（工程热物理专业论文）旋流式燃烧器炉内空气动力场的数值模拟.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文以某电厂2 号锅炉旋流式煤粉燃烧器为研究对象，对中心给粉旋流式燃烧器进 行了数值模拟。气相流场的计算采用气相作为连续介质基于欧拉系下的r n gk 模型， 颗粒相的计算是基于拉格朗日坐标系下能反映出颗粒运动复杂经历和与壁面碰撞的随 机轨道模型，通过颗粒与流体耦合的p i s c 算法，对燃烧器内部的气固多相流动进行了 数值模拟。分析了旋流燃烧器不同的旋流叶片角度等因素对气相速度场的影响，揭示了 气流和颗粒在燃烧器内的运动特点及分离机理。模拟了炉内气流组织，揭示了中心给粉 旋流式燃烧器的稳燃机理。 关键词：中心给粉，旋流式燃烧器，气固两相流动，数值模拟 a b s t r a c t t h ep a p e rr e s e a r c h e so nn o 2b o i l e r sw h i r lb u r n e ro fap o w e rp l a n t ，m a k e sa n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec e n t r a l f u e l r i c hw h i r lc o a lc o m b u s t i o nb u r n e r c a l c u l a t i o n o fg a sp h a s ef l o wf i e l dm a k e sg a sp h a s ea sc o n t i n u u mb a s e so nr n gk e m o d e li ne u l e r s y s t e m ，c a l c u l a t i o no fs o l i dp h a s eu s e st h er a n d o mo r b i tm o d e lw h i c hc a nr e f l e c t c o m p l e xe x p e r i e n c eo fp a r t i c l em o v i n ga n dw a l lc o l l i s i o ni nl a g r a n g es y s t e m ，u s e sp i s c a l g r a n g et om a k ean u m e r i c a l s i m u l a t i o no fb u r n e r sg a s - s o l i dm u l t i - p h a s ef l o w a n a l y s e sw h i r lb u r n e rw i t hd i f f e r e n tb l a d e sa n g l eo ft a p e r e dc o n c e n t r a t o ri n f l u e n c e so n v e l o c i t yf i e l d ，d i s c l o s u r e st h em o v i n gf e a t u r ea n ds e p a r a t i v em e c h a n i c so fg a s s o l i df l o w i nw h i r lb u r n e r m a k e san u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i r f l o wo r g a n i z a t i o ni nb o i l e r , d i s c l o s u r e ss t a b l eb u r n i n gm e c h a n i c so ft h ew h i r lc o a lc o m b u s t i o nb u r n e r f a n gy u e l a n ( e n g i n e e r i n go ft h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f j i n gy o u - y i n k e y w o r d s ：c e n t r a l f u e l r i c h ，w h i r lb u r n e r , g a s - s o l i dm u l t i p h a s ef l o w , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文以某电厂2 号锅炉旋流式煤粉燃烧器为研究对象，对中心给粉旋流式燃烧器进 行了数值模拟。气相流场的计算采用气相作为连续介质基于欧拉系下的r n gk 模型， 颗粒相的计算是基于拉格朗日坐标系下能反映出颗粒运动复杂经历和与壁面碰撞的随 机轨道模型，通过颗粒与流体耦合的p i s c 算法，对燃烧器内部的气固多相流动进行了 数值模拟。分析了旋流燃烧器不同的旋流叶片角度等因素对气相速度场的影响，揭示了 气流和颗粒在燃烧器内的运动特点及分离机理。模拟了炉内气流组织，揭示了中心给粉 旋流式燃烧器的稳燃机理。 关键词：中心给粉，旋流式燃烧器，气固两相流动，数值模拟 a b s t r a c t t h ep a p e rr e s e a r c h e so nn o 2b o i l e r sw h i r lb u r n e ro fap o w e rp l a n t ，m a k e sa n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec e n t r a l f u e l r i c hw h i r lc o a lc o m b u s t i o nb u r n e r c a l c u l a t i o n o fg a sp h a s ef l o wf i e l dm a k e sg a sp h a s ea sc o n t i n u u mb a s e so nr n gk e m o d e li ne u l e r s y s t e m ，c a l c u l a t i o no fs o l i dp h a s eu s e st h er a n d o mo r b i tm o d e lw h i c hc a nr e f l e c t c o m p l e xe x p e r i e n c eo fp a r t i c l em o v i n ga n dw a l lc o l l i s i o ni nl a g r a n g es y s t e m ，u s e sp i s c a l g r a n g e t om a k ean u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb u r n e r sg a s - s o l i dm u l t i - p h a s ef l o w a n a l y s e sw h i r lb u r n e rw i t hd i f f e r e n tb l a d e sa n g l eo ft a p e r e dc o n c e n t r a t o ri n f l u e n c e so n v e l o c i t yf i e l d ，d i s c l o s u r e st h em o v i n gf e a t u r ea n ds e p a r a t i v em e c h a n i c so fg a s s o l i df l o w i nw h i r lb u r n e r m a k e san u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i r f l o w o r g a n i z a t i o n i nb o i l e r , d i s c l o s u r e ss t a b l eb u r n i n gm e c h a n i c so ft h ew h i r lc o a lc o m b u s t i o nb u r n e r f a n gy u e l a n ( e n g i n e e r i n go ft h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f j i n gy o u - y i n k e y w o r d s ：c e n t r a l f u e l r i c h ，w h i r lb u r n e r , g a s - s o l i dm u l t i p h a s ef l o w , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文旋流式燃烧器炉内空气动力场的数值 模拟，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力人学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 众所周知，电力工业是国民经济的基础，经济要发展，电力要先行。在我国， 煤炭资源分布较广，种类齐全，开发历史悠久，煤炭在一次能源生产和消费结构中 始终占7 0 以上，且在今后较长时期内这种以煤炭为主的能源结构仍将难以改变。 随着电力市场需求的扩大，煤炭消耗将逐年增加。另一方面，我国的煤炭利用水平 还很低，煤炭利用的燃烧技术及燃烧设备还比较落后，导致了能源浪费和燃煤发电 机组事故率较高【l 2 】。 我国电站应用旋流燃烧器的锅炉约占总容量的2 0 。7 0 年代，国内广泛以采用 直流燃烧器为主，对旋流燃烧器颇为忽视，且一般只烧收到基低位发热量q n 吼甜 1 6 8 m j k g ，干燥无灰基挥发分v d a f 2 5 的煤。随着大容量机组四角燃烧炉膛出口 烟温偏差大的难题的暴露，旋流燃烧器重新受到重视。近年来，随着我国火力发电 机组朝着大容量、高参数的发展以及国外先进的大型锅炉制造技术的引进，一些新 型旋流燃烧技术在电站锅炉上的应用越来越多。然而，由于我国电站锅炉燃煤与国 外电站锅炉燃煤的煤质特性存在一定的差别，尽快掌握这些新型旋流燃烧器的设计 思路和运行特性，对我国大型电站锅炉的设计、制造以及运行都具有十分急迫与现 实的意义p ，4 】。 近二十年来，伴随着国民经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，对用电 量的需求也越来越大，能源行业在国民经济中发挥着举足轻重的作用。小容量、低 参数、自动化程度低的发电机组逐渐为高参数、大容量、高自动化水平的机组所代 替。我国的能源以煤为主，电力工业用煤以劣质煤为主，而且煤质多变、挥发分低， 所以保证煤粉燃烧的高效和稳定是电力工业的一个重要任务。旋流燃烧器依靠高温 回流区作为稳定的热源，提高了火焰稳定性，并可单独组织燃烧。从国外进口的 3 0 0 m w 及其以上容量机组大多采用旋流燃烧器。进口机组在运行时，普遍存在一 些问题，如高温腐蚀、低负荷稳燃能力差等。开发适于我国国情的旋流煤粉燃烧技 术已经迫在眉睫。随着发电机组日益向大容量发展，电力工业对煤粉燃烧提出越来 越高的要求，概括起来为高效、稳燃、防结渣、低污染和良好的煤种适应性及快速 负荷变化适应性【5 6 】。 虽然近几十年来经过有关高校及研究部门的不懈努力，开发出多种先进的燃烧 技术及燃烧设备，使我国的煤炭利用水平达到一个新台阶，但与国外先进国家相比 还有一定差距。由于我国动力用煤以劣质煤为主，随着电力行业的发展我国电力用 1 华北电力人学硕十学位论文 煤煤质范围扩大，而且煤质越来越差，多数燃煤机组都不能保证燃用设计煤种的要 求，这给锅炉的低负荷稳燃及安全运行带来问题。而且从节约能源以及越来越严格 的环保排放要求角度出发，新研究的燃烧器应具有燃烧效率高、污染排放低、防结 渣及低负荷稳燃等综合先进指标。提高先进的整体燃烧技术及燃烧设备解决锅炉运 行的安全、高效、低污染问题是符合当前我国国情的煤燃烧技术发展路线。 长期以来，人们对煤粉燃烧锅炉的研究，主要途径是通过试验。由于试验工作 具有周期长，成本高，难度大，而且测量的结果不宜外推等弱点，因此，对锅炉的 研究和供煤系统的开发以及如何组织燃烧，带来了巨大困难。然而，炉膛内部的流 场、温度场，以及两相流场等，这些信息对于设计效率高的锅炉，并保证锅炉的燃 烧稳定、不积焦、污染少是非常重要的。特别由于我国电站锅炉燃用煤质较差，且 煤质多变，为了保证锅炉正常并且高效率地运行，了解炉膛内部的各种物理信息， 是很有必要的，这些信息是非常有价值的【7 , 8 , 9 】。 计算机技术的飞速发展，以及一些商业软件的功能逐渐增强，为研究锅炉提供 了崭新的解决方法一数值模拟。近年来，多种商业软件在国内的应用，为通过数值 模拟来研究锅炉燃烧成为可能【l0 。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外研究动态 在美国，f w 公司在w 型火焰锅炉上采用旋风分离式旋流燃烧器实现浓淡燃烧。 运行经验表明，当煤中的挥发分小于1 l 1 4 时，应使进入主燃烧器的一次风中 的煤粉浓度增加，并降低一次风速，以保证煤粉气流稳定着火；当挥发分大于1 2 1 4 时，就不需要使一次风浓缩，可从旋风子上部抽出风量。挥发分越低，从旋风 子上部抽出的风量越大。当燃用挥发分低于4 的燃料时，只需投入少量的助燃油 即可保证稳定燃烧【5 8 , 5 9 , 6 0 】。b & w 公司1 9 7 2 年研制的双调风旋流煤粉燃烧器( d r b ) 通过控制煤粉与空气的混合，延迟燃烧过程，降低燃烧强度和火焰最高温度来降低 n o x 的生成( 一般可减少5 0 - 6 0 ) 。外二次风有一定的厚度和动量，火焰核心的 还原性气氛要穿过二次风是不可能的，故在满足稳定、高效清洁燃烧的同时，还能 有效的防止炉膛的结渣和高温腐蚀。在旋流分级燃烧器基础上开发出来的p a x 双调 风燃烧器是用热风置换部分一次风，使磨煤机出口风粉混合物温度达到中储式热 风送粉的温度水平。同时置换前一次风粉流的1 0 的煤粉和5 0 的空气经乏气喷口 送入炉膛，使一次风粉浓缩，在一定程度上使直吹式制粉系统兼具中储仓式制粉系 统的优点，最初用在w 型火焰锅炉上，近年来也用于水平燃烧方式上。p a x d r b 双调风旋流燃烧器提高一次风温和煤粉浓度，使着火和燃烧的稳定性得到加强，特 2 华北电力人学硕十学位论文 别是对低挥发分燃料的着火和燃烧十分有利【6 1 , 6 2 。 在日本，i h i 公司i h i w r 一p c 燃烧器负荷下降时仍能保证燃烧器出口一定的 煤粉浓度，在通向燃烧器的一次风管上加了一个带离心卧式分离器的旁路，启动时 可使油煤粉的切换从负荷的3 0 降至1 5 。锅炉可在额定负荷降至3 5 时不必启 停磨煤机，而且其负荷变化速率可望达到燃油炉的水平。但运行调节复杂。i h d ( 石 川岛播磨重工株式会社) 研制的双旋流燃烧器，可使一次风流往内外筒形的环形通 道时切向进入炉膛；调风器和内叶轮控制二次风( 旋流) 分批进入炉膛，第一批二次 风风量较少；少量热风( 温度较高) 由中心管送入炉膛，有利于着火。该燃烧器除 通过调节一、二次风风量来调节煤粉浓度外，还可通过环形通道末端内向收缩的滑 动喷口减少一次风出口面积来实现中间浓缩。其运行特点是：在燃烧器出口附近形 成回流区，外表面浓度低于内表面，实现局部浓缩，进而达到降低n o x 和低负荷稳 燃的目的【6 3 ，“，6 5 1 。 在波兰，n s z 型旋流燃烧器将从磨煤机来的气粉混合物在入口处的旋流分离器 后分为浓淡两股煤粉气流，浓煤粉气流从一次风喷口喷入炉膛，淡煤粉气流从三次 风喷口喷入炉膛；二次风通过内、外二次风道均以旋流形式喷入炉膛。在此基础上 发展起来的n s w 型旋流燃烧器，在一次风道中安装了轴向叶片分离器，一次风粉 混合物经过分离器后分为外浓内淡两股煤粉气流，在喷口处通过导向装置将浓煤粉 气流引向燃烧器中心，淡煤粉气流引向浓煤粉气流的外侧喷入炉膛；二次风通过内 外二次风道以旋流的形式喷入炉内，可有效降低n o x 的排放量，提高火焰稳定性 6 6 , 6 7 , 6 8 1 。 1 2 2 国内研究动态 国内传统旋流燃烧器多为蜗壳式或可动叶轮式，实际运行中可调性和煤种适 应性较差，且n o x 排放量高。近十几年开发的旋流燃烧器在组织煤粉气流的高效、 低污染燃烧中发挥了良好作用。新型旋流燃烧器的共同特点是采用相当低的燃烧速 度，维持火焰稳燃，从燃烧器结构和配风两个角度出发，推迟燃料与空气的混合， 以形成良好的空气动力场。 1 9 8 9 年，岑可法和樊建人提出一个新的两相流动数学模型脉动频谱随机颗 粒轨道模型，并用它成功模拟了气固两相同轴射流。由于确定流场频谱的困难，气 固两相颗粒湍流脉动频谱随机轨道模型在工程上的应用受到限制。两位学者又在 1 9 9 2 年提出c a t 方法( 计算机辅助优化数值试验) ，探讨了数值试验方法在大型电站 锅炉中应用的可能性，同时为数值模拟气固两相流提供了方向性指导。哈尔滨工业 大学秦玉琨、陈智超、李争起等通过实验台冷态模化试验和锅炉空气动力场试验对 内二次风叶片个数和一次风率对旋流燃烧器空气动力特性的影响进行了研究，得到 3 华北电力人学硕十学位论文 内二次j x l 叶片个数是影响燃烧器空气动力特性的一个重要参数和采用较低一次风 率的双调风燃烧器具有较大的回流区，有利于稳定燃烧的结论。并在1 9 9 3 年提出综 合高浓度煤粉燃烧技术和旋流式燃烧器稳定火焰的原理设计的径向浓淡旋流煤粉 燃烧器，在应用过程中实现了高效、稳燃、低污染、防结渣和防高温腐蚀燃烧，但 其中心扩锥存在磨损问题，特别是在燃用烟煤的锅炉中，一次风率高，磨损问题严 重。在其基础上提出的浓淡旋流煤粉燃烧器结构，解决了锅炉稳燃能力差的问题 1 1 , 1 2 , 1 3 】。为了解决中，t l , 扩锥的磨损问题，进一步降l k 氐n o x 的排放，2 0 0 3 年李争起教 授提出了中心给粉旋流煤粉燃烧器，彻底避免了其中心扩锥的磨损问题。倪建民等 对旋流燃烧器出口湍流流场进行数值模拟研究，得到如下结论：在弱旋气相流动 时，r n gk 吨模型可以满足工程上的精度需求，在强旋流动中，基于“有效粘性”的 各个模型的计算结果和实验相差很远，只有采用雷诺应力模型才能得到较为满意结 果。魏铜生等对新型低n o x 浓淡型双调风旋流燃烧器开展了实验和理论研究。采用 分级配风，提高煤种的适应性和低负荷稳燃特性，燃烧初期三次风与二次风混合， 后期是三次风与一次风混合。一次风管出口有稳燃环，改变煤粉的空间分布，实现 了煤粉气流在高温、高浓度、高湍动度下的稳定着火、燃烧和高温裂解【1 4 , 1 5 】。马春 元对径向浓淡旋流煤粉燃烧器进行了冷态试验研究，指出新型燃烧器的喷口结构对 其旋转射流的初期流动和混合影响很大，特别是扩口的外伸长度和叶片倾角是主要 影响因素。合理的选择燃烧器喷口结构，可望取得良好的空气动力特性，达到稳燃、 高效、防结渣、低n o 。排放的目的【1 6 , 1 7 , 1 8 】。 由于旋流燃烧技术在强化燃烧、稳定燃烧以及降低n o x 污染物排放方面的显著 优势，因此在国外得到了广泛的应用，很多成果已经在我国引进的锅炉上广泛采用。 据统计，在我国电站锅炉中，采用旋流燃烧器的锅炉占总容量的2 0 左右。然而， 由于我国电站锅炉燃用多煤种的国情和国外不同，所引进的旋流燃烧器有待改进。 为此，国内学者作了大量研究，对国内外的旋流式煤粉燃烧器的应用技术进行综合 分析，开发出多种新型燃烧器。 本文运用c f d 技术对某电厂1 0 2 5 t h 锅炉的旋流式燃烧器及炉内空气动力场进 行了数值模拟。气相流场的计算采用气相作为连续介质且基于欧拉系下的r n g k g 模型，颗粒相的计算是基于拉格朗日坐标系下能反映出颗粒运动复杂经历和与壁面 碰撞的随机轨道模型，通过颗粒与流体耦合的p i s c 算法，对燃烧器内部的气固多 相流动进行了数值模拟。分析了锥形浓缩器的布置位置和间距等因素对气相速度场 的影响，揭示了气流和颗粒在燃烧器内的运动特点及分离机理。模拟了炉内气流组 织，揭示了中心给粉旋流式燃烧器的稳燃机理。 1 3 论文的主要工作内容 4 华北电力人学硕十学位论文 1 3 1 研究对象 以某电厂3 0 0 m w 机组锅炉为研究对象。该厂2 号锅炉为北京巴威公司制造的 b & w 10 2 5 18 3 m 型亚临界参数、一次中间再热、单锅筒、自然循环、半露天、单 炉膛、n 型布置、平衡通风、固态排渣煤粉锅炉。采用钢球磨中间储仓式热风送粉 系统，配置有4 台m t z 3 5 7 0 型钢球磨煤机。锅炉配有2 4 个旋流燃烧器，分为三层， 前后墙对冲布置。在锅炉的前、后墙各有一个隔仓式大风箱，每个大风箱由隔板分 成3 个隔仓，分别对三排燃烧器进行均匀配风。 1 3 2 研究内容 为了深入了解旋流式燃烧器内气固两相流动特性，为旋流式燃烧器的技术改造 提供理论依据，拟对2 号锅炉燃烧器进行数值模拟。通过对数值模拟结果的研究与 分析，提出较理想的技术改造方案，以在防止锅炉灭火、提高锅炉效率、低负荷稳 定燃烧等方面取得更好的效果。在对单只旋流式燃烧器数值模拟的基础上，进行炉 内空气动力场的数值模拟，寻求防止结渣、稳定燃烧和优化设计的途径。研究内容 为： ( 1 ) 对燃烧器内的气相场进行数值研究，探讨送风速度、旋流叶片的旋转角度 以及浓缩器的位置对气相场的影响，为多相流的研究打下基础。 ( 2 ) 对燃烧器内的颗粒相进行数值模拟，研究送风速度、旋流叶片的旋转角度、 浓缩器的位置以及粒径大小的不同对分离结果的影响，揭示气流和颗粒在燃烧器内 的运动特点和分离机理。 ( 3 ) 对炉内空气动力场进行数值模拟，揭示中心给粉旋流式燃烧器的稳燃机理， 寻求防止结渣、稳定燃烧和优化设计的途径。 5 华北电力人学硕+ 学位论文 第二章锅炉及燃烧器的技术特性 某电厂l 号、2 号锅炉是由b & w b 公司制造的b & w b 一1 0 2 5 1 8 3 一m 型固态排渣 煤粉锅炉，采用钢球磨中间储仓式热风送粉系统，配置有4 台m t z 3 5 7 0 型钢球磨 煤机，配有2 4 个e 1 d r b 旋流燃烧器。锅炉主要设计参数如表2 1 所示。设计煤种 为山西晋中贫煤，校核煤种为山西阳泉无烟末煤+ 晋中贫瘦煤，锅炉设计、校核煤 种燃煤特性见表2 2 。 表2 - 1锅炉主要设计参数 项目单位b m c r 负荷e c r 负荷 过热蒸汽流量 t h 1 0 2 59 1 8 过热蒸汽出口压力m p a1 8 31 7 3 过热蒸汽出口温度 5 4 05 4 0 再热蒸汽流量 t h 8 2 3 87 5 0 再热蒸汽进口压力 n 口a3 8 2 3 4 7 再热蒸汽出口压力 m a3 6 63 3 2 再热蒸汽进口温度 3 1 63 1 5 再热蒸汽出口温度 5 4 05 4 0 给水温度 2 7 82 7 2 冷风温度 2 72 7 热风温度( 一次风) 3 3 33 2 5 热风温度( 二次风) 3 3 l3 2 6 排烟温度 1 4 0 1 3 5 燃料消耗量 t h1 2 2 61 1 1 6 锅炉效率 9 1 3 79 1 4 8 表2 2 设计、校核煤种元素分析 项目名称单位设计煤种校核煤种 碳c a r 6 4 8 94 7 4 9 氢h a t 2 8 33 2 5 氧o a r 2 46 9 7 氮n a r o 9 81 0 2 硫s a r 1 0 81 0 1 灰分a a r 2 1 8 2 3 7 0 挥发分v a r 1 1 3 5 2 3 4 9 水分m t 6 o o 3 2 6 低位发热量 k j k g 2 3 8 7 41 8 1 9 3 6 华北电力大学硕士学位论文 近年来由于煤种多变，煤质差导致锅炉燃烧状况不佳。该厂2 0 0 2 年、2 0 0 3 年 针对l 、2 号锅炉存在的问题，进行了试验研究和技术改造。1 号锅炉采用浓淡旋流 煤粉燃烧器型燃烧器，中心扩锥磨损严重，改造效果不够理想。2 号锅炉采用中心 给粉旋流燃烧器，解决了浓淡煤粉旋流燃烧器存在的中心扩锥的磨损问题，改造效 果比较理想。 2 1e i d r b 型燃烧器的工作原理 某电厂1 、2 号锅炉的原型燃烧器为e 1 d r b 型燃烧器，又称为强化点火双调风 燃烧器，是b & w b 公司为了降低n o x 排放而开发的一种燃烧技术，双调风燃烧器 结构简图如图2 1 所示。燃烧器为双调风形式，从大风箱来的二次分两股进入到内 层和外层调风器，内、外层二次风的旋转方向是一致的，内层二次风作引燃煤粉作 用，外层二次风用来补充已燃烧煤粉所需的空气，使之完全燃烧。二次风的旋转强 度可以改变，其旋转气流能将炉膛内的高温烟气卷吸到煤粉着火区，使煤粉得到点 燃和稳定燃烧。采用这种分级送风的方式，有利于煤粉的点燃和稳燃。在燃烧器盖 板上设有看火孔、火焰监测孔、点火器及油枪管座以及控制内、外二次风挡板的手 柄【l9 1 。 1 一导向器，2 一一次风管，3 一内二次风通道，4 一外二次风通道，5 一水冷壁， 6 一外二次风切向叶片，7 一内二次风轴向叶片，8 一均流装置，9 一看火孔 图2 - 1e i d r b 型双调风燃烧器结构简图 2 2 浓淡旋流煤粉燃烧器 浓淡旋流煤粉燃烧器图如图2 2 所示，在一次风通道内加装一只具有高浓缩比 的环形百叶窗式煤粉浓缩器，一次风气流经过浓缩器后被分成浓淡不同的两股气 流，浓煤粉气流经过靠近中心管的浓一次风通道喷入炉膛，淡煤粉气流在浓一次风 7 华北电力人学硕十学位论文 通道的外侧经过淡一次风通道喷入炉膛，形成煤粉浓度在燃烧器喷口处的径向浓淡 分离。 二次风分成旋流和直流两部分，由固定式轴向弯曲叶片组成的旋流器产生旋流 二次风，在燃烧器喷口外与直流二次风相混合，经一次风外侧的二次风喷口喷入炉 膛。由于旋流二次风和扩口导流的作用，出口气流在燃烧器喷口附近可形成适当大 小的高温烟气回流区，内侧浓煤粉气流在中心回流区边界处形成较高煤粉浓度，使 高温区域与燃料高浓度区域相匹配，保证煤粉气流适时着火，且火焰稳定性提高。 外围淡煤粉气流及二次风在浓煤粉着火后及时混入，提供了煤粉颗粒着火后充分燃 尽所需要的氧，保证具有较高的燃烧效率。强烈旋转的二次风外包围着直流一次风， 使炉膛水冷壁处的煤粉浓度降低，同时，此区域处于还原性气氛，减少炉膛结渣和 水冷壁管高温腐蚀的可能性。浓煤粉气流先着火，淡煤粉气流后着火，之后混入旋 流二次风，直流二次风最后混入燃烧，形成多层分级燃烧，使煤粉气流中心燃烧区 处于还原性气氛下，有效抑制了n o x 的产生【2 0 , 2 1 1 。 1 2 34 5678 1 一水冷壁2 一旋流二次风扩口3 一次风扩口4 一旋流器5 一直流二次风通道 6 一一次风通道7 一旋流二次风通道8 一看火孔9 一耐磨棒1 0 一直流二次风挡板 1 l 一煤粉浓缩器1 2 一浓一次风扩口1 3 一导流环1 4 一中心钝体 图2 - 2浓淡旋流煤粉燃烧器 2 3 中心给粉旋流式浓淡煤粉燃烧器 中心给粉旋流煤粉燃烧器如图2 3 所示，由一次风管、内二次风管和外二次风 管组成。一次风通道位于燃烧器的中心，一次风为直流，在燃烧器一次风通道中安 装一个或多个锥形分离器使煤粉集中于燃烧器的中心并喷入炉内。内二次风为旋 8 华北电力大学硕士学位论文 流，叶片采用1 6 个轴向弯曲叶片( 旋转角度为6 4 。) ，# b - - 次风为直流，叶片采用 1 2 个切向叶片。取消了浓一次风口、导流环和中心扩锥。其主要特点是不设置中心 管，燃烧器煤粉喷入位置正对中心回流区的中心部分，增加了穿过回流区的煤粉量， 并延长了煤粉在回流区的停留时间，有利于煤粉的燃尽。 图2 - 3 中心给粉旋流煤粉燃烧器 锅炉热态试验表明：2 号炉下层燃烧器采用中心给粉燃烧器后，锅炉可以在 3 0 0 m w 的电负荷下稳定运行，炉膛负压稳定，主蒸汽压力、主蒸汽温度达到了设 计要求，锅炉热效率达到9 2 0 6 。在运行情况基本相同的情况下，2 号锅炉的n o x 排放量要比1 号锅炉( 下层燃烧器采用浓淡旋流煤粉燃烧器) 的n o x 排放量降低 9 3 m g n m 3 ，降幅达8 。 为了深入了解中心给粉旋流煤粉燃烧器的分离机理和稳燃特性，对该燃烧器进 行数值模拟研究，通过调整一次、二次风量大小、二次风叶片角度及三次风风量模 拟流场分布情况，分析各参量对流场的影响规律。 9 华北电力人学硕十学位论文 3 1c f d 概述 第三章c f d 数值模拟的基本理论及方法 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是以流体为研究对 象的数值模拟技术，可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。近年来， 随着计算机技术以及相关技术的发展，c f d 技术迅速走向实用，近年来计算机图形 处理技术的出现和不断完善，数值模拟的逼真性不断提高，它已经作为流体流动研 究的一个手段，部分的替代实验研究。c f d 的基本思想是把原来在时间域和空间域 上连续的物理量的场，如速度场或压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集 合来替代，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数 方程组，然后求解这些代数方程组获得场变量的近似值。且由于当前计算机技术的 发展，c f d 方法的计算周期和成本完全可以被工程应用所接受。 相对于实验研究，数值模拟有其独特的特色： ( 1 ) 研究成本低，周期快； ( 2 ) 没有实验仪器的干扰； ( 3 ) 能够获得完整的资料； ( 4 ) 设备简单，仅用计算机及相应的外围设备即可； ( 5 ) 通过模拟可获得实验无法测定的工况和参数； ( 6 ) 对同一工况可重复再现，相似工况也可进行简单的移植，而无须花费更多 的人力物力； ( 7 ) 所需的经费少，由于无须搭建实验台，布置实验设备，模拟计算费用低好 几个数量级，颇受人们青睐，已经越来越多地应用于各个工程领域； ( 8 ) 能够将计算情况在计算机屏幕上形象的再现，但数值模拟的准确性与初始 条件及边界条件的简化以及某些经验常数的选择是否合理有着密切的关系。 数值模拟的局限性： ( 1 ) 数值模拟的使用者必须充分掌握有关湍流模拟、c f d 及编程方面的知识； ( 2 ) 数值模拟的正确性依赖于所选择的模型能否准确地描述物理现象，对现象 的任何简化或假设都会影响到模拟结果的可靠性； ( 3 ) 数值模拟的结果还有待于实验来校核。 1 0 华北电力人学硕十学位论文 尽管c f d 方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐 步得到发展和解决【2 2 1 。 3 2 数值模拟计算软件 本文数值模拟计算采用f l u e n t 软件。f l u e n t 软件的结构由前处理、求解器 及后处理三大模块组成。f l u e n t 软件中采用g a m b i t 作为专用的前处理软件，使 网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，可 以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合 网格，其自适应功能强，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格 和滑动网格。 网格生成及前处理非常方便。网格可自动生成，且网格形状十分随意，从三面 体、六面体到八面体或更复杂的微元体。尤其令人感到方便的是它对任意形状的物 理域均可划分网格，而不要求是规则区域。后处理功能强大，可以把所关心的任意 点、线、面上相关的参数的分布显示出来或输出为数据文件。显示的形式也很多， 诸如等值面图、矢量图、流线图、颗粒轨道示踪等【2 3 1 。 3 2 1 模拟网格划分软件g a m b i t g a m b i t 软件是目前c f d 分析中最好的专业前置处理器软件，它包含先进的几 何建模能力和网格划分方法，可以在g a m b i t 内直接建立点、线、面、几何体，也 可以从主流的c a d c a e 系统如p r o e 、u g i i 、i d e a s 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、 a n s y s 、p a t r a n 导入几何体和网格。g a m b i t 强大的布尔运算能力为建立复杂的 几何模型提供了极大的方便。借助功能灵活、完全集成和易于操作的界面，g a m b i t 可以显著减少c f d 应用中的前置处理时间。复杂的模型可直接采用g a m b i t 固有几 何模块生成或由c a d c a e 构型系统输入。高度自动化的网格生成工具保证了最佳的 网格生成，如结构化、非结构化、杂交或混合网格。g a m b i t 软件具有以下特点： ( 1 ) a c i s 全面的三维几何建模能力。在g a m b i t 里面直接建立集合模型，通过 多种方式直接建立点、线、面、体，而且有强大的布尔运算能力，可以直接建立形 状非常复杂的曲面，这一功能大大领先于其他c a e 的前处理软件。 ( 2 ) 与大多数主流c a d c a e 软件有直接的数据接口，可以导入p r o e 、u g 、 i d e a s 、c a t i a 、s o l i d e o r k s 、a n s y s 、p a t r a n 等软件所建立的几何体和网格。 这些集合接口不仅可以保证g a m b i t 与c a d 软件接口的稳定性和保真性，并且可 以实现自动升级。同时g a m b i t 功能强大的布尔运算能力使用户可以方便地建立复 杂的几何模型。 ( 3 ) 具有强大快速、灵活方便的几何自动修正功能。当从接口中导入几何时会 1 1 华北电力火学硕士学位论文 自动合并重合的点、线、面；并设有几何修正工具条，在保证原始几何精度的基础 上通过虚拟几何自动的缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划 分的需要。从而在消除短边、缝合面上的缺口、修补尖角、除去小面、除去单独的 辅助线、修补倒角时更加快捷方便，而且在修补的同时，几何体的精度得以准确的 保证。 ( 4 ) 具有强大的网格划分能力，可以划分出包括边界层等c f d 特殊要求的高质 量网格。g a m b i t 中专有的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出 高质量的四面体、六面体或混合网格。 ( 5 ) 六面体核心( h e x c o r e ) 技术继承了笛卡尔网格与非结构网格的优点，可 以大大节省网格数量，提高网格质量。 ( 6 ) 尺寸函数( s i z ef u n c t i o n ) 功能可以使用户能够自由的控制网络的生成过程、 疏密程度、影响区域，并有利于提高复杂几何的网格质量。 ( 7 ) g t u r b o 模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定 子等几何模型的计算网络。 ( 8 ) t g r i d 方法可以在极其复杂的几何区域中划分出与相邻区域网格连续的完 全非结构化网格。g a m b i t 网格划分方法的选择完全是高度智能化的，当用户选择 一个几何区域后，g a m b i t 会根据该几何区域的特征自动选择最合适的网格划分算 法，使网格划分过程得极为容易。 ( 9 ) 可以生成f l u e n t 5 、f l u e n t 4 5 、f i d a p 、p o l y f l o w 、n e k t o n 、a n s y s 等求解器所需要的网格。 3 2 2 数值模拟计算软件f l u e n t f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。其基 本程序结构如图3 1 所示。它提供的无结构网格生成程序，把相对复杂的几何结构 问题的计算变得容易和轻松。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三 维的四面体、六面体及混合网格。并且可以根据计算结果调整网格。这种网格的自 适应能力对于精确求解有较大梯度的流场如自由剪切流和边界层问题有很实际的 作用。同时，网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流动 场，因此可以节约计算时间。 f l u e n t 软件可以采用三角形，四边形，四面体，六面体及混和网格，f l u e n t 软件可以计算二维和三维流动问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。 1 2 华北电力人学硕十学位论文 图3 一l基本程序结构示意图 3 2 3 图形处理软件t e c p l o t 在对煤燃烧过程的方程进行离散和计算机求解后，将所得结果经t e c p l o t 软件 进行图形处理，形成便于阅读的速度场、温度场、颗粒运动轨迹等图形。通过对这 些直观的图形结果，可以方便的进行分析、预测和判断燃烧情况。 t e e p l o t 是由n a s a 支持，a m t e ce n g i n e e r i n gi n c 公司开发的交互式工程、科 学数据图形显示及分析软件包。t e c p l o t 以其全面的功能和优越的性能、价格比，受 到广泛的重视和应用。t e c p l o t 可以将计算结果清晰、直观地表示出来，并能全面地 分析其细微结构。下面简单介绍t e c p l o t 的功能特性。 ( 1 ) 功能全面 t e c p l o t 不仅具有网格图、x y 图、等值线面图、矢量流线图、切面、探针、 数据计算、多窗口和动画等多种基本显示、分析功能，而且可将各种作图方式组合 使用，获得极具艺术性的逼真图形效果。 ( 2 ) 使用方便 交互式全菜单人机界面，支持鼠标、热键和快速宏命令，具有实时菜单帮助信 息提示，操作十分简单、快捷。可通过编辑简单的宏命令文件，以批处理方式灵活 的完成所有与菜单驱动等价的操作，且速度很快。 ( 3 ) 图形绘制和显示速度快 1 3 华北电力人学硕士学位论文 t e c p l o t 采用保护模式运行( p r o t e c t e dm o d e ) ，实现动态内存管理，可处理的网 格节点数不受内存容量的限制。另外，采用双缓冲( d o u b l eb u f f e r s ) 动态显示技术， 使得图形的绘制和显示快速完成，一般的图形绘制只需几秒钟即可。 ( 4 ) 数据结构格式简单 t e c p l o t 的i o 界面采用数据文件系统，数据文件采用流行的简单格式。可将 每个窗口中图形的所有设置( 如边框、台头、底色、文本注解、调色板、轴、等值 线等) 以格式表( s t y l es h e e t ) 形式存储，然后这些设置就可以在其他的图形窗口 中调用。令人满意的图形绘制完毕后，所有调用的数据文件以及绘制的图形结果都 可以保存在一个格式文件( l a y o u t ) 中，再调入该文件就可以自动恢复所有的图形。 ( 5 ) 多重任务 t e c p l o t 可以同时支持6 4 个窗1 3 和1 2 个数据组，每个窗口可打开由一个或多 个数据文件组成的数据组。每个数据文件中，可将所研究的区域分成多个子区，各 子区可以选择各自的开关和作图方式。 ( 6 ) 分析方便 t e c p l o t 可将模拟对象的边界、切面或流线、等值线面等关键数据信息提取出 来，由繁化简来单独分析。另外，其交互式“探针”功能，可以快速、准确地捕捉 到空间任意点的数值信息。由“+ ，一，= ，s i n ，c o s ，t a n 等运算符组成简单 的公式，可对各变量进行简单运算，而且具有一阶或二阶的导数运算能力。这样， 无须通过其他外部程序就可以方便、迅速地对图形中的信息进行深层次分析。 t e c p l o t 可在所有常见机型和工作站上使用，所编辑的文件也可相互移植。所生成的 图形可通过绘图仪、胶片机和各种型号的打印机输出。 3 3 湍流流动及其数学模型 3 3 1 湍流的数值模拟方法 一般认为，无论紊流运动多么复杂，非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对于紊流的瞬 时运动仍然是适用的。但是由于描述紊流的物理量相关并具有脉动性，对脉动性的 修正将产生高阶相关的偏微分方程，并伴随新的未知量，故紊流方程组无法得到精 确的解，因此，数值模拟便成为一种主要的研究方法。就目前来看，湍流的数值模 拟还远未达到成熟的地步，仍然是计算流体动力学中困难最多因而研究最为活跃的 领域之一，从己有的研究成果来看，湍流的数值计算方法大致分为直接模拟( d n s ， d i r e c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ) ，大涡模拟( l e s ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) ，雷诺 ( r e y n o l d s ) 时均方程方法等三类【2 4 1 。 1 4 华北电力人学硕+ 学位论文 ( 1 ) 直接模拟 直接模拟是用三维非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行直接的数值计算。这 种方法多采用谱方法或伪谱方法，具有精度高、收敛快、无相位误差等特点，但是 对复杂的紊流流动进行直接的数值模拟必须采用很小的时间和空间步长，在一个步 长内当作稳态的方程来求解。这种模拟方法对计算机的内存空间和计算速度要求非 常高