燃燒器故障對(duì)爐膛換熱影響的數(shù)值模擬

孫燕鋒，陳立佳

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

燃燒器是加熱爐系統(tǒng)中的核心設(shè)備，在大型方箱加熱爐中，一般會(huì)設(shè)置多臺(tái)燃燒器[1]，以保證輸出熱負(fù)荷。在加熱爐運(yùn)行過(guò)程中，燃燒器發(fā)生故障時(shí)通過(guò)聯(lián)鎖保護(hù)控制程序來(lái)保障系統(tǒng)的安全性。一般情況下，一到兩臺(tái)燃燒器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)相應(yīng)增加其余正常運(yùn)行燃燒器的負(fù)荷，保證加熱爐系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法，能夠大致了解大型方箱爐爐膛內(nèi)的燃燒換熱狀況。在對(duì)方箱爐進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用Fluent軟件模擬爐膛內(nèi)的燃燒過(guò)程，能夠定性地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行。

本文以某大型方箱爐為研究對(duì)象，對(duì)燃燒器正常運(yùn)行工況、兩臺(tái)燃燒器故障工況及故障發(fā)生系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后工況的爐膛燃燒過(guò)程分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探討了不同工況下方箱爐爐膛的換熱特性，為大型方箱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供一定的參考依據(jù)。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文研究對(duì)象為一立式方箱型臥管加熱爐，建立的幾何模型如圖1所示。爐膛的爐底安裝12臺(tái)火焰向上的燃?xì)馊紵?，燃料為天然氣，相鄰燃燒器間距為1.5 m。

圖1 幾何模型示意圖

由于爐膛呈幾何對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算爐膛的燃燒流場(chǎng)時(shí)，只需對(duì)爐膛的一半建立計(jì)算模型即可。爐膛長(zhǎng)度為18.768 m，寬度為3.357 m，高度為9.090 5 m，這里取其長(zhǎng)度方向上的一半建立數(shù)值計(jì)算模型。數(shù)值計(jì)算時(shí)對(duì)6臺(tái)燃燒器建模，每臺(tái)燃燒器布置有7支燃料氣噴口，中心一支，耐火磚內(nèi)側(cè)三支，耐火磚外側(cè)三支，中心噴口前布置一圓盤(pán)形穩(wěn)焰器。耐火磚和穩(wěn)焰器具有組織流場(chǎng)和穩(wěn)焰的作用，是燃燒器中影響爐膛燃燒特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。助燃空氣分別從耐火磚的內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)入爐膛，并分別與耐火磚內(nèi)外兩側(cè)的燃料氣混合。燃燒器的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。在爐膛內(nèi)，燃料氣與空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蛏狭鲃?dòng)，沿途向爐膛受熱面放熱，之后從爐膛頂部流出。

圖2 燃燒器模型示意圖

本文采用Gambit軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了達(dá)到計(jì)算精度，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和溫度、速度梯度變化大的燃燒器及其附近爐膛區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，且網(wǎng)格必須足夠細(xì)密。上部爐膛區(qū)域則采用六面體/楔形網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格模型后的網(wǎng)格數(shù)量為3 366 554，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

方箱爐爐膛內(nèi)的氣體流動(dòng)為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)，而且燃燒過(guò)程中存在組分混合和相互作用。所以，描述方箱爐爐內(nèi)流體流動(dòng)的控制方程除了連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程這三個(gè)基本方程之外，還有湍流控制方程和組分質(zhì)量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程為：

式中：ρ—流體密度，kg/m3

t—時(shí)間，s

ui—速度矢量沿方向的分量，m/s

Sm—附加到連續(xù)相的離散相質(zhì)量源項(xiàng)，kg/（m3·s）

動(dòng)量守恒方程為：

式中，Si為動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)，kg/（m2·s2）。

能量守恒方程為：

式中：cp—比熱容，J/（kg·K）

T—溫度，K

λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

ST—流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿牟糠?，W/m3

幾乎所有實(shí)際流動(dòng)都是湍流[2]，所以系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。在眾多基于RANS的湍流模型[3]中，帶旋流修正的Realizable k-ε模型在定義湍流黏度時(shí)考慮了平均旋度的影響，這種額外的旋轉(zhuǎn)影響已經(jīng)在單一旋轉(zhuǎn)參考系中得到證實(shí)。

對(duì)方箱爐爐膛燃燒過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算時(shí)，選用非預(yù)混燃燒模型模擬燃料氣與空氣的混合燃燒[4]，并采用化學(xué)平衡方法來(lái)處理反應(yīng)系統(tǒng)。組分方程為：

式中：cs—組分S的體積濃度，m3/m3

ρcs—組分的質(zhì)量濃度，kg/m3

Ds—組分S的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

Ss—系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分S的質(zhì)量，kg/（m3·s）

選用P-1輻射模型模擬爐膛輻射換熱過(guò)程，該模型通過(guò)下式來(lái)求解輻射熱流量qr：

式中：G—入射輻射，W/m2

α—吸收系數(shù)，常數(shù)

σs—擴(kuò)散系數(shù)，常數(shù)

C—線性各向異性階段函數(shù)系數(shù)，常數(shù)

在Fluent中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用Pressure Based隱式（Implicit）穩(wěn)態(tài)求解器，采用Simple算法進(jìn)行數(shù)值迭代計(jì)算，控制方程的離散采用一階迎風(fēng)格式。

3 邊界條件

為了簡(jiǎn)化模擬，將實(shí)際過(guò)程按穩(wěn)態(tài)處理。各工況的主要邊界條件見(jiàn)表1，爐膛工作壓力默認(rèn)為常壓。

表1 邊界條件

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 速度場(chǎng)分析

圖4～圖6為不同工況下?tīng)t膛中心截面上速度分布情況。燃燒器正常運(yùn)行時(shí)，煙氣自下而上流動(dòng)，氣流在爐膛高度方向上充分發(fā)展。通過(guò)對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，避免了氣流的徑向擴(kuò)散，從而不影響相鄰燃燒器的氣流發(fā)展。兩臺(tái)燃燒器故障時(shí)，兩側(cè)的高溫?zé)煔饣亓髦凉收先紵魉帬t膛區(qū)域，形成回流區(qū)。系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后，回流區(qū)域擴(kuò)大?；亓鲄^(qū)的形成，使?fàn)t膛溫度分布更加均勻，對(duì)燃燒器故障發(fā)生后的爐膛換熱是有利的。

圖4燃燒器正常運(yùn)行時(shí)爐膛中心截面上速度分布圖

圖6 系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后爐膛中心截面上速度分布圖

4.2 溫度場(chǎng)分析

圖7 ～圖9為爐膛中心截面上的溫度分布情況，圖10～圖12為沿爐膛長(zhǎng)度方向各燃燒器中心截面上的溫度分布情況。

圖5 兩臺(tái)燃燒器故障時(shí)爐膛中心截面上速度分布圖

圖7 燃燒器正常運(yùn)行時(shí)爐膛中心截面上溫度分布圖

圖9 系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后爐膛中心截面上溫度分布圖

圖10 燃燒器正常運(yùn)行時(shí)沿爐膛長(zhǎng)度方向各燃燒器中心截面上溫度分布圖

從圖中可以看出，燃燒器正常運(yùn)行時(shí)，火焰剛直，爐膛火焰充滿(mǎn)度較高；燃燒器故障后，燃燒器的火焰中心更靠近爐膛底部，火焰長(zhǎng)度變短，爐膛火焰充滿(mǎn)度較低；系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后，爐膛火焰充滿(mǎn)度有所改善?？傊紵鞴收虾?，爐膛溫度分布均勻性變差，燃燒與換熱狀況變差。但是，系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后情況有所改善。

圖8 兩臺(tái)燃燒器故障時(shí)爐膛中心截面上溫度分布圖

圖11 兩臺(tái)燃燒器故障時(shí)沿爐膛長(zhǎng)度方向各燃燒器中心截面上溫度分布圖

圖12系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后沿爐膛長(zhǎng)度方向各燃燒器中心截面上溫度分布圖

圖13 為不同工況下沿爐膛高度方向各爐膛橫截面上的平均溫度分布情況。燃燒器正常運(yùn)行時(shí)，溫度峰值處于z=6.5 m高度，爐膛平均溫度為1 143 K。兩臺(tái)燃燒器故障后，爐膛溫度整體降低，爐膛平均溫度為1 062 K。系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后，其余能夠正常運(yùn)行的燃燒器負(fù)荷均有所提高，使燃燒器總負(fù)荷達(dá)到之前水平，此時(shí)爐膛溫度整體提高，爐膛平均溫度為1 120 K。根據(jù)溫度分布可以看出，兩臺(tái)燃燒器故障后，爐膛輻射換熱強(qiáng)度大大降低，系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后，爐膛輻射換熱強(qiáng)度能基本恢復(fù)到故障發(fā)生前的水平。

5 結(jié)論

（1）燃燒器正常運(yùn)行時(shí)，氣流在爐膛高度方向上充分發(fā)展，爐膛火焰充滿(mǎn)度較高，爐膛溫度分布均勻。

（2）兩臺(tái)燃燒器故障時(shí)，兩側(cè)的高溫?zé)煔饣亓髦凉收先紵魉帬t膛區(qū)域，形成回流區(qū)。爐膛平均溫度降低，爐膛火焰充滿(mǎn)度較低，爐膛溫度分布均勻性變差，燃燒與換熱狀況變差。

（3）系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)后，其余能夠正常運(yùn)行的燃燒器負(fù)荷均有所提高，使燃燒器總負(fù)荷達(dá)到故障前水平。此時(shí)，回流區(qū)域擴(kuò)大，爐膛平均溫度回升，爐膛火焰充滿(mǎn)度有所改善，爐膛輻射換熱強(qiáng)度能基本恢復(fù)到故障發(fā)生前的水平。

圖13 不同工況下沿爐膛高度方向各爐膛橫截面上平均溫度分布圖

（4）一臺(tái)或兩臺(tái)燃燒器故障時(shí)，可以通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)功能將爐膛換熱情況調(diào)整至合適狀態(tài)。但是，如果發(fā)生三臺(tái)及以上燃燒器故障的情況，建議系統(tǒng)聯(lián)鎖停爐。