鄧念念,周 臻,肖 祥,黃歆雅
(長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,長沙410004)
近幾年,不同類型鍋爐的燃燒技術(shù)都得到了顯著提高,而旋流對沖燃煤鍋爐則是其中的一個典型代表,并被國內(nèi)多家電廠開始選用.隨著技術(shù)的不斷完善,旋流對沖燃煤鍋爐將會得到進(jìn)一步推廣[1],但是在實際運行中仍然存在諸多問題[2],如燃燒器冷卻風(fēng)的控制、火焰貼墻、結(jié)渣和高溫腐蝕[3]等問題.隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為研究爐內(nèi)燃燒過程的一種常用手段,它可以清楚地反映負(fù)荷和煤質(zhì)變化對整個爐內(nèi)燃燒過程的影響[4-7],并且具有很高的準(zhǔn)確性.
所模擬的對象為湖南某電廠的一臺660 MW旋流對沖燃煤鍋爐,采用一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、全懸吊結(jié)構(gòu).在鍋爐爐膛的前后墻上布置燃燒器,并采用對沖燃燒和旋流式燃燒相結(jié)合的燃燒系統(tǒng).圖1為燃燒器與磨煤機(jī)之間的匹配示意圖,其中字母A、B、C、D、E 和F 代表磨煤機(jī),1、2、3和4代表對應(yīng)于磨煤機(jī)四周的燃燒器.
圖1 燃燒器與磨煤機(jī)之間的匹配示意圖Fig.1 Matching diagram of burner with mill
采用Fluent前處理軟件Gambit對鍋爐爐膛進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中模擬比例為1∶1[8].由于實際鍋爐本體較大,劃分網(wǎng)格比較麻煩,考慮到該爐型結(jié)構(gòu)左右對稱,因此取爐膛的一半進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9].最終劃分的網(wǎng)格(見圖2)總數(shù)為42萬.
爐內(nèi)煤粉燃燒過程的模擬采用RNGk-ε模型、非預(yù)混燃燒模型和簡化PDF模型,爐內(nèi)輻射換熱計算采用P-1輻射模型,焦炭顆粒的表面燃燒反應(yīng)采用動力/擴(kuò)散模型等.
圖2 爐膛網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid division of the furnace
圖3 給出了不同負(fù)荷下爐內(nèi)距右墻x=7 880.8mm 截面處的溫度分布.由圖3可以看出,爐內(nèi)溫度場大致呈對稱分布,且溫度分布合理.其中從鍋爐下部的冷灰斗到第3層燃燒器附近,溫度隨著爐膛高度的升高先逐漸升高后逐漸降低.由圖3還可以看出,隨著鍋爐負(fù)荷的降低,整個爐膛的溫度也隨之下降.
圖3 不同負(fù)荷下x=7 880.8mm 截面處的溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the section x=7 880.8mm at different loads
圖4給出了不同負(fù)荷下爐內(nèi)壁面溫度與煤灰變形溫度(TD)和軟化溫度(TS)的比較.圖5給出了不同負(fù)荷下不同爐膛高度截面的平均溫度.由圖4和圖5可以看出,在100%負(fù)荷下,爐膛左右墻13~33 m 高度截面的壁面溫度高于煤灰變形溫度,由此得知該區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)渣情況,在該區(qū)域的19~24 m高度截面,爐膛壁面的實際溫度高于煤灰軟化溫度,因此該區(qū)域結(jié)渣的可能性增加,出現(xiàn)結(jié)渣的概率最大.另外根據(jù)沿著爐膛高度方向的觀察,爐膛前后墻壁面的實際溫度均低于煤灰變形溫度,所以該區(qū)域一般不會出現(xiàn)結(jié)渣情況.同理,在75%負(fù)荷下最易出現(xiàn)結(jié)渣的區(qū)域為21~23m 高度截面;在50%負(fù)荷下爐內(nèi)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象的可能性較低.綜上所述可知,爐膛的整體溫度隨著鍋爐負(fù)荷的降低而降低,爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積隨之減小.
圖4 不同負(fù)荷下爐內(nèi)壁面溫度與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較Fig.4 Comparison between inner wall temperature and coal ash deformation/softening temperature at different loads
圖5 不同負(fù)荷下不同爐膛高度截面的平均溫度Fig.5 Average temperature in sections at different furnace heights and different loads
圖6給出了煤粉細(xì)度(D)分別為16μm 和10 μm 時爐內(nèi)x=7 880.8mm 截面處的溫度分布.圖7給出了不同煤粉細(xì)度下不同爐膛高度截面的平均溫度.將圖6和圖7與圖3和圖4對比,可以看出其相同之處是爐內(nèi)的溫度分布比較均勻且溫度場大致呈對稱分布,不同之處是圖6和圖7中爐膛整體溫度略有提高.由圖6和圖7還可以看出,當(dāng)煤粉細(xì)度為10μm 時,爐膛上部的溫度比煤粉細(xì)度為16μm 時有所升高,且燃燒區(qū)變長,這是因為煤粉細(xì)度減小,在相同的體積內(nèi)會有更多的煤粉顆粒與氧氣接觸,使得煤粉著火加快并充分燃燒,提高了鍋爐燃燒效率,爐內(nèi)平均溫度升高,所以爐膛整體溫度會隨著煤粉細(xì)度的減小而升高.
圖6 不同煤粉細(xì)度下x=7 880.8mm 截面處的溫度分布Fig.6 Temperature distribution in the section x=7 880.8mm for different particle size of pulverized coal
圖8給出了不同煤粉細(xì)度下爐內(nèi)壁面溫度的分布與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較.由圖8可以看出,當(dāng)燃燒煤粉細(xì)度為10μm 的設(shè)計煤種時,左右墻15~35m高度截面的壁面實際溫度高于煤灰變形溫度,由此得知該區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)渣情況,再結(jié)合中間氣流沖刷側(cè)墻的速度場分析,可知該區(qū)域結(jié)渣的可能性增加,在該區(qū)域的23~28m高度截面,爐膛壁面的實際溫度高于煤灰軟化溫度,因此該區(qū)域結(jié)渣的可能性增加.另外根據(jù)沿著爐膛高度方向的觀察,爐膛前后墻壁面的實際溫度均低于煤灰變形溫度,所以該區(qū)域一般不易結(jié)渣.綜上所述可知,爐膛的整體溫度隨著煤粉細(xì)度的減小而升高,爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積則隨之增大.
圖7 不同煤粉細(xì)度下不同爐膛高度截面的平均溫度Fig.7 Average temperatue in sections at different furnace heights for different particle size of pulverized coal
圖8 不同煤粉細(xì)度下爐內(nèi)壁面溫度與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較Fig.8 Comparison between inner wall temperature and coal ash deformation/softening temperature for different particle size of pulverized coal
在整個爐膛上部,特別是在燃盡區(qū),由于大部分氧氣被消耗,該區(qū)域具有還原性氣氛,煤灰的變形溫度和軟化溫度均有所降低,但是由圖8可知,該區(qū)域壁面的實際溫度較低,所以結(jié)渣的可能性很小.
為了更好地檢驗?zāi)M的準(zhǔn)確性,選取爐內(nèi)10個具有代表性的測點,然后利用電廠的檢測軟件讀取溫度,并與數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果見表1.
表1 爐內(nèi)溫度計算值與實測值的比較Tab.1 Comparison of in-furnace temperture between calculated results and actual measurements
在整個數(shù)值模擬過程中,由于模型某些條件(如邊界溫度等)與鍋爐實際運行工況有所差別,因此不可避免地會出現(xiàn)一定誤差.由表1可知,數(shù)值模擬計算結(jié)果非常接近實測值,兩者的相對誤差控制在允許誤差5%以內(nèi),所以能夠應(yīng)用于實際工程中.
(1)該660MW 旋流對沖燃煤鍋爐的爐膛溫度總體上分布比較合理且呈對稱分布,在第3層燃燒器附近區(qū)域出現(xiàn)最高溫度點,之后爐膛溫度隨高度的升高而逐漸降低.其中側(cè)墻溫度高于前后墻溫度,為最容易出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域,符合實際運行工況.
(2)爐膛的整體溫度隨著鍋爐負(fù)荷的降低而降低,爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積隨之減小.爐膛的整體溫度隨著煤粉細(xì)度的減小而升高,爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積隨之增大.
[1]熊蔚立,黃偉,彭敏.超臨界鍋爐技術(shù)特點及發(fā)展方向[J].湖南電力,2008,28(4):58-62.
XIONG Weili,HUANG Wei,PENG Min.Technology characteristics and development direction of su-percritical boiler[J].Hunan Electric Power,2008,28(4):58-62.
[2]王麗英.大型鍋爐墻置對沖燃燒技術(shù)[J].華東電力,2002,30(9):33-35.
WANG Liying.Wall-mouted opposite tangential firing technology for large boiler[J].East China Electric Power,2002,30(9):33-35.
[3]張基標(biāo).超超臨界對沖燃燒鍋爐高溫腐蝕研究[J].浙江電力,2011,30(4):4-6.
ZHANG Jibiao.Research on high-temperature corrosion of ultra-supercritical opposed firing boiler[J].Zhejiang Electric Power,2011,30(4):4-6.
[4]劉泰生,周武,葉恩清.燃盡風(fēng)對爐內(nèi)流動和燃燒過程影響的數(shù)值模擬[J].動力工程,2006,26(1):116-120.
LIU Taisheng,ZHOU Wu,YE Enqing.Numerical simulation of the effect of over-fired air on flow and combustion in furnaces[J].Journal of Power Engineering,2006,26(1):116-120.
[5]李芳芹,魏敦崧,馬京程,等.燃煤鍋爐空氣分級燃燒降低NO 排放的數(shù)值模擬[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2004,32(5):537-541.
LI Fangqin,WEI Dunsong,MA Jingcheng,etal.Numerical simulation of low-NOxemission in a coalfired boiler utility boiler with staged-air combustion[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2004,32(5):537-541.
[6]周武,莊正寧,劉泰生,等.切向燃燒鍋爐爐膛結(jié)渣問題的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2005,25(4):131-135.
ZHOU Wu,ZHUANG Zhengning,LIU Taisheng,et al.Study on slagging problem in the furnace of a tangential fired boiler[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(4):131-135.
[7]李德波,宋景慧,徐齊勝,等.660 MW 超臨界旋流對沖燃煤鍋爐NOx分布數(shù)值模擬[J].動力工程學(xué)報,2013,33(12):913-919.
LI Debo,SONG Jinghui,XU Qisheng,etal.Numerical simulation on NOxdistribution in a 660 MW ultra supercritical opposed firing boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2013,33(12):913-919.
[8]王蕾.600 MW 對沖燃煤鍋爐降低NOx排放的數(shù)值模擬[D].北京:北京交通大學(xué),2008.
[9]錢力庚.330 MW 電站對沖鍋爐爐內(nèi)過程數(shù)值模擬和實驗研究及四角鍋爐變負(fù)荷研究及爐內(nèi)過程通用程序的設(shè)計與研究[D].杭州:浙江大學(xué),2000.