300 MW機組分層配燒特性數(shù)值模擬研究

任曉軍，郭文華，范旭卿

（山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司，山西大同 037039）

0 引言

混煤燃燒是目前火力發(fā)電行業(yè)中能夠有效利用現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，合理利用有限煤炭資源的重要技術(shù)應(yīng)用之一?？茖W(xué)合理的混煤燃燒技術(shù)可以節(jié)約煤炭資源，充分利用劣質(zhì)煤炭，降低火力發(fā)電中污染物排放量，甚至可以通過混煤燃燒達到更加有效的鍋爐變負荷運行,是今后火力發(fā)電領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。我國煤炭資源種類繁多，火力發(fā)電企業(yè)為了保障生產(chǎn)或提高經(jīng)營效益，往往被動或者主動摻燒非設(shè)計煤種[1-7]，配煤摻燒技術(shù)已成為提高火力發(fā)電機組運行安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性的重要手段。隨著國家節(jié)能減排政策的進一步推進以及近1年受經(jīng)濟環(huán)境影響，燃煤發(fā)電企業(yè)為了降低運營成本，在爐外大量配摻劣質(zhì)低熱值煤種，低熱值煤種入爐后能夠提供的加熱作用有限，而且在爐膛中的燃燒穩(wěn)定性極差。另外，在夏季機組滿負荷運行時，受限于煤質(zhì)、真空、環(huán)境溫度影響，機組往往發(fā)電受限；在冬季一些機組需要為熱網(wǎng)首站附屬設(shè)備提供一定壓力、溫度、流量的蒸汽作為動力源[8-13]，這時機組燃燒劣質(zhì)煤種，也會影響供熱出力。本文采用數(shù)值模擬方法，以某電廠300 MW機組四角切圓鍋爐均等配風(fēng)模式為例，先研究分析底層噴燃器在不同入爐煤量情況下爐內(nèi)燃燒情況，再研究分析不同負荷區(qū)間爐內(nèi)所提供的加熱程度以及爐內(nèi)煙氣組分分布情況，為今后火電廠鍋爐摻燒方案的進一步研究提供意見及建議[14-19]。

1 主要設(shè)備構(gòu)成

機組配置武漢鍋爐廠生產(chǎn)的WGZ1100/17.5-1型亞臨界自然循環(huán)鍋爐，采用5臺ZGM95QG型MPS中速磨煤機，正壓直吹式制粉系統(tǒng)、直流擺動燃燒器、四角布置切圓燃燒、一次再熱、平衡通風(fēng)、三分倉容克式空氣預(yù)熱器、固態(tài)除渣、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、鍋爐緊身封閉。

磨煤機選用ZGM95QG型MPS中速磨煤機，主要設(shè)計參數(shù)為：磨煤機標(biāo)準(zhǔn)制粉出力39.63 t/h，轉(zhuǎn)速35.1 r/min，一次風(fēng)量13.71 kg/s，最大通風(fēng)阻力6 190 kPa，磨煤單耗6～10（kW·h）/t（100%磨出力）；潤滑油泵型號為SNS210R46U12.1W21，潤滑油額定壓力0.63 MPa；給煤機型號為QM-BSC22-26，給煤機出力范圍6～60 t/h。

2 煤種運行

某電廠近1 a主要燃燒2種煤種，其中煤種A熱值為14 675.98 kJ，偏離設(shè)計煤種熱值較多；煤種B熱值為17 288.48 kJ，介于兩者之間。2種煤的工業(yè)分析情況如表1所示。

表1 不同煤種工業(yè)分析

由表1可以看出，煤種A和煤種B的特性都與設(shè)計煤種有些差異。煤種A熱值低，不能滿足機組高負荷時要求需要的動力源；煤種B雖然能夠滿足機組滿負荷運行時需要的動力源，但是在低負荷運行時，燃燒煤種B的經(jīng)濟性差。因此，如何利用現(xiàn)有煤種及鍋爐特性進行合理的分層配燒，是目前需要迫切解決的問題。

3 分層配燒方案

從煤種的常規(guī)特性分析可以看出，運行煤種A的發(fā)熱量較設(shè)計值偏離較大，但某電廠實際燃燒過程中運行煤種A為主要動力煤，運行煤種B只是作為高負荷運行時及滿足冬季供熱時進行配燒的動力煤。

本文研究的分層配燒方案為1號、5號磨煤機配燒運行煤種B，2號、3號磨煤機配燒運行煤種A，4號磨煤機根據(jù)電負荷及熱負荷曲線提前預(yù)判及時更換入爐煤種。

1號磨煤機為底層磨煤機，為最下層噴燃器A提供煤粉，5號磨煤機為最上層噴燃器E提供煤粉，其中噴燃器A在4個不同電負荷節(jié)點以7 t/h的煤量遞增。不同工況下磨煤機啟動及入爐煤種分配如表2所示。

表2 不同工況下磨煤機運行及入爐煤種分配單位：t/h

在150 MW負荷時，需要運行最下層3臺磨煤機，其中最底層1號磨煤機輸送煤種B，其目的是為了保證燃燒穩(wěn)定性，3號磨煤機滿煤量運行保證再熱器汽溫符合設(shè)計值，2號磨煤機投運自動模式。

在200 MW負荷時，需要4臺磨煤機運行，其中1號磨煤機同樣保持靈活性，煤量增加至25 t/h，最上層4號磨煤機配燒煤種A且滿煤量運行，其余中間2層磨煤機投運自動模式。

在250 MW負荷時，需5臺磨煤機運行，并在這5臺磨煤機中需要中間3臺磨煤機進行滿煤量運行，1號磨煤機煤量增至32 t/h，5號磨煤機配燒煤種B且保持靈活性。

在300 MW負荷時，同樣需5臺磨煤機運行，這時4號磨煤機需要及時更換為B煤種，下面4臺磨煤機保持滿煤量運行，5號磨煤機保持其靈活性[20]。

這種配煤方案需要4號磨煤機原煤倉隨時保持低煤位運行，同時根據(jù)電、熱負荷曲線提前預(yù)判負荷高峰期，便于及時更換煤種。這樣配燒的結(jié)果不僅能提高機組的安全穩(wěn)定性，還能在不同電、熱負荷區(qū)間保持最佳經(jīng)濟特性。

4 分層配燒數(shù)值模擬方法

燃煤鍋爐爐膛內(nèi)部燃燒過程十分復(fù)雜，其中包括多相流動、多組分流動等復(fù)雜的三維流動。燃燒化學(xué)反應(yīng)包括顆粒燃燒、氣相燃燒，隨著揮發(fā)分析出的焦炭燃燒，燃燒過程中伴隨著多種換熱模型，如對流換熱、輻射換熱及導(dǎo)熱等。

4.1 數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)值模擬三維穩(wěn)態(tài)計算時，氣相湍流流動采用可實現(xiàn)k-ε模型；煤粉的燃燒及揮發(fā)分析出、揮發(fā)分的燃燒、焦炭燃燒過程分別采用雙匹配速率模型、混合分數(shù)密度模型、動力反應(yīng)速率模型；組分運輸模型采用非預(yù)混燃燒模型，同時采用隨機軌道模型進行模擬湍流煤粉顆粒軌跡；采用P-1輻射模型計算爐內(nèi)傳熱；爐膛出口采用壓力出口邊界條件，避免采用標(biāo)準(zhǔn)的無滑移邊界條件，一次風(fēng)、二次風(fēng)、最上層4個燃燼風(fēng)將采用速度入口邊界條件，同時在不同燃燒區(qū)域及傳熱區(qū)域設(shè)置不同的壁溫；使用渦耗散模型進行燃料輸入時，可以設(shè)置2種燃料流[21]。

所有參數(shù)設(shè)置好后，進行冷態(tài)流場求解，待收斂后，進行速度場分析，觀察四角切圓是否符合實際情況后耦合燃燒、輻射換熱等直至能量方程、動量方程、組分方程收斂[22]。

4.2 鍋爐結(jié)構(gòu)及燃燒器布置

利用Gambit軟件將某電廠二期300 MW機組進行三維建模，此電廠鍋爐為“Π”型布置，爐膛截面積為正方形，爐膛內(nèi)長為14 212 mm，正四角切圓配置，爐室高為54 500 mm，爐膛截面積為200 m2，爐膛容積為8 947 m3，其中上排一次風(fēng)噴口中心線至屏底距離17.2 m，下排一次風(fēng)噴口中心線至灰斗拐角為4.3 m。爐膛截面的熱負荷為4.13 MW/m2，容積的熱負荷為93.21 kW/m3，設(shè)計爐膛出口煙氣溫度為1 015.6℃。

4.3 網(wǎng)格劃分

利用Gambit軟件對鍋爐區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，主要采用拼接法將鍋爐爐膛分為主燃燒區(qū)、再燃燒區(qū)域、燃燼區(qū)域及屏式過熱器傳熱區(qū)域4個區(qū)域，由于在模擬中會出現(xiàn)偽擴散區(qū)，所以需對主燃燒區(qū)域及燃燒器噴嘴區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理[23]，多次進行冷態(tài)計算，最終取網(wǎng)格數(shù)為373 188個。

4.4 邊界條件設(shè)定

本文采取均等配風(fēng)模式，不進行風(fēng)門調(diào)整。對某電廠300 MW機組每臺磨煤機輸粉管的速度、溫度進行實地測量，取平均值，所有噴口均在X、Y方向設(shè)置速度矢量。

根據(jù)不同噴口位置進行正負設(shè)置，不作燃燒器的上擺及下擺狀態(tài)，所以Z方向速度矢量設(shè)置為0；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口；壁面邊界條件設(shè)置為壁面，選擇溫度邊界條件類型為溫度，顆粒流動選擇離散型，溫度根據(jù)不同區(qū)域進行不同溫度設(shè)置，輻射率按0.6設(shè)置，顆粒邊界類型按反射設(shè)置，其他參數(shù)詳情如表3、表4所示[24]。

表3 壁面溫度邊界條件設(shè)置

表4 鍋爐邊界條件設(shè)置

使用渦耗散模型進行燃料設(shè)置時[25]，可以設(shè)置2種類型的燃料。質(zhì)量流量根據(jù)不同工況下磨煤機的給煤量進行計算，其余參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 噴燃器邊界條件設(shè)置

5 分層配燒結(jié)果分析

對表2各工況進行數(shù)值模擬，對爐膛中心截面及一次風(fēng)截面溫度、速度進行對比分析，看能否滿足鍋爐實際輸出所需要的動力。

5.1 一次風(fēng)截面速度

爐膛最下層燃燒器截面Z=20.56 m的速度情況如圖1所示。從4個工況的速度來看，平均速度均在26 m/s左右。工況3、工況4中1號磨煤機入爐煤量由18 t/h增加至39 t/h，將近1倍多，但是4個工況速度變化不大，4個工況中爐膛內(nèi)火焰充滿度好、燃燒穩(wěn)定，平均速度均維持在26 m/s，說明底層噴燃器送入煤質(zhì)B能夠保證燃燒的穩(wěn)定性。

圖1 一次風(fēng)截面Z=20.56 m速度柱狀圖

5.2 一次風(fēng)截面溫度

最下層一次風(fēng)橫截面Z=20.56 m的溫度情況如圖2所示。從圖2可以看出，隨著電負荷增大，磨煤機煤量增多時，爐膛內(nèi)燃燒情況越變越好。高溫區(qū)域明顯增多，爐膛中心溫度由1 350 K左右上升到了1 850 K。

圖2 一次風(fēng)橫截面Z=20.5 m溫度柱狀圖

工況1是低負荷運行時，1號磨煤機給煤量為18 t/h，整體溫度偏低，為1 350 K；隨著電負荷增大，到達工況2時，1號磨煤機給煤量為25 t/h，溫度升高到1 400 K；工況3時，底層磨煤機給煤量為32 t/h，溫度升高到1 700 K；工況4時，機組滿負荷運行，底層磨煤機給煤量也達到額定值39 t/h，此時溫度升高到1 850 K。

1號磨煤機燃燒煤種B時保持靈活性，根據(jù)不同負荷，既能提供可靠的底層溫度保證鍋爐燃燒的穩(wěn)定性，同時又在接帶高負荷時提供可靠的動力支持。

5.3 爐膛中心截面溫度

鍋爐Y=7.106 m中心截面溫度情況如圖3所示。噴燃器噴出的燃料受到來自鄰角火焰沖擊，使其快速燃燒，同時將熱量迅速傳遞給其鄰角射流導(dǎo)致其燃燒，加上物料顆粒呈陀螺狀向爐膛上部快速移動，最終各個噴口的燃料相互引燃，所有噴口噴出的火舌進行四角切圓并不斷呈陀螺狀快速上移，隨著高度的增加，燃料逐漸燃盡。其中工況1溫度較低，為1 315 K，工況4溫度達到1 835 K，隨著電負荷不斷增加，爐膛中心截面溫度也在不斷升高。

圖3 鍋爐Y=7.106 m中心截面溫度柱狀圖

本文在爐膛建模時對燃燒器噴口進行了簡化處理，直接將四角截面設(shè)置為爐膛燃燒器的噴口且二次風(fēng)以及一次風(fēng)采用的為均等配風(fēng)形式。

不同負荷下溫度、入爐煤量對比情況如圖4所示。由圖4可知，工況1（150 MW）溫度較低，平均溫度在1 475 K，由于CC、DD、DE、EE、EF層二次風(fēng)噴口均向爐膛內(nèi)部通入大量的二次風(fēng)，不斷和未燃盡的顆粒進行混合燃燒，所以爐膛煙溫高于分隔屏底部最高煙氣溫度1 415 K。工況2（200 MW）溫度較工況1溫度有所提高，為1 600 K，原因為工況2比工況1多1臺磨煤機出力且最上層磨煤機滿負荷運行，同時能夠提高再熱器溫度，爐膛煙溫也高于分隔屏底部最高煙氣溫度1 481 K。工況3（250 MW）平均溫度為1 700 K，可以看出煙氣溫度達到設(shè)計煙溫，說明這種配煤方式能夠滿足負荷要求。工況4（300 MW）為機組滿負荷運行，要求鍋爐出力大，此種配煤方式可以使?fàn)t膛內(nèi)平均煙溫達1 800 K，完全滿足設(shè)計要求。爐膛煙溫超過了分隔屏底部最高煙氣溫度1 616 K。

圖4 不同負荷下溫度、入爐煤量對比情況

6 結(jié)論

a）分層爐內(nèi)配燒方式能夠很好地滿足鍋爐在不同負荷段保證鍋爐的穩(wěn)定輸出，其中在工況1時，爐內(nèi)燃燒工況較差，平均煙氣溫度1 415 K，剛好滿足設(shè)計要求；工況2、工況3、工況4煙氣溫度均在設(shè)計范圍內(nèi)。

b）從4種工況下CO2的濃度分布可以看出，隨著入爐煤量增多，煤質(zhì)變好，爐膛內(nèi)部的CO2濃度逐漸升高。工況2在燃燒器噴口處的CO2增加十分明顯，到達工況4時，爐膛內(nèi)CO2的濃度顯而易見，佐證了這種分層配燒方式對爐膛內(nèi)燃燼率的提升。

c）通過爐內(nèi)分層配燒，底層磨煤機燃燒高熱值煤種，中間2層磨煤機燃燒經(jīng)濟性高煤種，最上2層磨煤機提前預(yù)判電負荷進行靈活性調(diào)整入爐煤種，來實現(xiàn)最佳經(jīng)濟效益的同時提高機組接帶負荷能力。通過數(shù)值模擬方法替代現(xiàn)場的大量試驗來研究爐內(nèi)燃燒情況，得出這種分層配燒方案能夠為機組接帶不同電負荷時提供可靠的動力源，同時又保證機組的安全性。上述研究在生產(chǎn)實際中已經(jīng)得到驗證，為后續(xù)火電廠配煤摻燒研究提供了一定的參考意見。