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。

1 高效煤粉鍋爐系統(tǒng)介紹

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。

1.1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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 ℃。

1.2 燃燒器配風(fēng)參數(shù)(見(jiàn)表1)

表1 配風(fēng)參數(shù)[8]

1.3 風(fēng)機(jī)參數(shù)(見(jiàn)表2)

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

2.1 爐內(nèi)冷態(tài)模擬條件

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/℃。

2.2 計(jì)算結(jié)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。

3 試驗(yàn)過(guò)程

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。

3.1 一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)

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

3.2 三次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)

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

3.3 二次風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)

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。

3.4 風(fēng)門(mén)開(kāi)度100%情況下二次風(fēng)噴口風(fēng)速標(biāo)定試驗(yàn)

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

3.5 送風(fēng)機(jī)不同出力二次風(fēng)速標(biāo)定

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

3.6 爐膛燃燒切圓測(cè)量試驗(yàn)

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。

4 結(jié)論

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。