二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究

李兵臣， 宋景慧， 沈跃良， 李德波， 周少祥

（1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206；2.广东电网公司电力科学研究院，广州510600）

煤粉在炉内燃烧的稳定性是电站锅炉运行经济性和安全性的重要影响因素之一.对于旋流燃烧器，二次风旋流强度对炉内流场的影响较大，主要表现在燃烧器出口附近中心回流区的形成情况，较好的回流区可使炉内煤粉形成良好的燃烧，不会出现炉内局部温度过高的现象.如果旋流强度过大，形成的回流区稳定性差，容易造成炉内飞边，煤粉气流冲刷水冷壁，燃烧器出口易被烧坏，附近的水冷壁易发生结焦，因此必须对二次风旋流强度的范围进行深入研究与分析.

由于旋流燃烧器结构复杂，测量手段有限，所以国内外多数研究者进行数值模拟研究，并取得了一定的成果［1－7］，模拟的结果较好地显示了炉内流场的分布.但是这些模拟仅仅是针对单个旋流燃烧器进行的研究，忽略了燃烧器之间的相互作用和炉膛空间大小对燃烧器模拟结果的影响.只有考虑到这些因素的影响，才能获得更真实的燃烧器出口附近回流区的变化以及内、外二次风各自的旋流强度范围的模拟结果.其中，旋流强度Ω为无因次数，即切向动量与轴向动量之比.

以整个炉膛为研究对象，利用Ansys 12.0软件，采用数值模拟的方法对内、外二次风各自的旋流强度进行分析，在模拟过程中保证一、二次风配风量不变，采用对比法分别对内、外二次风旋流强度范围进行数值模拟研究，为该型号燃烧器旋流强度的调整和炉内稳燃提供理论依据.

1 模型及计算方法

1.1 模型结构

旋流燃烧器结构如图1所示，燃烧器的中心风和一次风为直流，内、外二次风为旋流，内二次风设计为轴向叶片旋流，外二次风设计为切向叶片旋流.通过对该模型进行数值模拟，研究了炉内稳燃条件下内、外二次风旋流强度的范围.

图1 旋流燃烧器的结构简图Fig.1 Structural diagram of the swirl burner

该模型为前后墙对冲燃烧锅炉，包括整个炉膛以及36个相同结构的旋流燃烧器，前后墙分别布置3层，每层有6个燃烧器且相邻燃烧器的间距相同，如图2所示.由于需要计算旋转流动，为了得到较好的模拟结果，整个模型分为几个区域单独划分网格.燃烧器及附近的燃烧区采用加密网格，燃烧区上方和冷灰斗区的网格则较为稀疏.

图2 燃烧器布置简图Fig.2 Arrangement diagram of burners

1.2 计算方法

由于流场局部属于高速旋转流动且具有较大的时均应变力，标准的k－ε模型不能表现出旋转流动，因此湍流模型选择带有旋流修正的realizable k－ε模型.压力方程选择presto格式作为方程的差分离散方法，差分方程选用simple算法.

2 模拟结果及分析

2.1 冷态模拟与试验的对比分析

旋流燃烧器的入口条件通过电厂实测得到，中心风、一次风、内二次风和外二次风的风速分别为18m／s、22.4m／s、35m／s和35m／s，内二次风的旋流强度Ω1＝0.58，外二次风的旋流强度Ω2＝0.58.

由于燃烧器结构相同且等距分布，因此只需比较分析相邻2个燃烧器及其附近炉膛的模拟结果，图3为某2个相邻燃烧器的冷态流场模拟结果，其中内、外二次风的旋流强度均为0.58，x为锅炉前墙燃烧器出口至后墙的距离，y为炉膛高度.由图3可知，在燃烧器轴线方向上，中心回流区出现在燃烧器出口距后墙0.8～2.2m的范围内，其中距离为1.4～2.0m区域内的回流现象最明显.为了验证冷态数值模拟的可行性，进行了相同工况下的冷态试验测量.在燃烧器出口放置长飘带，通过飘带的偏转来观察流场情况.冷态试验发现在距离燃烧器喷口1.0～2.0m的区域内，一次风射流刚度比较强；在距离喷口2.0～5.0m区域内，飘带发生偏转，飘带末端偏离轴线约600mm.这表明冷态数值模拟结果与试验在定性方面是一致的，验证了数值模拟方法的可行性.

图3 燃烧器的冷态流场矢量图Fig.3 Vector graph of the cold－state flow field of burner

中心回流区的作用是卷吸已经着火的高温烟气并使其进行回流，为燃烧器出口附近的煤粉气流提供着火热和活化能.如果回流区中心与燃烧器出口相距较远，则不能提供稳定的热源，易造成煤粉燃烧不稳定现象.

中心回流区对煤粉着火过程和炉内稳燃起着重要的作用，通过改变中心回流区，分析和研究了内、外二次风的旋流强度.将模拟结果与冷态试验结果进行比较分析（表1），模拟结果与试验结果基本吻合，表明模型模拟的结果较为准确，可用于燃烧器内、外二次风旋流流动的模拟分析.

表1 数值模拟与冷态试验结果的对比Tab.1 Comparison between simulated and experimental results m

2.2 二次风旋流强度对流场的影响

外二次风的作用是提供煤粉完全燃烧需要的空气，同时冷却燃烧器出口及其附近的水冷壁，防止燃烧器被烧坏或水冷壁结焦.该燃烧器的外二次风旋流强度由切向叶片控制，叶片有开关风门的作用，开度越小，旋流强度越大，形成中心回流区的面积越大，越有利于煤粉在炉内与气流充分混合.然而旋流强度过大可能会引起炉内气流产生飞边现象，由于煤粉燃烧时混合不充分，煤粉气流的流动性受到影响，燃烧器附近区域会出现局部过热现象，引起水冷壁烧坏或结焦，从而给锅炉运行带来极其不利的影响.当Ω1＝0.58时，外二次风的参数变化如表2所示，其中二次风倾角为切向叶片气流方向与竖直方向的夹角.

表2 外二次风的参数Tab.2 Parameters of the external secondary air

当Ω1＝0.58时，不同外二次风旋流强度的流场轨迹如图4所示，表3为不同外二次风旋流强度时回流区的变化情况.由工况1～3可知，回流区中心逐渐远离燃烧器的轴线，回流区的长度逐渐增加，回流区的面积增大.然而在工况4中，中心回流区已经偏移到2个燃烧器之间的水冷壁附近，形成的回流区不稳定，大部分气流贴壁流动，开始出现炉内飞边现象，此时煤粉燃烧会造成炉内水冷壁被烧坏的事故.由此可见，中心回流区受外二次风旋流强度的影响，外二次风旋流强度的调节范围只能是0.58～1.00，当旋流强度大于1.00时，不能形成较好的炉内流场，这对锅炉运行影响较大，可能会引起水冷壁结焦和燃烧器出口被烧坏的事故.

表3 不同外二次风旋流强度时回流区的变化情况Tab.3 Variation conditions of backflow zone at different swirl intensities of external secondary air

2.3 内二次风旋流强度对流场的影响

内二次风的作用是形成中心回流区，卷吸炉内高温烟气并将其输送至燃烧器出口附近的煤粉着火区域，用于点燃煤粉和稳定燃烧.该燃烧器的内二次风由轴向旋流叶片形成，叶片倾角是轴向方向与叶片之间的夹角.当Ω2＝0.58时，内二次风的参数如表4所示.夹角越大，内二次风的旋流强度越大.

图4 不同外二次风旋流强度时炉内流场矢量图Fig.4 Vector graph of in－furnace flow field at different swirl intensities of external secondary air

表4 内二次风的参数Tab.4 Parameters of the internal secondary air

当Ω2＝0.58时，不同内二次风旋流强度的流场轨迹如图5所示，表5为不同内二次风旋流强度时回流区的变化情况.由工况1、工况5、工况6和工况7可知，随着内二次风旋流强度的增大，回流区中心开始远离燃烧器出口轴线，回流区长度增长，回流区面积增大，同时存在一个旋流强度极限值，旋流强度过大会发生飞边现象.内二次风旋流强度的可调范围为0.58～2.74，当Ω1＞2.74时，炉内气流易发生飞边现象.

由工况1～7可知，单独改变旋流强度时，内二次风和外二次风旋流强度的可调范围分别为0.58～2.74和0.58～1.00.由于燃烧器的内、外二次风都是旋流，中心回流区由相邻的旋流射流形成，但中心回流区的形成是由二次风的平均旋流强度所决定的.内二次风是燃烧器的内层旋流风，受到中心风、一次风和外二次风等因素影响，当增大内二次风的旋流强度时，外二次风起到一个旋流强度边界的作用，制约着内二次风的改变.然而外二次风是燃烧器的外层旋流风，仅受内二次风的影响，受到的制约因素较少，当增大外二次风的旋流强度时，虽然内二次风会对外二次风产生一个引力的作用，但是影响较小.因此，这种旋流燃烧器外二次风旋流强度的可调范围较小，而内二次风旋流强度的可调范围较大.

图5 不同内二次风旋流强度时炉内流场矢量图Fig.5 Vector graph of in－furnace flow field at different swirl intensities of internal secondary air

表5 不同内二次风旋流强度时回流区的变化情况Tab.5 Variation conditions of backflow zone at different swirl intensities of internal secondary air

3 结 论

（1）内、外二次风的旋流强度各自增大时，中心回流区的变化趋势相同.随着旋流强度的增加，中心回流区开始远离燃烧器出口轴线位置，回流区长度增加，回流区面积增大，但当旋流强度大于某一数值时，将不能形成很好的中心回流区，易发生飞边现象，给锅炉运行带来不利的影响.

（2）炉内要形成稳定的中心回流区且不发生飞边现象，内二次风和外二次风旋流强度的可调范围分别为0.58～2.74和0.58～1.00.

（3）外二次风旋流强度对回流区的影响较大，且调节范围较小，而内二次风旋流强度的可调范围较大.在实际调节中，应以调整内二次风的旋流强度为主，而外二次风的旋流强度尽量不要调整.

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