燃烧器配风对W型火焰锅炉炉内空气动力场影响的实验研究.PDF

第19卷 第1期应用力学学报Vol.19 No.1 2002年3月CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICSMar.2002 文章编号100024939200101200018205 燃烧器配风对W型火焰锅炉炉内 空气动力场影响的实验研究 Ξ 何立明1 张建邦1 李晓勇1 车 刚2 徐通模2 惠世恩2 空军工程大学 西安 7100381西安交通大学 西安 7100492 摘要针对珞璜电厂引进法国Stein公司360MW的W型火焰锅炉进行了冷态模化研究,采用热线 风速仪对炉内流场进行测试,研究了燃烧器配风改变各次风动量流率比对炉内空气动力场的影 响规律,并对所得结果进行了比较与分析。研究表明,燃烧器各次风的合理配比对W型火焰锅炉 燃烧工况的组织是非常重要的。 关键词W型火焰锅炉;动量流率比;模化研究;空气动力场 中图分类号TK223123 文献标识码 A 1 引 言 W型火焰锅炉是一种适于燃用无烟煤和劣质 煤的新型燃烧技术,由于它采用了长火焰、 分级送 风、 煤粉浓缩技术等手段,因而具有低负荷稳燃能力 强、 飞灰燃尽率高、 燃烧效率高、NOx排放量低等特 点[1]。我国从80年代开始陆续引进W型火焰锅炉 和制造技术,并投入运行以来,在运行过程中存在着 过热器超温、 额定负荷率低和高温腐蚀等问题,亟待 解决。 良好的炉内空气动力场对于锅炉的燃烧过程是 很重要的,W型火焰锅炉在运行过程中燃烧器各次 风与分级风的配合是保证炉内形成良好的空气动力 场和稳定燃烧的关键,若配风选择不当,很容易造成 火焰短路,致使炉内空气动力场和燃烧状况的恶化, 引起炉膛喉口部结渣,导致过热器超温。另一种不 正常燃烧工况可能导致火焰直接冲刷冷灰斗,引起 结渣,危及锅炉安全、 可靠地运行。 本文针对珞璜电厂引进法国Stein公司360MW 的W型火焰锅炉进行冷态模化实验研究,研究燃烧 器配风对炉内空气动力场的影响规律,所得结果对 于W型火焰锅炉的设计和运行具有重要的参考价 值。 2 实验设备与测试技术 珞璜电厂引进法国Stein公司360MW的W型 火焰锅炉具有以下特点 1 燃烧器为直流缝隙式燃 烧器,共36只煤粉喷嘴和38个二次风喷口分别位 于前后两拱上,一、 二次风喷口相间布置,无折烟角, 在炉膛前后墙上沿炉堂高度方向自上而下布置有两 排上三次风、 一排乏气风和一排下三次风喷口,沿炉 堂宽度方向各次风喷口采用不等间距布置,且乏气 风向上倾斜11 进入炉膛 ;2 燃烧器一、 二次风喷 入炉膛角度方向与铅垂方向呈6 夹角,且均向外侧 即朝前后墙喷射。 本文的实验研究是在珞璜电厂引进法国Stein 公司360MW的W型火焰锅炉原型的基础上,根据 相似理论,进行W型锅炉炉内空气动力场模化研究 的,模型设计时满足几何相似,其相似比为1 20 ,实 Ξ 基金项目中国博士后科学基金资助研究项目中博基[1998]6号 来稿日期2000206213 修回日期2001204228 第一作者简介何立明,男,1959年生,西北工业大学航空热力与动力工程系博士后,西安空军工程大学工程学院一系教授;研究方向燃 气轮机气动热力理论与工程,燃烧系、 热能工程 1 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 验时使炉内气流流动处于第二自模化区即Re ReⅡ , 且使燃烧器各喷口气流动量流率比相等,以 满足原型和模型炉内流动相似的条件[2],为研究一、 二次风喷射角度和喉口面积及折烟角对炉内空气动 力场的影响,燃烧器一、 二次风喷入炉膛角度方 向与铅垂方向的夹角由6 改为0,喉口面积缩小 12.4 Fh0.876 , 同时在垂直烟道与水平烟道 交汇处加装折烟角。 炉内气流速度和湍流度采用美国TSI公司生产 的1050A恒温式热线风速仪测量,探头为10μm钨 丝,采用风洞电子微压计标定,所测数据由计算 机数据采集系统采集采集板型号IMP3539IC ,采 集软件用QB编制,采样频率为1KHZ,采样长度为16 位A/ D转换 , 并存盘和打印机输出。 模型及试验系 统如图1所示,由炉膛模型、 引风机、 热线风速仪和 计算机数据采集系统组成,为了准确地研究炉内空 气动力场,在侧墙上沿炉膛深度、 高度方向布置有 284个测点,具体布置网格交点为测点位置和坐 标方向如图2所示,沿炉膛宽度方向按3个截面对流 场进行了测量。 图1 试验模型与试验系统示意图图2 测点布置示意图 图3 典型工况的流场图谱 表1 典型工况配风表 工况 各次风风速m/ s动量流率比 一次风二次风上三次风乏次风下三次风M1M2M3M5M4 17167642810154000118193000 2716764281015415136563019682416691118193012131651137 3716764311542019935197321981231987013941922144 3 实验结果及分析 用三个典型工况如表1所示来研究改变燃烧 器各次风的动量流率比对炉内流场的影响规律,所 测得的三个动量流率比下的炉内流场图如图3所 示,限于篇幅,本文只给出沿炉膛宽度方向第二个截 面上的流场图 2 秒钟平均速度矢量图。 311 实验数据处理 1 为了反映炉内流速相对于燃烧器喷射速度的 91第1期 何立明,等燃烧器配风对W型火焰锅炉炉内空气动力场影响的实验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 大小,引入折算速度 Wzx按动量流率的平均速度 的概念,由下式计算[3] WZS F 1W21 F2W22 / F1 F2 1 其中 F1, W1分别为拱上一次风喷口截面积和出口 风速, F2, W2分别为拱上二次风喷口截面积和出口 风速。 2 炉内气流充满度ε表示有效气流所占炉膛截面 积与炉膛截面积之比,由下式计算[3] ε 6 n i 1Δ Fi/ F02 式中,ΔFi在有效气流的相应区域划出的基元面 积, F0炉膛横截面积取单位宽度 , n 每个区 域中基元的数量。 并假定,当Wz/Wzs0.3时为有效气流区。 3 气流平均有效动量流率有下式计算[3] Myx F0 ρ W2z3 式中, F0炉膛截面积取单位宽度 , Wz气流平 均向下速度,ρ气流密度。 为比较分析方便,在处理实验数据时,所有参数 与坐标均采用无量纲量,其中Mgh为拱上一、 二次风 的动量流率之和,L为炉膛深度, H0为拱下沿至冷 灰斗1/4高度处的距离。 312 实验结果与分析 经处理所得的实验结果如图4～8所示。 1 从图3可以看出,只有一、 二次风,没有上三、 下 三和乏气风时,炉内主气流的行程增加,且烟气回流 区较大,特别是冷灰斗中向下速度较大,虽然在这种 情况下烟气穿透力强,火焰行程长,但是烟气对冷灰 斗的冲刷作用明显增强,易导致冷灰斗结渣,同时不 符合无烟煤需分级送风燃烧的原则,而且也不利于 W型火焰锅炉燃烧工况的调节等;在标准工况下, 随着上三、 下三和乏气风的喷入,由于一、 二次风在 下流动过程中受到上三、 下三和乏气风的冲击作用, 主气流向下的行程有所缩短,回流区有所减小,但是 在这种情况下由于上三、 下三和乏气风的加入,炉膛 内气流充满度高,而且烟气对冷灰斗的冲刷作用明 显减小,另外,在上三、 下三和乏气风的作用下,高温 烟气对水冷壁的冲刷作用也减小,这对降低水冷壁 的高温腐蚀是有益的;在一次风风速不变,增大二次 风、 上三、 下三和乏气风速按向下递增规律增加 的情况下,烟气回流区明显减小,主气流向下行程缩 短,而且烟气对炉膛前后墙的冲刷作用有所减弱,可 见,过分增大上三、 下三和乏气风会造成火烟短路, 图4 炉内气流在Y方向的平均速度分布曲线 图5 炉内气流充满度比较曲线 不利于煤粉的完全燃烧和燃烧工况的稳定,而且会 造成对大气的污染。 2 从炉内气流充满度曲线的比较图5可以看 出,在标准额定工况下炉膛内气流充满度较高, 而只开一、 二次风喷口,没有上三、 下三和乏气风时, 02应用力学学报第19卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图6 炉内气流平均有效动量流率 图7 炉内气流湍流强度衰减的比 图8 炉内主气流最大速度衰减的比较曲线 在炉膛内气流充满度比标准工况要低一些,但在冷 灰斗中气流充满度比标准工况的大,可见,只开一、 二次风时,主气流在炉内的向下行程有所增长,但烟 气对冷灰斗的冲刷作用增强,当增大上三、 下三和乏 气风速时,炉内气流充满度大为降低,这种工况易造 成火焰短路,综上分析,总体而论标准工况是最理想 的工况,从图4炉内气流在炉膛深度 Y方向的平 均速度分布曲线也可以看出这一点。 3 从炉内气流平均有效动量流率衰减曲线的比 较图6可见,在一次风喷口附近,随着上三、 下三 和乏气风的加入,炉内气流平均有效动量流率是减 小的,且气流平均有效动量流率衰减减慢,而从上三 次风喷口上一排测孔到冷灰斗进口处,随着上三、 下 三和乏气风的加入,炉内气流平均有效动量流率是 增大的,且衰减减慢。 这主要是由于在一、 二次风喷 口附近因回流量的增大使平均有效动量流率减小, 而在从上三次风喷口到冷灰斗进口处,因上三、 下三 和乏气风的加入,与一、 二次风发生动量交换[4],因 此气流平均有效动量流率是增大的,且衰减减慢。 4由炉内气流湍流强度衰减曲线的比较图7可 知,在这三种工况下,主气流在沿炉膛高度向下流动 过程中,湍流强度是逐渐减小的,且在炉膛上部衰减 相对较快,在下部衰减较慢,而且总的来说,随着上 三、 下三和乏气风的加入和增大,一方面气流湍流强 度减小,另一方面衰减减慢,这主要是由于在上三、 下三和乏气风逐渐喷入炉膛的过程中与一、 二次风 发生动量交换对一、 二次风的脉动有抑制作用所致。 5 由炉内主气流最大速度衰减曲线的比较图8 可见,当关闭前后墙上的上三、 下三和乏气风喷口 时,炉内主气流主气流最大速度衰减最慢,随着上 三、 下三和乏气风的喷入和分量的加大,主气流最大 速度衰减加快,这是因为与只打开拱上一、 二次风喷 口相比,当沿炉膛高度方向从前后墙喷入上三、 下三 和乏气风时,一、 二次风在向下流动过程中,与沿流 程喷入的上三、 下三和乏气风发生动量交换,而使主 气流最大速度衰减加快。 313 测量误差分析 热线风速仪的测速误差来源于1热丝在流场 中放置的角度对测量的影响。 在测试中,利用测量面 有机玻璃板上的网格线对热线进行定位,由于热丝 的水平与垂直度不够,引起的最大误差为3;2线 化系数的飘移对测量的影响。 热线标定及实验中由 于线化系数的飘移,对测量也会造成误差,标定时速 度误差不超过2;3流体温度对测量结果的影响。 为了减小标定与实验中温度的不同对速度测量的影 响,引入温度修正系数R T1/ T2[10.033 T 1- T2 ] , 这样可将该项误差降至1以下;4二维简化 测量引起的误差。 由于模型炉膛内的气体流动本质 上属三维流动,二维简化测量引起的误差在3以 下。 5 结 论 1 对于W型火烟锅炉,只有拱上风一、 二次风 时,虽然炉内主气流的行程增加,但是烟气对冷灰斗 的冲刷作用明显增强,易导致冷灰斗结渣,而且也不 12第1期 何立明,等燃烧器配风对W型火焰锅炉炉内空气动力场影响的实验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 利于W型火烟锅炉燃烧工况的调节。 当在炉膛前后 墙沿高度方向有上三、 下三和乏气风喷入时,研究表 明,在适当的燃烧器配风下额定工况 工况二炉 膛内气流充满度高,而且烟气对冷灰斗的冲刷作用 明显减小,有利于煤粉的完全燃烧和锅炉的安全运 行,若过分增大上三、 下三次风和乏气风时容易引起 火烟短路,不利于煤粉的完全燃烧和燃烧工况的稳 定,而且会造成对大气的污染。 2 增大燃烧器各次风的动量流率比,炉内气流的 平均有效动量流率衰减减慢,且湍流强度数值减小, 沿流程衰减趋势减慢,同时,使炉内气流最大速度衰 减加快。 可见,选择合适的燃烧器各次风的动量流率 比对于炉内良好空气动力场的形成,即燃烧工况的 组织是至关重要的。 参考文献 1 徐通模,金安定,温龙,锅炉燃烧设备,西安西安交通大学出版 社,1990307～310 2 岑可法,锅炉燃烧试验研究方法及测量技术,北京水利电力出版 社,198725～30 3 魏小林,徐通模,惠世恩,W型火焰锅炉冷态模型试验及数值计 算,动力工程,1994 ,141 27～32 4 许晋源,徐通模,燃烧学,北京机械工业出版社,198065 - 71 应用力学学报 改版通知 应用力学学报 近几年稿源丰富,论文发表周期较长,广大作者和读者迫切要求缩短周期,扩大发表容 量。为此,本刊从2002年起改为大16K版面出版,适当增加发表容量,封面也作了重新设计,用纸质量将进 一步提高,以求学报以新的面貌出现在读者的面前。 为了加强向本刊投稿的严肃性和弥补办刊经费的不足,自2002年起投稿作者需交捌拾元审稿费,并请 来稿注明第1作者简介,要求自留底稿,稿件一律不退还,希见谅。 22应用力学学报第19卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. gorithm locates system parameter ranges ,where quasi2periodic and chaotic responses bifurcate from the periodic response. The numerical scheme is used to study the dynamic behavior of a crack2rotor system ,which has nonlinear stiffness charac2 teristics. Crack2depth is used as the bifurcation parameter ,the bifurcation diagrams of the system stable response is shown. Keyword mapping continuation comprehensive , crack2rotor, bifurcation , chaos. Sensitivity Analysis for Reliability Constraints of Structures Chen Jianjun Ma Hongbo Dai Jun Cui Mingtao Department of Electronic Mechanical Engineering ,Xidian University ,Xi’an ,710071 Abstract The optimum design mathematical model of engineering structures based on reliability is constructed. The relia2 bility constraints of structural displacement and stress are equivalence treated by means of the theory of second order mo2 ment in structural reliability ,and then the sensitivity expressions of reliability index function of displacement and stress are derived. Those expressions are laconic and normative ,and have universality ,which are applicable to solve the similari2 ty sensitivity analysis problem. The example shows that the computational ex2pressions of structural sensitivity presented in the paper are rational and efficient. Keywords Structural optimization , Reliability constraints , Displacement , Stress , Sensitivity analysis. Experimental Investigations on Influence of Match of Air Flowfrom Spouts of Burners on Aerodynamical Field in W Shaped Flame Boiler He Liming Zhang Jianbang Li Xiaoyong Engineering College of Air Force Engineering University ,Xi’an ,710038 Che Gang Xu Tongmo Hui Shien Xi ’anJiaotong University ,Xi’an ,710049 Abstract Cool state experimental investigation has been made in a model of the 360MW W shaped flame boiler intro2 duced by Luohuang Power Station from Stein Corporation in France. Measuring flow field in the boiler with a hot - wire anemometer ,and studiesof regularityon the influence of momentumflow rate of air flowfrom vari2ous spoutsof burnerson aerodynamical field in boiler are made in the paper.Meanwhile ,analysis and compari2son to experimental results are also carried out. It is manifested that suitable match of rate of air flows from vari2ous spouts of burners for the organization of combustion conditions in W shaped flame boiler is very important. Keywords W shaped flame boiler, momentum flow rate , modeled investigation , aerodynamical field. ⅡCHINESEJOURNAL OF APPLIED MECHANICS Vol.19 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.