基于機(jī)械分流的等離子體點(diǎn)火調(diào)節(jié)技術(shù)仿真研究

馬曉偉，路鑫平，鄒清杰，宋繼坤

(1.國(guó)家能源集團(tuán)山東石橫熱電有限公司，山東 泰安 271621； 2.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006)

0 引言

等離子體燃燒器在點(diǎn)火過程中存在一個(gè)最有利于點(diǎn)火的風(fēng)速及煤粉濃度范圍[1-2]，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的等離子體燃燒器，最適風(fēng)速及煤粉濃度范圍亦有所不同[3]。隨著機(jī)組運(yùn)行工況的改變，一次風(fēng)速及煤粉濃度均會(huì)發(fā)生改變，從而偏離最佳工況，導(dǎo)致點(diǎn)火變差。尤其在冷爐啟動(dòng)后期，工況變化幅度較大，著火狀態(tài)會(huì)有明顯的下降，非常不利于鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，在等離子體點(diǎn)火過程中無(wú)論是針對(duì)一次風(fēng)速還是煤粉濃度的調(diào)整，多是基于制粉系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行的。然而，改變制粉系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)后，與同一臺(tái)磨煤機(jī)相連的各燃燒器均能受到影響，同時(shí)由于各粉管之間存在的不均勻性，還會(huì)導(dǎo)致原本點(diǎn)火效果較好的燃燒器調(diào)整后反而變差，難以實(shí)現(xiàn)整體點(diǎn)火效果的提升。基于機(jī)械分流的等離子體點(diǎn)火調(diào)節(jié)技術(shù)，只定向針對(duì)單個(gè)燃燒器來(lái)進(jìn)行煤粉濃度的調(diào)節(jié)研究，不會(huì)對(duì)其他燃燒器的運(yùn)行帶來(lái)影響，能夠減少鍋爐啟動(dòng)過程中等離子體點(diǎn)火帶來(lái)的熱負(fù)荷不均。

1 工程概況

某電廠330 MW機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠制造的亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、控制循環(huán)汽包爐，鍋爐型號(hào)為SG-1025/17.5-M899，鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式，四角切圓采用CFSII+SOFA消旋，燃燒器上下濃淡分離一次風(fēng)噴嘴和同心反切燃燒技術(shù)。每臺(tái)鍋爐布置5層燃燒器，燃燒器每層各布置4臺(tái)，共20臺(tái)燃燒器，同層的4臺(tái)燃燒器由同一臺(tái)磨煤機(jī)供應(yīng)煤粉。每臺(tái)爐由HP-823型中速磨煤機(jī)和CS2024型電子稱重式給煤機(jī)構(gòu)成正壓、直吹式制粉系統(tǒng)，鍋爐A層采用等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃設(shè)備。

2 改造方案

此次改造是針對(duì)A層的4套等離子體燃燒器，各角等離子體燃燒器及管路布置圖如圖1所示，具體布置順序?yàn)椋旱入x子體燃燒器本體、等離子體燃燒器彎頭、豎直管道和管道彎頭。其中，A1和A2角管路布置完全相同，都是管道彎頭與燃燒器本體成90°布置；A3角等離子體燃燒器彎頭高度與A1角不同，管道彎頭與燃燒器本體成90°布置；A4角等離子體彎頭高度與A1角相同，但是管道彎頭與燃燒器本體成180°布置；綜上所述，有三種不同的布置方式，需要對(duì)三種不同的布置方式進(jìn)行分布研究，下面僅以A1角為代表，如圖1所示。

圖1 A1角布置圖

等離子體燃燒器本體和彎頭都不做任何改動(dòng)，對(duì)豎直管道和管道彎頭進(jìn)行改造，具體改造方案為：

(1)在豎直管道布置機(jī)械分流裝置，內(nèi)部加貼防磨陶瓷，通過改變機(jī)械分流板的角度調(diào)整燃燒器內(nèi)部各級(jí)筒的煤粉濃度；(2)將管道彎頭的曲率半徑減小，增加豎直管道長(zhǎng)度，內(nèi)部加裝均流板和防磨陶瓷，使得煤粉在通過彎頭后能夠在豎直管道內(nèi)快速均布，不會(huì)因?yàn)槊悍燮x對(duì)機(jī)械分流裝置造成影響；(3)將機(jī)械分流裝置與電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置連接，并且與風(fēng)量和煤粉量關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。此外，機(jī)械分流裝置還需要考慮防止長(zhǎng)期運(yùn)行的積粉、卡澀問題。

機(jī)械分流裝置看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是，在研究過程中需要解決的問題比較多，具體如下：

(1)機(jī)械分流裝置通過改變角度對(duì)煤粉濃度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，必然會(huì)增加阻力，但是不能增加太多，機(jī)械分流板的尺寸和位置布置就至關(guān)重要，具體的設(shè)計(jì)尺寸和參數(shù)需要經(jīng)過大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室的煤粉試驗(yàn)來(lái)最終確定；(2)管道彎頭的離心力會(huì)導(dǎo)致煤粉大部分聚集在彎頭外側(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，煤粉在離開彎頭至少4倍管徑的直段后才能均布。但是，管道彎頭與機(jī)械分流裝置的直段距離僅有400 mm左右，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，因此，需要在管道彎頭上做文章，解決煤粉聚集的問題，否則機(jī)械分流裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)煤粉濃度的效果。

通過此次機(jī)械分流裝置的改造，預(yù)期達(dá)到的效果如下：當(dāng)?shù)入x子體燃燒器結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定的情況下，燃燒器內(nèi)部各級(jí)筒的煤粉濃度是影響等離子體點(diǎn)火效果的關(guān)鍵因素。通過機(jī)械分流裝置，可以實(shí)現(xiàn)燃燒器內(nèi)部各級(jí)筒的煤粉濃度調(diào)整，使其一直處于最佳的點(diǎn)火煤粉濃度。

3 數(shù)值模擬

3.1 幾何模型與網(wǎng)格模型

本次研究的內(nèi)容為：A1角的等離子體燃燒器和機(jī)械分流裝置涉及的煤粉管道，重點(diǎn)關(guān)注等離子體燃燒器內(nèi)部各級(jí)筒的煤粉顆粒分布情況和一次風(fēng)速[4]。

由于計(jì)算區(qū)域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了能夠準(zhǔn)確模擬煤粉顆粒在磨煤機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性，對(duì)計(jì)算域采用混合網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)風(fēng)環(huán)處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格劃分總數(shù)約為200萬(wàn)左右。A1角的管路走向及等離子燃燒器如圖1所示。

3.2 數(shù)學(xué)物理模型

煤粉管道及等離子體燃燒器流場(chǎng)模擬為三維流場(chǎng)流動(dòng)，采用CFD軟件開展模擬計(jì)算時(shí)，采用k-ε雙方程湍流模型模擬氣相湍流流動(dòng)；其內(nèi)部的煤粉分離過程是一個(gè)典型的湍流氣固兩相流動(dòng)過程，利用歐拉-拉格朗日法來(lái)模擬顆粒相在內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程；考慮煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)部的干燥計(jì)算；計(jì)算迭代時(shí)，采用SIMPLE算法求解離散方程組的壓力和速度耦合，采用逐步迭代法及低松弛因子求解方程，離散方法采用一階迎風(fēng)格式。

3.3 模擬邊界條件

(1)煤粉管道一次風(fēng)入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件；入口質(zhì)量流量、溫度根據(jù)磨煤機(jī)最低負(fù)荷運(yùn)行工況和BMCR工況值給定，采用設(shè)計(jì)煤質(zhì)，入口風(fēng)量為3.42 kg/s(最低負(fù)荷運(yùn)行工況)、4.21 kg/s(BMCR工況)，入口煤粉顆粒采用Rosin-Rammler分布，質(zhì)量流量為1.03 kg/s(最低負(fù)荷運(yùn)行工況)、2.36 kg/s(BMCR工況)；(2)煤粉細(xì)度為R90=16%，均勻性系數(shù)取1.1；(3)煤粉管道一次風(fēng)入口風(fēng)速為：20 m/s(最低負(fù)荷運(yùn)行工況)、25 m/s(BMCR工況)；(4)出口邊界條件：壓力出口。

3.4 模擬結(jié)果

管道煤粉濃度為0.3 kg/kg是等離子體燃燒器點(diǎn)火的最佳濃度，通過數(shù)值模擬得到一級(jí)筒內(nèi)側(cè)煤粉濃度為：0.31～0.33 kg/kg，二級(jí)筒內(nèi)側(cè)濃度為：0.25～ 0.27 kg/kg，以此濃度作為基準(zhǔn)對(duì)BMCR工況下的煤粉濃度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)機(jī)械分流板調(diào)整角度為10°～15°時(shí)，一級(jí)筒內(nèi)側(cè)可以調(diào)整為：0.31～0.33 kg/kg，二級(jí)筒內(nèi)側(cè)濃度可以調(diào)整為：0.30～0.32 kg/kg，整體阻力相比調(diào)整角度為0°時(shí)僅增大了100～300 Pa。A1角數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 A1角數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于等離子體燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以機(jī)械分流為特征的煤粉濃度調(diào)節(jié)裝置，可以很好調(diào)整各級(jí)筒的煤粉濃度到最佳點(diǎn)火濃度，解決等離子體點(diǎn)火可調(diào)節(jié)性差的問題；(2)機(jī)械分流裝置可以針對(duì)每個(gè)燃燒器進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和調(diào)整，解決由于煤粉管道分布不均造成的等離子體點(diǎn)火效果差異大的問題。