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1、全国能源与热工 2008 学术年会 97 关于蓄热式连续加热炉炉压波动的探讨关于蓄热式连续加热炉炉压波动的探讨 谢国威1，2 蔡九菊1 孙文强1 王爱华1 李忠军3 （1.东北大学国家环境保护生态工业重点实验室 沈阳 110004 2.中钢集团鞍山热能研究院有限公司 鞍山 114004 3.新奥燃气技术研究发展有限公司 廊坊 065001） 摘摘 要：要： 蓄热式连续加热炉炉压波动频繁并且较大，在一定程度上影响其使用效果。结合工程实际运用能量守恒方程，建 立了蓄热式炉炉气流动模型。结合模型分析证实：受蓄热式炉结构上炉气进出口面积相等的影响，换向过程中炉气进出口 流量变化对炉压的影响是不等的，进
2、而产生炉压波动，同时炉压波动的大小同炉气流量变化正相关；结合管道系统性能调 节得出管道内风压变化同气体流量变化负相关，流量变化对炉压和风压影响规律相反，一定程度上实现炉压波动的自我调 节。 关键词：关键词： 蓄热式连续加热炉；炉压波动；流动模型；热负荷；炉压调节 Discussion on Pressure Fluctuation of Regenerative Continuous Heating Furnace XIE Guo- wei1，2 CAI Jiu- ju1 SUN Wen- qiang1 WANG Ai- hua1 LI Zhong- jun3 （1 SEPA Key Labo
3、ratory on Eco- industry ,Northeastern University, Shenyang 11004 2 Sinosteel Anshan Research Institute of Thermo- energy CO. LTD, Anshan 114004 3. XinAo Gas Technological Research and Development Co.Ltd, Langfang 065001） Abstract： Furnace pressure in the regenerative continuous heating furnace happe
4、ns frequently and is enormous, which to some extent influences the furnaces performance. Combined with the practice, the flue gas flow model was set up basing on energy balance equation. Results from models analysis show that: due to the equal size in inlet area and outlet area of the furnace, the i
5、nlet and exit gas flow changes during the switching course have different effects on the furnace pressure and consequently leads to the occurrence of furnace pressure fluctuation; the quantity of pressure fluctuation has a positive relevancy with the change of gas flow. Combined with the regulation
6、analysis of piping system, the conclusion can be reached that the change of wind pressure has a negative correlation with gas flow change, and the furnace pressure and wind pressure change have been affected in a opposite way, and the furnace pressure adjustment can be implemented automatically in a
7、 certain extent. Keywords： Regenerative continuous heating furnace; Pressure fluctuation; Flow model; Thermal load; Furnace pressure adjustment 连续式加热炉依据对烟气余热回收方式的不 同，可分为蓄热式连续加热炉（简称蓄热式炉， 下同）和换热式连续加热炉（简称换热式炉，下 同） 。二者在结构（几何形状、尺寸等）和热工操 作（燃料量及其分配、空气量及其分配、烟道阀 门开启度等）方面有所不同，导致加热炉内的热 工过程（传热、燃烧、气体运动）存在一定的区 别。
8、目前，对二者的研究多集中在数学模型的建 立1,2、排放特性3,4、流动特性5、燃烧特性6，7、 传热特性8以及热工过程对比9等方面，而针对工 程应用进行研究的并不多见。 同换热式炉相比，现有蓄热式炉亟待解决的 一个问题是炉膛炉压波动频繁且偏高。虽然加热 炉热工过程的核心问题是热能的交换，但是气体 的流动却是创造良好传热情况的重要条件。就加 热炉操作而言，调整和控制加热炉的气体流动和 炉内压力是重要的炉温控制手段之一。加热炉的 气体流动和炉内压力所能影响的不仅仅是对流传 热，更重要的是燃烧过程、温度分布和辐射传热。 基于此，本文拟结合蓄热式炉流动特点，建立相 工业炉窑热工 98 应的流动模型，对
9、蓄热式炉进行炉压波动的机理 研究。 1 炉气流动模型 实际上，蓄热式燃烧是由一对烧嘴和鼓风机、 引风机组成的一整套“供风燃烧排烟余热回 收引风”单元完成的。为研究方便，可将蓄热式 炉内的气体流动看作若干这样的单元经并联而成 的，如图1所示。本文依据工程实际选取蓄热式炉 加热单元上炉膛为研究对象，在简化条件下建立 炉气流动模型，见图2。 蓄热式炉炉气流动状况受到炉膛形状、烧嘴 角度、炉气温度、燃料和空气的混合、燃烧以及 炉体开口处吸风、逸气等各种因素的影响。为了 使模型求解简单，对沿炉宽方向的气体流动过程 作如下简化：不考虑多股平行射流之间的干涉； 忽略空、煤气混合引起的粘性耗散；气体进入炉 膛
10、瞬间充满炉膛且流动平稳等。 如图2所示，1面为空煤气喷口同炉膛的结合 面，2面为排烟口同炉膛的结合面，x面为炉膛任 一断面。结合能量守恒方程列出1- x， x- 2面间方 程，如下： 2222 11 11 11 1 222 xx xx xx QAQQ pph AAAA += + （1） 222 212 22 22 1 1 2222 x xx xx QQAQ pph AAAA += + （2） 式中， 12 , x ppp为 1 面、x 面、2 面的表压， Pa；为气体密度，kg/m3； 12 , x Q Q Q为 1 面、x 面、2 面的气体体积流量，m3/s； 12 , x A A A为 1
11、 面、 x 面、2 面的截面积，m2； 1x h为除 1 面处的突然 扩张外的 1 面到 x 面的所有阻力，Pa； 1 2 h为除 1 面、2 面处的突然扩张和突然收缩外的 1 面到 2 面 的所有阻力，Pa。 2 炉压波动的分析与讨论 令 1x AA=； 2x AA=。式（1） 、 （2） 经化简可得： 2 1 11 2 1- 2 xx x Q pph A = （） (3) 2 22 22 3125 2624 2 xx x Q pph A = + （）（4） 蓄热式炉换向过程中，随着换向阀的开关， 炉气进出口流量瞬间发生改变。此时对炉膛内阻 力影响不大，可忽略炉气流量对阻力的影响。基 于此分
12、别对式（3） 、 （4）的体积流量求偏导数得： 1 2 1x 2 1- A x PQ Q = （） （5） 图 2 炉气流动模型 x 21 Vx V2 V1 图 1 蓄热式连续加热炉模型 全国能源与热工 2008 学术年会 99 2 2 2 2x 3125 A2624 x PQ Q = （） （6） 对于蓄热式炉（1=）结合连续方程可 得： 21 0 xx PP QQ （7） 由式（7）知，蓄热式炉换向过程炉气进出口 流量的变化对炉膛压力 x P的影响是不等的， 2 Q 变化对 x P的影响大于 1 Q变化对其影响。受此影 响蓄热式炉换向时烧嘴进口和烟气出口之间实现 互换，由于炉气流量的变化在
13、一定程度上导致炉 膛压力波动。同时由式（7）知，炉膛内炉压变化 随流量 1 Q和 2 Q的增大而增加，随流量 1 Q和 2 Q的 减小而减小。 若 在 连 续 方 程 的 基 础 上 保 证 12xx pQpQ= ，只需使 () 2 3125 21 2624 = 令( )()21f=， ( ) 2 3125 2624 g = 由于 ( ) 2 f = ， ( )1 3 6 g = 则1，1时，有 ( )( ) 0 gf （8） 作( )f和( )g的函数曲线，如图3所示。 显然当1=时， ( )( )gf （9） 由图3结合式（8）和式（9）分析可知：与 相等时，( )( )gf；若函数值(
14、)f与 ( )g相同，则需，实际中蓄热式炉结构上 不 能 满 足 二 者 相 等 的 条 件 ， 所 以 若满 足 12xx pQpQ= ， 则 必 有， 即 12 AA。可见在炉气进、出流量相等的前提下， 若要保持炉压稳定，则应满足出口面积大于进口 面积。而蓄热式炉结构上导致炉气进、出口面积 相等，不能满足出口面积大于进口面积的要求， 因而蓄热式炉换向过程中炉膛内炉压存在一定的 波动。 由于烧嘴角度、换向方式、炉气流量进程增 加或减少、换向时间的影响，使得实际中炉压波 动同上述的简单情况有很大区别，但是上述分析 可以定性的反应蓄热式炉炉压波动情况，对工程 实际有一定参考价值。 3 炉压波动自
15、我调节的分析与讨论 蓄热式炉换向过程中换向阀经历“打开关闭 打开”的变化过程，在此期间管道内气体流量随 之变化，与之对应管道内压力变化。由于管道通 过烧嘴同加热炉炉膛相连，管道内压力的变化将 影响炉膛内炉压变化。它们之间的相互影响关系 有待于研究探讨。 蓄热式炉换向过程中，风机特性曲线不变， 但管道内气体流量的变化，使管道特性曲线变化， 与之对应，风机工作点变化到新的压力和流量。 二者之间的联系见图4所示。可见管道系统中换向 阀的开启度关小时，管道中流量减小，阻力增大， 管道特性曲线变陡，这种情况下，风机的特性曲 线虽然没发生改变，但整个管道系统的工作点左 图 3 ( )f 与 ()g 函数曲线 工业炉窑热工 100 移，管道内风压增加，即管道系统中风压变化随 管道中流量的减小而增加。由上节知炉膛内炉压 变化随炉膛内气体流量的增加而增加。可见管道 中风压变化同炉膛中炉压变化规律相反，当管道 同炉膛结合形成一个系统时，二者的压力变化将 相互削弱对方的影响，即蓄热式炉换向过程中部 分炉压波动可由管道风压变化抵消，其炉压波动 有自我调节的作用。 虽然管道系统可以缓解炉膛内流量的变化而
