300MW四角切圆锅炉二次风风箱结构优化数值模拟

张立栋 李伟伟 陈正华 周 阳 王金柱 于婷俐 姜 波

(1.东北电力大学,吉林 吉林 132012；2.华能巢湖发电有限责任公司,安徽 巢湖 238015；

3.中国化工建设公司第十一公司,合肥 230022；4.国电双鸭山发电有限公司,黑龙江 双鸭山 155136；

5.吉林鼎基电力设备工程有限公司,吉林 吉林 132000)

目前，我国电力工业中采用四角切圆燃烧方式的大容量电站锅炉仍占有较大比例，但四角切圆燃烧炉膛的二次风风箱等由于锅炉布置等原因，从总风管至各个二次风风箱均采用直角管道[1,2]，致使二次风风速与实际测量出现偏差，同时出现二次风风速加大不均匀及流量分配不均匀等现象。研究人员对炉内空气动力场的研究很多，如改变二次风入炉的速度、二次风率或是改进其入炉位置等。王志强等研究了二次风水平摆角对煤粉锅炉在运行时由于燃烧的煤质多变影响锅炉燃烧的稳定性和NOx排放的问题[3]。一般在风箱处只设置一片或两片整体式转向导叶[4～6]，加上风箱内部的传动机构，使实际二次风出口速度分布出现偏差，湍流过大，导致切圆时发生切圆直径过大及结渣等问题影响实际燃烧工况。赵振宙等提出将二次风与一次风的喷嘴放置在一起形成局部二次风，用来提高风煤混合物入炉刚性，更好地组织起切圆燃烧，避免燃烧切圆中心偏离炉膛中心，进而避免锅炉结焦及结渣等现象[7]。

锅炉的烟风系统风箱与空气动力学中的风洞有较多的相似之处，在直角弯处加装导流板可以减少一定的损失。因此笔者根据低速风洞相关设计原理[8]，对二次风风箱与炉膛入口之间的转弯部分进行研究，通过改变几何结构，达到增加二次风入炉刚性及减少燃烧切圆偏心等问题，可为解决炉膛燃烧结渣、减少二次风入炉速度偏差、提高锅炉燃烧的稳定性提供借鉴。

1 初始结构模拟

在有弯曲的圆形或方形管道的工程应用中都存在严重的积灰和磨损问题，解振华和周艳荣在90°方截面弯管内加装导流板使管道内流场均匀[9]。导流板在工程上使用较多，如张新育等采用计算流体力学的方法对矩形和方截面弯管内加装导流板进行数值模拟，发现加装后形成了湍流二次流，并沿着运动方向增大[10]；在电厂的脱硫、脱硝及除尘等设备中也加装了导流板来增加气流的均匀性[11]。

燃煤电站布置紧凑，二次风进入斜向弯道再经过直角弯道和喷嘴，最后进入炉膛，笔者以某厂300MW机组二次风风箱和喷嘴为研究对象，计算网格如图1所示。采用计算流体力学软件Fluent对带导流板二次风弯道原设计进行了计算模拟，风箱尺寸为：高1 900mm，宽700mm，长2 600mm。网格采用非结构化四面体，边界条件为速度入口和压力出口。模型采用k-ε标准模型，二阶精度，SIMPLE算法。

图1 原设计网格

按设计速度35m/s作为入口速度，截取中间截面，从原设计速度分布图(图2)上可以看出，流场内死区(速度较低)较多，从出口速度分布上可以看出，在整个喷嘴出口两侧速度差较大，a侧大于b侧约20～30m/s。

图2 原设计截面速度分布

原设计的风箱结构出口射流特性，从湍流和速度分布上较差，易造成射流偏斜切圆直径过大，且射流衰减过快，降低低负荷燃烧稳定性，同时可能造成水冷壁结渣等。

2 改进方案与评价指标

2.1 改进方案

针对以上问题，减少风箱中的速度死区，对风箱结构进行改进，改进后的风箱结构如图3所示。

图3 改进后的风箱结构

方案一。使用组合导叶均匀流速分布(图3中的导叶1～3)，对箱体结构进行修整，在直角弯区域切倒角减少死区，减少阻力。

方案二。在方案一的基础上根据空气动力学原理在局部(导叶出口位置，同时是湍流强度较大的区域)加装蜂窝器，蜂窝器为蜂窝状的方形、六边形或其他形状的直线通道，主要作用是将流体切割为小部分，加速湍流的衰减，兼顾导直流体。本模型采用厚度为5mm、高度为200mm、宽度为650mm、长度为200mm、边长为50mm的正方形蜂窝器用以减少湍流。

采用GAMBIT软件建立并划分网格，整个区域分为3个区域分别进行网格划分，从入口到导叶出口、蜂窝器和喷嘴部分。网格采用非结构化四面体网格，蜂窝器区域网格加密，整体网格数目110万。

边界条件、湍流及计算精度等条件与原设计仿真条件保持一致。实际运行的负荷不是固定不变的，根据负荷变化，二次风的风量也不同，故设置如下工况进行计算分析：

工况1 入口速度20m/s

工况2 入口速度25m/s

工况3 入口速度30m/s

工况4 入口速度35m/s

2.2 评价指标

2.2.1出口湍流度

秦裕琨等对四角切圆燃烧流场中水平浓淡风煤粉燃烧器的侧二次风与一次风动量比和射流的刚性、湍流特性进行了较详细的研究，湍流强度较大时射流进入炉内初期(喷口附近)混合较好，但是后期衰减较快，导致无法维持理想的切圆状态[12]。同时，俞辉等也通过数值模拟得出，四角切圆锅炉的射流刚性对气流影响较大，刚性强的切圆不易偏斜，刚性差的易偏斜[13]。

2.2.2速度均匀性

在研究出口速度分布时，基于面积加权平均速度的均匀性可以较好地反映速度的分布均匀程度[14]，即在出口面上设置若干个数据采集点，通过测量各个采集点的速度值，通过加权平均数形式，反映整个截面上速度分布的均匀性。其计算公式为：

(1)

Vj——采集元面的平均速度，m/s；

λ——面积加权速度均匀性，%。

二次风喷嘴约为长680mm、宽300mm的矩形出口，以长为110mm、宽100mm的小矩形为采集元面，共设置18个。

3 数值计算与结果分析

3.1 湍动能分析

由方案一在工况4下的中间截面湍动能分布图(图4)上可以看出，在整个流场内大部分区域湍动能较低,1、2两片组合式导叶几乎不对湍动能增加起作用，但为了保证出口速度的均匀性，b侧直角弯由于流体流经时在箱体直角弯流向变化速度大于a侧直角弯部分，流体间碰撞和流体与导叶3及壁面碰撞较多导致湍动能急剧增大。

图4 方案一工况4下中间截面湍动能图

在箱体出口区域进入喷嘴之前的部分靠近b侧，3号导叶后部流场布置蜂窝器，同样工况4下，方案二(图5)相比方案一，湍动能在蜂窝器出口位置减小至50m2/s2以下，对其他区域产生影响较小，总体上添加蜂窝器对减少湍流强度效果明显。

图5 方案二工况4下中间截面湍动能图

从表2中可以看出各方案湍动能随入口速度增加而增加，原设计湍动能增大速度明显大于方案一和方案二。在4个工况下，方案二喷嘴出口湍动能皆低于原设计和方案一，方案二4个工况下出口湍动能与方案一相比平均减少57.1%，与原设计相比出口平均减少56.6%，添加蜂窝器能够在对整体流场改动较小的情况下，明显降低湍动能，有效降低二次风射流衰减率。

表2 出口湍动能比较 m2·s-2

3.2 速度均匀性

两个方案同原设计在不同工况下的出口速度均匀性计算值见表3。

表3 出口速度均匀性 %

从表3可以看出，方案一和方案二喷嘴出口速度的均匀性均明显高于原设计，总体上速度均匀性随入口速度变化改变较小，结构因素较强，平均速度均匀性方案二为60.89%，方案一为60.20%，原设计为13.11%。

以工况4为例，方案一在中间截面的速度分布如图6所示，同时由于导角和组合式导叶的作用，喷嘴部分a、b两侧速度差明显减小，在整个风箱的流场中流动死区也明显减少。

图6 方案二工况4下中间截面速度分布

从湍动能和速度均匀性上，方案二综合优于方案一和原设计，采用方案二可使二次风射流效果大幅改善。

3.3 炉内空气动力场数值分析

利用Fluent软件，在原设计和优化之后的方案两个出口参数分布的基础上，进行入炉切圆模拟计算，锅炉结构为：高44 100mm、宽14 000mm、深12 330mm，二次风切圆理论直径6 000mm。

根据以上风箱计算结果设置入口湍流强度，一次风速度为27m/s，而优化设计则因为速度分布均匀可近似采用理想的入口，速度均等，两种方式的二次风总量比为1∶1。边界条件采用速度入口，炉膛出口采用压力出口，湍流模型采用Realizablek-ε方程，都截取D层二次风喷嘴中间位置截面，与炉膛上部2 500mm处的截面。

在原始设计的二次风风箱结构下运行时，射流偏向壁面，切圆直径比较大，约为9 600～11 000mm，水冷壁附近区域速度较快，无明显其他旋流现象，此时，炉膛出口烟气残余旋转较大，易引起过热器较大热偏差，中间区域温度降低，NOx排放减少，水冷壁附近易发生结渣及出口烟温过高等现象。

从两个截面的速度分布(图7)对比可以得出，二次风出口速度分布和湍动能大小对炉内空气动力场有明显影响。在D层二次风喷口中间截面，原设计由于出口速度分布均匀性较低，湍流较大，速度衰减快，射流刚性低，切圆中心偏斜且切圆现象不明显，切圆呈椭圆状，直径较大且与理论切圆直径相差3 000～4 000mm，同时在前后墙区域二次风冲刷水冷壁现象明显。方案二切圆中心无明显偏斜，直径接近理论切圆直径，与理论切圆直径相差1 000mm。在上部截面位置，原设计炉膛中心区域速度较高，烟气残余旋转的动量较大，衰减较慢，易引起过热器热偏差。方案二中心区域速度较低，水冷壁区域速度较高，残余旋转动量衰减快，不易引起热偏差。

图7 炉内切圆对比

原设计残余旋转大于方案二，烟气在流过垂直悬吊的过热器时，同一排管束上下烟气流速差值较大，不利于控制炉膛内热偏差，不能有效地防止炉膛上部和水平烟道过热器磨损。原设计方案出口的速度矢量偏斜程度大于方案二，长期运行时过热器磨损较严重。

4 结论

4.1组合导叶和风箱倒角有利于减少风箱中的速度死区，进而减少速度损失。

4.2局部加装蜂窝器可以增加出口速度均匀性，降低湍动能。本蜂窝器结构的模拟结果其出口速度均匀性为原设计的4.6倍，湍动能为原设计的56%。

4.3改进后的风箱结构可使二次风入炉速度衰减小，二次风射流刚度高，切圆直径接近理论值，与理论值相差在1 000mm以内。

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