切圓鍋爐爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)特性的研究

　　切圓鍋爐爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)特性的研究朱珍錦，張長(zhǎng)魯，劉松（上海電力學(xué)院動(dòng)力工程系，上海200090）研究的手段，開展切圓鍋爐爐膛出口處氣流殘余旋轉(zhuǎn)的形成、鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)殘余旋轉(zhuǎn)的影響、以及殘余旋轉(zhuǎn)對(duì)煙氣速度偏差影響的研究。研究結(jié)果對(duì)切圓鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有重要意義。2參5基金項(xiàng)目：上海市教委青年基金（97QF27）爐底風(fēng)3-），男，博士，現(xiàn)為上海電力學(xué)院動(dòng)力系副教授，副室主任。模型試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)0緒論四角切向布置燃燒器鍋爐是把整個(gè)爐膛作為一個(gè)大型燃燒器，在爐膛中央低壓區(qū)使煤粉、氧氣、火焰和高溫?zé)煔獬浞只旌希�具有火焰行程長(zhǎng)、湍動(dòng)混合強(qiáng)、燃燒效率高、煤種適應(yīng)廣等特點(diǎn)，因而在大型火力發(fā)電主力機(jī)組中廣泛應(yīng)甩然而，這種四角切圓燃燒方式以及在其基礎(chǔ)上修正和改進(jìn)的墻式布置燃燒器技術(shù)和新型CUF燃燒方式等都會(huì)在水平煙道中出現(xiàn)過(guò)大的氣流速度偏差和熱力偏差。

　　引起煙氣速度偏差的直接原因是爐膛出口處氣流存在的殘余旋轉(zhuǎn)雖然，國(guó)內(nèi)外對(duì)爐膛出口處氣流的殘余旋轉(zhuǎn)已有一定研究然而，殘余旋轉(zhuǎn)的形成鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)的影響、以及殘余旋轉(zhuǎn)對(duì)煙道氣流速度偏差的影響等問(wèn)題，尚無(wú)規(guī)律性認(rèn)識(shí)。因此，本文通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段開展?fàn)t膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)特性研究，以尋求切圓鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)、殘余旋轉(zhuǎn)、煙氣速度偏差三者之間的變化規(guī)律，這對(duì)促進(jìn)機(jī)組向高參數(shù)大容量發(fā)展及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要工程意義1試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)和研究方法所示的試驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)某300MW鍋爐采用純幾何相似加爐底風(fēng)�；�理論��1 1.39比例縮小而成模型爐膛寬1009mm深846mm從裝有篩形網(wǎng)格均流板的冷灰斗底部將爐底風(fēng)引到爐膛內(nèi)部，可保證模型和原型爐內(nèi)氣流斯特勞哈So準(zhǔn)則數(shù)相同，以期再現(xiàn)實(shí)爐遠(yuǎn)場(chǎng)氣流的運(yùn)動(dòng)燃燒器噴口從下至上分別為AAAABBBCC DE層噴口，燃料風(fēng)，輔助風(fēng)AAABBCCDDEEF層噴口和燃盡風(fēng)OFA層噴口氣流的�；�風(fēng)速分別為25.7m/s，23.74m/s，32m/s，32m/s時(shí)不僅模型爐膛、燃燒器水平煙道中氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入第二自模區(qū)，且原型和模型各次風(fēng)噴口氣流動(dòng)量比對(duì)應(yīng)相等。在試驗(yàn)時(shí)，用細(xì)、軟、短線制成的風(fēng)標(biāo)來(lái)定性顯示煙道中氣流流向，用熱電風(fēng)速計(jì)和三孔探針來(lái)定量測(cè)量煙道氣流速度分布；測(cè)點(diǎn)布置同見同時(shí)，本文應(yīng)用投影法，采用K-X又方程湍流模型，使用混合差分和交錯(cuò)網(wǎng)格，對(duì)原型鍋爐劃分30< 25<55個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行不同鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)改變下的爐膛出口處氣流殘余旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的數(shù)值模擬2研究?jī)?nèi)容2.1四角切圓鍋爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)的形成機(jī)理從四角燃燒器噴口噴出的射流沿錯(cuò)動(dòng)的燃燒器噴口軸線進(jìn)入爐膛后，在上游環(huán)流作用下向水冷壁偏轉(zhuǎn)，此偏轉(zhuǎn)射流尾端受下游鄰角射流的攔截而彎曲，形成爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流隨著燃燒器噴口一層層的上移，逐層切向進(jìn)入爐內(nèi)各次風(fēng)的射流加速了爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)過(guò)程，并在頂層燃燒器噴口截面處爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)量達(dá)到峰值旋轉(zhuǎn)氣流最初進(jìn)入燃燒器以上爐膛空間時(shí)尚能保護(hù)頂層燃燒器噴口截面處氣流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量。然而，呈發(fā)散旋轉(zhuǎn)的氣流在向上爐膛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于缺少來(lái)自四角燃燒器噴口噴射射流的加速旋轉(zhuǎn)，且受爐膛壁面的推擋拖曳及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的湍動(dòng)耗散作用下，爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)不斷衰弱。但爐膛出口處的氣流仍具有一定的旋轉(zhuǎn)能力。

　　中，R為爐膛截面當(dāng)量半徑，r為氣流旋轉(zhuǎn)半徑，u和w分別為氣流軸向和切向速度；則爐膛出口處的氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度W為殘余旋轉(zhuǎn)（爐膛出口氣流逆時(shí)針?lè)较蛐�轉(zhuǎn)的W為正：反之為負(fù)）示出了爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度沿著爐膛高度變化的數(shù)值模擬結(jié)果可見，爐底（爐膛高度為0.5m）處氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度過(guò)大是由于底部氣流在爐內(nèi)主氣流的帶動(dòng)下爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度沿著爐膛高度變化2.2鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)的影響筆者進(jìn)行了包括燃燒器噴口氣流速度、爐膛尺寸、假想切圓直徑等設(shè)計(jì)參數(shù)和二次風(fēng)反切角度、二次風(fēng)反切層數(shù)燃燒器擺動(dòng)角度、鍋爐負(fù)荷等運(yùn)行參數(shù)改變下爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)特性的數(shù)值模擬只轉(zhuǎn)不升；燃燒器下端（爐膛高度為6. 17m）氣流不同爐膛尺寸下的殘余旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度又達(dá)新高是因?yàn)槿紵�器下層噴口射流切在其它參�?shù)不變，燃燒器噴口速度分別為額的數(shù)值模擬結(jié)果如此時(shí)」一、、Publishing向配風(fēng)加強(qiáng)了爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)，且在上層射流的壓制下，下層燃燒器噴口射流上升緩慢而在爐內(nèi)不停旋轉(zhuǎn)。隨著噴口的上爐內(nèi)氣流軸向動(dòng)量矩的200%300%和1000%等6種不同速度下爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)流速度分別對(duì)應(yīng)為：（6. /s）可見：整組燃燒器噴口射流速度同時(shí)增大和減小對(duì)爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)的影響不明顯此外，5（%和100%噴口速度2個(gè)工況下模型試驗(yàn)結(jié)果也表明爐膛出口處氣流殘余旋轉(zhuǎn)基本一致。

　　在其它參數(shù)未改變下，爐膛尺寸分別為原型鍋爐的、2% 10%20%50%10（%6個(gè)工況爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果如X2352mm7011mmX5880mm和14022mmX11760mm可見，隨著爐膛尺寸的增加，爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)增大。因此，切圓鍋爐向大容量的發(fā)展使?fàn)t膛尺寸增加必將導(dǎo)致爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)增大；即大機(jī)組煙道氣熱力偏差更為加胤不同燃燒器噴口擺動(dòng)方式下的殘余旋轉(zhuǎn)圓直徑，D為爐膛寬深和之半；）分別為0.148 2710.3910.5094個(gè)工況爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)結(jié)果，如可見，假想切圓的增加將使殘余旋轉(zhuǎn)顯著增大因此，減小假想切圓直徑亦是弱余旋的一個(gè)可靠途徑鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)的影響燃燒器噴口全部上擺30°、上擺15、水平布置、下擺15°、下擺305個(gè)工況下爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果如可見，燃燒器噴口水平放置時(shí)爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)為最大，原因是噴口水平布置時(shí)促使?fàn)t內(nèi)氣流切向旋轉(zhuǎn)的水平速度分量最大燃燒器噴口的向上擺動(dòng)和向下擺動(dòng)都將使?fàn)t膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)減弱。

　　不同反切層數(shù)上的殘余旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)噴口全部反切0 5、1015°、20、256個(gè)工況下爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)變化如如定義反正向理論旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩比是以爐膛中心為支點(diǎn)的燃燒器噴口反正向氣流理論旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩比值，H=（霉；正，其中逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎�，則上述試驗(yàn)工況的理論反正向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩比對(duì)應(yīng)為0 DEEFOFA層）7層（所有二次風(fēng)）反切25個(gè)工況下爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)如此時(shí)對(duì)應(yīng)的理論反正向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩比分別為00.399 646可見，和變化規(guī)律基本相同，都有一個(gè)隨著反切動(dòng)量矩的增加，殘余旋轉(zhuǎn)先降低到最低值后換向旋轉(zhuǎn)又增大的過(guò)程。反切方式的改變可使殘余旋轉(zhuǎn)變化幅度加大net當(dāng)然，反切不當(dāng)也會(huì)使殘余旋轉(zhuǎn)增加顯著鍋爐負(fù)荷為10（%MCR 20%MCR5個(gè)工況爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)的變化如可見，隨著鍋爐負(fù)荷的降低，爐膛出口處殘余旋轉(zhuǎn)總體上將減弱。因此，在高負(fù)荷時(shí)，大的殘余旋轉(zhuǎn)引起高的速度偏差加上高的煙氣溫度將使煙氣熱力偏差加劇，這在實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)該加以重視。

　　3殘余旋轉(zhuǎn)對(duì)煙道氣流速度偏差的影響（1）殘余旋轉(zhuǎn)引起煙氣速度偏差的過(guò)程雖然四角切圓鍋爐爐內(nèi)有著強(qiáng)烈的風(fēng)、粉、煙、火等物質(zhì)的摻混過(guò)程，對(duì)于四角均勻投粉、配風(fēng)正常的運(yùn)行工況來(lái)講，可認(rèn)為截止到分隔屏底，爐內(nèi)氣流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)是左、右對(duì)稱的，不存在氣流速度、溫度偏置現(xiàn)象然而，隨著旋轉(zhuǎn)氣流離開垂直爐膛向后部水平煙道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，殘余旋轉(zhuǎn)的存在使氣流在左右兩側(cè)煙道中形成速度偏差。

　　殘余旋轉(zhuǎn)對(duì)屏區(qū)氣流速度偏差影響對(duì)殘余旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針的鍋爐，旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入分隔屏后，在左半屏區(qū)，由于氣流切向速度方向與水平煙道煙氣流向相反，在軸向速度的作用下，氣流一邊向前墻上升運(yùn)動(dòng)，一邊衰減氣流中除小部分經(jīng)分隔屏與前墻的空隙繞流至右側(cè)，絕大部分在接近爐膛頂部時(shí)轉(zhuǎn)變進(jìn)入水平煙道而在右半屏區(qū)，由于切向速度方向順著水平煙道煙氣流向，因而氣流進(jìn)入屏區(qū)后，上升很短的高度便快速轉(zhuǎn)入水平煙道，即發(fā)生了氣流“短路”左半屏區(qū)中氣流有一個(gè)速度衰減、滯止及反向加速過(guò)程，已經(jīng)反向加速的前峰氣流會(huì)與后續(xù)對(duì)沖而來(lái)的氣流產(chǎn)生相對(duì)碰撞；而右半屏區(qū)內(nèi)氣流則平穩(wěn)地加速流向爐后顯然，左側(cè)屏區(qū)內(nèi)煙氣向爐后運(yùn)動(dòng)的阻力大于右側(cè)，從而造成左半屏區(qū)煙氣流量低于右側(cè)屏區(qū)煙氣流量。0所示的后屏過(guò)熱器后氣殘余旋轉(zhuǎn)對(duì)水平煙道中氣流速度偏差的影響以末級(jí)再熱器后的氣流速度分布為例，1的模型試驗(yàn)結(jié)果表明：水平煙道內(nèi)氣流速度分布沿寬度和高度方向都不均勻。下半水平煙道右側(cè)的氣流速度大于左側(cè)氣流速度；而上半煙道的左側(cè)氣流速度接近于甚至略大于右側(cè)氣流速度在爐寬方向，同一測(cè)孔的兩側(cè)氣流速度比中間部位的略高，左半煙道和右半煙道各有一個(gè)速度峰值，且以右側(cè)峰值為高。在高度方向，右半煙道從下部到上部氣流速度有逐步減少的趨勢(shì)，而左側(cè)水平煙道則有逐步增加的趨勢(shì)；左右兩側(cè)氣流速度偏差比沿著煙氣的流程方向逐步減少。

　　殘余旋轉(zhuǎn)對(duì)尾部煙道氣流速度偏差的影響爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)引起的“短路”氣流沿著煙道底部作快速流動(dòng)，使得水平煙道氣流速度在各受熱面后出現(xiàn)偏差進(jìn)入換向室后，這股仍保持一定逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)慣性的“短路”氣流，在撞擊后包覆受熱面后，部分氣流漸漸進(jìn)入左半尾部煙道這使低溫過(guò)熱器上部截面左右兩側(cè)氣流速度偏差程度明顯減弱。繼續(xù)旋進(jìn)的這股氣流將使省煤器上部截面氣流速度偏差呈現(xiàn)左高右低的現(xiàn)象；此時(shí)的速度偏差系數(shù)為負(fù)（2）殘余旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的改變對(duì)煙道氣流偏置程度的影響筆者進(jìn)行了殘余旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度分別為：0準(zhǔn)工況）0.153（反切一層）0. 106（反切四層）0.3376（二次風(fēng)全部反切）4個(gè)工況的模型試驗(yàn)。

　　此時(shí)，對(duì)應(yīng)的反正向氣流理論旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩比分別為：0定義：水平煙道中速度不均勻系數(shù)X= -左，其中U右，C左為右半煙道和左半煙道截u面上的平均速度，-為整個(gè)煙道截面平均速度不同殘余旋轉(zhuǎn)下各受熱面后速度不均勻系數(shù)的變化如2所示。

　　屏過(guò)后屏再后末再后末過(guò)后低過(guò)上省煤器2不同殘余旋轉(zhuǎn)下煙道氣速度偏差變化可見，爐膛出口處氣流殘余旋轉(zhuǎn)與水平煙道中氣流速度偏差系數(shù)的符號(hào)一致當(dāng)殘余旋轉(zhuǎn)為正時(shí)，水平煙道氣流偏置右半側(cè)；當(dāng)殘余旋轉(zhuǎn)為負(fù)時(shí)，水平煙道氣流偏置左半側(cè)丨此外，不管殘余旋轉(zhuǎn)為正為負(fù)，氣流速度偏差程度與殘余旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的大小成正比。當(dāng)殘余旋轉(zhuǎn)數(shù)值減小時(shí)，速度偏差系數(shù)降低；反之亦然殘余旋轉(zhuǎn)的大小一定，則氣流速度偏置程度一定3結(jié)論爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)是四角切向燃燒方式所固有的，它是引起水平煙道氣流速度偏差的根源。

　　四角燃燒器噴口氣流速度的同時(shí)增加和減小對(duì)殘余旋轉(zhuǎn)的影響不明顯；燃燒器噴口水平擺動(dòng)時(shí)的殘余旋轉(zhuǎn)為最大；鍋爐降負(fù)荷運(yùn)行將殘余旋轉(zhuǎn)削弱。

　　假想切圓的改變和部分燃燒器噴口的反切將使殘余旋轉(zhuǎn)的變化幅度變大；因此縮小假想切圓和進(jìn)行部分噴口反切是實(shí)現(xiàn)消旋的有效手段。合理的反切理論上可以使?fàn)t膛出口處的氣流出現(xiàn)“零余旋”，進(jìn)而使煙道氣流形成“零偏置”。

　　不管設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)如何變化，只要?dú)堄嘈�轉(zhuǎn)一定，則煙道中氣流速度偏置唯一。隨著殘余旋轉(zhuǎn)的減小，煙道中氣流速度偏置的程度亦減��；殘余旋轉(zhuǎn)為負(fù)將導(dǎo)致煙道中氣流偏置方向相反。