660 MW鍋爐低負(fù)荷下燃燒特性的數(shù)值模擬研究

摘 要 針對(duì)某電廠660 MW鍋爐開(kāi)展了低負(fù)荷下的爐內(nèi)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬研究，對(duì)比鍋爐在30%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）負(fù)荷和100%BMCR負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)的燃燒特性，分析低負(fù)荷對(duì)爐內(nèi)燃燒過(guò)程的影響。結(jié)果表明：低負(fù)荷工況下，爐膛內(nèi)能保持較好的流場(chǎng)充滿度，流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布均勻，燃燒組織合理，可保證煤粉顆粒的著火和燃燒；30%BMCR負(fù)荷相較于100%BMCR負(fù)荷，鍋爐中心縱截面平均溫度降低了35.88%，燃盡區(qū)溫度差距變大；低負(fù)荷工況能減弱火焰貼壁對(duì)爐膛熱負(fù)荷的影響，改善壁面熱負(fù)荷的分布情況，使煤粉更易著火、燃燒更充分。

關(guān)鍵詞 超超臨界鍋爐 深度調(diào)峰 燃燒特性 低負(fù)荷穩(wěn)燃 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào) TQ052.7" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）05?0696?06

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2017YFB0602102）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：杜寶倉(cāng)（1982-），高級(jí)工程師，從事可視化爐膛燃燒技術(shù)、鍋爐數(shù)值模擬、鍋爐水冷壁水動(dòng)力特性計(jì)算和壁溫計(jì)算的研究。

通訊作者：陳陽(yáng)（2000-），碩士研究生，從事鍋爐數(shù)值模擬、變壓器通風(fēng)散熱數(shù)值模擬、鍋爐水冷壁水動(dòng)力特性計(jì)算和壁溫計(jì)算的研究，1252187259@qq.com。

引用本文：杜寶倉(cāng)，王東，馬國(guó)偉，等.660 MW鍋爐低負(fù)荷下燃燒特性的數(shù)值模擬研究［J］.化工機(jī)械，2024，51（5）：696-701.

隨著我國(guó)電力體制深化改革及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，可再生能源比重持續(xù)提高。但由于風(fēng)電和光電的隨機(jī)性、間歇性及不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，對(duì)煤電機(jī)組深度調(diào)峰能力提出了更高要求。目前，我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組一般只有40%～50%的調(diào)峰能力，相比于發(fā)達(dá)國(guó)家70%以上的調(diào)峰能力還有較大差距［1～3］。燃煤機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰的前提是要保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，但是當(dāng)燃煤機(jī)組在深度調(diào)峰工況下運(yùn)行時(shí)，鍋爐運(yùn)行負(fù)荷較低，偏離正常工作范圍，爐內(nèi)煙氣含量下降，燃燒穩(wěn)定性變差，煤粉著火困難，甚至有熄火的風(fēng)險(xiǎn)，其在運(yùn)行控制上遠(yuǎn)比高負(fù)荷工況下復(fù)雜。因此，有必要研究鍋爐低負(fù)荷工況下的爐內(nèi)燃燒過(guò)程和煤粉燃燒特性，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰背景下的機(jī)組安全和高效運(yùn)行［4～6］。

目前，已有學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究［7～10］。趙星海等通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究了墻式切圓鍋爐30%負(fù)荷下不同富氧配風(fēng)條件下的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)將一層輔助風(fēng)替換為富氧風(fēng)時(shí)，爐膛溫度會(huì)升高［11］。LI S等對(duì)某330 MW旋流對(duì)沖鍋爐在50%～100%BMCR（鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量）負(fù)荷下的燃燒效率、煙氣溫度和成分的變化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷下主燃區(qū)的溫度會(huì)降低，同時(shí)O2消耗量和CO生成量也會(huì)降低［12］。江志銘等研究了低負(fù)荷下四角切圓燃燒鍋爐的過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，爐內(nèi)燃燒溫度升高，還原性物質(zhì)減少，NOx排放量增加［13］。然而，已有的文獻(xiàn)報(bào)道大多集中于中高負(fù)荷工況下鍋爐的燃燒特性，而對(duì)鍋爐在低負(fù)荷下尤其是極低負(fù)荷（20%～40%BMCR）下的運(yùn)行情況則研究極少［14］。

筆者以某電廠660 MW超超臨界鍋爐為研究對(duì)象，開(kāi)展30%BMCR和100%BMCR負(fù)荷下以不同磨煤機(jī)組合方式運(yùn)行時(shí)的爐內(nèi)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析低負(fù)荷工況對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響，并對(duì)低負(fù)荷下的穩(wěn)燃特性進(jìn)行研究，為電廠實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷深度調(diào)峰提供理論指導(dǎo)。

1 鍋爐概況

某電廠鍋爐為660 MW超超臨界參數(shù)、變壓直流爐、單爐膛、切向燃燒，一次再熱、平衡通風(fēng)、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、Π型布置，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)。鍋爐爐膛寬19 082.3 mm，深18 092.3 mm，高68 000 mm。鍋爐設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)參數(shù)列于表1。

鍋爐燃燒器選用M?PM煤粉燃燒器，采用一、二次風(fēng)噴口相間布置，包含6層煤粉噴嘴（A～F）、7層輔助風(fēng)噴嘴（AA、AB、BC、CD、DE、EF、FF）和6層分離燃盡風(fēng)（Separated Over?Fire Air，SOFA）燃燒器噴嘴。燃燒器布置情況如圖1所示。

2 模型建立及數(shù)值模擬方法

采用Space Claim對(duì)鍋爐進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)建模，包括冷灰斗、主燃區(qū)和折焰角。在建模過(guò)程中進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，認(rèn)為水冷壁和爐頂屏式過(guò)熱器厚度為零且為定壁溫邊界條件。

2.1 物理模型

鍋爐燃燒包含流動(dòng)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)物理化學(xué)過(guò)程，爐內(nèi)氣體流動(dòng)為三維湍流流動(dòng)，爐內(nèi)過(guò)程涉及煤粉顆粒和氣體的兩相流動(dòng)，基于此數(shù)值模擬中選用的部分模型見(jiàn)表2。求解方式選擇速度與壓力耦合的SIMPLE算法，空間離散化方程均采用二階迎風(fēng)格式，入口為速度邊界條件，出口為自由出流邊界條件，爐膛近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面無(wú)滑移條件。

2.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用ICEM對(duì)該鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用分區(qū)域、結(jié)構(gòu)化的劃分方法，計(jì)算區(qū)域分為冷灰斗、燃燒器和上爐膛受熱面3個(gè)部分。鍋爐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程主要發(fā)生在燃燒器區(qū)域，為了保證計(jì)算過(guò)程中可以更準(zhǔn)確地反映該區(qū)域物理量的變化，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。對(duì)于冷灰斗和上爐膛受熱面區(qū)域，由于爐內(nèi)參數(shù)變化較小，網(wǎng)格設(shè)置較為稀疏。爐膛中心截面網(wǎng)格劃分如圖2所示。

在數(shù)值模擬過(guò)程中，計(jì)算精度隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而提高。然而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定范圍之后，再增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算精度的影響程度會(huì)很小，但是計(jì)算速度明顯減緩，計(jì)算成本增加。為兼顧計(jì)算速度和計(jì)算精度、節(jié)約成本，設(shè)置3種不同網(wǎng)格數(shù)量的模擬系統(tǒng)，分別為156萬(wàn)、280萬(wàn)和360萬(wàn)，得到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。由圖可知，3種網(wǎng)格數(shù)量下不同爐膛高度處的煙氣溫度十分接近，且溫度變化趨勢(shì)一樣，說(shuō)明模擬已經(jīng)收斂，因此為了節(jié)約計(jì)算成本，筆者選用156萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)100%BMCR負(fù)荷下的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯瑪?shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值偏差較小，可以認(rèn)為建立的數(shù)值模型是可靠的。

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)兩種數(shù)值模擬工況，具體見(jiàn)表4，研究?jī)煞N工況下的煙氣流場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布、溫度場(chǎng)分布和熱負(fù)荷分布。

3.1 煙氣流場(chǎng)分布

圖4為爐膛內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布?？梢钥闯?，燃燒器下部至冷灰斗區(qū)域速度較低，燃燒器區(qū)域的速度較高，氣流密度也大，因此擾動(dòng)作用也強(qiáng)，能夠保證空氣與煤粉充分混合，煤粉的著火和燃燒反應(yīng)更易進(jìn)行；在折焰角附近，由于氣流方向急劇偏轉(zhuǎn)，形成了一小片回流區(qū)域。經(jīng)過(guò)換熱器區(qū)域時(shí)，由于密集的換熱器管屏的阻礙作用，煙氣湍流強(qiáng)度減弱?？傮w來(lái)看，爐膛內(nèi)氣流充滿度較好，速度分布較為均勻；工況二下的燃燒器區(qū)域速度比工況一的更快，這與工況二啟用的燃燒器較多的事實(shí)相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬的可行性。

3.2 速度場(chǎng)分布

圖5為兩種工況下鍋爐水平截面的速度場(chǎng)分布。可以看出，兩種工況下噴口處的速度最高，然后往中心區(qū)域呈階梯狀遞減，爐膛中心區(qū)域均形成順時(shí)針切圓，氣流速度呈現(xiàn)出中間低、四周高的分布規(guī)律［17］。兩種工況下，流場(chǎng)分層都比較明顯，說(shuō)明爐內(nèi)氣流速度變化較為平滑，流場(chǎng)組織較好，有利于煤粉的充分燃燒。

圖6為兩種工況下鍋爐中心縱截面的速度場(chǎng)分布。可以看出，兩種工況下燃燒器噴口處的速度均明顯高于爐膛其他區(qū)域，氣流分布具有一定的對(duì)稱性［18］，在折焰角附近，由于氣流方向急劇偏轉(zhuǎn)，形成了一小片回流區(qū)域。對(duì)于SOFA風(fēng)噴口處的速度場(chǎng)分布，工況一相較于工況二處的風(fēng)在其離開(kāi)噴口不遠(yuǎn)處出現(xiàn)了軌跡偏移，這是由于在低負(fù)荷下主燃燒區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)接近1，煙氣主氣流的動(dòng)量大，SOFA風(fēng)的擾動(dòng)難以達(dá)到爐膛中心區(qū)域?？傮w來(lái)看，低負(fù)荷下，冷灰斗區(qū)域的氣流充滿度較好，爐膛整體的流場(chǎng)分布更均勻。

3.3 溫度場(chǎng)分布

圖7為兩種工況下鍋爐水平截面的溫度場(chǎng)分布?？梢钥闯?，兩種工況下燃燒器噴口處都發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)，水平截面溫度分布具有明顯的切圓特征，燃燒的最高溫度出現(xiàn)在切圓邊緣處［19］，爐膛中心區(qū)域的溫度相對(duì)較低，這與圖5的氣流組織情況相符。工況二與工況一相比，煤粉經(jīng)一次風(fēng)噴口噴出后著火距離變短，形成的切圓更大，且由于風(fēng)速更高，火焰出現(xiàn)貼壁的情況；工況一由于風(fēng)速較低，高溫火焰的長(zhǎng)度明顯更長(zhǎng)，相鄰火焰之間的擾動(dòng)更強(qiáng)烈，爐內(nèi)火焰充滿度良好，火焰貼壁情況得到改善。由此可知，四角切圓鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可以改善煤粉的著火條件和火焰貼壁情況。

圖8為兩種工況下鍋爐中心縱截面的溫度場(chǎng)分布。可以看出，兩種工況下?tīng)t膛內(nèi)的溫度分布較為類似，對(duì)爐膛整體溫度分布而言，主燃區(qū)溫度梯度變化最大，平均溫度水平最高，主燃區(qū)的高溫?zé)煔饧性跔t膛中心區(qū)域，冷灰斗底部和燃盡風(fēng)上部區(qū)域溫度水平較低；沿爐膛高度方向，溫度的變化趨勢(shì)整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)［20］；燃燒器區(qū)域煤粉燃燒劇烈，因此溫度水平較高，在SOFA風(fēng)區(qū)，由于溫度較低的SOFA風(fēng)的進(jìn)入，遇高溫?zé)煔夂筮M(jìn)行熱交換，使得煙氣冷卻，爐膛溫度下降，同時(shí)SOFA風(fēng)強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用使得上爐膛區(qū)域的溫度分布逐漸均勻。當(dāng)煙氣進(jìn)一步上升時(shí)，煤粉趨于燃盡，此時(shí)燃燒釋放的熱量較少，但四周水冷壁以及爐膛上部的換熱器仍在吸收熱量，因此在爐膛出口處煙氣的溫度有所降低。工況一鍋爐中心縱截面的平均溫度為1 414.3 K，工況二鍋爐中心縱截面的平均溫度為1 921.8 K，可以看出，隨著負(fù)荷的降低，鍋爐中心縱截面對(duì)應(yīng)的各區(qū)域溫度總體呈下降趨勢(shì)，且工況一相較于工況二，縱截面的平均溫度降低了35.88%，燃盡區(qū)溫差較大。

3.4 熱負(fù)荷分布

圖9為兩種工況下鍋爐整體的熱負(fù)荷分布。因?yàn)楸诿嬉鼰幔詧D9中的熱負(fù)荷全部都是負(fù)值。爐膛內(nèi)的熱量傳遞絕大部分為輻射傳熱，燃燒中心由于溫度較高以及切圓的存在，使得火焰發(fā)生偏轉(zhuǎn)而靠近爐墻，所以火焰偏向一側(cè)的壁面局部熱負(fù)荷最高，即圖9中噴口附近的壁面。由此可知，在燃燒器一次風(fēng)口周圍布置二次風(fēng)是很有必要的，二次風(fēng)的速度要比一次風(fēng)的高，同時(shí)可以增加一次風(fēng)的剛度，預(yù)防火焰貼墻。對(duì)工況一而言，在主燃區(qū)，噴口附近壁面以及冷灰斗上方壁面的熱負(fù)荷較大，燃燒器區(qū)域上部熱負(fù)荷較小，且折焰角對(duì)其熱負(fù)荷的分布影響不大，但鍋爐整體熱負(fù)荷變化梯度較大；對(duì)工況二而言，由于啟用了多個(gè)燃燒器噴口，受火焰偏斜的影響更大，因此鍋爐壁面熱負(fù)荷整體較高，鍋爐熱負(fù)荷分布較均勻，但氣流切圓的擴(kuò)大，導(dǎo)致壁面熱負(fù)荷在燃燒器區(qū)域上部還有二次升高，且受折焰角的影響變大，使得熱負(fù)荷在折焰角區(qū)域分布不均勻。

4 結(jié)論

4.1 四角切圓鍋爐在高負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，較好的流場(chǎng)組織有利于爐膛內(nèi)的傳熱與傳質(zhì)過(guò)程，同時(shí)使煤粉著火距離變短，爐內(nèi)切圓擴(kuò)大，燃燒反應(yīng)更容易發(fā)生，但是火焰容易出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象。

4.2 工況一和工況二下的鍋爐中心縱截面平均溫度分別為1 414.3、1 921.8 K，工況一相較于工況二，縱截面平均溫度降低了35.88%，且隨著負(fù)荷的降低，鍋爐中心縱截面對(duì)應(yīng)的各區(qū)域溫度總體呈下降趨勢(shì)，燃盡區(qū)溫度差距變大；但低負(fù)荷下，冷灰斗區(qū)域的氣流充滿度較好，爐膛整體的流場(chǎng)分布更均勻，煤粉更易著火，燃燒更充分。

4.3 相較于高負(fù)荷工況，當(dāng)四角切圓鍋爐在低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，減弱了火焰貼壁對(duì)爐膛的影響，使燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷分布更均勻，但由于鍋爐整體熱負(fù)荷較低，導(dǎo)致整體熱負(fù)荷分布不均勻。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-09-27，修回日期：2024-09-10）

Numerical Simulation of the Combustion Characteristics"of 660 MW Boilers with Low Load

DU Bao?cang1， WANG Dong1， MA Guo?wei1， CHEN Yang2

（1. National Energy Group Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.；"2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering， Xi’an Jiaotong University）

Abstract" "A numerical simulation study on the combustion process of a 660 MW boiler under low load in a power plant was implemented， including comparing combustion characteristics of the boiler under 30%BMCR load and 100%BMCR load and analyzing the influence of low load on the combustion process. The results show that， under low load conditions， the furnace can maintain good flow?field fullness， both flow field and temperature field distribution become uniform and the combustion structure is reasonable to ensure both ignition and combustion of pulverized coal particles. Under 30%BMCR load， as compared to 100%BMCR load， the longitudinal section’s average temperature at the boiler center can be reduced by 35.88% and the temperature gap in the burnout zone becomes larger； the low load condition can weaken the influence of the flame sticking to the wall on the heat load of the furnace， and improve the distribution of the heating load on the wall， as well as make the pulverized coal more easy to ignite and burn more fully.

Key words" "ultra?supercritical boiler， depth peak regulation， combustion characteristics， stable combustion at low load， numerical simulation