CN104977150B

CN104977150B - 基于cfb锅炉的三维流场模拟方法

Info

Publication number: CN104977150B
Application number: CN201510402645.2A
Authority: CN
Inventors: 孙超凡; 李德波; 邓剑华; 温智勇; 湛志刚; 彭泽宏
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2018-11-09
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: CN104977150A

Abstract

本发明公开了一种基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，包括以下步骤：建立用于模拟基于CFB锅炉的冷模试验台流场的计算模型，选用了标准k‑ε湍流流动模型模拟冷模试验台流场；对所述计算模型进行网格划分，得到对应的网格模型；设置所述网格模型的初始边界条件，初始边界条件包括物料的组分及物态、发料速率、流化风速；根据设置了初始边界条件后的网格模型，采用CPFD数值模拟算法模拟出三维流场；将三维流场与冷模试验台流场进行对比，若两者偏差大于预定值，则重复上述步骤。该三维流场模拟方法，采用先进的CPFD数值模拟算法模拟出基于冷模试验台的三维流场，为CFB锅炉的优化提供技术上的指导。

Description

基于CFB锅炉的三维流场模拟方法

技术领域

本发明涉及CFB锅炉模拟试验技术领域，特别涉及一种基于CFB锅炉的三维流场模拟方法。

背景技术

循环流化床(简称CFB)锅炉是近三十年来发展起来的一种新型洁净煤燃烧设备，具有污染物排放及控制成本低、燃料适应范围广、调峰能力强、燃烧效率高等优点，特别是对于劣质煤的燃烧，具有很好的节能和环保效能。循环流化床燃烧技术是洁净煤技术中最具商业化潜力、污染排放控制成本最低的技术，同时由于煤种适应性强，也是消纳煤炭生产带来的大量煤矸石的最有效手段，因此得到了广泛的使用。为了实现循环流化床锅炉的优化，必须对循环流化床锅炉内的流场进行研究，因而设计出一套方便流场研究的试验装置尤为必要。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于CFB锅炉的冷模试验台，能模拟出CFB锅炉的流场，便于流场研究的进行。

其技术方案如下：

一种基于CFB锅炉的冷模试验台，包括测试箱体、发料装置、分离装置、返料装置、鼓风机、引风机，所述测试箱体包括依次连通的进风室、密相区室、稀相区室、出口室，所述发料装置与密相区室连通，且通过调节发料装置能改变发料速率，所述分离装置的进气口与出口室连通，所述分离装置的回流口与返料装置的入口连通，所述分离装置的排出口与引风机连接，所述返料装置的出口与密相区室连通，所述鼓风机与进风室连接，且通过调节鼓风机能改变流化风速。

在其中一个实施例中，所述密相区室、稀相区室的侧壁采用透明或半透明材料制成。

在其中一个实施例中，所述密相区室、稀相区室的侧壁采用有机玻璃制成。

在其中一个实施例中，所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括若干玻璃微珠，玻璃微珠的密度为2.4-2.6g/cm³，玻璃微珠的直径小于8mm。

在其中一个实施例中，所述分离装置为旋风式分离器。

在其中一个实施例中，所述返料装置为U型返料器。

在其中一个实施例中，所述进风室与密相区室、密相区室与稀相区室、稀相区室与出口室之间通过法兰可拆卸连接。

在其中一个实施例中，所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括支撑结构架，所述测试箱体竖直安装在支撑结构架上。

在其中一个实施例中，所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括控制装置，所述控制装置分别与发料装置、返料装置、鼓风机、引风机电性连接。

本发明还提供一种基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，能模拟出基于冷模试验台的三维流场，得到颗粒的动态化流动过程。该方法包括以下步骤：

建立用于模拟冷模试验台流场的计算模型；

对所述计算模型进行网格划分，得到对应的网格模型；

设置所述网格模型的初始边界条件；

根据设置了初始边界条件后的网格模型，采用CPFD数值模拟算法模拟出三维流场；

将三维流场与冷模试验台流场进行对比，若两者偏差大于预定值，则重复上述步骤。

下面对前述技术方案的优点或原理进行说明：

上述基于CFB锅炉的冷模试验台，物料经过发料装置送入密相区室中，鼓风机朝进风室中送风，物料流化后被空气夹带在测试箱体中向上运动到达稀相区室和出口室，在测试箱体的不同高度，部分大颗粒将沿着测试箱体内壁滑落，形成物料的内循环；较小的颗粒随空气进入分离装置中进行分离，绝大部分的大颗粒被分离下来，由返料装置再次回到密相区中，形成物料的外循环；而未流化的大颗粒沉积在测试箱体的底部成为床料等待流化，发料速度和流化风速能够调节，能够很好地模拟出CFB锅炉的流场，为开展流场研究提供便利。

上述基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，采用先进的CPFD数值模拟算法模拟出基于冷模试验台的三维流场，得出三维流场后与冷模试验台的实际流场进行直接的对比验证，保证模拟结果的准确性，为CFB锅炉的优化提供技术上的指导。

附图说明

图1为本发明实施例所述的基于CFB锅炉的冷模试验台的结构示意图。

附图标记说明：

1、测试箱体，2、发料装置，3、分离装置，4、返料装置，5、支撑结构架，10、进风室，11、密相区室，12、稀相区室，13、出口室，30、进气口，31、回流口，32、排出口。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1所示，本实施例所述的基于CFB锅炉的冷模试验台，包括测试箱体1、发料装置2、分离装置3、返料装置4、鼓风机(未画出)、引风机(未画出)，所述测试箱体1包括依次连通的进风室10、密相区室11、稀相区室12、出口室13，所述发料装置2与密相区室11连通，且通过调节发料装置2能改变发料速率，所述分离装置3的进气口30与出口室13连通，所述分离装置3的回流口31与返料装置4的入口连通，所述分离装置3的排出口32与引风机连接，所述返料装置4的出口与密相区室11连通，所述鼓风机与进风室10连接，且通过调节鼓风机能改变流化风速。上述基于CFB锅炉的冷模试验台，物料经过发料装置2送入密相区室11中，鼓风机朝进风室10中送风，物料流化后被空气夹带在测试箱体1中向上运动到达稀相区室12和出口室13，在测试箱体1的不同高度，部分大颗粒将沿着测试箱体1内壁滑落，形成物料的内循环；较小的颗粒随空气进入分离装置3中进行分离，绝大部分的大颗粒被分离下来，由返料装置4再次回到密相区中，形成物料的外循环；而未流化的大颗粒沉积在测试箱体1的底部成为床料等待流化，发料速度和流化风速能够调节，能够很好地模拟出CFB锅炉的流场，为开展流场研究提供便利。

在本实施例中，所述密相区室11、稀相区室12的侧壁采用透明或半透明材料制成，方便观察测试箱体1中的流场情况。优选的，所述密相区室11、稀相区室12的侧壁采用有机玻璃制成，侧壁之间采用三氯甲烷粘合，易于装配组合，牢固可靠。

本实施例所述的基于CFB锅炉的冷模试验台还包括若干玻璃微珠，玻璃微珠的密度为2.4-2.6g/cm³，玻璃微珠的直径小于8mm，以玻璃微珠模拟现场使用的物料，能保持整个装置的整洁度。当然，也可以使用细沙作为物料，不同类型的物料都应该在本发明的保护范围之内。所述进风室10与密相区室11、密相区室11与稀相区室12、稀相区室12与出口室13之间通过法兰可拆卸连接，拆装方便。法兰之间垫有橡胶密封垫片，保证不漏气。

如图1所示，所述分离装置3为旋风式分离器。分离装置3是循化流化床锅炉的关键设备之一，它的结构影响锅炉的布局及体积。本实施例采用的旋风式分离器结构简单，材质为有机玻璃，具有压降低和分离效率高的优点。所述返料装置4为U型返料器。返料器是循环流化床锅炉中的又一关键部件，它既是物料回送装置，又是阻气器，防止空气在返料器中逆向流动，保证床内正常循环。本试验台我们采用的返料器是U型返料器，它是一个小型流化床，通过风量调节使其保持鼓泡流化床状态，床内的颗粒物料悬浮起来，当悬浮至溢流口处时，依靠重力流向密相区室11，完成回料过程，在立管下端形成的料柱封闭了气体，使物料不能倒流回旋风式分离器。

在本实施例中，所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括支撑结构架5，所述测试箱体1竖直安装在支撑结构架5上，支撑结构架5由∠50×50×3角钢螺栓连接而成，支撑结构架5按GB 50017-2003《钢结构设计规范》进行设计，防震按8度设计。

所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括控制装置，所述控制装置分别与发料装置2、返料装置4、鼓风机、引风机电性连接。本实施例所述的控制装置采用PLC控制，并具有数据采集、存储等功能。

a)对发料、一次风及返料进行控制；

b)测试箱体1负压控制，维持测试箱体1负压在一定范围内；。

c)料层差压控制；

d)安全联锁保护。

安全联锁保护主要考虑因素：

启动顺序为：引风机→鼓风机→发料装置2。

停止顺序为：发料装置2→鼓风机→引风机。

如果鼓风机、引风机、发料装置2中的任何一台出现跳闸，均应联锁停止相应的电机。

表1冷模试验台设计计算汇总表

基于CFB锅炉的冷模试验台总高度为3220mm(地面以上)，占地面积1865mm×880mm，布置方式为室内布置。测试箱体1总高度2940mm，占地面积1200mm×610mm，采用分段拼接组合。

步骤1：建立用于模拟冷模试验台流场的计算模型；考虑到计算模型的可靠性，本实施例选用了标准k-ε湍流流动模型模拟冷模试验台流场；

步骤2：对所述计算模型进行网格划分，得到对应的网格模型；划分网格的形状与总网格数可以是多种多样的；

步骤3：设置所述网格模型的初始边界条件；初始边界条件具体包括物料的组分及物态、发料速率、流化风速；

步骤4：根据设置了初始边界条件后的网格模型，采用CPFD数值模拟算法模拟出三维流场；本发明在国际上首次提出采用CPFD数值模拟算法进行循环流化床锅炉数值模拟计算，为工业化循环流化床的优化提供了重要的技术手段；

步骤5：将三维流场与冷模试验台流场进行对比，若两者偏差大于预定值，则重复上述步骤，最后根据三维流场进行分析，根据分析结果对循环流化床锅炉进行改造。

本发明采用CPFD算法进行循环流化床锅炉流态化过程可视化研究，CPFD是基于Eulerian Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度，Eulerian Lagrangian模型可以模拟密集颗粒流附近的颗粒间应力，但若考虑到颗粒的类型和尺度分布，连续方程将异常复杂，因为需要对每一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法，它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度和速度等。尽管如此，对于颗粒体积分数较高的情况，颗粒间的碰撞频率极高，采用真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。

CPFD技术借鉴了MP-PIC(multiphase particle-in-cell)方法，对颗粒相进行了双重处理方法，即颗粒既被视为是连续介质，也被视为是离散体。将颗粒应力梯度(在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算)处理成流体网格上的梯度，然后插值到离散颗粒体上；而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子，这种算子计算速度高，且可以保证全局及局部的守恒。这样，CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖－网格上颗粒法相应力计算所需要的；更重要的是，颗粒相和流体相隐式的耦合起来，为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。

CPFD方法不同于经典计算流体力学之处，在于既详尽考虑了颗粒与流体的巨大差别，真实处理颗粒的运动特性，又避免了极耗时间的颗粒接触检索，采用成熟的颗粒动力学理论计算颗粒间作用。同时，CPFD方法创造性地提出了“计算颗粒”概念。所谓“计算颗粒”是在拉格朗日法基本的“流体微团”概念之上，拓展到颗粒相而形成的“颗粒微团”。在一个“计算颗粒”之中包含了多个真实颗粒，这些真实颗粒具有相同的物质属性、物理运动及化学变化。

CPFD方法的计算模式，是在欧拉体系和拉格朗日体系下进行不断的切换，这种切换不同于离散元法两个求解器的耦合。CPFD方法中，流体相与颗粒相均在同一个求解器中计算，利用独创的相间插值算子保证计算的稳定性与切换的守恒性。

因此，CPFD方法是一种“混合”数值方法，集欧拉双流体模型与拉格朗日离散模型的优点于一身，为工业级流态化问题的研究提供了全新的技术手段。

CPFD方法求解的是三维空间的流体相和颗粒相方程组。在CPFD方法中，采用了计算颗粒的概念，即用一个计算颗粒代表了很多具有相同颗粒属性的颗粒(颗粒大小，颗粒密度等)。计算颗粒的概念是颗粒流计算的一种近似，正如在流体相数值计算中，用控制容积上平均值代表了物理空间上所有流体质点的信息。采用了上述的计算颗粒的方法，能够数值模拟颗粒数规模达到上百万的数值颗粒。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立用于模拟基于CFB锅炉的冷模试验台流场的计算模型，选用了标准k-ε湍流流动模型模拟冷模试验台流场；

所述基于CFB锅炉的冷模试验台，包括测试箱体、发料装置、分离装置、返料装置、鼓风机、引风机及用于模拟现场使用物料的若干玻璃微珠，所述测试箱体包括依次连通的进风室、密相区室、稀相区室、出口室，所述发料装置与密相区室连通，且通过调节发料装置能改变发料速率，所述分离装置的进气口与出口室连通，所述分离装置的回流口与返料装置的入口连通，所述分离装置的排出口与引风机连接，所述返料装置的出口与密相区室连通，所述鼓风机与进风室连接，且通过调节鼓风机能改变流化风速，所述密相区室、稀相区室的侧壁采用透明或半透明材料制成，玻璃微珠的密度为2.4-2.6g/cm³，玻璃微珠的直径小于8mm，所述进风室与密相区室、密相区室与稀相区室、稀相区室与出口室之间通过法兰可拆卸连接，法兰之间垫有橡胶密封垫片，所述分离装置为旋风式分离器，所述返料装置为U型返料器；

对所述计算模型进行网格划分，得到对应的网格模型；

设置所述网格模型的初始边界条件，初始边界条件包括物料的组分及物态、发料速率、流化风速；

2.根据权利要求1所述的基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，其特征在于，所述密相区室、稀相区室的侧壁采用有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，其特征在于，所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括支撑结构架，所述测试箱体竖直安装在支撑结构架上。

4.根据权利要求1所述的基于CFB锅炉的三维流场模拟方法，其特征在于，所述基于CFB锅炉的冷模试验台还包括控制装置，所述控制装置分别与发料装置、返料装置、鼓风机、引风机电性连接。