燃燒器上擺角度對四角切圓鍋爐再熱蒸汽溫度偏差影響的數值模擬

田登峰，方慶艷，譚鵬，張成，陳剛，鐘禮今，張殿平，王國強

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燃燒器上擺角度對四角切圓鍋爐再熱蒸汽溫度偏差影響的數值模擬

田登峰1，方慶艷1，譚鵬1，張成1，陳剛1，鐘禮今2，張殿平2，王國強2

（1華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2珠海發電廠，廣東珠海 519000）

采用燃燒器上擺和附加風上擺角度偏差設置的方法來降低鍋爐煙溫偏差和再熱蒸汽溫度偏差。對一臺700 MW四角切圓燃燒鍋爐不同燃燒器上擺角度條件下的爐內燃燒過程進行了數值模擬，模擬結果與試驗值符合較好。燃燒器上擺角度增加，爐內氣流的旋轉動量矩和屏區入口的殘余旋轉動量矩減小，水平煙道內煙氣速度和溫度偏差降低。附加風上擺角度的偏差設置可降低屏區入口的殘余旋轉動量矩，進而減小煙氣速度和溫度偏差。燃燒試驗表明，燃燒器上擺11°和附加風上擺角度的偏差設置10°可將再熱蒸汽溫度偏差由20℃左右降低至4℃以下，是一種有效降低煙氣和再熱蒸汽溫度偏差的手段。

四角切圓燃燒鍋爐；燃燒器擺角；煙氣偏差；偏差設置

引 言

四角切圓燃燒方式可以保證煤粉顆粒在爐內的停留時間、燃燒效率和火焰充滿度。但煙氣在爐膛出口有一定的殘余旋轉動量，這會引起水平煙道和上爐膛的煙氣流場、溫度場的偏差，進而導致主再熱汽溫度產生偏差[1-6]，四角切圓鍋爐的煙溫偏差隨著鍋爐容量的增加有明顯的上升趨勢[7]；有學者[8]認為鍋爐爐膛上部容積熱負荷與鍋爐的煙溫偏差正相關，爐膛上部容積熱負荷過大表明爐膛上部在單位時間、單位容積內燃燒了過多的燃料，產生過量的煙氣，導致煙氣流速過高，爐膛出口的煙氣偏差增大；目前降低煙氣偏差主要從煙氣側和蒸汽側兩個方面考慮：通過對過、再熱器布置方式以及結構偏差的優化來減少蒸汽側的傳熱偏差[9]。煙氣側主要考慮減小爐膛出口的煙氣殘余旋轉動量，通常將分離燃盡風SOFA或燃盡風OFA水平反切一定角度，減少爐膛出口煙氣旋轉動量，進而減小煙氣偏差，這是目前常用的方法[10-12]。采用旋轉方向相反的雙切圓燃燒方式也可有效消除殘余旋轉動量，降低煙溫偏差，在1000 MW雙切圓鍋爐得到了應用[13]。

對于燃燒器不能水平擺動的鍋爐，則需要采用其他方法來控制煙溫偏差，如采用合適的燃燒器上擺角度及其上擺角度的偏差設置。詳細研究燃燒器上擺角度及上擺角度的偏差設置對煙氣速度和溫度偏差影響的報道較少。本文對一臺700 MW四角切圓鍋爐不同燃燒器上擺角度和附加風(additional air，AA，相當于分離燃盡風SOFA)擺角偏差設置條件下的水平煙道煙氣速度和溫度偏差以及再熱蒸汽溫度偏差的形成機理進行了數值模擬研究，為通過設定燃燒器的不同上擺方式來減少煙氣和再熱蒸汽溫度偏差提供了理論依據。

1研究對象

某電廠的鍋爐為三菱MB-FRR型2290 t·h-1亞臨界中間再熱強制循環鍋爐，采用四角切圓燃燒方式，爐膛寬21.46 m，深18.605 m，高56.7 m；布置6層A-PM（advanced-pollution minimum）低NO燃燒器，6層二次風，3層燃盡風，3層附加風（AA）。采用深度空氣分級燃燒降低爐膛的NO排放，將助燃空氣的30%～40%通過OFA上方4.0 m處的AA噴嘴（高度32 m）送入爐膛，滿負荷，燃燒器水平運行時末級再熱器出口右側汽溫比左側高20℃左右，右側局部管壁金屬超溫，減溫水頻繁動作，影響了鍋爐運行的安全性和經濟性。鍋爐整組燃燒器可連續上下擺動25°；AA風則可連續上下擺動30°，但均不能左右水平擺動。且該鍋爐尾部煙氣豎井只有單通道，沒有設置煙氣調節擋板，因而只能通過設定合適的燃燒器上擺角度來降低再熱蒸汽溫度偏差。

2 數值計算方法

2.1 數學模型

本文采用標準的雙方程模型模擬氣相湍流流動[14]；采用混合分數/概率密度函數的PDF模型模擬氣相湍流燃燒，采用基于拉格朗日方法的隨機軌道模型模擬煤粉顆粒的運動，煤粉顆粒揮發分析出采用雙方程平行反應模型，采用動力/擴散控制反應速率模型模擬焦炭顆粒的燃燒，輻射傳熱的計算采用P1模型。采用后處理的方法來模擬NO生成，利用-PDF模型計算湍流溫度/氧濃度脈動對NO生成的影響，各模型的詳細描述見文獻[15-18]。

2.2 網格劃分

采用結構化的網格劃分方法，使用六面體網格；經過網格無關性測試后，網格數為246萬個。為了減少計算過程中的偽擴散，通過合適的網格劃分使得燃燒器出口區域的網格線與流體流動方向基本一致[19-20]，并將該區域網格加密，以準確模擬此區域物理量的大梯度特性。網格結構如圖1所示，軸為深度方向，軸為寬度方向，軸為高度方向；1#、2#、3#和4#分別指1、2、3和4號角。

圖1 爐膛網格結構

2.3 計算條件和方法

根據實際運行條件設置了8個模擬工況，如表1所示，工況1～工況4考察100%負荷下燃燒器上擺角度對煙氣偏差的影響；工況3、5和6在100%負荷和燃燒器上擺11°的條件下，考察AA風上擺角度偏差設置對煙氣速度和溫度偏差的影響，偏置方式為1#、4#角的上擺角度減少，2#、3#角上擺角度增加，偏置角度分別為4°和10°；工況3、7和8分別作為100%、75%和50%負荷下的數值模擬驗證工況。

表1 模擬工況說明

方程的求解采用逐線迭代法和低松弛因子，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法[21]，壓力項離散采用PRESTO格式，其他項的離散格式為一階迎風格式。獲得收斂解的判斂標準為：能量方程、輻射傳熱計算的殘差小于10-6，其他方程殘差小于10-3。

3 結果與討論

3.1 模擬結果驗證

在驗證工況3、7和8的基礎上開展了燃燒試驗測量，主要對煙氣含氧量、NO濃度、CO濃度、飛灰含碳量（carbon in fly ash，CFA）、沿爐膛高度溫度和屏區煙氣溫度進行了測量。使用MSIEURO煙氣分析儀對煙氣成分進行測量。沿爐膛高度共4個溫度測點，利用抽氣熱電偶對爐內溫度進行測量，測點位于由爐膛前墻的看火孔向爐內深入1.0 m，且距離側墻2.6 m的位置。在屏區沿爐膛寬度方向設7個溫度測點，測點距離前墻約1.0 m，位于折焰角上方約1.0 m處。模擬結果與試驗測量結果對比如表2所示。實測溫度與模擬溫度趨勢對比如圖2、圖3所示。各參數模擬值和測量值都能比較好的符合，本文的所建立的幾何模型、網格和數學模型能夠合理地模擬爐內的流動、傳熱以及燃燒過程，可用于對鍋爐煙氣速度和溫度偏差以及再熱蒸汽溫度偏差的分析。

表2 模擬結果與試驗值的對比

圖2 沿爐膛高度溫度趨勢的模擬值與測量值對比

圖3 沿爐膛寬度溫度趨勢的模擬值與測量值對比

3.2 再熱蒸汽溫度偏差形成機理分析

截面P2為末級再熱器入口截面，流過該截面的煙氣流動和溫度分布特征，對于末級再熱器左、右側的換熱性能有決定性的影響，因而對末級再熱器出口左、右側的再熱蒸汽溫度偏差有直接影響。圖4為末級過熱器入口截面P2的速度和溫度分布云圖。沿P2截面高度和寬度方向中心線可將該面分別分為上、下和左、右兩部分。可以看出，煙氣溫度和速度分布總體上呈現左低右高的趨勢，且煙氣偏差主要集中在水平煙道的下部。

圖4 末級過熱器入口截面（P2）溫度和速度分布

為了定量描述煙氣偏差，定義截面P2的溫度偏差系數1、溫度分布不均勻系數1，速度偏差系數2、速度分布不均勻系數2，其中，為右側平均值比左側平均值，但由于煙氣偏差主要集中在煙道下部，的計算結果有可能被截面上部分比較均勻的煙氣參數分布所掩蓋，1和2不能完全描述截面P2上的煙氣偏差狀況，因此定義截面P2上半部的速度與溫度偏差系數1.up、2.up以及截面下半部的偏差系數1.bottom、2.bottom，其中E.bottom（1,2）為右下側1/4截面的平均值比左下側1/4截面的平均值，E.up的定義是類似的。在3倍標準差下 定義

式中，a為截面P2上第個網格中變量數值；為截面P2的網格數，根據工況1的模擬結果計算得到11.148，1.up1.059，1.bottom1.309，11.599，21.723，2.up1.434，2.bottom7.881，22.611，可見水平煙道下部的偏差系數明顯比上部要大。

水平煙道內末級再熱器為對流式換熱器，因此主要考慮煙氣的對流傳熱，單位質量的煙氣流經長度為的煙道其傳熱量為

式中，為換熱器的對流傳熱系數；為等效換熱面積；Δ為換熱溫差；v為煙氣流速。

由式(2)可以看出：v越快，單位質量的煙氣放熱量越小，因此右側煙氣溫度較高。

根據對流傳熱理論（＜1.0×105），可以將寫成如下形式

由式(4)可以看出，煙氣流速較快的右側煙道總換熱量大于左側，因此右側再熱汽溫高于左側。

四角切圓鍋爐爐膛出口逆時針方向的殘余旋轉會導致煙氣在屏區和水平煙道的流動偏差，主要表現為煙道右側的煙氣流速和凈流量高于左側，這種流動偏差進一步導致對流式換熱器的換熱偏差，使得左側的煙氣和再熱蒸汽溫度低于右側[1,5-7]。本文采用氣流旋轉動量矩來定量描述某一截面的氣流旋轉強度[7]

式中，n和n分別為沿爐膛深度和寬度方向網格數；x為深度方向第個網格距離爐膛中心的距離；y為寬度方向第個網格距離爐膛中心的距離；Δ和Δ分別為深度和寬度方向上的網格間距；Δ為高度單位；v為深度方向第個網格中氣流切向速度；v為寬度方向第個網格中氣流切向速度。

3.3 燃燒器上擺角度對煙氣溫度偏差和再熱蒸汽溫度偏差的影響

圖5為不同燃燒器擺角時，氣流旋轉動量矩沿爐膛高度的分布：爐膛下部氣流受到燃燒器區域旋轉氣流的牽引和帶動，因而具有一定的旋轉強度，但旋轉動量較小，且沿著爐膛高度迅速上升。在燃燒器區域不斷有新的氣流補入，同時又伴隨氣流的湍流耗散，這兩個因素共同作用使得氣流旋轉動量在爐膛燃燒器區域中部達到最大值，其高度在20～25 m之間。氣流流過燃燒器區域之后，暫時失去了給入氣流的動量補充，氣流的旋轉動量迅速衰減，隨后占總風量約30%的附加風自高32 m處給入爐膛之后，氣流旋轉動量的衰減速度迅速減低，由于附加風動量較高，氣流旋轉動量在33 m處甚至有小幅的上升。氣流流過折焰角后進入屏區，由于受到換熱器的阻擋、整流和切割作用，其旋轉動量的衰減速度增加；不同燃燒器上擺角度時，氣流旋轉動量矩的分布是相似的，上擺角度越大，相應的氣流旋轉動量矩越小，燃燒器水平運行時，屏區入口截面P1的氣流旋轉動量為2.52 N·m，燃燒器上擺4°時為1.94 N·m，上擺11°時為1.71 N·m，上擺22°時為1.41 N·m，較工況1分別降低了 23%、32%和44%。

圖5 不同燃燒器擺角條件下旋轉動量矩沿爐膛高度分布

圖6是截面P2各偏差評價指標的數值，可以看出隨著燃燒器上擺角度增加，水平煙道內的煙氣偏差降低，燃燒器上擺22°時，水平煙道的煙氣偏差相對最小。這表明，燃燒器上擺可以減小爐膛屏區入口的氣流殘余旋轉動量矩，降低水平煙道的煙氣速度和溫度偏差，進而降低再熱蒸汽溫度偏差，提高主、再熱汽溫。

圖6 不同上擺角度條件下截面P2的煙氣偏差評價指標

在實際運行中，燃燒器整體上擺角度11°時，可以獲得較高的蒸汽參數，主蒸汽溫度達到設計值，再熱蒸汽溫度偏差由20℃左右降低到10℃左右，且不會出現金屬壁溫超溫現象；而當擺角繼續增加時，則易出現不同程度的過、再熱器金屬超溫現象，因此實際運行時燃燒器上擺角度設定為約11°。

3.4 AA風上擺角度偏差設置對煙氣溫度偏差和再熱蒸汽溫度偏差的影響

雖然燃燒器上擺11°左右可有效降低再熱蒸汽溫度偏差，但實際運行中末級再熱器出口左、右兩側的蒸汽溫度仍然有10℃左右的偏差，影響整體再熱蒸汽溫度的提高。圖7為沿高度方向的氣流旋轉動量矩分布，可以看出AA燃燒器擺角的偏置沒有對其下部區域的氣流旋轉動量矩分布產生明顯的影響，其影響只在AA燃燒器之上的區域表現，AA燃燒器上擺角度偏置之后，由于4股AA風氣流不在一個平面上，不利于4股射流相互配合形成切圓，將射流動量轉化為旋轉動量，因此AA燃燒器上部區域的氣流的旋轉動量矩相比工況3明顯降低，偏置10°時，氣流旋轉動量的降低最為明顯。AA風擺角偏置4°時，屏區入口截面P1的氣流旋轉動量為1.42 N·m，偏置10°時為1.08 N·m，較工況3分別降低了17%和37%。

圖7 AA風擺角偏置條件下旋轉動量矩沿爐膛高度分布

圖8為截面P2上的煙氣偏差評價指標，可知AA風擺角偏差設置有效降低了水平煙道的煙氣偏差。在實際運行中，工況6的AA風上擺角度偏置方式可將末級再熱器兩側汽溫偏差由工況3的10℃左右降低到4℃以下；鍋爐效率可達到94.72%，NO排放量為147.2 mg·m-3。不同計算工況條件下煤粉燃盡率和NO排放濃度的計算結果見表3。由表可知，燃燒器上擺角度增加，煤粉燃盡率略有下降，但仍維持比較高的水準，NO排放濃度在燃燒器上擺22°時明顯高于其他工況，AA風上擺角度的偏差設置對煤粉燃盡率和NO排放濃度沒有明顯的影響，因此若實際運行中采用燃燒器上擺11°以及AA風上擺角度偏置10°，可以保證較高的煤粉燃盡率，且NO排放濃度也可以控制在一定水平內。

圖 8 不同AA風上擺角度偏置條件下截面P2的煙氣偏差評價指標

表3 不同計算工況條件下煤粉燃盡率和NOx排放濃度

4 結 論

（2）產出指標。產出指標的直接體現就是收益，文中選取新產品銷售收入和有效發明專利作為創新產出指標。新產品銷售收入作為創新產出的代表性指標，能較好地衡量創新產出效果，應用相對比較廣泛；專利雖然難以反映創新活動的全部成果，但由于數據易得，且在某些程度上沒有更好的指標來代替，所以在研究中應用也較為普遍，而由于發明專利申請難度大，審核更為嚴格，能更好地衡量創新產出水平，因此選用有效發明專利數作為另一個創新產出指標。

（1）燃燒器上擺角度增加，爐內氣流的旋轉動量矩整體減小，屏區入口殘余旋轉動量矩降低，再熱器入口截面煙氣速度和溫度的偏差系數和不均勻系數均減小。

（2）AA風上擺角度偏差設置后，氣流進入屏區時的殘余旋轉動量降低，再熱器入口截面煙氣速度和溫度偏差減小。

（3）實際運行結果表明，將燃燒器角度上擺11°且AA風擺角偏差設置為10°可將再熱蒸汽溫度偏差由20℃左右降低至4℃以下，因此這是一種有效降低煙氣溫度和再熱蒸汽溫度偏差的手段。

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Numerical simulation on effect of burner tilting up angle on reheat steam temperature deviation for tangentially fired pulverized-coal boiler

TIAN Dengfeng1, FANG Qingyan1, TAN Peng1, ZHANG Cheng1, CHEN Gang1, ZHONG Lijin2, ZHANG Dianping2, WANG Guoqiang2

(1State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China;2Zhuhai Power Plant, Zhuhai 519000, Guangdong, China)

The burner tilting up and the bias setting of AA tilting up angle was employed in order to reduce the temperature deviation of flue gas and reheat steam. The combustion processes in a 700 MW tangentially fired boiler with different burner tilting up angles were numerically simulated. The simulated results were fitted in with the measured data well. For greater burner tilting up angle, the swirling momentum moment in the furnace and the residual swirling momentum moment in the entrance of platen zone were reduced, while the flue gas deviation in the horizontal flue gas pass was lower. The bias setting of AA burner tilting up angle can reduce the flue gas residual swirling momentum moment of the entrance of platen zone considerably and lower the deviation of the flue gas temperature and velocity. The combustion tests showed that as an effective measures to reduce the temperature deviation of flue gas and reheat steam of this boiler, the burner tilting up for 11° and the bias setting of AA tilting up angle for 10° can reduce the temperature deviation of reheat steam from 20℃ to about 4℃.

tangentially fired boiler; burner tilting up angle; flue gas deviation; bias setting

2014-12-11.

supported by the Project on the Integration of Industry, Education, and Research of Guangdong Province (2012B091100173) and the Young Scientists Fund of Huazhong University of Science and Technology (HUST) (2014QN185).

Prof. FANG Qingyan, qyfang@hust.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141829

TK 224.1

A

0438—1157（2015）07—2702—07

廣東省教育部產學研結合項目（2012B091100173）；華中科技大學校青年科學基金項目（2014QN185）。

2014-12-11收到初稿，2015-04-02收到修改稿。

聯系人：方慶艷。第一作者：田登峰（1991—），男，碩士研究生。