沈?yàn)I文
(武漢武鍋能源工程有限公司 動(dòng)力鍋爐事業(yè)部,湖北 武漢 430000)
對(duì)于發(fā)電用煤粉鍋爐而言,燃燒的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性十分重要,而燃燒的好壞取決于燃燒器及爐膛的空氣動(dòng)力學(xué)工況[1-2]。新安裝的鍋爐通常通過(guò)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn),來(lái)模擬熱態(tài)的空氣動(dòng)力場(chǎng)情況。它不僅可以為熱態(tài)運(yùn)行提供依據(jù),而且為避免結(jié)焦,爐膛火焰偏心,實(shí)際燃燒切圓的大小測(cè)量等問(wèn)題提供幫助[3-7]。
為了探究爐膛內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)對(duì)燃燒的影響,各國(guó)從上世紀(jì)中葉開(kāi)始采取各種方法對(duì)其進(jìn)行研究。有用數(shù)值模擬的方法對(duì)爐膛內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行分析的,也有用實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)際爐膛,進(jìn)而分析其空氣動(dòng)力場(chǎng)的,也有實(shí)際鍋爐進(jìn)行冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)模擬熱態(tài)工況的。我國(guó)十分重視研究空氣動(dòng)力場(chǎng)對(duì)鍋爐燃燒的影響,國(guó)內(nèi)大專院校、研究所、設(shè)計(jì)院及鍋爐廠對(duì)空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究,取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
現(xiàn)就某電廠一臺(tái)武漢鍋爐集團(tuán)有限公司制造的WGZ100/3.82-1型固態(tài)排渣高效煤粉鍋爐進(jìn)行冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)。為使得冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與熱態(tài)工況接近,需滿足冷態(tài)?;臈l件。通過(guò)冷態(tài)下燃燒器一次、二次、三次風(fēng)噴口的空氣動(dòng)力情況,獲得熱態(tài)多種工況的調(diào)節(jié)措施,并掌握其規(guī)律。
WGZ100/3.82-1型高效煤粉鍋爐采用的固態(tài)排渣、π型布置、單排柱、單汽包、水自然循環(huán)器結(jié)構(gòu)。該鍋爐采用溫風(fēng)送粉,中間倉(cāng)儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)。燃燒器噴口采用四角切圓布置,噴口配風(fēng)布置自下而上為:二、一、二、一、二、三、分離式燃盡風(fēng)(Separated Over Fired Air,SOFA)。一次風(fēng)共計(jì)8個(gè)噴口,二次風(fēng)共計(jì)12個(gè)噴口,三次風(fēng)共計(jì)4個(gè)噴口,其中一個(gè)噴口配備一個(gè)風(fēng)門(mén)。鍋爐配備一臺(tái)磨煤機(jī),熱態(tài)運(yùn)行時(shí)存在開(kāi)啟磨煤機(jī)和停磨煤機(jī)運(yùn)行兩種工況。
鍋爐設(shè)計(jì)煤種為府谷煙煤,主蒸汽流量100 t/h,主蒸汽壓力3.82 MPa,主蒸汽溫度450 ℃,給水溫度104 ℃,熱風(fēng)溫度310 ℃。
表1 配風(fēng)參數(shù)[8]
表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)
使冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與熱態(tài)氣流工況盡量接近,需滿足的條件有以下幾點(diǎn)。
2.1.1 幾何相似[9]
試驗(yàn)設(shè)備與實(shí)際設(shè)備的結(jié)構(gòu)相似,尺寸成比例,因?yàn)楸驹囼?yàn)就在實(shí)際鍋爐上進(jìn)行,幾何相似的條件滿足。
2.1.2 流動(dòng)相似[9]
試驗(yàn)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)與熱態(tài)時(shí)相似,要求冷態(tài)時(shí)的雷諾數(shù)Re冷與熱態(tài)時(shí)的平均雷諾數(shù)Re熱,或者Re冷大于等于流動(dòng)自?;呐R界Re,此時(shí)流體慣性力遠(yuǎn)大于粘性力,流動(dòng)圖形不隨Re變化而變化[10-11]。即
Re冷≥Re臨
(1)
W冷dn/?3Re臨
(2)
W冷Re臨J/dn
(3)
W冷≥W臨
(4)
式中Re冷——冷態(tài)下的雷諾數(shù);
Re臨——臨界下的雷諾數(shù);
W冷——冷態(tài)下的流體速度/m·s-1;
?——冷態(tài)下的流體運(yùn)動(dòng)粘度/m2·s-1;
dn——噴口的當(dāng)量直徑/m;
W臨——臨界流體速度/m·s-1。
2.1.3 邊界相似[9]
要使燃燒器的風(fēng)量分配方式與熱態(tài)相似,要求各噴口射流的冷熱態(tài)動(dòng)量相等[12],經(jīng)轉(zhuǎn)化后得出一、二、三次風(fēng)冷態(tài)風(fēng)速計(jì)算公式為
(5)
(6)
(7)
式中W2冷——二次風(fēng)噴口冷態(tài)速度/m·s-1;
W2熱——二次風(fēng)噴口熱態(tài)速度/m·s-1;
T2冷——二次風(fēng)冷態(tài)溫度/℃;
T2熱——二次風(fēng)熱態(tài)溫度/℃;
W1冷——一次風(fēng)噴口冷態(tài)速度/m·s-1;
W1熱——一次風(fēng)噴口熱態(tài)速度/m·s-1;
T1熱——一次風(fēng)熱態(tài)溫度/℃;
μ——一次風(fēng)中煤粉的質(zhì)量濃度/kg·m-3;
K——煤粉相對(duì)一次風(fēng)氣流的滯留系數(shù);
W3冷——三次風(fēng)噴口冷態(tài)速度/m·s-1;
W3熱——三次風(fēng)噴口熱態(tài)速度/m·s-1;
T3熱——三次風(fēng)熱態(tài)溫度/℃。
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臨=9.2 m/s(其中:?=15.2×10-6m2/s,Re臨=1.8×105,d1n=0.297 m)
W2臨=13.2 m/s(其中:?=15.2×10-6m2/s,Re臨=1.8×105,d2n=0.207 m)
W3臨=10.3 m/s(其中:?=15.2×10-6m2/s,Re臨=1.8×105,d1n=0.266 m)
式中W1臨——一次風(fēng)臨界速度/m·s-1;
W2臨——二次風(fēng)臨界速度/m·s-1;
W3臨——三次風(fēng)臨界速度/m·s-1;
d1n——一次風(fēng)噴口當(dāng)量直徑/m;
d2n——二次風(fēng)噴口當(dāng)量直徑/m;
d3n——三次風(fēng)噴口當(dāng)量直徑/m。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,一、二、三次風(fēng)冷態(tài)風(fēng)速均大于臨界速度,滿足冷態(tài)模擬的條件。
根據(jù)以上計(jì)算值,利用已標(biāo)定過(guò)的熱線風(fēng)速儀對(duì)各噴口處的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)調(diào)節(jié)一次風(fēng)風(fēng)道上的可調(diào)縮孔,將同一層的一次風(fēng)噴口風(fēng)速調(diào)到30.89 m/s左右;通過(guò)調(diào)節(jié)三次風(fēng)風(fēng)道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén),將同一層的三次風(fēng)噴口風(fēng)速調(diào)到45.47 m/s左右;通過(guò)調(diào)節(jié)二次風(fēng)風(fēng)道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén),將同一層的二次風(fēng)噴口風(fēng)速調(diào)到32.44 m/s左右,而熱態(tài)運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)燃燒的手段主要是二次風(fēng),需要掌握二次風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)特性,以及不同工況下噴口的風(fēng)速情況。
啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)。送風(fēng)機(jī)開(kāi)度100%、排粉機(jī)進(jìn)口擋板風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,磨煤機(jī)前熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度35%,冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,一次風(fēng)混合箱前熱風(fēng)門(mén)、冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%。通過(guò)變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī),維持爐膛負(fù)壓-50 Pa,調(diào)節(jié)8個(gè)可調(diào)縮孔,調(diào)平一次風(fēng)速,一次風(fēng)噴口速度見(jiàn)表3。
表3 一次風(fēng)噴口速度
在一次風(fēng)調(diào)平基礎(chǔ)上,調(diào)整磨煤機(jī)前冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度為0,熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度30%,磨煤機(jī)混合風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,乏汽再循環(huán)風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,通過(guò)4個(gè)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)平三次風(fēng)速,三次風(fēng)門(mén)開(kāi)度均在65%,三次風(fēng)噴口速度見(jiàn)表4。
表4 三次風(fēng)噴口速度
啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)開(kāi)度100%,送風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,一次風(fēng)混合箱前冷、熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,8個(gè)一次風(fēng)可調(diào)縮孔保持不變,變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)維持爐膛負(fù)壓-50 Pa,對(duì)燃燒器上二次風(fēng)門(mén)、中二次風(fēng)門(mén)、下二次風(fēng)門(mén)進(jìn)行了30%、60%、100%開(kāi)度下的試驗(yàn),見(jiàn)表5。
表5 二次風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)門(mén)開(kāi)度關(guān)系(無(wú)磨)
根據(jù)表5數(shù)據(jù),可以畫(huà)出風(fēng)速與風(fēng)門(mén)的關(guān)系曲線,見(jiàn)圖1。
從圖1的曲線看,#1與#4,#2與#3噴口的二次風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)特性較接近;再有,隨著風(fēng)門(mén)開(kāi)度增加,風(fēng)速將增加,其中總體上看,60%的開(kāi)度是個(gè)拐點(diǎn),之后開(kāi)度增加,風(fēng)速增加更快。
啟動(dòng)引風(fēng)機(jī),送風(fēng)機(jī),磨煤機(jī),排風(fēng)風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)開(kāi)度100%,送風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,排粉機(jī)進(jìn)口擋板風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,磨煤機(jī)前熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度35%,冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,一次風(fēng)混合箱前冷、熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,8個(gè)一次風(fēng)可調(diào)縮孔保持不變,變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)維持爐膛負(fù)壓-50 Pa,燃燒器上二次風(fēng)門(mén)、中二次風(fēng)門(mén)、下二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,測(cè)量二次風(fēng)噴口風(fēng)速,見(jiàn)表6。
表6 風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%二次風(fēng)噴口風(fēng)速(有磨)
從表中可見(jiàn),表6風(fēng)速與表5風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%情況風(fēng)速一樣,說(shuō)明各支路二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度一定情況下,風(fēng)速不隨啟停磨煤機(jī)變化。
圖1 二次風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)特性曲線
啟動(dòng)引風(fēng)機(jī),送風(fēng)機(jī),磨煤機(jī),排風(fēng)風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)開(kāi)度100%,送風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,排粉機(jī)進(jìn)口擋板風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,磨煤機(jī)前熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度35%,冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,一次風(fēng)混合箱前冷、熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%,8個(gè)一次風(fēng)可調(diào)縮孔保持不變,變頻調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)機(jī)維持爐膛負(fù)壓-50 Pa,調(diào)節(jié)12個(gè)二次風(fēng)門(mén),使得噴口風(fēng)速為32 m/s,記錄下風(fēng)門(mén)開(kāi)度,見(jiàn)表7。
表7 送風(fēng)機(jī)不同出力情況二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度
根據(jù)表7數(shù)據(jù)可以得到各個(gè)二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度與送風(fēng)機(jī)關(guān)系圖,見(jiàn)圖2。
從圖2的曲線看,通過(guò)調(diào)節(jié)二次風(fēng)門(mén),使二次風(fēng)速至32 m/s,1#、4#二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度需比2#、3#風(fēng)門(mén)開(kāi)度大;且送風(fēng)機(jī)出力在80%以上,風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)曲線趨于水平,說(shuō)明送風(fēng)機(jī)出力再增大,二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度無(wú)需再調(diào)節(jié),也可以認(rèn)為二次風(fēng)速在送風(fēng)機(jī)出力80%以上,風(fēng)速變化不大。
圖2 二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度送風(fēng)機(jī)出力關(guān)系曲線
從圖3的曲線看,送風(fēng)機(jī)出力60%情況下,啟磨與停磨工況下,各層二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度差別不大,風(fēng)速也一樣;另外,送風(fēng)機(jī)出力越大,各層二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度越?。煌瑫r(shí),也可以看出送風(fēng)機(jī)出力80%,100%,風(fēng)門(mén)開(kāi)度曲線基本吻合,也就是說(shuō)二次風(fēng)速在送風(fēng)機(jī)出力80%以上,變化不大。
圖3 二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)比圖
在下層一次風(fēng)噴口平面拉設(shè)“+”字坐標(biāo)線(每隔200 mm用彩旗做標(biāo)識(shí)),用熱線風(fēng)速儀沿“+”字坐標(biāo)線測(cè)量爐膛截面速度,將風(fēng)速最高點(diǎn)連成一圓圈,如圖4,圖5。
圖4 一次風(fēng)假想切圓
圖5 強(qiáng)風(fēng)環(huán)示意圖
根據(jù)測(cè)量結(jié)果,假想切圓中心基本無(wú)偏斜,一次風(fēng)切圓大小約φ1 400 mm。
根據(jù)以上冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn),總結(jié)出以下規(guī)律:
(1)一次、二次、三次風(fēng)風(fēng)速均可達(dá)到設(shè)計(jì)值,且四個(gè)角風(fēng)速一致。
(2)#1與#4,#2與#3噴口的二次風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)特性較接近;再有,隨著風(fēng)門(mén)開(kāi)度增加,風(fēng)速將增加,其中60%的開(kāi)度是個(gè)拐點(diǎn)。
(3)各支路二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度一定情況下,風(fēng)速不隨啟停磨煤機(jī)變化。
(4)二次風(fēng)速至32m/s時(shí),1#、4#二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度需比2#、3#風(fēng)門(mén)開(kāi)度大;且送風(fēng)機(jī)出力在80%以上,風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)曲線趨于水平,說(shuō)明二次風(fēng)速在送風(fēng)機(jī)出力80%以上,風(fēng)速變化不大。
(5)送風(fēng)機(jī)出力越大,達(dá)到相同的風(fēng)速,二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度越小,當(dāng)送風(fēng)機(jī)出力達(dá)80%以上,送風(fēng)機(jī)出力對(duì)風(fēng)門(mén)影響不大。
(6)根據(jù)測(cè)量結(jié)果,爐膛燃燒切圓中心基本無(wú)偏斜,一次風(fēng)切圓大小約φ1 400 mm,燃燒器安裝完好。