旋流燃烧器数值模拟和优化改造

第37卷第4期2006年7月　

锅　炉　技　术

BOIL ER TECHNOLO GY

Vol.37,No.4

J ul.,2006

收稿日期:20050519

作者简介:赵振宙(1982),男,内蒙古集宁市人,博士研究生,现从事能源环保、数值建模、流体计算的工作。

文章编号:　CN311508(2006)04004906

旋流燃烧器数值模拟和优化改造

赵振宙1,　赵振宁2,　孙　辉2

(1.东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096;

2.华北电力科学研究院有限责任公司锅炉所,北京100045)

关键词:　旋流燃烧器;数值模拟;优化改造

摘　要:　某电站煤粉锅炉采用旋流燃烧器,在运行中燃烧器出现调节能力差的问题。针对此情况,我们分别按照分析缺陷、虚拟改造以及优化改造3个步骤进行研究,以及对应的3个不同工况进行了数值模拟计算。运用k 2ε数学模型,并借助Fluent 6.0对单个旋流燃烧器的一、二次风的流场进行三维数值模拟计算。通过数值模拟我们对旋流燃烧器进行了优化改造,并通过有限的但是精确的现场测试数据对比,很好地验证了本次数值模拟的准确性。

中图分类号:　T K 223.23 文献标识码:　A

1　前　言

燃烧器在电站锅炉中起着关键性的作用,它决定着燃料的着火及已经着火后燃烧的稳定等等。它的设计和运行是决定燃烧器设备的经济性和可靠性的主要因素。因此燃烧器必须具备组织良好的空气动力场,保证煤粉及时着火和稳定燃烧;运行可靠;较好的燃料适应性,便于调节等基本特点。某电厂锅炉为W GZ1004/18.4-2型,系武汉锅炉厂生产制造的亚临界、一次中间再热、自然循环汽包炉。锅炉采用单炉膛、平衡通风、双调风轴向旋流燃烧器、前墙布置。使用的燃烧器特点为带有煤粉浓缩装置的双通道轴向可调旋流煤粉燃烧器,该燃烧器自从投运以来一直存在着燃烧调节能力差的问题。从冷态空气动力场的情况来看,表现为内二次风严重不足,即使改变内二次风套筒进行调节,其变化也不明显。为了改变这种状态,电厂已经把风箱内内二次风风口面积加大,在三角形风口处均匀地加了4个长方形风口,但是内二次风依然不足。

随着计算流体力学的发展,CFD 已成为研究流体力学的主要手段。从计算结果与实验结果对比看,数值模拟无论在时间和精度上均有优势,并具有可视性,能够比试验更全面地了解流场的变化情况。为了探究其中的原因,我们在本

文中以Fluent 软件为计算平台,对旋流燃烧器进行模拟计算,达到优化改造的结果。

2　燃烧器概括

燃烧器的布置如图1所示,双通道燃烧器燃用的空气分为:中心风、

一次风、内二次风和外二次风。各支气流通过同心管分级引入炉膛。由内到外分别为中心风管、一次风管、内二次风管、外二次风管。

图1　燃烧设备实物图

每个燃烧器的中心风管内装有一支机械雾

化式油枪。每只燃烧器有1只中心风管为油及煤粉根部燃料提供必要的氧量。内二次风管上

锅　炉　技　术 第37卷

开有6个三角形的风口,以便空气进入内二次风

管。内、外二次风比例由内二次风套筒控制。外二次风管直接与大风箱相连,使得空气能够直接进入外二次风管道。内二次风和外二次风管的锥状管段分别装有空气旋流发生器。从燃烧器前可对内二次风旋流发生器进行调节,通过推进或收回锥状管段内的叶片可确保内二次风达到最佳的旋流强度。

3　CFD 模拟

3.1几何模型

为了验证燃烧器出口在炉膛内各个喷口出

来的风的混合情况,特别在燃烧器出口后加了一段炉内的空间,炉内的计算部分为直径3m ,长3m 的区域,基本上包含了回流区,使流体在出口处达到较稳定的理想状态。在二次风入口处,由于燃烧器是作为一个整体布置在二次风箱内的,所以把二次风箱的一部分也作为计算的空间。同时,为了减少网格的数量,并考虑到二次风箱属于大空间,其内的流动不是我们所主要关心的。因而,在我们计算中,二次风箱只是在外二次风叶片入口处及内二次风入口处各加了一部分。这样,我们的计算区域由燃烧器、二次风箱部分及部分炉内空间构成,图1为按1∶1比例构造的燃烧器平面实物图,图2为我们计算的几何三维网格图

。

图2　燃烧器的三维模型

3.2数学模型

采用雷诺平均的Navier 2Stocks 方程作为控

制方程,湍流模型采用标准k 2

ε方程,二阶精度,k 2

ε模型通用形式如式(1)。以及基于控制容积守恒的有限差分法将计算域划分成离散的控制容积,对控制方程进行离散化求解、迭代求解,其

收敛条件为二次能量计算余差<10-6,其他计算余差为<10-3。差分的一般形式如式(2)

99X i (ρu i <)=99X i (τ<

9<9X

)

+S <(1)

式中:<———分别代表气相速度的3个分量u 、v 、

w ,以及湍流动能k 和湍流耗散能ε;

τ<———是有效湍流扩散系统;S <———气相流场自身的源项。其各项具体意义请见文献[1]。 a p

+a T

(2)式中:<———变量;

a ———系数;

b ———离散化方程的源相。3.3计算条件 近壁面处采用壁面函数修正。固体壁面采用无速度滑移和无质量渗透边界条件,即相对固体壁面的气流切向分速度和法向分速度为0。由于近壁处存在层流地层,故壁面处的湍动能k 和湍动能耗散率ε亦为0。燃烧器入口条件可以按照一、二次风的流量算出其平均速度,工质流入时的温度,入口处的压力值及该处的湍动能。由于燃烧器属于管流,受管子本身尺寸的影响,涡不能自由地发展,所以管流一般属于弱湍流,给出其湍流强度为2%。湍流耗散强度由涡长给定。根据经验,长度为当量直径的0.7%。由于燃烧器入口的压力基本上与炉膛内的压力值相等,取压力值为-100Pa 。3.4研究工况 本文模拟的旋流燃烧器结构较为复杂。为了研究该燃烧器的流动特性及其改造可能性与效果,本次研究主要分别对燃烧器存在的缺陷、假设改造以及最后完善的整个过程进行了数值模拟,分别对应着3种工况。工况1针对原燃烧器的运行工况,按照冷态空气动力场时的参数进行计算,通过观察该燃烧器的流动特性分析燃烧器的不足之处;工况2是一个虚拟假设的工况,我们根据工况1的计算分析结果,在模拟计算中把内二次风入口压力提高一些,主旨是为了观测一下入口压力对于内二次风及整个燃烧器旋口后流场的影响;第3个工况是根据第1、第2个工况的结果,在工况2的基础上将外二次风叶片与轴线角度由原来的设计值25°加大到40°。3种工况的具体计算参数见表1。

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