300MW循環流化床鍋爐布風系統數值模擬

馬英

摘 要：對東鍋自主300MW CFB鍋爐采用的兩側進風狹長水冷風室展開靜壓分布研究，通過采用直徑為31mm的節流孔板代替原始風帽，對含有風帽的布風系統進行數值模擬，模擬結果顯示，由于突擴效應，在進風口上、下方各形成一個渦旋。影響的風帽列數為單側5列風帽，占總風帽6.2%。由于回流區在布風板兩側形成了一個局部的低壓區域，低壓回流區的壓力降約為160多帕斯卡。

關鍵詞：循環流化床鍋爐；風帽簡化；布風系統；數值模擬

0 引言

隨著近幾年環境的惡化及霧霾天氣不斷的出現，環境保護問題一再成為發展焦點，對電廠的發展也提出了新要求。從20世紀80年代開始，循環流化床鍋爐逐漸發展成為新一代高效環保鍋爐。從化學的角度看運行狀態下的循環流化床鍋爐，其本身就是一個超大型流態化的化學反應器，大量床料在一次風的作用下強烈的擾動混合，為固體反應物提供了較高的氣、固滑移速度以及較長的停留時間，進一步強化傳熱和氣-固、固-固之間的反應。循環流化床鍋爐具燃燒效率相對較高、脫硫脫硝成本低、燃燒適應性廣、負荷調節性能強、可用率高等優點而顯示出了強大的生命力。循環流化床鍋爐主要由布風裝置、密相區、稀相區、爐膛受熱面、旋風分離器、返料裝置、尾部受熱面等組成。其中布風裝置、旋風分離器和返料裝置是循環流化床鍋爐的特有結構。布風板作為循環流化床鍋爐核心構件之一，對保障爐料氣固反應起著至關重要的作用。布風板阻力的大小關系直接到床層的穩定性、流化均勻性以及系統動力消耗。布風板阻力過大、燃燒系統消耗過多風機電耗，降低機組的經濟性。阻力過小又極可能導致布風板密相區流化不均，造成床料泄露，影響密相區的燃燒。

目前，國內學者對東鍋自主型300MW循環流化床鍋爐采用的兩側進風狹長水冷風室的靜壓分布存在較大分歧，曾庭華[1]等學者認為中間靜壓最高，但潘昕[2]等認為中間風壓最低。基于此，本文對東鍋自主300MW CFB鍋爐采用的兩側進風狹長水冷風室展開靜壓分布研究，通過對風帽進行簡化從而縮減布風板網格數量，對含有風帽的布風系統進行數值模擬，結合布風系統內部流場分析一次風室靜壓分布情況。以期為該爐型水冷風室的靜壓分布研究提供參考。

1 鐘罩型風帽阻力特性及簡化分析

1.1 建模及邊界條件

風帽頭罩于內徑為54mm的芯管之上，與芯管外壁之間形成10mm環隙，芯管頂端周向錯列均勻分布兩排共24個直徑為7mm的圓孔，風帽頭底部周向均勻分布10個水平斜向下8°的出風口，為實現更加接近現實工況的進風條件，在風帽芯管底部增加邊長為0.2m的正方體。采用GAMBIT 軟件進行三維建模和網格劃分，物理模型如圖1所示，底部0.2m×0.2m×0.2m的正方體用以實現真實風帽底部的進風條件。鐘罩型風帽內的流動屬于強湍流，通過對比模擬結果后采用RNG k-ε湍流模型。入口邊界設為均勻來流的速度進口；出口設置為壓力出口，壓力設置為7000pa；進口工質溫度220℃，表壓力10kpa，操作壓力為一個大氣壓。

1.2 風帽阻力特性及結構簡化

風帽的阻力系數是表示風帽流動阻力特性的參數，按照經典流體力學，沿程阻力損失和局部阻力損失均與速度的平方成正比，風帽阻力系數ξ可以表示如下：

式中，Δp為風室靜壓與風帽出口靜壓之差，Pa；ρ為熱空氣的密度，kg/m3；u為風帽指定截面上（緩變流）的平均流速，m/s；ξ為風帽阻力系數。

圖2為鐘罩型風帽阻力特性曲線，當風帽芯管流速大于20 m/ s后，風帽內的氣流流動就已經進入了自模化，即風帽的阻力系數基本上不隨著芯管雷諾數的變化而變化，阻力系數穩定在29.5。

由于風帽結構復雜且數量龐大，模擬采用多孔介質區域不能完全反映風帽對風室布風系統內部流場的影響，需對風帽進行等效簡化。循環流化床鍋爐改造前正常運行時風帽內介質流動處于自模化，因此僅僅針對自模化后的阻力進行等效簡化。對于標準的孔板流量計，由于質量流量和壓差關系如下：

注：qm為流過孔板流量計的流量，m3/s；C為無量綱流出系數；為節流件與管道的直徑比；ε為可膨脹系數；d為節流裝置開孔直徑，m；Δp為流體流過節流件時的壓差，pa；ρ為流體密度，kg/m3。風帽內為不可壓縮流動，可膨脹系數ε=1，標準孔板模型可簡化為下式：

標準孔板阻力系數如式（3），β是節流件與管道的直徑比，C是流出系數，C為實際流量與理論流量的比值。當孔板的幾何形狀確定的時候，c由雷諾數唯一確定[3]。當雷諾數大于10000之后，流出系數可以視為定值。即標準孔板綜合阻力系數為一個常數，可代替自模化風帽的。依據迭代法求取標準孔板流量計的β值和C值，最終求得節流孔板直徑為31mm，按照國標取標準孔板流量計上游的直管段長度為10D=620mm；下游的直管段長度為5D=310mm，這時候上有入口和下流出口的壓降滿足速度對應的壓降要求。依照標準取標準孔板的厚度E=3mm；節流孔的厚度e=1mm；孔的擴散圓錐表面傾斜角為45?。圖3為鐘罩型風帽節流簡化前后阻力特性對比曲線，簡化風帽與實際風帽偏差小于3%。

圖3是實際風帽和簡化風帽不同速度下的壓降值和阻力系數對比表格，在布風板上為錯列排布。但是由于整個風室是兩端進風，所以在模擬的時候想畫出全部的風帽抑或是畫四分之一的風室結構以及風帽，這樣的計算是難以實現的，所以對整個模擬進行了簡化，采用在風室前后方向上切一個小薄片的形式并用周期性邊界進行簡單的處理。

2 帶簡化風帽的風室模擬及分析

2.1 建模及邊界條件

該300MW循環流化床鍋爐的布風板上每列布置17個鐘罩型風帽，鍋爐左右方向上一共有161列，總計風帽個數2737個，風帽在布風板上開孔直徑62mm。風帽在布風板上以250mm橫向截距、174mm的縱向截距錯列排布。由于模擬對象網格數量過多，因此采用周期性邊界條件進行模擬簡化，該模擬對象包含80個簡化風帽，每個簡化風帽網格數量約7萬，風室模擬模型與簡化風帽節局部放大如圖4所示。風室內流動屬于強湍流，通過對比模擬結果后采用RNG k-ε湍流模型。入口邊界設為均勻來流的速度進口；出口設置為壓力出口。

2.2 速度矢量圖

一次風室整體與局部放大速度矢量圖如圖5所示，由于進風開口面積僅占風室左右壁面面積的40%，氣流由于突擴效應，在進風口上、下方各形成一個渦旋。影響的風帽列數為單側5列風帽，占總風帽6.2%，由于回流區在布風板兩側形成了一個局部的低壓區域，低壓回流區的壓力降約為160pa。

參考文獻

[1]曾庭華，湛志鋼，邵景濤，等.300MW循環流化床鍋爐調整試運[M].中國電力出版社，2011.

[2]潘昕，孟洛偉，江建忠.東鍋自主開發型300MW循環流化床鍋爐運行分析及完善[J].電力建設，2010，31（5）：108-110.

[3]李康康，賈玉明，葛素楠.多孔孔板節流裝置的應用[J].石油化工自動化，2010，46（4）：60-63.