物料量及布风板阻力对裤衩腿流化床锅炉翻床的影响

吴海航， 孙纪宁， 王 哲， 李 政， 倪维斗， 雷秀坚， 邝 伟

（1.清华大学 热能工程系，电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084；2.北京航空航天大学 能源与动力工程学院，航空发动机气动热力国防科技重点实验室，北京 100191；3.四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，内江 641005）

循环流化床锅炉（CFB）具有污染物排放少和燃料适应性强等优点，在我国得到了大规模推广.为了改善大型循环流化床锅炉的二次风穿透问题，出现了裤衩腿炉膛［1］.在裤衩腿炉膛中，需要尽可能保持左右侧炉膛流动的平衡，但由于操作和安装误差等因素，两侧炉膛的风量不可避免地存在差异，引起物料横向交换，而床压与风量是负相关的关系，一侧裤衩腿的物料将持续向另一侧转移，直到该侧物料堆积过多、无法流化而导致停炉事故，这种现象称为翻床.

基于对翻床过程数据的研究及实际操作经验，李前宇等［2］指出马鞍形床压降曲线是翻床发生的关键，而吴玉平等［3］则对控制翻床的工程措施进行了总结.为深入了解翻床过程，李金晶等［1，4］采用模化准则建立了循环流化床锅炉缩比冷态试验台，研究了翻床现象，建立了上部炉膛横向压差与横向物料交换流率的试验关系式，并指出了上部炉膛横向压差对翻床的重要作用.

计算流体力学（CFD）方法是研究循环流化床锅炉流动机理的重要手段，其求解结果可合理解释试验观测到的现象，已被应用于众多循环流化床锅炉流动机理的研究中［5-8］.为深入理解裤衩腿循环流化床锅炉翻床机理，Wang等［9］应用CFD方法对裤衩腿循环流化床锅炉翻床过程进行了研究，提出物料横向交换过程的正负反馈机理，即左右侧炉膛的物料不平衡将导致左右侧一次风风量的差异，这种差异又会加剧物料的不平衡，最终导致翻床，这是正反馈；左右侧炉膛物料的不平衡同时导致左右侧炉膛存在横向压差，这种压差削弱甚至逆转了物料的横向转移，最终消除了左右侧炉膛物料的不平衡，这是负反馈.该机理很好地描述了裤衩腿循环流化床锅炉物料横向交换过程以及翻床过程，揭示了炉膛具有自平衡能力的机理.

笔者按照实际尺寸建立了循环流化床锅炉二维数值模型，采用CFD方法研究了总物料量和布风板阻力特性对翻床过程的影响，重点分析其物料转移的正、负反馈过程，并试图寻找炉膛自平衡能力的代表性参数，为电站的运行和控制提供理论依据.

1 裤衩腿流化床锅炉数值模型

所研究的对象为四川白马循环流化床示范电站有限责任公司的300MW循环流化床锅炉，其深度为12.615m，主要尺寸见图1.由于深度方向的流动类似［9］，将建模对象简化为二维模型.忽略旋风分离器分离物料过程，通过自定义函数（User Defined Function，UDF）直接将炉膛出口的物料通过返料口送回炉膛.忽略二次风的影响及风门和风箱阻力的影响，炉膛出口压强设为环境压强（101325Pa）.

图1 300MW循环流化床锅炉的二维结构尺寸Fig.1 2Ddiagram of a 300MW CFB boiler

1.1 控制方程

为模拟循环流化床锅炉内的物料流动过程，采用欧拉－欧拉双流体模型，并用颗粒动力学理论封闭颗粒相的压力与黏性力，具体细节参考文献［7］.

气相与固相之间的相互作用力为

式中：u为各相的速度，下标g和s分别表示气相和固相；β为相间作用系数.

相间作用系数β的计算如下

式中：dp为颗粒粒径；φ为体积分数；ρ为密度，μ为动力黏度；CD为曳力系数.

CD采用如下经验关系式计算

颗粒雷诺数Res定义为

1.2 模拟条件

为了简化计算，采用1台理想风机［9］供应定量一次风，并通过风箱将风量分配到左右侧炉膛.笔者通过UDF实现这一过程.

式中：Wair＿left和 Wair＿right分别为左、右两侧一次风风量；Wair＿total为风机出口一次风风量；pbed＿left和pbed＿right分别为左、右两侧炉膛底部压强；poutlet为风机出口压强；Cadp为布风板阻力系数.

布风板阻力系数的定义为

式中：Δpadp为布风板压降；Uair为通过布风板的气体速度.

根据该公司提供的数据，在正常运行工况范围内，Cadp近似为常数.颗粒密度为2000kg／m3，粒径为0.15mm.气体密度和动力黏度分别为1.225 kg／m3和1.8×10－5kg／（m·s）.初始状态时，物料堆积在两侧裤衩腿底部，定义此时的物料高度为初始物料高度，空隙率为0.45.

典型工况下，布风板压降约为4kPa，炉膛上部的风速约为4m／s，可估算出通过模型中布风板的气体速度约为7.6m／s，对应的Cadp约为525kg／（m2·s）.

典型工况下，物料压降（即炉膛底部与顶部压差）约为12kPa时，单侧炉膛物料量约为47.31m3，对应的初始物料高度为1.59m（空隙率为0.45）.

通过有限体积法离散控制方程，其中对流项采用二阶迎风格式.通过Simple算法处理压力和密度的耦合关系.使用商业软件Fluent进行瞬态求解，时间步长取0.01s，最长时间为100s，设定监测的残差值为10－5.

2 数值模拟结果及分析

在模拟过程中，存在由物料交换引起的左右侧炉膛物料量围绕某值上下振荡的现象.为描述这种现象中左右物料交换的强烈程度，定义平均物料交换率为

式中：t0为流场近似达到稳定状态的时刻；t1为模拟的最终时刻；Winter为瞬时物料交换率，物料从左侧炉膛往右侧炉膛交换时，Winter为正值，否则为负值.

瞬时物料交换率为

式中：ΔMs为经历一个时间步长后，单侧炉膛的物料变化量；Δt为模型计算时间步长.

工程经验表明，在循环流化床锅炉运行中，一旦某侧一次风风量为0，该侧物料不能流化，左右侧炉膛不能回复到均衡状态，必然发生翻床现象.因此，计算中定义初始时刻（物料静止堆积在裤衩腿内）到某侧一次风风量为0的时间为翻床时间，用于表示发生翻床时物料交换的强烈程度.

为了直观反映单侧炉膛物料量的多少，将其换算成物料静止堆积在裤衩腿内时物料折算高度Hs（以下简称物料高度），物料静止堆积在裤衩腿内时的体积分数为0.55（对应空隙率为0.45）.

2.1 初始物料量对翻床过程的影响

图2给出了布风板阻力系数为525kg／（m2·s）时，平均物料交换率及翻床时间随初始物料高度的变化.从图2可以看出，当初始物料高度较小时，平均物料交换率较小.图3给出了不同初始物料高度时左右侧炉膛物料量随时间的变化，其中初始物料高度为1.59m的曲线对应左侧坐标轴，初始物料高度为0.67m的曲线对应右侧坐标轴.初始物料高度为0.67m的曲线显示，左右侧炉膛物料量随时间做稳定平衡振荡，没有翻床趋势.当初始物料高度增大时（见图3中初始物料高度为1.59m时），物料量仍随时间稳定振荡，但振荡幅度增大，平均物料交换率随之增大.

图2 平均物料交换率和翻床时间随初始物料高度的变化Fig.2 Variation of lateral solid flow rate and overturn time with initial material height

图2的计算结果显示，当初始物料高度介于一定范围内（本文模型为0.4～2.1m）时，平均物料交换率持续增大，但物料量仍随时间稳定振荡，该区域称为稳定区.当初始物料高度进一步增大时，循环流化床锅炉开始出现翻床现象（见图2，本文模型中该高度约为2.6m）.此时，物料不能维持稳定振荡，而是表现为物料由右侧炉膛向左侧炉膛持续转移（见图4），右侧炉膛气体质量流量快速增大，左侧炉膛气体质量流量快速减小，最终出现左侧炉膛塌死，右侧炉膛吹空的翻床现象，且初始物料高度越大，翻床时间越短，该区域称为翻床区.由于翻床过程不存在物料振荡现象，平均物料交换率定义不适用于翻床区，因此该区域没有平均物料交换率值.

图3 不同初始物料高度时物料量随时间的变化Fig.3 Variation of bed inventory with time at different initial material heights

从图2还可以看出，在稳定区和翻床区之间，存在一个临界区（或临界点）.在临界区内（或临界点上），循环流化床锅炉将处于介于稳定和翻床之间的亚稳定状态.

图4 高初始物料高度时左右侧炉膛物料高度和气体质量流量随时间的变化Fig.4 Variation of bed inventory and gas flow rate with time at high initial material heights

2.2 布风板阻力特性对翻床过程的影响

图5给出了初始物料高度为1.59m时，布风板阻力系数与平均物料交换率和翻床时间的关系.从图5可以看到与图2类似的分区现象.

当布风板阻力系数较大时，平均物料交换率较小.当布风板阻力系数为1103kg／（m2·s）时，左右侧炉膛物料量随时间做稳定平衡振荡，没有翻床趋势（见图6）.当布风板的阻力系数减小为459kg／（m2·s）时，物料量仍随时间做稳定平衡振荡，但振荡幅度增大，平均物料交换率随之增大.

图5 平均物料交换率和翻床时间随布风板阻力系数的变化Fig.5 Variation of lateral solid flow rate and overturn time with resistance coefficient of air distributor

图6 不同布风板阻力系数时物料高度随时间的变化Fig.6 Variation of bed inventory with time at different resistance coefficients of air distributor

图5的计算结果显示，当布风板阻力系数处于一定范围（本文模型为459～1103kg／（m2·s））时，随布风板阻力系数的减小，平均物料交换率持续增大，但物料量仍随时间做稳定平衡振荡，这时处于稳定区.当布风板阻力系数进一步减小为321.56kg／（m2·s）时，循环流化床锅炉难以维持平衡振荡，从而出现物料从左侧炉膛持续往右侧炉膛转移的现象（见图7），使得右侧炉膛一次风风量急剧减少，左侧炉膛一次风风量急剧增大，最终左侧炉膛吹空，右侧炉膛塌死，从而出现翻床现象，且布风板阻力系数越小，翻床时间越短，这个区域为翻床区.同样可以看到，当布风板阻力系数变化时，在稳定区与翻床区之间存在临界点（或临界区），在临界点附近（或临界区内），循环流化床锅炉处于亚稳定状态.

2.3 物料交换过程机理分析

图7 低布风板阻力下物料高度和气体质量流量随时间的变化Fig.7 Variation of bed inventory and gas flow rate with time at low resistance coefficients of air distributor

图8给出了初始物料高度为1.59m和布风板阻力系数为525kg／（m2·s）时，不同时刻颗粒体积分数分布云图.从图8可以看出，颗粒体积分数沿炉膛高度方向呈现“上稀下浓”的分布趋势，与试验观测现象相符［10］，可近似用S形线来描述这种分布［11］，如图9所示.需要说明的是，实际循环流化床锅炉中存在不同粒径的颗粒，而本文重点关注的是物料转移的正负反馈过程，采用了简化的单一粒径可循环颗粒，因此体积分数分布在定量上与实际循环流化床锅炉中有所差异.

图8 颗粒体积分数分布云图Fig.8 Contour of solid volumetric concentration

当上部炉膛出现物料交换时（假设物料从左侧炉膛往右侧炉膛转移），右侧炉膛的颗粒体积分数将变为图9中的曲线2（右侧最终型线），左侧炉膛则变为曲线2′（左侧最终型线）.曲线2与曲线2′的上部炉膛部分存在一差值Δφs（定义左侧大于右侧为正，否则为负）.文中Δφs的意义即为左右侧上部炉膛压差，这一压差基本决定了物料横向转移的方向.当其值为正时，颗粒将继续从左侧炉膛向右侧炉膛转移，在正负反馈机制中，表现为正反馈；当其值为负时，将阻碍颗粒继续由左侧炉膛往右侧炉膛运动，此时为负反馈作用.

当裤衩腿循环流化床锅炉两侧的一次风风量对炉膛背压变化较为敏感且物料从左侧炉膛向右侧炉膛转移时，左侧炉膛一次风风量增大，而右侧炉膛一次风风量减小，炉膛物料将沿炉膛高度重新分配，物料分布将在裤衩腿和上部炉膛间趋于一个新的平衡位置（见图9中曲线2和曲线2′）.对于右侧炉膛，虽然总物料量增加，但是因一次风风量减小，在新的平衡位置上，上部炉膛物料颗粒体积分数相对初始值反而减小（见图9中曲线2）；左侧炉膛则正好相反，虽然总物料量减小，但是因一次风风量增大，在新的平衡位置上，上部炉膛物料颗粒体积分数相对初始值反而增大（见图9中曲线2′）.在炉膛上部形成了1个与物料流动方向相同的压力梯度，促使物料继续从左侧炉膛向右侧炉膛移动（即正反馈起作用），最终出现翻床现象.

如果裤衩腿循环流化床锅炉两侧的一次风风量对炉膛背压变化不敏感且物料从左侧炉膛向右侧炉膛转移时，右侧炉膛物料量增大，左侧炉膛物料量减小，但一次风风量基本保持不变.在一次风及重力作用下，物料沿炉膛上下重新分配后，右侧炉膛上部颗粒体积分数相对初始值增大（见图10中曲线2），而左侧炉膛上部颗粒体积分数相对初始值减小（见图10中曲线2′），在炉膛上部形成了1个与物料流动方向相反的压力梯度，从而抑制了物料继续从左侧炉膛向右侧炉膛移动（即负反馈起作用），最终抑制了翻床现象的发生.

图10 负反馈示意图Fig.10 Curves obtained based on negative feedback mechanism

在绝大多数情况下，由于一次风风量对物料量的变化比较敏感，一次风风量对上部炉膛颗粒体积分数的影响占据了主要地位，正反馈占据主导地位，负反馈没有起作用，这时就出现了翻床现象，必须投入自动控制系统打断正反馈过程，以避免翻床现象的发生.

综上所述，布风板阻力越大，越有利于抑制翻床现象；初始物料量越大，布风板阻力占总阻力比例越小，即布风板阻力系数越小，越容易翻床.

2.4 布风板压降和物料压降比的分析

在工程实践中，物料压降和布风板压降对流化床锅炉工作稳定性具有较大的影响，通过控制炉膛压降可以防止发生翻床现象.在研究中，增大初始物料高度相当于增大物料压降，增大布风板阻力系数相当于增大布风板压降.在这2项研究中均出现了类似的翻床区、稳定区和临界区.因此，二者之间可能存在更紧密的联系.

布风板压降和物料压降比η为

式中：Δpbed和Δpadp分别为左右侧炉膛一次风风量不变时的物料压降和布风板压降.

图11给出了η随初始物料高度和布风板阻力系数的变化曲线.从图11（a）可以看出，当布风板阻力系数一定时，初始物料高度越大，η越小.与图2对应，η小于一定值（0.205）时为翻床区（单一粒径，忽略二次风，二维模型）；η大于一定值（0.254）时为稳定区；η介于一定范围（0.205～0.254）时为临界区.从图11（b）可以看出，当初始物料高度一定时，布风板阻力系数越大，η越大.与图5对应，η小于一定值（0.213）时为翻床区；η大于一定值（0.284）时为稳定区；η介于一定范围（0.213～0.284）时为临界区.在不同条件下，模型中以布风板压降和物料压降比区分的稳定区、翻床区和临界区基本重合.因此可以推断，布风板压降和物料压降比可以作为衡量炉膛自平衡能力的1个代表性参数，是运行过程中应时刻监测并加以控制的运行参数.

图11 初始物料高度和布风板阻力系数与η的关系Fig.11 Variation of pressure drop ratio with initial material height and resistance coefficient of air distributor

另外，当η较大时，循环流化床锅炉稳定性较好，有利于安全运行，但此时布风板阻力损失较大，厂用电率较高，电站经济性较差.当η较小时，布风板阻力损失相对较小，厂用电率较低，电站经济性较好，但是循环流化床锅炉的稳定性变差，不利于安全运行.因此，η是在裤衩腿循环流化床锅炉安全性和经济性权衡设计中的重要参数.

3 结 论

（1）当物料静止堆积高度介于一定范围（0.46～3.39m）时，总物料量越大，平均物料交换率越大，循环流化床锅炉越容易翻床.

（2）布风板阻力系数越大，平均物料交换率越小，循环流化床锅炉越不容易翻床.

（3）正负反馈机理可以合理解释总物料量和布风板阻力特性对翻床趋势的影响.

（4）在所研究的2种状态下，随着布风板压降和物料压降比的增大，循环流化床锅炉的翻床趋势减小.布风板压降和物料压降比可用于衡量炉膛自平衡能力.

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