基于數值模擬的四角切圓鍋爐溫度場影響因素探究

楊 康， 劉西陲， 沈 炯

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

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基于數值模擬的四角切圓鍋爐溫度場影響因素探究

楊 康， 劉西陲， 沈 炯

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

為探索不同因素對四角切圓鍋爐爐內溫度場的影響，選取某220t/h四角切圓鍋爐運行中負荷、過量空氣系數、二次風分配、煤粉分配以及煤質(熱值)等5個重要因素，利用CFD軟件對各因素分別變化時爐內的溫度場進行了模擬。結果表明：負荷、過量空氣系數及煤質熱值變化對各截面平均溫度的影響呈現較高的線性相關關系；負荷變化對各層溫度影響最為均衡，而煤粉分配變化對各層溫度影響最小。

數值模擬； 溫度場； 影響因素

燃煤鍋爐是電力生產的重要組成部分，其爐內溫度場直接影響著燃燒穩定性及污染物排放，研究鍋爐運行過程中各因素與溫度場的關系對鍋爐控制、燃燒診斷及調整具有重要意義[1]。

目前針對爐內溫度場的研究主要側重于溫度場重建、燃燒優化及診斷、現場試驗等方面，文獻[2-5]分別介紹了利用數值模擬、聲學或光學等手段進行爐內溫度場研究的方法和技術。在鍋爐實際運行過程中，爐內溫度場會隨著工況變化而發生相應改變，而上述研究只針對某些特定工況進行，缺少對各因素變化時溫度場變化的系統研究，這給鍋爐燃燒過程中進行有效調整帶來諸多不便。

筆者借助CFD軟件對某220t/h鍋爐在負荷、過量空氣系數、二次風分配、煤粉分配及煤種性質5種重要因素分別變化時的爐內溫度場進行模擬，并根據結果探討各因素與溫度場是否具有線性相關關系及各因素變化對爐內溫度場變化的影響。

1 研究對象

1.1鍋爐本體及燃燒器布置

該鍋爐為UG-220/98-MQ型單汽包自然循環、單爐膛、燃燒器四角布置切圓燃燒、平衡通風、固態排渣煤粉爐，其尺寸結構見圖1。

該鍋爐設計燃用山西煙煤，配有2臺筒式鋼球磨煤機，每臺磨煤機供一層四只角式直流燃燒器。燃燒器自上而下有兩層一次風噴口和三層二次風噴口，且一、二次風噴口間隔布置。燃燒器總體高度為2.105m，最底層噴口距冷灰斗為2.1775m，其布置方式見圖2。

1.2幾何建模及網格劃分

幾何建模和網格劃分是進行數值模擬的重要步驟之一。首先需要在Gambit環境中建立鍋爐的幾何模型，其計算域為冷灰斗至折焰角上方與水平煙道相連接的平面處。為方便網格劃分，將整個計算域分為若干區塊分別進行，每個區域可根據需要進行網格布置及疏密的調整。

燃燒器區域須防止偽擴散現象出現[6]，故筆者在該區域采用輻射狀網格使得燃燒器區域溫度場模擬更加合理(見圖3)。

整個爐膛總網格數約為50萬，其中燃燒器區域網格占總數的30%左右，滿足數值模擬的基本需求。

1.3爐內燃燒模型及邊界條件

爐內流動和燃燒過程異常復雜，涉及到多相流動、煤粉燃燒、輻射傳熱等方面。根據四角切圓鍋爐爐內溫度場及流場的先驗知識，選擇如下模型：

(1) 氣相湍流流動采用Realizablek-ε模型。

(2) 顆粒相運動采用隨機軌道模型。

(3) 氣相湍流燃燒采用非預混燃燒模型。

(4) 揮發分析出采用雙步競爭反應模型。

(5) 焦炭燃燒采用動力-擴散控制燃燒模型。

(6) 輻射傳熱采用P-1模型。

各燃燒器噴口采用速度入口條件，其中一次風速為19m/s，二次風速為40m/s；噴口對應的其他參數可由相應公式計算得到；爐膛出口采用壓力出口條件。對于顆粒相，其入口速度為一次風速的0.8倍。額定工況下煤質的工業分析和元素分析參數見表1。

表1 煤質工業分析和元素分析

2 溫度截面及影響因素選取

2.1溫度截面選取

爐內不同高度的溫度場具有不同特征。燃燒器區域因涉及空氣射流及煤粉的燃燒溫度場變化較為劇烈，而爐膛出口處因煤粉燃盡溫度場變化平緩，同時燃燒器上方區域為兩者的過渡區間，溫度變化也應考慮在內。筆者對上述三類不同的溫度場進行研究，并選取8個截面作為研究對象，各截面性質及參數見表2。

表2 溫度截面含義及參數

2.2溫度場影響因素

鍋爐運行時,從煤粉進入爐膛到燃盡過程中任何一個環節的變化均能夠引起爐內溫度變化。筆者選取5種較為重要的因素進行研究：

(1)負荷。當負荷變化時，進入爐內的燃煤量隨之變化，爐內燃燒產生的熱量變化將對溫度場產生影響。一般鍋爐運行在中高負荷段，可選取70%～100%負荷段中70%、81%、90%及100% 4個負荷點進行模擬。

(2) 過量空氣系數。當過量空氣系數較大時，煤粉充分燃燒使得溫度水平有上升趨勢，但較多的低溫空氣會引起爐內溫度水平的降低。為探討其對爐內溫度場的影響，將模擬100%負荷點下過量空氣系數為1.1、1.15、1.2、1.25、1.3的5種工況。

(3) 二次風分配。配風方式的改變同樣會影響爐內煤粉燃燒，并進而影響到溫度場。因所研究的燃燒器二次風噴口共有3層，在保證二次風總量不變的情況下模擬100%負荷時各層二次風速比為0.8∶1∶1.2、0.9∶1∶1.1、1∶1∶1、1.1∶1∶0.9、1.2∶1∶0.8的5種工況。

(4) 煤粉分配。與因素(3)相類似，每層燃燒器煤量變化時同樣會導致爐內溫度場的改變。在保證每層二次風速相同情況下模擬100%負荷時煤粉分配為0.9∶1.1、1∶1.1、1∶1、1.1∶1、1.1∶0.9的5種工況；

(5) 煤質(熱值)。煤質熱值的變化使得爐內燃煤量一定時燃燒所提供的熱量發生相應的變化，從而改變爐內溫度場。文獻[7]指出對于同一產地、煤化程度相近的煤，其熱值與灰分、水分和揮發分具有較好的線性相關關系。在進行該因素各工況的模擬時，若僅改變熱值大小而忽略組分相應的變化有違事實，故需要在改變熱值的同時修改相關組分的數值。筆者根據所研究鍋爐近期的8組燃煤性質數據進行線性擬合，以確定如下表達式中各系數的數值：

Qnet,ar=a+b×w(Mt)+c×w(Aar)+d×w(Vdaf)

(1)

式中：a、b、c、d為系數；Qnet,ar為低位發熱量，MJ/kg；w(Mt)為全水分；w(Aar)為收到基灰分；w(Vdaf)為干燥無灰基揮發分。

根據計算，上述公式中的系數數值如下：

從得到的擬合公式可以看出：水分與灰分越大，煤質熱值越小，而揮發分對熱值的影響則相反，這一結論與文獻[8]中所述相同。同時上述系數也反映出該煤種水分對熱值的影響略高于灰分的影響。

表3對比了煤質實際熱值與預測值，從中同樣可以看出煤質揮發分越高，水分及灰分越低時，煤的熱值越高，這也證明了擬合公式能較好地預測煤質熱值的變化。

表3 煤質實際熱值與預測值的對比

上述擬合公式將用來確定煤質熱值發生改變時相應組分的變化。為確保公式外推的可靠性，避免相應組分發生大幅度變化，僅令熱值分別變化2%和4%。同時，為避免引入過多變量，假設工業分析中w(Aar)與w(Mt)之和為定值0.4459，而其他煤組分不變。基于上述假設，熱值與灰分或水分為一一對應關系。通過對擬合公式兩邊取變化量可以得到熱值變化與收到基灰分變化的關系式：

ΔQnet,ar=0.1093Δw(Aar)

(2)

在Excel中通過改變煤質熱值的大小可以計算出灰分變化量，進而得到灰分數值。同時可以通過下列公式求得水分相應的數值：

w(Mt)=0.4459-w(Aar)

(3)

因假設僅灰分及水分隨熱值變化，故在每個工況模擬前只需將通過Excel所計算出的熱值、灰分及水分的數值來修改非預混燃燒模型PDF表中的煤質工業分析參數，并在Fluent中重新進行設置、初始化和迭代，最終得到該工況下溫度場的數據。表4和表5分別給出了熱值發生2%和4%變化時煤種灰分、水分的數值及上述工況下各層平均溫度的模擬結果。

表4 煤質(熱值)變化時灰分水分數值

表5 煤質(熱值)變化時各層平均溫度 K

綜合表中數據及擬合公式可以看出：水分降低時，熱值增加；各層平均溫度會隨著熱值的增加呈現上升趨勢，且燃燒器區域比較明顯。

3 數值模擬結果分析

3.1數值模擬結果驗證

圖4、圖5分別給出了燃燒器區域和燃燒器上方區域截面的溫度分布云圖。

從圖4可以看出：燃燒器區域溫度場呈現明顯的切圓形狀。該區域溫度變化劇烈，射流在各噴口處溫度較低，在進入爐膛后溫度迅速上升并在距離中心一定區域內形成高溫區。對比圖4、圖5可以明顯看出：溫度場中心溫度略低于上述高溫區，但隨著高度上升該現象逐漸消失，即燃燒器上方區域，中心溫度將高于四周溫度。

表6給出了各層平均溫度及最高溫度的數據。從表6可以看出：隨著截面高度增加，其平均溫度先減小后增加，隨后再度減小，即燃燒器區域平均溫度低于其他區域。該現象是由于大量低溫空氣進入降低了燃燒器區域整體溫度水平而產生的。從最高溫度數據看，燃燒器區域劇烈燃燒，其溫度明顯高于燃燒器上方區域。

表6 各層平均溫度及最高溫度 K

為進一步驗證模型的準確性，現將該鍋爐某摸底試驗中的測點溫度數據與之比較(見表7)。測點位置分別為鍋爐標高19.2m處爐膛甲乙兩側距離墻壁為0.4m、0.8m、1.2m及1.6m處的點。從表7可以看出：模擬結果與試驗數據具有較高的一致性。考慮到試驗過程中冷面輻射、測量誤差、鍋爐運行偏差等因素，溫度值將有所變化，誤差也會改變，但結果依然能夠較真實地反映爐內燃燒情況，可以認為模型具有較高的可靠性和準確性。

表7 19.2m標高處測點溫度驗證

3.2溫度場各影響因素分析

線性回歸中相關系數R將用來表征兩變量之間的線性相關關系，其表達式如下：

(4)

表8給出了各因素分別變化時各截面平均溫度與變量之間的線性相關系數數據。從表8可以看出：當負荷或過量空氣系數變化時，各層溫度與變量之間大都具有很強的線性相關性，但爐膛出口截面5的平均溫度在過量空氣系數變化時兩者線性相關關系很弱。

表8 各因素與截面平均溫度的線性相關系數

當二次風分配變化時，燃燒器區域各層平均溫度與變量的線性相關關系較強，但燃燒器上方區域卻較弱并隨高度呈現遞減趨勢；而煤粉分配變化時，各層平均溫度與變量的線性相關關系普遍較差。

在煤質(熱值)發生變化時，各層平均溫度與變量之間具有很強的線性相關關系，但相比負荷變量而言，截面2、5的平均溫度與變量的線性相關關系較差。

同時，表8數據也反映出負荷、過量空氣系數及煤質變化對各層平均溫度均呈單一的正相關或負相關性；而二次風及煤粉分配兩因素則不具單一性，其R值的正負會發生變化。

表9給出了各因素變化1個單位時各層平均溫度變化大小的數值。

表9 各因素變化1單位時平均溫度變化大小 K

從表9可以看出：各因素對不同截面溫度變化的影響是不同的，其中負荷變化對各層溫度變化的影響最為均衡。

對于燃燒器區域截面溫度變化，煤質熱值變化影響最大而煤粉分配變化的影響最小。各因素中過量空氣系數的變化對燃燒器區域截面變化的影響小于燃燒器上方區域溫度的影響。此外從整體看，二次風及煤粉分配對截面溫度變化較其他三種因素小，其中煤粉分配對各層截面平均溫度的變化影響最小。

3.3對鍋爐運行的指導

線性相關系數R能夠判斷自變量與因變量之間的線性相關關系。|R|越接近1，變量之間線性相關關系越強，即自變量與因變量可認為是一次函數關系，其表征的點的分布接近于一條直線。在線性相關關系較強情況下，自變量(如負荷)上升時，根據一次函數關系可以輕易得到因變量(溫度)變化的數值，了解爐內溫度場的大致分布情況。反之當|R|很小時，變量關系不為一次函數關系，自變量(如過量空氣系數)上升時，因變量(截面5溫度)變化的數值將不能確定，可能上升、減小或者不變。

同時，利用線性相關關系及各因素變化對各層平均溫度影響大小的結果可以對實際過程中出現的一些問題做出解釋和相關指導：當燃煤量一定時，測得爐內各層溫度同步線性上升時，可以判定煤質熱值增大了，因為該因素與各層溫度具有很高的線性相關關系，且為正相關。為了保證爐內溫度一定，可以通過減少燃煤量(負荷)的方法予以補償，因為其與溫度同樣具有很高的線性相關關系及正相關性；在鍋爐運行過程中，若希望保證爐膛出口溫度基本不變而降低爐內各層溫度時，可以通過適當增加過量空氣系數來實現。表8、表9說明過量空氣系數變化時，爐膛出口溫度基本不變，且可以同步改變爐內溫度水平。

4 結語

在四角切圓鍋爐爐膛內，燃燒器區域溫度分布與燃燒器上方不同。燃燒器區域中心點溫度略低于周圍高溫區，而燃燒器上方該趨勢隨高度逐漸減弱。

在負荷、過量空氣系數、二次風分配、煤粉分配及煤質(熱值)這5種因素中，負荷、過量空氣系數及煤質變化與各層溫度之間大都具有良好的線性關系，且具有單一的正負相關性；二次風分配與燃燒器區域各層截面溫度線性相關性較高；煤粉分配的線性相關關系普遍較低。

各因素對不同截面的溫度變化是不同的，其中負荷變化對各層截面溫度變化的影響最為均衡，而煤粉分配對各層平均溫度的變化影響最小。

[1] 胡主寬. 鍋爐爐膛溫度場測量技術研究現狀與發展趨勢探討[J]. 中國測試, 2015, 41(4): 5-9.

[2] 何長征. 220t/h鍋爐冷、熱態數值試驗研究[D]. 南京: 東南大學, 2005.

[3] 沈國清, 安連鎖, 姜根山, 等. 基于聲學CT重建爐膛二維溫度場的仿真研究[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(2): 11-14.

[4] 汪鳳林, 王式民, 陸勇. 光譜層析成像法重建溫度場[J]. 安徽大學學報(自然科學版), 2001, 25(4): 56-61.

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[6] DAVIS G D V, MALLINSON G D. An evaluation of upwind and central difference approximations by a study of recirculating flow[J]. Computers & Fluids, 1976, 4(1): 29-43.

[7] 黃永江, 林力. 煤炭高位發熱量計算公式的探討[J]. 煤炭技術, 2001, 20(2): 56-57.

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Study on Factors Influencing the Temperature Field of a Tangentially-fired Boiler Based on Numerical Simulation

Yang Kang, Liu Xichui, Shen Jiong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To explore the influence of different factors on the temperature field in tangentially-fired boilers, the CFD software was applied to simulate the temperature field of a 220t/h tangentially-fired boiler respectively at different boiler loads, excess air ratios, secondary air distribution, pulverized coal distribution and different qualities of coal (calorific value), etc. Results show that the average temperature of each section has a high linearly correlation to the boiler load, excess air ratio and calorific value of coal. The variation of load has the most balanced impacts on the temperature field of each layer, while that of pulverized coal distribution has the least impacts.

numerical simulation; temperature field; influencing factor

2016-03-24

楊 康(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為鍋爐爐內溫度場重建。

E-mail: yangkang_seu@163.com

TK223

A

1671-086X(2016)06-0368-06