660MW墻式切圓鍋爐燃燒器數(shù)值模擬優(yōu)化改造*

趙星海 馮 賀 張 靜

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.東方電氣(通遼)風(fēng)電工程技術(shù)有限公司)

660MW墻式切圓鍋爐燃燒器數(shù)值模擬優(yōu)化改造*

趙星海1馮 賀1張 靜2

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.東方電氣(通遼)風(fēng)電工程技術(shù)有限公司)

針對(duì)某電廠水冷壁結(jié)渣、動(dòng)力場(chǎng)不穩(wěn)及低負(fù)荷穩(wěn)燃能力差等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)百葉窗式煤粉濃縮器的性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，提出改進(jìn)措施。利用Fluent計(jì)算軟件，分析對(duì)比改造前后的空氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和煙氣中各組分物質(zhì)的量濃度的分布。結(jié)果表明：將擋板延長(zhǎng)至鈍體并與之結(jié)合，使?jié)?、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口，并通過(guò)將第一級(jí)葉片改為丘體型結(jié)構(gòu)，第二、三級(jí)葉片中間開(kāi)豎槽并適當(dāng)調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得較理想的煤粉濃縮效果，提高燃燒器的穩(wěn)燃性能。

墻式切圓鍋爐 燃燒器 濃淡燃燒 低負(fù)荷 穩(wěn)燃 數(shù)值模擬

鍋爐爐內(nèi)著火困難、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力差及水冷壁高溫腐蝕等問(wèn)題對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成嚴(yán)重威脅[1,2]。濃淡煤粉燃燒技術(shù)具有高效、穩(wěn)燃、防結(jié)渣、低污染和防水冷壁高溫腐蝕的優(yōu)點(diǎn)[3,4]，不僅可以降低著火熱，還可以加強(qiáng)著火供熱[5]，在燃燒器的設(shè)計(jì)改造中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]研究了葉片間距對(duì)五級(jí)葉片百葉窗濃縮器性能的影響，文獻(xiàn)[7]研究了百葉窗濃縮器葉片寬度與葉片布置形式變化時(shí)濃淡氣流分配的變化規(guī)律。雖然濃縮器的性能得到提高，但仍存在濃淡側(cè)分離效果差、葉片磨損嚴(yán)重及葉片后回流區(qū)較大等問(wèn)題。文獻(xiàn)[8，9]分別通過(guò)將第一級(jí)葉片改為丘體型結(jié)構(gòu)、第二、三級(jí)葉片中間開(kāi)豎槽和在濃縮器出口設(shè)置適當(dāng)長(zhǎng)度擋板的方法來(lái)減小或消除濃淡側(cè)分離效果差和磨損這一問(wèn)題，但由于葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)沒(méi)有加以改進(jìn)，百葉窗濃縮器的性能仍不理想。

筆者以某電廠一臺(tái)660MW墻式切圓煤粉燃燒鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)燃燒器改造前后的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到兩種工況下?tīng)t膛內(nèi)的空氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和煙氣中O2和CO物質(zhì)的量濃度的分布，并提出新的葉片結(jié)構(gòu)形式，為改造后燃燒器低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。

1 研究對(duì)象與改造方案

1.1研究對(duì)象

某電廠1#爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司自主研發(fā)的HG-2210/25.4-YM16型鍋爐，該鍋爐采用Π型布置，單爐膛，尾部雙煙道，全鋼架，懸吊結(jié)構(gòu)，爐膛尺寸為190823mm×190823mm(寬×深)，水冷壁下集箱標(biāo)高為7m，頂棚管標(biāo)高為75.5m。該鍋爐采用了水平濃淡燃燒器分級(jí)燃燒和拉開(kāi)式燃盡風(fēng)(SOFA)的低NOx技術(shù)。實(shí)際燃煤特性見(jiàn)表1。

該鍋爐燃燒器共3組，其中主燃燒器兩組布置于四面墻上，形成一個(gè)大的切圓。SOFA燃燒器布置于4個(gè)角上，SOFA燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為42°和48°，形成一個(gè)小的切圓。燃燒器共6層煤粉噴口，每層與一臺(tái)磨煤機(jī)相配。燃燒器布置如圖1所示。

圖1 鍋爐內(nèi)燃燒器與風(fēng)室噴嘴的布置

1.2改造方案

圖2為原百葉窗煤粉濃縮器簡(jiǎn)圖，圖3為改進(jìn)后百葉窗煤粉濃縮器簡(jiǎn)圖。鍋爐在燃用設(shè)計(jì)煤種或校核煤種時(shí)，能滿足負(fù)荷在不大于鍋爐的30%B-MCR(鍋爐連續(xù)最大蒸發(fā)量)時(shí)，不投油長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。但在電廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在低負(fù)荷風(fēng)量小、動(dòng)力場(chǎng)不穩(wěn)及在30%負(fù)荷下無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定燃燒等問(wèn)題。

圖2 原百葉窗煤粉濃縮器簡(jiǎn)圖

圖3 改進(jìn)后百葉窗煤粉濃縮器簡(jiǎn)圖

筆者提出改造方案為:將擋板延長(zhǎng)至鈍體并與之結(jié)合，使?jié)?、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口；將第一?jí)葉片改為丘體型結(jié)構(gòu)，第二、三級(jí)葉片中間開(kāi)豎槽并適當(dāng)調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)。因?yàn)殄仩t最低穩(wěn)燃負(fù)荷至少應(yīng)經(jīng)過(guò)4h，為提高鍋爐燃燒穩(wěn)定性，對(duì)兩組主燃燒器，即對(duì)A、B兩層一次風(fēng)進(jìn)行改造。

2 水平濃淡燃燒器數(shù)值模擬

采用Fluent軟件對(duì)改造后濃縮器的性能與流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬采用SIMPLE方法，氣相湍流模型采用RNGk-ε模型，氣固兩相模型選用顆粒隨機(jī)軌道模型。如圖4所示，模型采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，并對(duì)主燃燒器區(qū)進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約為35萬(wàn)個(gè)。大量使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有利于加快運(yùn)算速度和迭代收斂，通過(guò)對(duì)不同數(shù)量級(jí)的網(wǎng)格進(jìn)行模擬運(yùn)算和網(wǎng)格敏感無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn)，確定該網(wǎng)格符合計(jì)算精度要求。該模型入口條件采用速度入口，出口采用充分發(fā)展管流條件，壁面處采用無(wú)滑移條件，煤粉顆粒粒徑分布滿足Rosin-Rammler分布。

圖4 燃燒器網(wǎng)格劃分示意圖

圖5為數(shù)值模擬得到的原濃縮器中心平面上葉片附近的流場(chǎng)情況，模擬得到的燃燒器濃淡分離的濃淡比為2.33，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果一致。

圖5 原結(jié)構(gòu)葉片附近流場(chǎng)圖

從圖5可以看出，各級(jí)葉片后均存在明顯的回流區(qū)。首先，這將增加氣流在淡側(cè)流動(dòng)的阻力，增加濃淡側(cè)流量比，減少氣流向淡側(cè)流動(dòng)的有效流通面積。其次，這將對(duì)濃淡側(cè)流量分配和煤粉的輸運(yùn)產(chǎn)生不利影響，易使煤粉在回流區(qū)中沉積，尤其在第一級(jí)葉片后的回流區(qū)中，易導(dǎo)致淡側(cè)堵粉事故的發(fā)生。

從圖6可以看出，改進(jìn)后的煤粉濃縮器結(jié)構(gòu)形式可有效消除或減少原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的回流區(qū)，燃燒器濃淡分離的濃淡比由2.33提高到2.43，使?jié)鈧?cè)煤粉濃度提高到該煤種的最佳煤粉濃度區(qū)域。

圖6 改進(jìn)葉片結(jié)構(gòu)附近流場(chǎng)圖

3 鍋爐爐膛數(shù)值模擬

3.1網(wǎng)格劃分

爐膛模型與網(wǎng)格構(gòu)造采用Gambit完成，將灰斗至鍋爐水平煙道作為網(wǎng)格劃分對(duì)象，分為灰斗、主燃燒區(qū)、SOFA風(fēng)區(qū)、SOFA風(fēng)區(qū)至水平煙道4個(gè)主要計(jì)算域。為了計(jì)算準(zhǔn)確，采用Gambit軟件，用Paving方法對(duì)爐膛橫截面進(jìn)行劃分，體網(wǎng)格用Cooper方法沿著爐膛高度方向鋪展生成六面體網(wǎng)格，使網(wǎng)格能夠與流體流動(dòng)方向垂直，網(wǎng)格的質(zhì)量提高[10]，總計(jì)網(wǎng)格115萬(wàn)個(gè)。合理的網(wǎng)格構(gòu)成和分布有利于提高計(jì)算的速度和精度，增強(qiáng)計(jì)算的收斂性。通過(guò)對(duì)不同數(shù)量級(jí)的網(wǎng)格進(jìn)行模擬運(yùn)算和網(wǎng)格敏感無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn)，確定該網(wǎng)格符合計(jì)算精度要求。圖7為整個(gè)爐膛的網(wǎng)格劃分示意圖。

3.2數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，SIMPLE算法。煤粉的燃燒采用非預(yù)混燃燒模型、氣相湍流的輸送采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、煤粉顆粒的跟蹤采用隨機(jī)軌道模型、煤粉揮發(fā)分的釋放采用兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型、氣相湍流的燃燒采用混合分?jǐn)?shù)/PDF模型[11]、焦炭的燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型、輻射傳熱采用P-1輻射模型。

圖7 爐膛網(wǎng)格劃分示意圖

3.3模擬結(jié)果與分析

表2給出了30%負(fù)荷下，改造前燃燒的運(yùn)行參數(shù)和改造后的調(diào)整參數(shù)。

表2 模擬工況參數(shù)

圖8為燃燒器改造前B層一次風(fēng)截面速度云圖和速度矢量圖,可以看出，爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)分布不均，一次風(fēng)射流剛性不強(qiáng)，從而導(dǎo)致火焰偏斜，這正是電廠在30%B-MCR負(fù)荷下無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定燃燒的問(wèn)題所在。

a. 速度云圖

b. 速度矢量圖

圖9為燃燒器改造后B層一次風(fēng)截面速度云圖和速度矢量圖，可以看出，水冷壁周?chē)俣冉档?，避免了火焰貼墻現(xiàn)象，極大地減小了水冷壁結(jié)渣的可能性。由于改造后的燃燒器濃側(cè)煤粉濃度和速度增大，因此增強(qiáng)了向火側(cè)氣流剛性，減弱了一次風(fēng)射流偏斜，形成了較好的切圓，為低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒提供條件。

a. 速度云圖

b. 速度矢量圖

圖10為沿爐膛寬度方向的中心截面溫度云圖，可以看出，由于改造前低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)量小，向火側(cè)煤粉氣流濃度低，剛性不強(qiáng)，著火困難，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度低，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒。改造后，由于“三高區(qū)”[12]較高的氧氣濃度和煤粉濃度使煤粉燃燒速率提高，著火提前，加劇了煤粉氣流的燃燒強(qiáng)度和燃盡率，爐內(nèi)溫度升高。同時(shí),二次風(fēng)速的減小延長(zhǎng)了煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，促進(jìn)了煤粉的完全燃燒，降低了機(jī)械不完全燃燒損失。

a. 改造前 b. 改造后

圖11、12分別為燃燒器改造前后爐膛高度方向各截面平均O2和CO摩爾濃度的變化曲線，可以看出，改造前爐內(nèi)O2的摩爾濃度整體偏低，而且在頂層燃燒器附近劇烈下降。CO的摩爾濃度整體偏高，在頂層燃燒器附近以較高的摩爾濃度趨于平緩。這說(shuō)明：在燃燒器改造前由于濃側(cè)氧氣濃度低，煤粉氣流燃燒緩慢，且火焰行程短，燃燒不充分，從而導(dǎo)致鍋爐無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷不投油情況下穩(wěn)定燃燒甚至滅火。

圖11 爐膛高度方向各截面平均O2摩爾濃度變化曲線

由于鍋爐在較低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，爐內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)較高，這就使得爐內(nèi)的O2摩爾濃度較高。改造后的燃燒器濃側(cè)氧氣濃度提高，正滿足低負(fù)荷下運(yùn)行爐內(nèi)O2濃度高這一要求。從改造后O2和CO摩爾濃度的變化曲線可以看出，在爐膛底層區(qū)域，O2和CO的摩爾濃度均隨著爐膛高度的增加而增加，伴隨燃燒器區(qū)域煤粉氣流開(kāi)始著火燃燒生成CO，消耗一定量O2，O2濃度有所下降，CO繼續(xù)被加熱氧化生成CO2，所以在燃燒器中間區(qū)域O2和CO濃度均降低。由于二次風(fēng)的及時(shí)補(bǔ)充，O2濃度在頂層燃燒器附近開(kāi)始升高，CO的生成量也增加，沿著爐膛高度的方向，CO又被氧化成CO2，O2和CO濃度相應(yīng)降低，最后在折焰角處基本燃燒完全。因此，改造后鍋爐隨著O2濃度的增大，煤粉氣流燃燒速度加快，燃燒更充分，改善了燃燒器的穩(wěn)燃性能。

4 結(jié)論

4.1通過(guò)將第一級(jí)葉片改為丘體結(jié)構(gòu)和第二、三級(jí)葉片開(kāi)縫，并適當(dāng)調(diào)整葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使?jié)鈧?cè)煤粉濃度提高到最佳煤粉濃度區(qū)域內(nèi)，有效減小或消除了葉片后的回流區(qū)。

4.2將擋板延長(zhǎng)至鈍體并與之結(jié)合，使?jié)狻⒌嗝悍蹥饬饕恢北３值饺紵鞒隹?，避免了濃淡兩股氣流的過(guò)早混合，使這兩段氣流在鈍體形成的高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)內(nèi)充分混合，為煤粉著火提供了熱源，同時(shí)為低負(fù)荷穩(wěn)燃提供了保證。

4.3濃側(cè)O2濃度與速度的增加降低了煤粉氣流的著火溫度，使著火提前，形成局部高溫區(qū)。同時(shí)二次風(fēng)速的減小延長(zhǎng)了煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，促進(jìn)了煤粉的完全燃燒，為進(jìn)一步降低機(jī)組最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷提供可能。

4.4改造后，一次風(fēng)射流剛性增強(qiáng)，切圓較為完整，使?fàn)t膛內(nèi)火焰充滿度較好，速度分布均勻，避免了火焰貼墻現(xiàn)象引起的水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕，同時(shí)又保證了燃燒的穩(wěn)定性。

[1] 張萬(wàn)良．75t/h燃油鍋爐水冷壁管爆管事故分析[J]．化工機(jī)械，2005，32(2)：110～112．

[2] 王政偉，呂宏偉，張光斌．富氧燃燒技術(shù)及其節(jié)能環(huán)保特性分析[J]．化工機(jī)械，2011，38(3)：260～263．

[3] 盧紅書(shū)．300MW鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)改造效果分析[J]．電力科技與環(huán)保，2015，31(3)：28～31．

[4] 羅燁兵．濃淡燃燒技術(shù)在直流燃燒鍋爐中的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，(6)：12～13．

[5] Nettleton M A．The Influence of Swirl Angles on Flame Stability in Pilot-Scale Plant [J]．Fuel，2004，83(2)：253～256．

[6] 王志強(qiáng)，孫紹增，竇禮亮，等．葉片間距對(duì)五級(jí)葉片百葉窗煤粉濃縮器性能的影響[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(14)：27～31．

[7] 朱群益，徐硯，姜文龍，等．百葉窗水平濃淡煤粉燃燒器濃淡氣流分配的試驗(yàn)研究[J]．動(dòng)力工程，2004，24(2)：183～185．

[8] 劉泰生，葉恩清，陳燦，等．百葉窗式水平濃淡燃燒器葉片結(jié)構(gòu)改進(jìn)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(6)：213～216．

[9] 管曉艷，孫紹增，郝偉．百葉窗煤粉濃縮器內(nèi)流場(chǎng)顯示的實(shí)驗(yàn)研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(29)：57～62．

[10] 范志鵬．260t/h四角切圓鍋爐爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[D]．北京：中國(guó)石油大學(xué)，2008．

[11] 周立行．湍流兩相流動(dòng)與燃燒的數(shù)值模擬[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1991．

[12] 閻順林，陳華剛，董標(biāo)，等．劣質(zhì)煤穩(wěn)定燃燒的“三高一強(qiáng)”原則分析[J]．鍋爐技術(shù)，2012，43(5)：46～49．

NumericalSimulationOptimizationandModificationof660MWWallTangentialBoilerBurner

ZHAO Xing-hai1, FENG He1, ZHANG Jing2
(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.DongfangElectric(Tongliao)WindPowerEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Tongliao028000,China)

Considering matters like the slagged water wall, unstable aerodynamic field and the low-load poor combustion and through testing and optimizing louver concentrator’s performance parameters, the measures of improving louver concentrator were proposed. Having the distribution of aerodynamic field, temperature field and the mass concentration of various gas components before and after modification analyzed and compared with Fluent calculation software show that, extending the division plate to the blunt body for combination can keep light-phase pulverized coal flowing to the boiler burner’s exit; through replacing the first-order vane with dome-shape structure and having both second-order and the third-order vanes’ center notched as well as appropriately adjusting the vane’s structure parameter, the ideal coal powder concentration effect can be reached to improve the stable combustion.

wall tangential boiler, burner, rich-lean combustion, low-load, stable combustion, numerical simulation

* 吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2013109)。

** 趙星海，男，1977年11月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ038

A

0254-6094(2016)02-0218-06

2015-06-29，

2015-09-08)