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6MW生物质发电机组炉内冷态流场研究（二）
发布时间：2013-01-16 13:54 来源：未知
1.3.2结渣的危害
结渣不仅可以降低锅炉出力和热效率，破坏炉内的空气动力工况，使炉内燃烧恶化，而且会危及燃烧设备的安全性。这是因为结渣情况严重伴随高温腐蚀时，会造成过热器烟道堵塞和超温爆管，爆管造成炉膛负压剧烈波动而熄火，还可能诱发炉膛爆炸和下部的排渣装置的严重爆炸事故。由此可见结渣严重威胁锅炉的安全运行。
13.3减少结渣的措施
在锅炉运行中应采取适当的措施防止炉内结渣，国内外许多学者根据结渣的机理采取了许多措施，对于新设计的层燃生物质锅炉防止结渣的主要措施是降低炉内燃烧器区域温度水平，使炉内热负荷均匀，并保证燃料能够均匀的沉降到炉排上；同时选用合适的燃烧器和风口布置方式，使炉内有良好的空气动力工况，防止火焰刷墙。对于已投运的生物质锅炉防止结渣的主要措施是组织良好的炉内空气流场，尽量在不改动水冷壁的情况下采取各种能降低燃烧器区域温度水平、防止空气气流偏斜、贴壁冲墙的措施。对于循环流化床生物质锅炉防止结渣的主要措施有：将生物质燃料与其他燃料进行混烧可有效缓解结渣的程度；加入添加剂提高灰分的软化温度可抑制结渣的趋势；选用适当的床料和循环倍率等。
由上所述可见，直燃发电层燃生物质锅炉内组织良好的空气流场是防止结渣的前提条件，研究炉内的空气流场有着非常重要的意义。
1.4炉内空气流场的数值模拟研究
直接在锅炉炉膛内进行试验研究是组织炉内空气流场的最佳方法，但是停炉时间短，而试验研究耗时，而且受测量手段和测量技术的制约，很难全面测量整个炉内的空气流场结构，尤其对大型锅炉更是困难。随着计算机容量和计算速度的大幅度提高，计算传热学、计算燃烧学、计算流体力学以及计算方法的日益完善，使得人们可以在计算机上通过数值模拟的方法，结合试验研究和理论分析，更快、更经济、更全面地设计大型锅炉结构以及各种新型燃烧器，并对新设计的锅炉、改进的锅炉以及燃烧器进行结构特性分析和各种工况下的运行特性分析，组织良好的炉内空气流场，提高锅炉燃烧效率和燃烧火焰的稳定性、防止炉膛壁面结渣和高温腐蚀。
1.4.1锅炉炉内空气流场数值模拟研究现状
世界各国都非常重视炉内流场的数值模拟研究，常用的模拟工具是功能强大的FLUENT软件，该软件优点突出，分析结果三维可视、直观、清晰，特别适合速度场、压力场、温度场以及其它代计算变量的分析研宄及新产品的开发设计。目前，国内外运用FLUENT软件模拟炉内空气动力场的技术已经比较成熟，越来越多的人选择它对锅炉炉膛以及燃烧等进行数值模拟。法国杜埃矿业研究院工业能源实验室在FLUENT平台上对原型为600MW四角切圆燃烧锅炉进行炉膛内冷态空气动力场模拟，研究了经不同燃烧器送入的空气在炉膛内的流动情况以及炉膛内的速度分布。清华大学热能工程系的由长福等人分别运用了FLUENT提供的不同湍流模型对四角切圆燃煤锅炉炉内冷态气相流动进行了数值模拟。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室借助FLUENT软件平台，在三种不同工况下对200MW四角切向燃烧煤粉锅炉炉内空气流动、传热以及燃烧进行了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场分布，模拟的结果较为准确，为锅炉的运行和改造提供了有力的参考依据。哈尔滨工业大学的邵一鸣等对670t/h燃煤锅炉炉内冷态空气动力场进行了数值模拟，得到了炉内空气动力场的速度分布、静压力分布等，并把数值模拟的结果和实验的结果对比，两者比较吻合，说明数值模拟是可靠的。
综上所述，利用FLUENT模拟锅炉炉内空气动力场的技术还是比较成熟的，但研究的对象主要是煤粉锅炉，关于生物质燃烧设备空气流场的研究较少。由于生物质燃料和煤粉的燃烧特性有很大的区别，必须加强生物质燃烧设备空气动力场的理论分析和试验研究，为生物质燃烧设备的优化设计与高效运行提供科学的参考依据。因此开展生物质电站锅炉炉内空气流场的研究很有必要并且意义重大。
1.4.2锅炉炉内空气流场的数值模拟模型
锅炉炉内的气流流动是非常复杂的三维湍流流动，近几十年的时间里国内外的学者、专家对湍流进行了深入的研究，但由于湍流过程十分复杂，目前对湍流问题的研究仍处于探索其结构、机理和描述方法的阶段。
锅炉炉内流场的数值模拟主要分为气相湍流流动数值模拟和气固两相流动数值模拟。
1)气相流动的数值模拟
目前气相湍流模拟主要有直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、离散涡模拟
(DVS)和雷诺时均方程出发的统观模拟四种模型。
直接数值模拟(DNS)：是在湍流尺度网格内不引入任何封闭模型前提下对Navier-Stokes (N-S)方程直接求解，这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解，要求大量的网格点和时间步长以达到统计的稳定状态，因此，DNS仅用于雷诺数相对较低的湍流流动模拟。
大涡模拟(LES)：基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行直接求解N．S方程的大涡模拟方法可以模拟湍流发展过程中的一些细节，但由于其计算量仍很大，也仅仅用于比较简单的剪切流动和管流。
离散涡模拟(DVS)：DVS目前用来模拟湍流中大尺度粘附结构，可最直接运用于粘性效应可忽略的高雷诺数情况，能获得混合层和尾涡中大尺度涡旋机理的本质，目前也得到了一定程度的运用。
雷诺时均方程出发的统观模拟：以上三种方法由于计算技术和自身的发展不够成熟等因素的限制，运用到具有实际意义的工程中仍有相当困难。现在及未来一段时间内可用于工程上的模拟方法仍然是由雷诺时均方程出发的统观模拟方法。这类模型是将雷诺时均方程及湍流特征量输运方程中的高阶未知关联项用时均量来表达，从而使雷诺时均方程封闭，目前运用最广的是k-E双方程模型。
2)气固两相流动数值模拟
气相流场中加入颗粒相，描写两相流动的运动参量与单相流动相比几乎增加一倍，另外各相的体积浓度、分散相颗粒的大小、各相的物理性质和流动形态都有很大的变化，气固两相流模拟中颗粒相的模拟成为关键。目前两相流的数值模拟主要有两种方法：一种是把流体当作连续介质而把颗粒相作为离散体系，在拉格朗日坐标系下描述颗粒运动的轨道模型；另一种则是把流体作为连续介质，把颗粒相作为拟流体介质在欧拉坐标系下描述颗粒群运动的双流体模型。气固两相模型又可具体分为：无滑移模型、轨道模型和双流体模型。
无滑移模型：这种模型不考虑相间的温度和速度滑移，直接把单相流体的概念推广到悬浮流中，把整个悬浮流看成一种单一流体，不需要颗粒的动量和能量方程，只需解颗粒群的质量方程，这种模拟方法的最大优点是简单，但离实际情况相差较大，因而不适宜工程运用[27J。
轨道模型：考虑了颗粒相与流体相的相互作用，易于描述单颗粒的复杂经历，又可分为：确定轨道模型和随机轨道模型。确定轨道模型不考虑颗粒的湍流扩散，通过引入随机轨道或漂移速度修正轨道位置来反映颗粒扩散；随机轨道法直接在拉格朗日坐标系下求解瞬态颗粒运动方程，考虑流体脉动对颗粒的作用，计算颗粒的随机轨道和其变化经历，一般认为流体湍流局部各向同性、脉动速度符合当地的高斯分布。
双流体模型把颗粒相看成与流体相占据同一空间而且相互渗透的拟流体，空间各点流体与颗粒都有各自不同的速度、温度、体积分数和相对滑移。颗粒群有自身的质量、动量和能量的湍流输运，颗粒相可按初始和当地尺寸分组，颗粒相的模拟是双流体模型发展的核心。
1.5本文的主要工作
1)计算原设计煤种和生物质燃烧特性参数，提出锅炉燃烧系统初步改造方案。
2)借助FLUENT软件模拟锅炉初步改造方案炉内冷态流场。
3)提出初步改造方案的改进，并借助FLUENT软件模拟改进方案后的炉内冷态流场，找到前后各喷口合理的角度，确定锅炉改进方案。
4)借助FLUENT软件模拟不同风量配比条件下的炉内流场，找到优选的风量配比条件，最终确定锅炉改造方案。
5)借助FLUENT软件提出锅炉改造预备方案。
6)完成配风系统改造后，对新系统的炉内冷态流场进行调试与实炉测试试验研究，实际测量3个平面上的速度分布。通过火花示踪显示炉内实际流场，并进行生物质冷态喷吹试验研究燃料粒子在炉排上的沉降均匀性。
1.6本章小结
本章介绍了当前世界和我国的能源情况，生物质在能源中的地位、生物质发电的主要形式以及研究炉内流场的意义；介绍了课题来源，生物质直燃发电锅炉面临的主要问题，生物质燃烧过程中结渣的机理、危害和减少结渣的措施；强调了研究炉内空气流场对于减少结渣的重要性，介绍了目前国内外炉内空气流场数值模拟研究现状和炉内空气流场数值模拟的湍流模型。最后阐述了本文的主要工作和研究方法。
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