超临界CFB锅炉炉内流场数值模拟

　　我国是世界上CFB锅炉投运最多的国家,开远电厂、白马电厂300 MW CFB锅炉的成功投运,标志着我国的大型CFB锅炉技术已经成熟。目前三大锅炉公司(哈尔滨锅炉厂有限责任公司、东方锅炉有限责任公司和上海锅炉厂有限责任公司)均完成了超临界600 MW CFB锅炉初步设计方案。由于超临界锅炉热循环回路尺寸较大,为了保证整个热循环回路设计的合理、可靠,有必要对超临界CFB锅炉的炉内流场进行数值模拟。

　　1　超临界CFB锅炉热循环回路的布置

　　数值模拟以哈尔滨锅炉厂有限责任公司超临界600 MW CFB锅炉设计方案为基础,热循环回路系统如图1所示。系统采用单炉膛、双布风板结构,炉膛左右各布置3个分离器,每个分离器下设置1个回料阀,并用锥形阀将循环灰分成两路,一路直接返回炉膛,另一路通过外置床后进入炉膛。炉膛尺寸为16.952 m×25.736 m×54 m,布风板尺寸为4.5 m×25.736 m。采用6个绝热分离器,分离器直径为9.3 m。主要验证的内容包括整个热循环回路流场均匀性、二次风流场分布等。

　　2　数值模拟

　　采用成熟的FLUENT商业软件进行模拟分析;采用欧拉三维模型进行计算,该模型是FLUENT软件中最复杂的多相流模型,主要应用于气泡柱、上浮、颗粒悬浮以及流化床等问题的研究。

　　采用GAMBIT软件进行建模,模型比例为1∶1。整个模型包括1个炉膛、6个分离器、6个双路回料阀、28个二次风口和12个给煤口。为了保证模拟的精度,共划分了约200万个网格,并在关键部位的网格划分上采用了局部加密处理(图2)。

　　本模型共有66个边界条件(表1)。根据CFB锅炉气固两相流的特点,在气固两相流的设置上共设置了4相。其中,气相为基本项,另外设置了3个灰颗粒相,颗粒的粒度分别为0.3 mm、0.6 mm和1 mm。根据常规300 MW CFB锅炉经验,取D50=0.6~0.7mm。为了计算方便,假设颗粒均为圆形。首先对整个热循环回路的浓度场及矢量场进行了模拟。图3为整个分离器内流场的分布,图4为固体颗粒在分离器内的矢量分布。

　　(1)整个回路流场比较均匀,没有出现漩涡、畸变等不规则流场,整个气固两相流流场合理,分离回料系统工作正常。

　　(2)分离器分离效果良好,大部分固体颗粒均被捕捉。通过对计算结果的分析发现,直径为1 mm与0.6mm的捕捉率为100%,直径为0.3 mm的颗粒约有2%随气相飞出了分离器;

　　(3)图5为沿整个炉膛高度的压力分布曲线,其形状与300 MW等级CFB锅炉现场实测形状类似,该曲线间接地反映了炉膛内物料浓度的分布。可以看出,在布风板以上2 m以内的区域压降非常剧烈,此区域物料浓度较高,而过了下二次风口后,炉膛压降变化较平缓,超过布风板上35 m后压力衰减更慢,也即炉膛上部物料浓度偏低。