基于水冷壁壁溫的爐膛火焰中心位置預(yù)測方法

陳有福， 徐頌梅， 管詩駢， 丁建良， 姚旭東， 趙伶玲

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211102； 2. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

鍋爐爐膛的火焰中心是體現(xiàn)鍋爐燃燒狀況的重要因素，是爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的直接反映?；鹧嬷行娜绻l(fā)生偏斜，不僅影響爐膛內(nèi)煙氣溫度場及流場分布，還會影響受熱面的磨損、結(jié)渣以及吸熱量的分配等，嚴重時會導(dǎo)致爐內(nèi)受熱面的傳熱惡化、水冷壁和屏式受熱面的超溫爆管。因此，及時有效地監(jiān)測火焰中心是否偏斜，為運行人員提供預(yù)警和參考，具有一定的理論與實際應(yīng)用價值。

當前關(guān)于火焰中心位置的研究一般是通過溫度場模擬、火焰光譜信息處理等[1-3]；但實際鍋爐巨大的爐膛空間使得火焰中心難以測量，在鍋爐上安裝大量測點又耗資巨大，施工困難。因此，如能利用鍋爐現(xiàn)有測點，簡單有效地預(yù)測火焰中心是否偏斜，將大幅度地節(jié)約成本，提高鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。

為了提高預(yù)測準確度，同時減小預(yù)測過程的復(fù)雜度，筆者提出了一種基于鍋爐水冷壁壁溫的爐膛火焰中心位置預(yù)測方法，并以某600 MW電站鍋爐為例，驗證預(yù)測方法的可行性和準確性。

1 預(yù)測思路

鍋爐爐膛內(nèi)熱量交換主要是高溫?zé)煔鈱λ浔诘妮椛鋫鳠帷．敔t膛火焰中心未發(fā)生偏移，以四角切圓鍋爐為例，由于鍋爐橫截面為近似的正方形，所以四面墻的水冷壁接受爐內(nèi)高溫?zé)煔廨椛涞膫鳠崃繎?yīng)近似相等，其各面墻水冷壁的壁溫分布也應(yīng)近似相同[4]。若火焰中心發(fā)生偏斜，高溫?zé)煔鈱λ拿鎵λ浔诘妮椛鋫鳠崃堪l(fā)生了改變，水冷壁壁溫會產(chǎn)生規(guī)律性的變化，即靠近火焰中心的水冷壁壁溫將整體升高，遠離火焰中心的水冷壁壁溫將整體降低。

筆者提出了一種基于四角切圓鍋爐下部水冷壁(垂直型)已有溫度測點的爐膛火焰中心位置預(yù)測方法，將爐膛火焰中心位置預(yù)測分為兩個部分：第一部分建立爐膛火焰中心位置與水冷壁壁溫分布計算模型及數(shù)據(jù)庫，第二部分利用第一部分所建模型和數(shù)據(jù)庫進行爐膛火焰中心位置的判定。具體流程圖見圖1。

圖1 爐膛火焰中心位置預(yù)測方法流程圖

2 熱負荷分布與壁溫分布數(shù)據(jù)庫

2.1 爐膛計算區(qū)域劃分

為便于計算，將爐膛沿高度和寬度方向分區(qū)，沿高度方向分為20個計算區(qū)域，沿寬度和深度方向分為10 × 10的計算區(qū)域，見圖2。圖2中還給出了爐膛燃燒器的布置區(qū)域和燃盡風(fēng)位置情況，爐墻上的實心點(右邊)為鍋爐水冷壁壁溫?zé)犭娕嫉牟贾梦恢谩?/p>

圖2 爐膛計算區(qū)域劃分及測點位置示意圖

2.2 計算模型

水冷壁管壁溫度按下式計算：

(1)

式中：tcr為計算出的水冷壁管壁溫度，℃；t為水冷壁管計算截面上流動介質(zhì)的平均溫度，℃；Δt為水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度大于該截面平均溫度的值，K；β為管子外徑與內(nèi)徑的比值；μ為熱散漫系數(shù)；q為水冷壁管外表面的熱負荷，kW/m2；δ為管子壁厚，m；λm為水冷壁管的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·s·K)；α為管壁向被加熱介質(zhì)的放熱系數(shù)，kJ/(m2·s·K)。

其中，每一計算區(qū)域的熱負荷為：

故水冷壁壁面熱負荷可通過水冷壁壁面的熱負荷不均勻系數(shù)計算得到。其中，ηa、ηb的取值隨著爐內(nèi)火焰中心位置的改變而變化。由此可見，爐膛熱負荷與爐膛火焰中心位置是相互關(guān)聯(lián)的，故可建立爐膛熱負荷與爐膛火焰中心位置的預(yù)測模型。

計算所選用的沿爐膛高度和寬度方向熱負荷不均勻系數(shù)[4]見圖3。爐膛出口區(qū)域的相對高度為0.9～1.0，燃燒器區(qū)域為0.2～0.55，其余部分為爐墻水冷壁。

圖3 熱負荷不均勻系數(shù)

爐膛相對高度x、相對寬度y處區(qū)域水冷壁工質(zhì)焓值為：

(2)

式中：qy為在爐膛相對高度x、相對寬度y處區(qū)域的熱負荷，kW/m2；qx為爐膛相對高度x處的平均熱負荷， kW/m2；Δi為工質(zhì)相對高度x處的平均焓增，kJ/kg；ix-1為工質(zhì)在計算高度x-1下的平均焓值，kJ/kg。

通過鍋爐爐膛熱力計算可得到整個爐膛的平均熱負荷，之后編制水冷壁壁溫與火焰中心位置關(guān)系的計算程序。

2.3 數(shù)據(jù)庫建立

將鍋爐不同負荷、一次風(fēng)量和風(fēng)溫、二次風(fēng)量和風(fēng)溫下爐膛熱負荷分布與水冷壁壁溫分布相對應(yīng)，并存入數(shù)據(jù)庫中。通過預(yù)計算得到工況分布下的熱負荷分布與水冷壁壁溫分布一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)，形成完整的數(shù)據(jù)庫。

3 算例分析

3.1 研究對象

筆者以HG-1792/26.15-YM型600 MW機組鍋爐為例進行模型建立與分析。該鍋爐采用П形布置、單爐膛、改進型NOx主燃燒器和MACT型低NOx分級送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式。鍋爐燃用的煤種為芙蓉貧煤，采用中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，每爐配6臺磨煤機。計算工況為75%最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)，該負荷4臺磨煤機運行，燃燒器開4層，并在燃燒器上部布置燃盡風(fēng)。表1給出了該工況下的主要參數(shù)。

表1 75%BMCR工況參數(shù)

爐膛水冷壁采用焊接膜式壁、內(nèi)螺紋管垂直上升式，爐膛斷面尺寸為17.666 m×17.628 m，水冷壁管共有1 584根，前后及兩側(cè)墻各396根，均為管徑為28.6 mm、最小壁厚為6.4 mm的四頭螺紋管，在上下爐膛之間裝設(shè)了一圈中間混合集箱，以消除下爐膛工質(zhì)吸熱與溫度的偏差。

在下部水冷壁出口，即進入過渡聯(lián)箱處，沿爐膛橫截面四周裝有64個熱電偶測量水冷壁管壁溫度，每面爐墻均勻布置了16個。

3.2 計算模型驗證

首先由火焰中心未偏移工況對該計算模型進行驗證，將整個爐膛區(qū)域視作一個二維的壁面，水冷壁壁溫沿爐膛高度與寬度方向變化。通過鍋爐爐膛整體的熱力計算得到鍋爐爐膛的平均熱負荷與工質(zhì)參數(shù)，通過熱負荷分配系數(shù)可求得爐膛內(nèi)不同高度與寬度水冷壁熱負荷大小，通過計算所得工質(zhì)參數(shù)與爐膛內(nèi)不同高度與寬度水冷壁熱負荷大小可求得水冷壁壁溫分布。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的沿爐膛高度方向工質(zhì)溫度與水冷壁壁溫分布曲線見圖4，通過編制的計算程序，計算所得不同爐膛高度橫截面水冷壁壁溫分布曲線見圖5。

由圖4可以看出：在燃燒器區(qū)域，水冷壁溫度達到最大值，此時工質(zhì)溫度上升速度也最大。在爐膛中部區(qū)域工質(zhì)處于大比熱容區(qū)[5-7]，溫度上升速度較慢。在爐膛遠離燃燒器區(qū)域位置，由于熱負荷較低，水冷壁壁溫也較低[8]。圖5中選取的三個相對高度截面分別為燃燒器區(qū)域下部(x=0.2)、燃燒器區(qū)域(x=0.6)和爐膛出口(x=0.95)。由于此時計算的是火焰中心在爐膛中心沒有偏移時的工況，因而水冷壁壁溫沿爐膛寬度方向均為對稱分布，在離火焰中心較近處水冷壁壁溫較高，遠離火焰中心處水冷壁壁溫較低。在燃燒器區(qū)域煙溫較高，故該處熱負荷較大，且在火焰中心未偏移的情況下，靠近爐膛中心的煙氣溫度較高，四周溫度較低，此時產(chǎn)生的水冷壁中心區(qū)域和兩側(cè)的煙溫偏差較大，故該截面水冷壁壁溫差異也較大，該分布趨勢與實際運行結(jié)果相符。

圖4 沿爐膛高度水冷壁溫度與工質(zhì)溫度

圖5 不同爐膛相對高度水冷壁壁溫

水冷壁壁溫計算值與測量值誤差：

(3)

式中：δ為相對誤差，%；ts為水冷壁壁溫的實測值，℃。

沿爐膛相對高度0.9處水冷壁壁溫計算結(jié)果與該處爐膛實際測點數(shù)據(jù)的對比見圖6。從圖6可以看出：沿爐膛寬度方向，水冷壁壁溫實測值與計算值有一致的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出兩側(cè)壁溫低、中間壁溫高的特點，但計算值略偏高于實測數(shù)據(jù)。這是由于在計算管壁溫度時，未考慮水冷壁的污染及灰污熱阻等，因而會帶來一定的誤差。計算值與實測值的相對誤差最大值為6.9%，最小值為3.6%，計算值與實測值具有良好的一致性，計算結(jié)果基本可靠。因此，通過此方法計算的水冷壁壁溫分布可作為爐膛火焰中心位置判斷的依據(jù)。

圖6 下部水冷壁出口壁溫計算值與實測值比較及誤差分析

3.3 火焰中心位置預(yù)測

筆者對實際運行時存在火焰中心偏斜的情況進行了預(yù)測。從監(jiān)控系統(tǒng)中讀出四面墻下部水冷壁出口壁溫的64個測點數(shù)據(jù)，并根據(jù)此時鍋爐負荷、燃煤量、一二次風(fēng)量，調(diào)用所建立的爐膛熱負荷分布與水冷壁壁溫分布數(shù)據(jù)庫。通過計算得到的火焰中心位置，此時火焰中心向前墻偏移1.7 m。該工況前、后、左、右四面墻的水冷壁壁溫分布曲線和根據(jù)所建爐膛熱負荷與爐膛火焰中心位置的預(yù)測模型得出的爐膛內(nèi)火焰中心位置見圖7。

由圖7可知：在火焰中心位置偏移時，水冷壁壁溫會呈規(guī)律性變化，呈現(xiàn)出前墻壁溫升高、后墻壁溫降低，左、右兩側(cè)墻壁溫最高溫度點向前墻側(cè)偏移的特點[3,9-10]。前墻水冷壁最高溫度由火焰中心未發(fā)生偏移工況下的462 ℃升高至468 ℃，而后墻水冷壁的最高溫度由火焰中心未發(fā)生偏移工況下的462 ℃降低至457 ℃，左、右兩側(cè)墻水冷壁最高溫度點分別相對于火焰中心偏移了10%的距離。

圖7 火焰中心位置偏移示意圖

4 結(jié)語

(1) 采用爐膛熱負荷與爐膛火焰中心位置的預(yù)測模型能夠較為準確地描述爐膛火焰中心的位置，建立合適的壁溫計算模型有利于提高火焰中心位置預(yù)測的精度。

(2) 該預(yù)測方法的火焰中心位置預(yù)測可靠性較高。通過與實測的數(shù)據(jù)對比，誤差在允許的范圍內(nèi)，證明該模型具有一定的準確性。當火焰中心向某一側(cè)墻偏移時，該側(cè)水冷壁壁溫會整體升高，而對面墻壁溫會整體下降，且變化的幅度與爐膛火焰中心位置的偏移量有關(guān)。

(3) 該預(yù)測方法僅需利用鍋爐現(xiàn)有溫度測點，即可進行火焰中心位置的判別，不需要另外投資設(shè)備與繁雜的測繪工作，預(yù)測方法簡單，易于實現(xiàn)。

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