(中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司,陜西 西安 710032)

隨著國家對(duì)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性要求的不斷提高,采用高參數(shù)、大容量的電站鍋爐勢(shì)在必行,目前國內(nèi)所投運(yùn)的大容量電站鍋爐仍以四角切圓燃燒布置方式為主,但四角切圓鍋爐普遍存在爐膛出口煙溫偏差大、單只燃燒器熱功率高、燃燒器易燒毀、煤粉射程長、射流衰減性不一致、熱負(fù)荷分配不均、爐膛易結(jié)焦、煙氣易沖刷水冷壁等諸多問題。針對(duì)以上情況,國內(nèi)外采用單爐膛雙切圓的燃燒布置方式。八角雙切圓燃燒鍋爐通過增加燃燒器數(shù)目減少了單只燃燒器的熱功率,使熱負(fù)荷分配均勻、煤粉射程短,防結(jié)渣性能好,降低了煙溫偏差。

隨著國內(nèi)單爐膛雙切圓百萬超超臨界機(jī)組的陸續(xù)投產(chǎn),深入掌握八角切圓爐膛內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)對(duì)于后期鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。其中,冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)是研究大型鍋爐燃燒問題的一個(gè)重要手段,它利用相似原理模擬熱態(tài)燃燒時(shí)爐膛內(nèi)的氣流分布,通過冷態(tài)條件下空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布來判斷爐膛內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)、切圓的大小以及是否偏離設(shè)計(jì)中心、氣流是否沖刷水冷壁、煤粉射流的衰減性、氣流在爐膛的充滿度、水平煙道煙氣流速的均勻性、燃燒器配風(fēng)等特性,為鍋爐熱態(tài)燃燒調(diào)整指明了方向,減少了熱態(tài)調(diào)整的盲目性和工作量,對(duì)于大修機(jī)組以及新建機(jī)組的燃燒調(diào)整具有重要意義。

1 鍋爐爐型簡介

寧夏某電廠2h1100 MW超超臨界鍋爐采用中速磨冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)、負(fù)壓爐膛、平衡通風(fēng)制粉、低NOX主燃燒器和高位燃盡風(fēng)分級(jí)燃燒技術(shù)、反向雙切圓燃燒方式。每爐配6臺(tái)中速磨,均布置在爐膛左側(cè),在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(Boiler Maximum Continue Rate,BMCR)工況下5運(yùn)1備；設(shè)計(jì)煤種煤粉細(xì)度為R90=17%,均勻性指數(shù)n=1.05。其燃燒器采用前后墻布置,共計(jì)8只,前后墻各布置4只燃燒器,在爐膛內(nèi)部形成反向雙切圓,即由燃燒器No.3、No.4、No.5、No.6在爐膛左半部分中心形成順時(shí)針旋向的假想切園；由燃燒器No.1、No.2、No.7、No.8在爐膛右半部分中心形成逆時(shí)針旋向的假想切圓,切圓及燃燒器布置見圖1。在BMCR工況下,一次風(fēng)、二次風(fēng)及爐膛的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 雙切圓鍋爐流場(chǎng)形態(tài)

表1 一二次風(fēng)及爐膛在BMCR工況下的主要參數(shù)

2 鍋爐冷態(tài)?；?/h2>

冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)通過冷態(tài)時(shí)爐內(nèi)氣流分布特性來為熱態(tài)運(yùn)行提供參考,因此冷態(tài)試驗(yàn)與熱態(tài)BMCR工況氣流分布結(jié)構(gòu)必須具有相似性。鍋爐一般在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù),處于自?；瘏^(qū),所以只要冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)爐膛內(nèi)以及一二次風(fēng)噴口處的氣流滿足臨界雷諾數(shù)條件,處于自?；瘏^(qū),則可用冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)M熱態(tài)燃燒工況。對(duì)于不同種類的燃燒器,進(jìn)入自?；瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)一般為3.1h104～7.5h104,由于進(jìn)入自?；瘏^(qū)后氣流分布狀況不再隨著雷諾數(shù)的增加而變化,因此本文計(jì)算中選取臨界雷諾數(shù)為105。根據(jù)以上原理,進(jìn)行爐內(nèi)冷態(tài)等溫?；囼?yàn)需要滿足如下條件。

(1)保持氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入自模化區(qū)

保持在冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自模化區(qū)(即當(dāng)進(jìn)入自?；瘏^(qū)時(shí),氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將不再隨著雷諾數(shù)的變化而變化,氣流分布結(jié)構(gòu)不再變化),要求在冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)不僅一二次風(fēng)噴口射流的雷諾數(shù)滿足條件,而且也要保證爐內(nèi)氣流的雷諾數(shù)大于或等于臨界雷諾數(shù),使氣流進(jìn)入?；瘏^(qū)。

(2)模型與實(shí)物幾何相似

由于此冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)是在實(shí)際的鍋爐上進(jìn)行,滿足幾何相似條件。

(3)邊界條件相似

邊界條件的相似即要求冷態(tài)模型與熱態(tài)實(shí)際運(yùn)行工況下各層氣流動(dòng)量比相等,這一條件可通過冷態(tài)?；L(fēng)速的控制來滿足。

3 冷態(tài)?；L(fēng)速的計(jì)算

在冷態(tài)?；囼?yàn)時(shí),可根據(jù)動(dòng)量比計(jì)算出冷態(tài)條件下一、二次風(fēng)的風(fēng)速,即?；L(fēng)速,然后根據(jù)?；L(fēng)速進(jìn)行爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)的測(cè)量判斷,并與熱態(tài)工況的氣流結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析,從而為指導(dǎo)鍋爐實(shí)際運(yùn)行提供依據(jù)。冷態(tài)時(shí)一次風(fēng)的動(dòng)量只有一次風(fēng)一部分,而在實(shí)際運(yùn)行過程中,一次風(fēng)動(dòng)量由一次風(fēng)和煤粉的動(dòng)量兩部分組成,所以一次風(fēng)、二次風(fēng)動(dòng)量比為：

式中：m1M為冷態(tài)試驗(yàn)條件下一次風(fēng)噴口的一次風(fēng)質(zhì)量流量(kg/s)；m2M為冷態(tài)試驗(yàn)條件下二次風(fēng)噴口的二次風(fēng)質(zhì)量流量(kg/s)；m1air為BMCR工況下一次風(fēng)噴口的一次風(fēng)質(zhì)量流量(kg/s)；m1coal為BMCR工況下一次風(fēng)攜帶的煤粉的質(zhì)量流量(kg/s)；m2air為為BMCR工況下二次風(fēng)噴口的二次風(fēng)質(zhì)量流量(kg/s)；w1M為冷態(tài)試驗(yàn)條件下一次風(fēng)噴口的一次風(fēng)速度(m/s)；w2M為冷態(tài)試驗(yàn)條件下二次風(fēng)噴口的二次風(fēng)速度(m/s)；w2air為BMCR工況下二次風(fēng)噴口的二次風(fēng)速度(m/s)。

上式中熱態(tài)工況一次風(fēng)動(dòng)量可化簡為：

式中：ρ1air為BMCR工況下一次風(fēng)密度(kg/m3)；D1air為一次風(fēng)噴口的截面積(m2)；k為考慮一次風(fēng)流速與煤粉流速不同的系數(shù),近似取0.8。

式中：u為一次風(fēng)管內(nèi)煤粉的質(zhì)量濃度(kg/kg)。

根據(jù)表1可知該鍋爐單臺(tái)磨煤機(jī)計(jì)算通風(fēng)量為145.19 t/h,單臺(tái)磨煤機(jī)的密封風(fēng)量為7.245 t/h,磨煤機(jī)出力為94.89 t/h,則一次風(fēng)管內(nèi)煤粉的質(zhì)量濃度為：

將式(3)帶入式(2)可得：

式(4)化簡為：

由于在冷態(tài)?；瘲l件下和熱態(tài)實(shí)際工況下,燃燒器幾何相似,所以有：

在冷態(tài)模化試驗(yàn)時(shí),一次風(fēng)溫度和二次風(fēng)的溫度相等,即t1M=t2M,由氣體狀態(tài)方程可知：

將式(6)、(7)、(8)帶入式(5)中,可將式(5)化簡為：

一次風(fēng)、二次風(fēng)的速度根據(jù)冷態(tài)模化與實(shí)際熱態(tài)出口射流的雷諾數(shù)相等或歐接數(shù)相等計(jì)算,并要保證冷態(tài)爐膛雷諾數(shù)進(jìn)入自?；瘏^(qū)。

3.1 根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算風(fēng)速

3.1.1 利用二次風(fēng)速計(jì)算一次風(fēng)速

對(duì)于二次風(fēng),根據(jù)冷態(tài)模化與實(shí)際熱態(tài)工況雷諾數(shù)相等有：

不管冷態(tài)還是熱態(tài)工況,二次風(fēng)噴口的尺寸不變,即L2M=L2air,所以有：

表2 不同溫度下對(duì)應(yīng)的參數(shù)

表2為不同溫度下的對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù),將表2中數(shù)值帶入式(11)中,可得冷態(tài)?；瘯r(shí)的二次風(fēng)速為：

根據(jù)式(9)可得冷態(tài)模化條件下一次風(fēng)速為：

則根據(jù)雷諾數(shù)相等求得的一次風(fēng)風(fēng)速為12.35 m/s,二次風(fēng)風(fēng)速為14.06 m/s。在二次風(fēng)速率為14.06 m/s時(shí),雷諾數(shù)為：

3.1.2 根據(jù)一次風(fēng)速計(jì)算二次風(fēng)速

同樣對(duì)于一次風(fēng),根據(jù)冷態(tài)?；cBMCR工況下雷諾數(shù)相等有：

由于在冷態(tài)?；cBMCR工況下,一次風(fēng)噴口尺寸不變,即L1M=L1air,所以有：

將表2中數(shù)值帶入式(13)和式(9)中,可得冷態(tài)?；瘯r(shí)一次風(fēng)風(fēng)速為19.98 m/s,二次風(fēng)風(fēng)速為22.74 m/s。

3.2 根據(jù)歐拉數(shù)計(jì)算風(fēng)速

3.2.1 利用二次風(fēng)速計(jì)算一次風(fēng)速

根據(jù)冷態(tài)模化試驗(yàn)與熱態(tài)時(shí)幾何相似,歐拉數(shù)相等,對(duì)于燃燒器二次風(fēng)有：

即：

則冷態(tài)?；囼?yàn)時(shí)二次風(fēng)速為：

在冷態(tài)?；囼?yàn)工況與BMCR工況下流動(dòng)阻力按近似相等處理,即有：

根據(jù)式(16)和(17)可得：

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式(18)中,可得：

根據(jù)式(9)可得冷態(tài)?；瘲l件下一次風(fēng)的速度：

則根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算的冷態(tài)模化條件下一次風(fēng)風(fēng)速為30.2 m/s,二次風(fēng)風(fēng)速為34.6 m/s。

二次風(fēng)風(fēng)速為34.6 m/s時(shí),雷諾數(shù)為：

3.2.2 利用一次風(fēng)速計(jì)算二次風(fēng)速

根據(jù)歐拉數(shù)相等,對(duì)于燃燒器一次風(fēng)有：

即：

則冷態(tài)?；囼?yàn)時(shí)一次風(fēng)速為：

在冷態(tài)?；囼?yàn)工況與BMCR工況下流動(dòng)阻力按相同處理,即有：

根據(jù)式(21)和(22)可得：

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式(23)和式(9)中,可得一次風(fēng)風(fēng)速為24.87 m/s,二次風(fēng)風(fēng)速為28.3 m/s。

表3 不同方法計(jì)算的一、二次風(fēng)速

表3為不同方法計(jì)算的一、二次風(fēng)速,以上四種計(jì)算都保證了二次風(fēng)和一次風(fēng)噴口射流的相似,在冷態(tài)試驗(yàn)工況下不僅要保證一、二次風(fēng)噴口射流的相似,也要確保整個(gè)爐膛雷諾數(shù)滿足自?；瘏^(qū)的條件。為了確保冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)爐膛內(nèi)的氣流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū),需要對(duì)其一次風(fēng)進(jìn)行校核計(jì)算,校核時(shí)若進(jìn)入爐膛的最小一次風(fēng)量能夠滿足爐膛內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū),則其余工況均可滿足自模化的條件。最小風(fēng)量工況為單層一次風(fēng)射流冷態(tài)試驗(yàn)工況,單層一次風(fēng)的最小體積流量為：

式中：Qmin為最小體積流量(m3/s)；D為燃燒器一次風(fēng)噴口面積(m2)；(w1M)min為爐膛內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū)時(shí)一次風(fēng)噴口的最小速度(m/s)。

則整個(gè)爐膛斷面的最小風(fēng)速可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：wmin為爐膛斷面的最小風(fēng)速(m/s)；F為爐膛斷面的截面積(m2)。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可知鍋爐爐膛的寬為34.22 m,深度為16.738 m,則爐膛斷面的截面積為572.77 m2。

要使?fàn)t膛內(nèi)的氣流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自模化區(qū),則爐膛內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)最小雷諾數(shù)Remin要大于臨界雷諾數(shù)1.0h105。最小雷諾數(shù)為：

式中：L為爐膛截面積的定性尺寸(m)；γ為冷態(tài)?；囼?yàn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)。

結(jié)合(24)、(25)和(26)可求得爐膛內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū)時(shí)一次風(fēng)噴口的最小速度(w1M)min為10.07 m/s。結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知,不同計(jì)算方法所計(jì)算的一次風(fēng)速都能滿足爐膛內(nèi)氣流進(jìn)入自?；瘏^(qū),在實(shí)際進(jìn)行冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)冷態(tài)風(fēng)速應(yīng)盡量選擇大一些,這樣也可使風(fēng)速測(cè)量更準(zhǔn)確。因此,冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速應(yīng)選擇一次風(fēng)速為30.2 m/s,二次風(fēng)速為34.6 m/s。若在冷態(tài)試驗(yàn)過程中,由于風(fēng)機(jī)出力不夠等原因滿足不了計(jì)算風(fēng)速,風(fēng)速選擇時(shí)可依據(jù)從大到小的原則。

4 動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)方法

4.1 試驗(yàn)的主要內(nèi)容

(1)燃燒器安裝位置的檢查和校驗(yàn)。

(2)射流的射程、射流的偏斜程度以及射流軸向速度的衰減性。

(3)射流形成的切圓的大小及中心位置。

(4)鍋爐爐膛貼壁風(fēng)的測(cè)量,在距離水冷壁0.5～1 m處測(cè)量貼壁風(fēng)的大小,判斷是否對(duì)水冷壁形成沖刷,容易出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

(5)爐膛氣流充滿度是否較好(充滿度用有效氣流面積占整個(gè)爐膛面積的占比來表示)。

(6)爐膛出口氣流分布的均勻性,測(cè)量水平煙道速度場(chǎng)的分布(爐膛出口的氣溫偏差,煙溫偏差以及局部的超溫與水平煙道煙氣流速的偏差有很大關(guān)系)。

4.2 動(dòng)力場(chǎng)合格的標(biāo)準(zhǔn)

(1)燃燒器的安裝位置跟設(shè)計(jì)位置一致,出口面平整無變形。

(2)貼壁風(fēng)分布均勻且大小合適,最大貼壁風(fēng)小于3 m/s。

(3)一次風(fēng)的衰減具有同一性,在距離煤粉出口相同距離風(fēng)速偏差在5%以內(nèi),在射流無衰減處,距噴口的距離相等。

(4)爐膛具有良好的火焰充滿度,并形成區(qū)域適中的燃燒火焰中心。

(5)測(cè)量的切圓圓心與設(shè)計(jì)圓心偏差在允許范圍內(nèi),測(cè)量的切圓直徑在設(shè)計(jì)直徑的3～8倍。

(6)提供合理的一二次風(fēng)配比,使著火燃料能及時(shí)得到充分的空氣供應(yīng),并均勻擴(kuò)撒混合,使燃料充分燃盡。

5 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)選取三種典型的工況作為試驗(yàn)工況：(1)單投B磨一次風(fēng),不投二次風(fēng)時(shí)爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)的分布情況；(2)一次風(fēng)投B磨,二次風(fēng)投BBL和BBU后爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)分布情況；(3)一次風(fēng)投A、B、C磨,二次風(fēng)投AAL、A層、AAU、AB、BBL、B層、BBU、CCL、C層和CCU后空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布。以上三個(gè)工況中,AAL表示A燃燒器下一層的二次風(fēng),AAU表示為A燃燒器上一層的二次風(fēng),AB為AAU和BBL之間的二次風(fēng),同理,B、C以此類推。在進(jìn)行動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),以爐膛的中心線拉4號(hào)鐵絲(雙十字型)；雙十字線高度為B一次風(fēng)噴口中心,雙十字線上粘布條,兩個(gè)布條之間的距離為0.5 m,測(cè)量風(fēng)速時(shí),燃燒器噴口的架子等障礙物必須拆除,以免影響氣流風(fēng)向。風(fēng)速為計(jì)算的冷態(tài)?；L(fēng)速,即一次風(fēng)為30.2 m/s,二次風(fēng)為34.6 m/s。

圖2為三種工況下B層斷面速度分布圖,俯看鍋爐截面,單投B磨一次風(fēng)時(shí),爐膛左側(cè)各點(diǎn)風(fēng)向均為順時(shí)針方向,分別以前后墻最大風(fēng)速測(cè)點(diǎn)間距離為長軸、左右墻最大風(fēng)速測(cè)點(diǎn)間距離為短軸,構(gòu)成一個(gè)近似橢圓形,橢圓長軸約為9.2 m,短軸約為7.0 m,爐膛右側(cè)各點(diǎn)風(fēng)向均為逆時(shí)針方向,其最大風(fēng)速測(cè)點(diǎn)間也構(gòu)成一個(gè)橢圓,橢圓長軸為9.2 m,短軸為7.4 m,爐膛內(nèi)左右兩個(gè)橢圓圓心與燃燒設(shè)計(jì)中心相重合,與設(shè)計(jì)假想切圓基本吻合,偏心小,一次風(fēng)氣流無明顯沖刷墻壁的現(xiàn)象,且爐膛充滿度較好。投B磨一次風(fēng)且投入二次風(fēng)之后十字拉線上測(cè)點(diǎn)速度整體變大,這是由于隨著二次風(fēng)與一次風(fēng)動(dòng)壓比的增大,爐膛內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量增加,對(duì)射流的橫向撞擊力增加,并且,隨著二次風(fēng)動(dòng)量增加,射流本身的抗偏轉(zhuǎn)能力加強(qiáng)。爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑的大小取決于射流本身抗偏轉(zhuǎn)能力和旋轉(zhuǎn)氣流動(dòng)量的增加程度的綜合作用。經(jīng)過試驗(yàn)證明,隨著二次風(fēng)和一次風(fēng)動(dòng)量比的增加,爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑?jīng)]有變大,各角一次風(fēng)氣流均勻,并且爐膛充滿度較好,這可以防止煤粉氣流貼壁,減少還原性氣體的生成,有效地防止燃燒器和爐膛結(jié)渣。在投A、B、C磨以及下面10層二次風(fēng)全投后B層斷面氣流形成的橢圓長軸為10.2 m,短軸為7.5 m,橢圓略大于前兩種工況,這是由于A層射流在旋轉(zhuǎn)上升過程中,切向速度增加,橢圓有向水冷壁擴(kuò)展的趨勢(shì)。根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值：一般規(guī)定測(cè)量切圓直徑為設(shè)計(jì)切圓直徑的3～8倍,當(dāng)測(cè)量直徑為設(shè)計(jì)直徑的7～8倍時(shí),易造成沖刷水冷壁和結(jié)焦等問題。由于該鍋爐設(shè)計(jì)切圓直徑為1.678 m,冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的切圓直徑約為設(shè)計(jì)切圓的5倍,說明該鍋爐運(yùn)行時(shí)氣流分布均勻,能夠有效防止煤粉氣流沖刷水冷壁。

圖2 B層斷面速度分布

6 結(jié)語

(1)八角反向雙切圓燃燒鍋爐通過增加燃燒器數(shù)目減少了單只燃燒器的熱功率,使熱負(fù)荷分配均勻、煤粉射程短,防結(jié)渣性能好,降低了煙溫偏差。

(2)通過動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)的分析,用不同方法計(jì)算了在冷態(tài)?；囼?yàn)時(shí)應(yīng)達(dá)到的一、二次風(fēng)的風(fēng)速,避免了冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)量及風(fēng)速分配的盲目性,為后續(xù)試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

(3)冷態(tài)模化風(fēng)速條件下,爐膛內(nèi)左右兩個(gè)橢圓圓心與燃燒設(shè)計(jì)中心相重合,大小與設(shè)計(jì)假想切圓基本吻合,一次風(fēng)氣流無明顯沖刷墻壁的現(xiàn)象,且爐膛充滿度較好。在投A、B、C磨以及下面10層二次風(fēng)全投后B層斷面氣流形成的橢圓長軸為10.2 m,短軸為7.5 m,試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的切圓直徑為設(shè)計(jì)切圓的5倍左右,說明該鍋爐運(yùn)行時(shí)氣流分布均勻,能夠有效防止煤粉氣流沖刷水冷壁。