火電廠鍋爐爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑變化的實(shí)驗(yàn)研究

1、火電廠鍋爐爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑變化的實(shí)驗(yàn)研究李兵1胡文平1 譚厚章2郭起旺1苗楊2孫瑋1宋效奇1 (1.山西漳澤發(fā)電分公司，山西046021；2.西安交通大學(xué)，西安710049)【 摘 要 】 本文針對(duì)火電廠鍋爐爐內(nèi)切圓過大，造成氣流刷墻結(jié)焦等問題，進(jìn)行了詳細(xì)的改前爐內(nèi)動(dòng)力場測量，考慮多方影響因素的前提下，參考有關(guān)文獻(xiàn)，提出了合理的實(shí)際切圓計(jì)算公式，并在實(shí)際鍋爐上進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)的標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定后的計(jì)算公式指導(dǎo)了其后的改造，改后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：計(jì)算值與實(shí)測值誤差為1.4%。說明該公式較為精確、可信，這對(duì)熱電站熱態(tài)運(yùn)行后的實(shí)際切圓預(yù)測及減少結(jié)焦有重要意義。 【 主題詞 】 鍋爐 切圓直徑 試驗(yàn)研究 中

2、文分類號(hào)：TK223.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1前言 (1)某火電廠鍋爐型號(hào)為：B&WB-220/9.81-M，2臺(tái)爐配25MW汽輪機(jī)組。燃燒系統(tǒng)為直流式四角切圓燃燒方式，雙切圓燃燒，其中一次風(fēng)煤粉氣流為反切（順時(shí)針旋向），假想切圓直徑為600mm；二次風(fēng)氣流為正切（逆時(shí)針旋向），假想切圓直徑為850mm；自投運(yùn)以來爐內(nèi)受熱面的結(jié)焦已嚴(yán)重影響鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。影響爐內(nèi)結(jié)渣的因素極其繁多，但爐內(nèi)空氣動(dòng)力場不良是導(dǎo)致燃燒器區(qū)結(jié)渣的最重要因素之一。而爐內(nèi)假想切圓的大小又直接影響了爐內(nèi)空氣動(dòng)力場的合理情況。如果假想切圓太大，鍋爐在運(yùn)行時(shí)，從燃燒器噴口噴出的射流容易偏轉(zhuǎn)，造成熾熱的煤粉氣流直接沖刷

3、水冷壁，導(dǎo)致結(jié)渣。但是，假想切圓直徑越大，從上游鄰角過來的火焰氣流更靠近射流根部，對(duì)著火越有利，也使混合更強(qiáng)烈，爐內(nèi)充滿度更好。相反，若假想切圓直徑過小，高溫火焰集中在爐膛中部，爐膛四周溫度水平低，不利于煤粉著火，混合和燃盡1 7 。文獻(xiàn)2推薦假想切圓直徑d=（0.050.12）B（B為爐膛平均寬度）。但對(duì)于不同容量不同形式的鍋爐并沒有給出一個(gè)精確的計(jì)算公式，仍然無法指導(dǎo)實(shí)際鍋爐調(diào)整與改造，因此，很有必要針對(duì)實(shí)際鍋爐找到一個(gè)相對(duì)精確有實(shí)用價(jià)值實(shí)際切圓計(jì)算公式，這將對(duì)實(shí)際鍋爐的改造與運(yùn)行指導(dǎo)均有重要價(jià)值。2影響實(shí)際切圓直徑的因素影響實(shí)際切圓直徑的因素主要有以下幾點(diǎn)：2.1 假想切圓大小假想切圓直

4、徑越大，其實(shí)際切圓直徑必然越大。射流沿噴口軸線方向隨距離的增長，其射流動(dòng)量逐步減弱，對(duì)圓形射流軸線上速度27為：式中：u0噴口出口處軸向速度； um離噴口出口x距離處軸向速度； ku系數(shù)（對(duì)等溫射流ku=6.3）； 0噴出流體密度； a周圍流體密度； d0噴嘴直徑； X離噴口軸向距離。由上式可知，射流進(jìn)入爐膛后，沿軸線上速度逐漸變小，射流剛性逐漸減弱，這樣，在受到上鄰角氣流沖擊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生偏斜。最后導(dǎo)致實(shí)際切圓直徑比假想切圓直徑大。假想切圓直徑越大，其射流受上鄰角射流沖擊偏移就越大。2.2 射流動(dòng)量矩流率對(duì)已定尺寸的爐膛，從噴口到達(dá)切圓邊緣的距離是固定的，如式（1）中的X為定值，此時(shí)，射流動(dòng)量矩

5、流率越大，表明射流出口速度越高，u0越大，自然um值就會(huì)越大。um值（即射到達(dá)切圓邊的速度）越高，其射流剛性就越好，射流偏移就會(huì)小下來，因此，射流動(dòng)量矩流率越大，實(shí)際切圓相對(duì)就會(huì)越小。2.3 氣流偏斜 造成氣流偏斜主要有兩方面原因：一是由于燃燒器噴口軸線與相鄰兩側(cè)墻的夾角不同，造成射流兩側(cè)的補(bǔ)氣條件不同，形成靜壓差；二是由于爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流對(duì)氣流的橫向撞擊使射流偏轉(zhuǎn)。2.4 燃燒器組高寬比及燃燒器噴口間隙 燃燒器組高寬比及燃燒器噴口間隙也影響射流兩側(cè)的補(bǔ)氣條件。燃燒器組高寬比越大時(shí)，燃燒器組中間部分從上下兩側(cè)獲取補(bǔ)氣的條件越差。燃燒器高寬比增加，射流偏轉(zhuǎn)加劇。對(duì)于高寬比較大的燃燒器，最容易偏斜的射

6、流是在燃燒器中部。如將燃燒器分組，可減小偏斜。組與組之間的間距可起到氣流迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩側(cè)壓差平衡的作用。分組后，實(shí)際切圓直徑可相應(yīng)減小2.5 一次風(fēng)、二次風(fēng)的動(dòng)量比 一次風(fēng)速主要根據(jù)煤粉著火以及輸送的需要和火焰?zhèn)鞑ニ俣冗x取，二次風(fēng)速主要根據(jù)風(fēng)粉氣流混合擴(kuò)散燃燒和焦碳燃盡的需要選取。一次風(fēng)射流偏斜的原因之一就是上游鄰角橫掃過來的慣性力F，F(xiàn)是由上游一、二次風(fēng)混合后形成的綜合動(dòng)量決定的。一、二次風(fēng)動(dòng)量比越大，則一次風(fēng)射流偏斜程度越大，爐內(nèi)實(shí)際切圓越大，越易引起結(jié)渣。2.6 一次風(fēng)射流剛性 剛性是抗偏轉(zhuǎn)能力的度量。它與噴口的結(jié)構(gòu)及射流的動(dòng)量有關(guān)。細(xì)長型噴口射流剛性比矮胖型要差。當(dāng)一次風(fēng)射流動(dòng)量增大

7、時(shí)，氣流抗偏轉(zhuǎn)能力增強(qiáng)。一次風(fēng)速高，可遲煤粉的著火。使著火點(diǎn)離燃燒器較遠(yuǎn)，火焰高溫區(qū)也相應(yīng)推移到爐膛中心，可避免噴口附近結(jié)渣。在四角切圓燃燒鍋爐中，提高一次風(fēng)速還可增加一次風(fēng)射流的剛性，減少由于射流兩側(cè)靜壓作用而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，避免一次風(fēng)氣流直接沖刷水冷壁而產(chǎn)生結(jié)渣。不過應(yīng)該注意的是，一次風(fēng)速提高，要受到煤粉著火條件的限制。2.7 燃燒煤種及燃燒過程相對(duì)溫度較低（<400）的一、二、三次風(fēng)射流進(jìn)入爐膛后，射流迅速吸熱，溫度迅速升高，體積也劇烈膨脹。煤粉燃燒過程不是一等溫過程。上式（1）中未能針對(duì)劇烈的燃燒化學(xué)反應(yīng)作出解釋，氣體的體積膨脹必然帶來射流的偏移，實(shí)際切圓直徑的增大。而燃燒化學(xué)反應(yīng)的

8、劇烈程度，與煤種、燃燒方式，燃燒過程緊密相聯(lián)，對(duì)揮發(fā)分容易著火的煙煤由于其著火速度快，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，燃燒化學(xué)反應(yīng)劇烈，體積膨脹比也大，射流偏轉(zhuǎn)自然就較大。對(duì)難著火無煙煤、劣質(zhì)煙煤由于其燃燒化學(xué)反應(yīng)慢，體積膨脹也小，膨脹造成的射流偏移也小。實(shí)際切圓直徑相對(duì)也就小。2.8 四角風(fēng)粉的均勻性 當(dāng)燃燒器配風(fēng)不均勻或鍋爐降負(fù)荷、燃燒器缺角或缺對(duì)角運(yùn)行時(shí)，爐內(nèi)火焰中心會(huì)發(fā)生偏斜。熾熱煤粉氣流直接沖刷水冷壁，造成局部熱負(fù)荷過高，這極易引起結(jié)渣。因此，運(yùn)行時(shí)要盡量調(diào)平四角風(fēng)量。降低負(fù)荷時(shí)，則要避免缺角情況。 要保證空氣和燃料的混合良好，避免在水冷壁附近形成還原性氣氛，防止局部嚴(yán)重積灰、結(jié)渣。當(dāng)一、二次風(fēng)的位

9、置、風(fēng)速、風(fēng)量不均勻時(shí)，盡管爐內(nèi)總空氣量大，但仍會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域熾熱焦碳和揮發(fā)分得不到氧氣而出現(xiàn)局部還原性氣氛，易引起結(jié)渣。3鍋爐改造前冷態(tài)試驗(yàn)根據(jù)冷態(tài)模化條件動(dòng)量相等的原則，我們進(jìn)行了飄帶試驗(yàn)和爐膛速度場的測量：3.1 飄帶試驗(yàn)丁甲丙1000800-1100下二丁甲丙乙 600-9000-200-8000-200-660400-900下一丁甲丙乙0-500-90000-200-7000-200-5000-200-900上一 丁甲丙12001300-1700中二 圖1 改前飄帶試驗(yàn)的示意圖說明：此為飄帶試驗(yàn)的示意圖；圖中數(shù)值的單位是：mm；圖中

10、0表示貼墻； 從圖中我們可以看出：冷態(tài)時(shí)，下一次風(fēng)和上一次風(fēng)已貼壁了，而且貼壁嚴(yán)重，說明切圓燃燒方式組織的不好，切圓太大。3.2 爐膛速度場的測量結(jié)果：圖2 下二次風(fēng)速度分布圖圖3 下一次風(fēng)速度分布圖通過計(jì)算，得到下二次風(fēng)冷態(tài)時(shí)實(shí)際切圓直徑為Ø5200mm，下一次風(fēng)冷態(tài)時(shí)實(shí)際切圓直徑為Ø5240.8mm，這樣的直徑也明顯偏大。 冷態(tài)試驗(yàn)看出流場組織的不好，造成切圓偏大，這也是結(jié)渣的原因之一。4爐內(nèi)實(shí)際切圓公式的修正與計(jì)算 綜合以上分析的影響因素，參考文獻(xiàn)3-6，提出以下關(guān)系式： （2）式中： 假想切圓直徑與爐膛等效直徑之比； 燃燒器的高寬比； 燃燒器的間隙比； 二、一次風(fēng)動(dòng)

11、量比； -針對(duì)單臺(tái)鍋爐的修正系數(shù)； 實(shí)際切圓直徑與爐膛等效直徑之比； 而其中的修正系數(shù)是非常重要的參數(shù)，對(duì)于不同的鍋爐是完全不一樣的，利用鍋爐改前冷態(tài)動(dòng)力場數(shù)據(jù)，可以得到一個(gè)可信的針對(duì)火電廠鍋爐固定鍋爐的修正系數(shù)，再利用該系數(shù)來指導(dǎo)燃燒系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)。 參考鍋爐設(shè)計(jì)資料可；二次風(fēng)與一次風(fēng)的動(dòng)量比為：3.85；實(shí)測下二次風(fēng)切圓直徑為5200mm，將以上數(shù)據(jù)帶入公式(2)可計(jì)算得到： K=1.19；根據(jù)得到的k系數(shù)，提出2#鍋爐燃燒系統(tǒng)改造方案： 將下二次風(fēng)假想切圓直徑由原來的Ø850mm改為Ø700mm，同時(shí)將下二次風(fēng)管中廢棄的點(diǎn)火槍抽出，盡量減少對(duì)二次風(fēng)管氣流的阻塞； 將下

12、一次風(fēng)假想切圓直徑改為正切Ø400mm,下一次風(fēng)噴口的V型由垂直方向改為水平方向，增加一次風(fēng)氣流剛性； 將上一次風(fēng)假想切圓直徑改為正切Ø400mm； 中上二次風(fēng)假想切圓直徑由原來的Ø850mm改為Ø700mm； 三次風(fēng)噴口方向改為由原來的下傾改為水平，假想切圓直徑由原來的反切Ø600mm改為正切Ø400mm，在現(xiàn)有噴口中間加一垂直加強(qiáng)板，與噴口等長，采用12mm厚度不銹鋼鋼板制作。5熱電站鍋爐改后冷態(tài)5.1 飄帶試驗(yàn)丁甲丙乙184019201650下二丁甲丙乙 1170162013501200下一丁甲丙乙126012701230120

13、0上一圖4 改后飄帶試驗(yàn)的示意圖從上圖我們可以看出：在改造前所見到的貼壁的現(xiàn)象已消除，氣流較穩(wěn)定，說明氣流的剛性也增強(qiáng)了。5.2 爐膛速度場的測量結(jié)果圖5 下二次風(fēng)速度分布圖 圖6 下一次風(fēng)速度分布圖通過上圖可以算出左右的速度最大點(diǎn)與前后的速度最大點(diǎn)之間的距離平均約為3785mm；與改造前比較已明顯減小。公式計(jì)算得到實(shí)際切圓大?。?840mm，而測量的實(shí)際切圓大小：3785mm；誤差(3840-3785)/38401.4%，說明得到實(shí)際切圓公式很有參考價(jià)值，可指導(dǎo)實(shí)際鍋爐的改造。結(jié)論：通過對(duì)某電站鍋爐的改造前冷態(tài)試驗(yàn)和改后冷態(tài)試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論： 改造前的冷態(tài)試驗(yàn)表明：切圓直徑過大，達(dá)&#

14、216;5200mm，對(duì)結(jié)渣造成了影響；飄帶顯示下一次風(fēng)、上一次風(fēng)已貼墻。 改造后的冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：切圓大小適中，切圓減小到Ø3785mm左右。飄帶顯示下一次風(fēng)、上一次風(fēng)已不貼墻。 通過對(duì)爐內(nèi)冷態(tài)實(shí)際的切圓大小的測量發(fā)現(xiàn)：一次風(fēng)切圓直徑受二次風(fēng)切圓直徑影響，一次風(fēng)氣流主要跟隨二次風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)。 考慮多方影響因素的前提下，提出了合理的實(shí)際切圓計(jì)算公式，并在實(shí)際鍋爐上進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)的標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定后的計(jì)算公式指導(dǎo)了其后的改造，改后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：計(jì)算值與實(shí)測值誤差為1.4%。說明該公式較為精確、可信，這個(gè)公式揭示了實(shí)際切圓直徑隨一次風(fēng)、二次風(fēng)速變化的關(guān)系，在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)將能有效指導(dǎo)一次風(fēng)速、二次風(fēng)速的調(diào)整。這對(duì)熱電站熱態(tài)運(yùn)行后的實(shí)際切圓預(yù)測及減少結(jié)焦有重要意義。致 謝感謝西安熱工院教授給予的熱情指導(dǎo)。參 考 文 獻(xiàn) 1.曾漢才,胡泰來,姚斌.同心雙切圓燃燒系統(tǒng)的研究與評(píng)價(jià).電站系統(tǒng)工程,1996(4):33-36.2.徐通模.鍋爐燃燒設(shè)備M.西安：西安交通大學(xué)出版社.1990.3.劉福國,潘鳳國.切向燃燒爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑的回歸分析.鍋爐技術(shù),1999(2):7-9.4.陳剛.四角切向燃煤鍋爐內(nèi)實(shí)際切圓的計(jì)算.電站系統(tǒng)工程,2002(4):17-18.5.王敬喜.四角切向燃燒燃