四墙切圆炉内冷态空气动力场数值试验研究

王 斌

（国电丰城发电有限公司，江西丰城 331100）

0 引言

锅炉冷、热态性能试验是火力发电厂的重要试验之一，但其工作量较大、工况调整困难和测量方法复杂等。并且要获得炉内各物理量的细节信息方面有很大难度，而计算流体力学CFD软件为锅炉研究提供了一个虚拟平台。本文将针对该炉进行炉内冷态空气动力场的数值模拟，得到在该锅炉结构和燃烧器布置方式下炉内空气动力特性和结焦原因。

1 锅炉本体结构介绍

本文所模拟的对象是某电厂2号锅炉系哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发研制的HG-1964/25.4-YM17型墙式切圆燃烧超临界锅炉。该锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉、单炉膛、平衡通风、固态排焦、全钢架、全悬吊结构、露天布置的π型锅炉。采用中速磨直吹制粉系统，每炉配6台HP1003碗式中速磨煤机，燃用设计煤种时5台运行，1台备用。其结构示意图见图1。

2 冷态空气动力场的数值模拟

2.1 数值方法

图1 炉膛的结构尺寸和燃烧器切圆示意图（单位：mm）

由于四墙切圆锅炉炉膛结构复杂，为了使数值计算可行、准确，需对实际炉膛结构进行合理简化处理。本文采用了非均匀六面体网格，由于该锅炉所划分的网格线与流动方向垂直，因此无需考虑模拟中产生的伪扩散现象，共生成网格数1553536个。在通用方程的离散操作中,对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式。对。对壁面附近粘性层中的模拟计算,本文采用壁面函数法予以处理，压力速度耦合采用SIMPLE算法处理

出口压力设为-90Pa。

在固体壁面上，气流按无滑移条件且无湍流运动处理，即

2.2 数学模型

表2 流场微分方程组通用形式

2.3 边界条件及模拟工况

模拟计算中燃烧器喷口处各物理量取均匀入口条件，入口条件设为速度入口，即一次风风速V1=25m/s，二次风风速V2=56m/s，Vsofa=60m/s，炉膛出口设为压力出口。具体分3个模拟工况：

工况1：设计工况，即V1=25m/s，V2=56m/s，Vsofa=60m/s。

工况2：1、3号角速度同时减小，设为V1=20m/s，V2=48m/s，Vsofa=60m/s。2、4号角保持不变。

工况3：1号角速度减小，设为V1=20m/s，V2=48m/s，Vsofa=60m/s。2、3、4号角保持不变。

3 模拟结果及分析

图2中，从工况1即设计工况可以看出，气流切向运动形成明显的切圆燃烧工况，切圆中心在炉膛中央，未发生气流偏斜现象。前、后、左、右最大贴壁速度均小于6.5m/s,不会造成严重的气流刷墙现象和结焦问题。

工况2中切圆中心偏向较为明显，即偏向射流刚性弱的1号角。从工况2中可以看出前墙和右墙的贴壁速度明显大于后墙和左墙的贴壁速度，贴壁速度最大为18m/s，易造成气流刷墙的现象，引起炉内产生局部超温和结焦的现象。

工况3中由于1、3号角气流动量比2、4号角动量小，射流易发生偏斜，导致前、后、左、右墙都有明显的贴壁现象，贴壁速度大概为12m/s。由于是均匀减小对角一、二次风风速，所以炉内切圆整体未发生明显的偏离，但切圆直径有所增大，这是导致贴壁速度增大的主要原因。

图2 同层一、二次风喷嘴截面上的速度矢量

4 模拟结果与试验结果对比分析

为较好地验证数值模拟的正确性及可信度,将数值模拟结果与冷态试验数据进行定量对比分析,以验证误差是否在允许范围内。以设计工况为模拟和试验工况，将其结果进行对比及分析，得出的结论如图3所示。

由图3可知，炉内气流速度沿逆时针方向旋转，模拟切圆比实际切圆稍大，且两切圆椭圆度都较好，切圆中心基本与炉膛中心吻合，符合设计工况的要求。模拟值与实测值的曲线分布趋势较相互较为吻合，但存在一定程度的偏差，大约是3～5m/s。误差的原因主要是由于三维模型的简化和仪器的系统误差引起的。

图3 炉内测量风速得到的实际切圆和模拟切圆

5 结论

1）从工况1可知，模拟结果与试验结果基本一致，说明该数值模型和方法能较好地反映炉内真实的流场特性，更好的保证结论的可靠性和准确性，将更好的指导实际生产工作。

2）从数值模拟结果来看，射流的刚性与气流的动量有很大的关系，动量越大则越不易偏斜，动量小则较易偏斜。气流偏斜较严重时，则容易引起气流刷墙，从而导致水冷壁的高温腐蚀和结焦等问题。

3）从三个工况来看，以不平衡供风工况与正常工况对比，得出不均等配风工况对炉内空气动力场的影响，可以通过结合数值模拟，改变配风来优化炉内流场，保证锅炉的安全经济运行。

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