XJ不变时SOFA风反切角度对炉内空气动力场影响的试验研究.pdf

第 4 2卷第 3期 2 0 1 1年 5月 锅 炉 技 术 B0I LER TECHN0L0GY V0 1 ． 4 2．NO ． 3 M a y ．，2 0 1 1 文章编 号 C N3 1 1 5 0 8 2 0 1 1 0 5 0 0 5 3 ～0 4 不变 时 S OF A风反切角度 对炉 内空气 动力场影响的试验研 究 戚红梅 。 ，惠世恩 ，崔大伟 ，王 洋 1 ．西安交通大学 能源与动力工程学院 ，陕西 西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ．西安 电力高等专科学校 ，陕西 西安 7 1 0 0 3 2 摘要 通过对采用 L NC F S Il I 燃 烧系统 的 6 0 0 Mw 锅炉机组进行 了冷态模 化试验研究 ， 得到在 X J不变 时 ， 随反切角度变化分离燃尽风区平均相对切 圆直径 D 。 、 炉膛 出1 3 残余旋转动量流率矩 -， 。 ⋯ 炉膛 出口 水平烟道速度偏差 ￡及速度不均匀性系数 M 的变化规律 。分离燃尽 风反切角度 在 5 。 ～1 O 。 范 围内时 ， 气 流逆时针旋转 ； 当 0 在 l o 。 ～1 5 。 时， 气流不稳定 ； 当 0 为 1 5 。 ～2 o 。 时 ， 气 流为顺时针方 向旋转 。试验结果 对新 建机组的设计和在役机组 的运行具有参考价值 。 关键词 分离燃尽风 ；L NC F S燃烧系统 ；反切角度 中 图分 类 号 TK2 2 9 ． 6 文 献 标 识 码 A 0 前 言 中国作为 煤炭 生产 和 消费 大 国 ， 煤 炭 提供 我 国一次 能源消耗 的7 5 ， 在 可预见 的今后 的几 十 年 内， 煤 炭仍将 是 我 国 的主 要 一 次能 源口 ] 。2 0 0 8 年 ， 我 国 的 电力 装 机 容量 达 到 7 ． 9 1 0 MW ， 年 发 电量超过 3 ． 4 3 1 O 。 W h ， 其 中火 电所 占比例 为7 7 ． 1 。我 国火 电 设备 朝 着 大 容 量 、 高参 数 、 高经济性的方 向发展[ 2 。 。 ] 。 我 国大容 量 电站 锅 炉 大 多采 用 四 角切 圆燃 烧方式 ， 该燃 烧 方 式 的主 要 优 点 是 煤 种 的适 应 性 好 ； 在解 决锅 炉 的结 焦结 渣等 方 面也 有 较好 的 效果 ， 适合 向大 型化 锅 炉发 展 。但 由于 四角切 圆 燃烧 炉膛 出 口水 平 烟 道 烟 温偏 差 过 大 ， 过 热 器 、 再热 器局部 超温爆 管 的 事故 时有 发 生 ， 严 重 影 响 锅炉 机组 的安全经 济运行 ] 。 电站锅 炉为 了解 决 烟 温偏 差 过大 的问题 ， 实 际应用 比较 广 泛 的减 小 炉 膛 出 口烟温 和 烟速 偏 差 的燃烧 系统 主要 采用 顶 部燃 尽 风 三次 风 反 切 ； 同轴 反 向双 切 圆燃 烧 ； 对 冲 同心 正 反 切 圆燃 烧 系统 S B WL C F S ； 设 置 分 离 燃 尽 风 S O F A L NC F S 1] I l 5 。其中设 置分离燃尽风 S O F A L NC F S I ]I 燃 烧 系统 的 优 点 有 低 NO 排 放 ； 能有效的防止炉 内结渣 、 高温腐蚀； 能够降低炉 膛 出 口的 烟温 偏 差 。为 进 一 步 的研 究 炉 膛 出 口 的烟 温偏差形 成 的机理 ， 解 决 四角 切 圆燃 烧 烟温 偏 差过 大 这 一 问题 ， 本 文对 采 用 L NC F S 一 1I I 燃 烧 系统 的 6 0 0 MW 锅 炉机 组 进 行 了冷 态 模 化 试 验 研究 ， 研 究 了在 准则 数 X． 厂不 变时 改变 分 离燃尽 风 S O F A 反切角 度对炉 内空气 动力场 的影响 。 1 试 验 系 统及 工 况 1 ． 1试 验 系统 试验 系统 及 测 孔 布置 见 图 1 。A ～A 测 点 截面布 置在燃烧 器 区域 ， 其 中 A 、 A。 测 点截 面对 应 于燃烧 器二次 风 喷 口， A。 、 A 测点 截 面对 应 于 燃烧 器一 次风喷 口， A 测 点截 面对应 于燃 烧器 的 紧凑 燃尽 风 C C OF A 。Mi d 0 、 Mi d 1 测 点截 面位 前屏 后屏 后再末再 末过 调节阀 图 1 试 验 系 统 图 收 稿 日期 2 0 0 9 1 1 1 0 ； 修 回 日期 2 0 1 00 4 2 3 作者简介 戚红梅 1 9 7 6一 ， 女 ， 硕士 ， 副教授 ， 主要从事煤 的清洁燃烧与污染防治的研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技 术 第 4 2 卷 于燃 烧 区 域 和 分 离 燃 尽 风 区 域 的 过 渡 区 域 。 B 。 ～B 测 点 布置 在 炉 膛 分 离燃 尽 风 区域 ， 各 测 点截面 测点位 于左侧 墙 和前 墙 中轴 线处 ， 沿 炉宽 和炉深 方 向等 间距 测 量 1 3个 点 。测 点 C 。 ～ C 。 布置在 分隔屏截 面 的不 同高度方 向上 ， C ～C 布 置在炉膛 出 口末 再 过 热器 截 面 的不 同 高度 方 向 上 ， 沿 炉宽方 向上布置 等间距 1 3个点 。 1 ． 2 试 验 工 况 为 了研究 X J不变时改变分离燃尽风 S 0 F A 反切 角度对炉 内空 气动 力场 的影 响 ， 试验 工 况 有 G K ～GK 4种 ， 见 下 表 1 。其 中 ， X- 厂为 反 正 切 动量 流率矩之 比； P A 为一 次风 风率 ， S A 为二次 风风率 ， S OF A 为 分离 燃 尽 风风 率 ， V S OF A 分离燃 尽风速 度 。 表 1 试验 工况设计表 其 中 准则 数 I『由西 安 交 通 大学 徐 通 模 教 授 、 惠世恩 教 授 提 出 ， 是用 以判 定 炉 膛 出 口烟 温 偏差的重要参数。文献[ 6 ] 指出 x‘，取 0 ． 6 ～1 ． 2 较 合适 。本文研 究 了准 则 数 X 等 于 1时 ， 改 变 S OF A 风反切 角度对炉 内空气动 力场 的影 响 。 2试 验 结 果及 分 析 为 了 分析 分 离燃 尽 风 反切 角 度 对 炉 内空 气 动力场 的影 响 ， 引入 以下 特性 参数 6 ～ 一 ， 用 于分 析 炉 内流 场特性 和炉膛 出 口速度偏 差特性 。 1 反正切 动量流 率矩之 比 XJ x．， 一 一 ㈩ 式 中 各股 反切风射 流密度 ， k g m； 阮 各股 正切风射 流密度 ， k g m ； A ， ⋯ ～ 反切风 喷 口面积 ， m。 ； A 一 正切 风喷 口面积 ， m。 ； 一 反切风射 流速度 ， m S 一 ； U 2 t 。 _ _ _ 一 正切风 射流速度 ， m s _ 。 ； R ⋯⋯一 反 切风假 想切 圆直 径 ， 13 1 ； R ～ 正切风假 想切 圆直 径 ， iT l 。 2 相 对切 圆直 径 D划 为 了比较各工 况下 切 圆直 径 的大 小 ， 本 文定 义 了相对切 圆直径 D 它 由下式确 定 d1 d2 D a -- 2 式 中 d 炉宽方 向 2个 切 向速 度 最 大值 的距 离 ， m； d 。 炉深方 向 2个 切 向速 度 最大 值 的距 离 ， I q 3 ； A 炉膛 宽度 ， m； B 炉膛 深度 ， m。 3 速度 分布不 均匀性 系数 反映 四角 切 圆 燃 烧 锅 炉 炉 膛 出 E l 左 右 两 侧 烟温 、 汽 温偏差 的大 小通 常 用速 度不 均 匀性 系 数 来 描述 。本文采 用 M 来描述 速度分 布不 均匀性 系数 ， 用 下式表 示 M 2 一 U 3 r 3 式 中 截 面各点速 度的标 准差 ， 一 √ u z 。 ； i 『 截面平 均速度 ， m S 。 4 烟 道宽度方 向速 度偏差 文 中用 E表示水 平烟 道 的速度 偏差 ， 它 的定 义 为 E一 4 式 中 水平烟道测点右侧平均速度 ， 1 2 1 S ～； 水平烟道测点左侧平均速度 ， m S ～ 。 5 截 面 的无量纲 速度 V n o d 一 一 5 一 n U 式 中 “ 各 测点 绝对速 度 ， m S ～ 。 6 炉 内气 流旋转 动量 流率矩 J N m J p Q w R 一专[ ∑ p u A S A H L ∑ 10 “ ； △ s △ HL ] 6 式 中 p气 流密度 ， k g m啊 。 ； “ 沿 炉深方 向各测点切 向速度 ， m S 一； 沿炉 宽方 向各测 点切向速度 ， m S 一 ； ” 沿 炉深方 向 的测 点数 ； 沿 炉宽方 向的测点 数 ； L 一 沿炉深方 向的各测点至炉膛 中心的 距离 ， m； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 戚红梅 ， 等 X J不变时 S O F A风反切角度对炉内空气动力场影响 的试验研究 5 5 L 一 沿炉 宽 方 向的各 测 点 至 炉膛 中心 的 距 离 ， m； △ S 相 邻两测 点 间距 ， m。 2 ． 1 不变 S OF A风 反切 角度 对 相对 切 圆直 径 的影 响 通 过试 验 ， 当 X． ， 一1 ， S OF A 风反 切角度 为 5 。 或 1 O 。 时 ， 气 流 在 S OF A 风 区域 逆 时 针 方 向旋 转 ， 而 当 为 1 5 。 或 2 0 。 时 ， 气 流 在 S OF A 风 区域 顺 时针方 向旋转 。 O ． 9 0 ． 8 O 7 0 ． 6 勺 0． 5 0． 4 0, 3 0． 2 0 1 0 20 0 2 5 0 3 O 0 35 0 ． 4 0 0． 45 0． 50 0 ． 5 5 相对高度 a 相对切圆直径Dx d 沿高度分布 0 5 0 4 0． 3 星 ； 0 ． 2 0 1 O O 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 l 8 2 0 2 2 0 b s 0 F A 风区域 D x d s o F A 与反切角度关 系 图 2 G K ～G K 相对切 圆直径变化分布 图 2 a 是 G K ～ G K 气 流 相 对 切 圆 直 径 D 沿炉膛 高度 的分 布 ； 图 2 b 是 S OF A 风 区域 平均 相 对 切 圆直 径 D 。 与 分 离 燃 尽 风 反 切 角度 的关 系 。从 图 中可 以看 出 1 在分 离 燃 尽 风燃 烧 区域 ， 当 为 5 。 或 1 0 。 时 ， 气 流 相对 切 圆直 径 D 沿 炉膛 高度 逐 渐 减小 ， 而 当 为 1 5 。 或 2 O 。 时 ， 相 对切 圆直径 D 沿炉膛 高 度先 减小 后增 大 ， 这是 因为在相 对高 度为 0 ． 4 5 左 右 时气 流 反 向 的 原 因； 2 随 S O F A风 反 切 角度增 加 ， S O F A 风 区 域平均 相对切 圆直 径 D a 。 先增 加 后 减小 ， 反 切角 约为 1 5 。 时 最 小 ， 之 后 随 反 切 角 度 的增 加 又 逐渐增 加 。 分离燃 尽 风 区 域 相 对 切 圆 直 径 上 述 变化 规 律是 因为 当准 则 数 XJ为 1 ，S OF A 风 区域 气 流逆 时针方 向旋 转 时 ， 随 S OF A 风 反切 角度 的 增 加 。S OF A 风射 流 的速 度 减小 ， 射 流 对 旋转 气 流的径 向和切 向作用减 弱 ， 因而 S OF A 风反切 角 度为 5 。 ～ 1 0 。 时 ， 随 0逐渐 增 加 ， S O F A 风 区域 平 均 相 对 切 圆直 径 D a 。 F A 逐 渐 增 加 。而 当 在 1 0 。 ～1 5 。 时 ， S OF A 风射 流 的反 切使 气 流 逐 渐 发 生反 转 ， 旋转 动量 流率 矩 较小 ， 气 流 不稳 定 ， 径 向 冲撞 作用 较 强 ， 因 而在 此 区 域 ， S O F A 风 区域 的 D 。 。 随角度 的增 加 逐 渐减 小 。当 为 1 5 。 ～ 2 O 。 时 ， 气流 在 S OF A 风 区域 反 转 ， 为顺 时 针 方 向 旋 转 。S OF A 风射 流 的 和主 气 流锐 角 相交 ， 邻 角 射 流 的相 互 作 用 ， 使 气 流 的 平 均 相 对 切 圆 直 径 Dx a s o r 又开始增 加 。 2 ． 2 不变 S OF A风反切角度对炉 内流场 的影 响 图 3 是 G K ～G K 各 测 量 截 面旋 转 动 量 流 率矩 沿炉膛 高度 的分 布 。从 图 3中可 以看 出 1 S O F A 风反切角 度 一5 。 时 ， 炉 内气 流 旋转 动 量 流率矩 在 主 燃烧 区沿 炉 膛 高 度 逐 渐增 加 ， A 、 A 截 面变化平 缓 ， 主燃 烧 区之 后急 剧 增加 ， 在 B j 截 面达最 大 值 ， 离开 分 离 燃 尽 风 区域 ， 气 流 旋 转 动 量流率矩 逐渐减 小 ； 2 S O F A风 反切 角度 在 1 0 。 ～2 O 。 时 ， 炉 内气 流 旋 转 动 量 流率 矩 分 布 具 有 一 定 的相 似 性 ， 只是 一 2 0 。 时 ， 在 分 离 燃 尽 风 区 域气 流旋 转 动 量 流 率 矩增 加较 快 。这 是 由于 改 变反 切 角度 时 ， S OF A风 速 和二 次 风 的风速 的变 化相反 。随反 切角度 增加 S OF A 风 速减 小 ， 而二 次风速相 应 的增 加 ， 这样 在 轴 向上 的旋 转 动 量流 率 矩变化 较大 图 3 。但 在主燃 烧 区对相 对 切 圆 直 径起 主要影 响的 是反 切角 度 ， 所 以在 主燃 烧 区 相对 切 圆直径变化 较小 ， 而 在 S OF A 区相 对切 圆 直径 的变化 较大 [ 见 图 2 a ] 。 3 0 2 5 g 2 ．0 暮1 ．5 1 0 0 5 O 0 0 ． 2 0． 3 0 4 0 5 0 6 0 ． 7 0 ． 8 0 9 相对 高度 图 3 旋转动量流率矩沿高度变化分布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技 术 第 4 2卷 S OF A 风反切 角度 一5 。 时 炉 内气 流旋 转 动 量 流率矩沿 高度 的上述分 布是 因为 一 方面 ， 当 一5 。 时在 主 燃烧 区一 、 二 次 风 的动 压 比 P 。 ／ P 一 0 ． 6 8 1 ， 而 分离 燃 尽 风射 流 的速 度则 高 达 5 4 ． 3 m／ s P s ／ P 一2 ． 7 7 ， S O F A风射流对主气流 的引射范 围增加 ， 因而 在 A ～Mi d 截 面气 流 旋 转 动 量流 率矩 变 化较 平 缓 。另一 方 面 ， 一5 。 时 ， 射流切 向消 旋 分量 较 小 ， 对 消旋 的作 用 不 大 ， 因 而随分 离燃 尽风 的逐 级送 人 ， 分离 燃 尽风 区域旋 转动量 流率 和 旋 转 动量 流 率 矩 沿 高度 方 向逐 渐 增加 ， 且 由于 S OF A 风分 率 达0 ． 4 5 ， 旋 转 动量 流 率矩较 其它工况 时大 。 图 4是 炉膛 出 口旋转 动 量 流 率矩 J 。 与 S O F A风反切 角度 的关 系 。对 所测 数据 进行 二 次拟 合有关 系式 J 。 一 0 ． 2 4 2 0 ． O 1 4 ． 6 51 O 0 7 由式 7 进 一 步 计 算 得 ‘ ， 取 最 小 值 时 ， 0 0 ． 2 3 2 ， 即分 离燃 尽 风反 切 角为 1 3 ． 3 。 时 ， 炉 膛 出 口 的旋转动量流率 矩最小 。另一 方面也 表明 X 一1 5 4 1 O 时， 在 一1 3 ． 3 。 附 近分 离燃 尽 风 区域气 流将 发 生 反转 。 j一 ／ 图 4 J 叭 n 与 S O F A风反切角度的关系 2 ． 3 X J不变 S OF A风反 切角 度对 炉膛 出 口速 度 偏 差的 影响 图 5 a 、 b 是 GK ～GK 炉膛 出 口 C 、 C 测 量 截面速 度 和无 量 纲速 度 分 布 。可 以看 出 ， G K 和 G K 炉膛 出 口右 侧 速 度 大 于 左 侧 速 度 ， G K。 和 G K 炉膛 出 口右侧 速度大 于左侧速 度 ， 这进 一 步验证 了分离 燃尽风 区域气 流的旋 转方 向。 -04 一O 2 O 0 O． 2 0 4 相对宽度 - 04 -0 ． 2 O O 0 2 0 ． 4 相对宽度 1 4 1 2 1 ． 0 0 ． 8 O 6 0． 4 04 0 2 0． 0 0． 2 0 ． 4 0． 4 0． 2 0 0 0 2 0． 4 相对宽度 相对宽度 a 绝对速度分布 b 无量纲速度分布 图 5 G K --G K C 、 C ； 测量截面速度分布 表 2给 出 了 GK ～GK 炉膛 出 口 C 、 C 测 量截 面速度偏 差 E和速度 不均匀性 系数 M 的测 量数 值。可见 1 当 X-厂 一0 ． 8 9 ， XJ 一1 5 。 或 一 1 ， 臼 一1 3 ． 3 。 时 ， S O F A 风区域 气 流将 发生 反转 ； 2 XJ一1时 ， 随 S 0F A 风 反 切角 度 的增 加 ， E 和M 先减小后 增加 。 表 2 X √不 变反切 角度 对 E和 M2 影 响的测量数 据 3 结 论 通过 以上分 析可 以得 出以下结论 1 分离燃 尽风 的反切 角度对 炉膛 上部空 气 动力工 况有显著 的影 响 。 当准则 数 XJ为 1时 ， S oF A 风反切 角度 0 为在 5 。 ～ 1 0 。 时 ， 气 流逆 时针 旋转 ； 当 0 在 1 O 。 ～1 5 。 时 ， S OF A 风射 流 的反切 使 气流逐渐发生反转 ， 在此区域气流不稳定 ； 当- 为 1 5 。 ～2 0 。 时 ， 气流 在 S OF A 风 区域反转 ， 为顺 时针 方 向旋 转 。随 S OF A 风反 切 角度 0的 增加 ， E和 M 2先减小 后增加 。 2 分 离燃尽 风反切 角为 1 3 ． 3 。 时 ， 炉膛 出口 的旋转 动 量 流 率 矩 最 小 ， 同 时 也 表 明 当 XJ一 1 时 ， 在 一1 3 ． 3 。 附近 分离 燃尽 风 区域 气 流将 发 生 反转 。 下转 第 6 6页 加 “ O 0 0 0 0 0 O O 0 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 锅 炉 技 术 第 4 2卷 6 6 0 MW Su p e r c r i t i c a l Boi l e t Oxi d e Ce nt r ol I nt r o du ct i o n ZHANG Zhi y ua n ，DI NG M i ng q i n g 1 ．Gu oh ua Ca ng do ng Powe r Ge ne r a t i on Co ．Lt d， Ca n gz ho u 0 61 11 3，Chi na； 2 ．J i n l i n g El e c t r i c P o we r C o ．Ge n e r a t i n g Co mp a n i e s Hu n j i a n g，Ba i s h a n 1 3 4 3 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t hi s pa p e r，Ca ng Don g Gu oh ua Po we r Pl a n t Boi l e r No． 3，f o r e x a mpl e ，on t he o x i de c o nd u c t e d a d e t a i l e d a n a l ys i s o f t h e o xi d a t i o n p r e v e n t i o n a n d t r e a t me nt o f s ki n f r o m t he i nf r a s t r uc t u r e，c o mm i s s i o n i ng a nd p r od u c t i o n，s e t a pp r op r i a t e me a s u r e s ． Fo r t he ul t r a ul t r as up e r c r i t i c a l un i t s h e a t i n g s ur f a c e o x i de o f t he pr e v e nt i o n a n d c o n t r ol wo r k ha s a c e r t a i n r e f e r e n c e v a l ue ． K e y wor d s s u p e r c r i t i c a l bo i l e r； c o nt r o l ； ox i d e 上接 第 5 6页 参考文献 [ 1 ]毛健雄 ， 毛健全 ， 赵树民． 煤的清洁燃 烧[ M] ． 北京 科学 出版 社 ， 1 9 9 8． [ 2 ]全 国发 电机 组技 术协 作会． 全 国火 电 6 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n a mi c En gi ng e e r i n g De p a r t me nt o f Xi ’ a n El e c t r i c Po we r Col l e ge ， Xi ’ a n 7 1 00 3 2．Chi na Ab s t r a c t Ex p e r i me n t a l s t u d i e s o n t h e e f f e c t s o f S OF A o n a e r o d y n a mi c f i e l d o f LNCFS l l I s ys t e m i n 6 0 0 M W by me a n s o f c ol d f u nc t i o n a l t e s t ．t he r e gu l a r i t y o f t he r e l a t i ve t a ng e n t i a l c i r c l e d i a me t e r i n SOFA z on e Dx d s 0 F A， r ot a t i o n m o me n t um f l o w mo m e nt s of ou t l e t J 。 c ，v e l o c i t y d e v i a t i o n c o e f f i c i e n t Ea n d v e l o c i t y u n e v e n c o e f f i c i e n t M 2 we r e o b t a i n e d wh e n t h e xJ i s c o n s t a n t wi t h t h e r e v e r s e d t a n g e n t i a l a n g l e c h a n g i n g ． W he n t he r e v e r s e d t a ng e nt i a l a n gl e i s 5 。～ 1 0 。 ，t he r o t a t i o n di r e c t i o n of ma i n f l o w ke e p s u nc h a ng e d ．Th e r o t a t i on d i r e c t i o n i s u n s t a bl e s t a t e wh e n de f l e c t i o n a n g l e be t we e n 1 0 。 a n d 1 5 。 ，but t h e r o t a t i o n d i r e c t i o n c h a n g e d t o r e v e r s e wh e n t h e d e f l e c t i o n a n g l e b e t we e n 1 5 。 a n d 2 O 。 ．The s e r e s ul t s ha v e r e f e r e n c e v a l u e f or t he d e s i g n o f ne w u n i t a nd t he o p e r a t i o n of u ni t a t Dr e s e n t ． K e y wor d s s e p e r a t e d o v e r f i r e a i r ；LNCFS f i r i ng s ys t e m ； r e v e r s e d t a n ge nt i a 1 a ng 1 e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m