切圆锅炉炉膛出口气流残余旋转特性的研究

切圆锅炉炉膛出口气流残余旋转特性的研究

　　切圆锅炉炉膛出口气流残余旋转特性的研究朱珍锦，张长鲁，刘松（上海电力学院动力工程系，上海200090）研究的手段，开展切圆锅炉炉膛出口处气流残余旋转的形成、锅炉设计参数和运行参数对残余旋转的影响、以及残余旋转对烟气速度偏差影响的研究。研究结果对切圆锅炉的设计和运行有重要意义。2参5基金项目：上海市教委青年基金（97QF27）炉底风3-），男，博士，现为上海电力学院动力系副教授，副室主任。模型试验台系统0绪论四角切向布置燃烧器锅炉是把整个炉膛作为一个大型燃烧器，在炉膛中央低压区使煤粉、氧气、火焰和高温烟气充分混合，具有火焰行程长、湍动混合强、燃烧效率高、煤种适应广等特点，因而在大型火力发电主力机组中广泛应甩然而，这种四角切圆燃烧方式以及在其基础上修正和改进的墙式布置燃烧器技术和新型CUF燃烧方式等都会在水平烟道中出现过大的气流速度偏差和热力偏差。

　　引起烟气速度偏差的直接原因是炉膛出口处气流存在的残余旋转虽然，国内外对炉膛出口处气流的残余旋转已有一定研究然而，残余旋转的形成锅炉设计参数和运行参数对炉膛出口气流残余旋转的影响、以及残余旋转对烟道气流速度偏差的影响等问题，尚无规律性认识。因此，本文通过模型试验和数值模拟手段开展炉膛出口气流残余旋转特性研究，以寻求切圆锅炉的设计和运行参数、残余旋转、烟气速度偏差三者之间的变化规律，这对促进机组向高参数大容量发展及安全经济运行有重要工程意义1试验台系统和研究方法所示的试验台是根据某300MW锅炉采用纯几何相似加炉底风模化理论以1 1.39比例缩小而成模型炉膛宽1009mm深846mm从装有筛形网格均流板的冷灰斗底部将炉底风引到炉膛内部，可保证模型和原型炉内气流斯特劳哈So准则数相同，以期再现实炉远场气流的运动燃烧器喷口从下至上分别为AAAABBBCC DE层喷口，燃料风，辅助风AAABBCCDDEEF层喷口和燃尽风OFA层喷口气流的模化风速分别为25.7m/s，23.74m/s，32m/s，32m/s时不仅模型炉膛、燃烧器水平烟道中气流运动进入第二自模区，且原型和模型各次风喷口气流动量比对应相等。在试验时，用细、软、短线制成的风标来定性显示烟道中气流流向，用热电风速计和三孔探针来定量测量烟道气流速度分布；测点布置同见同时，本文应用投影法，采用K-X又方程湍流模型，使用混合差分和交错网格，对原型锅炉划分30< 25<55个网格进行不同锅炉设计参数和运行参数改变下的炉膛出口处气流残余旋转强度的数值模拟2研究内容2.1四角切圆锅炉膛出口气流残余旋转的形成机理从四角燃烧器喷口喷出的射流沿错动的燃烧器喷口轴线进入炉膛后，在上游环流作用下向水冷壁偏转，此偏转射流尾端受下游邻角射流的拦截而弯曲，形成炉内旋转气流随着燃烧器喷口一层层的上移，逐层切向进入炉内各次风的射流加速了炉内气流的旋转过程，并在顶层燃烧器喷口截面处炉内气流旋转动量达到峰值旋转气流最初进入燃烧器以上炉膛空间时尚能保护顶层燃烧器喷口截面处气流的旋转动量。然而，呈发散旋转的气流在向上炉膛运动过程中，由于缺少来自四角燃烧器喷口喷射射流的加速旋转，且受炉膛壁面的推挡拖曳及在运动过程中的湍动耗散作用下，炉内气流的旋转不断衰弱。但炉膛出口处的气流仍具有一定的旋转能力。

　　中，R为炉膛截面当量半径，r为气流旋转半径，u和w分别为气流轴向和切向速度；则炉膛出口处的气流旋转强度W为残余旋转（炉膛出口气流逆时针方向旋转的W为正：反之为负）示出了炉内气流旋转强度沿着炉膛高度变化的数值模拟结果可见，炉底（炉膛高度为0.5m）处气流旋转强度过大是由于底部气流在炉内主气流的带动下炉内气流旋转强度沿着炉膛高度变化2.2锅炉设计参数和运行参数对炉膛出口残余旋转的影响笔者进行了包括燃烧器喷口气流速度、炉膛尺寸、假想切圆直径等设计参数和二次风反切角度、二次风反切层数燃烧器摆动角度、锅炉负荷等运行参数改变下炉膛出口气流残余旋转特性的数值模拟只转不升；燃烧器下端（炉膛高度为6. 17m）气流不同炉膛尺寸下的残余旋转旋转强度又达新高是因为燃烧器下层喷口射流切在其它参数不变，燃烧器喷口速度分别为额的数值模拟结果如此时」一、、Publishing向配风加强了炉内气流旋转，且在上层射流的压制下，下层燃烧器喷口射流上升缓慢而在炉内不停旋转。随着喷口的上炉内气流轴向动量矩的200%300%和1000%等6种不同速度下炉膛出口气流残余旋转流速度分别对应为：（6. /s）可见：整组燃烧器喷口射流速度同时增大和减小对炉膛出口残余旋转的影响不明显此外，5（%和100%喷口速度2个工况下模型试验结果也表明炉膛出口处气流残余旋转基本一致。

　　在其它参数未改变下，炉膛尺寸分别为原型锅炉的、2% 10%20%50%10（%6个工况炉膛出口气流残余旋转的数值模拟结果如X2352mm7011mmX5880mm和14022mmX11760mm可见，随着炉膛尺寸的增加，炉膛出口气流残余旋转增大。因此，切圆锅炉向大容量的发展使炉膛尺寸增加必将导致炉膛出口残余旋转增大；即大机组烟道气热力偏差更为加胤不同燃烧器喷口摆动方式下的残余旋转圆直径，D为炉膛宽深和之半；）分别为0.148 2710.3910.5094个工况炉膛出口气流残余旋转结果，如可见，假想切圆的增加将使残余旋转显著增大因此，减小假想切圆直径亦是弱余旋的一个可靠途径锅炉运行参数对炉膛出口残余旋转的影响燃烧器喷口全部上摆30°、上摆15、水平布置、下摆15°、下摆305个工况下炉膛出口气流残余旋转的数值模拟结果如可见，燃烧器喷口水平放置时炉膛出口残余旋转为最大，原因是喷口水平布置时促使炉内气流切向旋转的水平速度分量最大燃烧器喷口的向上摆动和向下摆动都将使炉膛出口气流残余旋转减弱。

　　不同反切层数上的残余旋转二次风喷口全部反切0 5、1015°、20、256个工况下炉膛出口气流残余旋转变化如如定义反正向理论旋转动量矩比是以炉膛中心为支点的燃烧器喷口反正向气流理论旋转动量矩比值，H=（霉；正，其中逆时针方向为正，则上述试验工况的理论反正向旋转动量矩比对应为0 DEEFOFA层）7层（所有二次风）反切25个工况下炉膛出口气流残余旋转如此时对应的理论反正向旋转动量矩比分别为00.399 646可见，和变化规律基本相同，都有一个随着反切动量矩的增加，残余旋转先降低到最低值后换向旋转又增大的过程。反切方式的改变可使残余旋转变化幅度加大net当然，反切不当也会使残余旋转增加显著锅炉负荷为10（%MCR 20%MCR5个工况炉膛出口气流残余旋转的变化如可见，随着锅炉负荷的降低，炉膛出口处残余旋转总体上将减弱。因此，在高负荷时，大的残余旋转引起高的速度偏差加上高的烟气温度将使烟气热力偏差加剧，这在实际运行时应该加以重视。

　　3残余旋转对烟道气流速度偏差的影响（1）残余旋转引起烟气速度偏差的过程虽然四角切圆锅炉炉内有着强烈的风、粉、烟、火等物质的掺混过程，对于四角均匀投粉、配风正常的运行工况来讲，可认为截止到分隔屏底，炉内气流的温度场和速度场是左、右对称的，不存在气流速度、温度偏置现象然而，随着旋转气流离开垂直炉膛向后部水平烟道运动过程中，残余旋转的存在使气流在左右两侧烟道中形成速度偏差。

　　残余旋转对屏区气流速度偏差影响对残余旋转方向为逆时针的锅炉，旋转气流进入分隔屏后，在左半屏区，由于气流切向速度方向与水平烟道烟气流向相反，在轴向速度的作用下，气流一边向前墙上升运动，一边衰减气流中除小部分经分隔屏与前墙的空隙绕流至右侧，绝大部分在接近炉膛顶部时转变进入水平烟道而在右半屏区，由于切向速度方向顺着水平烟道烟气流向，因而气流进入屏区后，上升很短的高度便快速转入水平烟道，即发生了气流“短路”左半屏区中气流有一个速度衰减、滞止及反向加速过程，已经反向加速的前峰气流会与后续对冲而来的气流产生相对碰撞；而右半屏区内气流则平稳地加速流向炉后显然，左侧屏区内烟气向炉后运动的阻力大于右侧，从而造成左半屏区烟气流量低于右侧屏区烟气流量。0所示的后屏过热器后气残余旋转对水平烟道中气流速度偏差的影响以末级再热器后的气流速度分布为例，1的模型试验结果表明：水平烟道内气流速度分布沿宽度和高度方向都不均匀。下半水平烟道右侧的气流速度大于左侧气流速度；而上半烟道的左侧气流速度接近于甚至略大于右侧气流速度在炉宽方向，同一测孔的两侧气流速度比中间部位的略高，左半烟道和右半烟道各有一个速度峰值，且以右侧峰值为高。在高度方向，右半烟道从下部到上部气流速度有逐步减少的趋势，而左侧水平烟道则有逐步增加的趋势；左右两侧气流速度偏差比沿着烟气的流程方向逐步减少。

　　残余旋转对尾部烟道气流速度偏差的影响炉膛出口的残余旋转引起的“短路”气流沿着烟道底部作快速流动，使得水平烟道气流速度在各受热面后出现偏差进入换向室后，这股仍保持一定逆时针旋转惯性的“短路”气流，在撞击后包覆受热面后，部分气流渐渐进入左半尾部烟道这使低温过热器上部截面左右两侧气流速度偏差程度明显减弱。继续旋进的这股气流将使省煤器上部截面气流速度偏差呈现左高右低的现象；此时的速度偏差系数为负（2）残余旋转强度的改变对烟道气流偏置程度的影响笔者进行了残余旋转强度分别为：0准工况）0.153（反切一层）0. 106（反切四层）0.3376（二次风全部反切）4个工况的模型试验。

　　此时，对应的反正向气流理论旋转动量矩比分别为：0定义：水平烟道中速度不均匀系数X= -左，其中U右，C左为右半烟道和左半烟道截u面上的平均速度，-为整个烟道截面平均速度不同残余旋转下各受热面后速度不均匀系数的变化如2所示。

　　屏过后屏再后末再后末过后低过上省煤器2不同残余旋转下烟道气速度偏差变化可见，炉膛出口处气流残余旋转与水平烟道中气流速度偏差系数的符号一致当残余旋转为正时，水平烟道气流偏置右半侧；当残余旋转为负时，水平烟道气流偏置左半侧丨此外，不管残余旋转为正为负，气流速度偏差程度与残余旋转强度的大小成正比。当残余旋转数值减小时，速度偏差系数降低；反之亦然残余旋转的大小一定，则气流速度偏置程度一定3结论炉膛出口气流残余旋转是四角切向燃烧方式所固有的，它是引起水平烟道气流速度偏差的根源。

　　四角燃烧器喷口气流速度的同时增加和减小对残余旋转的影响不明显；燃烧器喷口水平摆动时的残余旋转为最大；锅炉降负荷运行将残余旋转削弱。

　　假想切圆的改变和部分燃烧器喷口的反切将使残余旋转的变化幅度变大；因此缩小假想切圆和进行部分喷口反切是实现消旋的有效手段。合理的反切理论上可以使炉膛出口处的气流出现“零余旋”，进而使烟道气流形成“零偏置”。

　　不管设计参数和运行参数如何变化，只要残余旋转一定，则烟道中气流速度偏置唯一。随着残余旋转的减小，烟道中气流速度偏置的程度亦减小；残余旋转为负将导致烟道中气流偏置方向相反。