空氣深度分級旋流燃燒器動力場冷態(tài)試驗(yàn)與數(shù)值仿真

馬啟磊

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088)

隨著大量高效低氮燃燒器在火力發(fā)電廠的投用，從爐膛燃燒區(qū)域減少了NOx的生成量，降低了脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，對降低污染物排放和緩解空氣預(yù)熱器堵塞都起到了重要的作用[1]。

燃燒器通過本身結(jié)構(gòu)使燃料和空氣以一定方式噴出爐膛。燃燒器既是燃料和空氣的輸送通道，也能組織空氣和燃料及時(shí)、充分混合，達(dá)到迅速著火和穩(wěn)定燃燒的目的。通過對燃燒輔助風(fēng)的角度和流量控制，在爐膛內(nèi)形成合理流場，確保安全、高效、低污染燃燒。對于已投入運(yùn)行的燃燒器，其設(shè)計(jì)總風(fēng)量為定值，須通過調(diào)整各層風(fēng)量分配比例及旋流角度調(diào)整燃燒流場，特別是煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，更有必要進(jìn)行燃燒器優(yōu)化調(diào)整。但在實(shí)際運(yùn)行中因未開展上述工作，出現(xiàn)了大量燃燒器燒損、燃燒器結(jié)焦及燃燒不充分等問題。因此，筆者通過現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了燃燒器不同配風(fēng)方式和旋流角度對燃燒流場的影響，指導(dǎo)燃燒器修復(fù)，并得到了最佳風(fēng)量配比和旋流角度等參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

某廠600 MW超臨界鍋爐，配30個(gè)旋流燃燒器，前后墻對沖燃燒，單個(gè)燃燒器由5個(gè)通道組成，通過空氣深度分級達(dá)到控制NOx生成量的目的。旋流燃燒器結(jié)構(gòu)見圖1，燃燒器由內(nèi)向外，中心為中心風(fēng)，第2層為一次風(fēng)和煤粉，第3層為直流二次風(fēng)，第4層為旋流二次風(fēng)(稱三次風(fēng))，第5層為旋流二次風(fēng)(稱四次風(fēng))。兩層旋流二次風(fēng)各設(shè)置旋流角度調(diào)節(jié)葉片，每個(gè)燃燒器設(shè)置二次風(fēng)量總調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，直流二次風(fēng)及三次風(fēng)各設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。燃燒器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是將主燃燒空氣分為二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)，以加大空氣分級程度。二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)通過燃燒器內(nèi)同心的環(huán)形通道，在燃燒的不同階段進(jìn)入爐膛，有助于NOx總量的降低和燃料的燃盡。二次風(fēng)為直流風(fēng)，三次風(fēng)和四次風(fēng)為軸向旋流風(fēng)，在燃燒器形成較大面積的環(huán)形回流區(qū)，完成未燃盡碳的燃燒，并將卷吸高溫?zé)煔庵粱鹧娓?，加熱一次風(fēng)，點(diǎn)燃煤粉，保持火焰穩(wěn)定性。同時(shí)回流的高溫?zé)煔夂趿康?，有利于NOx還原。每個(gè)燃燒器配獨(dú)立的風(fēng)箱，通過擋板調(diào)節(jié)同層燃燒器的風(fēng)量。由二次風(fēng)擋板、三次風(fēng)擋板，調(diào)節(jié)每個(gè)燃燒器的二次風(fēng)量、三次風(fēng)量和四次風(fēng)量的比例。三次風(fēng)和四次風(fēng)旋流器推薦旋流角度均為45°。

圖1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

中心風(fēng)一方面向燃燒器中心供給適量的空氣以穩(wěn)定火焰，同時(shí)配合外側(cè)的其余風(fēng)形成環(huán)形回流，達(dá)到降低NOx生成量的效果。一次風(fēng)粉經(jīng)均粉器和文丘里煤粉濃縮器，在一次風(fēng)管斷面上產(chǎn)生外濃內(nèi)淡的濃度分布，促進(jìn)煤粉著火。通過一次風(fēng)管出口處多齒狀穩(wěn)燃器，在一次風(fēng)管的周向上產(chǎn)生煤粉濃淡分離，形成局部還原環(huán)境，減少NOx的生成。

1.2 設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀

設(shè)計(jì)條件下600 MW額定負(fù)荷爐膛出口NOx質(zhì)量濃度為230 mg/m3，投產(chǎn)15 d后開展的性能考核試驗(yàn)結(jié)果中NOx質(zhì)量濃度為205 mg/m3。

燃燒器運(yùn)行3個(gè)月后檢查發(fā)現(xiàn)了十分嚴(yán)重的燃燒器噴口燒損和水冷壁側(cè)墻高溫腐蝕問題，實(shí)測貼壁區(qū)域CO質(zhì)量濃度達(dá)到7 500 mg/m3，且隨著運(yùn)行時(shí)間增長，燃燒器低氮燃燒性能逐漸下降，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度逐漸升高，側(cè)墻水冷壁區(qū)域CO質(zhì)量濃度也逐漸升高。分析認(rèn)為燃燒器流場組織存在缺陷：首先，輔助風(fēng)分級過多，減少了各級輔助風(fēng)通流面積并降低了出口速度，造成輔助風(fēng)動量不足，對噴口冷卻能力不夠；其次，旋流風(fēng)占比過大，若旋流角度不合理，旋流風(fēng)量占比過高也會造成一次風(fēng)和輔助風(fēng)軸向分速度衰減過快，無法形成足夠面積的風(fēng)包粉區(qū)域，煤粉顆粒向側(cè)墻擴(kuò)散，形成“飛邊”，致使側(cè)墻水冷壁區(qū)域CO質(zhì)量濃度升高。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果

2.1 計(jì)算方法和條件

采用FLUENT軟件，以一層二次風(fēng)箱布置的單個(gè)燃燒器為對象，根據(jù)實(shí)際的風(fēng)箱和燃燒器結(jié)構(gòu)與尺寸建立幾何模型。由于旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，用高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化將中心風(fēng)、一次風(fēng)以及二次風(fēng)、三次風(fēng)、四次風(fēng)通道分區(qū)劃分網(wǎng)格，并對各部分網(wǎng)格適當(dāng)加密，以準(zhǔn)確模擬其流動特性。

燃燒器中的流動為空氣湍流流動，采用k-ε模型進(jìn)行模擬[2-3]。模擬設(shè)置了7個(gè)計(jì)算工況，一次風(fēng)速度取27 m/s，二次風(fēng)速度和旋流角度取冷態(tài)試驗(yàn)測試典型值，二次風(fēng)速度分別為25 m/s、30 m/s、35 m/s，三次風(fēng)與四次風(fēng)速度分別為30 m/s、40 m/s，旋流角度分別為25°、40°、55°，從燃燒器內(nèi)部開始計(jì)算不同旋流角度及配風(fēng)方式下燃燒器出口流場變化情況[3-5]。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

在對直流二次風(fēng)風(fēng)量變化的研究中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速從25 m/s上升至35 m/s時(shí)，燃燒器出口流場速度分布及回流區(qū)大小變化不大，分析認(rèn)為直流風(fēng)噴口面積過小，風(fēng)量占比不大是造成直流風(fēng)流場調(diào)節(jié)能力下降的主要原因。筆者重點(diǎn)研究旋流二次風(fēng)旋流角度及風(fēng)量對流場的影響。

圖2為不同旋流角度的流場模擬。

圖2 不同旋流角度的流場模擬

旋流角度為25°～40°時(shí)，能夠形成較穩(wěn)定的回流區(qū)；旋流角度大于50°達(dá)到55°時(shí)，回流區(qū)和氣流擴(kuò)散角增大，三、四次風(fēng)氣流逐漸發(fā)散。圖3為軸向速度與旋流角度的關(guān)系。

圖3 軸向速度與旋流角度的關(guān)系

旋流角度越大，旋流強(qiáng)度相應(yīng)增加。旋流角度對流場和回流區(qū)有重大影響。由速度云圖對比可知：旋流越強(qiáng)，燃燒器出口流場剛度越差，擴(kuò)散越強(qiáng)烈。由圖3可知：葉片角度越大，中心速度衰減越快。在下面的模擬工況中均選擇旋流角度為40°。

燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)，直流的二次風(fēng)風(fēng)量僅占總風(fēng)量的10%。當(dāng)旋流角度確定后，剩余可調(diào)參數(shù)為各層風(fēng)量，三、四次風(fēng)風(fēng)量顯著大于二次風(fēng)風(fēng)量，在流場組織中起主導(dǎo)作用。旋流風(fēng)量(風(fēng)速)的整體減小對回流區(qū)大小和擴(kuò)展角基本沒有影響(見圖4)；但對最大回流速度影響較大，由5.84 m/s變?yōu)?.89 m/s。因此，旋流風(fēng)量的整體變化只對流場速度影響較大，對流場分布基本沒有影響。

圖4 旋流風(fēng)量對回流區(qū)域大小的影響

因爐膛內(nèi)布置多只燃燒器，各燃燒器之間流場相互干擾，勢必造成實(shí)際流場與模擬計(jì)算結(jié)果不完全相符，為此開展了現(xiàn)場冷態(tài)空氣動力場測試。

3 冷態(tài)試驗(yàn)及分析

停爐檢查發(fā)現(xiàn)部分燃燒器直流二次風(fēng)外套筒存在較嚴(yán)重?cái)D壓變形和燒損情況，導(dǎo)致原二次風(fēng)的流場組織能力嚴(yán)重下降，并影響三次風(fēng)通流面積，破壞三次風(fēng)流場[5-6]。結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析認(rèn)為：在直流二次風(fēng)門已全開的情況下，三、四次風(fēng)旋流強(qiáng)度過大是造成回流區(qū)離噴口過近引起燃燒器套筒燒損的主要原因。現(xiàn)場檢查燃燒器燒損變形情況見圖5中白圈標(biāo)注，流速及流場在爐內(nèi)搭設(shè)田字架，利用鐵絲網(wǎng)固定飄帶顯示流場軌跡(見圖6)，并結(jié)合火花失蹤法觀測流場分布。

圖5 燃燒器燒損情況

圖6 流場測量方法

冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)遵循相似及?；恚S持燃燒器進(jìn)風(fēng)量接近設(shè)計(jì)值，以保證各調(diào)整工況均進(jìn)入自?；瘏^(qū)[7]。

3.1 燃燒器變形對流場的影響

針對燃燒器燒損情況，利用熱線風(fēng)速儀在噴口截面圓環(huán)上以0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置測試軸向風(fēng)速，見圖7。結(jié)果表明：噴口截面一次風(fēng)速分布較均勻，但三、四次風(fēng)速在噴口截面分布嚴(yán)重不均，各區(qū)域風(fēng)速偏差很大，嚴(yán)重影響燃燒器出口流場均勻性。三次風(fēng)噴口最高軸向速度為21.2 m/s，最低軸向速度為10 m/s；四次風(fēng)最高軸向速度為15.7 m/s，最低軸向速度為8.6 m/s。

圖7 燃燒器噴口截面風(fēng)速分布

經(jīng)燃燒器噴口修復(fù)，對局部燒損和變形區(qū)域進(jìn)行了復(fù)原處理，再次測試噴口區(qū)域各級風(fēng)速分布，三、四次風(fēng)速度分布更加均勻，噴口截面各區(qū)域軸向風(fēng)速差別較小。

3.2 旋流角度對冷態(tài)流場的影響

試驗(yàn)測試了葉片角度對燃燒器出口各風(fēng)速、回流區(qū)位置與大小、速度衰減趨勢以及射流擴(kuò)散角進(jìn)行的影響。風(fēng)速及風(fēng)向仍采用圓周布置8點(diǎn)的方法進(jìn)行測量，取算術(shù)平均值為各級平均風(fēng)速。在位于燃燒器軸向離噴口0.5 m、1.5 m、3.0 m和5.0 m的位置進(jìn)行一次風(fēng)軸向速度測試，三次風(fēng)軸向速度測點(diǎn)位于燃燒器軸向離噴口0.5 m處。根據(jù)日常運(yùn)行一次風(fēng)風(fēng)量計(jì)算一次風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速25 m/s；中心風(fēng)風(fēng)量取設(shè)計(jì)值5%，風(fēng)速28 m/s；直流二次風(fēng)風(fēng)量取設(shè)計(jì)值10%，風(fēng)速35 m/s。

各測點(diǎn)一次風(fēng)軸向速度見圖8。從圖8中可以看出：一次風(fēng)軸向速度衰減受旋流角度影響較大，旋流角度由25°調(diào)整至55°。

圖8 一次風(fēng)軸向速度與旋流角度關(guān)系

隨著旋流角度的增加，越靠近燃燒器噴口截面，一次風(fēng)軸向速度衰減越快。當(dāng)出口距離達(dá)到3 m以上時(shí)，隨旋流角度變化,風(fēng)速差距逐漸減小。

三次風(fēng)噴口截面軸向速度隨旋流角度增大而降低，與流體力學(xué)基本規(guī)律一致，旋流角度越大，對軸向速度的影響越明顯。這是因?yàn)樾鹘嵌葘饬鲾U(kuò)散角影響較大，旋流強(qiáng)度增加，氣流切向速度變大，軸向速度降低。不同旋流角度對噴口三次風(fēng)軸向速度的影響見圖9。

圖9 三次風(fēng)軸向風(fēng)速與旋流角度的關(guān)系

旋流角度對回流區(qū)的大小和位置也有明顯影響，通過煙花示蹤觀測的方法測量了燃燒器出口回流區(qū)的大小和位置。

圖10為旋流角度分別為25°和55°時(shí)煙花示蹤結(jié)果，白色三角形標(biāo)注點(diǎn)為爐內(nèi)腳手架支桿，位于燃燒器噴口軸向距離1 m處。

圖10 冷態(tài)動力場煙花示蹤

隨著旋流角度增大，三、四次風(fēng)切向旋轉(zhuǎn)趨勢變化十分明顯。旋流角度為25°時(shí)幾乎不形成明顯回流區(qū)，旋流角度為55°時(shí)在靠近燃燒器噴口0.4～1.2 m區(qū)域直流風(fēng)與旋流風(fēng)之間開始形成穩(wěn)定環(huán)形回流區(qū)；但距離超過3 m后，回流區(qū)基本消失。

4 結(jié)語

燃燒器燒損后，爐內(nèi)流場變化十分明顯，燃燒器性能急劇下降。所以，在旋流燃燒器設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)首先保證燃燒器設(shè)備安全，具備足夠的冷卻能力。

(1) 旋流角度增加，三、四次風(fēng)軸向速度降低，一次風(fēng)軸向速度衰減加快。

(2) 旋流角度增加，回流區(qū)更明顯，回流區(qū)域更大。旋流角度大于30°能夠形成距離適中、大小合適的穩(wěn)定環(huán)形回流區(qū)。

(3) 三、四次風(fēng)分配比例和旋流角度對噴口冷卻風(fēng)量及回流區(qū)的位置和大小影響較大，應(yīng)保證直流二次風(fēng)全開，旋流二次風(fēng)開度為50%～70%時(shí)旋流角度為45°左右。

(4) 為保證燃燒器足夠冷卻能力，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)爐膛出口NOx質(zhì)量濃度，適當(dāng)減小燃盡風(fēng)門開度，以提高二次風(fēng)箱壓力，提高輔助風(fēng)速度。