1、第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期：修订日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：佟博恒（），男，辽宁抚顺人，工程师，硕士，研究方向为炉内燃烧技术。李金晶（通信作者），男，正高级工程师，博士，电话（）：；：。文章编号：（）：循环流化床锅炉布风均匀性判据与均匀性试验方法改进研究佟博恒，李金晶，程通锐，赵振宁，程亮，吕俊复（华北电力科学研究院有限责任公司，北京 ；清华大学 能源与动力工程系，北京 ）摘要：利用数值模拟方法研究了循环流化床（）锅炉一次风风量偏差对流化均匀性的影响规律，提出了布风均匀性的料层厚度偏差判据，进而提出了循环流化床锅炉布风均匀性改进的试验方法。结果表明：一次
2、风室两侧进口风量偏差超过 时，床料流化均匀性较差，此时对应布风均匀性的最大许可偏差，即最高、最低床料高度差不宜超过 ，床料高度与平均高度最大偏差不超过 。关键词：循环流化床锅炉；布风均匀性；判据；数值模拟；试验方法中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，；，）：，（），：；循环流化床（）锅炉由于其具有燃料适应性广、污染物易控制等优点在国内外得到了广泛发展和应用。对于循环流化床锅炉，布风装置是重要的一环，其性能直接影响到气固流化质量。布风板的布风均匀性是影响锅炉稳定、安全运行和 排放的重要因素。随着循环流化床锅炉大型化发展，炉膛截面积和布风板面积增大，因此实现均匀流化的难度提高。生产实践中部分
3、风帽由于安装不当或检修周期过长而产生缺陷，致使部分区域阻力异常、布风板阻力不均匀。这将导致流化质量恶化、横向扩散能力降低、床温不均匀、床压摆动，严重时会出现局部结焦、风帽堵料甚至翻床等现象，影响锅炉的安全稳定运行。因此锅炉建成或大修后，通常要进行布风均匀性试验，确保布风板流化的均匀性。目前，一般采用铺设粒径合格的床料，开启风机直到床料完全进入流化状态，然后迅速跳停引风机和一次风机，观察料层的平整性来判断布风均匀性。显然，这种观察方法依赖于实验者的主观判断。如何定量描述循环流化床锅炉的布风均匀性或者流化质量是一个重要问题。布风均匀性和流化质量是循环流化床锅炉正常运行的重要基础，为此学者们进行了大
4、量的研究。刘典福等采用图像处理技术通过实验研究了非均匀布风流化床内的气泡特征，发现高风速区产生大量上升气泡并存在横向偏移。陈鸿伟等通过数值模拟研究了布风板局部堵塞对气固流动的影响。李少华等通过数值模拟研究了布风板开孔直径和开孔方式对流化床布风均匀性的影响。范金龙采用数值模拟方法考察了流量和风帽布置方式对布风均匀性的影响。陈鸿伟等在冷态试验装置上研究了锥形布风板对循环流率的影响规律，并利用神经网络算法进行了预测。田元 对不同锅炉负荷和风室两侧进风风量偏差下的布风均匀性进行研究，提出了双侧进风的风室优化建议。等 通过分析一个小型试验台布风板附近的压力场变化，研究了布风装置的布风均匀性，并优化了风室
5、的供风方式。王映奇 对某 超临界循环流化床锅炉的床温偏差进行了分析，其直接原因为炉内局部结焦导致物料流化质量变差。这些研究侧重于气固两相流内部流动、压力和气泡特征等，鲜有一次风量偏差影响的定量分析。循环流化床布风均匀性试验方法包括观察床料方法和直接测量风速方法。直接测量风速方法适用于不加床料的冷态通流测试，但无法测试加床料以后的气固两相流流动。观察床料方法多以肉眼观察为主，测试手段少，测试结果不准确，适合定性分析。利用小型 锅炉冷态试验台可以方便地了解 锅炉炉内的物理现象与流态化情况。然而，由于冷态试验台与实炉尺寸相差较大，小型试验台难以完整体现大宽深比布风板的流动现象。李金晶等 研究了床内气
6、固流动横向不均匀性造成的床压摆动现象，发现流化床宽度增大到一定规模后，炉膛物料的横向混合不均匀现象加剧，而小型试验台很难重现床压摆动现象。因此，假设在布风板已存在缺陷的情况下，笔者利用数值模拟的方法研究 锅炉入口一次风风量偏差对流化均匀性的影响，并计算入口偏差量与床料流化均匀性的关系，得到入口一次风风量偏差对床料高度的影响规律。最后，根据实际计算结果定量给出布风均匀性判据，定量得出布风不均匀的边界条件，并得到相应的布风均匀性试验的料层厚度偏差限值，可作为布风均匀性的判据。计算模型本文计算对象为某典型 循环流化床锅炉。该锅炉采用单炉膛、平衡通风、一次中间再热、固态排渣、循环流化床燃烧方式。炉膛与
7、尾部竖井之间布置台旋风分离器，其下部各布置一台回料器，返料腿采用一分为二结构，以改善沿炉膛宽度方向回料的均匀性。仿真计算中采用欧拉欧拉气固多相流流动模型，采用欧拉欧拉双流体模型来模拟冷态循环流化床中的气固流动情况，采用 方程计算。湍流模型选用 有旋修正的 多相湍流模型。颗粒碰撞恢复系数（）为 ，镜面反弹系数（）选取 。用控制容积法来离散控制方程，控制容积界面参数采用一阶迎风差分格式。流体压力速度耦合采用 算法。初始化时给定计算域内的固体体积分数和气固相的速度分布，时间步长设定为 。曳力模型为 曳力模型。为计算方便，对炉膛进行了一定的简化，忽略炉膛内部水冷壁、分隔屏换热面和布风板底部风帽。炉膛长
8、度为 ，深度为 ，总高度为。其几何结构和网格划分如图所示，其中网格为六面体结构化网格，底部密相区、回料管局部加密，炉膛边壁区域也采用局部加密处理。取炉膛与前后墙等距的截面为炉膛中心截面，作为数值模拟计算结动力工程学报第 卷（）几何结构（）网格划分图循环流化床锅炉几何结构与网格划分 果参考平面。经过网格无关性验证，计算的总网格数量确定为 。模型参数如表所示。表数值模型选用模型及参数 项目选用模型及参数值计算模式三维、双精度求解器非稳态、压力基基本湍流模型多相湍流模型 曳力模型 空气密度（）空气黏度（）颗粒密度（）颗粒粒径 颗粒粒径分布 在模拟初始化时，计算模拟了实际冷态通风试验加入的床料。模型中
9、初始床料量为 ，床料高度为 。床 料 初 始 堆 积 体 积 分 数 为 。初始床料物性参数取自常见试验使用的石英砂的物性参数。根据实际锅炉冷态通风试验工况设置边界条件。将布风板区域从左墙至右墙均分为个区域（、），设置为入口质量流量边界条件，入口区域位置示意图如图所示。出口边界条件为压力出口。分别计算了总一次风风量不变时 区域相比其他区域风量偏差为、的情况，计算工况见表。计算结果及分析冷态空气动力场中布风均匀性试验的步骤如下：加入初始床料，启动风机，待床料流化后，同时跳闸所有风机，再进行炉膛内部检查。因此，本文数值图入口边界条件示意图 表计算边界条件及工况 参数数值初始床料量 初始床料高度 初
10、始堆积体积分数 总一次风风量（）一次风风量偏差（工况）、（工况）、（工况）、（工况）模拟结果为初始工况计算，即床料充分流化后的瞬态结果，也是通过瞬态的区域静止床料体积模拟风机停止后该区域的床料体积，通过计算瞬态的颗粒相体积分布情况反映床料流化状况。图为炉膛中心截面颗粒体积分数分布图，其中从左到右第二个区域的位置为 ，即风量偏低的入口（下文相同）。可以看出，当一次风风量偏差增加时，底部密相区体积分数不均匀性增加。在风速较低的入口附近区域，产生的气泡更少，而颗粒的体积分数偏大，颗粒更加偏向于团聚，该区域的正上方以及周围的颗粒体积分数均偏大。这是因为风量偏低的入口区域上方风速低，颗粒流化剧烈程度低，
11、易出现高浓度区域，相应的高体积分数的颗粒向周围低浓度区域滑移，导致该区域附近也出现了高浓度颗粒的区域。相应地，床料不均匀性增加。图为炉膛内部颗粒体积分数三维分布图。从图可以看出，当一次风风量偏差增加时，床料不均匀性明显增加，床料在底部聚集的比例增加，床层与空气 分 界 面 更 加 不 均 匀。尤 其 当 风 量 偏 差 达 到 及以上之后，此现象更加明显。图为炉膛中心截面颗粒速度矢量图。从图可以看出，当一次风风量偏差增加时，风量低的区域颗粒下降的速度增加，并且风量低的区域与周围风第期佟博恒，等：循环流化床锅炉布风均匀性判据与均匀性试验方法改进研究（）工况（）工况（）工况（）工况图炉膛中心截面颗
12、粒体积分数 （）工况（）工况（）工况（）工况图内部颗粒体积分数三维分布图 （）工况（）工况（）工况（）工况图炉膛中心截面颗粒速度矢量图 量高的区域存在许多流动的颗粒，床料在床层底部和床层表面的速度分布更加不均匀。当风量偏差达到 以上时，床层已经存在大量波动和扰流，甚至在近壁面处存在颗粒冲刷现象。因此，一次风风量偏差应不超过。循环流化床床层不均匀试验步骤如下：锅炉通风后，停止所有风机，再对炉膛内部的床层均匀性进行检查。因此，沿炉膛宽度方向（左墙至右墙方向）划分了 个计算域，并统计了每个计算域的颗粒总体积，可以得到风机停止后静止床料堆积体积。颗粒总体积沿炉膛宽度方向的分布如图所示。图计算域颗粒总体
13、积沿炉膛宽度方向的分布 从图可以看出，颗粒总体积最高的区域位于 区域内（炉膛宽度 位置），而且当 区域相较于其他区域进口风量偏差越大，该区域静止床料最高堆积体积越大，偏离平均堆积体积越大。说明该区域已出现流化不均匀现象，随着风量偏差增加，其他区域的床料向该区域堆积的现象更严重。沿炉膛宽度方向，颗粒堆积体积与平均值的偏差百分比如图所示。当一次风量偏差增加，颗粒堆积体积与平均值的偏差百分比增加。另外，在 、工况下，颗粒堆积体积偏差较大的区域主要位于一次风风量偏低的区域（）。而在 工况一次风风量偏差达到 时，除 区域之外，炉膛宽度、处的其他区域也出现了颗粒总体积偏离平均值较大的情况。说明当某区域一次
14、风风量偏差较大时，不仅该区域附近流化不佳，产生床料堆积现象，而且会影响其他区域的流化，进而导致整个炉膛流化都不均匀。各区域床料堆积高度与炉膛平均床料高度差以图颗粒堆积体积与平均值的偏差百分比 动力工程学报第 卷及炉膛最高与最低床料高度差（即最大床料高度差）如图所示。当一次风风量偏差为 时，最高与最低床料高度差为 ，各区域床料堆积高度与平均床料高度差最大为 。（）床料高度与平均值的偏差分布图（）左右侧一次风风量偏差与最大床料高度差的关系图图不同一次风风量偏差下的床料高度差 不同一次风风量偏差下各项偏差指标如表所示。结合数值模拟结果，认为一次风风量偏差的上限应不超过，此时对应的最高与最低床料高度差
15、基本上在 左右，床料堆积高度与平均值最大偏差在 左右。因此根据数值模拟计算结果，为布风均匀性要求的最大床料高度差。表计算数据汇总 参数一次风风量偏差 颗粒堆积体积与平均值最大偏差百分比 床料堆积高度与平均值最大偏差 最大床料高度差 布风均匀性试验改进目前，循环流化床布风均匀性试验多以定性为主，只是观察炉膛床层是否均匀，缺乏床料厚度偏差的定量分析。根据 循环流化床锅炉冷态与燃烧调整试验技术导则，锅炉每次点火启动前，应进行炉膛布风板布风均匀性试验。这一试验方法在停止引风机和一次风机后，用肉眼观察料层的平整性，看是否存在高低不平，对于实际试验过程来说，料层平整性的判断具有很大的主观性。为改进现有布风
16、均匀性试验可操作性不强、无定量标准缺陷，根据上述数值模拟计算结果，提出了以下布风均匀性改进试验方法：（）在炉膛未通风的状态下添加床料至净高 。炉底床料可以为干灰渣或干砂。为了避免床料的低温粘连，床料中的 质量分数不超过 ，质量分数不超过。此外还要控制床料中可燃物质量分数不超过，防止点火时出现结焦，甚至爆燃。床料中要含有适当比例的 的可循环颗粒，以便提高锅炉启动速度。（）依次启动引风机、一次风机、二次风机，缓慢增加一次风风量至床料完全流化状态。此时手动停止全部引风机、一次风机、二次风机和高流风机。待床料静止、风机断电后，测量炉膛内部床面平整程度。（）参照电站锅炉性能试验规程中测点布置常用的网格布
17、置法，将静止后的床面沿炉膛长宽方向间隔 布置测量点位，形成一个测量网格，点位布置时不应距离炉膛边缘过近，应与边缘距离 以上。（）使用带刻度的测量钉在点位处垂直插入布风板底部，测量该点位的床料高度，并记录。在炉膛边缘附近无法插入至布风板底部的测量钉应斜插至布风板，记录插入距离以及测量钉与铅垂线的夹角，根据式（）再换算为边缘高度，如图所示。（）图床料高度测量示意图 （）统计全部点位的床料高度，计算床料高度平均值及其与各点床料高度之间的偏差，偏差最大第期佟博恒，等：循环流化床锅炉布风均匀性判据与均匀性试验方法改进研究值记 为 。计 算 最 高、最 低 床 料 高 度 的 偏 差值 。（）根据数值模拟
18、计算结果，判断布风均匀性合格的推荐标准值为 且 。若存在 的点位，说明该点附近风速过低；若存在 的点位，说明该点附近风速过高。若存在上述种情况，应重点检查附近风帽质量，必要时可清空床面。排除异常状况后，应再次进行布风均匀性试验。结论（）循环流化床锅炉布风板各区域一次风风量偏差会引起床层流化不均匀，床料在风量低的区域堆积。（）在布风板阻力均匀条件下，一次风风量偏差超过 时，床料流化均匀性和流化质量恶化，风 量偏差是维 持布 风均 匀 性的推 荐 参 考值上限。（）均匀床料的布风均匀性判据参考值为：最高、最低床料高度差不宜超过 ，床料高度与平均高度最大偏差不宜超过 。参考文献：岳光溪，吕俊复，徐鹏
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21、：，窦征立，王亚刚基于 神经网络的联合循环机组燃烧室温度模型建模电子科技，（）：，（）：邵珊珊，孙丽君基于 神经网络的燃气轮机功率预测方法研究计算机科学与探索，（）：，（）：皮骏，黄江博基于 神经网络的航空发动机故障诊断航空动力学报，（）：，（）：曹炼博，刘志坦，王凯，等发电领域燃气轮机燃烧调整方 法 研 究 燃气 轮 机 技 术，（）：，（）：刘杨基于 型燃气轮机加速度不稳定状况研究与分析电力科学与工程，（）：，（）：，郭强，周玉兵，刘殿河，等 型燃气轮机氮氧化物排放规律研究燃气轮机技术，（）：，（）：（上接第 页），（）：李金晶，吕俊复，龚鹏，等大型循环流化床锅炉炉膛内床压摆动的机理动力工程学报，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，：第期王文阳：基于神经网络的燃气轮机燃烧稳定性预测及分析
