660MW超臨界π型爐添加貼壁風(fēng)模擬研究

（河北電投宣化熱電有限公司，河北張家口市，075100） 王建國 張立權(quán) 王存厚

1 引言

目前，全國大約60%的火電廠采用四角切圓燃燒，是應(yīng)用范圍最廣，研究最成熟的燃燒[1]技術(shù)之一，四股氣流具有“自點(diǎn)燃”作用，且具有爐內(nèi)各處受熱均勻等優(yōu)點(diǎn)。但是為達(dá)到國家污染物排放指標(biāo)，大多數(shù)燃煤鍋爐均采用低氮燃燒器改造：煤粉濃淡分離、空氣分級等，在抑制氮氧化物生成方面起到一定積極作用，煤粉火焰大多在上層燃燒器位置燃燒，但是當(dāng)燃燒不充分時(shí)會(huì)形成大面積還原性區(qū)域，加劇水冷壁的高溫腐蝕。孫銳等[2]通過對某200MW鍋爐爐內(nèi)溫度場及冷態(tài)流場的數(shù)值模擬，表明了CFD進(jìn)行爐內(nèi)燃燒研究的可行性；李敏等[3]通過對某300MW鍋爐進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)單靠配分方式的調(diào)整難以從根本上解決高溫腐蝕問題，進(jìn)而提出添加貼壁風(fēng)改造，得出貼壁風(fēng)可以有效地改善水冷壁近壁處的流場及氣氛，控制了水冷壁表面的高溫腐蝕；林敏杜等[4]對某600MW鍋爐添加貼壁風(fēng)后爐內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)和O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行模擬，得出貼壁風(fēng)大大降低了腐蝕區(qū)域的還原性氣氛，并且建議在腐蝕區(qū)域采用多層貼壁風(fēng)改造；許濤等[5]對鍋爐貼壁風(fēng)噴口的大小和形狀進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行不同風(fēng)速下的冷態(tài)模擬，通過氣膜覆蓋面積來選擇最優(yōu)的貼壁風(fēng)風(fēng)速。

針對660MW超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕具體腐蝕的部位進(jìn)行貼壁風(fēng)模擬，對不同工況下貼壁風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行模擬，確認(rèn)最優(yōu)化方案；進(jìn)而比較熱態(tài)模擬下爐內(nèi)氣氛濃度場、爐內(nèi)燃燒和污染物濃度，為具體的工程改造提供參考。

2 研究對象及模型建立

2.1 鍋爐概況

本次研究對象是一臺(tái)660MW鍋爐，是上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、Π型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐燃用山西晉中地區(qū)貧煤。燃燒方式采用從美國阿爾斯通能源公司引進(jìn)的擺動(dòng)式四角切圓燃燒技術(shù)。燃燒器一共設(shè)置六層濃煤粉噴嘴和六層淡煤粉噴嘴，鍋爐配置6臺(tái)BBD3854型雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)（一臺(tái)備用），每臺(tái)磨的出口由四根煤粉管接至燃燒器前部布置的一個(gè)煤粉濃淡分離裝置，進(jìn)行濃淡分離。采用空氣分級技術(shù)，在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）噴嘴和6層可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴。（鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1）

2.2 建模及網(wǎng)格劃分

按照實(shí)際鍋爐的尺寸使用SolidWorks軟件對爐體進(jìn)行建模；采用“分段建模，無差過渡”的新方法將爐體分為5部分，從下到上依次為冷灰斗、下層過渡區(qū)、燃燒器、上層過渡區(qū)、爐膛出口，用Gambit對爐體結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格，燃燒區(qū)域用Cooper法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對噴口截面與爐墻網(wǎng)格加密，避免偽擴(kuò)散[6]問題；為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取220萬，248萬和283萬三組網(wǎng)格數(shù)，630MW負(fù)荷下熱態(tài)模擬結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量超過248萬時(shí)，爐膛出口煙溫和過量空氣系數(shù)（O2體積分?jǐn)?shù)）與實(shí)際爐膛數(shù)值更接近。考慮計(jì)算時(shí)間及計(jì)算資源，本文選取248萬網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 計(jì)算模型及邊界條件

模擬采用Fluent軟件，選用壓力-速度SIMPLEC算法對離散方程組的壓力和速度耦合進(jìn)行求解。燃燒采用非預(yù)混PDF燃燒模型；氣相湍流流動(dòng)采用帶有修正的Realizable k-ε湍流模型[7]；揮發(fā)分析出采用雙方成競爭模型；熱態(tài)模擬采用P1輻射模型[8]；采用單步反應(yīng)模型并假定在此過程中煤粉顆粒粒徑保持不變；使用隨機(jī)軌道模型對煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤[9]；煤粉由一次風(fēng)噴口噴入爐膛，假定煤粉顆粒速度、溫度均與一次風(fēng)一致，煤粉顆粒服從Rosin-rammler分布[10]。能量方程、動(dòng)量方程、k方程和ε方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。NOx生成的模擬采用后處理方法進(jìn)行求解。

入口邊界條件采用質(zhì)量流量入口，入口溫度依據(jù)運(yùn)行參數(shù)確定，爐膛出口的邊界采用壓力出口條件，設(shè)置為-89Pa。

3 添加貼壁風(fēng)的數(shù)值模擬

3.1 冷態(tài)模擬結(jié)果及分析

貼壁風(fēng)一般有兩種安裝位置[11]，在高溫腐蝕區(qū)域上游或者在腐蝕區(qū)域內(nèi)，從二次風(fēng)箱內(nèi)通出管道吹入爐膛，增加水冷壁近壁處氧氣體積分?jǐn)?shù)，改善水冷壁還原性氣氛。不同的安裝位置及布置方式又分為射流型和貼壁型兩種，射流型的安裝在水冷壁腐蝕區(qū)域上游，噴口的角度、大小及出口速度決定了射流與爐內(nèi)煙氣的混合程度，但是改造難度大，受水冷壁布置的影響；貼壁型的布置方式一般直接在水冷壁鰭片上開孔，安裝在腐蝕區(qū)域內(nèi)，開孔的大小與數(shù)目由腐蝕的面積決定，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，不影響水冷壁布置。

因此，從改造成本及安裝難易的角度考慮，本文采用貼壁型的安裝方式，在腐蝕最嚴(yán)重的位置開始，在爐膛四墻中心線位置安裝6層貼壁風(fēng)，進(jìn)行不同風(fēng)率下的模擬，具體分為三種工況進(jìn)行模擬，工況一、二、三的噴嘴出口速度分別為40m/s、35m/s和30m/s，風(fēng)率（占二次風(fēng)比例）分別為4.91%、4.47%和3.92%。貼壁風(fēng)從燃盡風(fēng)引出，總貼壁風(fēng)風(fēng)量應(yīng)保證在低于二次風(fēng)量的5%的范圍，才不會(huì)影響鍋爐正常燃燒[3,5]。由于高溫腐蝕的區(qū)域主要存在于爐膛中心線到噴嘴之間的區(qū)域，因此，本文采用貼壁風(fēng)反吹布置來降低水冷壁附近還原氣氛。

3.1.1 工況一下貼壁風(fēng)速度變化分析

選取貼壁風(fēng)噴嘴截面進(jìn)行分析，選取4個(gè)截面：y1=31.33m，y2=32.03m，y3=32.73m和y4=33.43m來研究貼壁風(fēng)速度的變化，每一截面選取位置如圖1所示。

圖1 工況一下貼壁風(fēng)速度

圖1 為工況一下所選取的四個(gè)噴嘴截面的速度變化曲線，縱觀四墻貼壁風(fēng)速度衰減趨勢：y1與y2變化趨勢相同，y3與y4變化趨勢相同，且y1與y2衰減趨勢強(qiáng)于y3與y4。

將y1、y2、 y3與y4曲線走勢分成三段來分析，開始到L1階段定義為受迫衰減區(qū)，此區(qū)域速度衰減趨勢隨噴嘴高度的增加而變快，原因是噴嘴安裝在爐膛中心線位置且高度位于燃燒器上層，此區(qū)域存在一定的殘余旋轉(zhuǎn)，且殘余旋轉(zhuǎn)隨著高度的增加而變大，由于貼壁風(fēng)反切，所以隨著高度增加衰減趨勢變大；

從L1到L2定義為擾流衰減區(qū)，y1、y2處于緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）噴嘴高度，速度衰減受淡一次風(fēng)煤粉氣流影響，y3、y4處于緊湊燃盡風(fēng)與SOFA燃盡風(fēng)之間，速度變化不受燃盡風(fēng)的影響，因此y1、y2速度衰減速率強(qiáng)于y3、y4，同時(shí)受高度方向殘余旋轉(zhuǎn)的影響y2衰減趨勢大于y1，且y4衰減趨勢大于y3。

L2到結(jié)束為自由衰減區(qū)，此區(qū)域接近噴嘴位置，速度變化基本不受其他因素影響，為自由減慢區(qū)域，衰減速率不再有較大變化。

3.1.2 不同工況下貼壁風(fēng)對比

為了有效改善水冷壁附近還原性氣氛，并且盡量保持原有配風(fēng)的前提下來選擇貼壁風(fēng)的風(fēng)率，研究表明[8,12]，當(dāng)貼壁風(fēng)邊緣風(fēng)速處于3m/s以上時(shí)，可達(dá)到爐墻表面氣膜覆蓋的要求。在工況一風(fēng)率下

分析時(shí)，y2截面速度受一次風(fēng)和殘余旋轉(zhuǎn)的影響速度衰減最大，因此在比較不同風(fēng)率下氣膜覆蓋面積時(shí)選擇y2截面。

由圖2可知，相同位置處不同風(fēng)率時(shí)速度變化曲線趨勢相同，速度衰減隨著風(fēng)率的增加而變緩慢，且隨著風(fēng)率的增加氣膜覆蓋面積增加趨勢變小?？v觀四墻中工況三風(fēng)率下覆蓋范圍大在2m以上，工況二風(fēng)率下覆蓋范圍在5m以上，工況一風(fēng)率下覆蓋范圍在6m以上，且四墻中后墻和左墻的覆蓋最大。

為了較大范圍的覆蓋水冷壁，應(yīng)該選擇大風(fēng)率，但從結(jié)果看，工況一風(fēng)率下覆蓋范圍相對于工況二風(fēng)率下增加較小，并且考慮貼壁風(fēng)占二次風(fēng)的比例以及對爐內(nèi)燃燒的影響，選取工況二貼壁風(fēng)風(fēng)率進(jìn)行熱態(tài)模擬。

圖2 不同風(fēng)率下y2截面速度

3.2 熱態(tài)模擬結(jié)果及分析

圖3 左墻#1角氣氛濃度分布圖

在已有分析的基礎(chǔ)上，選擇工況二下貼壁風(fēng)速度進(jìn)行熱態(tài)模擬，由于左墻的腐蝕程度在四墻中尤為嚴(yán)重，因此，熱態(tài)結(jié)果分析時(shí)，選擇左墻的數(shù)據(jù)來分析貼壁風(fēng)添加后的影響。

3.2.1 貼壁風(fēng)對高溫腐蝕的改善

圖3為添加貼壁風(fēng)后，左墻y1、y2、y3與y4處熱態(tài)模擬下的氣氛濃度變化曲線，由圖（a）中得知添加貼壁風(fēng)后，近壁處的氧氣體積分?jǐn)?shù)有了較大范圍的提高，最低值超過4%，不再出現(xiàn)氧氣體積分?jǐn)?shù)接近于0的情況，由此也在一定程度上抑制了CO的生成，且y3、y4處氧氣體積分?jǐn)?shù)大于y1、y2處，與冷態(tài)時(shí)流場速度分析相符合；圖（b）為添加貼壁風(fēng)后近壁處CO體積分?jǐn)?shù)的變化曲線，CO的體積分?jǐn)?shù)變化更能準(zhǔn)確的反應(yīng)高溫腐蝕的程度，由圖（b）可知，CO體積分?jǐn)?shù)基本處于3%以下，在某些高度位置CO體積分?jǐn)?shù)已達(dá)到0.5%以下，即近壁處表面基本上處于弱還原性氣氛或中性氣氛下，由此可以保證高爐長期安全運(yùn)行[8,13]。圖（c）為左墻H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線，由圖可知，H2S變化曲線走勢與CO變化曲線走勢基本一致，H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值為60*10^-6，且大面積小于100*10^-6的界限值，綜上分析，添加貼壁風(fēng)后近壁處的還原性氣氛得到了很好的改善，基本消除了還原性氣氛對高溫腐蝕的影響。

3.2.2 貼壁風(fēng)對爐膛內(nèi)燃燒的影響

添加貼壁風(fēng)后在近壁處的形成的保護(hù)氣膜可以降低近壁處的還原性氣氛，同時(shí)也避免了高溫?zé)煔馀c水冷壁的直接接觸，類似于偏置的二次風(fēng)對水冷壁起到保護(hù)作用。貼壁風(fēng)由二次風(fēng)箱引出，安裝在燃燒器上層，相當(dāng)于多添加幾層燃盡風(fēng)，理論上對爐內(nèi)整體燃燒不會(huì)產(chǎn)生較大影響，但是多增加的燃盡風(fēng)會(huì)使得爐內(nèi)燃燒高溫區(qū)面積增加、最高溫度點(diǎn)上升，圖4為添加貼壁風(fēng)前后爐內(nèi)燃燒縱切面云圖，可以看出添加貼壁風(fēng)后，燃燒最高溫度區(qū)由20～36m范圍內(nèi)升高到20～37m范圍內(nèi)，高溫區(qū)域位置升高且面積變大，但是高溫區(qū)域面積變化不大，最高點(diǎn)溫度由1548℃變化到1562℃，爐膛出口煙溫由949℃變化到954℃，說明貼壁風(fēng)添加后對爐內(nèi)燃燒基本沒有影響。

圖4 爐膛縱切面溫度云圖

3.3.3 貼壁風(fēng)對污染物的影響

NOx和SOx的排放量是監(jiān)測電廠污染物排放是否合格的兩個(gè)主要指標(biāo)，圖5為提取模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理繪制的污染物（NO，SO2）釋放曲線。

圖5 污染物平均濃度分布曲線

圖5 為貼壁風(fēng)添加前后爐內(nèi)污染物釋放曲線，圖（a）中貼壁風(fēng)添加前后SO2濃度幾乎沒有變化，現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)經(jīng)驗(yàn)及大量運(yùn)行數(shù)據(jù)也表明，SO2的濃度很大程度上與煤質(zhì)中的S含量有關(guān)，受運(yùn)行狀況的影響很?。毁N壁風(fēng)添加前后SO2生成曲線幾乎沒有變化，說明貼壁風(fēng)對SO2的釋放影響很?。粓D（b）為NOX濃度變化曲線，由圖可知在標(biāo)高33m位置后，即安裝貼壁風(fēng)后NOX濃度有一定程度的升高，這是因?yàn)橘N壁風(fēng)增大了燃盡區(qū)位置的O2體積分?jǐn)?shù)，使得生成的NOX增加；同時(shí)由于貼壁風(fēng)的加入相應(yīng)減小了下層燃燒區(qū)的二次風(fēng)量，主燃燒區(qū)NOX生成量稍微有所下降，說明貼壁風(fēng)添加后對爐內(nèi)NOX影響不大。

4 結(jié)論

對某660MW四角切圓鍋爐進(jìn)行貼壁風(fēng)數(shù)值模擬，研究了不同貼壁風(fēng)風(fēng)速（40m/s，35m/s，30m/s）下的冷態(tài)模擬，并且選擇出合適的貼壁風(fēng)速進(jìn)行熱態(tài)模擬，分析貼壁風(fēng)對鍋爐高溫腐蝕、爐內(nèi)燃燒及污染物的影響。

（1）在不同貼壁風(fēng)風(fēng)速下冷態(tài)模擬結(jié)果得出，風(fēng)率為4.47%時(shí)，能夠更好的滿足要求，既能很好的覆蓋水冷壁受腐蝕表面，形成氣體保護(hù)膜，又能最低程度對配風(fēng)及爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生影響；

（2）貼壁風(fēng)添加后熱態(tài)模擬時(shí)，爐內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)、H2S體積分?jǐn)?shù)都大范圍降到安全值以下，添加貼壁風(fēng)后腐蝕最為嚴(yán)重的左墻的腐蝕情況基本不存在，證明了添加貼壁風(fēng)對高溫腐蝕的可行性；

（3）熱態(tài)模擬下，添加貼壁風(fēng)后使高溫火焰位置上升，但爐內(nèi)最高點(diǎn)溫度及高溫區(qū)域面積基本沒有變化；

（4）貼壁風(fēng)添加后SO2生成量受煤質(zhì)影響較大，所以幾乎沒有變化；NOx的生成量有一定程度的增加，但增加量較小，在可以接受的范圍內(nèi)。