高效煤粉鍋爐冷態空氣動力場試驗研究

沈濱文

(武漢武鍋能源工程有限公司 動力鍋爐事業部，湖北 武漢 430000)

對于發電用煤粉鍋爐而言，燃燒的穩定性及經濟性十分重要，而燃燒的好壞取決于燃燒器及爐膛的空氣動力學工況[1-2]。新安裝的鍋爐通常通過冷態空氣動力場試驗，來模擬熱態的空氣動力場情況。它不僅可以為熱態運行提供依據，而且為避免結焦，爐膛火焰偏心，實際燃燒切圓的大小測量等問題提供幫助[3-7]。

為了探究爐膛內空氣動力場對燃燒的影響，各國從上世紀中葉開始采取各種方法對其進行研究。有用數值模擬的方法對爐膛內空氣動力場進行分析的，也有用實驗臺模擬實際爐膛，進而分析其空氣動力場的，也有實際鍋爐進行冷態動力場模擬熱態工況的。我國十分重視研究空氣動力場對鍋爐燃燒的影響，國內大專院校、研究所、設計院及鍋爐廠對空氣動力場進行了大量的數值模擬及試驗研究，取得了寶貴的經驗。

現就某電廠一臺武漢鍋爐集團有限公司制造的WGZ100/3.82-1型固態排渣高效煤粉鍋爐進行冷態空氣動力場試驗。為使得冷態試驗結果與熱態工況接近，需滿足冷態模化的條件。通過冷態下燃燒器一次、二次、三次風噴口的空氣動力情況，獲得熱態多種工況的調節措施，并掌握其規律。

1 高效煤粉鍋爐系統介紹

WGZ100/3.82-1型高效煤粉鍋爐采用的固態排渣、π型布置、單排柱、單汽包、水自然循環器結構。該鍋爐采用溫風送粉，中間倉儲式制粉系統。燃燒器噴口采用四角切圓布置，噴口配風布置自下而上為：二、一、二、一、二、三、分離式燃盡風(Separated Over Fired Air,SOFA)。一次風共計8個噴口，二次風共計12個噴口，三次風共計4個噴口，其中一個噴口配備一個風門。鍋爐配備一臺磨煤機，熱態運行時存在開啟磨煤機和停磨煤機運行兩種工況。

1.1 鍋爐主要設計參數

鍋爐設計煤種為府谷煙煤，主蒸汽流量100 t/h,主蒸汽壓力3.82 MPa，主蒸汽溫度450 ℃，給水溫度104 ℃，熱風溫度310 ℃。

1.2 燃燒器配風參數(見表1)

表1 配風參數[8]

1.3 風機參數(見表2)

表2 風機參數

2 試驗方法

2.1 爐內冷態模擬條件

使冷態試驗結果與熱態氣流工況盡量接近，需滿足的條件有以下幾點。

2.1.1 幾何相似[9]

試驗設備與實際設備的結構相似，尺寸成比例，因為本試驗就在實際鍋爐上進行，幾何相似的條件滿足。

2.1.2 流動相似[9]

試驗時的流動狀態與熱態時相似，要求冷態時的雷諾數Re冷與熱態時的平均雷諾數Re熱，或者Re冷大于等于流動自模化的臨界Re，此時流體慣性力遠大于粘性力，流動圖形不隨Re變化而變化[10-11]。即

Re冷≥Re臨

(1)

W冷dn/?3Re臨

(2)

W冷Re臨J/dn

(3)

W冷≥W臨

(4)

式中Re冷——冷態下的雷諾數；

Re臨——臨界下的雷諾數；

W冷——冷態下的流體速度/m·s-1；

?——冷態下的流體運動粘度/m2·s-1；

dn——噴口的當量直徑/m；

W臨——臨界流體速度/m·s-1。

2.1.3 邊界相似[9]

要使燃燒器的風量分配方式與熱態相似，要求各噴口射流的冷熱態動量相等[12]，經轉化后得出一、二、三次風冷態風速計算公式為

(5)

(6)

(7)

式中W2冷——二次風噴口冷態速度/m·s-1；

W2熱——二次風噴口熱態速度/m·s-1；

T2冷——二次風冷態溫度/℃；

T2熱——二次風熱態溫度/℃；

W1冷——一次風噴口冷態速度/m·s-1；

W1熱——一次風噴口熱態速度/m·s-1；

T1熱——一次風熱態溫度/℃；

μ——一次風中煤粉的質量濃度/kg·m-3；

K——煤粉相對一次風氣流的滯留系數；

W3冷——三次風噴口冷態速度/m·s-1；

W3熱——三次風噴口熱態速度/m·s-1；

T3熱——三次風熱態溫度/℃。

2.2 計算結果

W1冷=30.89 m/s(其中：μ=0.6 kg/m3，K=0.8)

W2冷=32.44 m/s (其中：T2冷=30 ℃)

W3冷=45.47 m/s

W1臨=9.2 m/s(其中：?=15.2×10-6m2/s，Re臨=1.8×105，d1n=0.297 m)

W2臨=13.2 m/s(其中：?=15.2×10-6m2/s，Re臨=1.8×105，d2n=0.207 m)

W3臨=10.3 m/s(其中：?=15.2×10-6m2/s，Re臨=1.8×105，d1n=0.266 m)

式中W1臨——一次風臨界速度/m·s-1；

W2臨——二次風臨界速度/m·s-1；

W3臨——三次風臨界速度/m·s-1；

d1n——一次風噴口當量直徑/m；

d2n——二次風噴口當量直徑/m；

d3n——三次風噴口當量直徑/m。

根據計算結果，一、二、三次風冷態風速均大于臨界速度，滿足冷態模擬的條件。

3 試驗過程

根據以上計算值，利用已標定過的熱線風速儀對各噴口處的風速進行測量，通過調節一次風風道上的可調縮孔，將同一層的一次風噴口風速調到30.89 m/s左右；通過調節三次風風道上的電動調節門，將同一層的三次風噴口風速調到45.47 m/s左右；通過調節二次風風道上的電動調節門，將同一層的二次風噴口風速調到32.44 m/s左右，而熱態運行時調節燃燒的手段主要是二次風，需要掌握二次風門的調節特性，以及不同工況下噴口的風速情況。

3.1 一次風調平試驗

啟動引風機、送風機、排風機。送風機開度100%、排粉機進口擋板風門開度100%，磨煤機前熱風門開度35%，冷風門開度100%，一次風混合箱前熱風門、冷風門開度100%。通過變頻調節引風機，維持爐膛負壓-50 Pa，調節8個可調縮孔，調平一次風速，一次風噴口速度見表3。

表3 一次風噴口速度

3.2 三次風調平試驗

在一次風調平基礎上，調整磨煤機前冷風門開度為0，熱風門開度30%，磨煤機混合風門開度100%，乏汽再循環風門開度100%，通過4個調節電動調節門調平三次風速，三次風門開度均在65%，三次風噴口速度見表4。

表4 三次風噴口速度

3.3 二次風門調節特性試驗

啟動引風機、送風機。引風機開度100%，送風機進口擋板風門開度100%，一次風混合箱前冷、熱風門開度100%，8個一次風可調縮孔保持不變，變頻調節引風機維持爐膛負壓-50 Pa，對燃燒器上二次風門、中二次風門、下二次風門進行了30%、60%、100%開度下的試驗,見表5。

表5 二次風風速與風門開度關系(無磨)

根據表5數據，可以畫出風速與風門的關系曲線，見圖1。

從圖1的曲線看，#1與#4，#2與#3噴口的二次風門調節特性較接近；再有，隨著風門開度增加，風速將增加，其中總體上看，60%的開度是個拐點，之后開度增加，風速增加更快。

3.4 風門開度100%情況下二次風噴口風速標定試驗

啟動引風機,送風機，磨煤機，排風風機。引風機開度100%，送風機進口擋板風門開度100%，排粉機進口擋板風門開度100%，磨煤機前熱風門開度35%，冷風門開度100%，一次風混合箱前冷、熱風門開度100%，8個一次風可調縮孔保持不變，變頻調節引風機維持爐膛負壓-50 Pa，燃燒器上二次風門、中二次風門、下二次風門開度100%，測量二次風噴口風速，見表6。

表6 風門開度100%二次風噴口風速(有磨)

從表中可見，表6風速與表5風門開度100%情況風速一樣，說明各支路二次風風門開度一定情況下，風速不隨啟停磨煤機變化。

圖1 二次風門調節特性曲線

3.5 送風機不同出力二次風速標定

啟動引風機,送風機，磨煤機，排風風機。引風機開度100%，送風機進口擋板風門開度100%，排粉機進口擋板風門開度100%，磨煤機前熱風門開度35%，冷風門開度100%，一次風混合箱前冷、熱風門開度100%，8個一次風可調縮孔保持不變，變頻調節送風機機維持爐膛負壓-50 Pa，調節12個二次風門，使得噴口風速為32 m/s，記錄下風門開度，見表7。

表7 送風機不同出力情況二次風風門開度

根據表7數據可以得到各個二次風門開度與送風機關系圖，見圖2。

從圖2的曲線看，通過調節二次風門，使二次風速至32 m/s，1#、4#二次風風門開度需比2#、3#風門開度大；且送風機出力在80%以上，風門調節曲線趨于水平，說明送風機出力再增大，二次風門開度無需再調節，也可以認為二次風速在送風機出力80%以上，風速變化不大。

圖2 二次風門開度送風機出力關系曲線

從圖3的曲線看，送風機出力60%情況下，啟磨與停磨工況下，各層二次風風門開度差別不大，風速也一樣；另外，送風機出力越大，各層二次風風門開度越小；同時，也可以看出送風機出力80%，100%，風門開度曲線基本吻合，也就是說二次風速在送風機出力80%以上，變化不大。

圖3 二次風門開度對比圖

3.6 爐膛燃燒切圓測量試驗

在下層一次風噴口平面拉設“+”字坐標線(每隔200 mm用彩旗做標識)，用熱線風速儀沿“+”字坐標線測量爐膛截面速度，將風速最高點連成一圓圈，如圖4，圖5。

圖4 一次風假想切圓

圖5 強風環示意圖

根據測量結果，假想切圓中心基本無偏斜，一次風切圓大小約φ1 400 mm。

4 結論

根據以上冷態動力場試驗，總結出以下規律：

(1)一次、二次、三次風風速均可達到設計值，且四個角風速一致。

(2)#1與#4，#2與#3噴口的二次風門調節特性較接近；再有，隨著風門開度增加，風速將增加，其中60%的開度是個拐點。

(3)各支路二次風風門開度一定情況下，風速不隨啟停磨煤機變化。

(4)二次風速至32m/s時，1#、4#二次風風門開度需比2#、3#風門開度大；且送風機出力在80%以上，風門調節曲線趨于水平，說明二次風速在送風機出力80%以上，風速變化不大。

(5)送風機出力越大，達到相同的風速，二次風風門開度越小，當送風機出力達80%以上，送風機出力對風門影響不大。

(6)根據測量結果，爐膛燃燒切圓中心基本無偏斜，一次風切圓大小約φ1 400 mm，燃燒器安裝完好。