600MW超超臨界切圓鍋爐熱負(fù)荷特性分析

摘 要：煤炭作為我國主要的能源資源，燃煤鍋爐的高效運行對能源利用和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。本文針對600MW超超臨界切圓鍋爐，采用數(shù)值模擬方法，研究了其在BMCR、TRL、90%THA等8種負(fù)荷下的熱負(fù)荷特性。結(jié)果顯示，隨著負(fù)荷降低，爐膛內(nèi)整體溫度水平呈下降的趨勢。當(dāng)?shù)拓?fù)荷40%THA及以下時，爐內(nèi)溫度顯著降低，O2和CO2濃度變化波動劇烈，燃燒穩(wěn)定性降低。低負(fù)荷運行可能存在穩(wěn)燃問題和水動力循環(huán)問題。本文為優(yōu)化鍋爐在不同負(fù)荷下的燃燒運行提供了理論依據(jù)，有助于提高燃煤鍋爐的效率和安全性。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；數(shù)值模擬；熱負(fù)荷

中圖分類號： TK 124" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

能源是人類進(jìn)步和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，關(guān)系著社會可持續(xù)發(fā)展和文明建設(shè)[1]。煤炭是我國現(xiàn)階段最重要的能源資源，燃煤鍋爐其內(nèi)部的運行過程是由湍流流動、傳熱及燃燒構(gòu)成的復(fù)雜的三維過程。在其燃燒的過程中充滿了復(fù)雜多變的情況，導(dǎo)致在實際的操作過程中需要結(jié)合周期長、投資大的試驗來確定運行和設(shè)計參數(shù)。國內(nèi)外許多學(xué)者通過數(shù)值模擬方法對鍋爐燃燒優(yōu)化進(jìn)行了廣泛研究，劉麗萍等[2]對四角切向燃燒鍋爐的不同二次風(fēng)配風(fēng)方式、過量空氣系數(shù)、煤粉濃淡比以及不同負(fù)荷工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。方慶艷等[3]對某電廠1臺1000MW超超臨界煤粉鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究指出，優(yōu)化磨煤機(jī)組合能夠顯著改變煤粉在爐內(nèi)的停留時間，提高空氣分級效果并優(yōu)化爐膛溫度分布。

本項目進(jìn)行了鍋爐在變負(fù)荷工況下運行的模擬研究，包括BMCR、TRL、90%THA、70%THA、50%THA、40%THA、30%THA、20%BMCR工況，并對比了以上工況模擬運行時溫度場分布、濃度場分布以及熱負(fù)荷分布情況，分析了變負(fù)荷工況對熱負(fù)荷分布影響。

1 鍋爐整體參數(shù)

本鍋爐型號為HG1025/17.4-YM28。SOFA燃燒器位于主燃燒區(qū)上方的4個角落，燃燒器布置方式為四角布置，選擇擺動式燃燒器，切向燃燒，采用分級燃燒來降低火焰溫度峰值，減少熱力型NOx的生成[4]，并配套6臺中速磨煤機(jī)，每層4支噴口對應(yīng)1臺磨煤機(jī)。爐膛寬14.048m，深12.468m，整體高度為52.235m。爐膛的每個角共有17層噴口，其中包括6層一次風(fēng)噴口，11層二次風(fēng)噴口，其中包括2層消旋風(fēng)和3層油槍風(fēng)，一次風(fēng)和二次風(fēng)噴口相間布置。使用熱力計算中設(shè)計煤種（煙煤）作為數(shù)值模擬計算燃料。煤質(zhì)成分分析詳見表1。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 物理建模及網(wǎng)格劃分

利用Spaceclaim軟件建立鍋爐幾何結(jié)構(gòu)模型，包括上爐膛區(qū)、主燃區(qū)、灰斗區(qū)以及煙道等具體結(jié)構(gòu)，由于鍋爐的實際燃燒過程非常復(fù)雜，因此建立模型時需要對燃燒器進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕蝗∪紵鲊娍诓糠肿鳛橛嬎愕娜肟谶吔?，將水冷壁壁面及爐頂屏式換熱器厚度簡化為零，假定燃燒室壁面無滑移，為絕熱壁面，忽略重力的影響。具體模型如圖1所示。

此后，利用Fluent Meshing軟件進(jìn)行分區(qū)域、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，使用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對燃燒及流動復(fù)雜區(qū)域（例如鍋爐的主燃區(qū)）進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格為分區(qū)域劃分，因此在各區(qū)域交界面設(shè)置interface，以保證交界面處數(shù)據(jù)傳遞。

2.2 模擬工況參數(shù)設(shè)定

本文為調(diào)研鍋爐熱負(fù)荷的主要影響因素，對不同負(fù)荷進(jìn)行模擬。在鍋爐負(fù)荷變化過程中，給煤量、投運燃燒器層數(shù)、過量空氣系數(shù)以及燃盡風(fēng)率等運行參數(shù)都會發(fā)生變化。具體不同工況參數(shù)設(shè)定見表2，一次風(fēng)溫為349.15K，二次風(fēng)溫為605.15K。

3 模型驗證

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為兼顧計算速度和計算精度，本文設(shè)置了4種不同網(wǎng)格數(shù)量，分別為156萬、194萬、254萬和286萬，網(wǎng)格數(shù)量是在前一套網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加的，對燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。選取爐膛內(nèi)部沿高度方向截面的平均溫度作為指標(biāo)來衡量網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響。分別比較4個網(wǎng)格數(shù)量在同一操作條件下沿爐膛高度方向上截面平均溫度的分布[5]。結(jié)果顯示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為254萬和286萬時，爐膛截面溫度曲線沿爐高方向趨于一致，且比156萬和194萬網(wǎng)格模型更平滑，趨勢相當(dāng)。254萬的網(wǎng)格可以在保證良好計算精度的同時降低計算成本，因此本文后續(xù)使用254萬網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

3.2 模型無關(guān)性驗證

熱力計算模型可以用于模擬各種亞臨界到超臨界的自然循環(huán)鍋爐。數(shù)值計算結(jié)果與熱力計算結(jié)果對比情況見表3。爐膛出口煙氣溫度偏差為3.76%，下爐膛出口溫度偏差為3.60%，可以認(rèn)為選用的數(shù)值模型是可靠的。

4 模擬結(jié)果與討論

4.1 溫度場對比分析

從圖2沿爐膛高度方向上水平截面平均溫度曲線可以清晰看出，低負(fù)荷運行時爐內(nèi)平均溫度水平較低，這主要是因為低負(fù)荷運行，送入的風(fēng)量和給煤量都相對減少，此時穩(wěn)燃性較差，能達(dá)到的溫度也偏低。當(dāng)負(fù)荷降到40%THA時，主燃區(qū)變小，最高溫度出現(xiàn)的位置降低，煤粉在較小高度范圍內(nèi)集中燃燒，溫度變化幅度大。這是因為40%THA以下負(fù)荷運行的燃燒器個數(shù)減少，只運行下兩三層燃燒器，燃燒中心降低，最高溫度區(qū)域位置也隨之下降。40%THA～20%BMCR負(fù)荷的高度方向平均溫度曲線證實了爐膛整體溫度水平隨負(fù)荷降低而下降的趨勢。從曲線上看，冷灰斗區(qū)域的溫度水平較低，這是因為大部分煙氣向著爐膛上部流動，僅有小部分的灰渣進(jìn)入冷灰斗，并且溫度不高。在燃燒器區(qū)域內(nèi)溫度上升到最高點，在水冷壁、過熱器等的作用下，溫度又逐漸降低，直到爐膛出口附近，溫度都沒有太大變化。同時，上層燃燒器的溫度平均水平高于下層燃燒器，這是由于下層區(qū)域的射流煤粉與空氣混合不均勻，大部分煤粉在燃燒區(qū)燃盡。

4.2 濃度分布分析

變負(fù)荷工況下爐內(nèi)O2、CO2沿爐膛高度方向上截面平均濃度分布如圖3所示。在燃燒器區(qū)域（10m～32m）濃度波動比較大，該區(qū)域不斷有不同質(zhì)量流速的空氣送入，使O2濃度迅速升高，隨后煤粉燃燒消耗大量氧氣，氧濃度迅速下降。爐內(nèi)O2、CO2分布與溫度有很大的關(guān)系，這是由于溫度對化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生產(chǎn)生重要作用。在爐膛的極高溫度區(qū)域內(nèi)，O2和CO2濃度相對較低，這是因為該區(qū)域煤粉與氧氣發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致大量O2被消耗，并生成了CO。隨著燃燒持續(xù)，由于爐膛內(nèi)煙氣的高溫以及剩余氧氣的存在，CO進(jìn)一步被氧化為CO2。因此，在爐膛的更高位置，CO2的濃度相對較高，而O2和CO的濃度則相對較低。這種濃度分布特點反映了爐膛內(nèi)燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)特性[6]。另外，明顯看出在20%BMCR～40%THA低負(fù)荷中，O2、CO2濃度變化波動劇烈，燃燒不穩(wěn)定。

4.3 熱負(fù)荷分布分析

不同負(fù)荷壁面平均熱流密度散點圖如圖4所示。隨著負(fù)荷降低，壁面平均熱流密度減小，尤其是70%THA負(fù)荷和50%THA負(fù)荷時水冷壁平均熱流密度降低較多，這主要與低負(fù)荷時的溫度水平低有關(guān)。鍋爐由于調(diào)峰需要能夠在低負(fù)荷下長期運行，低負(fù)荷運行時，一方面可能存在穩(wěn)燃問題。另一方面，即使?fàn)t內(nèi)燃燒正常，爐內(nèi)水動力方面也可能存在問題。由于低負(fù)荷下水冷壁熱流過低，導(dǎo)致水循環(huán)流速過低，水冷壁的熱流將無法及時被帶走，引起傳熱惡化，威脅鍋爐的安全運行[7]。因此，當(dāng)?shù)拓?fù)荷運行時，水冷壁熱負(fù)荷不能過低。應(yīng)根據(jù)壁面熱負(fù)荷，檢驗水動力循環(huán)的可靠性，從而防止發(fā)生安全事故。

5 結(jié)語

本文針對600MW超超臨界切圓鍋爐，采用數(shù)值模擬方法，研究了其在BMCR、TRL、90%THA等8種負(fù)荷下的熱負(fù)荷特性，并對比了不同工況模擬運行時溫度場分布、濃度場分布以及熱負(fù)荷分布情況，得出以下結(jié)論：隨著鍋爐負(fù)荷逐步降低，爐膛內(nèi)的整體溫度水平呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。這一變化直接導(dǎo)致壁面的平均熱流密度也相應(yīng)減少。同時，爐膛出口的平均溫度和平均氮氧化物（NOx）的質(zhì)量濃度均有所降低。這些變化均反映了鍋爐在不同負(fù)荷工況下的熱負(fù)荷特性及其對燃燒過程的影響。

參考文獻(xiàn)

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