李德波, 沈躍良, 鄧劍華, 狄萬豐, 徐齊勝
(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,廣州510060;2.華潤電力(賀州)有限公司,賀州542709)
隨著我國火力發(fā)電事業(yè)的快速發(fā)展,國內(nèi)投產(chǎn)了一大批超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組.四角切圓鍋爐殘余旋轉(zhuǎn)給過熱器和再熱器受熱面溫度偏差控制帶來了非常大的困難和挑戰(zhàn),尤其對于超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,這種偏差對溫度的影響更加明顯,因此采用旋流燃燒器組織爐內(nèi)空氣動力場逐漸成為超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組首選的燃燒方式[1-9].
國內(nèi)先后引進(jìn)的超臨界和超超臨界鍋爐均采用了新型旋流煤粉燃燒技術(shù),其目標(biāo)是實現(xiàn)煤粉的高效燃燒、低NOx排放、低負(fù)荷不投油穩(wěn)定燃燒,保證水冷壁可靠運行和減小受熱面熱偏差.國產(chǎn)化超臨界和超超臨界鍋爐采用與B&W公司、三井巴布科克能源有限公司、日立集團(tuán)、三菱集團(tuán)和阿爾斯通集團(tuán)等合作研發(fā)的新型旋流煤粉燃燒器.國內(nèi)某制造廠自行開發(fā)設(shè)計了OPCC型旋流燃燒器,目前已經(jīng)投入使用[1-9].
在2012年1月某電廠一臺660MW超臨界鍋爐停爐檢修時,發(fā)現(xiàn)旋流燃燒器大面積燒損,給電廠帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,同時給今后同類型超臨界旋流燃燒煤粉鍋爐安全、穩(wěn)定運行造成了較大的安全隱患.為了分析旋流燃燒器大面積燒損的原因,筆者對全爐膛進(jìn)行熱態(tài)數(shù)值模擬,提出了旋流燃燒器運行的關(guān)鍵改造措施,為今后該類型旋流燃燒器的安全運行提供理論指導(dǎo).
該旋流燃燒器為某制造廠自行開發(fā)設(shè)計的外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器(OPCC型旋流燃燒器),燃燒方式為對沖燃燒.燃燒用空氣分為4部分:一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)(即三次風(fēng))和中心風(fēng).旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)見圖1.內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)道內(nèi)布置有軸向旋流器,外二次風(fēng)風(fēng)道內(nèi)布置有切向旋流器.內(nèi)二次風(fēng)軸向葉片角度為60°,外二次風(fēng)切向葉片角度為45°.為了進(jìn)一步降低NOx的排放量,在旋流燃燒器上方設(shè)置了燃盡風(fēng)和側(cè)燃盡風(fēng).旋流燃燒器采用前后墻對沖燃燒方式布置,共有36只旋流燃燒器,分3層布置在前墻和后墻上,每層有6只旋流燃燒器.在前墻和后墻旋流燃燒器上方各布置了一層燃盡風(fēng)和一層側(cè)燃盡風(fēng).
該電廠3號鍋爐于2011年1月6日投入運行,在2012年1月17日(運行時間為4 166h)檢修時發(fā)現(xiàn)旋流燃燒器一次風(fēng)風(fēng)室的耐磨陶瓷脫落,風(fēng)筒前端出現(xiàn)燒損和變形等現(xiàn)象.中、上層旋流燃燒器損壞嚴(yán)重,下層旋流燃燒器損壞程度相對較輕(見圖2).由圖2可以看出,旋流燃燒器的中心風(fēng)和一次風(fēng)風(fēng)筒燒損嚴(yán)重,前端耐磨陶瓷均脫落,煤粉濃縮器前端減薄,一次風(fēng)風(fēng)筒前端燒損非常嚴(yán)重.
圖1 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the swirl burner
圖2 現(xiàn)場檢修時前墻旋流燃燒器的燒損情況Fig.2 Burnout photos of front-wall swirl burner taken in on-site inspection
鍋爐實際燃用煤種為印尼煤,其揮發(fā)分、硫、全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,可磨指數(shù)較低,爆炸性較強(qiáng).因此,在燃用高揮發(fā)分印尼煤時要合理控制燃燒空氣動力場,否則著火提前容易造成旋流燃燒器燒損.
對磨煤機(jī)出口的粉管風(fēng)速進(jìn)行現(xiàn)場測量,得到6條粉管的平均風(fēng)速為25~28m/s,與設(shè)計風(fēng)速22.4m/s比較接近,一次風(fēng)的實際運行風(fēng)速比設(shè)計風(fēng)速偏大,可以推遲煤粉著火的時間,使得回流區(qū)起始點遠(yuǎn)離旋流燃燒器噴口附近的位置.因此,習(xí)慣運行工況下一次風(fēng)風(fēng)速偏大,不可能是旋流燃燒器燒損的原因.
通過現(xiàn)場查看,得到了旋流燃燒器和燃盡風(fēng)燃燒器開度.
(1)旋流燃燒器:調(diào)整外二次風(fēng)風(fēng)門至45°(滿量程75°)和內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)門至80%開度(即將拉桿拉至400mm).
(2)側(cè)燃盡風(fēng)燃燒器(SAP):調(diào)整直流風(fēng)擋板至100%開度(即將拉桿拉至400mm)和旋流二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器至100%開度(即將拉桿拉至400mm).
(3)燃盡風(fēng)燃燒器(AAP):調(diào)整直流風(fēng)擋板至100%開度(即將拉桿拉至400mm)和旋流二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器至100%開度(即將拉桿拉至400mm).
通過對現(xiàn)場旋流燃燒器燒損的情況進(jìn)行仔細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)旋流燃燒器在設(shè)計上存在以下缺陷:
(1)旋流燃燒器前端550mm為高溫耐磨合金鋼整體鑄件,一次風(fēng)風(fēng)筒材質(zhì)為碳鋼,材料的耐熱等級不夠.
(2)陶瓷粘貼工藝不妥易造成陶瓷脫落,從而使得耐熱等級不高的一次風(fēng)風(fēng)筒在旋流燃燒器停運后直接受到火焰的高溫輻射,加劇了損壞.陶瓷主要目的是防磨,由于噴口處受爐膛高溫輻射,溫度較高,陶瓷與一次風(fēng)風(fēng)管熱膨脹系數(shù)不一致而脫落,脫落后造成一次風(fēng)噴口截面不規(guī)則,從而改變了一次風(fēng)氣流(流速相對減?。植棵悍蹪舛仍龃?,噴口受熱不均,會因局部過熱而被燒損.
(3)中心風(fēng)風(fēng)筒為耐熱鋼,現(xiàn)場觀察到其氧化嚴(yán)重,材料制造質(zhì)量差造成中心風(fēng)風(fēng)筒端部燒損.
旋流燃燒器在運行方面主要有以下缺陷:
(1)現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn),停運的一次風(fēng)風(fēng)筒無冷卻風(fēng)保護(hù),因而更容易被燒損.中心風(fēng)取自二次風(fēng)大風(fēng)箱,當(dāng)管徑較小、風(fēng)量相對少、風(fēng)門開度小時,冷卻能力不足,燒損情況加劇.
(2)由于揮發(fā)分較高的印尼煤著火比較容易,當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)軸向葉片按照設(shè)計的角度60°運行時,旋流強(qiáng)度太大,著火過分提前,容易造成旋流燃燒器區(qū)域結(jié)渣和燒損,同時內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度過大會導(dǎo)致旋流燃燒器的阻力損失較大.
由于回流區(qū)起始點靠近旋流燃燒器出口,為了獲得旋流燃燒器出口附近的溫度場分布,進(jìn)行旋流燃燒器熱態(tài)數(shù)值模擬.
由于爐膛結(jié)構(gòu)相對規(guī)則且尺寸很大,而旋流燃燒器區(qū)域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸相對較小,如果采用統(tǒng)一的網(wǎng)格劃分規(guī)則,整個爐膛的網(wǎng)格數(shù)量將會很大.為避免這一問題,將爐膛分為灰斗、下爐膛、旋流燃燒器、上爐膛、折焰角和爐膛出口6個區(qū)域,對旋流燃燒器和折焰角區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密.整個爐膛采用正六面體網(wǎng)格,旋流燃燒器的網(wǎng)格按照電廠提供的實際參數(shù)進(jìn)行劃分,整個爐膛的幾何尺寸與電廠實際的結(jié)構(gòu)按照1∶1比例,經(jīng)過反復(fù)的數(shù)值模擬試驗和網(wǎng)格無關(guān)性檢驗,在保證計算結(jié)果精度的前提下,最后確定網(wǎng)格總數(shù)約為231萬(見圖3).
圖3 爐膛網(wǎng)格Fig.3 Grid division of the furnace
數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計算和Simple算法.湍流模型采用帶旋流修正的Realizablek-ε模型;采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)(mixture-fraction/PDF)模擬氣相湍流燃燒;采用P-1輻射模型(P-1radiation model)計算輻射傳熱;采用雙平行競爭反應(yīng)模型(the two competing rates model)模擬煤粉揮發(fā)分的析出;采用動力/擴(kuò)散控制燃燒模型(kinetics/diffusion-limited char combustion model)模擬焦炭燃燒;采用隨機(jī)軌道方法(stochastic tracking)模擬煤粉顆粒跟蹤.動量方程、能量方程、k方程和ε方程均采用二階迎風(fēng)格式離散.對于邊界條件,旋流燃燒器進(jìn)口速度根據(jù)現(xiàn)場冷態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行設(shè)定,采用近壁函數(shù)法處理近壁區(qū)域方程的過渡計算.
為了得到旋流燃燒煤粉鍋爐習(xí)慣運行工況下的燃燒情況,數(shù)值模擬中旋流燃燒器的風(fēng)速由現(xiàn)場試驗測量得到.
在額定負(fù)荷下,該電廠投入C、D、E、A和F層燃燒器,B層燃燒器備用.旋流燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)為0.94,一次風(fēng)總風(fēng)量為137kg/s,燃盡風(fēng)總風(fēng)量為111.2kg/s,二次風(fēng)(不含燃盡風(fēng))總風(fēng)量為385.6kg/s,實際給煤量為254.66t/h.數(shù)值模擬中旋流燃燒器、燃盡風(fēng)和側(cè)燃盡風(fēng)的入口邊界條件采用速度進(jìn)口條件,入口速度和溫度根據(jù)該電廠習(xí)慣運行工況參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,其主要目的是為了盡可能地模擬實際運行工況下爐內(nèi)的燃燒.出口邊界條件采用壓力出口.煤粉顆粒直徑按照Rosin-Rammler方法分布,顆粒最小直徑為4μm,最大直徑為246μm,平均直徑為51μm,分布指數(shù)為1.15,煤粉細(xì)度R90=23%.
由于全爐膛旋流燃燒的數(shù)值模擬具有控制方程強(qiáng)非線性的特點,在實際模擬中發(fā)現(xiàn),如果一開始就耦合所有的控制方程,數(shù)值模擬的結(jié)果很容易發(fā)散.因此,在計算迭代時首先進(jìn)行冷態(tài)下控制方程(包括連續(xù)性方程和動量方程)的求解.當(dāng)計算迭代5 000步時,殘差曲線基本無變化,通過后處理分析冷態(tài)空氣動力場的特點,發(fā)現(xiàn)旋流燃燒器回流區(qū)的形成比較合理,并未出現(xiàn)射流偏斜的現(xiàn)象,同時二次風(fēng)沒有貼墻,說明冷態(tài)下數(shù)值模擬已經(jīng)收斂,可以進(jìn)行熱態(tài)數(shù)值模擬.在熱態(tài)數(shù)值模擬中,將能量方程收斂的殘差設(shè)為10-6,其他控制方程的殘差設(shè)為10-3,開始熱態(tài)下控制方程組的迭代,在迭代過程中通過設(shè)置監(jiān)視點(包括質(zhì)量守恒性和能量守恒性的監(jiān)視)來查看數(shù)值模擬迭代收斂的情況.整個數(shù)值計算步數(shù)超過了100 000步,從而保證了整個數(shù)值計算的結(jié)果已完全達(dá)到穩(wěn)態(tài).
由于旋流燃燒器燒損,通過現(xiàn)場試驗獲得爐膛的溫度分布相當(dāng)困難.因此,評估數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度主要是與熱力計算結(jié)果進(jìn)行對比(見表1),其中理論燃燒溫度、爐膛出口平均煙氣溫度和屏底溫度的相對偏差分別為2%、5%和2.6%.由表1可知,數(shù)值模擬與熱力計算結(jié)果的溫度偏差在40~80 K,相對偏差在5%以內(nèi).除了爐膛出口平均煙氣溫度有較大的偏差,理論燃燒溫度和屏底溫度的偏差均較小,雖然數(shù)值模擬本身模型也存在一定的缺陷,但數(shù)值模擬結(jié)果仍具有較高的可行性和準(zhǔn)確度.
通過分析旋流燃燒器截面上溫度分布的規(guī)律,尤其是旋流燃燒器噴口附近的溫度場,從而得到旋流燃燒器燒損的內(nèi)在原因.圖4為旋流燃燒器截面上溫度場的分布,其中前墻旋流燃燒器從左墻到右墻的編號依次為1號、2號、3號、4號、5號和6號;后墻旋流燃燒器從左墻到右墻的編號依次為1號、2號、3號、4號、5號和6號,即前墻和后墻旋流燃燒器對應(yīng)位置的編號相同;x表示鍋爐深度方向,m;z表示鍋爐寬度方向,m.由圖4(a)可以看出,旋流燃燒器出口附近的最高溫度能達(dá)到800℃左右,由于旋流燃燒器形成的高溫回流區(qū)卷吸了大量高溫氣體,使得回流區(qū)溫度高達(dá)1 600℃左右.旋流燃燒器附近的火焰溫度超過800℃,因此強(qiáng)烈的高溫氣體輻射熱會燒壞旋流燃燒器.由圖4(a)還可以看出,爐膛中心氣體的溫度最高,前墻左、右邊上的1號和6號旋流燃燒器附近的溫度較低.沿著旋流燃燒器寬度方向,溫度分布不均勻,中間旋流燃燒器的溫度較高,靠近左墻和右墻的旋流燃燒器溫度較低,說明旋流燃燒器沿寬度方向的配風(fēng)不均勻.
表1 數(shù)值模擬與熱力計算結(jié)果的對比Tab.1 Comparison between numerical simulation and thermodynamic calculation K
由圖4(b)可以看出,相比于第一層旋流燃燒器的溫度場,第二層旋流燃燒器高溫區(qū)范圍較寬,整體溫度水平高于第一層旋流燃燒器的溫度水平.旋流燃燒器出口附近的最高溫度能達(dá)到850℃以上,最高溫度比第一層旋流燃燒器的高了100K.前墻和后墻左、右邊上的1號和6號旋流燃燒器附近溫度均較低,這與第一層旋流燃燒器得到的結(jié)果一致,說明第二層旋流燃燒器沿著寬度方向的配風(fēng)不均勻造成了中間旋流燃燒器的空氣量較大,燃燒充分,導(dǎo)致溫度較高,靠近左墻和右墻的旋流燃燒器配風(fēng)不夠,燃燒不充分造成溫度偏低.
由圖4(c)可以看出,相比于第一層和第二層旋流燃燒器的溫度場,第三層旋流燃燒器高溫區(qū)范圍更寬,整體溫度水平更高.旋流燃燒器出口的最高溫度達(dá)到了900℃以上,這是在現(xiàn)場試驗中上層旋流燃燒器燒壞的程度明顯比中、下層旋流燃燒器嚴(yán)重的原因.
綜上,對于OPCC型旋流燃燒器,中、上層旋流燃燒器的溫度明顯比下層旋流燃燒器的溫度高.當(dāng)燃用揮發(fā)分較高、灰熔點較低的印尼煤時,在保證燃燒穩(wěn)定的情況下,應(yīng)該避免出現(xiàn)大的回流區(qū),防止回流區(qū)卷吸的高溫?zé)煔饬窟^大而造成旋流燃燒器燒壞.該電廠旋流燃燒器出現(xiàn)大面積燒壞的一個關(guān)鍵原因是旋流燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度過大,造成回流區(qū)過大,加上燃用印尼煤,從而加劇了中、上層旋流燃燒器大面積燒壞的程度.
由圖4(d)可以看出,前墻水冷壁附近的溫度較高,最高溫度能達(dá)到1 600℃,這是實際檢查中側(cè)燃盡風(fēng)附近旋流燃燒器嚴(yán)重?zé)龎模瑫r水冷壁出現(xiàn)高溫結(jié)渣的原因.
由圖4(e)可以看出,由于燃盡風(fēng)風(fēng)速較大,射流剛性較強(qiáng),回流區(qū)明顯遠(yuǎn)離旋流燃燒器,旋流燃燒器附近的火焰溫度不高,約為500~600℃.現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)燃盡風(fēng)層旋流燃燒器區(qū)域沒有出現(xiàn)燒壞的情況,水冷壁區(qū)域也沒有出現(xiàn)高溫結(jié)渣現(xiàn)象.燃盡風(fēng)層溫度比下層旋流燃燒器溫度低的主要原因是燃盡風(fēng)層的高溫氣體不斷換熱,整體溫度水平降低,另外燃盡風(fēng)風(fēng)速較大,回流區(qū)遠(yuǎn)離旋流燃燒器出口.
針對旋流燃燒器材料方面的缺陷,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,在旋流燃燒器的設(shè)計上進(jìn)行如下改造:
(1)旋流燃燒器一次風(fēng)風(fēng)筒應(yīng)采用高溫耐磨合金鋼整體鑄造,耐熱度、耐磨度和材料強(qiáng)度應(yīng)合格.
(2)在保證旋流燃燒器安全運行方面可以進(jìn)一步優(yōu)化旋流燃燒器的擴(kuò)錐和旋流葉片角度[10-12].該電廠旋流燃燒器出現(xiàn)大面積燒損的一個原因是旋流燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度過大造成回流區(qū)過大,加上燃用印尼煤,從而加劇了中、上層旋流燃燒器大面積燒損的程度.因此,當(dāng)燃用揮發(fā)分較高、灰熔點較低的印尼煤時,在保證燃燒穩(wěn)定的情況下,應(yīng)該減小內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度和軸向葉片的角度,避免出現(xiàn)大的回流區(qū),防止回流區(qū)卷吸高溫?zé)煔饬窟^大而造成旋流燃燒器燒損[3].
(3)中心風(fēng)風(fēng)筒為耐熱鋼,現(xiàn)場觀察到其氧化嚴(yán)重,材料制造質(zhì)量差,從而造成中心風(fēng)風(fēng)筒端部燒損,應(yīng)該改進(jìn)中心風(fēng)風(fēng)筒材料制造的工藝.
(4)陶瓷粘貼工藝不妥易造成陶瓷脫落,使得耐熱等級不高的一次風(fēng)風(fēng)筒在燃燒停運后直接受到火焰的高溫輻射,加劇了損壞,因此建議改進(jìn)陶瓷粘貼工藝,避免陶瓷脫落.
(5)提高中心風(fēng)的速度,使得回流區(qū)的起始位置遠(yuǎn)離旋流燃燒器出口.
(6)對于揮發(fā)分較高的印尼煤,應(yīng)該適當(dāng)增大一次風(fēng)風(fēng)速,減緩煤粉著火的速度,使著火點遠(yuǎn)離旋流燃燒器噴口附近位置.
(7)對于OPCC型旋流燃燒器,建議內(nèi)二次風(fēng)軸向葉片角度設(shè)計為可調(diào)節(jié),減小內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度,擴(kuò)展這種旋流燃燒器對煤種的適應(yīng)性.
為了確保旋流燃燒器安全、穩(wěn)定運行,防止出現(xiàn)旋流燃燒器大面積燒損的惡性事故,在實際運行中需要按照如下運行要求進(jìn)行調(diào)整:
(1)對于沒有投運的旋流燃燒器,應(yīng)增大冷卻風(fēng)風(fēng)量,減少對高溫?zé)煔獾木砦?,要注意檢查風(fēng)門擋板的開度與風(fēng)量是否真實,確保旋流燃燒器的冷卻風(fēng)量,防止冷卻風(fēng)量不足造成旋流燃燒器燒損.
(2)旋流燃燒器一次風(fēng)風(fēng)筒的冷卻能力不足,需要增加冷卻風(fēng)保護(hù).
(3)減小內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量,將開度由90%減小為60%,先觀察調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量的結(jié)果,然后根據(jù)調(diào)整結(jié)果進(jìn)行觀察.
(4)將一次風(fēng)粉管的風(fēng)速增大至25~28m/s,延遲煤粉著火的時間,使得回流區(qū)起始點遠(yuǎn)離旋流燃燒器的出口,尤其是針對揮發(fā)分較高的印尼煤(w(Vdaf)=40.45%),可以適當(dāng)增大一次風(fēng)風(fēng)速.
(5)外二次風(fēng)的開度設(shè)置如下:同層1號和6號旋流燃燒器開度設(shè)置為80%;同層2號、3號、4號和5號旋流燃燒器開度設(shè)置為50%~60%.
(6)停運時中心風(fēng)的風(fēng)量開度設(shè)置為50%,運行時設(shè)置為100%.
(7)對于燃盡風(fēng)旋流燃燒器,將旋流風(fēng)擋板拉桿由400mm減小為200mm.
(8)采用熱電偶定期對旋流燃燒器溫度進(jìn)行測量,保證噴口溫度在材質(zhì)許用溫度范圍內(nèi),一般以800~900℃為宜.
(9)對于停運的旋流燃燒器層,將二次風(fēng)風(fēng)箱兩側(cè)風(fēng)門擋板的開度設(shè)置為10%,將中心風(fēng)擋板的開度設(shè)置為50%.
(1)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度過大是造成OPCC型旋流燃燒器燒損的關(guān)鍵原因,建議減小內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度,擴(kuò)展這種旋流燃燒器對煤種的適應(yīng)性.
(2)旋流燃燒器一次風(fēng)風(fēng)筒應(yīng)采用高溫耐磨合金鋼整體鑄造,耐熱度、耐磨度和材料強(qiáng)度應(yīng)合格.
(3)中心風(fēng)風(fēng)筒為耐熱鋼,現(xiàn)場觀察到其氧化嚴(yán)重,應(yīng)改進(jìn)中心風(fēng)風(fēng)筒材料制造的工藝.
(4)陶瓷粘貼工藝不妥易造成陶瓷脫落,建議改進(jìn)陶瓷粘貼工藝以避免陶瓷脫落.
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