高效煤粉锅炉冷态空气动力场试验研究

沈滨文

(武汉武锅能源工程有限公司 动力锅炉事业部，湖北 武汉 430000)

对于发电用煤粉锅炉而言，燃烧的稳定性及经济性十分重要，而燃烧的好坏取决于燃烧器及炉膛的空气动力学工况[1-2]。新安装的锅炉通常通过冷态空气动力场试验，来模拟热态的空气动力场情况。它不仅可以为热态运行提供依据，而且为避免结焦，炉膛火焰偏心，实际燃烧切圆的大小测量等问题提供帮助[3-7]。

为了探究炉膛内空气动力场对燃烧的影响，各国从上世纪中叶开始采取各种方法对其进行研究。有用数值模拟的方法对炉膛内空气动力场进行分析的，也有用实验台模拟实际炉膛，进而分析其空气动力场的，也有实际锅炉进行冷态动力场模拟热态工况的。我国十分重视研究空气动力场对锅炉燃烧的影响，国内大专院校、研究所、设计院及锅炉厂对空气动力场进行了大量的数值模拟及试验研究，取得了宝贵的经验。

现就某电厂一台武汉锅炉集团有限公司制造的WGZ100/3.82-1型固态排渣高效煤粉锅炉进行冷态空气动力场试验。为使得冷态试验结果与热态工况接近，需满足冷态模化的条件。通过冷态下燃烧器一次、二次、三次风喷口的空气动力情况，获得热态多种工况的调节措施，并掌握其规律。

1 高效煤粉锅炉系统介绍

WGZ100/3.82-1型高效煤粉锅炉采用的固态排渣、π型布置、单排柱、单汽包、水自然循环器结构。该锅炉采用温风送粉，中间仓储式制粉系统。燃烧器喷口采用四角切圆布置，喷口配风布置自下而上为：二、一、二、一、二、三、分离式燃尽风(Separated Over Fired Air,SOFA)。一次风共计8个喷口，二次风共计12个喷口，三次风共计4个喷口，其中一个喷口配备一个风门。锅炉配备一台磨煤机，热态运行时存在开启磨煤机和停磨煤机运行两种工况。

1.1 锅炉主要设计参数

锅炉设计煤种为府谷烟煤，主蒸汽流量100 t/h,主蒸汽压力3.82 MPa，主蒸汽温度450 ℃，给水温度104 ℃，热风温度310 ℃。

1.2 燃烧器配风参数(见表1)

表1 配风参数[8]

1.3 风机参数(见表2)

表2 风机参数

2 试验方法

2.1 炉内冷态模拟条件

使冷态试验结果与热态气流工况尽量接近，需满足的条件有以下几点。

2.1.1 几何相似[9]

试验设备与实际设备的结构相似，尺寸成比例，因为本试验就在实际锅炉上进行，几何相似的条件满足。

2.1.2 流动相似[9]

试验时的流动状态与热态时相似，要求冷态时的雷诺数Re冷与热态时的平均雷诺数Re热，或者Re冷大于等于流动自模化的临界Re，此时流体惯性力远大于粘性力，流动图形不随Re变化而变化[10-11]。即

Re冷≥Re临

(1)

W冷dn/ϑ3Re临

(2)

W冷Re临J/dn

(3)

W冷≥W临

(4)

式中Re冷——冷态下的雷诺数；

Re临——临界下的雷诺数；

W冷——冷态下的流体速度/m·s-1；

ϑ——冷态下的流体运动粘度/m2·s-1；

dn——喷口的当量直径/m；

W临——临界流体速度/m·s-1。

2.1.3 边界相似[9]

要使燃烧器的风量分配方式与热态相似，要求各喷口射流的冷热态动量相等[12]，经转化后得出一、二、三次风冷态风速计算公式为

(5)

(6)

(7)

式中W2冷——二次风喷口冷态速度/m·s-1；

W2热——二次风喷口热态速度/m·s-1；

T2冷——二次风冷态温度/℃；

T2热——二次风热态温度/℃；

W1冷——一次风喷口冷态速度/m·s-1；

W1热——一次风喷口热态速度/m·s-1；

T1热——一次风热态温度/℃；

μ——一次风中煤粉的质量浓度/kg·m-3；

K——煤粉相对一次风气流的滞留系数；

W3冷——三次风喷口冷态速度/m·s-1；

W3热——三次风喷口热态速度/m·s-1；

T3热——三次风热态温度/℃。

2.2 计算结果

W1冷=30.89 m/s(其中：μ=0.6 kg/m3，K=0.8)

W2冷=32.44 m/s (其中：T2冷=30 ℃)

W3冷=45.47 m/s

W1临=9.2 m/s(其中：ϑ=15.2×10-6m2/s，Re临=1.8×105，d1n=0.297 m)

W2临=13.2 m/s(其中：ϑ=15.2×10-6m2/s，Re临=1.8×105，d2n=0.207 m)

W3临=10.3 m/s(其中：ϑ=15.2×10-6m2/s，Re临=1.8×105，d1n=0.266 m)

式中W1临——一次风临界速度/m·s-1；

W2临——二次风临界速度/m·s-1；

W3临——三次风临界速度/m·s-1；

d1n——一次风喷口当量直径/m；

d2n——二次风喷口当量直径/m；

d3n——三次风喷口当量直径/m。

根据计算结果，一、二、三次风冷态风速均大于临界速度，满足冷态模拟的条件。

3 试验过程

根据以上计算值，利用已标定过的热线风速仪对各喷口处的风速进行测量，通过调节一次风风道上的可调缩孔，将同一层的一次风喷口风速调到30.89 m/s左右；通过调节三次风风道上的电动调节门，将同一层的三次风喷口风速调到45.47 m/s左右；通过调节二次风风道上的电动调节门，将同一层的二次风喷口风速调到32.44 m/s左右，而热态运行时调节燃烧的手段主要是二次风，需要掌握二次风门的调节特性，以及不同工况下喷口的风速情况。

3.1 一次风调平试验

启动引风机、送风机、排风机。送风机开度100%、排粉机进口挡板风门开度100%，磨煤机前热风门开度35%，冷风门开度100%，一次风混合箱前热风门、冷风门开度100%。通过变频调节引风机，维持炉膛负压-50 Pa，调节8个可调缩孔，调平一次风速，一次风喷口速度见表3。

表3 一次风喷口速度

3.2 三次风调平试验

在一次风调平基础上，调整磨煤机前冷风门开度为0，热风门开度30%，磨煤机混合风门开度100%，乏汽再循环风门开度100%，通过4个调节电动调节门调平三次风速，三次风门开度均在65%，三次风喷口速度见表4。

表4 三次风喷口速度

3.3 二次风门调节特性试验

启动引风机、送风机。引风机开度100%，送风机进口挡板风门开度100%，一次风混合箱前冷、热风门开度100%，8个一次风可调缩孔保持不变，变频调节引风机维持炉膛负压-50 Pa，对燃烧器上二次风门、中二次风门、下二次风门进行了30%、60%、100%开度下的试验,见表5。

表5 二次风风速与风门开度关系(无磨)

根据表5数据，可以画出风速与风门的关系曲线，见图1。

从图1的曲线看，#1与#4，#2与#3喷口的二次风门调节特性较接近；再有，随着风门开度增加，风速将增加，其中总体上看，60%的开度是个拐点，之后开度增加，风速增加更快。

3.4 风门开度100%情况下二次风喷口风速标定试验

启动引风机,送风机，磨煤机，排风风机。引风机开度100%，送风机进口挡板风门开度100%，排粉机进口挡板风门开度100%，磨煤机前热风门开度35%，冷风门开度100%，一次风混合箱前冷、热风门开度100%，8个一次风可调缩孔保持不变，变频调节引风机维持炉膛负压-50 Pa，燃烧器上二次风门、中二次风门、下二次风门开度100%，测量二次风喷口风速，见表6。

表6 风门开度100%二次风喷口风速(有磨)

从表中可见，表6风速与表5风门开度100%情况风速一样，说明各支路二次风风门开度一定情况下，风速不随启停磨煤机变化。

图1 二次风门调节特性曲线

3.5 送风机不同出力二次风速标定

启动引风机,送风机，磨煤机，排风风机。引风机开度100%，送风机进口挡板风门开度100%，排粉机进口挡板风门开度100%，磨煤机前热风门开度35%，冷风门开度100%，一次风混合箱前冷、热风门开度100%，8个一次风可调缩孔保持不变，变频调节送风机机维持炉膛负压-50 Pa，调节12个二次风门，使得喷口风速为32 m/s，记录下风门开度，见表7。

表7 送风机不同出力情况二次风风门开度

根据表7数据可以得到各个二次风门开度与送风机关系图，见图2。

从图2的曲线看，通过调节二次风门，使二次风速至32 m/s，1#、4#二次风风门开度需比2#、3#风门开度大；且送风机出力在80%以上，风门调节曲线趋于水平，说明送风机出力再增大，二次风门开度无需再调节，也可以认为二次风速在送风机出力80%以上，风速变化不大。

图2 二次风门开度送风机出力关系曲线

从图3的曲线看，送风机出力60%情况下，启磨与停磨工况下，各层二次风风门开度差别不大，风速也一样；另外，送风机出力越大，各层二次风风门开度越小；同时，也可以看出送风机出力80%，100%，风门开度曲线基本吻合，也就是说二次风速在送风机出力80%以上，变化不大。

图3 二次风门开度对比图

3.6 炉膛燃烧切圆测量试验

在下层一次风喷口平面拉设“+”字坐标线(每隔200 mm用彩旗做标识)，用热线风速仪沿“+”字坐标线测量炉膛截面速度，将风速最高点连成一圆圈，如图4，图5。

图4 一次风假想切圆

图5 强风环示意图

根据测量结果，假想切圆中心基本无偏斜，一次风切圆大小约φ1 400 mm。

4 结论

根据以上冷态动力场试验，总结出以下规律：

(1)一次、二次、三次风风速均可达到设计值，且四个角风速一致。

(2)#1与#4，#2与#3喷口的二次风门调节特性较接近；再有，随着风门开度增加，风速将增加，其中60%的开度是个拐点。

(3)各支路二次风风门开度一定情况下，风速不随启停磨煤机变化。

(4)二次风速至32m/s时，1#、4#二次风风门开度需比2#、3#风门开度大；且送风机出力在80%以上，风门调节曲线趋于水平，说明二次风速在送风机出力80%以上，风速变化不大。

(5)送风机出力越大，达到相同的风速，二次风风门开度越小，当送风机出力达80%以上，送风机出力对风门影响不大。

(6)根据测量结果，炉膛燃烧切圆中心基本无偏斜，一次风切圆大小约φ1 400 mm，燃烧器安装完好。