濃淡分離燃燒器等離子改造的數(shù)值模擬研究

摘要：針對濃淡分離燃燒器進(jìn)行等離子點(diǎn)火改造，常規(guī)的改造方案是將濃、淡兩股煤粉氣流合二為一。但這種改造方案無法滿足現(xiàn)場一些特殊需求，如某前后墻對沖鍋爐的濃淡分離燃燒器的淡側(cè)煤粉是引至側(cè)墻，可以起到防止側(cè)墻結(jié)焦的目的，在進(jìn)行等離子改造時需要保留淡側(cè)煤粉，等離子燃燒器只能布置于濃側(cè)噴口。鑒于此，針對保留濃淡分流裝置的等離子改造進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：通過對煤粉管道、濃淡分流裝置和等離子燃燒器的一些特殊設(shè)計(jì)，可以保證濃淡分離裝置的分離效果不變，等離子燃燒器內(nèi)部的煤粉濃度和一次風(fēng)速可以滿足等離子點(diǎn)火的要求。

關(guān)鍵詞：濃淡分離；燃燒器；等離子改造；數(shù)值模擬

中圖分類號：TM621.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0066-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.016

0" " 引言

濃淡分離燃燒器在不同鍋爐廠、不同爐型上都有應(yīng)用，包括北京巴威鍋爐廠用在前后墻對沖鍋爐上的Half-PAX型濃淡分離燃燒器和哈爾濱鍋爐廠用在四角切圓鍋爐上的PM燃燒器等。

對這種燃燒器進(jìn)行等離子點(diǎn)火改造的常規(guī)方案是將濃、淡兩股煤粉氣流合二為一，同時為了保證一次風(fēng)噴口的風(fēng)速與原來保持不變，需要將等離子燃燒器噴口面積擴(kuò)大為濃、淡噴口面積之和，將等離子燃燒器布置于原濃側(cè)噴口處，將淡側(cè)噴口位置進(jìn)行封堵。

但是，在對某電廠前后墻對沖鍋爐的濃淡分離燃燒器進(jìn)行等離子[1-2]改造時，電廠提出保留淡側(cè)煤粉管道，這樣可以有效防止側(cè)墻結(jié)焦問題出現(xiàn)。因此，上述常規(guī)改造方案不適用，需要設(shè)法改造濃淡分離燃燒器，保證等離子點(diǎn)火改造后，濃淡分離效果保持不變，不會對鍋爐的整體性能產(chǎn)生不利影響。

1" " 鍋爐概況

1.1" " 機(jī)組簡介

某電廠#1鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的Bamp;WB-1098/25.4-M型超臨界鍋爐，為350 MW燃煤粉、成套超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、前煤倉（或側(cè)煤倉）布置、半露天布置、爐頂設(shè)大罩殼、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)∏型鍋爐。

鍋爐采用雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式。鍋爐尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣調(diào)溫?fù)醢逭{(diào)節(jié)再熱器出口汽溫。鍋爐豎井下設(shè)置兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。鍋爐尾部煙道配有SCR脫硝裝置。

1.2" " 燃煤煤質(zhì)

現(xiàn)下層（A層）制粉系統(tǒng)使用神華煤或神混煤。本次改造設(shè)計(jì)煤質(zhì)分析如表1所示。

2" " 等離子改造方案

原濃淡分離燃燒器[3]布置如圖1所示，主要是由管道彎頭、豎直管道、濃淡分離裝置、濃側(cè)粉管和淡側(cè)粉管組成。一次風(fēng)粉被濃淡分離裝置分成濃、淡兩股，濃粉進(jìn)入濃側(cè)粉管，由前后墻噴入爐膛；淡粉進(jìn)入淡側(cè)粉管，由側(cè)墻噴入爐膛，可以起到防止側(cè)墻結(jié)焦的作用。其中濃淡分離裝置的分配效果為：濃、淡側(cè)空氣比例為50：50，濃、淡側(cè)煤粉比例為80：20。

本次改造等離子燃燒器安裝在前后墻最下層A層，對應(yīng)A磨煤機(jī)。等離子改造后的布置如圖2所示，主要是由管道彎頭、豎直管道、濃淡分離裝置、等離子彎頭、等離子燃燒器和淡側(cè)粉管組成。本次改造的范圍包括：1）等離子燃燒器布置在濃側(cè)粉管處，并且增設(shè)等離子彎頭，用于等離子體發(fā)生器的安裝；2）對濃淡分離裝置進(jìn)行內(nèi)部改造，一是為了給等離子燃燒器騰出安裝空間，二是為了保證改造后的濃淡分離效果保持不變，不會影響鍋爐的整體性能；3）在管道彎頭內(nèi)部增設(shè)均流板，減少由于豎直管道縮短造成的煤粉聚集影響。

3" " 數(shù)值模擬

3.1" " 建立模型和劃分網(wǎng)格

為了更加準(zhǔn)確地對改造前后濃淡分離裝置的分離效果進(jìn)行數(shù)值模擬對比，1：1畫出其中一個角的管道布置圖，并且設(shè)計(jì)了一個小爐膛來模擬煤粉在爐膛內(nèi)部的流動，具體的三維模型示意圖如圖3所示。

此模型包括管道彎頭、煤粉管道、濃淡分離裝置、等離子燃燒器等，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了能夠準(zhǔn)確地模擬內(nèi)部煤粉的流動情況，選用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對濃淡分離裝置和等離子燃燒器部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

3.2" " 邊界條件

根據(jù)電廠磨煤機(jī)BMCR運(yùn)行工況，單根煤粉管道的一次風(fēng)量為3.123 kg/s，煤粉質(zhì)量流量為1.962 kg/s。根據(jù)上述參數(shù)對邊界條件進(jìn)行設(shè)置：

1）煤粉管道一次風(fēng)入口采用質(zhì)量流量，入口一次風(fēng)量設(shè)為3.123 kg/s（BMCR工況），入口煤粉質(zhì)量流量為1.962 kg/s（BMCR工況）；

2）煤粉細(xì)度：20%（煙煤）；

3）煤粉管道一次風(fēng)入口風(fēng)速：31.6 m/s（BMCR工況）；

4）出口邊界條件：壓力出口，-50 Pa；

5）煤粉管道內(nèi)徑：？準(zhǔn)370 mm（變徑之前管道內(nèi)徑？準(zhǔn)406 mm）。

3.3" " 模擬結(jié)果

此次等離子改造需要關(guān)注兩個問題：1）等離子改造前后濃淡分離效果和一次風(fēng)速是否有影響；2）等離子改造后是否適合等離子點(diǎn)火。影響等離子燃燒器點(diǎn)火的因素很多，關(guān)鍵因素為各級筒內(nèi)的一次風(fēng)速和煤粉濃度。

此次數(shù)值模擬[4]主要對BMCR工況下等離子改造前后濃淡分離效果和一次風(fēng)速進(jìn)行了對比，另外還對等離子點(diǎn)火工況下等離子燃燒器中心筒和二級筒內(nèi)的一次風(fēng)速和煤粉濃度進(jìn)行了對比，具體如表2、表3所示。

4" " 結(jié)論

通過數(shù)值模擬結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

1）BMCR工況下，原燃燒器模擬結(jié)果的濃淡分離效果為：濃、淡側(cè)空氣比例為57：43，濃、淡側(cè)煤粉比例為72：28，與設(shè)計(jì)預(yù)想的濃淡分離效果存在些許偏差，但在可接受的范圍內(nèi)。

2）BMCR工況下，改造后的濃淡分離效果為：濃、淡側(cè)空氣比例為56：44，濃、淡側(cè)煤粉比例為74：26，與原燃燒器的濃淡分離效果基本保持一致，不會對鍋爐性能造成不利影響，滿足改造要求。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 馬國智，趙永國，劉新坤，等.防止等離子燃燒器噴口燒損技術(shù)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2024，40（1）：32-33.

[3] 邊彩霞，王偉成.一種帶乏氣風(fēng)的濃淡旋流燃燒器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].機(jī)械管理開發(fā)，2020，35（3）：1-2.

[4] 閆金山，王建宇，尚慶.高水分、低熱值褐煤機(jī)組鍋爐大功率等離子點(diǎn)火特性數(shù)值模擬[J].工業(yè)爐，2019，41（6）：18-23.

收稿日期：2024-05-07

作者簡介：周劍（1977—），男，江西湖口人，工程師，研究方向：電站鍋爐節(jié)能改造。

通信作者：宋繼坤（1987—），男，山東青州人，高級工程師，研究方向：電站鍋爐節(jié)油改造。