微油點火燃燒器煤粉流量分配比例的計算

丁歷威，李鳳瑞，張明，齊曉娟，李磊

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.浙江電力調度控制中心，杭州310007）

發(fā)電技術

微油點火燃燒器煤粉流量分配比例的計算

丁歷威1，李鳳瑞1，張明1，齊曉娟1，李磊2

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.浙江電力調度控制中心，杭州310007）

微油點火技術的關鍵之一就是在一級套筒中形成一個高煤粉濃度區(qū)域，以利于煤粉著火。如何驗證是否存在這個區(qū)域，對微油點火燃燒器的設計和應用尤為重要。根據(jù)微油點火燃燒器技術特點，結合點火試驗和數(shù)值計算結果，提出火焰形狀相似度對比法，量化數(shù)值計算精度。在精度達到要求的前提下，提出一種煤粉流量在多級套筒中分配比例的測量方法，已成功應用于準格爾發(fā)電廠2號爐微油點火燃燒器。

微油點火；燃燒器；煤粉；流量；分配；測量

火力發(fā)電廠是石油資源的消耗大戶，隨著越來越多的機組參與調峰，致使點火和穩(wěn)燃用油大幅度增加。研發(fā)各類節(jié)油點火和低負荷穩(wěn)燃技術[1]，降低點火助燃用油，有著重要的意義。

微油點火技術已經(jīng)被列為國家發(fā)改委“十大節(jié)能工程”的推廣技術[2]，其關鍵技術之一就是在一級套筒中形成一個高煤粉濃度區(qū)域，以利于煤粉著火，所以如何驗證是否存在這個高煤粉濃度區(qū)域，即煤粉流量在三級套筒是如何分配的，這對微油點火燃燒器的設計和應用顯得尤為重要。由于直接測量的難度很大，目前還沒有一種有效的方法解決這個問題。以準格爾發(fā)電廠2號爐微油點火燃燒器項目為基礎，結合現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算方法，提出了一種微油點火燃燒器中煤粉在三級套筒中分配比例的測量方法。

1 微油點火技術的原理

微油點火技術[3]是采用微量燃油點燃微量煤粉——點燃少量煤粉——點燃大量煤粉的逐級引燃原理，從而使得能級逐步放大，實現(xiàn)微量燃油點燃大量煤粉的目的。目前微油點火燃燒器分為直流和旋流兩種類型，以適應不同燃燒方式和不同燃燒器結構型式的改造和配套要求。

微油點火燃燒器工作原理是：先利用壓縮空氣的高速射流將燃油直接擊碎，霧化成超細油滴進行燃燒，同時利用燃燒產(chǎn)生的熱量對燃油進行加熱、擴容，使得燃油在極短的時間內蒸發(fā)氣化。油槍在正常燃燒過程中直接燃燒油氣，從而大大提高燃燒效率以及火焰溫度。氣化燃燒后的火焰剛性極強，傳播速度極快，火焰呈完全透明狀，火焰中心溫度高達1 500～2 000℃，可作為高溫火核在煤粉燃燒器內直接點燃煤粉。一級燃燒室中的濃相煤粉遇到高溫火核時，煤粉顆粒溫度急劇升高，大量的揮發(fā)分析出并迅速著火燃燒。已燃燒的濃相煤粉在二級燃燒室內點燃煤粉，然后繼續(xù)向前流動點燃三級燃燒室中的煤粉，最終實現(xiàn)煤粉的分級燃燒，燃燒能量逐步放大，達到點火并加速煤粉燃燒的目的，大大減少煤粉燃燒所需引燃的能量。

微油點火技術的特點：

（1）在鍋爐啟動停止、低負荷穩(wěn)燃運動狀態(tài)下能節(jié)約大量燃油，節(jié)油率在90%以上。

（2）投資少、見效快、回報周期短，1年左右能收回投資。

（3）系統(tǒng)簡單、維護量小、操作方便，對于風速、煤粉濃度、煤質等參數(shù)變化適應能力強。

（4）鍋爐啟動初期便可投入電除塵系統(tǒng)，有利于環(huán)保，有氣膜風保護，燃燒器無結焦現(xiàn)象。

（5）設備和系統(tǒng)可靠，自動化程度高，并與BMS（燃燒器管理系統(tǒng)）進行通信，已經(jīng)歷連續(xù)運行考驗，故障較少。

2 火焰形狀相似度對比法

內蒙古國華準格爾發(fā)電廠擴建二期工程330 MW鍋爐是按引進的美國B＆W公司RB鍋爐技術設計制造并符合ASME標準，為亞臨界參數(shù)、中間再熱、自然循環(huán)單鍋筒鍋爐。設計燃料為內蒙古準格爾煤礦的劣質煤和褐煤，采用正壓直吹MPS中速磨系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，并配置有B＆W標準的雙調風DRB型旋流煤粉燃燒器。針對鍋爐的具體情況，將前后墻下層D磨和E磨對應的8只噴口改成微油點火燃燒器，在實現(xiàn)鍋爐冷爐啟動和低負荷穩(wěn)然的前提下，確保原主燃燒器的基本性能不變。改造后的微油點火燃燒器不僅可以作為點火以及低負荷穩(wěn)然燃燒器，而且在高負荷時微油油槍退出運行后，可以作為主燃燒器使用。

目前還沒有一種有效判斷數(shù)值計算結果精度的方法，更多的是靠加入有限個溫度或者速度測點來驗證微油點火燃燒器的工況，這種方法缺乏全局性和宏觀性，在工程應用上不太理想；還有一種是目測法，主要是憑經(jīng)驗大致評估一下數(shù)值計算結果中溫度場、速度場是否正確，火焰形狀是否合理，這種方法沒有量化的比較，更多的是憑感覺判斷，所以缺乏科學性。在此研究并提出一種更加直觀、方便，也更加能反映問題的火焰形狀相似度對比法。

火焰形狀相似度對比法是將其數(shù)值結果的火焰形狀與實際燃燒火焰形狀進行對比，即采用微油點火燃燒器點火過程中的照片和錄像與數(shù)值計算結果進行對比，通過火焰形狀來判斷兩者的相似度，從而使數(shù)據(jù)對比更加可視化和合理化。

具體方法是：以燃燒器噴嘴作為起點，分別選取有限個特征點，這些特征點是以噴嘴半徑作為長度單位。然后在這些特征點的位置計算出火焰寬度，最后進行對比。此處設定：BL1為照片中火焰寬度與噴嘴半徑的比值；BL2為數(shù)值計算圖的火焰寬度與數(shù)值計算圖噴嘴半徑的比值。

不管照片和數(shù)值模擬結果圖片中火焰的尺寸如何不同，兩者噴嘴半徑對應的實際長度都是一致的。以噴嘴半徑作為長度單位，就可以把不同尺寸圖片里的數(shù)值反映到同一個坐標系來。此處特征點的選取方法是：分別選取離噴嘴距離為0個噴嘴半徑、0．25個噴嘴半徑、0．5個噴嘴半徑、0．75個噴嘴半徑、1個噴嘴半徑、1．25個噴嘴半徑和1．5個噴嘴半徑作為特征點。

3 煤粉流量在三級套筒分配比例的測量方法

在微油點火燃燒器設計和應用中，煤粉在各級套筒中的分配量是非常重要的。由于燃燒器內部流場比較復雜，煤粉顆粒本身又容易堵塞儀器以及現(xiàn)場條件的限制，光靠設備直接測量煤粉在三級套筒中的流量顯得很困難。在此依據(jù)準格爾發(fā)電廠2號爐微油點火燃燒器項目，結合現(xiàn)場試驗與數(shù)值計算方法，提出了一種微油點火燃燒器中煤粉流量在三級套筒中分配比例的測量方法。

（1）對設計出的微油點火燃燒器進行1∶1的數(shù)學建模，選擇合理的計算模型和計算參數(shù)，并把實際運行參數(shù)作為邊界條件對其點火過程進行數(shù)值計算。

（2）根據(jù)火焰形狀相似度對比法對數(shù)值計算結果精度進行判斷，當精度達到要求后，數(shù)值計算結果也已符合了實際燃燒器點火過程，其溫度場、速度場以及渦流情況，顆粒軌跡等數(shù)據(jù)真實地反映了燃燒器內部情況。

（3）對Fluent的數(shù)據(jù)文件進行處理和計算，從而實現(xiàn)煤粉流量在三級套筒中分配比例的測量。

根據(jù)火焰形狀相似度對比法，由表1、圖1可知，準格爾發(fā)電廠2號爐微油點火燃燒器照片中和數(shù)值模擬結果的火焰在相同的位置上，火焰寬度大致相同，對比誤差都在10%左右。這說明兩者的火焰形狀大致相同，數(shù)值模擬結果大致符合實際燃燒器點火過程。

表1 數(shù)值計算結果和照片火焰寬度對比

圖1 微油燃燒器火焰寬度對比

因為在計算軟件Fluent中顆粒軌跡只是在顆粒迭代中才會計算，當計算完成后，數(shù)據(jù)文件中只有流場信息而無顆粒信息。此時只能通過顆粒跟蹤計算顆粒的軌跡，相當于顆粒迭代了1次，但是Fluent無法在顆粒迭代中跟蹤到某截面通過顆粒的流量信息。在此提出了1種任意截面上計算顆粒流量的計算方法。通過跟蹤截面經(jīng)過的煤粉顆粒，計算出這些跟蹤顆粒中代表的流量，得到該截面通過的煤粉量，最終算出煤粉在三級套筒中的分配比例。

（1）創(chuàng)建1個所需截面。該截面要大于（包含）所計算的截面，比如可以是套筒的入口截面。

（2）采用軌跡取樣法，在顆粒迭代時，記錄跟蹤顆粒通過該截面時的所有信息。這些信息包括跟蹤顆粒的三維坐標值（x，y，z），三維速度值（u，v，w），跟蹤顆粒的當前直徑，跟蹤顆粒的當前溫度以及跟蹤顆粒所代表的流量。

（3）通過檢查顆粒坐標是否在所計算的截面內，然后把所需的顆粒流量信息計算累加，從而求得該截面通過的煤粉流量。

（4）分別算出三級套筒入口截面通過的煤粉流量，從而計算出分配比例。

經(jīng)過計算，準格爾發(fā)電廠2號爐微油點火燃燒器煤粉流量在三級套筒中的分配比例為：一級套筒占該燃燒器煤量的82%，二級套筒占該燃燒器煤量的6%，三級套筒占該燃燒器煤量的12%，如圖2所示。這個分配比例符合微油點火燃燒器的設計要求，說明燃燒器設計結構合理，可以進行工程應用。

圖2 三級套筒煤粉流量的分配比例

4 結語

在微油點火燃燒器的設計和應用中，煤粉在各級套筒中的分配比例是非常重要的。這個數(shù)據(jù)直接反映了微油點火燃燒器內部濃縮裝置是否起作用，結構是否合理，是否在一級套筒中形成高煤粉濃度區(qū)域，以利于著火，而目前沒有一種有效的方法測量煤粉流量的分配比例。在此結合點火試驗和數(shù)值計算方法，應用火焰形狀相似度對比法，提出了一種微油點火燃燒器中煤粉流量在三級套筒中分配比例的測量方法。該方法成功應用于準格爾發(fā)電廠2號爐，效果明顯，最終鍋爐冷爐啟動節(jié)油率高達90%以上。

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（本文編輯：陸瑩）

Calculation of Pulverized Coal Flow Distribution Ratio in Ting-oil Ignition Burner

DING Li-wei1，LI Feng-rui1，ZHANG Ming1，QI Xiao-juan1，LI Lei2
（1.Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Z（P）EPC Power Dispatching Center，Hangzhou 310007，China）

One of the keys of the tiny-oil ignition technology is to form a high concentration region of pulverized coal in the first sleeve，which can facilitate the ignition of coal dust.How to verify the existence of the region is very important for the design and application of tiny-oil ignition burner.According to its technical characteristics，in Combination with ignition test and numerical calculation result，similarity comparison method of flame profile is proposed to quantify precision of numerical calculation.When the precision meet the requirement,the measurement method of the distribution proportion of pulverized coal flow in the several sleeves was presented.The method has been successfully applied to tiny-oil ignition burner in unit 2 of the Zhunge′er power plant.

tiny-oil ignition；burner；pulverized coal；flow；distribution；measurement

TK223.23

：B

：1007-1881（2013）01-0034-03

2012-05-09

丁歷威（1979-），男，浙江長興人，碩士，工程師，從事發(fā)電廠鍋爐試驗以及科研工作。