基于FLUENT的循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)流場數(shù)值分析

辛凱 孫通 張全厚

（1.哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計研究所有限公司，哈爾濱 150046；2.神華（福建）能源有限責(zé)任公司，福州 350005；3.北方重工集團有限公司，沈陽 110141）

循環(huán)流化床鍋爐是在沸騰爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用循環(huán)流化床的燃燒方式運行，簡稱CFB鍋爐，由于其具有燃料適用性廣、煙氣中的污染物排放量低、爐膛內(nèi)燃燒效率高等顯著的優(yōu)點，目前已被廣泛投入使用，在未來將向著幾十萬千瓦級的大型化方向發(fā)展[1]，在這方面的研究、開發(fā)和運行優(yōu)化方面也日益受到相關(guān)專家學(xué)者的重視。

爐膛的流場工況在很大程度上影響著鍋爐和電廠整體運行的經(jīng)濟性、安全性以及設(shè)備的壽命，由于鍋爐的燃料性質(zhì)、設(shè)備狀況、工作人員的水平等因素影響鍋爐在理想工況下運行，使得其運行的經(jīng)濟性、安全性受到一定程度的影響。但在當(dāng)今的電廠中，由于設(shè)備龐大而復(fù)雜，運行中可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，試驗不能應(yīng)對需要而隨時進行，加之參數(shù)對與之有關(guān)的工況影響已不能憑想象和經(jīng)驗做出判斷[2]，由此冷態(tài)試驗應(yīng)運而生。

近年來，已有多位學(xué)者對鍋爐冷態(tài)試驗進行了相關(guān)研究，衡麗君、段坤杰等[3]對220 t/h的循環(huán)流化床鍋爐進行過冷態(tài)試驗分析；張呂鴻、劉萌萌等[4]對二次風(fēng)入口結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計進行過研究；湛志鋼、曾庭華[5]對300 MW循環(huán)流化床鍋爐進行過冷態(tài)試驗分析，并將試驗結(jié)果與135 MW等級機組冷態(tài)試驗結(jié)果進行了對比。由于現(xiàn)場的試驗條件有限、試驗耗費的周期較長等不利因素的影響，循環(huán)流化床鍋爐的冷態(tài)流場很難得到實時的分析，本文運用大型商用CFD軟件FLUENT，基于Simple算法，運用RNG k-ε湍流方程，結(jié)合有限體積法對控制方程進行離散，在一次風(fēng)速為25 m/s不變的情況下，針對二次風(fēng)速分別為40 m/s、45 m/s、50 m/s工況下的流場分布進行仿真模擬，并將三種工況下的結(jié)果進行對比分析，適時通過試驗來驗證，為循環(huán)流化床鍋爐的實際熱態(tài)運行提供參考依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

循環(huán)流化床鍋爐的物理模型、結(jié)構(gòu)尺寸及一次風(fēng)、二次風(fēng)流動方向如圖1所示，采用solidworks軟件生成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT6.3研究爐膛內(nèi)的空氣流動，利用gambit軟件建立三維模型和劃分網(wǎng)格，根據(jù)模型的特點，選擇六面體網(wǎng)格，數(shù)目為76萬，增加兩次網(wǎng)格數(shù)目進行無關(guān)性檢驗，得出的誤差在合理范圍內(nèi)，最終計算結(jié)果的精確性可得到保證。爐膛內(nèi)的空氣流動采用RNG k-ε湍流方程求解，壓力速度耦合采用Simple二階迎風(fēng)的離散化算法，將迭代計算的殘差精度設(shè)置為10-5。

RNG k-ε模型是由Yakhot及Orzag提出的，通過大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的k方程和ε方程，與標(biāo)準k-ε模型非常相似：

圖1 循環(huán)流化床鍋爐的物理模型

Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，公式（1）介紹了計算方法；Gb是由浮力而產(chǎn)生的湍流動能，公式（2）介紹了計算方法；YM是由于在可壓縮湍流中，過渡的擴散產(chǎn)生的波動；C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的。

與標(biāo)準k-ε模型比較發(fā)現(xiàn)，RNG k-ε模型的主要變化是：

（1）通過修正湍流粘度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況；

（2）在ε方程中增加了一項，從而反映了主流的時均應(yīng)變率Eff，這樣，RNG k-ε模型中產(chǎn)生項不僅與流動情況有關(guān)，而且在同一問題中也還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

從而，RNG k-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動[6]。

1.3 邊界條件

一次風(fēng)和二次風(fēng)的邊界條件均設(shè)置為速度入口，其余設(shè)置為壁面邊界條件，出口設(shè)置為自由出口[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 速度場分析

迭代計算收斂后，在z =7.5 m處建立切片，并進行三種工況的對比性能分析，圖2為針對二次風(fēng)速分別為40 m/s、45 m/s、50 m/s情況下的爐膛流場速度矢量圖。

圖2 不同二次風(fēng)速下的爐膛流場速度矢量圖

由圖2的模擬結(jié)果可以看出，在一次風(fēng)速不變的情況下，當(dāng)二次風(fēng)速定為40 m/s時，爐膛內(nèi)的流場分布較不均勻，邊界處易出現(xiàn)高速流動區(qū)域和流動死區(qū)，但隨著二次風(fēng)速的增大，爐膛內(nèi)的流場分布趨向平穩(wěn)，分布變得逐漸均勻，這是由于在固定的結(jié)構(gòu)和一次風(fēng)速不變的前提下，增大二次風(fēng)速，在一定程度上克服了空氣在爐膛中的流動阻力，使流動更為順暢，邊界處的流動死區(qū)減少，可有效減少結(jié)垢現(xiàn)象，對提高設(shè)備的使用壽命提供保障[8]。

2.2 湍流強度分析

圖3為三種不同二次風(fēng)速時z =7.5 m截面處的湍流強度分布等值線圖。

圖3 不同二次風(fēng)速下的爐膛湍流強度等值線圖

圖3給出了不同二次風(fēng)速下的爐膛內(nèi)湍流強度等值線圖，通過對比可以看出，在二次風(fēng)速為40 m/s時，整體平均湍流強度較小，隨著二次風(fēng)速的增大，爐膛中的空氣流動變得劇烈，湍流強度增大，這是由于在較低的二次風(fēng)速下，空氣的流動處于較弱的湍流狀態(tài)。

3 試驗分析

為驗證模擬的精確性，在現(xiàn)場進行冷態(tài)試驗分析[9]，在爐膛中取10個測點，同樣保持一次風(fēng)速恒定不變，二次風(fēng)速分別設(shè)置為40，45，50 m/s，每個測點間隔3 min后，取一組數(shù)據(jù)，接連取5組，計算平均值，與FLUENT中的計算數(shù)據(jù)進行對比，擬合出曲線圖4、圖5、圖6。

圖4 二次風(fēng)速為40 m/s時的模擬與試驗結(jié)果對比

圖5 二次風(fēng)速為45 m/s時的模擬與試驗結(jié)果對比

圖6 二次風(fēng)速為50 m/s時的模擬與試驗結(jié)果對比

由圖4至圖6可以看出，F(xiàn)LUENT的模擬計算值與實測值的擬合曲線分布趨勢較為吻合，誤差在允許范圍內(nèi)，尤其是臨近爐膛空氣出口處，其誤差主要是由于測量系統(tǒng)偏差、人為操作、模型的簡化處理等不可避免的原因引起的[10]。

4 結(jié)論

（1）本文根據(jù)現(xiàn)場的運行工況和循環(huán)流化床鍋爐的實際尺寸，建立出模型，采用FLUENT軟件對調(diào)整二次風(fēng)速后的流場變化進行了分析，解決了試驗條件有限、不能適時進行的問題。

（2）通過后續(xù)的試驗對比分析，可見模擬結(jié)果的精確性可靠，可作為循環(huán)流化床鍋爐實際熱態(tài)運行的參考依據(jù)。

（3）一次風(fēng)速恒定不變，隨著二次風(fēng)速的增大，爐膛中的流場趨近平穩(wěn)，但綜合考慮爐膛總風(fēng)壓與燃燒充分性等因素，一、二次風(fēng)的配比需合理，在實際運行中應(yīng)酌情考慮。

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