面速度略低变为略高;但在 各个 下,l 侧燃烧器出口截而速度的均匀性较 中间燃烧器的 ,这足由于中间燃烧器位置气流沿 平均流量之荠与平均流带的比率。由图5可见,在 300 Mw及200 Mw负荷下,未加贴壁风前,燃烧 宽度方向速度较小,而两侧燃烧器位置气流沿宽度 方向速度较人。 器出口流量均呈现2、3号燃烧器流量较大,l、4号 燃烧器流量较小的规律。这是由于二次风箱采用两 端进气的方式,气流经过1、4号燃烧器时,气流沿 宽度方向的动量较大,气流到达风箱中部时,沿宽 圈3为工况1一 况3燃烧器中心高度截面的 速度场。m 3可 ,加入贴壁风后,由于其对风 箱内部 生额外的压力出口,对风箱内部的流场均 度方向的速度趋于0,更易转向炉膛深度方向流动, 因此呈现中问燃烧器出口流量较两侧略大的趋势, 匀性 生一定的影响。这是由于贴壁风中心在燃烧 器中心以_F 0.7l m处,进入二次风箱内的气流将会 产牛沿高度方向的速度,进而影响二次风箱内部流 场分布。 这样易造成侧墙附近氧量较少,从而形成高温腐 蚀。而增加贴壁风后,由于贴肇风靠近侧墙,对二 次风形成分流作用,燃烧器的流量分配规律转变 为:1、4号燃烧器流量较人,2、3号燃烧器流量较 小。在与贴壁风的共同作用下,从而抑制侧墙附近 还原性气氛的牛成,减少其高温腐蚀问题。由图5 目 图3燃烧器中心高度截面速度场 Fig.3 Velocity field in cross section of the burner at center height 还可看出:300 Mw负荷时,未加贴壁风前的流量 偏差范围为.1.37%~1.32%,加入贴壁风后流量偏差 范围为一0.80%~0.72%;200 Mw负荷时,加贴壁风 前的流量偏差范闭为一1.53%~1.45%,加入贴壁风后 流量偏差范围为一1.06%~1.15%。由此可知,贴壁风 改造对燃烧器}{{口流量分配的均匀性有促进作用, 有利于炉内的稳定燃烧。 —卜 丁 沱1 二;无2 图4为1:况1一ll:况3燃烧器中心高度截面的 压力场。 ———▲一r 圮 —|-‘一T况4 a J r—目■,~l,  I——1 一’’r图4燃烧器中心高度截面压力场 Fig.4 Pressure ielfd in cross section of the burner at center height 图5各工况下燃烧器出口流量偏差 Fig.5 The mass flux errors of the burner outlets under each condition http://www.rlfd.corn.cn 80 热力发电 2017年 表2为各工况流量分配特性统计,其中贴壁风 [参考文献] 率为贴壁风风量占二次风风量的比例。由表2可见: 贴壁风改造会分流二次风,使燃烧器流量减少,未 调整二次风率时,燃烧器总流量偏差率为.6.57%左 2.86%,满足了一般电厂改造后燃烧器流量偏差率 小于3%的要求,且不影响炉内煤粉燃烧的稳定性; 而不同工况下贴壁风率变化不大,均为6.57%左右。 按某300 MW机组前后墙旋流对冲燃烧锅炉的二次 风率为5 l%计算,则未调整二次风量前贴壁风占总 风量的比例为3.35%,增加4%二次风风量后 贴壁风占总风量比例为3.58%。丘纪华等[12]对 300 MW机组旋流对冲锅炉的不同贴壁风改造工况 [1]焦,姚斌.电厂锅炉水冷壁高温腐蚀程度判别技 术研究[J].中国电力,2004,37(10):46.49. JIAO Qing ̄ng.YAO Bin.Research on the identiifcation technology of water WalrS high—temperature corrosion 右,增加4%二次风量后,燃烧器总流量偏差降为 [2]许涛,李敏,李春曦.对冲燃烧锅炉水冷壁高温硫腐 蚀分析及防治[J].热力发电,2015,44(8):104—108. XU Tao.LI Min.LI Chunxi.Cause analysis and countermeasures of high—temperature sulfur corrosion of extent in the utility boiler[J].Electric Power,2004,37(10):46.49. water wal¨n an opposed ifirng boiler[J].111ermal Power Generation.2015.44(8):104.1O8. [3]徐远鹏.锅炉水冷壁高温腐蚀原因及对策嗍.中国电 力,2005,38(10):76.79. XU Yuanpeng.The cause and solution for high temperature corrosion on boiler water wall[J1.Eleclric Power,2005.38(101:76—79. [43陈鸿伟,李永华,梁化忠.锅炉高温腐蚀实验研究[J]. 中国电机工程学报,2003,23(1):167.170. CHEN Hongwei.LI Yon ̄hua.LIANG Huazhong. Experimental study on boiler high temperature corrosion 的数值模拟研究表明,当贴壁风占总风量比率约为 4%时,对减轻侧墙高温腐蚀效果较好。因此,在运 行中,应增加4%二次风风量,并增加直接从风道取 风的贴壁风风量,从而使贴壁风占总风量比例达到 4%左右。改造后可在对炉内燃烧稳定性影响较小的 前提下,解决侧墙水冷壁高温腐蚀的问题。 表2各工况流量分配特性 Table 2 The mass flux distributi0n characteristiCS in rJ1.Proceedings ofthe CSEE,2003,23(11:167.170. [5]刘鸿国,蔡晖,唐丽英.超超临界机组水冷壁高温腐 蚀问题的探讨[J].腐蚀与防护,2009,30(8):577.578. LIU Honggno.CAI Hui.TANG Li ̄ng.High temperature corrosion of water cooling wall of extra supercritical units[J].Corrosion&Protection,2009,30f81:577—578. [6]姚露,陈天杰,刘建民,等.组合式贴壁风对660 Mw 锅炉燃烧过程的影响[J].东南大学学报(自然科学版)’ 2015.45f11:85—90. different cases YA0 Lu。CHEN Tianjie。LIU Jianmin.et a1.Influence of closing.to.wall air on combustion process in 660 MW opposed ifirng boiler[J].Journal of Southeast University (Natural Science Edition),2015,45f1):85.90. [7]张知翔,成丁南,王云刚,等.新型贴壁风装置的结构 设计及优化模拟[J].动力工程学报,2011,31(2):79.84. ZHANG zhixiang.CHENG Dingnan.、^ NG Yungang, et a1.Structure design and optimizing simulation ofa new type closing.to—wall air device[J].Journal of Chinese Society ofPower Engineering,2011,31(2):79-84. 3结论 [8]陈天杰,姚露,刘建民,等.某660MW前后墙对冲燃 煤锅炉贴壁风优化方案的数值模拟fJ】.中国电机工程 学报,2015,35(20):5265.5271. CHEN Tianiie.YA0 Lu.LIU Jinmin.et a1.Numeraical simulation on the optimization of closing—to-wall air in a 1)某电厂300 Mw机组前后墙对冲燃烧锅炉 二次风箱增加贴壁风后,燃烧器出口截面速度减 小。常用负荷下,加贴壁风并增加4%二次风风量, 燃烧器出口速度与未加贴壁风工况较为一致,流量 差异小于3%。各工况下均呈现两侧燃烧器出口速 度均匀性较差的规律。 2)实施贴壁风改造后,两侧燃烧器的流量由低 于中间燃烧器的流量转变为高于中间燃烧器的流 660 MW front and rear wall opposed coa1.ifred boiler[J]. Proceeding ofthe CSEE,20l5,35(20):5265.5271. [9]陈敏生,廖晓春.改造燃烧系统降低对冲锅炉侧墙还 原性气氛[J].中国电力,2014,47(1):91 95. CHEN Minsheng.LIAO Xiaochun.Modification on combustion system of opposed fiing rboiler to reduce de— oxidation atmosphere at sidewalls[J].Electric Power, 2014,47(1、:91.95. [103李德波,徐齐胜,李方勇,等.对冲旋流燃烧煤粉锅炉 高温腐蚀现场试验与改造的数值模拟研究[J].广东电 力。2015,28(11):6—12. LI Debo,XU Qisheng,LI Fangyong,et a1.Expeirmental research and numerical simulation of reconstruction on high temperature corrosion for pulverized coal fired supercritical boiler with swirling combustion combustor 量,并且流量分配的均匀性得以提高。 3)各工况下贴壁风率均约为6.57%,较为恒定。 贴壁风改造后,能够通过风门开度调节满足在常用 负荷下运行时贴壁风占总风量4%左右,可有效改 善侧墙水冷壁高温腐蚀问题。 [J].Guangdong Electric Power,2015,28(11):6-12. (下转第98页) http:Hwww.rlfd.corn.cn 98 热力发电 2017正 cascade control system for spraying ammonia in SCR 改进积分型滑模控制【J】.控制与决策,2009,24(10) reactors[J].Thermal Power Generation,2014,43(8):147-150. 1463.1472. 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