1 000 MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐數(shù)值模擬

王敦敦，雷霖，呂當(dāng)振，陳珣

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

1 000 MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐數(shù)值模擬

王敦敦，雷霖，呂當(dāng)振，陳珣

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

采用fluent軟件對(duì)某電廠1 000 MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐進(jìn)行溫度場(chǎng)和氧量場(chǎng)數(shù)值模擬，并將部分模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

超超臨界鍋爐；對(duì)沖燃燒；數(shù)值模擬

隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展，近年來投產(chǎn)了一批1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。為實(shí)現(xiàn)煤粉的高效燃燒、低 NOx排放，減少受熱面熱偏差等，前后墻對(duì)沖旋流燃燒方式逐漸成為主流〔1－2〕。以DG－3033/26.15－Ⅱ1型前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐為研究對(duì)象，采用fluent軟件建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，并將部分模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析。

1 設(shè)備概述

1.1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

DG－3033/26.15－Ⅱ1型超超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，為一次再熱、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、尾部雙煙道、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu) Π 型鍋爐。鍋爐高度為63.325 m，寬度為33.973 4 m，深度為15.558 4 m，折焰角拐點(diǎn)處標(biāo)高為55.802 3 m，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 燃燒設(shè)計(jì)概述

鍋爐燃燒器采用DBC－OPCC型低NOx燃燒器，該燃燒器將燃燒用空氣分為4個(gè)部分，一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng) (也稱三次風(fēng))和中心風(fēng)。燃燒器共有3層，從下往上分別布置在標(biāo)高21.868 7 m，27.688 5 m和33.508 3 m處，每層前后墻各布置有8個(gè)燃燒器，標(biāo)高37.2 m處前后墻各布置2個(gè)側(cè)燃盡風(fēng)噴口，標(biāo)高38 m和41.656 m處前后墻各布置2層共32個(gè)燃盡風(fēng)噴口，燃燒器噴口布置及氣流旋轉(zhuǎn)方向如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒器布置及氣流旋向前視圖

1.3 設(shè)計(jì)煤種數(shù)據(jù)

鍋爐設(shè)計(jì)煤種數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鍋爐設(shè)計(jì)煤種數(shù)據(jù)

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算條件

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)爐膛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將爐膛劃分為3個(gè)區(qū)域，即下部冷灰斗區(qū)域、中部燃燒區(qū)域和燃燒器上方區(qū)域，在3個(gè)區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)燃燒器出口附近采用網(wǎng)格加密處理，便于更為準(zhǔn)確的模擬該區(qū)域的流動(dòng)。由于燃燒器出口存在擴(kuò)口，在網(wǎng)格劃分過程中，通過調(diào)整此區(qū)域網(wǎng)格流線方向，使其與實(shí)際氣流方向盡可能保持較小夾角，防止偽擴(kuò)散的產(chǎn)生〔3－4〕。由于爐頂折焰角上方的屏式過熱器對(duì)于爐膛燃燒的影響較小，對(duì)于對(duì)沖鍋爐的氣流運(yùn)動(dòng)影響也較小，文中并未畫出屏式過熱器，以簡(jiǎn)化物理模型。爐膛結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格分布如圖2所示，最終統(tǒng)計(jì)爐膛網(wǎng)格數(shù)量約為145萬。

2.2 數(shù)學(xué)模型

爐膛內(nèi)煤粉的燃燒涉及氣相湍流流動(dòng)與換熱、煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)、揮發(fā)分析出與焦炭燃燒、氣固兩相及水冷壁之間換熱等〔5〕。在本文中，氣相湍流流動(dòng)采用帶旋流修正的Realizable k-epsilon模型；氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)模型；輻射傳熱計(jì)算采用P1模型；顆粒運(yùn)動(dòng)采用隨機(jī)軌道模型；煤粉燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)以及各組分的輸送采用非預(yù)混燃燒模型；煤粉揮發(fā)分析出采用單速率模型〔6－7〕；焦炭燃燒計(jì)算采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型；對(duì)于近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算。

巴烏是音樂教學(xué)中常用的樂器，它音域較窄，簡(jiǎn)單易學(xué)，在教學(xué)過程中，老師先讓學(xué)生熟悉巴烏的十個(gè)音節(jié)，知道是低音，1 2 3 4 5 6是中音，并讓學(xué)生在巴烏上找出各個(gè)音對(duì)應(yīng)的位置，然后音樂老師再進(jìn)行示范演奏，讓學(xué)生模仿自己吹奏單音，從低音到中音進(jìn)行逐一體驗(yàn)式練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的音高概念和識(shí)譜能力，正所謂“冰凍三尺非一日之寒”，再有天賦的學(xué)生也要通過反復(fù)操練才能把握好音調(diào)的高低和演奏的節(jié)奏。小學(xué)生樂器的學(xué)習(xí)不能過于死板，老師要以組織游戲的方式進(jìn)行樂器的教學(xué)，寓教于樂是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的重要手段，同時(shí)也讓他們感受到學(xué)習(xí)巴烏演奏的樂趣。

圖2 爐膛結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格分布

2.3 邊界條件的設(shè)置

該模擬工況為采用設(shè)計(jì)煤種，額定負(fù)荷下鍋爐燃燒狀況，其中投運(yùn)磨煤機(jī)為BCDEF。燃燒器入口的邊界條件按照額定工況下的設(shè)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置，均采用速度入口邊界條件，具體情況如表3所示。爐膛出口設(shè)置為自由流出(outflow)條件。水冷壁采用無滑移，溫度邊界添加，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，在額定負(fù)荷時(shí)，水冷壁平均溫度為400℃。煤粉顆粒直徑分布遵循Rosin-Rammeler分布，最小直徑為5 μm，最大直徑為250 μm，平均直徑為55 μm，分布指數(shù)為1.1。

表3 燃燒器入口邊界條件設(shè)置

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)以上邊界條件進(jìn)行設(shè)置后，模擬結(jié)果顯示，鍋爐爐膛出口含氧量為2.95%，飛灰含碳量為1.48%。根據(jù)電廠化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在額定負(fù)荷，燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，省煤器出口含氧量為2.89%時(shí)，飛灰含碳量為1.83%，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。這表明，本文采用的數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置能夠合理地模擬該鍋爐的內(nèi)部流動(dòng)、傳熱和燃燒特性。

3.1 爐膛溫度分布

如圖3所示為爐膛的截面溫度分布，其中左側(cè)圖為距離前墻1.25 m處的截面分布，右側(cè)圖為距離右墻15 m處的縱截面溫度分布。從圖中可以看出，高溫區(qū)域位于第1層燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域。由于對(duì)沖鍋爐的燃燒器布置特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行表明，靠近左右側(cè)墻附近溫度比較高，此區(qū)域容易出現(xiàn)高溫腐蝕和結(jié)渣現(xiàn)象，這與模擬結(jié)果相一致。

圖3 爐膛截面溫度分布

圖4 所示為現(xiàn)場(chǎng)采用紅外高溫計(jì)測(cè)量不同高度爐膛溫度最高值，與相同部位最高模擬值進(jìn)行對(duì)比。其中標(biāo)高21～34 m分別為1—3層燃燒器高度，標(biāo)高41 m為最上層燃盡風(fēng)高度，標(biāo)高56 m為折焰角部位。從圖4可以看出，實(shí)測(cè)值與模擬值在溫度分布趨勢(shì)上較為一致，從第1—3層燃燒器區(qū)域，爐膛溫度逐漸下降，表明燃燒器區(qū)域處于欠氧燃燒狀態(tài)，在燃盡風(fēng)區(qū)域補(bǔ)入充足氧氣后，煤粉得以充分燃燒，因此最上層燃盡風(fēng)區(qū)域爐膛溫度會(huì)有上升趨勢(shì)。

圖4 沿高度方向爐膛溫度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

3.2 爐膛氧量分布

如圖5所示為爐膛的截面氧量摩爾分?jǐn)?shù)分布，其中左側(cè)圖為距離前墻1.25 m處的截面分布，右側(cè)圖為距離右墻15 m處的縱截面分布。從左側(cè)圖可以看出，沿高度方向，第1層燃燒器區(qū)域氧量較低，第2，3層燃燒器區(qū)域氧量較高；在燃盡風(fēng)區(qū)域，氧量呈現(xiàn)中間高、兩邊低的特點(diǎn)。從右側(cè)圖可以看出，在爐膛中心方向，氧量偏低，在燃盡風(fēng)高度，氧量已經(jīng)比較充分，煤粉顆粒得以充分燃盡，這與溫度場(chǎng)分布和計(jì)算飛灰含碳量結(jié)果較為吻合。計(jì)算得到的氧量濃度分布較為合理，因此采用的燃燒模型較為準(zhǔn)確。

圖5 爐膛截面氧量摩爾分?jǐn)?shù)分布

4 結(jié)論

1)采用合理的數(shù)學(xué)模型，對(duì)1 000 MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際相比，飛灰含碳量計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值較為符合，表明在該工況下，數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性良好。

2)爐膛溫度模擬結(jié)果顯示，沿高度方向，各層燃燒器 (燃盡風(fēng))最高溫度與實(shí)測(cè)最高溫度分布趨勢(shì)較為一致，說明燃燒溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果較為合理可信。

3)爐膛氧量模擬結(jié)果顯示，在燃盡風(fēng)寬度方向，氧量分布呈現(xiàn)中間高兩邊低的特性。燃盡風(fēng)高度，氧量較為充分，這與溫度場(chǎng)分布和計(jì)算飛灰含碳量結(jié)果較為吻合，說明氧量場(chǎng)模擬結(jié)果較為合理。

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1 000 MW ultra-supercritical boiler hedge combustion numerical simulation

WANG Dundun，LEI Lin，LYU Dangzhen，CHEN Xun

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，the temperature and oxygen content field of 1 000 MW ultra-supercritical hedge combustion boiler are simulated by using fluent software，and some simulation results are compared with actual operation parameters.The conclusions show that the numerical simulation results are in good agreement with the actual result，which verifies the reliability of numerical simulation.

ultra-supercritical boiler；hedge combustion；numerical simulation

TM229.6

B

1008-0198(2015)05-0020-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.005

2015-04-08