周界风翻角对切圆燃烧锅炉一次风射流影响的数值模拟_齐永兴.pdf

第26卷 第1期2023年2月Vol.26 No.1Feb.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College0引言四角切圆燃烧锅炉燃烧的稳定性取决于其直流燃烧器结构的设计，炉内的空气动力场和燃烧工况主要取决于燃烧器的结构及其布置。因此，燃烧器设计和运行是决定锅炉经济性和可靠性的主要因素1。周界风可以防止煤粉从一次风气流中分离出来，起到冷却一次风喷口的作用，同时为煤粉的燃烧补充氧量，减少水冷壁壁面一氧化碳和硫化氢的生成，防止受热面高温腐蚀等。周界风与一次风之间的翻角隔板会占据一定的面积，从而增大其卷吸高温烟气的能力2。目前国内对周界风特性的研究尚不深入，本文利用FLUENT软件进行数值模拟，研究了不同周界风翻角角度对直流燃烧器一次风射流情况的影响。1模型及计算方法1.1炉膛模型某电厂高温高压煤粉锅炉采用四角布置、直流式燃烧器，低氮燃烧技术改造后炉内一次风顺时针假想切圆直径为450 mm，燃烧器设置4层，共16只一次风喷口。本文按照其一次风布置方式建模，研究燃烧器中不同周界风翻角角度对一次风射流的影响。1.2燃烧器喷口模型该锅炉低氮改造后采用上下浓淡直流燃烧器，其结构剖视图如图 1所示，燃烧器风室布置有两个浓淡分离挡块，燃烧器喷口带有钝体，喷口四周布置有周界风，背火侧周界风与一次风喷口间距为25 mm，其余三边均为17 mm。本文研究的喷口模型周界风翻角对切圆燃烧锅炉一次风射流影响的数值模拟齐永兴，庞明军，李洪瑞（烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台264006）摘要：针对一次风射流刚性不足的问题，从燃烧器结构设计方面研究不同周界风翻角对其的影响，提出调整燃烧器周界风翻角角度的建议，并对周界风不同翻角进行数值模拟。数值模拟结果表明，当周界风翻角变大时，周界风与煤粉气流汇合推迟，有利于一次风气流的射程。该模拟结果对后续燃烧器结构的设计提供了一定依据。关键词：煤粉锅炉；直流燃烧器；一次风射流；周界风翻角中图分类号：TK223.2文献标志码：B文章编号：2096-9104（2023）01-0065-04Numerical Simulation of the Effect of Surrounding Air TurningAngle on Primary Air Jet of Tangentially Fired BoilerQI Yongxing，PANG Mingjun，LI Hongrui（Yantai Longyuan Power Technology Co.，Ltd.，Yantai 264006，China）Abstract：In allusion to the problem of insufficient rigidity of primary air jet，the influence of different surrounding air turning angles on primary air jet of tangentially fired boiler is analyzed from the design of burner structure，and the suggestions for adjustingthe burner surrounding air turning angle are put forward,and the different surrounding air turning angles are numerically simulated.The numerical simulation results show that when the surrounding air turning angle increases，its convergence with the pulverized coal flow is delayed，which is beneficial to the range of primary air flow.The simulation results provide a certain basis for thesubsequent design of burner structure.Keywords：pulverized coal boiler；parallel flow burner；primary air jet；surrounding air turning angle收稿日期：2022-10-28作者简介：齐永兴（1987），男，助理工程师，研究方向为低氮燃烧。65山东电力高等专科学校学报第26卷 第1期Vol.26 No.1保留此燃烧器喷口基本尺寸，并将钝体结构进行了适当简化，如图2所示。图1该锅炉上下浓淡直流燃烧器剖视图图2单个燃烧器喷口简化模型1.3湍流模型k-双方程模型相对来说较为简单3，使用方便，适合工程问题的研究，目前应用最多。该模型具有以下优点：通过求解偏微分方程考虑湍流物理量的输运过程，即通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均场速度梯度的关系，而不是直接将两者联系起来；特征长度不是由经验确定，而是以耗散尺度作为特征长度，并通过求解相应的偏微分方程得到。该模型的局限性在于不能用于低雷诺数的湍流流动区域，而仅适合用于高雷诺数、充分发展的湍流流动区域。浓淡煤粉燃烧器内气相流动属于无旋或弱旋的绕钝体流动4，为模拟喷口钝体及周界风喷口产生的回流运动及炉内空气产生的旋转流动，根据文献 5的对比分析，本文采用RNGk-模型模拟钝体后绕流、周界风喷口处回流及炉内气流旋转等各向异性的湍流流动以考察喷口处的射流特性。1.4网格划分及边界条件设置本次研究模型为单层燃烧器全炉膛截面模型，采用非结构化网格。模拟发现当网格小于3层时存在周界风射流无法从狭缝区域冲出来的现象，故对狭缝区域采取了3层以上网格加密形式，每个工况网格数量均为300万以上，网格质量满足CFD（computational fluid dynamics，CFD）计算需求。网格及局部加密截面如图3所示。图3网格及局部加密截面示意图燃烧器模型模拟所用的边界条件数据应该满足冷态模化的要求6，即燃烧器及炉膛进入自模区，且燃烧器各出口动量比相似。根据相似理论，求解出相应喷口的风速值。对应的燃烧器出口一次风的速度为 34 m/s，出口周界风的速度为 40 m/s。在 FLUENT软件求解器中设定燃烧器的一次风进口、周界风进口为速度入口边界。单层燃烧器所对应的炉膛上、下出口设定为压力出口边界。湍流模型采用k-模型，壁面函数为标准壁面函数。2计算结果及分析2.1单层炉膛水平截面射流流场的变化不同周界风翻角时单层炉膛水平截面射流图如图4所示。由图4可见，周界风翻角为15时，一次风射流射程为3 600 mm，翻角为25时，一次风射流射程为 3 780 mm，翻角为 35时，一次风射流射程为4 490 mm，翻角为45时，一次风射流射程为5 090 mm。通过研究不同工况下的模拟结果可见，随着周界风翻角的不断增大，周界风射流与一次风射流有明显的分离过程，周界风射流与一次风射流的汇合推迟，一次风射流的射程不断增大。不同周界风翻角时单角燃烧器水平截面射流局部图如图5所示。由图5可见，水平方向上喷口钝体后有明显的低速回流区，钝体后的低速回流区面积随着周界风翻角的增大有减小的趋势。同时由于向66火侧与背火侧周界风喷口尺寸存在差异，小尺寸的周界风射流更易受影响，随着周界风翻角的增大，射流受影响的程度有所减弱。速度/（ms-1）（a）翻角为15时速度/（ms-1）（b）翻角为25时速度/（ms-1）（c）翻角为35时速度/（ms-1）（d）翻角为45时图4不同周界风翻角时单层炉膛水平截面射流图速度/（ms-1）（a）翻角为15时速度/（ms-1）（b）翻角为45时图5不同周界风翻角时单角燃烧器水平截面射流局部图2.2单层炉膛垂直截面射流流场的变化不同周界风翻角时单角燃烧器垂直截面射流局部图如图6所示。由图6可见，在燃烧器喷口钝体后均有明显的负压回流区，负压回流区的大小与不同的周界风翻角有一定的关系，从模拟结果看，翻角为15及45时的负压回流区面积小于翻角为25及35时的负压回流区面积。周界风翻角为15及25时，一、二次风射流没有明显的分离界限，随着周界风翻角的增大，垂直方向射流更为高大。周界风翻角为35时，一、二次风射流开始分离，在周界风喷口端板处出现负压回流区。翻角为45时，一、二次风射流分离更为明显，周界风喷口端板处的负压回流区明显变大。对单个燃烧器射流而言，随着周界风翻角的增大，一次风射流的射程有所增加，与水平截面射流情况相符合。2.3周界风翻角对喷口压力的影响不同周界风翻角时单角燃烧器全压图如图7所示。由图7可见，随着周界风翻角不断增大，周界风喷口内的压力也不断增大。由于背火侧与向火侧周界风间隙距离不同，间隙小的向火侧全压明显高于齐永兴，等：周界风翻角对切圆燃烧锅炉一次风射流影响的数值模拟67山东电力高等专科学校学报第26卷 第1期Vol.26 No.1背火侧。钝体后的负压区，随着翻角角度的增大，负压有所波动，有增大的趋势。速度/（ms-1）（a）翻角为15时速度/（ms-1）（b）翻角为25时速度/（ms-1）（c）翻角为35时速度/（ms-1）（d）翻角为45时图6不同周界风翻角时单角燃烧器垂直截面射流局部图压力/Pa（a）翻角为15时压力/Pa（b）翻角为45时图7不同周界风翻角时单角燃烧器全压图3结论1）周界风翻角对整体一、二次风射流的射程有影响。随着周界风翻角的增大，一、二次风射流有逐渐分离的趋势，一、二次风射流混合推迟，射流射程有增大的趋势。2）周界风翻角对一次风射流绕钝体形成的负压回流区大小有一定影响。从模拟结果看，一、二次风射流混合过早或明显分离会影响负压回流区的大小。翻角为15及45时的负压回流区面积小于翻角为25及35时的负压回流区面积。3）周界风翻角对喷口处的压力有影响。随着翻角的增大，周界风喷口内的全压有增大的趋势。受向火侧和背火侧喷口尺寸的影响，向火侧（喷口尺寸小的一侧）周界风喷口内的全压高于背火侧。4）在燃烧器结构设计中，应根据燃用煤种的挥发份对周界风翻角进行相应的调整。对于挥发份较高的易燃煤种（烟煤、褐煤等），燃烧器的周界风翻角可以适当增大，使其混合推迟，避免着火距离过短烧毁燃烧器喷口。对贫煤等挥发份较低的煤种，燃烧器的周界风翻角可适当减小。（下转第72页）68山东电力高等专科学校学报第26卷 第1期Vol.26 No.1长档案，在较长一段时间内观测其这一阶段学习情况的变化，评估学生发展水平，客观、合理地对学生实施过程评价和延迟评价，有利于学生及时调整其学习行为和目标方向。3）课程评价主体多元化。在职业生涯规划课程教学过程中，学校是载体，学生是主体，教师是引导者，教学的顺利推进需要学校、教师、学生及家长的共同努力。因此，应从学生评价、学校评价、家长评价等各个角度进行评价以保证评价的客观性。其中，学生评价包括学生自评和学生互评。除教师和学生参与评价外，家长评价是评价体系中重要的参考指标，有助于加强家校联系，帮助教师通过多维度了解学生，给予学生更加中肯、客观的评价。4结语职业生涯规划教育是一项长期且复杂的系统性教育。课程教学是职业生涯规划教育的主渠道和主阵地，只有全面了解课程实施过程中面临的多方面问题，并通过建立专业的职业生涯规划师资、明确学生职业生涯规划的主体地位、保障课程内容和评价的多元化，才能推动高职院校职业生涯规划课向内涵式发展转变，为课程的高质量开展和职业教育高质量人才培养保驾护航。参考文献1秦宁，王立宁.新时代背景下高校大学生职业生涯规划课程现状及对策分析 J.中国大学生就业，2021（9）：61-64.2朱钧陶，汪玥，郭梓亮.“课程思政”融入大学生职业生涯规划课程初探 J.淮北职业技术学院学报，2021，20（3）：46-48.3杨扬.互联网环境下西北地区高校大学生职业生涯规