一、鍋爐初步改造方案
生物質(zhì)的燃燒特性與原設(shè)計(jì)煤種有很大的差別,鍋爐燃燒系統(tǒng)尤其是配風(fēng)系統(tǒng)需要進(jìn)行改造。本著不改動(dòng)鍋爐受熱面、盡量保留原有鏈條爐排和爐膛結(jié)構(gòu)的原則,改造項(xiàng)目包括:給料系統(tǒng)改造、風(fēng)機(jī)改型、風(fēng)道改造和完善監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高的特點(diǎn),要順利實(shí)現(xiàn)燃料轉(zhuǎn)換,必須大幅度減少爐排風(fēng)量,同時(shí)大幅度增加直接進(jìn)入爐膛的風(fēng)量,加大二次風(fēng)量(增加二次風(fēng)噴口數(shù)目,并更換二次風(fēng)機(jī))。該初步方案由南京理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院可再生能源利用課題組共同擬定。
(1)給料系統(tǒng)改造
拆除拋煤機(jī)和原有的原煤輸送機(jī)系統(tǒng)、更換料倉和送料裝置等,三個(gè)拋煤口改為三個(gè)一次風(fēng)(給料風(fēng))口。
(2)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)改型
考慮到改用生物質(zhì)后,固有風(fēng)量要增加8%左右,特別是考慮到需要將增加入爐風(fēng)量作為爐膛出口煙溫的備用調(diào)節(jié)手段,入爐風(fēng)量按爐膛出口煙溫調(diào)節(jié)幅度200℃計(jì)算,需要新增送風(fēng)量約10000m
3/h,因此將送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選定為60000 m
3/h。
新增風(fēng)量造成空氣預(yù)熱器阻力增加約1.8倍,總阻力增加約1.5倍,所以將送風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓選定為300mmH
20 (2940Pa),
根據(jù)送風(fēng)量的增加,相應(yīng)地,引風(fēng)機(jī)的流量和壓頭也需要相應(yīng)的提升。
(3)二次風(fēng)機(jī)改型
更換燃料后,二次風(fēng)的重要性進(jìn)一步增加,它承擔(dān)著兩個(gè)重要任務(wù):一是組織爐內(nèi)流場強(qiáng)化可燃?xì)怏w的燃燒,這直接關(guān)系到q
3熱損失和鍋爐的燃燒效率;二是,二次風(fēng)還擔(dān)負(fù)著調(diào)整火焰中心的任務(wù),從經(jīng)濟(jì)性考慮,這是調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫的首選措施?紤]到二次風(fēng)的重要性,所以在新選型時(shí)必須給出較大的余量。考慮到二次風(fēng)機(jī)的電耗特別高,確定其壓頭維持原數(shù)值600mmH
20 (5880Pa),通過加大二次風(fēng)道的口徑來維持較低的風(fēng)道風(fēng)速,風(fēng)量提高到20000 m
3/h,改造前后的風(fēng)機(jī)參數(shù)見下表:
項(xiàng)目 |
名稱 |
改造前參數(shù) |
搞糟后參數(shù) |
送風(fēng)機(jī) |
流量 |
50000 m3/h |
60000m3/h |
壓頭 |
1960Pa |
2940 Pa |
引風(fēng)機(jī) |
流量 |
80000m3/h |
95000m3/h |
壓頭 |
1960 Pa |
2940 Pa |
二次風(fēng)機(jī) |
流量 |
15000m3/h |
20000m3/h |
壓頭 |
5880 Pa |
5880 Pa |
(4)風(fēng)道改造
原鍋爐有三股風(fēng)量:爐排風(fēng)、播煤風(fēng)和二次風(fēng)。拆除拋煤機(jī)后,不再需要播煤風(fēng),而新增了一次風(fēng)(給料風(fēng)),所以改造后還是三股風(fēng)量:爐排風(fēng)、一次風(fēng)(給料風(fēng))和二次風(fēng)。由于入爐風(fēng)量的增加,生物質(zhì)的揮發(fā)分較高,為了強(qiáng)化爐內(nèi)可燃?xì)怏w的燃燒,保留原二次風(fēng)噴口中心點(diǎn)位置高度不變,增加二次風(fēng)噴口數(shù)量,前二次風(fēng)噴口數(shù)量由原來的7路增加到14路,并且等距離分布。后二次風(fēng)由原來的7路增加到15路。爐排風(fēng)道保留原有的系統(tǒng)不變。將原來的三個(gè)播煤口改為三個(gè)給料風(fēng)口,即三股一次風(fēng)口。各股風(fēng)的噴口數(shù)量、噴口尺寸見下表,入爐風(fēng)口示意圖如圖2.3和2.4所示。
名稱 |
噴口數(shù)量(個(gè)) |
布置位置 |
噴口截面尺寸(mm) |
距爐排高度(mm) |
前二次風(fēng) |
14 |
前墻 |
Ø54 |
1900 |
一次風(fēng) |
3 |
前墻 |
600×150 |
1150 |
后二次風(fēng) |
15 |
后墻 |
Ø54 |
800 |
爐排風(fēng) |
8(風(fēng)室數(shù)) |
爐排面 |
4000×4000 |
0 |
二、初步方案的爐內(nèi)冷態(tài)流場數(shù)值模擬
(1) FLUENT軟件介紹
目前應(yīng)用于模擬流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬軟件(CFD軟件)主要有:FLUENT,STAR-CD,PHOENIX,ANSYS/FLOTRAN等,而其中最為廣泛的就是FLUENT軟件,本文就利用FLUENT軟件對爐內(nèi)空氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬,其數(shù)值模擬的基本流程如下
采用GAHBIT軟件建立所研究對囊的三維模型→對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分→將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT分析軟件,選擇適當(dāng)模型,設(shè)定邊界條件,初始化并進(jìn)行跌選計(jì)算→改變各邊界條件的初始值,重新進(jìn)行迭代計(jì)算,結(jié)果分析
FLUENT軟件的前置處理器主要是指GAMBIT軟件,它具有強(qiáng)大的網(wǎng)格生成能力,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格能力
GAMBIT能夠針對極其復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格,且有數(shù)十種網(wǎng)格生成方法,能夠自動(dòng)生成網(wǎng)格,從而大大減少了工作量。
2)網(wǎng)格的自適應(yīng)技術(shù)
FLUENT采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù),可根據(jù)計(jì)算中得到的流場結(jié)果反過來調(diào)整和改進(jìn)網(wǎng)格,從而使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。這是目前CFD技術(shù)中提高計(jì)算精度的最重要的技術(shù)之一,采用自適應(yīng)技術(shù)能夠有效地捕捉到流場中的細(xì)微的物理現(xiàn)象,大大提高計(jì)算精度。
3)混合網(wǎng)格和附面層內(nèi)的網(wǎng)格功能
GAMBIT提供了對復(fù)雜的幾何形體生成附面層內(nèi)網(wǎng)格的重要功能。而且附面層內(nèi)的貼體網(wǎng)格能很好地與主流區(qū)域的網(wǎng)格自動(dòng)銜接,大大提高了網(wǎng)格的質(zhì)量。另外,GAMBIT能自動(dòng)將四面體、六面體、三角柱和金字塔形網(wǎng)格自動(dòng)混合起來,這對復(fù)雜幾何外形來說尤為重要,既能保證了壁面的精度,又可以大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)目。
FLUENT軟件包含了8種工程上常用的湍流模型(包括92年提出的一方程的S-A模型,雙方程的k-£模型,雷諾應(yīng)力模型和最新的大渦模型等),而每一種模型又有若干子模型。其中如k-£模型包括魯棒性較好的Standard k-e模型,針對逆壓梯度的RNGk.e模型和針對旋流的Realizable k模型。
FLUENT具有強(qiáng)大的后置處理功能,能夠完成CFD詩算所要求的功能,包括速度矢量圖、等值線圖、等值面圖、流動(dòng)軌跡圖、并具有積分功能,對于用戶關(guān)心的參數(shù)和計(jì)算中的誤差可以隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。
(2)FLUENT模型及其求解
1)鍋爐模型
由于本文計(jì)算的某電廠2#機(jī)組35t/h鍋爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,本文對鍋爐爐膛及風(fēng)道進(jìn)行了以下合理的簡化和設(shè)定:
①忽略了風(fēng)道內(nèi)因?qū)嶋H施工需要時(shí)增加的不規(guī)則墻壁;
②風(fēng)道內(nèi)氣體低速流動(dòng),可視為不可壓縮流體,同時(shí)忽略由流體粘性力做功所引
起的耗散熱;
③爐膛內(nèi)的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流:
④取爐膛水冷壁中心線所在平面為計(jì)算固體壁面;
⑤爐膛底部簡化為平底爐結(jié)構(gòu):
⑥滿足Boussinesq假設(shè),認(rèn)為流體密度的變化僅對浮升力產(chǎn)生影響:
所建立的模型如圖2.6。
2)網(wǎng)格劃分
本文采用專用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT對爐膛三維實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對三維實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分是一項(xiàng)非常繁瑣的工作。網(wǎng)格劃分從總體上看有三種:結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),可以人工控制任意方向的加密要求,但它卻無法適應(yīng)爐膛和風(fēng)口復(fù)雜的結(jié)構(gòu),其生成網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格。這時(shí)GAMBIT提供了解決這一難題的方法,那就是采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,即四面體網(wǎng)格,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對三維實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,它有很強(qiáng)的適應(yīng)性,能對任何具有復(fù)雜外形的實(shí)體進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分,但采用這種網(wǎng)格,由于其三個(gè)方向尺度基本一致,很難像結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格那樣可以人工控制任意方向的加密程度,所以當(dāng)某些地方需要加密網(wǎng)格時(shí),將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量巨增,從而需要計(jì)算機(jī)有更大的內(nèi)存,而且計(jì)算時(shí)間大幅度增加。對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算中最為重要的一環(huán),而且也是最難處理的一環(huán)。而網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將直接影響到模擬結(jié)果的精度、模擬的可靠性以及模擬過程中的穩(wěn)定性和收斂性。對于具有復(fù)雜外形的三維實(shí)體,要想劃分出理想的網(wǎng)格是非常困難的。為了克服結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自適應(yīng)困難和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格導(dǎo)致不毖要的網(wǎng)格數(shù)巨增,本文采用半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對所計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將系統(tǒng)分割成幾塊,再對每塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對復(fù)雜且需要加密網(wǎng)格的地方采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,提高網(wǎng)格的自適應(yīng)性,而對流場內(nèi)流動(dòng)參數(shù)梯度變化較小的地方就采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,減少網(wǎng)格數(shù)量,節(jié)省計(jì)算時(shí)間。
為了提高CFD對計(jì)算區(qū)域流體流動(dòng)參數(shù)模擬的精度,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需遵循以下幾點(diǎn):
①量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;
②網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的走向盡量與計(jì)算區(qū)域流場流線一致:
③在流場中流動(dòng)參數(shù)急劇變化的地方,網(wǎng)格盡量密集。
根據(jù)網(wǎng)格劃分的基本原則,在爐排至爐膛中間的區(qū)域用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,在爐膛中間至爐膛頂部區(qū)域用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,所有風(fēng)口區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,最終生成網(wǎng)格數(shù)在100萬左右,在內(nèi)存為2G的計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行計(jì)算處理。網(wǎng)格縱截面如圖2.7所示。
3)基本物理模型
對于三維、不可壓縮和穩(wěn)態(tài)的爐內(nèi)氣相流動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)的鬈一占湍流模型的通用微分方程式包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程、湍動(dòng)能耗散率方程和能量方程,為便于求解可在三維直角坐標(biāo)系下寫成如下統(tǒng)一形式:
三門峽富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐,生物質(zhì)顆粒燃料。