660MW墻式切圓鍋爐燃燒器數值模擬優化改造*

趙星海 馮 賀 張 靜

(1.東北電力大學能源與動力工程學院；2.東方電氣(通遼)風電工程技術有限公司)

660MW墻式切圓鍋爐燃燒器數值模擬優化改造*

趙星海1馮 賀1張 靜2

(1.東北電力大學能源與動力工程學院；2.東方電氣(通遼)風電工程技術有限公司)

針對某電廠水冷壁結渣、動力場不穩及低負荷穩燃能力差等問題，通過對百葉窗式煤粉濃縮器的性能參數進行試驗優化，提出改進措施。利用Fluent計算軟件，分析對比改造前后的空氣動力場、溫度場和煙氣中各組分物質的量濃度的分布。結果表明：將擋板延長至鈍體并與之結合，使濃、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口，并通過將第一級葉片改為丘體型結構，第二、三級葉片中間開豎槽并適當調整葉片結構參數，獲得較理想的煤粉濃縮效果，提高燃燒器的穩燃性能。

墻式切圓鍋爐 燃燒器 濃淡燃燒 低負荷 穩燃 數值模擬

鍋爐爐內著火困難、低負荷穩燃能力差及水冷壁高溫腐蝕等問題對鍋爐運行的安全性和經濟性造成嚴重威脅[1,2]。濃淡煤粉燃燒技術具有高效、穩燃、防結渣、低污染和防水冷壁高溫腐蝕的優點[3,4]，不僅可以降低著火熱，還可以加強著火供熱[5]，在燃燒器的設計改造中得到了廣泛的應用。文獻[6]研究了葉片間距對五級葉片百葉窗濃縮器性能的影響，文獻[7]研究了百葉窗濃縮器葉片寬度與葉片布置形式變化時濃淡氣流分配的變化規律。雖然濃縮器的性能得到提高，但仍存在濃淡側分離效果差、葉片磨損嚴重及葉片后回流區較大等問題。文獻[8，9]分別通過將第一級葉片改為丘體型結構、第二、三級葉片中間開豎槽和在濃縮器出口設置適當長度擋板的方法來減小或消除濃淡側分離效果差和磨損這一問題，但由于葉片的結構參數沒有加以改進，百葉窗濃縮器的性能仍不理想。

筆者以某電廠一臺660MW墻式切圓煤粉燃燒鍋爐為研究對象，對燃燒器改造前后的工況進行了數值模擬，得到兩種工況下爐膛內的空氣動力場、溫度場和煙氣中O2和CO物質的量濃度的分布，并提出新的葉片結構形式，為改造后燃燒器低負荷不投油穩燃的實際應用提供理論支持。

1 研究對象與改造方案

1.1研究對象

某電廠1#爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主研發的HG-2210/25.4-YM16型鍋爐，該鍋爐采用Π型布置，單爐膛，尾部雙煙道，全鋼架，懸吊結構，爐膛尺寸為190823mm×190823mm(寬×深)，水冷壁下集箱標高為7m，頂棚管標高為75.5m。該鍋爐采用了水平濃淡燃燒器分級燃燒和拉開式燃盡風(SOFA)的低NOx技術。實際燃煤特性見表1。

該鍋爐燃燒器共3組，其中主燃燒器兩組布置于四面墻上，形成一個大的切圓。SOFA燃燒器布置于4個角上，SOFA燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為42°和48°，形成一個小的切圓。燃燒器共6層煤粉噴口，每層與一臺磨煤機相配。燃燒器布置如圖1所示。

圖1 鍋爐內燃燒器與風室噴嘴的布置

1.2改造方案

圖2為原百葉窗煤粉濃縮器簡圖，圖3為改進后百葉窗煤粉濃縮器簡圖。鍋爐在燃用設計煤種或校核煤種時，能滿足負荷在不大于鍋爐的30%B-MCR(鍋爐連續最大蒸發量)時，不投油長期安全穩定運行。但在電廠實際運行過程中存在低負荷風量小、動力場不穩及在30%負荷下無法長時間維持穩定燃燒等問題。

圖2 原百葉窗煤粉濃縮器簡圖

圖3 改進后百葉窗煤粉濃縮器簡圖

筆者提出改造方案為:將擋板延長至鈍體并與之結合，使濃、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口；將第一級葉片改為丘體型結構，第二、三級葉片中間開豎槽并適當調整葉片結構參數。因為鍋爐最低穩燃負荷至少應經過4h，為提高鍋爐燃燒穩定性，對兩組主燃燒器，即對A、B兩層一次風進行改造。

2 水平濃淡燃燒器數值模擬

采用Fluent軟件對改造后濃縮器的性能與流場進行數值模擬，數值模擬采用SIMPLE方法，氣相湍流模型采用RNGk-ε模型，氣固兩相模型選用顆粒隨機軌道模型。如圖4所示，模型采用分塊劃分網格的方法，并對主燃燒器區進行局部加密，網格總數約為35萬個。大量使用結構化網格有利于加快運算速度和迭代收斂，通過對不同數量級的網格進行模擬運算和網格敏感無關性的檢驗，確定該網格符合計算精度要求。該模型入口條件采用速度入口，出口采用充分發展管流條件，壁面處采用無滑移條件，煤粉顆粒粒徑分布滿足Rosin-Rammler分布。

圖4 燃燒器網格劃分示意圖

圖5為數值模擬得到的原濃縮器中心平面上葉片附近的流場情況，模擬得到的燃燒器濃淡分離的濃淡比為2.33，這與現場實際運行結果一致。

圖5 原結構葉片附近流場圖

從圖5可以看出，各級葉片后均存在明顯的回流區。首先，這將增加氣流在淡側流動的阻力，增加濃淡側流量比，減少氣流向淡側流動的有效流通面積。其次，這將對濃淡側流量分配和煤粉的輸運產生不利影響，易使煤粉在回流區中沉積，尤其在第一級葉片后的回流區中，易導致淡側堵粉事故的發生。

從圖6可以看出，改進后的煤粉濃縮器結構形式可有效消除或減少原結構產生的回流區，燃燒器濃淡分離的濃淡比由2.33提高到2.43，使濃側煤粉濃度提高到該煤種的最佳煤粉濃度區域。

圖6 改進葉片結構附近流場圖

3 鍋爐爐膛數值模擬

3.1網格劃分

爐膛模型與網格構造采用Gambit完成，將灰斗至鍋爐水平煙道作為網格劃分對象，分為灰斗、主燃燒區、SOFA風區、SOFA風區至水平煙道4個主要計算域。為了計算準確，采用Gambit軟件，用Paving方法對爐膛橫截面進行劃分，體網格用Cooper方法沿著爐膛高度方向鋪展生成六面體網格，使網格能夠與流體流動方向垂直，網格的質量提高[10]，總計網格115萬個。合理的網格構成和分布有利于提高計算的速度和精度，增強計算的收斂性。通過對不同數量級的網格進行模擬運算和網格敏感無關性的檢驗，確定該網格符合計算精度要求。圖7為整個爐膛的網格劃分示意圖。

3.2數值計算方法

數值模擬采用三維穩態計算，SIMPLE算法。煤粉的燃燒采用非預混燃燒模型、氣相湍流的輸送采用標準k-ε模型、煤粉顆粒的跟蹤采用隨機軌道模型、煤粉揮發分的釋放采用兩步競爭反應模型、氣相湍流的燃燒采用混合分數/PDF模型[11]、焦炭的燃燒采用動力/擴散控制反應速率模型、輻射傳熱采用P-1輻射模型。

圖7 爐膛網格劃分示意圖

3.3模擬結果與分析

表2給出了30%負荷下，改造前燃燒的運行參數和改造后的調整參數。

表2 模擬工況參數

圖8為燃燒器改造前B層一次風截面速度云圖和速度矢量圖,可以看出，爐內動力場分布不均，一次風射流剛性不強，從而導致火焰偏斜，這正是電廠在30%B-MCR負荷下無法長時間維持穩定燃燒的問題所在。

a. 速度云圖

b. 速度矢量圖

圖9為燃燒器改造后B層一次風截面速度云圖和速度矢量圖，可以看出，水冷壁周圍速度降低，避免了火焰貼墻現象，極大地減小了水冷壁結渣的可能性。由于改造后的燃燒器濃側煤粉濃度和速度增大，因此增強了向火側氣流剛性，減弱了一次風射流偏斜，形成了較好的切圓，為低負荷下穩定燃燒提供條件。

a. 速度云圖

b. 速度矢量圖

圖10為沿爐膛寬度方向的中心截面溫度云圖，可以看出，由于改造前低負荷運行過程中風量小，向火側煤粉氣流濃度低，剛性不強，著火困難，導致爐內溫度低，無法長時間低負荷穩定燃燒。改造后，由于“三高區”[12]較高的氧氣濃度和煤粉濃度使煤粉燃燒速率提高，著火提前，加劇了煤粉氣流的燃燒強度和燃盡率，爐內溫度升高。同時,二次風速的減小延長了煤粉在爐內的停留時間，促進了煤粉的完全燃燒，降低了機械不完全燃燒損失。

a. 改造前 b. 改造后

圖11、12分別為燃燒器改造前后爐膛高度方向各截面平均O2和CO摩爾濃度的變化曲線，可以看出，改造前爐內O2的摩爾濃度整體偏低，而且在頂層燃燒器附近劇烈下降。CO的摩爾濃度整體偏高，在頂層燃燒器附近以較高的摩爾濃度趨于平緩。這說明：在燃燒器改造前由于濃側氧氣濃度低，煤粉氣流燃燒緩慢，且火焰行程短，燃燒不充分，從而導致鍋爐無法長時間在低負荷不投油情況下穩定燃燒甚至滅火。

圖11 爐膛高度方向各截面平均O2摩爾濃度變化曲線

由于鍋爐在較低負荷下運行時，爐內的過量空氣系數較高，這就使得爐內的O2摩爾濃度較高。改造后的燃燒器濃側氧氣濃度提高，正滿足低負荷下運行爐內O2濃度高這一要求。從改造后O2和CO摩爾濃度的變化曲線可以看出，在爐膛底層區域，O2和CO的摩爾濃度均隨著爐膛高度的增加而增加，伴隨燃燒器區域煤粉氣流開始著火燃燒生成CO，消耗一定量O2，O2濃度有所下降，CO繼續被加熱氧化生成CO2，所以在燃燒器中間區域O2和CO濃度均降低。由于二次風的及時補充，O2濃度在頂層燃燒器附近開始升高，CO的生成量也增加，沿著爐膛高度的方向，CO又被氧化成CO2，O2和CO濃度相應降低，最后在折焰角處基本燃燒完全。因此，改造后鍋爐隨著O2濃度的增大，煤粉氣流燃燒速度加快，燃燒更充分，改善了燃燒器的穩燃性能。

4 結論

4.1通過將第一級葉片改為丘體結構和第二、三級葉片開縫，并適當調整葉片的結構參數，使濃側煤粉濃度提高到最佳煤粉濃度區域內，有效減小或消除了葉片后的回流區。

4.2將擋板延長至鈍體并與之結合，使濃、淡相煤粉氣流一直保持到燃燒器出口，避免了濃淡兩股氣流的過早混合，使這兩段氣流在鈍體形成的高溫煙氣回流區內充分混合，為煤粉著火提供了熱源，同時為低負荷穩燃提供了保證。

4.3濃側O2濃度與速度的增加降低了煤粉氣流的著火溫度，使著火提前，形成局部高溫區。同時二次風速的減小延長了煤粉在爐內的停留時間，促進了煤粉的完全燃燒，為進一步降低機組最低不投油穩燃負荷提供可能。

4.4改造后，一次風射流剛性增強，切圓較為完整，使爐膛內火焰充滿度較好，速度分布均勻，避免了火焰貼墻現象引起的水冷壁結渣和高溫腐蝕，同時又保證了燃燒的穩定性。

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NumericalSimulationOptimizationandModificationof660MWWallTangentialBoilerBurner

ZHAO Xing-hai1, FENG He1, ZHANG Jing2
(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.DongfangElectric(Tongliao)WindPowerEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Tongliao028000,China)

Considering matters like the slagged water wall, unstable aerodynamic field and the low-load poor combustion and through testing and optimizing louver concentrator’s performance parameters, the measures of improving louver concentrator were proposed. Having the distribution of aerodynamic field, temperature field and the mass concentration of various gas components before and after modification analyzed and compared with Fluent calculation software show that, extending the division plate to the blunt body for combination can keep light-phase pulverized coal flowing to the boiler burner’s exit; through replacing the first-order vane with dome-shape structure and having both second-order and the third-order vanes’ center notched as well as appropriately adjusting the vane’s structure parameter, the ideal coal powder concentration effect can be reached to improve the stable combustion.

wall tangential boiler, burner, rich-lean combustion, low-load, stable combustion, numerical simulation

* 吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(2013109)。

** 趙星海，男，1977年11月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ038

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0254-6094(2016)02-0218-06

2015-06-29，

2015-09-08)