直流电弧数值模拟及等离子点火特性研究

发布时间：2017-05-18 10:24

  本文关键词：直流电弧数值模拟及等离子点火特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 火电站锅炉启动和低负荷稳燃过程中，需要消耗大量的燃料油，我国的油资源贫乏，国际原油价格又呈现不断上涨之势，因此节油急不可待。等离子点火装置可以在完全不需要任何燃油的情况下达到点火及稳燃的目的，是一种有效节约锅炉点火、稳燃和调试用油的手段，对降低发电成本、节约油资源、增强国家能源安全有很大意义。等离子燃烧器是等离子点火系统主要设备之一，，其结构特点、点火特性直接关系到该技术的应用和推广，因此，本文对等离子燃烧器的点火特性进行了系统的研究。 首先，本文介绍了等离子体点火系统的基本构成、等离子体的基本特性、等离子体对煤粉的促燃效果以及等离子发生器的传热量分析等。在此基础上，运用热力学和物理化学的基本知识，对等离子发生器出口的等离子体射流的温度进行了估算。 其次，本文运用磁流体力学模型和k-ε湍流模型，使用ANSYS软件对等离子体发生器内的直流电弧等离子体进行数值模拟，得到温度场和速度场分布，结果显示等离子发生器阳极喷口等离子体的中心温度高，从中心至壁面的温度逐渐降低，呈抛物线分布，阳极喷口的速度类似于温度分布，也呈抛物线分布，将温度和速度分布拟合成方程作为等离子体点火数值模拟的入口边界条件。对不同工况下直流电弧进行数值模拟，得到不同功率、不同进气量、不同冷却水流量对电极温度的影响规律。 再次，本文利用商业软件FLUENT，采用合适的数学模型对等离子燃烧器内的点火过程进行数值模拟计算。气相湍流流动采用k-ε模型模拟，气相湍流燃烧采用平衡混合分数／PDF模型模拟，辐射换热采用P1模型模拟，焦炭的燃烧采用动力扩散燃烧模型，对煤粉挥发分的释放采用了双匹配速率模型，煤粉颗粒的跟踪采用了随机轨道方法。模拟得出了一些能反应等离子点火特性的关键参数的分布，如温度场、速度场、CO和CO_2的质量分数以及燃烧筒的壁面温度等，从而对等离子燃烧器的点火特性进行系统研究。 最后，对不同工况下的点火过程进行数值模拟，得到了一次风速度、煤粉浓度以及一次风的入口角度对等离子点火的影响规律。这些规律为等离子燃烧器的改进和设计提供参考依据。
【关键词】：等离子点火 直流电弧 数值模拟 等离子燃烧器 特性研究
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK227
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 课题的背景和意义10-12
• 1.2 等离子点火技术的发展状况12-14
• 1.3 等离子体电弧数值模拟研究状况14-15
• 1.4 等离子体射流数值模拟研究状况15-16
• 1.5 本文的主要工作16-17
• 1.6 本章小节17-18
• 2 等离子点火装置的系统构成及点火机理18-29
• 2.1 等离子点火装置的系统构成18-21
• 2.1.1 等离子发生器18-19
• 2.1.2 等离子燃烧器19-20
• 2.1.3 电源系统20-21
• 2.1.4 控制系统21
• 2.1.5 辅助系统21
• 2.2 等离子体电弧的理论基础21-26
• 2.2.1 等离子体的基本概念21-22
• 2.2.2 典型的直流电弧等离子体流动传热过程分析22-24
• 2.2.3 等离子发生器内流动传热过程分析24-26
• 2.3 等离子体射流对煤粉的促燃26-28
• 2.4 本章小节28-29
• 3 等离子发生器出口温度的理论计算29-35
• 3.1 电弧区等离子体向压缩空气的传热量分析29-30
• 3.2 等离子体出口的温度计算30-34
• 3.2.1 氧气解离度的计算31-33
• 3.2.2 系统的能量平衡33-34
• 3.3 本章小节34-35
• 4 等离子发生器内直流电弧数值模拟35-49
• 4.1 磁流体力学模型35-37
• 4.1.1 基本守恒方程35-36
• 4.1.2 麦克斯韦方程组36
• 4.1.3 湍流模型36-37
• 4.2 ANSYS软件简介37-40
• 4.2.1 ANSYS的模拟能力37-38
• 4.2.2 求解问题步骤38-40
• 4.3 几何模型和边界条件40-42
• 4.3.1 几何模型40-41
• 4.3.2 边界条件41-42
• 4.4 计算结果及其分析42-48
• 4.4.1 温度与速度结果及分析42-45
• 4.4.2 功率对电极温度的影响45-46
• 4.4.3 压缩空气对电极温度的影响46-47
• 4.4.4 冷却水对电极冷却的影响47-48
• 4.5 本章小节48-49
• 5 煤粉燃烧的数学模型49-64
• 5.1 基本守恒方程49-50
• 5.2 湍流模型50-52
• 5.2.1 各湍流模型介绍50-51
• 5.2.2 标准k-ε模型51-52
• 5.3 离散相模型52-55
• 5.3.1 离散相模型简介52-53
• 5.3.2 颗粒的轨道计算53-55
• 5.4 气相湍流燃烧模型55-58
• 5.4.1 各气相湍流燃烧模型介绍55-56
• 5.4.2 混合分数/概率密度函数模型(Mixture fraction/PDF)56-58
• 5.5 挥发分析出模型58-60
• 5.5.1 各挥发分析出模型介绍58-59
• 5.5.2 双方程竞争反应模型59-60
• 5.6 焦炭燃烧模型60-61
• 5.6.1 焦炭燃烧模型概述60
• 5.6.2 动力学/扩散控制反应速率模型60-61
• 5.7 辐射换热模型61-63
• 5.7.1 辐射换热模型概述61-62
• 5.7.2 P-1模型62-63
• 5.8 本章小节63-64
• 6 等离子点火模拟结果分析64-82
• 6.1 FLUENT软件简介64
• 6.2 几何模型及边界条件64-66
• 6.2.1 几何模型64-66
• 6.2.2 边界条件66
• 6.3 计算结果分析66-81
• 6.3.1 燃烧器内煤粉气流着火过程66-73
• 6.3.2 一次风速对煤粉点火的影响73-75
• 6.3.3 煤粉浓度对点火的影响75-77
• 6.3.4 一次风速入口角度对点火的影响77-81
• 6.4 本章小节81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-87
• 附录A 等离子点火装置基本参数87-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 陈明敏;连续弧等离子点火电源技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 王建伟;等离子燃烧器结构特点和运行特性的研究[D];华北电力大学（北京）;2010年

3 吴敏;水射流对等离子点火燃烧过程影响的研究[D];大连理工大学;2010年

4 徐颜军;220t/h煤粉炉少油点火机理研究与应用[D];广东工业大学;2012年

5 石磊;稀薄燃烧方式下等离子点火过程研究[D];大连理工大学;2012年

6 韦慧媛;等离子点火技术在新昌电厂的应用研究[D];华北电力大学;2012年

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本文编号：375826