配風方式對600MW“W”型火焰鍋爐爆管的影響

曹小玲，李帆，劉永文，蘇明

(1.長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙市 410076;2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海市 200030)

0 引言

我國燃用低揮發分無煙煤的電廠主要采用“W”型火焰鍋爐，超臨界“W”型火焰鍋爐節能效益顯著，是未來發展的方向。目前，我國已投運的超臨界“W”型火焰鍋爐普遍存在受熱面爆管頻繁、局部溫度過高、火焰偏燒和NO排放過高等問題［1-3］，不但影響電廠的經濟性和鍋爐的使用壽命，嚴重時，還會影響鍋爐的安全運行。計算機技術的飛速發展為數值模擬計算應用于爐內燃燒過程研究提供了可能，數值模擬可以詳細反映爐內燃燒過程［4-10］，且模擬結果具有相當的準確性［11-14］，還能得到許多運行現場不能得到的數據。湖南某電廠的600MW超臨界“W”型火焰鍋爐在運行中出現受熱面頻繁爆管現象，本文以此鍋爐出現的問題為背景，利用Fluent軟件對鍋爐爐內燃燒過程進行模擬，研究鍋爐不同配風方式對溫度場的影響規律，以期獲得鍋爐爆管原因，為減少鍋爐運行中受熱面爆管提供理論依據。

1 模擬對象

某電廠600MW超臨界鍋爐為垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的Ⅱ型鍋爐，配有帶循環泵的內置式啟動系統。制粉系統為雙進雙出磨煤機正壓直吹系統，鍋爐采用“W”型火焰燃燒方式，鍋爐配有6臺磨煤機，并配置濃縮型EI-XCL低NOx雙調風旋流燃燒器，燃燒器布置在爐膛的前、后拱上，并垂直于前、后拱，前、后拱與水平面成15°，每排各有12只燃燒器，分別與6臺磨煤機相連，燃用煤質見表1。

本鍋爐采用開式大風箱，在鍋爐的前、后拱上、下部各有1個開式大風箱，二次風進入上部風箱，分級風進入下部風箱，內、外二次風分別經燃燒器的內、外二次風調風套筒調風后噴入爐內。每臺鍋爐共24個乏氣噴口，前、后墻各12個，布置在燃燒器的下部，與燃燒器一一對應，并與水平方向成35°。在乏氣管路上設有電動快關插板門，當某個燃燒器需要停運時，需將該燃燒器對應的乏氣管道上電動快關門關閉。每個燃燒器下部均設有分級風管，風管上裝有電動風門，每個分級風管分成2個支管，每臺鍋爐共有48個分級風噴口，前、后墻各24個。分級風從風箱底部引出，分級風噴口與水平方向成25°傾角引入爐膛。燃燒風箱布置如圖1［15］所示。

表1 煤的工業分析與元素分析Tab.1 Coal industrial and elemental analysis

圖1 燃燒風箱Fig.1 Combustion wind-box

2 數學模型及工況條件

2.1 數學模型

煤粉燃燒過程是一種具有化學反應的湍流反應流動過程，涵蓋了流體的流動、傳熱與傳質、組分間的化學反應以及其間的相互耦合作用。煤粉燃燒過程包括揮發分的析出與反應、焦炭的異相氣化反應、輻射傳熱、顆粒運動和湍流流動等過程［15］。本文所研究鍋爐模型及網格劃分如圖2所示。運用Gambit軟件對鍋爐模型劃分六面體網格和適應性四面體網格的混合型網格，并對流動復雜區域進行加密，最終生成的網格總數為94萬個。使用Realizable k-ε模型模擬湍流氣相流動;采用標量守恒的混合分數－概率密度函數模擬揮發份燃燒，PDF模型的簡化形式采用β函數分布;采用P1輻射模型計算爐內輻射換熱;采用單步競爭反應速率模型模擬煤粉揮發分的析出，采用動力/擴散控制反應速率模型模擬焦炭顆粒表面燃燒;采用Rosin-rammler分布來描述固相顆粒分布特征，采用拉格朗日離散相模型考慮顆粒相和氣相間的相互作用，并采用隨機軌道模型來追蹤顆粒運動軌跡并同時考慮湍流脈動對焦炭運動的影響［15］。

圖2 鍋爐模型及網格劃分Fig.2 Boiler model and meshing

2.2 計算工況

以現場實際運行的額定負荷為基礎進行模擬，分析了影響“W”型火焰鍋爐燃燒特性的因素，并利用現場實測數據驗證其計算結果的準確性。各工況下過量空氣系數為1.2，本文主要考慮前、后拱上一次風量，內二次風量，外二次風量及前、后墻上分級風量對燃燒過程的影響，表2為總模擬工況。

表2 計算工況Tab.2 Calculation conditions

3 模擬結果及分析

3.1 模型的準確性驗證

為了驗證模型的準確性，使用熱電偶對4點煙氣溫度進行測量，測量利用層高 7.54、9.1、13.3、17.8 m處窺視孔進行。用爐膛內實際測點處煙氣溫度與數值模擬結果進行對比，結果如表3所示。

由表3可知，4個測點處溫度的實際測量值和模擬計算值相對誤差都在7.5%以內，模擬計算值比實際測量值結果要稍大，但二者還是處于同一數量級上。總的來說，模擬計算結果是比較準確的。

表3 溫度的實測值與模擬計算值的比較Tab.3 Comparison between measured temperature and simulated temperature

3.2 實際工況下溫度場分布

爐內溫度場的分布特性是反應爐內燃燒工況優越性的關鍵因素。圖3為實際工況(工況1)下爐膛中心截面溫度場分布，數據單位為K。

圖3 實際工況下爐膛中心截面溫度場分布Fig.3 Temperature fields distribution in the furnace center under actual operation condition

由圖3可看出:爐膛中心截面溫度場整體上呈“W”型分布，溫度場比較對稱;下爐膛中心區域溫度僅為1900 K左右，而下爐膛中心兩側區域火焰溫度達到2200 K，下爐膛溫度呈兩側高中間低的分布特點，這是由噴入煤粉濃度和氧量決定的，在“W”型火焰鍋爐中，這對無煙煤的著火及穩定燃燒十分有利;在上爐膛，左、右兩側水冷壁的吸熱溫度呈中間高兩側低的分布趨勢，沿爐高方向溫度先升高，溫度在主燃燒區域達到最高，進入上爐膛后，由于水冷壁吸熱，溫度逐漸降低。

另外，一次風粉、二次風由拱部噴入爐膛較長一段距離后才著火燃燒，而且相對于其他類型的“W”型鍋爐，煤粉著火距離要長得多。這是因為一次風，內、外二次風都從拱部噴入，總風率約占80%，速度大，這使得煤粉下沖速度增加，著火距離增加，這對防止燃燒器燒壞及附近的水冷壁結渣十分有利。靠近翼墻附近的2個燃燒器，由于其主氣流射程較短，高溫煙氣沖刷較嚴重，容易導致燃燒器燒壞及附近受熱面結渣及爆管。

3.3 配風方式對爐內溫度場的影響

圖4為工況7—14在爐膛中心截面溫度場分布圖，數據單位為K。從圖4可以看出:

圖4 不同配風方式下爐膛中心截面處溫度場分布Fig.4 Temperature fields distribution in the furnace center in different air distribution

(1)當前、后拱上一次風量比為5/6和6/5，內二次風量比為5/6和6/5時，爐內溫度場變化不敏感，爐內沒有出現高溫火焰沖刷受熱面，溫度場偏斜程度較小，一次風量、內二次風量較大的一側高溫火焰較另一側粗而長。

(2)當前、后拱上外二次風量比為5/6時(圖4(e))，爐內高溫火焰沖刷后墻冷灰斗水冷壁;當前、后拱上外二次風量比為6/5時(圖4(f))，爐內高溫火焰沖刷前墻冷灰斗水冷壁，這是由于外二次風量較大側剛性墻的下沖距離較另一側深，對拱上風較小側拱上氣流產生擠壓，使其短路上飄，溫度場產生偏斜。

(3)當前、后墻上分級風量比為5/6時(圖4(g))，爐內高溫火焰沖刷后墻冷灰斗水冷壁;當前、后墻上分級風量比為6/5時(圖4(h))，爐內高溫火焰沖刷前墻冷灰斗水冷壁，這是因為分級風總量較大，占總風量的22.53%;當前、后墻分級量比變化時，前、后墻上風量動量比在水平方向嚴重不平衡，風較大一側對與之對應一側的拱上氣流產生沖擊，使溫度場產生偏斜。

3.4 配風方式對爐內水平截面平均溫度的影響

圖5為不同配風方式下沿爐高方向水平截面的平均溫度分布。從圖5可看出:各工況與實際工況下水平截面平均溫度分布趨勢基本相同，總體上都呈先升高、再降低、再升高、再降低的分布趨勢。對比實際工況與其他配風方式下的工況可發現:在上爐膛，實際工況總體溫度明顯高于其他工況，而且前、后拱或前、后墻上風量偏差越大，溫度就越低。這是由于前、后墻兩側風量不對稱，造成風量較大一側的風粉混合物下沖距離深，煤粉在冷灰斗處燃燒量增加，使得冷灰斗處溫度顯著增加;而風量較小一側的拱上氣流由于在另一側風量的沖擊下上飄，煤粉沒有下沖到理想的距離就折轉向上，使得上漂的煤粉在爐內停留時間變短;煤粉沒有充分燃燒就隨煙氣飛出爐膛，致使上爐膛溫度下降。所以，當前、后拱與前、后墻風量不同時，會使冷灰斗處溫度升高，火焰沖刷冷灰斗，造成冷灰斗受熱的爆管和結渣，也會使上漂的煤粉在爐內的停留時間減少，造成飛灰含碳量升高，上爐膛溫度下降，鍋爐運行經濟性下降。在鍋爐實際運行中，由于一次風機、二次風機運行中可能出現不穩等情況，導致配風方式也出現不穩，致使爐內溫度場出現脈動，使得受熱面局部溫度過高或者溫度梯度增大，嚴重時可能引起受熱面的爆管。

圖5 沿爐高方向不同配風時水平截面平均溫度分布Fig.5 Average temperature distribution of horizontal section with different air distribution along furnace height

4 結論

(1)實際工況下，爐膛中心截面溫度場整體上呈“W”型分布，溫度場比較對稱。

(2)當前、后拱上一次風量與內二次風量比為5/6和6/5，爐內溫度場變化不敏感，爐內沒有出現高溫火焰沖刷受熱面，溫度場偏斜程度較小。

(3)當前、后拱上外二次風量比和前、后墻上分級風為5/6和6/5時，爐內溫度場出現偏斜，爐內高溫火焰沖刷冷灰斗嚴重，這可能會導致冷灰斗受熱面爆管。

(4)在鍋爐實際運行中，由于一次風機、二次風機運行中可能出現不穩，導致配風方式也出現不穩，致使爐內溫度場出現脈動，使得受熱面局部溫度過高或者溫度梯度增大，嚴重時可能引起受熱面的爆管。

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