600 MW超臨界鍋爐新型燃燒方式試驗及數(shù)值模擬研究

閆承先，束繼偉，孟繁兵，金宏達，王 巖

(1.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱 150030;2.中國華電集團哈爾濱發(fā)電有限公司，黑龍江哈爾濱 150001)

600 MW超臨界鍋爐新型燃燒方式試驗及數(shù)值模擬研究

閆承先1，束繼偉1，孟繁兵1，金宏達1，王 巖2

(1.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱 150030;2.中國華電集團哈爾濱發(fā)電有限公司，黑龍江哈爾濱 150001)

闡述了600 MW超臨界鍋爐的主要設計參數(shù)，分析了新型燃燒方式燃燒系統(tǒng)的設計特點，建立了爐內(nèi)過程數(shù)值模擬模型，在同類型機組進行了冷態(tài)空氣動力場試驗，通過不同工況數(shù)值模擬結(jié)果對比，探索該型燃燒方式的燃燒調(diào)整方法。試驗結(jié)果表明，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬研究結(jié)果相吻合。

超臨界鍋爐;新型燃燒方式 ;數(shù)值模擬

0 引言

某廠新建機組為2臺600 MW超臨界褐煤鍋爐，為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置的π型鍋爐。該爐采用新型墻式燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只燃燒器對應1臺磨煤機。為了與傳統(tǒng)角式切圓燃燒的鍋爐相比較，分析新型切圓燃燒鍋爐的燃燒特點，本文以該電廠鍋爐實際運行數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了燃燒器區(qū)域流場變化的計算模型，通過冷態(tài)數(shù)值模擬和熱態(tài)數(shù)值模擬，在同類型機組進行了冷態(tài)空氣動力場試驗，得到了數(shù)值模擬結(jié)果與冷態(tài)試驗結(jié)果一致的結(jié)論。

1 主要設計參數(shù)

該鍋爐主要參數(shù)如表1所示，煤質(zhì)分析如表2所示，最大連續(xù)負荷(MCR)時燃燒器的主要設計參數(shù)如表3所示，鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸如表4所示。

表1 鍋爐主要參數(shù)

表2 煤質(zhì)分析

表3 MCR工況下燃燒器設計參數(shù)

表4 鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸

2 燃燒系統(tǒng)設計特點

燃盡風(SOFA)采用傳統(tǒng)的角式布置，燃燒器布置在爐膛四面墻的1/4處。主燃燒器分為3組:上部煤粉燃燒器有固定風室3個，煤粉風室2個;中部煤粉燃燒器有固定風室3個，煤粉風室2個;下部煤粉燃燒器有固定風室4個，煤粉風室3個。燃燒器采用大風箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風箱分隔成若干風室，在各風室的出口處布置燃燒器噴嘴。煤粉燃燒器為水平濃淡燃燒器，其特點是風粉混合物經(jīng)過煤粉噴嘴體內(nèi)的百葉窗分離后，形成濃相煤粉氣流和淡相煤粉氣流，在燃燒器噴口內(nèi)設置有波形鈍體，該鈍體與噴嘴體內(nèi)導向板一起使?jié)?、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口。在波形鈍體出口處，形成1個穩(wěn)定的回流區(qū)，該回流區(qū)有利于濃淡兩相煤粉迅速著火，并使火焰穩(wěn)定在1個較寬的負荷變化范圍內(nèi)，確保煤粉及時燃盡，能有效抑制NOx排放，保證鍋爐效率。

燃燒器與水冷壁夾角為90°，切圓直徑為10 m，爐膛內(nèi)部火焰充滿度比較好，有利于水冷壁吸熱和煤粉的燃盡。SOFA風室位于水冷壁四角，每角又分成4層，SOFA風室出口射流中心線和水冷壁的夾角分別為42°和48°。為了彌補SOFA風室的射流角度，SOFA風室噴嘴可左右擺動12°，可根據(jù)爐內(nèi)燃燒工況來調(diào)整噴嘴的擺動角度。

與傳統(tǒng)角式切圓燃燒的鍋爐相比較，新型切圓燃燒鍋爐具有以下優(yōu)點:

1)火焰噴射方向與墻垂直，火焰行程短，燃燒器出口射流兩側(cè)有較大的空間，補氣條件好，有利于高溫煙氣回流。

2)爐膛充滿度高，熱流分配均勻，能減少水冷壁附近煙氣流擾動的影響。

3)著火穩(wěn)定，燃燒器效率高，爐膛出口煙溫均勻。

3 爐內(nèi)過程數(shù)值模擬

3.1 計算模型的建立

為了研究墻式切圓燃燒器，利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，以便得到氣流在爐內(nèi)的速度分布。切圓燃燒爐膛中氣流流動是非常復雜的三維湍流流動，在單相湍流的領域內(nèi)應用最多、用于解決各種流動問題的有效性是k－ε雙方程模型。為了使k－ε雙方程模型計算結(jié)果更接近實際，在本項目研究過程中，將采用可實現(xiàn)的k－ε模型。在直角坐標系下，標準k－ε雙方程模型的基本控制方程［1］可以表示如下:

連續(xù)性方程為

各種燃燒室和燃燒器數(shù)值計算的應用都說明了煤粉運動和彌散的規(guī)律對燃燒過程的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及污染物的排放影響很大［1］。電站鍋爐爐內(nèi)的主要傳熱方式是輻射傳熱，因此在進行數(shù)值模擬的過程中需要對輻射傳熱過程進行準確的模擬?？紤]氣體與顆粒之間的輻射換熱，P－1模型和離散坐標(DO)模型均能夠考慮氣體和顆粒之間的輻射換熱。其中P－1模型適用于光學厚度大于1的情況，模型相對簡單，因此選用P－1輻射模型。

假設煤粉燃燒模型的煤粒在反應過程中均為球形顆粒，煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分組成。揮發(fā)分在煤粉粒子燃燒過程中首先析出并消耗，析出揮發(fā)分后粒子中固體可燃物稱為焦炭，揮發(fā)分在燃燒反應中消耗速度比焦炭高，因此揮發(fā)分在反應初期迅速燃燒完成。本研究過程采用雙競爭模型來模擬揮發(fā)分的熱分解過程，采用混合份數(shù)PDF方法模擬揮發(fā)分燃燒反應過程，用擴散動力模型模擬焦炭的燃燒反應過程。

為了使數(shù)值計算可行，需要對實際爐膛結(jié)構(gòu)進行合理簡化處理。本項目數(shù)值計算域選取爐膛下部冷灰斗下沿到爐膛出口區(qū)域作為計算域，采用非均勻的六面體網(wǎng)格對整個計算區(qū)域進行分塊網(wǎng)格劃分。由于計算區(qū)域很大，不可能將整個計算域的網(wǎng)格劃分很細，但考慮到燃燒器區(qū)域流場變化比較劇烈，將燃燒器區(qū)域劃分得密一些，如圖1所示。

圖1 爐膛網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 冷態(tài)數(shù)值模擬

3.2.1 冷態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本項目研究冷態(tài)模擬分2種工況。

工況1:下六層磨煤機運行，燃盡風正切角度最大時冷態(tài)空氣動力場的模擬。

工況2:下六層磨煤機運行，燃盡風反切角度最大時冷態(tài)空氣動力場的模擬。

3.2.2 特征截面空氣流動分布

爐內(nèi)氣流的合理流動、分布是組織燃燒的關鍵因素。爐內(nèi)氣流速度分布、射流的卷吸、回流區(qū)的大小決定煤粉氣流的著火、火焰的傳播等。各燃燒器組合射流間的相互影響對火焰與燃料空氣混合物之間傳熱傳質(zhì)過程、燃燒過程中的結(jié)渣、腐蝕起重要作用。

圖2與圖3分別為工況1、工況2最上層噴口(F層)水平截面的速度矢量圖和等速線圖。

從圖2與圖3可以看出，爐內(nèi)氣流混合強烈，各噴口噴射出的射流剛性較強，能夠噴射到下游射流的根部，能夠形成充滿度較好的切圓。一、二次風噴口動量估算數(shù)據(jù)對比如表5所示。

表5 一、二次風噴口動量對比

圖2 工況3時F層一次風噴口水平截面速度矢量圖和等速線圖

從表5的估算數(shù)據(jù)可以看出，燃用褐煤的機組一、二次風動量比遠大于煙煤鍋爐，二次風對一次風的包裹作用是不利的，一次風容易穿透二次風。從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，射流有偏向爐墻的現(xiàn)象，這與一次風動量偏大、噴流射流行程較短有關系(與四角切圓燃燒方式相比較)。

3.3 熱態(tài)數(shù)值模擬

熱態(tài)數(shù)值模擬工況分為2種工況。

工況1:一次風率為36%，下六層磨煤機運行，燃盡風反切角度最大。

工況2:一次風率為30%，下六層磨煤機運行，燃盡風反切角度最大。

熱態(tài)模擬溫度分布云圖如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5中可以看出，鍋爐一次風率由36%降至30%后，爐膛中心溫度水平略微提高，背火側(cè)回流區(qū)明顯減小，在遠離燃燒器方向的爐墻附近存的高溫回流區(qū)域有遠離爐墻的趨勢，爐膛火焰充滿度趨于良好。

4 冷態(tài)試驗結(jié)果

在同類型機組進行了冷態(tài)空氣動力場試驗，采用冷態(tài)空氣動力場示蹤煙花試驗［2］。該冷態(tài)空氣動力場試驗工況為按照相似理論進入自?；瘏^(qū)后一、二次風全部投入工況。

從示蹤煙花的燃放結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與冷態(tài)試驗結(jié)果一致。在冷態(tài)時，由于一次風氣流運動方向與墻的距離較大，在燃燒器噴口附加區(qū)域水冷壁的結(jié)焦會輕于四角切圓燃燒鍋爐。從組合工況來看，一、二次風切圓直徑基本相同，二者運動方向一致，未出現(xiàn)煤粉氣流脫離二次風氣流獨自向內(nèi)或向外運動的問題，保證了一、二次風的有效混合。

5 結(jié)論

1)新型墻式切圓燃燒方式燃燒區(qū)域補氣條件較好，有利于煤粉著火。

2)配備中速磨煤機的褐煤鍋爐因一次風率較高，造成一、二此風剛性差距較小，使一次風射流互相影響，容易造成火焰偏斜。

3)鍋爐設計假想切圓直徑較大(直徑10 m)，爐膛煙氣充滿度較好。

4)試驗和數(shù)值模擬研究結(jié)果相吻合。從熱態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，爐膛火焰充滿度較好，溫度分布比較均勻。

5)一次風率較高的情況下爐膛四壁遠離燃燒器方向存在一個高溫火焰區(qū)域，該位置容易發(fā)生結(jié)焦問題，這與鍋爐實際運行工況相吻合。

6)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，一次風率降低后，整個爐膛內(nèi)的溫度水平有所提高，高溫區(qū)域面積增大，說明火焰充滿度好;水冷壁近壁面處溫度有所降低，仍處于還原性氣氛之下;在主燃燒區(qū)域內(nèi)，燃燒所需的空氣量仍明顯不足，在燃盡風噴入后繼續(xù)燃燒，導致整個爐膛火焰中心處于SOFA至折焰角的區(qū)域。

［1］岑可法.鍋爐燃燒試驗研究方法及測量技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1987.

［2］北方聯(lián)合電力上都電廠.5號鍋爐爐膛和燃燒器冷態(tài)空氣動力場試驗報告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

Study of new combustion mode and numerical
simulation of 600 MW supercritical boiler

YAN Chengxian1，SHU Jiwei1，MENG Fanbing1，JIN Hongda1，WANG Yan2
(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin 150030，China;2.Harbin Power Generation Corporation of China Huadian Group ，Harbin 150001，China)

This paper introduces the main design parameters of 600 MW supercritical boiler，analyzes the design characteristic of combustion system with the new combustion mode，establishes numerical simulation model of furnace process，tests cold state aerodynamic field with units of same type and studies adjustment method to this type of combustion through numerical simulation under different working conditions.Test shows that the result of the experiment coincides with that of numerical simulation.

supercritical boiler;new combustion mode;numerical simulation

TK229.2

A

1002－1663(2012)02－0148－04

2011－09－08

閆承先(1976－)，男，1998年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學熱能工程專業(yè)，高級工程師。

(責任編輯 侯世春)