1000MW燃煤機(jī)組不同負(fù)荷鍋爐傳熱特性

石楚，李冉，楊震，段遠(yuǎn)源

（清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

近年來，盡管風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電占總發(fā)電量的比例逐年增大，但火力發(fā)電依舊占據(jù)我國發(fā)電的首要地位，發(fā)電量占比達(dá)60%以上[1]。從整體能源發(fā)展現(xiàn)狀來看，雖然新能源裝機(jī)容量在逐年擴(kuò)大，但在我國西北地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)大量的棄光棄風(fēng)現(xiàn)象[2]。在我國以火力發(fā)電為主要支撐的發(fā)電結(jié)構(gòu)下，由于風(fēng)能太陽能等能源發(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性[3-4]，為提高風(fēng)能、太陽能等新能源的電網(wǎng)消納能力，火電機(jī)組需承擔(dān)重要的深度電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，提高大型火力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行靈活性成為如今火力發(fā)電面臨的重要挑戰(zhàn)之一[2,5-7]。

對(duì)于火力發(fā)電，大容量高參數(shù)的超臨界機(jī)組具有清潔高效低煤耗的顯著優(yōu)點(diǎn)[8]，是火力發(fā)電機(jī)組的未來發(fā)展趨勢。機(jī)組鍋爐中的傳熱過程影響機(jī)組的運(yùn)行效率并對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。因此，研究鍋爐傳熱對(duì)提高機(jī)組熱效率以及運(yùn)行安全性具有重要作用。為應(yīng)對(duì)變負(fù)荷運(yùn)行需求，超(超)臨界機(jī)組需要在不同負(fù)荷下運(yùn)行。當(dāng)深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組運(yùn)行可以從超臨界壓力轉(zhuǎn)為亞臨界壓力。因此，研究超(超)臨界機(jī)組在不同壓力條件下的運(yùn)行特性對(duì)于超(超)臨界機(jī)組應(yīng)對(duì)不同負(fù)荷需求的運(yùn)行是十分重要的。而對(duì)于不同負(fù)荷下的鍋爐傳熱計(jì)算，不僅需考慮爐側(cè)的燃燒傳熱，還需考慮鍋側(cè)的工質(zhì)流動(dòng)換熱。為了能夠更加真實(shí)地模擬不同負(fù)荷下的鍋爐傳熱，需要對(duì)爐側(cè)和鍋側(cè)傳熱進(jìn)行耦合計(jì)算。

目前，國內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)超高參數(shù)鍋爐燃燒及傳熱過程開展了數(shù)值模擬研究。對(duì)于爐膛內(nèi)的各參數(shù)分布，文獻(xiàn)[9-11]分別針對(duì)不同容量的機(jī)組進(jìn)行探究，得到爐內(nèi)煤燃燒過程的組分濃度場、煙氣速度場以及溫度場等。Maidanik等[8,12-13]模擬了鍋爐爐膛燃燒過程，得出燃燒器的參數(shù)對(duì)爐內(nèi)燃燒狀況以及 NOx等污染物排放的影響規(guī)律。對(duì)于爐內(nèi)傳熱狀況，丘全科[14]運(yùn)用Fluent對(duì)1 000 MW鍋爐的燃燒側(cè)進(jìn)行模擬，得出爐膛內(nèi)的傳熱規(guī)律，建立爐鍋兩側(cè)的耦合傳熱模型，得出燃燒區(qū)域的熱流分布特性，并采用 Senior-Srinivasachar模型[15]和 Cundick模型獲得水冷壁的結(jié)渣規(guī)律。Wieslaw和 Marzena[16]建立了爐鍋兩側(cè)的耦合傳熱模型，得到螺旋水冷壁內(nèi)工質(zhì)溫度沿爐膛上升方向的分布規(guī)律。

對(duì)于多負(fù)荷運(yùn)行條件，文獻(xiàn)[2]對(duì)亞臨界自然循環(huán)鍋爐工質(zhì)流量和管壁溫進(jìn)行建模，得到鍋爐深度調(diào)峰時(shí)的流量分配特性和熱負(fù)荷變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在深度調(diào)峰時(shí)不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)停滯。同時(shí)，文獻(xiàn)[16-19]對(duì)變負(fù)荷時(shí)爐內(nèi)溫度變化規(guī)律進(jìn)行探索，得到熱負(fù)荷與工質(zhì)流量的匹配特性以及鍋爐安全運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間。

綜上所述，在目前研究中，對(duì)燃煤機(jī)組內(nèi)爐膛燃燒與鍋側(cè)水工質(zhì)間耦合傳熱的研究相對(duì)較為缺乏，而在實(shí)際鍋爐中，爐和鍋兩側(cè)傳熱是相互影響的。比如爐墻四周的水冷壁溫度受到水工質(zhì)換熱的影響，是爐內(nèi)傳熱的熱邊界，而在文獻(xiàn)中爐膛傳熱的數(shù)值模擬大多忽略了煤粉燃燒過程中壁面溫度的動(dòng)態(tài)變化，不能反映工況變化時(shí)爐內(nèi)的真實(shí)燃燒狀況。另外，鍋爐具有三維結(jié)構(gòu)，其爐墻壁溫具有三維空間分布特征，造成其傳熱過程的復(fù)雜性。本文對(duì)1 000 MW超超臨界塔式鍋爐的爐側(cè)和鍋側(cè)傳熱進(jìn)行三維建模，考察爐側(cè)燃燒和鍋側(cè)水工質(zhì)之間的耦合傳熱過程，同時(shí)針對(duì)鍋爐調(diào)峰運(yùn)行的需求，進(jìn)行不同負(fù)荷條件下的鍋爐傳熱計(jì)算，探究負(fù)荷改變對(duì)鍋爐傳熱過程的影響。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件

1.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

本文計(jì)算的1 000 MW超超臨界鍋爐具有塔式爐膛和四角單切圓燃燒方式。圖1展示了鍋爐的大體結(jié)構(gòu)和主要換熱器和燃燒器的布置方式，鍋爐尺寸是23.16 m×23.16 m×126 m，在爐膛的四角分別設(shè)置12個(gè)煤粉燃燒器噴口，每一列燃燒器分為上、中、下3層，同時(shí)在燃燒器上方設(shè)置燃盡風(fēng)噴口，增加煤粉的燃盡率，燃燒器截面圖如圖2所示。由于超(超)臨界機(jī)組參數(shù)高，容量大，受熱面管路眾多，管路的截面尺寸與燃燒室尺寸相差懸殊[8]，所以在建模時(shí)，不考慮受熱面管路的具體結(jié)構(gòu)，在Fluent中采用多孔介質(zhì)模型[20-21]進(jìn)行傳熱計(jì)算。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Schematic diagram of boiler structure

圖2 燃燒器截面圖Fig. 2 Burner section diagram

1.2 鍋爐運(yùn)行工況

業(yè)界對(duì)鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)的運(yùn)行工況的劃分標(biāo)準(zhǔn)不完全相同，本文采用鍋爐側(cè)最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行計(jì)算，其中BMCR表示在滿足蒸汽參數(shù)、爐膛安全情況下的最大出力。本文選取BMCR工況、75% BMCR工況和50% BMCR工況進(jìn)行鍋爐的傳熱計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，鍋爐在BMCR、75% BMCR和 50% BMCR三個(gè)工況下的主蒸汽壓力分別為27.46、21.76、14.87 MPa，所以 BMCR、75% BMCR工況鍋爐處于超臨界運(yùn)行工況，在50% BMCR工況，鍋爐處于亞臨界運(yùn)行工況[22]。不同工況下鍋爐設(shè)計(jì)的燃料量如表1所示。

表1 不同負(fù)荷工況燃料消耗Tab. 1 Fuel consumption in different load conditions

在不同負(fù)荷條件下，由于給煤量和蒸發(fā)量的不同，爐內(nèi)燃燒和傳熱條件發(fā)生改變，所以根據(jù)實(shí)際電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)不同負(fù)荷的二次風(fēng)、燃盡風(fēng)和一次風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)溫進(jìn)行修正，修正后的入口條件如表2所示。

表2 3種工況的入口條件Tab. 2 Entrance conditions for three operating conditions

2 計(jì)算方法和控制方程

2.1 爐側(cè)計(jì)算

采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)來模擬爐側(cè)的煤粉燃燒過程，主要過程包括揮發(fā)分的揮發(fā)、焦炭燃燒、氣相燃燒和兩相流流動(dòng)，選用的主要燃燒模型如表3所示。

表3 燃燒計(jì)算模型Tab. 3 Summary of Combustion Calculation Models

2.2 鍋側(cè)計(jì)算

本文對(duì)水冷壁進(jìn)行三維模擬，整體思路是先將鍋爐水冷壁展開成二維，如圖 3，根據(jù)熱流密度、管數(shù)和工質(zhì)流動(dòng)方向來對(duì)此二維的水冷壁面分區(qū)，對(duì)每一區(qū)進(jìn)行沿流動(dòng)方向上的一維計(jì)算，得到整個(gè)二維水冷壁面上的參數(shù)分布，再反推得到三維水冷壁參數(shù)分布。

圖3 水冷壁四墻展開簡圖Fig. 3 Schematic diagram of water wall four-wall expansion

在計(jì)算溫度時(shí)，部分參考文獻(xiàn)[28-30]將管壁截面看作是不規(guī)則的傳熱截面，利用有限差分的方式得到溫度場，但是計(jì)算量大、耗時(shí)長。本文只需要計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的集總溫度，所以壁面采用二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[31]進(jìn)行計(jì)算。

在螺旋管和垂直管上的每個(gè)區(qū)段都視為沿流動(dòng)方向的一維對(duì)流傳熱，其中，水的熱物性計(jì)算方法采用MATLAB直接調(diào)用refprop數(shù)據(jù)，采用固定邊界法，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的出口參數(shù)作為集總參數(shù)，上一節(jié)點(diǎn)的出口視為下一節(jié)點(diǎn)的入口，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處工質(zhì)流動(dòng)方向見圖4。

每個(gè)控制體的計(jì)算方程如下。質(zhì)量平衡方程：

能量平衡方程：

圖4 水冷壁四墻展開簡圖Fig. 4 Computational nodes on spiral and vertical tube

動(dòng)量平衡方程：

在 Fluent中利用加載 UDF的方法對(duì)鍋爐傳熱過程進(jìn)行耦合計(jì)算，計(jì)算流程圖如圖5所示。

圖5 三維耦合傳熱計(jì)算過程Fig. 5 Three-dimensional coupled heat transfer calculation process

3 結(jié)果與討論

分析鍋爐在不同負(fù)荷下運(yùn)行的傳熱規(guī)律，主要對(duì)爐側(cè)的爐膛壁面、爐膛內(nèi)部、爐膛水平截面的溫度以及熱流進(jìn)行分析，并結(jié)合爐側(cè)的溫度規(guī)律，分析鍋側(cè)水冷壁管壁和工質(zhì)溫度的分布特點(diǎn)。

圖6和圖7分別展示了兩面爐墻的熱流分布和溫度分布，由于鍋爐采用四角切圓燃燒方式并且爐膛截面是正方形的平面結(jié)構(gòu)，所以只對(duì)左墻和前墻來分析爐墻的溫度和熱流規(guī)律。

圖6 前墻和左墻的熱流密度分布云圖Fig. 6 Heat flux distribution on the front wall and the left wall

圖7 前墻和左墻溫度分布云圖Fig. 7 Temperature distribution on the front wall and the left wall

從整體分布來看，熱流和溫度具有相同的分布特點(diǎn)，都是中間高兩側(cè)低。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，隨著負(fù)荷的降低，熱流密度下降明顯。以爐墻中心的最高熱流密度值為例，BMCR的最高熱流密度達(dá)到34 777 W/m2，而75% BMCR的最高熱流密度為27 389 W/m2，為BMCR工況最高熱流密度的78.8%，另外50% BMCR的最高熱流密度達(dá)到24 374 W/m2，僅為 BMCR工況最高熱流密度的70%。而對(duì)于溫度分布，越靠近爐膛上部，負(fù)荷降低時(shí)，爐墻上部出現(xiàn)不對(duì)稱性，當(dāng)負(fù)荷為50%時(shí)，爐膛上部的溫度分層不明顯，并且同一高度的溫度偏差增大?？傮w上在變負(fù)荷時(shí)，爐膛壁面的溫度和熱流的變化趨勢是一致的，負(fù)荷降低，最高熱流密度和最高溫度都下降，并且在 50%BMCR工況時(shí)受熱面布置區(qū)域出現(xiàn)熱流和溫度不對(duì)稱分布。

選取x=0，y=0兩個(gè)截面如圖8所示，觀察爐膛中心的兩個(gè)縱向截面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)在爐膛中，與壁面溫度變化趨勢不同的是當(dāng)負(fù)荷降為75% BMCR時(shí)，爐內(nèi)最高溫度沒有顯著變化，原因在于雖然負(fù)荷降低、煤粉量降低，但一次風(fēng)速和二次風(fēng)速也有所降低，減緩了對(duì)爐膛的冷卻作用，使得BMCR負(fù)荷和75% BMCR負(fù)荷的爐膛內(nèi)部最高溫度沒有顯著變化，而到50% BMCR負(fù)荷時(shí)，風(fēng)速的作用難以彌補(bǔ)燃料量減少所帶來的熱負(fù)荷降低，出現(xiàn)明顯的溫度下降。另外在爐膛中心圖的高溫區(qū)分布可以看出，由于在燃燒器噴口處氧氣濃度是最高的，但是溫度也相對(duì)較低，所以主要燃燒反應(yīng)發(fā)生在燃燒器噴口一段距離處，而在50% BMCR工況由于燃料量的減少使化學(xué)反應(yīng)持續(xù)的距離大大減小。

圖9—11分別為3個(gè)工況下爐膛燃燒器截面溫度分布，分別選取上、中、下3組燃燒器的其中一層，選取的燃燒器截面的爐膛高度分別為40.4、32.3、24.2 m。

圖8 y=0和x=0的爐膛截面溫度分布云圖Fig. 8 y=0 and x=0 furnace cross-section temperature distribution

圖9 BMCR工況燃燒器處爐膛截面溫度分布云圖Fig. 9 Temperature distribution on furnace sections at burner under BMCR conditions

圖10 75% BMCR工況燃燒器處爐膛截面溫度分布云圖Fig. 10 Temperature distribution on furnace sections at burner under 75% BMCR conditions

圖11 50% BMCR工況燃燒器處爐膛截面溫度分布云圖Fig. 11 Temperature distribution on furnace sections at burner under 50% BMCR conditions

總體上3個(gè)不同負(fù)荷的燃燒器截面溫度分布特點(diǎn)是一致的，都是下層燃燒器截面的平均溫度最低，上層截面平均溫度最高。從圖中可以看出主要燃燒反應(yīng)發(fā)生在爐墻附近，所以在四周壁面形成高溫區(qū)。但是在50% BMCR工況，3個(gè)截面的高溫區(qū)出現(xiàn)不對(duì)稱分布，這是由于當(dāng)鍋爐在較低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，由于燃料量偏離設(shè)計(jì)工況較多，爐膛內(nèi)的燃燒狀況惡化，導(dǎo)致爐內(nèi)同一截面出現(xiàn)較大的溫度偏差。

燃燒室的水冷壁管布置在爐膛四周墻壁，最容易受到過熱的危險(xiǎn)[16]，所以對(duì)水冷壁的壁溫以及管內(nèi)工質(zhì)溫度分布規(guī)律的探究是非常必要的。

圖12 3種負(fù)荷工況下螺旋管內(nèi)工質(zhì)沿管長溫度分布Fig. 12 Temperature distribution along the direction of pipe under three load conditions

圖13 3種負(fù)荷工況下螺旋管沿管長方向壁溫分布Fig. 13 Wall temperature distribution along the direction of pipe under three load conditions

圖12 和13分別展示了水冷壁管壁溫度和工質(zhì)溫度沿管長的分布，通過對(duì)比水冷壁壁面溫度和工質(zhì)溫度，在超臨界條件下的 BMCR工況和75% BMCR工況的工質(zhì)溫度沿管長方向具有相同的變化趨勢，在管長 60 m之前水冷壁螺旋布置，管壁溫度出現(xiàn)波動(dòng)，在0～20 m由于水工質(zhì)溫度較低，管壁和工質(zhì)之間傳熱溫差大，所以工質(zhì)溫度攀升速度較快；而在20～50 m范圍由于工質(zhì)溫度上升，管壁內(nèi)外傳熱溫差減小，所以溫度上升速度減緩；而在60 m以后，由于進(jìn)入垂直水冷壁區(qū)域，沿水冷壁管長方向煙氣溫度上升，管壁溫度上升，所以工質(zhì)溫度保持持續(xù)上升趨勢。相比于超臨界工況，50% BMCR運(yùn)行工況下管外壁溫度和工質(zhì)溫度分布不具有以上規(guī)律，水工質(zhì)進(jìn)入螺旋管圈之后開始進(jìn)入兩相區(qū)，溫度始終保持在當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?，由于壓力沿著管長逐步降低，飽和溫度也相應(yīng)降低，此區(qū)域的水工質(zhì)在隨著管長的方向上稍有下降，在管長75 m后水工質(zhì)由兩相區(qū)進(jìn)入飽和蒸汽態(tài)，由于飽和蒸汽的比熱容較低，工質(zhì)溫度出現(xiàn)上升趨勢。

4 結(jié)論

1）在不同負(fù)荷時(shí)，爐膛壁面的溫度和熱流的變化趨勢是一致的，負(fù)荷降低，最高熱流密度和最高溫度都下降，并且在50% BMCR工況時(shí)受熱面布置區(qū)域出現(xiàn)熱流和溫度不對(duì)稱性。

2）對(duì)于爐膛內(nèi)部，當(dāng)負(fù)荷降為75% BMCR時(shí)，爐內(nèi)溫度由于風(fēng)速的降低，不會(huì)出現(xiàn)明顯的溫度下降，但是當(dāng)負(fù)荷降低為50% BMCR時(shí)，風(fēng)速的降低不足以彌補(bǔ)由燃料量降低所導(dǎo)致的溫度下降，出現(xiàn)溫度的大幅下降。

3）對(duì)于燃燒器部分，在不同負(fù)荷時(shí)，3組燃燒器總是下層燃燒器溫度最低，而上層燃燒器溫度最高，50% BMCR負(fù)荷的燃燒器截面高溫區(qū)分布出現(xiàn)不規(guī)則分布。

4）鍋爐調(diào)峰過程中，當(dāng)負(fù)荷降到50% BMCR時(shí)，爐膛內(nèi)煙氣溫度和鍋側(cè)換熱器壁面溫度分布缺乏規(guī)律性，溫度分布不均容易造成部分管內(nèi)出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，導(dǎo)致高溫爆管等鍋爐事故，出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象。