1 000 MW塔式鍋爐爐內燃燒特性的數值模擬

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(1.上海電力學院,上海 200090; 2.華能(上海)電力檢修有限責任公司,上海 200942)

隨著新建燃煤電站技術標準的提高,低煤耗、高參數、大容量的超超臨界機組必將是我國火力發(fā)電的發(fā)展趨勢[1]。由于燃燒條件的影響,燃煤鍋爐在實際運行中存在灰渣接觸受熱面之前無法凝固而結渣的現象,隨著機組的長期運行,結渣量逐漸增多,不僅影響鍋爐運行的經濟性,而且極大地危害鍋爐運行的安全[2]。潘維等人[3]對一臺200 MW的四角切圓燃燒鍋爐爐內流動、燃燒進行了模擬,發(fā)現溫度和組分的分布有很大的關系。王秋紅等人[4]通過數值模擬研究了負荷變化對爐內溫度場和組分分布的影響,發(fā)現負荷降低,當爐內溫度水平降低到30%熱耗率驗收工況(Turbine Heat Acceptance,THA)時需要噴油助燃。因此,對鍋爐內的流動和燃燒特性進行數值模擬,可以直觀地了解鍋爐的運行狀況,為相關的設計運行改造提供參考。其具有重要的實際應用價值。

利用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件對鍋爐進行建模研究,可以獲得大量的優(yōu)化鍋爐性能、提高煤粉燃燒特性的信息,是一種極具成本效益的研究方式[5-6]。本文利用FLUENT軟件,以一臺1 000 MW塔式鍋爐為研究對象,對鍋爐內的燃燒過程進行了數值模擬。

1 研究對象

以某臺1 000 MW超超臨界塔式鍋爐為模擬對象,其爐膛深度和寬度均為21.48 m,爐頂管中心標高為119.3 m。采用單爐膛塔式布置,中速磨煤機正壓一次風直吹式制粉系統(tǒng),四角切圓燃燒方式,擺動式燃燒器。鍋爐配置6臺中速磨煤機,其中5臺運行,1臺備用。鍋爐燃用神府東勝煤,煤質特性見表1。

煤粉燃燒方式采用同軸燃燒系統(tǒng),爐膛中心形成順時針切圓,偏置二次風包圍在外側形成大切圓。共設有3組燃燒器,每組燃燒器又包括2層燃燒器,共6層,從下至上分別記為A,B,C,D,E,F,滿負荷運行時開上5層燃燒器,每層燃燒器有2個一次風噴嘴、1個燃油輔助風噴嘴、1個端部二次風噴嘴、1個組合噴嘴,其中偏置二次風和直吹二次風各占組合噴嘴通流面積的50%,二次風和一次風間隔布置,在上層燃燒器頂部布置有2層緊湊燃盡風和6層分離燃盡風。

表1 燃煤特性

鍋爐爐膛結構、燃燒器布置和鍋爐橫截面如圖1所示。

圖1 爐膛結構、燃燒器布置和鍋爐橫截面示意

2 數學模型與計算方法

2.1 網格劃分

利用GAMBIT軟件對計算區(qū)域進行建模和網格劃分。由于燃燒器區(qū)域流動燃燒劇烈,因此需對該區(qū)域網格進行加密處理。爐膛橫截面采用Map方法生成四邊形結構化網格,沿高度方向用Cooper方法生成六面體網格,網格線與射流軌跡基本平行,以降低數值模擬的偽擴散。經過網格無關性驗證,最終確定網格總數為1.79×106個。計算區(qū)域及燃燒器橫截面網格劃分如圖2所示。

圖2 爐膛和燃燒器截面網格示意

2.2 模型選取

煤粉的燃燒過程包括煤粉揮發(fā)分析出、焦炭燃燒、輻射換熱,爐內又涉及復雜的氣相流動、湍流燃燒等過程。本文在氣相湍流流動計算中采用Realizableκ-ε雙方程模型,氣相湍流燃燒采用混合分數/概率密度函數模型,煤粉顆粒相的求解采用隨機軌道模型,煤粉揮發(fā)分的析出采用雙競爭反應熱解模型,焦炭的燃燒采用擴散/動力模型[7],輻射傳熱采用P1模型[8]。

2.3 計算條件

采用Simple算法進行三維穩(wěn)態(tài)計算[9],壓力離散方程采用PRESTO!格式。采用該格式可以有效防止偽擴散,其他項離散格式均為二階迎風。爐膛壁面設置為無滑移邊界條件,壁面輻射率設置為0.8。一次風與爐墻夾角為51°。數值計算邊界條件如表2所示。

表2 數值計算邊界條件

3 計算結果及分析

圖3為一次風噴口中心截面速度矢量圖,顏色越深,射流的流速越快。

圖3 一次風噴口中心截面速度矢量示意

由圖3可以看出,一次風自噴口噴出后在爐膛內形成明顯的順時針四角切圓射流,切圓位于爐膛中心,射流剛性較好;在射流末端由于剛性減弱,加之受到來自上游射流的沖擊,一次風射流略微發(fā)生偏斜,但是射流離水冷壁的距離仍較遠,沒有出現射流偏斜引起沖刷水冷壁的現象。

圖4為100%負荷下爐膛中心截面的溫度場分布圖。由圖4可以看出,燃燒器中上部區(qū)域高溫區(qū)面積較大,爐膛內溫度分布均勻,呈左右對稱分布,爐內高溫區(qū)溫度在1 850 K左右;隨著高度的增加,燃燒器區(qū)域高溫區(qū)的面積逐漸增加,而燃盡風的加入使高溫區(qū)面積減小,在燃盡風及以上的區(qū)域,溫度分布呈蠟燭火焰狀。

圖4 爐膛中心截面的溫度場分布示意

圖5為最上層一次風中心截面溫度場分布圖。由圖5可以看出,沿射流方向,水冷壁附近溫度逐漸升高,水冷壁面溫度較高處主要集中在沿射流方向的下游水冷壁處。這是因為煤粉射流以較高速度射入爐膛中,抽吸周圍氣體,在射流兩側形成相對低壓區(qū),而來自鄰角的煤粉氣流沖壓該射流,并補充到該射流靠近水冷壁附近的低壓處,形成一個高溫區(qū)。水冷壁下游高溫區(qū)的溫度在1 500～1 600 K,因此在實際運行中應注意該區(qū)域的結渣和高溫腐蝕現象。

圖5 標高41 240 mm處一次風噴口中心截面溫度場分布示意

圖6為最上層一次風中心截面O2濃度分布圖。由圖6可以看出,O2在水冷壁四周呈環(huán)形分布,在水冷壁上游區(qū)域形成氧化性氣氛(氧化性氣氛可以保護水冷壁,防止因燃煤灰熔點降低導致結渣)。沿射流方向,水冷壁面附近O2濃度由噴口處的20%逐漸減小,到下游水冷壁面時O2濃度達到最低,在該處的O2濃度小于2%。當壁面附近O2濃度小于2%時容易發(fā)生結渣和高溫腐蝕[10],因此下游水冷壁面處為易發(fā)生結渣和高溫腐蝕的區(qū)域。

圖6 標高41 240 mm處一次風噴口中心截面O2濃度分布示意

4 結 論

(1) 高溫區(qū)主要集中在燃燒器中上部區(qū)域,在燃燒器區(qū)域,隨著高度的增加,高溫區(qū)面積逐漸增加,燃盡風的加入使高溫區(qū)面積有所減小。

(2) 水冷壁溫度較高處主要集中在沿射流方向的下游,在實際運行中應注意該區(qū)域的結渣和高溫腐蝕現象。

(3) O2在水冷壁四周呈環(huán)形分布,在上游水冷壁區(qū)域形成氧化性氣氛。在下游水冷壁區(qū)域O2濃度小于2%處,容易發(fā)生結渣和高溫腐蝕。

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