燃煤鍋爐不同結(jié)構(gòu)風(fēng)門(mén)理想流量特性研究

西安熱工研究院有限公司 趙 鵬 王小華 梅振鋒 陳 敏

1 引言

燃煤鍋爐在運(yùn)行中，通過(guò)風(fēng)門(mén)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各一次風(fēng)和二次風(fēng)通道風(fēng)量，目前燃煤鍋爐運(yùn)行指標(biāo)控制不斷精細(xì)化，燃煤鍋爐各風(fēng)道風(fēng)量對(duì)煤粉燃盡、NOx濃度生成、排煙溫度、爐膛結(jié)焦、高溫腐蝕等鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保參數(shù)均有決定性影響[1-3]，燃煤鍋爐風(fēng)門(mén)的流量特性研究具有重要意義。

風(fēng)門(mén)的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)風(fēng)門(mén)的相對(duì)流量q與風(fēng)門(mén)相對(duì)開(kāi)度k之間的函數(shù)關(guān)系q=f(k)，在風(fēng)門(mén)前后壓差恒定條件下的流量特性稱為理想流量特性，它取決于風(fēng)門(mén)的結(jié)構(gòu)，是風(fēng)門(mén)的固有特性。理想流量特性主要有線性流量特性、等百分比流量特性、拋物線流量特性、快開(kāi)流量特性等四種[4-6]，ASHRAE手冊(cè)給出了線性、等百分比和快開(kāi)三種流量特性曲線[7]，如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

目前燃煤鍋爐風(fēng)門(mén)從風(fēng)道形狀可以分為圓形風(fēng)門(mén)和方形風(fēng)門(mén)；從作用可以分為調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)和關(guān)斷門(mén)；從結(jié)構(gòu)上可以分為插板門(mén)和擋板門(mén)。常見(jiàn)的風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)主要有單插板門(mén)、雙插板門(mén)、斜雙插板門(mén)、單擋板門(mén)、雙擋板對(duì)向門(mén)、雙擋板同向門(mén)及多擋板門(mén)等，不同風(fēng)門(mén)具有不同的流量—開(kāi)度特性。本文將通過(guò)CFD數(shù)值模擬計(jì)算不同結(jié)構(gòu)風(fēng)門(mén)的理想流量特性，分析不同風(fēng)門(mén)流量特性差異，并根據(jù)常見(jiàn)風(fēng)門(mén)的流量特性，設(shè)計(jì)一種具有線性流量特性新型風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

2.1 幾何模型

本文選取了燃煤鍋爐常見(jiàn)風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，包括單插板門(mén)、雙插板門(mén)、斜雙插板門(mén)、單擋板門(mén)、雙擋板對(duì)向門(mén)、雙擋板同向門(mén)，模型里包含了風(fēng)道和擋板門(mén)，風(fēng)道橫截面尺寸為2m×1.2m，長(zhǎng)度為12m，風(fēng)門(mén)位于風(fēng)道中間位置，如圖2所示。

圖2 風(fēng)門(mén)幾何模型

建立幾何模型后，需要對(duì)計(jì)算區(qū)域離散化，本文采用gambit對(duì)研究模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方式，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試后，網(wǎng)格總數(shù)約為600萬(wàn)。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

本文涉及的模型主要為氣相湍流流動(dòng)，采用Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型求解風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)[8-9]。

計(jì)算中的工作介質(zhì)為不可壓縮理想空氣，采用壓力入口、壓力出口和無(wú)滑移的壁面邊界條件，入口壓力為8000Pa，出口壓力為7800Pa，空氣溫度為500K。

3 常見(jiàn)風(fēng)門(mén)理想流量特性計(jì)算結(jié)果

在數(shù)值模擬計(jì)算中，對(duì)單插板門(mén)、雙插板門(mén)、斜雙插板門(mén)、單擋板門(mén)、雙擋板對(duì)向門(mén)、雙擋板同向門(mén)六種常見(jiàn)風(fēng)門(mén)在0、25%、50%、75%和100%五個(gè)開(kāi)度下進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示，流量特性曲線如圖3所示。

圖3 常見(jiàn)風(fēng)門(mén)理想流量特性曲線

表1 常見(jiàn)風(fēng)門(mén)理想流量特性計(jì)算結(jié)果

由常見(jiàn)風(fēng)門(mén)理想流量特性計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，插板門(mén)的流量特性接近于線性特性，單插板門(mén)線性流量特性最優(yōu)，相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度偏差在5%以內(nèi)，在低開(kāi)度下流量偏低，高開(kāi)度下流量偏高；雙插板門(mén)線性流量特性略差于單插板門(mén)，相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度偏差在6%以內(nèi)；斜雙插板門(mén)相對(duì)流量大于相對(duì)開(kāi)度，偏差達(dá)到了10.6%，線性較差。三類擋板門(mén)的理想流量特性的線性度均很差，單擋板門(mén)和雙擋板對(duì)向門(mén)流量特性幾乎一致，在風(fēng)門(mén)相對(duì)開(kāi)度為25%和50%時(shí)相對(duì)流量?jī)H在5%和26%左右，在低開(kāi)度下相對(duì)流量大幅低于相對(duì)開(kāi)度，不利于風(fēng)量的快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)；雙擋板同向門(mén)流量特性的線性度優(yōu)于前兩者，但偏差仍達(dá)到了11.3%。

插板門(mén)的相對(duì)流通面積和相對(duì)開(kāi)度為線性關(guān)系，而當(dāng)擋板門(mén)開(kāi)度為α°時(shí)，相對(duì)通流面積S=1－cosα，與開(kāi)度呈余玄函數(shù)關(guān)系，兩種類型風(fēng)門(mén)的相對(duì)流通面積隨相對(duì)開(kāi)度變化曲線如圖4所示，與兩種類型風(fēng)門(mén)理想流量特性曲線相似，說(shuō)明造成氣體流量與擋板門(mén)開(kāi)度呈非線性的主要原因是由流通面積非線性造成的。同類型風(fēng)門(mén)之間的流量特性差異，是由于結(jié)構(gòu)不同在相同開(kāi)度下的局部阻力不一致，從而導(dǎo)致通流流量不一樣。

圖4 插板門(mén)和擋板門(mén)開(kāi)度—流通面積曲線

4 線性流量特性擋板門(mén)

在燃煤鍋爐實(shí)際應(yīng)用中，盡管插板門(mén)流量特性的線性較好，但是由于調(diào)節(jié)行程長(zhǎng)、調(diào)節(jié)靈活性差，一般用作關(guān)斷門(mén)，不作為流量調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)使用。燃煤鍋爐的一次風(fēng)、二次風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)一般采用擋板門(mén)。為了提升擋板門(mén)線性特性，在線性特性相對(duì)較好的雙擋板同向門(mén)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型同向異形雙擋板門(mén)，如圖5所示。新型同向異形雙擋板門(mén)由固定擋板2和轉(zhuǎn)動(dòng)擋板3組成，固定擋板2為平板，固定在風(fēng)道1上；轉(zhuǎn)動(dòng)擋板3為異形平板，形狀、大小與固定擋板2互補(bǔ)，同向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)擋板3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制轉(zhuǎn)動(dòng)擋板3和風(fēng)道1、固定擋板2之間的間隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)道1內(nèi)氣體流量的調(diào)節(jié)作用。

圖5 新型同向異形雙擋板門(mén)結(jié)構(gòu)圖

固定擋板2的形狀、大小、尺寸和固定位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作的風(fēng)溫、風(fēng)壓和風(fēng)量條件進(jìn)行確定。在本文研究對(duì)象風(fēng)道結(jié)構(gòu)和邊界條件下，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)，固定擋板2的形狀設(shè)計(jì)為直角三角形，其短直角邊長(zhǎng)度為0.2m，固定在風(fēng)道短邊上，其長(zhǎng)直角邊長(zhǎng)度為0.8m，與風(fēng)道長(zhǎng)邊方向平行，距離為0.1m。

為了分析新型同向異形雙擋板門(mén)的理想流量特性，對(duì)新型同向異形雙擋板門(mén)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。在風(fēng)門(mén)開(kāi)度為0%、25%、50%、75%和100%時(shí)相對(duì)流量分別為0%、22.5%、47.0%、78.7%和100%，擋板門(mén)相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量基本一致，偏差保持在4%以內(nèi)，風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)線性良好。

表2 新型同向異形雙擋板門(mén)理想流量特性計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型同向異形雙擋板門(mén)流量特性，加工制造出了新型同向異形雙擋板門(mén)樣品，并設(shè)計(jì)了風(fēng)門(mén)流量特性的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架，如圖6～圖7所示。實(shí)驗(yàn)風(fēng)道截面尺寸為400mm×280mm，在實(shí)驗(yàn)風(fēng)道入口前為風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)出口過(guò)渡段，擋板門(mén)上游實(shí)驗(yàn)測(cè)孔距風(fēng)道入口約11倍風(fēng)道特征長(zhǎng)度，距新型同向異形雙擋板門(mén)約3倍風(fēng)道特征長(zhǎng)度，確保氣流達(dá)到充分發(fā)展段，保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。在新型同向異形雙擋板門(mén)下游約5倍風(fēng)道特征長(zhǎng)度處設(shè)置了下游實(shí)驗(yàn)測(cè)孔，作為上游測(cè)孔的平行測(cè)孔。

圖6 新型同向異形雙擋板門(mén)樣品

圖7 風(fēng)門(mén)流量特性的冷態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

模化實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為大氣，風(fēng)機(jī)出口壓力設(shè)為215Pa不變，新型同向異形雙擋板門(mén)開(kāi)度分別調(diào)至0%、25%、50%、75%和100%五個(gè)開(kāi)度，采用畢托管和微壓計(jì)進(jìn)行風(fēng)量測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。在風(fēng)門(mén)開(kāi)度為0%、25%、50%、75%和100%時(shí)相對(duì)流量分別為2.2%、26.2%、50.5%、77.9%和100%，偏差在3%以內(nèi)，新型同向異形雙擋板門(mén)具有良好的線性流量特性，能夠?yàn)殄仩t風(fēng)量的準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)創(chuàng)造先決條件。

表3 新型同向異形雙擋板門(mén)的流量特性模化試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

本文采用CFD數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模化試驗(yàn)等方法分析了燃煤鍋爐常見(jiàn)風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)的理想流量特性，并設(shè)計(jì)了一種具有良好線性特性的新型同向異形雙擋板門(mén)，結(jié)論如下：

通過(guò)CFD數(shù)值模擬計(jì)算了單插板門(mén)、雙插板門(mén)、斜雙插板門(mén)、單擋板門(mén)、雙擋板對(duì)向門(mén)、雙擋板同向門(mén)的理想流量特性，發(fā)現(xiàn)插板門(mén)流量線性特性優(yōu)于擋板門(mén)，雙擋板同向門(mén)流量線性特性優(yōu)于單擋板門(mén)和雙擋板對(duì)向門(mén)；

在雙擋板同向門(mén)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型同向異形雙擋板門(mén)，其由固定擋板和轉(zhuǎn)動(dòng)擋板組成，轉(zhuǎn)動(dòng)擋板的形狀、大小與固定擋板互補(bǔ)，同向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制轉(zhuǎn)動(dòng)擋板和風(fēng)道、固定擋板之間的間隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)道內(nèi)氣體流量的調(diào)節(jié)作用；

通過(guò)CFD數(shù)值模擬流量特性計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模化測(cè)試驗(yàn)證，新型同向異形雙擋板門(mén)相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量基本一致，偏差保持在4%以內(nèi)，風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)線性優(yōu)于目前燃煤鍋爐常見(jiàn)風(fēng)門(mén)，具有良好的線性調(diào)節(jié)特性，能夠?yàn)殄仩t風(fēng)量的準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)創(chuàng)造先決條件。