660 MW超臨界墻式切圓煤粉鍋爐煙溫偏差優化控制

郭岸龍， 方慶艷, 趙斯楠, 吳 英， 夏永俊， 張 成， 陳 剛

(1． 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室， 武漢 430074； 2. 國網江西省電力科學研究院， 南昌 330096)

660 MW超臨界墻式切圓煤粉鍋爐煙溫偏差優化控制

郭岸龍1， 方慶艷1, 趙斯楠1, 吳 英2， 夏永俊2， 張 成1， 陳 剛1

(1． 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室， 武漢 430074； 2. 國網江西省電力科學研究院， 南昌 330096)

對某電廠660 MW超臨界墻式切圓煤粉鍋爐爐膛出口煙溫偏差過大現象進行了數值模擬，并將模擬結果與試驗結果進行了比較.結果表明:模擬結果與試驗結果吻合較好；殘余旋轉氣流造成了煙溫偏差；將SOFA水平擺角反切、減小二次風擋板開度和增大SOFA擋板開度，均有利于降低爐膛出口煙溫偏差；通過采取上述措施，提高了鍋爐的經濟性與安全性.

墻式切圓燃燒； 煙溫偏差； SOFA； 二次風

切圓燃燒方式具有許多優點，目前我國燃煤電站鍋爐約有70%以上采用切圓燃燒方式[1].切圓燃燒方式的主要特點是爐內氣流旋轉，引起爐內旋轉中心低壓區卷吸高溫煙氣，使氣流充分混合，形成良好的著火條件和穩定的燃燒環境，并且顆粒在爐內停留時間長，有利于燃盡[2-4].但由于爐膛高度有限，爐膛出口仍然存在氣流的殘余旋轉，導致水平煙道處左右兩側出現煙速偏差與煙溫偏差的現象，使得過熱器與再熱器的管屏左右兩側吸熱不均勻，出現熱偏差現象，情況嚴重時會導致受熱面出現超溫爆管事故[5].因此，研究爐膛出口煙溫偏差對于提高鍋爐運行的安全性、可靠性及經濟效益均具有重要意義[6].

國內大多研究針對的是四角布置的切圓燃燒鍋爐，而有關四墻切圓燃燒鍋爐試驗方面的報道較少[7-9].筆者針對某電廠660 MW超臨界四墻切圓燃燒鍋爐進行了爐內燃燒過程的數值模擬，分析了SOFA水平擺角、二次風擋板開度和SOFA擋板開度對爐膛出口煙溫偏差的影響.

1 研究對象

1.1 鍋爐結構

所研究的墻式切圓燃燒鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司(簡稱哈鍋)自主開發研制的HG-1964/25.4-YM17型超臨界墻式切圓燃燒鍋爐.該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐，是單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、露天布置的π型鍋爐.采用中速磨煤機直吹式制粉系統，每爐配6臺HP1003碗式中速磨煤機，燃用設計煤種時5臺運行、1臺備用.爐膛結構和燃燒器布置示意圖見圖1.

圖1 爐膛結構和燃燒器布置示意圖

鍋爐采用新型切圓燃燒方式，形成大直徑單切圓，以獲得沿爐膛水平斷面較為均勻的空氣動力場.燃燒器共3組，其中下2組為煤粉燃燒器，即主燃燒器，布置于水冷壁的四面墻上；最上組為SOFA燃燒器，布置在主燃燒器區上方水冷壁的4個角上.SOFA燃燒器出口射流中心線與水冷壁中心線的夾角分別為42°和48°.SOFA燃燒器可進行±12°的水平擺動，煤粉燃燒器二次風偏離一次風5°進入爐膛，形成風包粉的布置方式，一次風、二次風及SOFA氣流均形成逆時針切圓.燃燒器采用CE傳統的大風箱結構，共設6層水平濃淡煤粉一次風噴口，4層分離型SOFA風室.燃用煤種的煤質特性見表1.

表1 燃用煤種的工業分析和元素分析

1.2 溫度測量試驗方法

通過便攜式火焰檢測系統檢測爐內斷面的溫度值.該系統由圖像探測器和計算機組成.圖像探測器通過光學潛望鏡和電荷耦合元件(CCD)攝像機采集斷面的火焰圖像信息，從不同的測點輪流拍攝爐內的火焰圖像，根據建立的輻射模型，計算機內置的工業級圖像采集卡利用基于輻射逆問題求解的重建算法得到爐內橫截面的溫度場.沿爐膛高度取高度分別為21.0 m、37.4 m、40.6 m和43.6 m的4個斷面，每層布置4個測點采集各斷面的火焰圖像信息.計算機將火焰圖像信息轉換為斷面的溫度場，取斷面的火焰中心溫度值與火焰中心溫度沿爐膛高度變化的模擬結果進行比較，并對數值模擬所采用的網格和模型進行驗證.

圖2給出了爐膛網格結構.選取爐膛出口末級過熱器入口截面(P7截面)，即垂直于爐膛折焰角上方和水平煙道的豎直截面對煙溫偏差進行定量分析.在末級過熱器入口截面左右兩側對稱布置一組美國雷泰公司生產的Raynge 3i型紅外測溫儀測量觀火孔處爐膛溫度，各觀火孔處溫度實測值誤差在±4%左右.所測值代表P7截面左右兩側的溫度水平，其差值代表煙溫偏差的測量值.數值模擬所得P7截面左右兩側溫度平均值的差值代表P7截面煙溫偏差的模擬結果，將測量值與模擬結果進行比較.

圖2 爐膛網格結構

Fig.2 Grid division of the furnace

2 數值計算方法

2.1 數學模型

計算采用非預混模型；利用標準k-ε湍流模型描述湍流對爐膛內氣體流動的影響[10]；輻射換熱采用P1模型來描述；利用拉格朗日顆粒軌跡方法來計算通過計算區域的煤粉顆粒運動軌跡；揮發分析出采用雙方程平行反應模型，焦炭燃燒通過動力/擴散限制模型來計算；氣體相的吸收系數利用WSGGM模型來計算；顆粒粒徑分布采用Rosin-Rammler粒徑分布；質量、動量、焓和組分方程利用Simple運算法則求解[11]；采用后處理的方法來模擬NO的生成，利用Beta-PDF模型計算湍流溫度和氧量脈動對NO生成的影響[12-13].

2.2 幾何建模及網格劃分

根據鍋爐的本體、燃燒器以及各屏式換熱器的實際幾何結構進行精細的建模和網格劃分.坐標原點建在冷灰斗上部的折焰角處，x軸為深度方向(即前后墻方向)，y軸為寬度方向(即左右墻方向)，z軸為高度方向.

在網格劃分過程中，模型均采用高質量六面體結構化網格；為了減少計算偽擴散，燃燒器出口區域的網格線與流體流動方向基本一致，并對該區域網格進行加密[14-15].不同截面網格劃分如圖2所示.其中，P1和P2為燃燒器水平截面，P3為SOFA燃燒器水平截面，P4為進入折焰角區域水平截面(K1為P4截面上沿y軸方向的中心直線)，P5為進入屏區水平截面，P6為爐膛上部橫穿水平煙道的水平截面，P7為爐膛出口末級過熱器入口截面.

2.3 計算方法

在660 MW穩定負荷下采用單因次法對SOFA燃燒器水平擺角、二次風擋板開度及SOFA擋板開度進行逐一調整，然后進行模擬計算.根據實際運行條件設置了8個模擬工況，如表2所示.其中，工況1～工況4目的是在保持總風量、二次風門擋板開度等運行參數不變的情況下，調整SOFA燃燒器4個水平擺角，考察其對煙速偏差和煙溫偏差的影響，分別用1號、2號、3號、4號代表4個角的SOFA噴口， “+”代表SOFA水平擺角順時針擺動，“-”代表SOFA水平擺角逆時針擺動；工況5和工況6目的是在基準工況4下，保持總風量、SOFA擋板開度等運行參數不變，調整二次風擋板開度，考察其對煙速偏差和煙溫偏差的影響；工況7和工況8目的是在基準工況5的基礎上，保持總風量、二次風擋板開度等運行參數不變，調整SOFA擋板開度，考察其對煙速偏差和煙溫偏差的影響.

表2 模擬工況

3 結果分析

3.1 模擬結果驗證

為驗證模擬結果的合理性與可靠性，在相同配風及負荷條件下,對鍋爐進行了現場有關試驗數據的測量，并將試驗結果與模擬結果進行了對比.表3給出了爐膛出口參數模擬結果與試驗結果的對比.圖3給出了基準工況下爐膛中心火焰溫度模擬結果與試驗結果的對比[16].在煤粉著火以后的燃燒過程中，煤粉顆粒的溫度通常高于氣體的溫度，CCD照相機接收到的熱輻射主要來自爐內高溫的煤粉顆粒，而模擬結果為煙氣溫度值.因此，試驗測量所得溫度值均高于模擬結果[17].

表3 模擬結果與現場試驗結果的對比

由表3可以看出，NOx質量濃度(6%O2體積分數下)較小，爐膛出口飛灰含碳質量分數和出口氧體積分數的模擬結果與試驗結果相差也較??；試驗溫度雖然高于模擬計算溫度，但溫度分布趨勢一致，且試驗測量誤差與計算誤差在允許范圍內.由以上分析說明網格劃分方式以及質量滿足計算要求，所建立的幾何模型及數學模型能夠合理地模擬爐內的流動、傳熱、傳質及燃燒特性，可以用于研究與分析鍋爐爐膛出口煙速偏差和煙溫偏差.

圖3 爐膛火焰中心溫度沿爐膛高度的變化

3.2 煙速偏差和煙溫偏差形成機理分析

3.2.1 速度場

圖4(a)給出了沿爐膛高度P1～P6水平截面上的速度分布.在燃燒器區域如P1和P2截面，煤粉與空氣混合氣體形成良好的切圓，氣流充分混合并形成上升主氣流；當氣流到達SOFA燃燒器P3截面時，隨著SOFA的射入(與一二次風同向，逆時針旋轉氣流)，爐內氣流旋轉強度有所增強；從P4和P5水平截面速度分布可以看出爐膛上部氣流在進入折焰角區域及折焰角區域進入屏區時仍具有一定的旋流強度，且旋轉中心基本處在截面的幾何中心上，更多的殘余旋轉氣流出現在爐膛右側，導致右側的煙氣流速大于左側，如P5截面.

圖4(b)為爐膛上部左右兩側的氣流流線分布圖.由圖4(b)可以看出，右側氣流水平速度分量指向爐膛出口，氣流流過折焰角后直接流向水平煙道；而左側氣流流過折焰角后有流向爐膛前墻的趨勢，隨后才流向水平煙道.爐膛出口左右兩側煙氣流速的分布不均勻，造成爐膛出口的煙速偏差.由于爐膛出口煙速偏差的影響，爐膛上部左側氣流的流動機理比右側復雜得多，氣流在左側流動中存在一個減速、停滯和反向加速的過程，在這個過程中已經反向加速的氣流又會與旋轉回流的氣流產生相對碰撞，形成較強的氣流擾動，從而強化了煙氣的對流換熱作用.而右側氣流運動的情況相對比較簡單，進入屏區之后，能夠平穩、加速地流向爐后.當煙氣進入水平煙道時，由于煙氣殘余旋轉依然存在，導致爐膛出口右側煙速大于左側，進而出現右側煙溫高于左側的現象，使爐膛出口出現了嚴重的煙溫偏差[18-19].

(a) 沿爐膛高度方向水平截面速度分布

3.2.2 溫度場

圖5為末級過熱器入口截面P7的溫度分布圖.該截面的溫度分布特征和煙氣流動對末級過熱器左右兩側的換熱性能有決定性影響，因而對末級過熱器出口左右兩側過熱蒸汽溫度偏差有直接影響.

圖5 末級過熱器入口截面(P7)的溫度分布

在爐膛出口截面上，分別作2條垂直線，垂直于y軸和z軸，并將此截面分成上、下、左、右4個均勻區域.溫度偏差系數(E=T右/T左)定義為右側平均溫度與左側平均溫度的比值，可分別求出截面上部溫度偏差系數E上、截面下部溫度偏差系數E下以及該截面溫度偏差系數E.

從模擬結果得到上、下、左、右4個均勻區域的平均溫度以及左、右兩側平均溫度，即T左上=1 088 K，T左下=1 013 K，T右上=1 091 K，T右下=1 282 K，T左=1 067 K，T右=1 177 K.通過計算得出E上=1.003，E下=1.265，E=1.104.上部溫度偏差系數E上接近1，說明水平煙道上部溫度分布趨于均勻；下部溫度偏差系數E下大于上部溫度偏差系數E上，煙溫偏差出現在水平煙道的下部；而爐膛出口截面溫度偏差系數大于1，說明高溫區出現在爐膛右側.

某660 MW四角切圓鍋爐爐膛折焰角上方的末級再熱器管壁左右兩側煙溫偏差達132 K.某660 MW四角切圓鍋爐爐膛出口煙溫偏差最大達到144 K[20-21].本文鍋爐的P7截面左右兩側煙溫偏差為110 K，與上述鍋爐的煙溫偏差基本處于相同水平，均不利于鍋爐的安全經濟運行.

綜合表明，煙溫偏差出現在爐膛下部，且高溫區出現在爐膛的右下側.

3.3 變SOFA水平擺角結果與分析

3.3.1 SOFA水平擺角對煙氣速度的影響

由于P4截面燃燒基本完成，又沒有新的射流加入，殘余旋轉氣流也就相對穩定，因此選擇P4截面進行研究.在P4截面上，沿y軸方向取一條中心直線K1.圖6(a)給出了不同SOFA水平擺角工況下直線K1沿y軸方向上水平速度分量Vx分布圖.

由圖6(a)可以看出，當SOFA水平擺角調整時，直線K1沿y軸方向上水平速度分量Vx的分布相似；當SOFA水平擺角向逆時針方向調整時，Vx降低，且左右兩側2個速度波峰與波谷之間的距離也減小，即爐膛氣流形成的中心切圓直徑減小.這是由于當SOFA水平擺角逆時針方向調整時，由于反切作用，致使新的合氣流速度方向由射向四墻方向轉變為射向爐膛中心方向，一方面減弱了煙氣旋轉強度，使煙氣速度降低，另一方面也減小了切圓直徑.

3.3.2 SOFA水平擺角對爐膛出口煙溫偏差的影響

煙溫偏差值T定義為爐膛出口截面右側平均溫度值與爐膛出口截面左側平均溫度值之差，即T=T右-T左.圖6(b)給出了在變SOFA水平擺角的工況下，爐膛出口煙溫偏差試驗結果與模擬結果的對比.在工況1下，煙溫偏差的模擬值為112 K.由圖6(b)可以看出，模擬結果與試驗值相符合，進一步證明了所建模型的可靠性.當SOFA水平擺角向逆時針方向擺動時，爐膛出口截面煙溫偏差值減小，說明當SOFA水平擺角向逆時針方向擺動時，有利于減小爐膛出口煙溫偏差.分析其原因為：SOFA布置在爐膛的四角上，且其形成的中心切圓與爐膛一次風形成的中心切圓同向，當SOFA水平擺角向逆時針方向擺動時，SOFA形成的中心切圓與一次風形成的中心切圓有一個反切的趨勢，使所形成的中心切圓直徑減小，爐膛中氣流的剛性相對增強，這就減小了氣流因偏轉而造成煙氣貼墻的機會；同時對氣流的擾動增強，使煙氣的混合更加均勻.因此，當SOFA水平擺角向逆時針方向擺動時，間接降低了氣流的旋轉強度，從而減小了爐膛出口煙溫偏差[22].

(a) 直線K1水平速度分量Vx的分布

(b) 變工況下試驗結果與模擬結果的對比

3.4 變二次風擋板開度結果與分析

圖7(a)為變二次風擋板開度下對應直線K1沿y軸方向的水平速度分量Vx分布圖.由圖7(a)可知，當二次風擋板開度關閉5%時，水平速度分量Vx減小，且左右兩側2個速度波峰與波谷之間的距離也減小，即爐膛內氣流形成的切圓直徑減?。划敹物L擋板開度增大5%時，水平速度分量Vx變大，且左右兩側2個速度波峰與波谷之間的距離也增大，即爐膛內氣流形成的切圓直徑變大.這是由于當二次風擋板開度減小時，二次風與SOFA擁有共同一個風箱，間接增加了SOFA風量，而進入的SOFA又與一次風形成的切圓反向，即加大了其反切作用，從而使反切速度與原來速度合成的新速度減小，有利于降低氣流殘余旋轉強度，并使其合速度的方向由射向墻壁方向轉向爐膛中心方向，即氣流形成的切圓直徑隨之減小.反之，當二次風擋板開度增大時，速度增大，切圓直徑也增大.

圖7(b)為各工況下爐膛出口截面溫度偏差實驗結果與模擬結果的對比.由圖7(b)可知，實驗結果與模擬結果一致.當二次風擋板開度增大5%時，煙溫偏差增加10 K左右，當二次風擋板開度關閉5%時，煙溫偏差降低10 K左右.分析其原因為：一方面，由于一次風與二次風均布置在四墻上，且二次風在爐膛中心形成的切圓與一次風在爐膛中心形成的切圓同向，均是逆時針旋轉流.而當二次風擋板開度增大時，二次風總風量也增大，在噴嘴面積一定時，從二次風噴嘴射入的氣流速度變大，當在爐膛內與一次風形成的逆時針旋轉氣流匯合時，大大增大了旋轉氣流的速度，同時也增強了煤粉燃燒器區域逆時針旋轉氣流的旋轉強度；另一方面，由于二次風與SOFA出自同一個共同的大風箱，在總風量一定的情況下，二次風風量增加必然引起SOFA風量相應減少，從而SOFA形成的反切作用減小，且氣流剛性減弱，對氣流的擾動也隨之減弱，間接增強了爐膛內氣流的旋轉強度.兩方面原因均使爐膛出口煙溫偏差變大.反之，當二次風擋板開度關閉5%時，爐膛出口煙溫偏差降低.

(a) 直線K1水平速度分量Vx的分布圖

(b) 變工況下試驗結果與模擬結果的對比

3.5 變SOFA擋板開度結果與分析

3.5.1 變SOFA擋板開度對煙氣速度的影響

圖8(a)為變二次風擋板開度下對應直線K1沿y軸方向的水平速度分量Vx分布圖.由圖8(a)可知，隨著SOFA擋板開度增大，水平速度分量減小，且左右兩側2個速度波峰與波谷之間的距離也減小，即爐膛內氣流形成的切圓直徑減小.這是由于當SOFA擋板開度增大時，SOFA風量增加，即SOFA速度變大，對爐內氣流形成的反切作用也變大，因此不僅減小了氣流的旋轉速度，也使SOFA與氣流旋轉的合速度朝著爐膛中心運動，爐膛氣流形成的中心切圓直徑減小.

3.5.2 變SOFA擋板開度對爐膛出口煙溫偏差的影響

圖8(b)為各工況下爐膛出口截面煙溫偏差試驗結果與模擬結果的對比.由圖8(b)可知，試驗結果與模擬結果一致.隨著SOFA擋板開度的增大，爐膛出口截面煙溫偏差逐漸減小，且SOFA擋板開度增大5%，煙溫偏差平均降低10 K左右.分析其原因為：隨著SOFA擋板開度的增大，一方面SOFA風量增加，即SOFA速度變大，當SOFA射入爐內時，其反切作用大大加強，減弱了氣流殘余旋轉強度；另一方面SOFA與二次風共同出自同一風箱，總風量不變，SOFA風量減小，間接減小了二次風風量，這相當于減弱了煤粉燃燒器區域由一次風和二次風同向形成的切圓氣流的旋轉強度.兩方面原因均減弱了氣流的旋轉強度，即降低了爐膛出口煙溫偏差，在工況8下煙溫偏差模擬結果為52 K.

SOFA擋板開度調整的模擬結果與試驗結果進一步驗證了二次風擋板開度模擬結果和試驗結果及其原因分析.通過調整SOFA擋板開度，能使爐膛溫度進一步降低.

(b) 變工況下試驗結果與模擬結果的對比

4 結 論

(1) 將SOFA水平擺角反切、減小二次風擋板開度和增大SOFA擋板開度，均能使爐內氣流旋轉強度減弱，大屏入口截面水平速度分量減小，氣流殘余旋轉動量減小，有利于降低爐膛出口煙溫偏差.

(2) 針對某660 MW超臨界墻式切圓煤粉鍋爐煙溫偏差過大的現象，進行3組變工況調整，煙溫偏差從之前的110 K左右降低到調整后的50 K左右，調整后煙溫偏差明顯降低.

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WU Ying, LIN Xianmin, CHEN Linguo. Test and study on furnace exit flue gas temperature deviation of 600 MW supercritical boiler with tangential firing[J]. Power System Engineering, 2012, 28(6): 32-34.

Optimal Control of Gas Temperature Deviation in a 660 MW Supercritical Tangentially-fired Boiler

GUOAnlong1,FANGQingyan1,ZHAOSinan1,WUYing2,XIAYongjun2,ZHANGCheng1,CHENGang1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Jiangxi Electric Power Science & Research Institute, Nanchang 330096, China)

Aiming at the phenomenon of large gas temperature deviation between the left and right side at furnace outlet of a 660 MW supercritical tangentially-fired boiler, numerical simulation was conducted, and subsequently the results were compared with that of experiment. Results show that the simulation data agree well with experimental values, and the gas temperature deviation is found to be caused by residual rotating air flow, which can be reduced by counterclockwise adjusting the SOFA horizontal swing angle, reducing the opening of secondary air damper and increasing the opening of SOFA damper, etc. After taking above measures, the economy and safety of the boiler are improved.

tangentially firing; gas temperature deviation; SOFA; secondary air

2016-05-27

2016-07-18

郭岸龍(1993-)，男，湖北武漢人，碩士，主要從事電站鍋爐清潔燃燒研究工作． 方慶艷(通信作者)，男，副教授，博士，電話(Tel．)：027-87542417-8206；E-mail：qyfang@hust.edu.cn.

1674-7607(2017)05-0341-08

TK229.6

A 學科分類號：470.30