(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

1 前言

隨著國家治理霧霾、煤改電供暖政策的推進，煤改電供暖設備的代表產品之一——固體蓄熱電鍋爐迎來了極大的市場需求。然而，固體蓄熱鍋爐本身存在的弊病(諸如電熱絲或電熱管容易燒壞、蓄熱鍋爐體積龐大等)也得到了業(yè)內人士的廣泛關注。其中，蓄熱鍋爐放熱過程中出現的蓄熱體組溫降不一致問題是電加熱絲或電加熱管燒壞的根源。因此實現蓄熱體組放熱過程溫降一致性問題應引起重視。

圖1 固體蓄熱鍋爐結構原理

固體蓄熱電鍋爐的典型結構如圖1所示，低谷電時段電熱絲通電加熱使蓄熱體的溫度升高至750 ℃左右，非低谷電時段停止加熱，借助循環(huán)風機以及氣水換熱器使蓄熱體降溫并加熱循環(huán)熱水(或其他流體)。初始蓄熱結束時蓄熱體組內各點溫度幾乎相等，而放熱過程中則會因為風道內循環(huán)風流速的不同導致蓄熱體組內溫度的不均勻。這樣，在下一個蓄熱周期內蓄熱過程結束時蓄熱體組內就會存在很大的溫差。如果蓄熱體溫度傳感器設置在流速較小的部位，則自控系統達到設定溫度時，高流速部位蓄熱體的溫度將達不到設定溫度，從而不能充分發(fā)揮蓄熱體的蓄熱能力。反之，如果傳感器設置在流速較大的部位，則自控系統達到設定溫度時，低流速部位蓄熱體的溫度將會嚴重超溫，從而燒壞電加熱絲。由于上述原因，目前許多生產企業(yè)大多采用降低蓄熱鍋爐蓄熱溫度的方法來保證鍋爐運行的可靠性，即通過增加蓄熱體的數量、減小蓄熱體的有效蓄熱溫差來保證足夠的蓄熱量，進而在保證鍋爐蓄熱量的前提下實現鍋爐的可靠運行。這樣做不僅增加了蓄熱鍋爐的成本，而且還增加了鍋爐房的基建投資[1]。因此，實現固體蓄熱鍋爐放熱過程蓄熱體組溫降一致性對提高蓄熱鍋爐的性能至關重要。以某企業(yè)生產的240 kW固體蓄熱鍋爐為例，詳細介紹了采用數值模擬與實驗相結合的手段完善固體蓄熱鍋爐性能工程案例，為同類產品的改進提供了有益的參考。

2 原鍋爐結構及相關參數測試

2.1 原鍋爐配風箱及蓄熱體組換熱風道結構

原有蓄熱鍋爐的配風箱及均風室如圖2所示。循環(huán)風機型號為Y5-47NO.5。配風箱采用單個導流板將風量平均分配給2個支風道，2個支風道分別連接2個均風室，為2個獨立的蓄熱體組模塊提供循環(huán)風。每個蓄熱模塊有60個截面為0.03 m×0.135 m、長度為1.480 m的換熱風道，如圖3所示。均風室為長方體結構，其幾何參數：長×寬×高分別為0.915 m×0.517 m×2.15 m。由于配風箱的結構復雜，導致2個蓄熱模塊，120個換熱風道的風量極不均勻，運行過程中經常出現電加熱絲燒壞的故障。

圖2 原有爐型的配風箱及換熱通道示意圖

圖3 測點位置及編號對應圖

2.2 原鍋爐換熱風道的流速及蓄熱體溫度測試

由于鍋爐在實際使用過程中，電加熱絲燒斷的情況時有發(fā)生，首先對蓄熱體組換熱風道的流速進行了測試。2個蓄熱體組的換熱風道的分布為8列、15行，如圖3所示，換熱風道的位置采用矩陣的形式表示，如A3表示第一行第三列換熱風道。

風速測量采用法國KIMO風速測量儀(可測量大于0.1 m/s的風速)。測量過程風機的頻率分別設定為50.0 Hz、22.9 Hz、10.5 Hz、4.8 Hz和2.2 Hz 5個工況。實驗得到的典型風道的出風口風速如圖4所示。

圖4 換熱通道風量測量實驗結果

從圖4中可以看出，原有爐型在5個運行工況下換熱風道的出口風速均存在較大的差異，低頻率下運行時風速相差較小，高頻率下運行時風速相差很大，對于50 Hz的工況而言，最大出風口的風速C5=17 m/s，最小出風口的風速M6=2.8 m/s，相差約6倍。

另外，還對鍋爐熱態(tài)的溫度進行了測量，圖5是利用JK-XU多路溫度巡檢儀記錄的換熱通道C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8內部32 h的溫度變化情況。

圖5 換熱通道溫度測量試驗結果

從圖5中可以看出，初次蓄熱階段結束時，蓄熱體組的溫度基本相等，而初次放熱結束時，蓄熱體組內部不同點的溫度出現了較大的差別。溫度最低點C5約90 ℃，溫度最高點M6約270 ℃。第二次蓄熱結束時，溫度最低點C5約810 ℃，而溫度最高點M6約1 050 ℃。結合鍋爐運行的情況發(fā)現，電加熱絲經常燒斷的部位正是風速最小、溫度最高的區(qū)域。

2.3 原鍋爐配風箱的數值模擬

圖6 網格劃分示意圖

配風箱的出口風量是否一致是實現蓄熱體換熱風道風量一致性的關鍵。為了分析原鍋爐配風箱的空氣流動情況，利用CFD軟件對其流場進行了數值模擬。模型建立及網格劃分如圖6所示。幾何建模過程中將左右2個出風口分別均分為4等分，對8個等截面的出風口自左向右分別標記為出口1、出口2、…、出口8。鍋爐循環(huán)風機型號為Y-5-47NO.5，幾何建模過程采用了風機的實際幾何參數。網格劃分采用非結構三角形網格，網格總數為52 902。

在利用Fluent軟件進行數值模擬過程中，葉輪的過流部分為旋轉區(qū)域[2]。分別模擬了304 rad/s、139.02 rad/s、63.742 rad/s、29.1 rad/s和13.36 rad/s(對應變頻器頻率為50.0 Hz、22.9 Hz、10.5 Hz、4.8 Hz和2.2 Hz)5種運行工況。風道內流體采用標準湍流模型k-ε，采用SIMPLE算法求解耦合關系，壁面附近采用標準壁面函數。湍流動能、湍流耗散項、動量方程均采用二階迎風格式離散。進口邊界條件為pressure-inlet，出口邊界條件為pressure-outlet。

圖7、圖8分別給出了50 Hz工況下配風箱的速度矢量圖和8個出口空氣的質量流量圖。

從圖7、圖8可以看出，由于送風道結構極不規(guī)則，原設計僅在配風箱內設置了一個導流板，很難使8個出風口的風量相等或接近。尤其右側換熱模塊出風口，風速極不均勻，出風口8的風量幾乎占據了右側出風口的全部風量。這樣的結果將會影響右側蓄熱體組內x方向(水平方向)散熱風道風量的均勻性，最終對蓄熱體放熱過程溫降的一致性帶來很大的困難。

圖7 原鍋爐50 Hz工況下配風箱速度矢量圖

圖8 改進前不同工況下出口1-8的流量

圖9 鍋爐配風箱改進方案示意圖

3 鍋爐配風箱的改進

3.1 改進方案

為了實現配風箱8個出風口風量相等或接近，在多次數值實驗的基礎上，提出了圖9所示的配風箱改進方案,并通過對各導流板角度的多次調整得到了最終的配風箱幾何參數。

3.2 改進后配風箱流場數值模擬結果

圖10、圖11分別給出了配風箱改進后的速度矢量圖和出風口風量分布圖，通過數值模擬可以得到不同頻率下出風口1-8的流量分布情況。

由圖10可以看出，配風箱內部以及8個出風口的速度場得到了明顯的改善。從圖11可以看出，相對原配風箱而言，8個出風口流量的差別已經很小，基本達到了預期的效果。

圖10 改進后配風箱50 Hz工況下速度矢量圖

圖11 改進后不同工況下出口1-8的流量

3.3 配風箱出風口風速均勻性評價

多通道風量的均勻性可利用出風口1-8的風量進行評價，評價方法采用克里斯琴森均勻系數[3]

(1)

顯然，CU值越接近1，整個系統的氣流組織均勻性越好。通過數值模擬的結果整理得到的配風箱改進前后的相關數據及用于評價出口流量均勻性的CU值見表1。

表1 改進前后配風箱50 Hz工況下出口風量均勻性結果

顯然，改進后的配風箱其8個出口流量對應的CU值達到0.956 106 61，在原來的基礎上提高了66%。

4 配風箱改進后蓄熱體換熱風道風速及蓄熱體溫度實測結果

將改進后的配風箱安裝在鍋爐上進行了冷態(tài)流速和熱態(tài)溫度的實際測量，數據曲線見圖12和圖13。

圖12 蓄熱體組換熱通道風速分布

圖13 蓄熱體組換熱通道溫度分布

由圖12可以看出，在5種工況下運行時，典型風口的風速較改進前得到了明顯的改善。由圖13可以看出，典型風口處蓄熱體的溫差也得到了明顯的控制，初次放熱結束時，蓄熱體組內部的最低溫度約120 ℃，最高溫度約170 ℃。第二次蓄熱結束時，最低溫度約700 ℃，最高溫度約750 ℃。顯然，相對于改進前而言，蓄熱體組內部的溫度分布得到了顯著的改善?？梢姡ＷC固體蓄熱鍋爐運行過程中各換熱通道空氣流速盡量一致是實現固體蓄熱電鍋爐放熱過程蓄熱體溫降一致性的有效途徑，并且配風箱各出口風量的一致性直接影響換熱通道內空氣流速的一致性。

5 結論

(1)保證固體蓄熱鍋爐運行過程中各換熱通道風速的均勻性是實現固體蓄熱電鍋爐放熱過程蓄熱體溫降一致性的有效途徑，其中配風箱各出口風量的一致性直接影響換熱通道內風速的一致性。

(2)在復雜形狀配風箱內設置導流板可實現配風箱出口空氣流量的一致性。為達到這一目的，采用數值模擬的方法來完善配風箱的流場是一種行之有效的方法。