循环流化床锅炉水冷壁磨损机理与防止研究

发布时间：2017-10-10 14:07

  本文关键词：循环流化床锅炉水冷壁磨损机理与防止研究

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【摘要】：循环流化床锅炉水冷壁磨损问题是循环流化床锅炉运行过程中的主要问题之一,严重影响了锅炉的安全性、稳定性和综合效益,而在水冷壁上加装防磨梁是一种有效的防磨技术；随着循环流化床锅炉向超/超超临界方向发展,炉内需要更大的悬吊屏受热面面积,而加密加长传统单片悬吊屏已不能满足要求。本文主要针对循环流化床锅炉加装防磨梁前后水冷壁面气固流动特性和磨损特性开展实验室试验和数值模型计算研究；还进行了两种新型悬吊屏周边气固流动特性实验研究。本文工作主要包括：①防磨梁周围水冷壁区域气固流动特性实验、数值计算研究；②循环流化床两种新型悬吊屏周边气固流动特性实验研究；③防磨梁周围水冷壁磨损分布特性实验研究；④建立了一种基于循环流化床锅炉水冷壁面气固流动特性的水冷壁磨损模型,可对水冷壁磨损机理进行分析；⑤330MW和600MW循环流化床锅炉加装防磨梁前后炉内气固流动特性数值计算研究；⑥采用建立的水冷壁磨损模型对330MW和600MW循环流化床锅炉加装防磨梁前后水冷壁的磨损分布特性进行了数值模型计算研究。实验研究结果表明,防磨梁在一定程度上破坏了贴壁颗粒下降流,降低了贴壁颗粒下降流速度,防磨梁下方出现了贴壁颗粒上升流；颗粒在防磨梁上表面动态堆积,而在防磨梁下方,轴向往下,水冷壁面颗粒体积分数由极小逐渐增大。防磨梁降低了其下方一段距离内水冷壁的磨损速率,尤其是紧靠防磨梁下沿的水冷壁,几乎没有磨损产生,但防磨梁显著增加了其上沿局部水冷壁的磨损速率；防磨梁上表面结构对防磨梁周围水冷壁磨损的影响并不大。从防磨梁周围水冷壁磨损总体最小的角度出发,对于特定厚度的贴壁颗粒下降流,防磨梁宽度存在一个最佳值,并不是越大越好,而防磨梁高度越小越好。“U”形屏和“口”形屏内上部区域颗粒体积分数径向近似呈直线分布,中下部区域颗粒体积分数径向呈“U”形分布；屏内颗粒轴向速度径向均呈倒“U”形分布,屏内中心区域颗粒以较大的速度向上运动,壁面颗粒上升流和下降流并存；屏内部分区域颗粒流动呈环核结构；循环流化床锅炉“U”形屏和“口”形屏宽度的选取均有一个优化范围。在实炉气固流场数值计算研究方面,本文得到了330MW和600MW循环流化床锅炉加装防磨梁前、后炉内尤其是水冷壁面区域气固流动特性的三维分布。水冷壁面贴壁颗粒下降流被防磨梁破坏,总体下降速度降低,平均约为2m/s,防磨梁上沿颗粒动态堆积区固含率最大可达0.3～0.4。在实炉水冷壁磨损数值模型计算研究方面,本文基于实炉水冷壁面气固流场数值计算结果,采用建立的水冷壁磨损模型,计算得到了330MW和600MW循环流化床锅炉加装防磨梁前、后水冷壁各磨损速率参数的三维分布；发现了防磨梁对其周围不同区域水冷壁磨损影响的不同机理,总体上,加装防磨梁后水冷壁的主要磨损方式由颗粒团摩擦磨损变为颗粒分散相撞击磨损。本文水冷壁磨损速率模型计算值与现场测得水冷壁磨损速率相吻合。最终,本文给循环流化床锅炉防磨梁的设计布置提出了建议。
【关键词】：循环流化床锅炉 水冷壁 悬吊屏 防磨梁 气固流动 磨损 磨损模型 数值计算
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK229.66
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-19
• 主要符号表19-21
• 1 绪论21-41
• 1.1 我国能源利用现状及趋势21-24
• 1.2 循环流化床锅炉技术特点及发展24-33
• 1.2.1 循环流化床锅炉技术特点24
• 1.2.2 循环流化床锅炉技术的发展24-33
• 1.3 循环流化床锅炉技术存在的问题33-34
• 1.4 循环流化床锅炉水冷壁防磨梁技术34-37
• 1.5 本文研究内容37-41
• 2 大型循环流化床锅炉炉膛气固流动和水冷壁磨损研究综述41-77
• 2.1 循环流化床锅炉气固流动数值计算研究现状41-52
• 2.1.1 循环流化床锅炉气固流动数值计算方法42-44
• 2.1.2 循环流化床锅炉气固流动数值计算双流体模型44-52
• 2.2 循环流化床锅炉炉膛气固流动研究现状52-58
• 2.2.1 循环流化床锅炉炉膛气固流动分布特性52-55
• 2.2.2 水冷壁区域气固流动特性55-57
• 2.2.3 悬吊屏区域气固流动特性57-58
• 2.3 循环流化床锅炉水冷壁磨损特性58-63
• 2.3.1 水冷壁磨损机理及影响因素59-60
• 2.3.2 水冷壁磨损及防磨梁技术研究现状60-63
• 2.4 磨损实验方法和磨损模型综述63-74
• 2.4.1 磨损实验方法综述63-65
• 2.4.2 磨损模型综述65-74
• 2.5 本文研究思路和方法74-75
• 2.6 本章小结75-77
• 3 循环流化床锅炉防磨梁对水冷壁区域气固流动影响研究77-99
• 3.1 研究目的和内容77
• 3.2 二维冷态试验台系统及测量方法77-85
• 3.2.1 二维冷态试验台及系统组成77-81
• 3.2.2 试验工况参数和床料特性81-82
• 3.2.3 试验测试方法82-85
• 3.3 数值模拟方法85-88
• 3.4 计算结果与讨论88-98
• 3.4.1 网格独立性88-89
• 3.4.2 防磨梁对水冷壁区域颗粒轴向速度的影响89-94
• 3.4.3 防磨梁对水冷壁区域颗粒体积分数的影响94-98
• 3.5 本章小结98-99
• 4 循环流化床锅炉新型悬吊屏周边气固流动特性试验研究99-121
• 4.1 研究目的和内容99-100
• 4.2 实验系统及方法100-103
• 4.2.1 “U”形屏实验系统及方法101-102
• 4.2.2 “□”形屏实验系统及方法102-103
• 4.3 实验结果分析(“U”形屏)103-111
• 4.3.1 “U”形屏周边颗粒流动特性103-106
• 4.3.2 空截面气速对“U”形屏周边颗粒流动特性的影响106-108
• 4.3.3 静止床料高度对“U”形屏周边颗粒流动特性的影响108-109
• 4.3.4 “U”形屏宽度对其周边颗粒流动特性的影响109-111
• 4.4 实验结果分析(“□”形屏)111-118
• 4.4.1 “□”形屏周边颗粒流动特性111-113
• 4.4.2 空截面气速对“□”形屏周边颗粒流动特性的影响113-114
• 4.4.3 静止床料高度对“□”形屏周边颗粒流动特性的影响114-115
• 4.4.4 “□”形屏屏宽对屏内颗粒流动特性的影响115-116
• 4.4.5 “□”形屏出口尺寸对屏内颗粒流动特性的影响116-118
• 4.5 本章小结118-121
• 5 防磨梁对水冷壁磨损影响试验研究121-135
• 5.1 研究目的和内容121
• 5.2 实验装置及方法121-125
• 5.2.1 镀膜式磨损传感器系统的设计及制作121-123
• 5.2.2 镀膜式磨损传感器的安装及测量位置123
• 5.2.3 实验工况参数123-125
• 5.3 实验结果与分析125-133
• 5.3.1 无防磨梁时水冷壁磨损速率轴向分布125-127
• 5.3.2 有防磨梁时水冷壁磨损速率轴向分布127-131
• 5.3.3 不同结构防磨梁上沿水冷壁磨损分析131-133
• 5.4 本章小结133-135
• 6 循环流化床锅炉水冷壁磨损模型135-145
• 6.1 研究目的和技术路线135
• 6.2 水冷壁磨损模型的流场基础135-137
• 6.3 水冷壁磨损模型表达式推导137-142
• 6.4 水冷壁磨损模型计算参数142-144
• 6.5 本章小结144-145
• 7 大型循环流化床锅炉水冷壁加装防磨梁后炉内气固流动数值研究145-177
• 7.1 研究目的和内容145
• 7.2 330MW循环流化床锅炉原型介绍145-146
• 7.3 330MW循环流化床锅炉计算模型和方法146-151
• 7.3.1 几何模型146-148
• 7.3.2 网格模型148-149
• 7.3.3 计算模型及参数设置149-150
• 7.3.4 数值计算结果处理方法150-151
• 7.4 330MW循环流化床锅炉计算工况和平台151-152
• 7.4.1 计算工况151-152
• 7.4.2 计算平台152
• 7.5 330MW循环流化床锅炉加装防磨梁后炉内气固流动计算结果及分析152-170
• 7.5.1 炉膛整体颗粒流动特性152-154
• 7.5.2 运行参数对炉内颗粒浓度轴向分布的影响154-156
• 7.5.3 运行参数对炉内环核流动结构的影响156-158
• 7.5.4 水冷壁面颗粒流动特性及其受运行参数影响情况158-163
• 7.5.5 悬吊屏壁面颗粒流动特性及其受运行参数影响情况163-168
• 7.5.6 现场工况下炉内气固流动特性分析168-170
• 7.6 600MW循环流化床锅炉防磨梁对水冷壁面颗粒流动特性影响170-173
• 7.6.1 计算模型和方法170-172
• 7.6.2 计算结果及分析172-173
• 7.7 本章小结173-177
• 8 大型循环流化床锅炉加装防磨梁后水冷壁磨损数值研究177-199
• 8.1 研究目的和内容177
• 8.2 330MW循环流化床锅炉加装防磨梁后水冷壁磨损分布特性177-189
• 8.2.1 典型工况下水冷壁磨损速率分布特性177-181
• 8.2.2 空截面气速对水冷壁磨损速率分布特性的影响181-183
• 8.2.3 二次风率对水冷壁磨损速率分布特性的影响183-185
• 8.2.4 静止床高对水冷壁磨损速率分布特性的影响185-187
• 8.2.5 颗粒粒径对水冷壁磨损速率分布特性的影响187-188
• 8.2.6 现场工况水冷壁磨损速率分布特性188-189
• 8.3 600MW循环流化床锅炉加装防磨梁前、后水冷壁磨损分布特性189-193
• 8.4 对大型循环流化床锅炉防磨梁布置的建议193-196
• 8.5 本章小结196-199
• 9 330MW实炉水冷壁磨损速率计算值与现场测量值对比199-205
• 9.1 研究目的和内容199
• 9.2 实炉及其水冷壁磨损与防磨措施介绍199-201
• 9.3 现场测量方法和测点布置201-202
• 9.4 实炉水冷壁磨损速率计算值与现场测量值对比202-203
• 9.5 本章小结203-205
• 10 全文总结与研究展望205-211
• 10.1 全文总结205-208
• 10.2 主要创新点208-209
• 10.3 不足之处和研究展望209-211
• 参考文献211-223
• 附录1223-227
• 作者攻读博士学位期间发表的学术论文227-229
• 作者攻读博士学位期间参加的科研项目229-230
• 致谢230

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