基于數(shù)值模擬的超臨界鍋爐SOFA風(fēng)對(duì)煙氣偏差影響研究

蔡泓銘

（廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600）

基于數(shù)值模擬的超臨界鍋爐SOFA風(fēng)對(duì)煙氣偏差影響研究

蔡泓銘

（廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600）

對(duì)于四角切圓燃燒鍋爐，爐膛出口水平煙道的煙氣偏差過大會(huì)造成過熱汽溫偏差，增加管子的熱應(yīng)力，影響鍋爐安全運(yùn)行。采用燃燼風(fēng)反切方式是一種減少煙氣偏差的有效方法。現(xiàn)代超臨界四角切圓燃燒鍋爐因采用水平角度可調(diào)節(jié)的風(fēng)門，為燃燼風(fēng)反切提供了方便。通過對(duì)某600MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同燃燼風(fēng)運(yùn)行工況對(duì)煙氣偏差的影響。結(jié)果表明：超臨界四角切圓燃燒鍋爐水平煙道截面煙溫和煙速均呈現(xiàn)右側(cè)高于左側(cè)的分布規(guī)律；SOFA（分離燃燼風(fēng)）反切可以有效地改善煙氣偏差，其反切角越大，投運(yùn)的反切SOFA風(fēng)層離爐膛出口越遠(yuǎn)，改善煙氣偏差效果越明顯。該結(jié)果對(duì)改善大型超臨界鍋爐煙氣偏差，簡(jiǎn)化燃燒調(diào)整，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行具有指導(dǎo)作用。

超臨界鍋爐；數(shù)值模擬；燃燼風(fēng)反切；煙氣偏差

0 引言

對(duì)于大型電站鍋爐，特別是四角切圓燃燒鍋爐，其水平煙道煙氣偏差一直是影響過熱器和再熱器安全運(yùn)行的因素之一。爐膛出口及水平煙道煙氣偏差主要是爐內(nèi)氣流的殘余旋轉(zhuǎn)和引風(fēng)機(jī)牽引動(dòng)量共同作用的結(jié)果。在設(shè)計(jì)上可以采用過熱器和再熱器左右交叉布置方式來減少蒸汽偏差；在運(yùn)行調(diào)整上可以通過燃燒配風(fēng)方式的改變來減少煙氣偏差。

鍋爐爐內(nèi)燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的湍流流動(dòng)及傳熱過程。對(duì)于這種兩相流動(dòng)的燃燒過程，描述溫度場(chǎng)分布及煙氣偏差，用經(jīng)典的分析解方法不可能做出精確預(yù)測(cè)［1］，此外，由于現(xiàn)在超臨界鍋爐熱容量大和煙氣量比較大，水平煙道煙溫在電廠實(shí)際運(yùn)行鍋爐中只是在啟動(dòng)時(shí)投入煙溫探針，當(dāng)煙溫大于650℃時(shí)煙溫探針自動(dòng)收回。在實(shí)時(shí)DCS數(shù)據(jù)采集中因高溫在爐膛出口處也不設(shè)置測(cè)點(diǎn)。如果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)?；囼?yàn)既困難又浪費(fèi)大量人力物力。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，既滿足了精度的要求，又節(jié)約成本。通過數(shù)值模擬可以揭示出水平煙道煙溫的分布情況。

國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)煙氣偏差進(jìn)行數(shù)值模擬研究［2-7］，研究的內(nèi)容主要是一次風(fēng)和二次風(fēng)參數(shù)對(duì)切圓和煙氣偏差的影響。對(duì)于超臨界鍋爐，因燃燒器布置復(fù)雜，一次風(fēng)和二次風(fēng)的水平擺角調(diào)整鍋爐正常運(yùn)行影響較大。如果穩(wěn)定一次風(fēng)和二次風(fēng)，僅改變?nèi)紶a風(fēng)運(yùn)行狀況來調(diào)整鍋爐煙氣偏差，則可以簡(jiǎn)化運(yùn)行操作，有利于鍋爐安全運(yùn)行，更有現(xiàn)實(shí)意義。

以某臺(tái)配備Alston燃燒器的600MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐為例，通過數(shù)值模擬，在一次風(fēng)和二次風(fēng)參數(shù)不變的情況下，研究不同燃燼風(fēng)工況對(duì)煙氣偏差的影響。

1 計(jì)算模型選擇說明

煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，它包括揮發(fā)份的釋放、焦炭的燃燒、輻射傳熱、顆粒運(yùn)動(dòng)和氣相流動(dòng)及湍流燃燒。

對(duì)于氣相流動(dòng)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。爐內(nèi)的氣相物質(zhì)作為連續(xù)相介質(zhì)，在歐拉（Eulerian）坐標(biāo)系中描述。其三維流動(dòng)的控制方程為

式中：Φ代表所有的氣相變量，如速度的3個(gè)分量u、v、w；壓力 P、湍流動(dòng)能k及其耗散率，混合分?jǐn)?shù)f及其脈動(dòng)均方值g和比焓h等。氣體的源項(xiàng)或匯項(xiàng)為 SΦ，而 SpΦ是由固體顆粒引起的源項(xiàng)。

控制方程的離散采用控制容積積分法（control volume approach），對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，壓力—速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

對(duì)于煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)模型，在拉格朗日（Lagrangian）坐標(biāo)系中描述。并考慮兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量之間的相互作用。采用以下煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)于煤粉燃燒模型，采用守恒標(biāo)量的PDF模型模擬非預(yù)混燃燒。非預(yù)混模擬方法的基礎(chǔ)為在系列簡(jiǎn)化假設(shè)下，流體的瞬時(shí)熱化學(xué)狀態(tài)與一個(gè)守恒量即混合分?jǐn)?shù)f相關(guān)。

對(duì)于輻射模型，選用P1模型，P1法是最簡(jiǎn)單的一種球諧函數(shù)法，它假定介質(zhì)中的輻射強(qiáng)度沿空間角度呈正交球諧函數(shù)分布，并將含有微分、積分的輻射能量傳遞方程轉(zhuǎn)化為一組偏微分方程，聯(lián)立能量方程和相應(yīng)邊界條件，求出輻射強(qiáng)度和溫度的空間分布。

2 鍋爐造型

鍋爐燃燒系統(tǒng)按配中速磨冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。在主燃燒器和爐膛出口之間布置有1組共5層SOFA燃燒器噴嘴（距上排燃燒器噴口中心 9 180mm）。

利用AutoCAD軟件對(duì)研究的超臨界四角切圓鍋爐進(jìn)行造型，并導(dǎo)入到Gambit軟件中進(jìn)一步完善。在一次風(fēng)和二次風(fēng)不變的情況下，研究燃燼風(fēng)變化對(duì)于煙氣偏差的影響。由于在滿負(fù)荷工況下一般運(yùn)行 A、B、C、D、E 5層一次風(fēng)， 同時(shí)相應(yīng)投入 AA、AB、BC、CD、DE、EE 6層二次風(fēng)，以及 4層 SOFA 風(fēng)。本數(shù)值模擬從簡(jiǎn)化模型出發(fā)，在鍋爐造型時(shí)主燃燒區(qū)四角繪制5層一次風(fēng)噴口和6層二次風(fēng)噴口；在燃燼風(fēng)區(qū)域四角繪制5層SOFA風(fēng)，并從下到上標(biāo)示為SOFA1層、SOFA2層、SOFA3層、SOFA4層和 SOFA5層。同時(shí)由于CCOFA（緊湊燃燼風(fēng)）風(fēng)量占總風(fēng)量的比重較少，在鍋爐造型中不考慮CCOFA風(fēng)噴口。

鍋爐造型說明如圖1所示。

圖1 鍋爐造型說明

3 網(wǎng)格劃分說明

在完成了造型后，根據(jù)爐膛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把整個(gè)計(jì)算區(qū)域爐膛由下至上分為7個(gè)區(qū)域：冷灰斗區(qū)域、冷灰斗與燃燒器之間區(qū)域、燃燒器區(qū)域、燃燒器與折焰角之間區(qū)域、折焰角區(qū)域、頂棚區(qū)域和水平煙道區(qū)域。為了改善區(qū)域之間的過渡，研究中不使用非一致網(wǎng)格技術(shù)，而是盡量使?fàn)t膛橫截面在Z軸方向的網(wǎng)格盡量一致，采用四面體網(wǎng)格來劃分體網(wǎng)格。

為了避免在燃燒器噴口附近出現(xiàn)偽擴(kuò)散現(xiàn)象［8］，將燃燒器區(qū)域水平面劃分生成的網(wǎng)格如圖2所示。此網(wǎng)格避免了燃燒器噴口處速度方向與網(wǎng)格成45°角，從而可以有效地避免偽擴(kuò)散的出現(xiàn)。

圖2 燃燒器水平面網(wǎng)格劃分

在燃燒器區(qū)域，為了充分考慮噴口與四周的銜接性、燃燒器區(qū)域與上下過渡區(qū)及冷灰斗區(qū)域的銜接性能，在網(wǎng)格劃分時(shí)，燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格劃分較為密集，其他區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較稀，采用1∶1.20的比例逐步往上下過渡，避免采用interface（非一致網(wǎng)格）。從而大大地改善了各項(xiàng)的收斂性。整個(gè)爐膛區(qū)域劃分網(wǎng)格數(shù)為80多萬個(gè)。

4 參數(shù)設(shè)置說明

研究主要是針對(duì)投運(yùn)不同層數(shù)SOFA風(fēng)及反切不同角度時(shí)對(duì)水平煙道煙氣偏差的影響。對(duì)不同工況的模擬采用相同的煤質(zhì)，煤質(zhì)分析及顆粒粒徑及容重見表1~2所示，一次風(fēng)噴口和二次風(fēng)噴口及燃燼風(fēng)噴口參數(shù)如表3所示。投運(yùn)A至E層燃燒器，各層一次風(fēng)量和各層二次風(fēng)量平均分配，投用的噴口有 A、B、C、D、E 5 層一次風(fēng)噴口，AA、AB、BC、CD、DE、EE 6層二次風(fēng)噴口以及各層SOFA風(fēng)。

5 計(jì)算工況說明

本文分別選取4個(gè)不同燃燼風(fēng)運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析水平煙道的煙溫分布和煙速分布。4個(gè)不同計(jì)算工況為：在其他參數(shù)設(shè)置不變的基礎(chǔ)上，考慮不同的SOFA風(fēng)運(yùn)行工況，如表4所示。SOFA風(fēng)投運(yùn)均按4層均勻配風(fēng)考慮。

表1 燃料煤質(zhì)分析

表2 顆粒粒徑及容重

表3 參數(shù)設(shè)置說明

工況1為投運(yùn)SOFA1~SOFA4 4層燃燼風(fēng)，停運(yùn)SOFA5層燃燼風(fēng)，SOFA風(fēng)反切角度為5°；

工況2在工況1的基礎(chǔ)上，SOFA風(fēng)反切角度改變?yōu)?10°；

工況3在前兩個(gè)工況的基礎(chǔ)上，SOFA風(fēng)反切角度改變?yōu)?5°；

工況4投運(yùn)SOFA2～SOFA5 4層燃燼風(fēng)，停運(yùn)SOFA1層燃燼風(fēng)，SOFA風(fēng)反切角度為15°。

表4 計(jì)算工況說明

6 煙氣偏差仿真結(jié)果及分析

分別對(duì)表4中的工況進(jìn)行熱態(tài)模擬，水平煙道截面煙溫分布如圖3所示，水平煙道截面煙速分布如圖4所示。

圖3 水平煙道煙溫分布（X=25 000mm）

結(jié)合圖3，對(duì)于4個(gè)工況的煙溫分布分析如下。

工況1的煙溫偏差最大，鍋爐水平煙道右側(cè)煙氣溫度大于左側(cè)溫度，水平煙道截面存在較大的煙溫偏差，兩側(cè)的煙溫偏差值達(dá)到200℃左右，大部分區(qū)域的煙溫在1 240～1 340 K。

工況2的水平煙道截面也是右側(cè)煙溫大于左側(cè)煙溫，鍋爐水平煙道截面煙溫偏差值下降為150℃，與工況1的煙溫偏差情況有所改善，有較大的區(qū)域溫度一致，為1330 K左右，證明反切SOFA風(fēng)可以有效地降低煙溫偏差。

工況3的水平煙道煙溫偏差程度與前兩個(gè)工況相比，已經(jīng)大大改善，大部分區(qū)域煙溫在1 300 K左右。說明在其他條件不變的情況下，SOFA風(fēng)反切15°后，水平煙道煙溫偏差已不明顯，可以作為運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整參考值。

工況4的水平煙道煙溫分布表明：SOFA風(fēng)反切15°，水平煙道截面整體呈現(xiàn)右側(cè)煙溫高于左側(cè)，偏差程度不大，大部分區(qū)域的溫度也在1 300 K以上，煙溫偏差值在100℃左右。但與工況3相比，工況3的煙溫偏差要比工況4小。表明反切運(yùn)行不同層的SOFA風(fēng)，對(duì)煙氣偏差情況會(huì)產(chǎn)生不同影響。投運(yùn)的反切SOFA風(fēng)層離主燃燒器的距離越近，離爐膛出口越遠(yuǎn)，改善水平煙道的煙氣偏差效果就越好。

圖4 水平煙道煙速分布（X=25 000mm）

結(jié)合如圖4對(duì)4個(gè)工況的煙速分布分析如下。

工況1計(jì)算結(jié)果表明，水平煙道截面右側(cè)煙速明顯大于左側(cè)煙速，右側(cè)速度為11.4m／s，左側(cè)速度為6m／s，最大速度偏差達(dá)到5m／s以上，并且煙速呈現(xiàn)由右側(cè)向左側(cè)遞減的規(guī)律。在水平煙道截面左下側(cè)及中下側(cè)，出現(xiàn)最低速區(qū)。因?yàn)樽髠?cè)煙速較小，受到折焰角的擠壓后，局部出現(xiàn)回流，而使水平煙道截面左下側(cè)區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)。由于水平煙道布置的換熱器主要以對(duì)流換熱為主，其煙速偏差大也是造成過熱器和再熱器出現(xiàn)汽溫偏差的重要原因。該結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況相符。

工況2水平煙道截面煙速仍然是右側(cè)煙速大于左側(cè)煙速，煙速分布呈現(xiàn)由右向左遞減，在水平煙道截面左下側(cè)也出現(xiàn)了低速區(qū)域，其產(chǎn)生原因與工況1一致。但與工況1相比，煙速偏差得到明顯改善，左右兩側(cè)煙速最大偏差降為4m／s左右。

工況3水平煙道截面煙速分布也存在煙速分布呈現(xiàn)由右側(cè)向左側(cè)遞減的規(guī)律，但左右兩側(cè)最大煙速偏差小于3m／s，與前兩個(gè)工況相比，左右兩側(cè)的煙速偏差大大改善，表明SOFA風(fēng)反切角度增大對(duì)水平煙道煙氣偏差的改善結(jié)果明顯。其結(jié)果可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)燃燒優(yōu)化調(diào)整。

工況4的計(jì)算結(jié)果與工況3相比較，發(fā)現(xiàn)工況3改善煙速偏差和糾正煙氣殘余旋轉(zhuǎn)的能力明顯優(yōu)于工況4。表明反切運(yùn)行不同層的SOFA風(fēng)，對(duì)煙速偏差影響也不同。投運(yùn)的反切SOFA風(fēng)層離主燃燒器的距離越近，離爐膛出口越遠(yuǎn)，改善水平煙速偏差效果就越好。

7 結(jié)語

以某600MW超臨界鍋爐為研究對(duì)象，結(jié)合其所配備的Alston燃燒器布置與調(diào)整狀況，利用fluent軟件模擬研究了水平煙道煙氣偏差情況，在其他情況不變下，改變SOFA風(fēng)反切角度和投運(yùn)不同SOFA風(fēng)層，計(jì)算得到如下結(jié)論：

超臨界四角切圓燃燒鍋爐水平煙道截面煙溫和煙速分布均呈現(xiàn)右側(cè)高于左側(cè)的規(guī)律；其結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況相符；

在其他情況不變時(shí)，SOFA反切可以有效地改善煙氣偏差。在一定范圍內(nèi)，其反切角度增大，改善煙氣偏差效果越明顯；

在其他情況不變時(shí)，投運(yùn)不同層的反切SOFA風(fēng)，對(duì)煙氣偏差影響也不同。投運(yùn)的反切SOFA風(fēng)層離主燃燒器的距離越近，離爐膛出口越遠(yuǎn)，改善煙氣偏差效果越好。

上述研究結(jié)果在一次風(fēng)二次風(fēng)及給煤量不變的情況下，僅改變SOFA風(fēng)運(yùn)行工況，對(duì)改善大型超臨界鍋爐煙氣偏差，簡(jiǎn)化燃燒調(diào)整，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行具有指導(dǎo)作用。

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Influence of SOFA to Flue Gas Deviations of Supercritical Boilers Based on Numerical Simulation

CAI Hongming
（Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei，516600，China）

For corner tangential firing boiler，the temperature deviation of the super-heated steam will cause high thermal stress on the pipes which will affect the safety of the boiler.This problem is mainly caused by the temperature and velocity deviations of the flue gas at the furnace’s horizontal outlet.The reversed tangential technology is an effective method of reducing these gas deviation.Modern supercritical boilers corner tangential firing boilers usually adopt the air doors which can be horizontal adjusted.This provides a convenient way for the reversed tangential adjustment of the burn-out wind.Based on a 600MW supercritical boiler of corner tangential firing，the paper used the numerical simulation to study on effects of flue gas deviation under different SOFA （Separated over fired air） operation.The simulation results show that firstly，on the right side of horizontal flue，flue gas temperature and velocity are both significantly higher than those of the flue gas on the left side.Secondly，the supercritical corner tangentially fired boiler；the reversed tangential SOFA can effectively reduce the flue gas deviation.The effect on reducing the flue gas deviation increases with the increasing reversing angle of the SOFA as well as with the increasing distance between the reversed SOFA area and the furnace outlet.For large-scale supercritical boiler，these results provide practical guidance on reducing flue gas deviations，simplifying combustion adjustment and optimizing the boiler operation.

supercritical boiler；numerical simulation；reversed tangential OFA；flue gas deviations

TM621.2

：A

：1007－9904（2017）07－0052－06

2017-04-17

蔡泓銘（1984），男，工程師，主要從事電廠設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行工作。