崔本明
（新疆华电高昌热电有限公司 新疆 吐鲁番 838000）
摘 要：采用Fluent软件数值模拟某660MW电厂塔式锅炉炉内冷态空气动力场特性，分析了炉内整体流场分布规律、流场切圆分布规律的原因及炉顶受热面速度偏斜产生的原因。通过数值模拟能够从宏观上掌握锅炉炉内的流场特性，从而为锅炉安全经济运行提供技术支持。
关键词：直流锅炉；热效率；试验内容；试验方法
引言
近几十年来，随着CFD商用软件的引入与计算机的快速发展，采用Fluent软件进行电站锅炉数值研究已经非常成熟，Fluent软件数值模拟研究实际锅炉特性有周期短、成本低、适用范围广、精度高等特点[1-5]。煤粉炉切圆燃烧在我国燃煤电厂运用广泛，本文采用Fluent软件模拟新疆某660MW四角切圆燃烧方式的炉内空气动力场特性。
1 设备系统
新疆某（2×660MW）电厂直接空冷火电机组超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉型号为SG-1997/25.4-M5505，采用单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、一次再热、紧身封闭布置锅炉。锅炉的变截面塔式布置，炉膛分上下两部分，下部分燃烧室区域为20.355m×20.355m，在燃尽风上部由前墙向后墙截面渐缩,上部分受热面区域20.355m×16.445m。燃烧系统主风箱设有6层一次风煤粉喷嘴共24只，每相邻一次风喷嘴之间设有二次风喷嘴共32只，上部布置有两级燃尽风共24只。
2 数值模拟
流体湍流运动具有复杂性和随机性，目前还未能有一种模型能够精确描述各种流动，尽管如此工程上利用κ-ε双方程模型进行模拟计算较为广泛。因此本文采用标准κ-ε双方程模型，模拟恒联塔式炉内湍流流动，分析炉内流场的分布情况。以恒塔式炉为对象，利用Gambit软件建立1:1物理模型。四角切圆布置网格划分复杂，对燃烧区域采用Paving体网格方式划分，其他部分以六面体网格划分，锅炉几何模型网格划分为43万。燃烧器喷嘴设为速度入口，出口设为压力出口。边界无滑移，各方程的离散化均采用一阶迎风格式，压力与速度的耦合关系采用SIMPLE算法，求解器采用压力基隐式求解器。控制方程见文献[6]。值模拟工况如表1所示，切圆速度入口参数设置如表2所示。
表1 模拟工况对应表
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3 模拟结果及分析
3.1 炉内流场整体分析
炉内从燃烧域到燃尽域中部呈现一个大腔室的速度较小区域，说明在燃烧到燃尽炉内存在着大切圆；在燃尽部位渐缩这是由于燃尽域上部炉膛变窄，速度也逐渐呈现渐缩分布；在塔式炉后墙水平烟道口存在流道变小截面，截面变小域流速最高并在出口处可见有着速度的偏差，出口处靠近炉膛壁面速度小，远离炉膛壁面速度大。从图1可以看出一次风二次风及燃尽风均投运情况下，在不同工况下炉内速度场有着不同的分布。随着燃烧器安装位置由高到低不投运一次风，我们能够看到流场分布规律炉内燃烧区域速度低于4m/s的部分由一个腔室逐步变为两个腔室；在炉型截面变窄的燃尽风上部区域部分流速随着燃烧器布置由高到低不投运一次风，变窄截面速度逐渐降低；在对流受热面速度分布不均匀有着速度偏斜，且越往炉顶速度偏斜越明显。
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图1 不同工况下炉膛流场速度分布云图
3.2 流场切圆分析
从图2一次风与二次风切圆流场可以看出，气流从炉膛四角燃烧器喷射入炉内，在炉内形成了一个良好的稳定的顺时针切圆，切圆面积较大，速度分布均匀，气流充满情况良好；从云图中可以看到速度逐渐减小，这是由于从燃烧器喷射气流由于阻力作用造成的速度衰减；燃烧器从四角射流形成具有一定离心力的旋转气流进而形成切圆；从二次风可以看出二次风切圆比一次风大这是由于速度较大二次风切圆速度也较大造成离心力大形成大切圆。
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图2 工况以下不同截面速度流场分布云图
从图3可以看出一次风截面中心速度呈现双峰速度较高点。比较第五层和第二层一次风，第五层风双峰速度较第二层小，说明燃烧器位置布置越高切圆速度越小主要由于炉内阻力造成；第五层风双峰较第二层宽，说明燃烧器位置布置越高切圆越大主要由于二次风携带及离心力造成炉内位置越高形成切圆越大。从设计图与数值模拟比较数值模拟切圆较大，这是由于模拟未曾喷入煤粉造成一次风刚性不够而二次风携带能力较大造成切圆较大。
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图3 一次风截面中心速度图
3.3 流速偏差分析
不同的工况下烟气在烟道中后墙速度较前墙大并基本呈现阶梯分布，前墙右上角速度较低并有局部的回流，这是由于速度切圆以及烟气流体向后墙烟道流出造成速度的偏斜。
4 结束语
通过采用Fluent数值模拟软件能够很好的模拟锅炉炉内空气动力场的流动特性，可以发现炉内流场的不均匀性，能够得到不同区域流场速度，能够观测炉内一次风、二次风、燃尽风的可视流场，能够得到不同截面不同位置的速度，并能够直观简洁的得到炉内空气动力场特性。
参考文献
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