W火焰锅炉三次风流动特性优化试验与模拟研究

汪涂维，　马　仑，　方庆艳，　乐方愿，　张　成，　姚　斌，　陈　刚

(华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室， 武汉 430074)



W火焰锅炉三次风流动特性优化试验与模拟研究

汪涂维，马仑，方庆艳，乐方愿，张成，姚斌，陈刚

(华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室， 武汉 430074)

摘要：以某300 MW配直流缝隙式燃烧器的W火焰锅炉为研究对象，按1∶1等比例搭建了下倾三次风风箱的冷态试验模型，开展了三次风流动特性试验和数值模拟研究，深入分析了三次风下倾入射角衰减的原因，获得了三次风风箱结构的优化信息.结果表明：三次风风箱内部结构是影响三次风下倾入射角的主要因素，而三次风体积流量对三次风下倾入射角基本没有影响；采用大风箱结构时，由于喷口通流面积突然变小，且风箱内部靠近喷口的上下部气流存在拐弯挤压现象，导致三次风下倾入射角大幅衰减；在垂直方向上增加导流板，可有效减弱三次风下倾入射角的衰减；采用小风室时三次风喷口通流面积与风室内保持相同，能消除衰减现象，达到设计的三次风下倾效果.

关键词：W火焰锅炉； 风箱结构； 流动特性； 优化试验； 数值模拟

W火焰锅炉着火特性优良，稳燃和燃尽性能较好，有利于燃用低挥发分煤，尤其是无烟煤，是我国目前燃用低挥发分煤的主力炉型[1-3].但在实际生产中，部分W火焰锅炉仍然出现了锅炉燃烧不稳定，热效率偏低，NOx排放量高及严重结渣等问题[4-7].引起这些问题的主要原因是锅炉燃烧系统设计不当，导致炉内流动特性偏离理想状态，煤粉火焰行程短或出现严重偏烧状态，对着火、燃烧和结渣特性造成了不利影响[1-3].

国内学者对上述问题开展了大量研究，取得了较大的进展.W火焰锅炉下炉膛前后墙上的分级风入射方向不合理是引起炉内流动特性偏离理想状态的主要原因之一，尤其是福斯特-惠勒技术和配直流缝隙式燃烧器的W火焰锅炉[8-10]，且由于技术流派不同，两者对锅炉前后墙分级风的叫法不一致，分别称为二次风和三次风.对于福斯特-惠勒技术的W火焰锅炉，由于F层二次风风量和动量大且呈水平方向送入炉膛，对由炉拱向下的煤粉气流火焰下冲有明显的阻碍，导致煤粉火焰偏斜、行程缩短甚至短路.在F层二次风风箱内加装导流板，让F层风向下倾斜一定角度，可改善炉内流动特性，显著改善锅炉燃烧、结渣和NOx排放特性[8-9].因此，前后墙上分级风下倾是有效延长火焰行程，改善W火焰锅炉性能的方法.对于配直流缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，原设计三次风下倾入射角度为50°，但在实际运行中仍然出现上述问题.通过冷态实验发现，三次风的实际下倾入射角出现严重的衰减，大大小于设计的下倾入射角，以致达不到预期的流场特性[11].但是，目前对于产生下倾入射角衰减的具体原因还不明确，不利于对该型锅炉进行进一步优化设计.

笔者以某台300 MW配直流缝隙式燃烧器的W火焰锅炉为研究对象，按1∶1等比例搭建了下倾三次风风箱的冷态试验模型，开展了三次风流动特性试验和数值模拟研究，深入分析了三次风下倾入射角衰减的原因，以期为三次风风箱结构和流动特性优化提供参考.

1试验系统

1.1锅炉概况

该锅炉为哈尔滨锅炉有限责任公司引进英国三井巴布科克能源有限公司技术生产制造的HG-1025/17.3-WM18型锅炉，锅炉为单炉膛平衡通风、中间一次再热、亚临界参数、自然循环单汽包固态排渣煤粉炉.下炉膛为八角形结构，炉膛四角为翼墙；采用W火焰燃烧方式，燃烧器为直流缝隙式，配双进双出球磨机直吹式制粉系统，设计煤种为无烟煤.煤粉燃烧器布置于前后拱上，送风量中的88%从炉拱上二次风喷嘴垂直向下送入炉膛，其余的12%从炉拱下的前后墙上三次风喷嘴与水平方向呈50°向下倾斜送入炉膛，速度为9 m/s.图1为该W火焰锅炉的结构示意图.

图1　W火焰锅炉结构示意图

1.2试验系统与工况设置

试验系统模型根据图1中试验区域的三次风风箱及喷口实际结构尺寸按1∶1等比例搭建，示意图如图2所示.三次风风箱向下倾斜角度为50°，风箱出口尺寸为1.3 m×0.8 m，均匀设置6个缝隙式三次风喷口，每个缝隙喷口高0.6 m、宽0.05 m.在流体充分发展的直段布置了流量测量孔，在各工况试验前，通过该孔用网格法测量截面速度，核算三次风流量，以保证各工况下的三次风流量一致.

将从左至右的第3个缝隙喷口中心竖直截面设置为测量面，测点布置见图2.测速系统采用IFA300恒温风速仪，它通过感应一个暴露在流体中微小电加热的感应元件所传递的热量变化来测量流体速度，测量误差小于5%.同时，为了更直观地考察流场特性变化，进行了飘带示踪测试拍摄.测试过程中，采用直径0.6 mm的细线作为飘带，并将相机架在喷口高度中心位置，以减小示踪飘带重力和观测位置对测试结果的影响.

图2　试验系统及测点布置图

设置了3种不同的下倾实现方案：(1) 工况1.原设计的下倾三次风风箱为大风箱结构，内部没有导流板；(2) 工况2.在下倾三次风大风箱内，沿三次风喷嘴上下沿安装有3片导流板；(3) 工况3.在下倾三次风大风箱内，将大风箱进一步分割为小风室，将6个三次风缝隙喷口合为1个，以简化系统的搭建.

图3为各工况风箱内部结构示意图.3个工况保证相同的送风机入风量，并根据实际的三次风风速，进行冷态模化获得试验工况的三次风喷口处速度为6.5 m/s，设定其体积流量为1.33 m3/s.同时，为了考察三次风体积流量对下倾入射角的影响，还对工况1~工况3分别在三次风体积流量为1.94 m3/s和2.55 m3/s时进行测量，对应的出口风速分别为9.5 m/s和12.5 m/s，共计9个测量工况.

(a)工况1(b)工况2(c)工况3

图3各工况风箱内部结构示意图

Fig.3Internal structures of the wind box under different

conditions

1.3数值模拟

为了对三次风下倾入射角衰减的原因进行分析，以上述三次风风箱冷态试验系统为对象，构建三维几何数学模型，对三次风风箱内部和喷口区域流动特性开展数值模拟研究.采用分区划分网格方法，使用六面体网格，使网格线的方向尽量与气流流动方向保持一致，并在三次风喷口区域加密，以获得高质量的计算网格，提高计算结果的精确.计算网格图见图4，网格总数为28万.

图4　计算网格

2结果与分析

2.1风箱结构对三次风下倾入射角的影响

图5为工况1~工况3下通过各个测点所测得的流场图.由图5可以看出，当采用大风箱结构时(工况1)，三次风经过缝隙式喷口后的下倾入射角只有11.5°，远远小于设计值50°.这说明采用大风箱结构，内部没有导流板时，三次风经过缝隙式喷口后，下倾入射角会大大衰减，三次风气流难以达到设计的下倾效果.当在大风箱内沿三次风喷嘴上下沿安装3片导流板后(工况2)，三次风经过缝隙式喷口后的下倾入射角达到24.5°.表明增加导流板可明显减弱三次风下倾入射角的衰减现象，有利于增大下倾入射角.尽管如此，三次风下倾气流仍然存在衰减现象.而工况3中，将大风箱进一步分割为小风室后，三次风下倾入射角基本达到设计值.因此，在喷口前部采用下倾小风室可以消除三次风下倾入射角的衰减，实现三次风气流的设计下倾效果.图6为工况1~工况3的飘带示踪图.由图6可以看出，实际三次风下倾角与试验流场计算得到的三次风下倾角近似，验证了实验结果的正确性.

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

表1给出了三次风体积流量对下倾入射角的影响.从表1可以看出，工况1中，当三次风风速由6.5 m/s增至9.5 m/s再到12.5 m/s时，三次风下倾入射角均在11.5°左右，最大差值仅为0.4°.工况2中，当三次风风速由7.2 m/s增至10.4 m/s再到13.6 m/s时，三次风下倾入射角都在24.0°左右，最大差值为0.7°.而工况3中，当三次风风速从11.3m/s增至16.5 m/s再到21.7 m/s时，三次风下倾入射角都在50.0°左右，最大差值仅为1.0°.上述测量结果表明，在本文试验条件下，三次风体积流量对三次风下倾入射角基本没有影响.

图7给出了图2中Line 1和Line 2上三次风速模拟值与试验值的对比.从图7可以看出，三次风速模拟值与试验值符合得较好.图8为工况1~工况3的模拟流场图.从图8可以看出，各工况下的三次风下倾入射角的模拟值与试验值(见图6)也吻合得较好，同时也能看出风箱结构对三次风下倾效果的影响.

表1　三次风体积流量对下倾入射角影响的试验结果

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

试验结果与数值模拟结果相互验证，表明所建立的模型和模拟结果是合理的，可以用来分析三次风风箱及喷口区域流动特性.由上述试验和模拟结果可知，采用工况1中的大风箱结构时，该W火焰锅炉三次风下倾入射角只有11.5°，在炉膛中表现为前后墙的三次风气流基本处于水平的对冲状态，对来自炉拱上的煤粉气流火焰的向下行程产生了强烈的阻碍作用，而不是引流效果，导致煤粉气流火焰不能充分下冲而缩短其在下炉膛的行程.这一方面会降低下炉膛的温度和一次风气流卷吸的高温烟气流量，从而降低一次风煤粉气流的着火性能，不利于锅炉的稳定燃烧.尤其是当运行中增加三次风风量时，炉膛火焰闪烁明显，负压波动大，燃烧稳定明显变差.另一方面，煤粉气流火焰行程缩短不仅导致煤粉颗粒在炉膛内停留的时间缩短，降低煤粉的燃尽率，还会使炉膛出口烟气温度升高，导致减温水量增加和排烟温度升高，降低锅炉效率，影响其经济性.同时，也弱化了炉膛空气分级燃烧的效果，导致NOx排放量增加.当然，还有可能引起过热器和再热器金属壁面超温，影响锅炉运行安全性.在工况2中，增加导流板能明显抑制三次风下倾入射角的衰减现象，其引流煤粉气流火焰下冲的效果提高，有利于增加煤粉气流的火焰行程，可明显克服由工况1中大风箱结构引起的上述问题.当然，采用工况3中的小风室结构，能消除衰减现象，达到三次风下倾引流煤粉气流火焰下冲的理想效果，使得锅炉安全、经济和环保性能得到进一步的提升.

2.2三次风下倾入射角衰减原因分析

结合数值模拟对三次风下倾入射角衰减的原因进行分析，主要分析图2中风箱内部Line3和喷口处Line4上的水平速度、竖直速度和合速度的变化(见图9)，速度值为负表示方向向下，为正表示方向向上.从图9(b)可以看出，对于工况2，由于采用缝隙喷口，三次风在经过喷口时，水平方向上的通流宽度突然变窄，因而会产生加速作用，三次风的水平分速度会大幅增加.而由于风室中布置了3片导流板，且导流板是沿缝隙喷口上下沿布置的，使得三次风在竖直方向上的通流高度从导流板入口到缝隙喷口处都没有变化，因此三次风在经过喷口时的竖直分速度仍然保持原数值.根据速度合成原理，经喷口后的三次风合速度的下倾角就产生了大幅衰减.

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

从图9(a)可以看出，工况1中三次风通流面积大，风箱内的速度较小.三次风在经过喷口时，同样由于在水平方向上的通流宽度突然变窄而产生加速作用，使得三次风的水平分速度大幅增加.而由于没有导流板，在风箱内部靠近喷口的上下部分气流存在拐弯挤压现象，上部气流向下挤压，而下部气流则反向向上挤压，使得喷口下部气流竖直分速度方向反而向上，对中上部气流产生托举作用，导致喷出后的三次风竖直分速度平均值有所减小.同样根据速度合成原理，经喷口后的三次风合速度的下倾角就产生了比工况2中更大的衰减.

从图9(c)可以看出，工况3中的三次风通流高度和宽度从小风室入口到喷口处都保持相同，可保证喷出后的三次风水平和竖直分速度大小均不变，因此喷出后的三次风下倾入射角和风室下倾角相同，消除了衰减现象.

3结论

(1) 三次风风箱内部结构是影响三次风下倾入射角的主要因素，而三次风体积流量对三次风下倾入射角基本没有影响.

(2) 采用大风箱结构时，由于喷口通流面积突然变小，并且风箱内部靠近喷口的上下部气流存在拐弯挤压现象，会导致三次风入射下倾角大幅衰减，由50°衰减至11.5°左右.

(3) 在垂直方向上增加导流板，可有效抑制三次风下倾入射角的衰减现象，此时三次风下倾入射角为24.0°左右.

(4) 采用小风室时，相当于在工况2的基础上进一步在水平方向上也增加了导流板，使得三次风喷口通流面积与风室内保持相同，能消除衰减现象，三次风下倾入射角可以达到设计的三次风下倾效果.

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Experimental and Numerical Investigation on Optimization of Tertiary Air Flow Characteristics in a W-flame Boiler

WANGTuwei,MALun,FANGQingyan,LEFangyuan,ZHANGCheng,YAOBin,CHENGang

(State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Abstract：Taking the 300 MW W-flame boiler with direct flow split burner as an object of study, a 1∶1 scale cold model of wind box was set up to experimentally and numerically study the tertiary air flow characteristics, so as to find the causes leading to the reduction of the tertiary air incidence angle, and to obtain necessary information for structural optimization of the wind box. Results show that the internal structure of tertiary wind box is the main factor that affects the incidence angle of tertiary air flow, and the volumetric flow of tertiary air has basically no effect on the incidence angle. When large wind box is adopted, the incidence angle of tertiary air would greatly become smaller due to the abrupt shrinkage of nozzle flow area and to the squeezing action at turning point of top and bottom surface near the nozzle in the wind box, which could be improved by adding air deflectors in the vertical direction; whereas when small wind box is used, the phenomenon of incidence angle reduction could be eliminated by keeping the flow area of tertiary air nozzle to be same as that of the air chamber, so as to achieve the designed valve of incidence angle of tertiary air.

Key words：W-flame boiler; wind box structure; flow characteristic; optimization test; numerical simulation

文章编号：1674-7607(2016)01-0001-06

中图分类号：TK224

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：汪涂维(1990-)，男，湖北黄石人，硕士研究生，研究方向为W火焰锅炉优化与混煤燃烧.

基金项目：广东省教育部产学研资助项目(2012B091100173)；华中科技大学校青年基金资助项目(01-18-120070)

收稿日期：2015-03-09

修订日期：2015-04-27

方庆艳(通信作者)，男，副教授，博士，电话(Tel.): 027-87542417-8206;E-mail: qyfang@hust.edu.cn.