微油點(diǎn)火燃燒器建模及數(shù)值計算方法的研究

丁歷威，李鳳瑞

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

發(fā)電技術(shù)

微油點(diǎn)火燃燒器建模及數(shù)值計算方法的研究

丁歷威，李鳳瑞

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

為了深入掌握微油點(diǎn)火燃燒器內(nèi)部的流場數(shù)據(jù)及顆粒場數(shù)據(jù)，結(jié)合某電廠微油點(diǎn)火燃燒器的實(shí)際工況，分析了對流擴(kuò)散方程的離散化方法及輻射模型和氣體燃燒模型對燃燒器數(shù)值計算的影響，并通過CFX軟件建立了一個比較完善的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明：采用High Resolution離散化方法、Discrete Transfer輻射模型和Eddy Dissipation氣體燃燒模型，對微油點(diǎn)火燃燒器的計算有較大幫助。

微油點(diǎn)火燃燒器；建模；數(shù)值計算方法

采用微油氣化高能油槍直接點(diǎn)燃煤粉，可實(shí)現(xiàn)鍋爐冷爐啟動時用微量的油點(diǎn)燃煤粉，在停爐、低負(fù)荷和超低負(fù)荷穩(wěn)燃時用微量的油穩(wěn)定鍋爐燃燒，節(jié)油效果可達(dá)90%以上。該技術(shù)具有初投資少、煤種適應(yīng)性廣、系統(tǒng)簡單、操作方便、維護(hù)工作量小等突出優(yōu)點(diǎn)，可以大幅度減少火力發(fā)電廠點(diǎn)火啟動和助燃用油，降低發(fā)電成本，為企業(yè)創(chuàng)造效益[1-3]。

受現(xiàn)場和實(shí)際條件的限制，目前只能通過有限的點(diǎn)來監(jiān)測微油燃燒器內(nèi)部的溫度和速度值，無法宏觀掌握溫度場和速度場分布情況，給燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)帶來困難。理論上數(shù)值計算能夠解決這一問題，但由于微油燃燒器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算所用的對流擴(kuò)散方程比較多，同時又涉及氣體和顆粒輻射，油汽化燃燒、煤粉濃淡分離、煤粉顆粒熱解和焦碳燃燒以及煤粉顆粒分級燃燒，所以要完全模擬出微油燃燒器的實(shí)際工作情況存在一定的難度。

本文以微油燃燒器一次風(fēng)作為研究對象，通過分析各種離散化方法機(jī)理、輻射模型等影響因素，試圖找到一個相對較好的數(shù)學(xué)模型，以期能夠較好地還原微油燃燒器的實(shí)際運(yùn)行情況，從而為優(yōu)化微油點(diǎn)火、改進(jìn)燃燒器結(jié)構(gòu)提供一定的理論依據(jù)。

1 微油點(diǎn)火燃燒器的工作原理及特點(diǎn)

微油點(diǎn)火技術(shù)采用用微油點(diǎn)燃微量煤粉―點(diǎn)燃少量煤粉―點(diǎn)燃大量煤粉的逐級引燃原理，使能級逐步放大，實(shí)現(xiàn)微量油點(diǎn)燃大量煤粉的目的。

微油點(diǎn)火燃燒器工作原理[4-5]是：利用壓縮空氣的高速射流直接擊碎燃料油，霧化成超細(xì)油滴進(jìn)行燃燒，同時利用燃燒產(chǎn)生的熱量對燃油加熱、擴(kuò)容，使燃油在極短的時間內(nèi)蒸發(fā)氣化，油槍直接燃燒油氣，從而大大提高燃燒效率及火焰溫度。氣化燃燒后的火焰剛性極強(qiáng)、傳播速度極快，呈完全透明狀，中心溫度高達(dá)1 500～2 000℃，可作為高溫火核在煤粉燃燒器內(nèi)直接點(diǎn)燃煤粉。一級燃燒室中的濃相煤粉通過高溫火核時，煤粉顆粒溫度急劇升高，析出大量揮發(fā)分并迅速著火燃燒。已燃燒的濃相煤粉在二級燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃更多的煤粉，然后繼續(xù)向前流動點(diǎn)燃三級燃燒室中的煤粉，最終實(shí)現(xiàn)煤粉分級燃燒、燃燒能量逐步放大，達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的，大大減少了煤粉燃燒所需的燃油。

2 一次風(fēng)建模和網(wǎng)格劃分

選擇燃燒器一次風(fēng)作為研究對象，是因為其包含了煤粉顆粒分級熱解燃燒[6-7]、煤粉顆粒濃淡分離、流場計算以及油顆粒汽化燃燒等過程，而這些過程是微油燃燒器數(shù)值模擬計算的核心。網(wǎng)格劃分時，因為二次風(fēng)結(jié)構(gòu)相對比較簡單，內(nèi)部只有流動過程，而無能量交換、燃燒以及反應(yīng)過程，數(shù)值計算比較簡單，準(zhǔn)確率較高，并且在進(jìn)入爐膛前對一次風(fēng)基本沒有影響，為了節(jié)省網(wǎng)格，計算中不考慮二次風(fēng)，同時也不考慮燃燒器出口的爐膛部分。

微油點(diǎn)火燃燒器一次風(fēng)系統(tǒng)包括一級燃燒室、二級燃燒室、三級燃燒室和油腔。一次風(fēng)攜帶的煤粉先后進(jìn)入一級燃燒室、二級燃燒室和三級燃燒室。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

首先根據(jù)燃燒器的實(shí)際尺寸建模，結(jié)構(gòu)圖由Pro-E畫成，然后導(dǎo)入到Gambit中畫網(wǎng)格。考慮到油入口的地方油顆粒首先蒸發(fā)成油氣，然后再燃燒，反應(yīng)過程比較劇烈，溫度和速度變化梯度比較大，反應(yīng)距離相對比較短，因此這塊區(qū)域網(wǎng)格需要加密。在煤粉和油氣導(dǎo)流裝置附近，因為速度變化比較明顯，這部分區(qū)域也需要加密。在煤粉隨一次風(fēng)進(jìn)入一級燃燒室、二級燃燒室的部位，因為間隔比較小而速度變化較明顯，溫度也存在較大梯度，故這部分區(qū)域也要加密。建模過程中，能夠采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的地方都盡量畫成六面體，其他則畫成四面體。網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖1 一次風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 一次風(fēng)網(wǎng)格圖

3 對流擴(kuò)散方程的離散化選擇

為了完成對流擴(kuò)散方程的離散化[8]，燃燒器數(shù)值計算應(yīng)用了兩種對流項離散化方法，即：一階迎風(fēng)格式Upwind[9]和高精度格式High Resolution[9]。這兩種離散化方法都能用一個統(tǒng)一的公式表示，不同的只是參數(shù)的設(shè)置。公式如下：

式中：Φip為當(dāng)前的值；Φup為上一個節(jié)點(diǎn)的值；Δr為上一個節(jié)點(diǎn)指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的矢量；▽Φ為上一個節(jié)點(diǎn)值的梯度（例如溫度梯度）。

對于一階迎風(fēng)格式，β為0，即Φip=Φup。一階迎風(fēng)格式的本質(zhì)是：流體攜帶著上一個節(jié)點(diǎn)的所有信息來到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通過計算離散化方程后，再把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所有信息傳遞到下一個節(jié)點(diǎn)。同時根據(jù)對流擴(kuò)散方程離散化四項基本法則，一階迎風(fēng)格式能夠保證離散方程的系數(shù)都是正值。

而采用高精度格式時，β是根據(jù) Barth和Jesperson的有界性原理指定的。要說明的是，對矢量的計算，比如速度，β在每個方向上都會獨(dú)立計算其值。

因為 High Resolution的計算精度高于 Upwind，本文中連續(xù)性方程、能量方程、動量方程均采用High Resolution。而High Resolution對湍流方程的計算會產(chǎn)生不穩(wěn)定影響，因此湍流κ-ε方程采用Upwind。

4 輻射模型的選擇

輻射能量傳播由吸收輻射能量、釋放輻射能量和散射輻射能量3部分組成。其規(guī)律可以由輻射運(yùn)輸方程 （Radiative Transport Equation，簡稱RTS）來描述。

但是計算該微分方程特別繁瑣，計算成本太高。所以提供可行的輻射模型來近似RTS顯得尤為關(guān)鍵。在CFX軟件中應(yīng)用比較多的輻射模型是Discrete Transfer和P1模型。

P1模型假設(shè)輻射強(qiáng)度是等方性的。該模型生成一個簡化的輻射運(yùn)輸方程加入到對流擴(kuò)散方程組中一起求解。而Discrete Transfer模型則假設(shè)輻射強(qiáng)度是等方性且和系統(tǒng)是均勻同性的。

通過模擬計算可以看出，采用Discrete Transfer輻射模型的計算結(jié)果要優(yōu)于P1模型。P1模型容易出現(xiàn)提前著火的情況，是因為其輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Discrete Transer，幾乎大了一個數(shù)量級。輻射強(qiáng)度增大，三級燃燒室出口處將向前面的煤粉傳遞更多的能量，造成煤粉達(dá)到熱解溫度，揮發(fā)分析出，從而煤粉提前著火。所以建議采用Discrete Transer輻射模型。

5 氣體燃燒模型

微油點(diǎn)火燃燒器涉及兩種氣體燃燒，即揮發(fā)分燃燒和油氣燃燒。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，油燃燒的一個突出特點(diǎn)是，油表面沒有化學(xué)反應(yīng)，燃燒只發(fā)生在氣相中。因為油表面的溫度總是比沸點(diǎn)低，而沸點(diǎn)又低于著火條件所要求的溫度，此外油蒸發(fā)的潛熱比反應(yīng)的活化能要小的多，因此油燃燒總是先蒸發(fā)后燃燒，且常常是擴(kuò)散控制的燃燒，所以油燃燒過程究其本質(zhì)是氣體燃燒過程。微油點(diǎn)火燃燒器中油首先被霧化成超細(xì)的小液滴，然后以一定的速度進(jìn)入燃燒器中，超細(xì)的小液滴隨后在點(diǎn)火裝置的作用下局部氣化成油氣并燃燒，所產(chǎn)生的熱量傳遞給更多的小液滴，從而使所有的超細(xì)油小液滴氣化燃燒，產(chǎn)生的熱量提供給一級燃燒室的煤粉熱解。

煤粉顆粒進(jìn)入一級燃燒室中，獲得了油氣燃燒后的熱量，迅速達(dá)到熱解溫度并析出揮發(fā)分，揮發(fā)分開始燃燒，為氣體燃燒過程。

氣體燃燒過程采用渦耗散湍流燃燒模型（Eddy Dissipation Model），該模型假定反應(yīng)過程很快，且反應(yīng)速率Rk與湍動能和耗散率有關(guān)。計算中，Rk根據(jù)式（2）、（3）選小值。

式中：[I]為組分I的摩爾濃度，WI為組分I的分子量，Vkj為化學(xué)反應(yīng)方程的化學(xué)當(dāng)量系數(shù)。A，B為經(jīng)驗常數(shù)，取值為4和-1。k為湍動能，ε為耗散率。

6 計算結(jié)果與分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，應(yīng)用CFX軟件對微油燃燒器一次風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬計算。采用某電廠的設(shè)計煤種作為計算煤種，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。模擬工況的邊界條件是一次風(fēng)速22 m/s，煤粉流量3.375 t/h，油流量57 kg/h，油的助燃風(fēng)量0.237 kg/s，輻射模型采用Discrete Transfer模型，Ray數(shù)目為32。湍流方程采用Upwind離散化方法，其他方程都采用High Resolution離散化方法。氣體燃燒模型采用Eddy Dissipation model。模擬溫度場和速度場如圖3和圖4所示。

如圖3所示，油燃燒后在一級燃燒室產(chǎn)生一個高溫區(qū)，溫度可以達(dá)到1 900 K左右。一次風(fēng)攜帶的煤粉顆粒進(jìn)入一級燃燒室后與油燃燒生成的高溫氣體相混合，煤粉顆粒溫度急劇增加，超過其揮發(fā)分熱解溫度后，煤粉中的揮發(fā)分析出并燃燒，從而繼續(xù)點(diǎn)燃其它煤粉。一級燃燒室點(diǎn)燃的煤粉和油氣燃燒后生成的高溫氣體速度較快，迅速流向二級燃燒室并與二級燃燒室中的煤粉進(jìn)行熱量交換，從而使二級煤粉溫度升高開始著火，然后二級燃燒室的煤粉和高溫氣體繼續(xù)推進(jìn)到三級燃燒室，點(diǎn)燃三級燃燒室中的煤粉，最后進(jìn)入爐膛。

表1 某電廠煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)（收到基）%

圖3 燃燒器一次風(fēng)溫度場

圖4 燃燒器一次風(fēng)速度矢量場

由圖4可知，首先在一級燃燒室產(chǎn)生了速度較高的區(qū)域，隨著向二級燃燒室的推進(jìn)，速度開始下降，最后在三級燃燒室速度又提高。這是因為在一級燃燒室前，油氣完全燃燒釋放出大量熱量，熱量除了讓煤粉顆粒升溫以外，還轉(zhuǎn)換為動能。而在二級燃燒室，受到室內(nèi)阻力及一次風(fēng)混合影響，速度下降。到三級燃燒室時，因為二級燃燒室較多的煤粉揮發(fā)分析出并且燃燒，釋放出大量熱量，速度再一次提高。

7 結(jié)論

采用本文建立的微油點(diǎn)火燃燒器數(shù)學(xué)模型，結(jié)合某電廠實(shí)際工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。模擬結(jié)果表明：

（1）針對微油點(diǎn)火燃燒器特殊性的建模網(wǎng)格劃分比較正確，且局部加密的方法也較恰當(dāng)，為準(zhǔn)確計算實(shí)際工況提供了條件。

（2）通過分析對流擴(kuò)散方程離散化機(jī)理、輻射模型機(jī)理和氣體燃燒模型，建立了比較完善、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)計算模型。

（3）計算結(jié)果顯示：小粒徑的油滴氣化燃燒后，產(chǎn)生了一個高溫區(qū)。該高溫區(qū)迅速點(diǎn)燃一級燃燒室的煤粉，從而實(shí)現(xiàn)能量逐步放大的功能。同時在燃燒器套筒中一次風(fēng)速度有一個增大、降低、再增大的過程。

（4）本文的模擬結(jié)果較符合實(shí)際工況，為煤粉燃燒數(shù)值計算提供了一定的借鑒，同時也可以作為優(yōu)化微油點(diǎn)火、改進(jìn)燃燒器結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

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（本文編輯：龔 皓）

A Study on Modeling and Numerical Calculation Methods of Tiny Oil Ignition Burner

DING Li-wei，LI Feng-rui

（Zhejiang Electric Power Testand Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This paper analyzes the influences of discretization method of convection diffusion equation，radiation model,gas burning model on burner numerical calculation combined with the practical working condition of tiny oil ignition burner in a power plant and establishes a perfect mathematical model with CFX software in order to master the data of flow field and particle field inside tiny oilignition burner.The research result shows that it is greatly useful for calculation of tiny oil ignition burner to adopt High Resolution discretization method,Discrete Transfer radiation modeland Eddy Dissipation gas combustion model.

tiny oil ignition burner；modeling；numerical calculation method

TK223.23

：A

：1007-1881（2010）08-0018-04

2010-01-07

丁歷威（1979-），男，浙江長興人，工程師，從事鍋爐燃燒數(shù)值計算和生產(chǎn)服務(wù)及科研工作。