燃燒器布置對(duì)1 000 MW鍋爐熱偏差的影響

劉　輝， 曹慶喜， 韓　冰， 沙　龍， 譚佳健， 秦　明， 陳力哲， 吳少華

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院， 沈陽(yáng) 110869)

燃燒器布置對(duì)1 000 MW鍋爐熱偏差的影響

劉輝1， 曹慶喜1， 韓冰1， 沙龍2， 譚佳健2， 秦明1， 陳力哲1， 吳少華1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院， 沈陽(yáng) 110869)

摘要:為改善單爐膛雙切圓鍋爐燃燒器墻式布置時(shí)爐內(nèi)形成“冷熱角”、易結(jié)渣的問(wèn)題，提出一種新型燃燒器布置方式. 利用Fluent軟件模擬一臺(tái)1 000 MW超超臨界鍋爐燃燒器布置對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)和爐膛上部受熱面熱偏差的影響. 結(jié)果表明，燃燒器采用半墻式半角式布置方式可以有效改善爐內(nèi)的斜橢圓流場(chǎng)，降低前墻中部區(qū)域的溫度，同時(shí)使火焰中心上移，屏底溫度增加；氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的增大導(dǎo)致切向速度提升，切圓直徑增大，爐內(nèi)氣流有偏向側(cè)墻的趨勢(shì). 對(duì)于爐膛出口各截面的煙氣速度、溫度分布不均勻性和爐膛上部受熱面熱偏差增加問(wèn)題，可以采用燃盡風(fēng)偏轉(zhuǎn)等措施來(lái)減小熱偏差.

關(guān)鍵詞:超超臨界；鍋爐；雙切圓燃燒；殘余旋轉(zhuǎn)；熱偏差

切圓燃燒是電站煤粉鍋爐廣泛采用的燃燒方式之一. 由于氣流旋轉(zhuǎn)，后期混合強(qiáng)烈，有利于組織燃燒. 但爐膛出口氣流存在殘余旋轉(zhuǎn)，增加爐膛出口煙氣速度、溫度分布不均，導(dǎo)致爐膛上部受熱面熱偏差大，由此引發(fā)了過(guò)熱器、再熱器局部超溫爆管. 單爐膛四角切圓的鍋爐容量上限為800 MW左右[1], 因此，1 000 MW超超臨界鍋爐廣泛采用單爐膛雙切圓的燃燒方式[2]，其8組燃燒器分別布置在前后墻上(簡(jiǎn)稱墻式布置)，燃燒器射流在爐膛內(nèi)形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立且旋向相反的切圓流場(chǎng)，這種流場(chǎng)組織形式可以使?fàn)t膛上部的煙氣對(duì)流熱偏差和輻射熱偏差在一定程度上相互平衡和補(bǔ)充，進(jìn)而減小爐膛出口煙氣速度、溫度分布的不均勻性[3]. 研究表明，單爐膛雙切圓鍋爐燃燒器墻式布置時(shí)爐內(nèi)呈兩個(gè)斜橢圓，類似于一個(gè)倒“八”字，在爐膛角部形成“冷熱角”，在熱角區(qū)域易發(fā)生結(jié)渣[4-8]. 劉輝等[9]提出了一種新的半墻式半角式燃燒器布置方式，使燃燒器的布置更接近于正方形，以改善爐內(nèi)流場(chǎng)呈斜橢圓形的現(xiàn)象和爐膛前墻“熱角”附近的結(jié)渣問(wèn)題. 但燃燒器布置位置會(huì)對(duì)爐膛上部受熱面熱偏差產(chǎn)生影響.

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬某廠擬建的1 000 MW超超臨界鍋爐，研究燃燒器布置對(duì)爐膛上部各典型截面煙氣速度、溫度分布和受熱面熱偏差的影響，為實(shí)際鍋爐的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

1半墻式半角式燃燒器布置

如圖1所示，單爐膛雙切圓鍋爐燃燒器采用墻式布置方式時(shí)，2號(hào)、5號(hào)燃燒器射流對(duì)1號(hào)、6號(hào)燃燒器射流的沖擊作用較強(qiáng)，使1號(hào)、6號(hào)燃燒器射流偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重，導(dǎo)致爐內(nèi)形成斜橢圓形流場(chǎng)，1號(hào)、6號(hào)燃燒器煤粉射流直接沖向沒有低溫?zé)煔獗Ｗo(hù)的前墻，造成前墻4號(hào)、7號(hào)燃燒器附近結(jié)渣嚴(yán)重.

圖1　墻式燃燒器布置形式下爐內(nèi)流場(chǎng)

為了解決這一問(wèn)題，將布置在爐膛前后墻上靠近爐角處的4組燃燒器(2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和8號(hào))移至爐膛4角，形成半墻式半角式的燃燒器布置方式[10]，如圖2. 這種布置形式改變了各燃燒器之間的間距，使燃燒器更接近于正方形布置. 2號(hào)和5號(hào)燃燒器移至爐膛角部，其射流沖擊1號(hào)和6號(hào)燃燒器射流前的行程更長(zhǎng)，由于速度衰減，沖擊強(qiáng)度有所減小. 與此同時(shí)，1號(hào)和6號(hào)射流在被沖擊前的行程也更長(zhǎng)，更深入半爐膛中心，其射流偏斜程度也有所降低，這就減輕了煤粉氣流對(duì)爐膛前墻中心壁面的沖刷，減小了結(jié)渣的可能.

圖2　半墻式半角式燃燒器布置

2數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

2.1模擬對(duì)象

某電廠擬建的1 000 MW超超臨界褐煤鍋爐采用“Π”型布置，固態(tài)排渣，露天布置，其高×寬×深為76.4 m×36.6 m×17.8 m. 設(shè)計(jì)燃用煤質(zhì)元素分析見表1，鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.

表1　煤質(zhì)元素分析(收到基)　%

表2　鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該鍋爐采用了空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，在主燃區(qū)上方布置了4層燃盡風(fēng)，主燃區(qū)設(shè)置有10層一次風(fēng)，分為上下兩組，選用WR型燃燒器，二次風(fēng)與一次風(fēng)相間布置，在鍋爐實(shí)際滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)只投運(yùn)9層一次風(fēng)，最上層一次風(fēng)處于關(guān)閉狀態(tài).

2.2網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分前先將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒器噴口簡(jiǎn)化為矩形速度入口. 對(duì)主燃區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用三角形棱柱與正交六面體網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格[10]，并在噴口附近進(jìn)行局部加密，采用漸進(jìn)過(guò)度的方式進(jìn)行疏密過(guò)渡區(qū)域劃分，以降低偽擴(kuò)散引起的誤差，提高計(jì)算精度[11]. 網(wǎng)格劃分見圖3，網(wǎng)格數(shù)量為150萬(wàn)左右.

圖3　單爐膛雙切圓鍋爐數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分

2.3數(shù)學(xué)模型

氣相湍流模型選用可實(shí)現(xiàn)的k-ε雙方程模型[12]，煙氣中煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)及其與氣相的耦合計(jì)算采用隨機(jī)軌道模型[13]，采用“簡(jiǎn)化組分定義”法[14]來(lái)考慮水分的影響，揮發(fā)分析出采用雙步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，揮發(fā)分燃燒采用混合分?jǐn)?shù)PDF法[15]，焦炭燃燒模型采用擴(kuò)散動(dòng)力控制燃燒模型[16]，輻射傳熱選用P1模型[17].

2.4邊界條件

模擬時(shí)將漏風(fēng)、周界風(fēng)等風(fēng)量折算到相鄰的一、二次風(fēng)噴口中，各噴口邊界條件設(shè)置見表3.

表3　各噴口邊界條件

采用速度入口作為各噴口入口邊界條件，尾部煙道出口設(shè)為壓力出口，出口壓力設(shè)為-20 Pa，使用reflect條件作為顆粒與水冷壁壁面發(fā)生碰撞時(shí)離散相的邊界條件.

3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在模擬過(guò)程中選取了有代表性的爐膛截面進(jìn)行分析. 如圖4，截面A為折焰角喉口處水平截面；截面B為前、后屏式過(guò)熱器中間的截面；截面C為爐膛出口，位于后屏過(guò)熱器與末級(jí)過(guò)熱器之間，截面D位于末級(jí)過(guò)熱器之后.

圖4　爐膛上部受熱面與分析截面

3.1燃燒器布置對(duì)輻射受熱面吸熱的影響

圖5為不同燃燒器布置時(shí)截面A的煙氣溫度分布對(duì)比. 墻式布置時(shí)截面A的溫度分布呈斜橢圓形，其橢圓長(zhǎng)軸指向前墻中部，其附近溫度較高，而半墻式半角式布置時(shí)截面A的高溫區(qū)不再指向前墻，整個(gè)爐膛前墻中部附近區(qū)域溫度較低. 由于半墻式半角式布置時(shí)各燃燒器射流行程均較長(zhǎng)，同時(shí)爐內(nèi)氣流整體向上運(yùn)動(dòng)，所以在爐內(nèi)形成的高溫火焰中心位置會(huì)稍有上移，進(jìn)而導(dǎo)致半墻式半角式布置時(shí)截面A處的溫度梯度小于墻式布置，并且截面A最高溫度值更高. 燃燒器半墻式半角式布置時(shí)截面A上的高溫區(qū)溫度更高，低溫區(qū)面積更大，溫度分布均勻性有所降低.

圖6為燃燒器兩種布置時(shí)截面B上煙氣溫度分布. 燃燒器半墻式半角式布置時(shí)由于火焰中心的上移，截面B下部半爐膛中心處的高溫區(qū)更為明顯. 同時(shí)，由于兩個(gè)切圓流場(chǎng)分別偏向兩側(cè)墻，爐膛中部的溫度更低，截面B的中心溫度分布明顯下凹，與截面A的溫度分布相比較，截面B煙氣溫度分布均勻性變差.

(a)墻式布置　　　(b)半墻式半角式布置

(a) 墻式布置

(b) 半墻式半角式布置

單爐膛雙切圓鍋爐呈對(duì)稱性，僅對(duì)右半爐膛屏式過(guò)熱器進(jìn)行吸熱分析. 屏式過(guò)熱器屬于輻射受熱面，爐膛內(nèi)高溫火焰的輻射是引起熱偏差的主要原因，由于前屏過(guò)熱器與后屏過(guò)熱器吸熱偏差左右分布趨勢(shì)基本相同，所以分析右半爐膛6片前屏過(guò)熱器吸熱分布. 圖7為右半爐膛自右墻起第1片屏至第6片屏的熱負(fù)荷分布，編號(hào)1～6. 由圖7可知，同一片屏高度方向上，隨高度增加，距離火焰中心距離越遠(yuǎn)，接收的輻射熱量越小，熱負(fù)荷越低，煙氣溫度、煙氣與屏間的換熱量也會(huì)減小. 屏區(qū)下部受熱面對(duì)上部的遮擋作用也會(huì)影響上屏的輻射換熱.

(A)墻式布置

(B)半墻式半角式布置

沿爐膛寬度方向，位于火焰最高溫度正上方的3、4號(hào)屏的熱負(fù)荷高，向兩側(cè)方向逐漸降低. 火焰最高溫度區(qū)處于半爐膛中心，與其對(duì)應(yīng)的屏輻射換熱最強(qiáng)烈，這就使得3、4號(hào)屏的吸熱量最多. 而1號(hào)屏的熱負(fù)荷明顯低于6號(hào)屏，這主要是因?yàn)?號(hào)屏處于對(duì)稱中心附近，同時(shí)接受兩個(gè)半爐膛高溫火焰的輻射，總吸熱量與兩個(gè)半爐膛高溫火焰共同作用有關(guān).

受爐內(nèi)及屏間溫度分布的影響，燃燒器半墻式半角式布置時(shí)，3、4號(hào)屏最大熱負(fù)荷高于墻式布置，這是因?yàn)榘雺κ桨虢鞘讲贾脮r(shí)截面A的半爐膛中心溫度更高，與3、4號(hào)屏的輻射換熱更強(qiáng)烈，而由于溫度分布的不均勻性，也使得1、6號(hào)屏的熱負(fù)荷低于墻式布置時(shí)的熱負(fù)荷. 綜上所述，半墻式半角式燃燒器布置使得爐內(nèi)火焰對(duì)其上部輻射傳熱的不均勻增加.

3.2燃燒器布置對(duì)輻射-對(duì)流受熱面吸熱的影響

圖8為截面C的煙氣速度分布對(duì)比. 燃燒器半墻式半角式布置時(shí)截面C兩側(cè)的高速區(qū)最大速度值有所提升，且高速區(qū)的形狀更為狹長(zhǎng). 這是因?yàn)榘雺κ桨虢鞘讲贾脮r(shí)爐內(nèi)的假想切圓直徑更大，其旋轉(zhuǎn)動(dòng)量也更大，氣流在爐膛上部受慣性力的作用，導(dǎo)致爐內(nèi)兩側(cè)墻附近的煙氣速度值增加，在慣性力的擠壓下使得高速區(qū)更加狹長(zhǎng). 而截面上的低速區(qū)在流場(chǎng)偏向兩側(cè)的影響下向水平煙道上方延伸得更多，使得水平煙道中部速度有所下降. 整體來(lái)看，燃燒器半墻式半角式布置時(shí)截面C上的速度分布不均勻性增加.

圖9為截面C的煙氣溫度分布對(duì)比. 與速度分布趨勢(shì)一致，截面C上的高溫區(qū)面積有所增大，低溫區(qū)面向水平煙道上部延伸. 與此同時(shí)，從高溫區(qū)到低溫區(qū)的溫度梯度與燃燒器墻式布置時(shí)相比明顯增加，整個(gè)截面上溫度分布的均勻性變差.

(a)墻式布置　　　(b)半墻式半角式布置

(a)墻式布置　　　(b)半墻式半角式布置

截面D的煙氣速度、溫度分布在兩種燃燒器布置下的變化情況與截面C類似，在此不再贅述. 為了更直觀通過(guò)煙氣速度和溫度的不均勻性比較對(duì)流過(guò)熱器區(qū)的熱偏差，引入速度偏差E、速度分布不均勻性系數(shù)M對(duì)煙氣速度不均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)[18-19].

(1)

(2)

式中：Vm為所研究截面上的最大速度；σV為標(biāo)準(zhǔn)速度方差定義為

類比引入溫度偏差比G、溫度分布不均勻系數(shù)N進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：

(3)

(4)

式中：Tm為所研究截面上的最大溫度；σT為標(biāo)準(zhǔn)溫度方差，定義為

兩種燃燒器布置方式下截面C和截面D的煙氣速度和溫度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4和5. 可以看出，燃燒器半墻式半角式布置時(shí)右半爐膛的右側(cè)平均速度大于左側(cè)平均速度，且速度偏差比E比墻式布置時(shí)更大. 這是由于旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的增大導(dǎo)致氣流的切向速度有所提升，流場(chǎng)更偏向側(cè)墻. 綜上所述，燃燒器移至爐膛角部后,不同截面煙氣速度分布參數(shù)E和M以及溫度分布參數(shù)G和N都有不同程度的增大.

表4　兩種燃燒器布置下截面C和截面D煙速分布評(píng)價(jià)指標(biāo)

表5　兩種燃燒器布置下截面C和截面D煙溫分布評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜上所述，半墻式半角式布置方式雖然可以很好地改善爐內(nèi)斜橢圓流場(chǎng)，但爐膛上部各受熱面的吸熱偏差有所增加，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可以采取燃盡風(fēng)偏轉(zhuǎn)等措施來(lái)減小熱偏差.

4結(jié)論

1)采用半墻式半角式燃燒器布置方式，可以有效改善爐內(nèi)的斜橢圓流場(chǎng)，減輕了射流偏斜程度，降低了前墻中部區(qū)域溫度，同時(shí)爐內(nèi)高溫火焰中心位置上移，導(dǎo)致屏底溫度有所增加.

2)采用半墻式半角式燃燒器布置方式，爐膛出口水平煙道的各截面兩側(cè)煙氣速度較高，中間區(qū)域的平均速度較低，煙氣的速度分布參數(shù)和溫度分布參數(shù)都有不同程度的增加. 這是由于切圓流場(chǎng)直徑及爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的增大造成的. 鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，可以采取燃盡風(fēng)反切等措施來(lái)減小熱偏差.

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(編輯楊波)

Effects of the burner arrangement on thermal deviation of 1 000 MW boiler

LIU Hui1, CAO Qingxi1, HAN Bing1, SHA Long2, TAN Jiajian2, QIN Ming1, CHEN Lizhe1, WU Shaohua1

(1.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China)

Abstract:To solve the problems of ‘cold and hot corners’ and slagging on the hot corners when the burners of dual circle tangential firing single furnace boilers are wall-arranged, an innovated burners arrangement is proposed, and numerical simulation is carried out for a 1 000 MW ultra super-critical lignite boiler with Fluent, to acquire the influence of burner arrangements on the furnace flow field and thermal deviation of heating surfaces at the furnace outlet. The results show that the boiler using a half-wall-half-corner arrangement can effectively improve the form of the tangential flow field, decrease the temperature in the central region of front wall, but it also makes the combustion center higher and the temperature at the platen bottom higher. The increase of the airflow rotation momentum leads to the higher tangential velocity, and makes the airflow fields closer to the side walls. Both the uniformity of the flue gas velocity distributions and the temperature distributions near the furnace outlet sections decrease, but the thermal deviation of heating surfaces at the furnace outlet increase, which can be improved by some methods such as over-fire air deflection.

Keywords:ultra supercritical; boiler； dual circle tangential firing; residual rotation; thermal deviation

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.018

收稿日期:2015-11-03

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAA12B03)

作者簡(jiǎn)介:劉輝(1972—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

通信作者:劉輝，liuhui@hit.edu.cn

中圖分類號(hào):TK224

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)07-0112-06