中储式热风送粉W型火焰锅炉炉内空气动力场实验研究.PDF

收稿日期2000 - 06 - 22;修订日期2000 - 09 - 26 作者简介闫 晓1975 - ,男,陕西宝鸡人,西安交通大学博士生. 文章编号1001 - 2060200103 - 0263 - 05 中储式热风送粉W型火焰锅炉炉内 空气动力场实验研究 闫 晓,许卫疆,孙新国,惠世恩,徐通模 西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安 710049 摘 要针对引进美国FW公司的配备双旋风分离式煤粉燃 烧器的W型火焰锅炉,在相似模化的基础上建立冷态模型, 利用热线风速仪与示踪法测量了不同工况下炉内的空气动 力场,得出了不同工况下炉内流场的矢量图、 火焰长度、 炉内 主气流在炉深方向上的分布曲线以及主气流充满度变化曲 线,通过实验结果对炉内空气动力特性进行了分析,研究结 果表明,沿水平方向高速送入炉内的三次风对炉内空气动力 特性有显著影响。 关键词W型火焰锅炉;冷态模型实验;空气动力场; 动量流率 中图分类号TK223 文献标识码A 1 前言 根据我国的燃料政策,电站锅炉燃用的煤种多 为无烟煤、 贫煤和劣质烟煤等煤种,其中无烟煤占相 当大的比例。这些燃料由于挥发份比较低Vdaf≤ 10 ,着火、 稳燃和燃尽都比较困难。电站锅炉如 何安全和经济地燃烧无烟煤等低反应能力煤是我国 能源工业迫切需要解决的一个问题。W型火焰锅 炉由于采用了长火焰、 分级送风、 煤粉浓缩技术等手 段,使得锅炉机组在煤种适应性、 低负荷稳燃能力、 飞灰燃尽等方面有着相当大的优势,成为燃烧无烟 煤等劣质燃料的首选机型。 东方锅炉集团股份有限公司引进美国FW公 司W型火焰锅炉技术,其燃烧系统采用直吹式乏气 送粉。直吹式乏气送粉系统对煤质稳定,设备健康, 水平高的机组来说是适宜的。但由于我国电站锅炉 煤粉质量变化比较大,加之近年来锅炉负荷的峰谷 变化也在加大,所以这种燃烧系统显得不很适应。 对于难着火和燃尽的无烟煤、 贫煤及劣质烟煤指多 灰,低发热量的烟煤 , 根据我国的实践和理论计算, 由于着火吸热量较大,为稳定着火和燃烧,采用储仓 式热风送粉系统,从稳定燃烧,适应煤种和负荷变化 方面都优于直吹式乏气送粉系统。但储仓式热风送 粉系统带来的问题就是乏气即三次风如何送入炉 内参加燃烧。本实验根据东方锅炉集团股份有限 公司提出的储仓式热风送粉系统的初步方案即三 次风从前后墙中部,二次风E层和F层中间水平送 入 , 组织炉内空气动力工况的实验研究,验证原设 计工况的合理性以及三次风对于炉内空气动力工况 的作用与影响,为工程设计和实际运行提供了科学 依据。 2 实验系统及实验方法 对于锅炉炉膛进行空气动力场模化研究时,由 于其自身的复杂性,要完全满足模型实验相似的条 件是无法实现的,必须忽略只起局部作用,不影响全 局的因素,抓住起决定性作用的因素,对炉内流场只 作近似模化。忽略掉傅鲁德准则数Fr,普朗特准则 数Pr等,并且只作等温模化,主要满足以下三个相 似条件 1模型与原型保持几何相似。 原型为东方锅 炉集团股份有限公司为湖南株州电厂设计的300 MW W型火焰锅炉,相似比为120。 2气流流动处于第二自模化区 Re ≥Recr。 3燃烧器各喷口及前后墙分级风的气流动量 流率比相等。 实验研究表明,只有保证炉膛内雷诺数Re达到 第二自模化区,炉内空气动力特性就不再受Re数的 影响。Re数作为相似准则数的意义就在于 “惯性力 与粘性力的相对比例决定了流体质点的轨迹” [1]。 当 Re数非常大时,粘性力与惯性力相比已经非常小, 粘性力可以忽略不计,此时的流动轨迹只决定于惯 性力,因此Re数不再对流动工况有影响。 本文对于 临界Re数进行了测定, Eu数与Re数的变化规律如 第16卷总第93期 热能动力工程 2001年5月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 临界雷诺数测定图 图1所示。 由图1 可以看出,本实验 台中临界雷诺数 Re1j大约在415 104左右。 在本文 的工况设计中,各 工况均保证炉膛 内雷诺数Re大于 5104,所以所测 工况均处于第二 自模化区。 模型及实验系统如图2所示。 主要设备为美国 TSI公司生产的1 050 A型恒温热线风速仪及数据采 集测试系统。 实验结果由打印机输出。 测点布置及坐 标系的选取如图3所示。 模型采用钢架结构,两侧墙 为有机玻璃板,一面板用来观察气流,另一面布置测 孔。 实验过程中,热线测得的数据经过AD转换器并 经由计算机处理,可以得到每一个测点上速度的大 小值,该点的方向利用 “飘带法” 测定,在得到每一 个测点上速度的大小和方向以后,就可以确定流场 的矢量特性。 1-模型实验台;2-热线探头及电缆;3-热线风速仪; 4-关联器;5-均方根表;6-AD转换器;7-计算机;8-打印机; 9-打印结果 图2 实验系统图 3 实验内容 本文通过组织原设计工况和无三次风的工况, 同时作者组织了拱上一次风动量流率增大的工况比 较炉内空气动力特性,研究三次风对于炉内空气场 的影响。 实验工况列入表1中,其中工况1为原设计 工况。 图3 测点布置图 表1 实验工况 工 况 拱上风速 /ms- 1 前后墙二次风速 /ms- 1 三次风风 速/ms- 1 动量流率比 一次风 W1 乏气风 WFQ 油枪风 WY Q D层 W2 ,D E层 W2 ,E F层 W2 ,F W3 M拱M2, DM2,E M3M2 ,F 123.187.127.737.737.737.7319.4510.250.331.330.85 223.187.127.737.737.737.73010.250.3300.085 337.57.127.737.737.737.7319.4510.10.140.550.35 4 实验结果及分析 为了分析方便,说明以下几点 1坐标系的选取见图3所示。 其中x为炉宽方 向,y为炉深方向, z为炉膛高度向下方向。X x/ d1, Y y/ d1, Z z/ d1, d1为拱上一次风喷口直 径。 2 v zs为拱上折算速度,计算公式为 v zs z F1v21 FFQv2FQ F2 ,Av22 ,A F2 ,Bv22 ,B FY Qv2Y Q A1 AFQ A2 ,A A2 ,B AY Q 其中v1、vFQ、v2 ,A、v2 ,B、vY Q分别为拱上一次风、 乏气风、 二次风A层、 二次风B层、 油枪风的喷口速 度;A1、AFQ、A2 ,A、A2 ,B、AY Q分别为各喷口的面积。 3气流的充满度用该处有效气流所占炉膛 截面积与当地炉膛截面积的比值表示,其中有效气 流指的是该截面上的下行气流。 计算公式为εΣ ΔF1/ F01,其中ΔF1是指该截 面上有效气流所占的炉膛截面积,ΔF是指当地的 炉膛截面积。 4.1 流场图谱分析 462热能动力工程 2001年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4 各工况下流场矢量图 在本实验所研究的炉型中,取H为炉膛出口到 冷灰斗底部的高度。 拱上主气流向下运行过程中,速 度不断衰减,取主气流的终端速度为5 m/ s,即认为 当下行主气流的速度小于终端速度时,主气流已经 衰减完毕,火焰行程大致在该位置,取此位置到炉膛 出口的距离为L ,定义火焰长度CH L/ H。 对于本 论文所研究的炉型,当拱上主气流能运行至炉膛中 下部二次风喷口中心线位置以下时,认为火焰长度 不至于短路,此时, CH 01375;当拱上主气流下行 至冷灰斗高度的三分之二处以下时,认为冷灰斗内 存在结渣的可能性,考虑到实验中在冷灰斗内测点 的布置较少,所以判断位置取在冷灰斗内第一排测 点的位置,此排测点在冷灰斗高度的五分之四处,由 于拱上主气流的终端速度的取值较大,所以用此位 置判断冷灰斗内结渣的可能性是合理的,此时CH 0158。 由以上叙述可以得到,合理的火焰长度范围 应在01375～0158之间。 图4是流场矢量图,图5是各工况下拱上主气流 速度衰减曲线图。 工况1是按照原设计工况各参数 图5 主气流速度衰减图 组织的实验 工况,从图4 中所示的流 场图谱可以 看出,整体炉 内气流分布 是比较合理 的。 由拱上各 风口喷出的 炉顶各股风, 在向下运行 的过程中与前后墙所布置的D、E、F层二次风及E、F 层二次风中间的三次风混合,到冷灰斗的转角处开 始转弯,形成比较对称的W型火焰,在冷灰斗下面 基本上是死滞区,气流流动速度比较低。 从速度分布 可以看出,侧墙边壁流通截面的形状变化对于主流 场的分布规律没有明显的影响。 从图5中可以看出, 主气流在冷灰斗上沿时已经衰减完毕,火焰长度 CH 01404,这个值在合理的火焰长度范围内,说明 在此工况下拱上主气流的行程既不会发生短路,提 前离开炉膛,也不会发生主气流冲入冷灰斗引起结 渣可能的情况。 在锅炉的实际运行过程中,这样的工 况比较安全,不会造成冷灰斗内大量结渣。 同时,炉 内主气流向下运行至冷灰斗拐角处才转弯向上,满 足了煤粉在炉内停留时间长的要求,又不会造成烟 气短路时发生在炉膛出口的结渣问题以及水平烟道 烟温过高等问题。 该工况的流场分析可以看出,原设 计工况下炉内空气动力场比较合理。 工况2是在原 设计工况参数下关掉三次风的极限工况。 从图4中 流场速度分布图可以看出,当无三次风时,向下气流 的行程比原设计工况要 长得多。 从图5中炉内主 气流沿炉膛高度方向的 衰减曲线可以看出,向下 气流的转折点基本到达 了 炉 底,此 时CH 01584,这个位置已经靠近 判断火焰冲刷冷灰斗的 极限值,从偏安全的角 度,在缺少三次风的情况 下,冷灰斗存在结渣的可 能性,在实炉运行中应该 加以注意。 流场图谱中可 以看出,无三次风的炉内 仍能形成比较对称的W型火焰,且沿炉宽方向并无 明显的不同。 在横向射流中,三次风速度水平较高, 与拱上一次风速度大致在同一水平线。 高速的横向 射流对于拱上主气流有明显的阻碍作用,这一点从 火焰行程上可以看出。 同时三次风作为一股载粉气 流,从燃烧的角度讲,三次风应该穿透拱上主气流到 达炉膛中部然后转弯向上,而不是跟随主气流到达 炉膛底部,因为炉膛中部的温度水平要高于炉膛底 部,从穿透主气流方面考虑,三次风应该保持在一定 的速度水平以达到穿透主气流的目的。 但是三次风 位于炉膛中部,如果使主气流在此位置转弯向上,势 562第3期 闫 晓,等中储式热风送粉W型火焰锅炉炉内空气动力场实验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 必导致火焰短路。 工况3是在工况1的基础上提高拱 上一次风风速,目的在于研究三次风对于拱上风的 阻碍作用大小,从图4中可以看出,当拱上一次风风 速增大到3715 m/ s时,炉内仍然形成较为对称的W 型火焰,拱上主气流在炉内的行程与工况1相差不 大。 从图5中拱上主气流速度衰减曲线可以看出,火 焰长度CH 01404,与工况1相比主气流在拐弯的 位置剩余速度要高于工况1。 可见当拱上一次风风速 在适当的范围内提高时,由于三次风的阻碍作用,拱 上主气流不能冲入冷灰斗内造成冷灰斗结渣的可能。 4.2 炉内主气流在炉深Y方向的速度分布规律 图6是各工况下炉内主气流在炉深Y方向上的 分布规律。 工况1中在炉深方向W型火焰相对中心 线基本对称分布。 从冷灰斗上沿速度分布规律可以 看出,当下行气流到达冷灰斗上沿时,虽然仍有气流 向下流动,但沿炉深下行气流所占的流通断面在减 小,上升气流所占流通断面在增大,此处气流已有大 部分转弯向上流动,总体气流的转弯就在冷灰斗上 沿附近。 缺少三次风的情况下,炉内烟气沿炉深方向 仍然能形成相对中心线基本对称的W型火焰。 在Z 方向上,随Z的增大,向上流通截面积不断变小。 工 况2中在缺少三次风的情况下,分级风对主流的衰 减程度不够,使得主气流仍然向冷灰斗发展。 同时, 由于动量流率较大的F层二次风对主气流有推动作 用,使主气流偏向炉膛中心位置,所以在二次风F层 下部处向上流动的气流所占横截面积反而减小,这 与原设计工况的流场规律有较大的不同,究其主要 原因还是因为缺少三次风时分级风对于主气流的衰 减作用不够。 工况5中,拱上一次风风速增大并不影 响炉深Y方向速度分布规律。 图6 各工况下炉内主气流在炉深Y方向上的分布规律 4.3 炉内主气流充满度变化规律 图7 充满度变化曲线图 图7是各 工况下炉膛 主气流充满 度变化曲线 图。 对比各工 况的充满度 变化曲线,可 以看出,各工 况共同的规 律是在炉膛 上部,靠近炉 拱下方的地 方炉膛充满 度较差,各工况大致在014～016之间。 拱上主气流 在向下运行的过程中不断扩散,使得向下气流变粗, 炉膛横截面上向下气流所占比例上升,主气流充满 度开始变好,曲线上升,随着前后墙上分级风的介 入,炉内主气流被横向射流推向炉膛中心,炉膛端面 上下行气流增多,主气流充满度曲线再次上升。 在炉 膛下部及冷灰斗内,由于主气流自身的衰减及横向 分级风的衰减作用,当气流运行到这些位置时已经 衰减完毕或者拥有较小的动量流率,炉膛横截面上 的上升气流所占比例上升,炉膛充满度开始变差,主 气流充满度曲线开始下降直至衰减到零。 工况1和 工况2相比,曲线主要区别在炉膛中下部即三次风 喷口中心线以下的位置 , 没有三次风的工况,在炉 膛下部主气流充满度明显要好于有三次风的工况。 工况3的主气流充满度曲线变化规律说明在一定范 围内增大一次风无助于改变炉膛下部的主气流充满 度,这进一步证明了三次风对于拱上主气流的阻碍 作用。 下转第281页 662热能动力工程 2001年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 由于水的密度远大于烟气的密度,流动时受重 力的影响较大,因此水平烟道各段的流量比较一致, 偏差值还不是很明显。锅炉在实际运行时,偏差要 大得多。通过试验,可以定性地观察到各段流动特 点。 从水模试验的观察结果可以看出,调节上二次 喷口流量,可以改变炉膛出口的流量分布。在实际 运行中,由于燃烧项的加入,体积膨胀剧烈,这种调 节手段的影响可能更加明显。可以认为,通过调节 上部二 次风量的分布,能够起到削弱残余旋转,减 小偏差的作用。至于怎样的风量分配比较合适,还 有待进一步研究。 5 结论 本文对目前大型炉膛普遍存在的烟温烟速偏差 问题进行了初步的探讨,提出了一些新的调节方式, 并通过试验手段进行验证,有一定的实用价值。就 理论分析和试验结果,可以得出以下结论 1分析认为,引起炉膛出口烟速烟温偏差的 主要原因是炉内气流的残余旋转。通过调节上二次 风喷口各角的风量,形成烟气流动中局部的高压富 燃区,挤压火焰主流,改变烟速烟温分布。可以起到 迫使水平烟道两侧烟气流量基本平衡的目的。 2通过水模试验,采取调节上二次风量在各 角的不均匀分配,达到了削弱炉膛出口残余旋转,减 小烟气偏差的目的。 参考文献 [1] 郭宏生,徐通模,惠世恩,等.四角布置切向燃烧锅炉水平烟道 烟温、 汽温偏差原因分析及防止对策[J ].动力工程,1996 ,16 2 9 - 13. [2] 窦文宇,周月桂,周屈兰,等.引进型600 MW切向燃烧锅炉烟 气偏差的试验研究[J ].动力工程,1999 ,192 37 - 40. [3] 丁士发,曹汉鼎,许晋源.四角切圆燃烧锅炉折焰角结构分析 [J ].动力工程,1999 ,192 19 - 23. [4] 陈 刚,顾玉春,谢 勇.三次风下移减小大容量煤粉锅炉烟温偏 差[J ].锅炉技术,2000 ,313 27 - 29. 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All rights reserved. alkali metallic oxides on the NO reduction , the authors have specially investigated the effect of bituminous coal char after its being subjected to an impregnated catalyst treatment on the NO reburning process and NO reduction rate. The test was completed at an initial concentration of NO at 1 0001026and under reaction temperatures of 900℃and 1 100℃re2 spectively. The test results indicate that the metallic oxides in the coal ash have a very strong catalytic action on NO in the reburning zone. The bituminous coal char originally believed to have a very poor effect on NO reduction can rcise a great influence on heterogeneous reduction of NO after a cheap catalyst being added to the above2mentioned coal char. Under the condition of an appropriate reaction temperature and stoichiometric ratio SR the catalyst in the coal char can reduce the activation energyof NO reduction reaction and expedite the speed of that reaction , thus quickening the NO re2 duction speed. Key words reburning , coal char , NO catalytic reduction 中储式热风送粉W型火焰锅炉炉内空气动力场实验研究 Experimental Study of Aerodynamic Characteris2 tics in a W2shaped Flame Boiler Equipped with a Bin and Feeder System and Fed Tertiary Hot Air in the Boiler Furnace [刊,汉]/ Y AN Xiao , XU Wei2jiang , SUN Xin2guo , HUI Shi2en , XU T ong2mo Energy Power Engineering Institute under the Xi’an Jiaotong University , Xi’an , China , Post Code 710049 / /Journal of Engineeringfor Thermal Energy Power.- 2001 , 163 .- 263～266 ,281 With regard to a W2shaped flame boiler imported from US Foster Wheeler Co. and fitted with dual2swirl separation type pulverized coal burners a cold model was set up based on an analog simulation. With the help of an hot2wire anemometer and by the use of a trace measurements of in2furnace aerodynamic field were taken under different operating con2 ditions. As a result , obtained under various operating conditions were the vector diagrams of in2furnace flowfield , length of flame , curves of in2furnace main gas2flow distribution along the furnace depth direction and curves of variation of main gas2flow filling2fullness degree. On the basis of the experimental results an analysis was conducted of the in2furnace aero2 dynamic characteristics. The results of an experimental study indicate that the tertiary air fed into the furnace at high ve2 locity along a horizontal direction has a significant effect on the in2furnace aerodynamic characteristics. Key words W2 shaped flame boiler , cold model experiment , aerodynamic field , dynamic flow rate 近临界及超临界压力区垂直光管和内螺纹管传热特性的试验研究 Experimental Investigation of Heat Transfer Characteristics of Vertical Smooth Tubes and Internally Ribbed Ones in Near2critical and Supercritical Pressure Zones [刊,汉]/ HU Zhi2hong , CHEN Ting2kuan , SUN Dan National Key Lab of Multi2phase Flows under the Xi’anJiaotong University , Xi’an , China , Post Code 710049 / /Journal of Engineeringfor Thermal Energy Pow2 er.- 2001 , 163 .- 267～270 Presented in this paper are the test resultsof the heat transfer characteristicsof vertical smooth tubes and internally ribbed ones in near2critical and supercritical pressure zones. In the near2critical pressure zone the heat transfer characteristics of the smooth tubes will deteriorate when the pressure increases to approach the critical pressure. The critical drynessof heat transfer deterioration will experience a drastic reduction. In extreme cases there emerges a dramatic rise in wall tempera2 ture even in a sub2cooled zone. As for an internally ribbed tube , its heat transfer deterioration in the near2critical pres2 sure zone can be eliminated. However , with the pressure approaching a critical one the capacity of the internally ribbed tube to suppress heat transfer deterioration will decrease. The minimum heat transfer factor of the smooth tube and inter2 nally ribbed tube after a heat transfer deterioration will occur respectively at a pressure of 21.0 MPa and 22.0 MPa. After surpassing the critical pressure the smooth tube and the internally ribbed one will have their respective heat transfer char2 acteristics improved. In a high enthalpy zone the internally ribbed tube can experience a reduction in wall temperature. Key words internally ribbed tube , heat transfer deterioration , near2critical pressure , supercritical pressure , supercriti2 cal pressure boiler 50 MW高压锅炉全燃高炉煤气的研究 A Study of Blast Furnace G as2fired 50 MW High2pressure Boiler [刊, 汉]/ ZHUANG Zheng2ning , CAO Zi2dong , TANG Gui2hua , SHEN Yue2fen Thermal Energy Engineering Department , Xi’an Jiaotong University , Xi’an , China , Post Code 710049 / /Journal of Engineering for Thermal Energy Power. 843热能动力工程 2001年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.