基于數值模擬的超臨界鍋爐SOFA風對煙氣偏差影響研究

蔡泓銘

（廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600）

基于數值模擬的超臨界鍋爐SOFA風對煙氣偏差影響研究

蔡泓銘

（廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600）

對于四角切圓燃燒鍋爐，爐膛出口水平煙道的煙氣偏差過大會造成過熱汽溫偏差，增加管子的熱應力，影響鍋爐安全運行。采用燃燼風反切方式是一種減少煙氣偏差的有效方法。現代超臨界四角切圓燃燒鍋爐因采用水平角度可調節的風門，為燃燼風反切提供了方便。通過對某600MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐進行數值模擬，研究了不同燃燼風運行工況對煙氣偏差的影響。結果表明：超臨界四角切圓燃燒鍋爐水平煙道截面煙溫和煙速均呈現右側高于左側的分布規律；SOFA（分離燃燼風）反切可以有效地改善煙氣偏差，其反切角越大，投運的反切SOFA風層離爐膛出口越遠，改善煙氣偏差效果越明顯。該結果對改善大型超臨界鍋爐煙氣偏差，簡化燃燒調整，優化鍋爐運行具有指導作用。

超臨界鍋爐；數值模擬；燃燼風反切；煙氣偏差

0 引言

對于大型電站鍋爐，特別是四角切圓燃燒鍋爐，其水平煙道煙氣偏差一直是影響過熱器和再熱器安全運行的因素之一。爐膛出口及水平煙道煙氣偏差主要是爐內氣流的殘余旋轉和引風機牽引動量共同作用的結果。在設計上可以采用過熱器和再熱器左右交叉布置方式來減少蒸汽偏差；在運行調整上可以通過燃燒配風方式的改變來減少煙氣偏差。

鍋爐爐內燃燒過程是一個復雜的湍流流動及傳熱過程。對于這種兩相流動的燃燒過程，描述溫度場分布及煙氣偏差，用經典的分析解方法不可能做出精確預測［1］，此外，由于現在超臨界鍋爐熱容量大和煙氣量比較大，水平煙道煙溫在電廠實際運行鍋爐中只是在啟動時投入煙溫探針，當煙溫大于650℃時煙溫探針自動收回。在實時DCS數據采集中因高溫在爐膛出口處也不設置測點。如果進行實驗臺?；囼灱壤щy又浪費大量人力物力。隨著計算機的發展，采用數值模擬計算方法，既滿足了精度的要求，又節約成本。通過數值模擬可以揭示出水平煙道煙溫的分布情況。

國內外有不少學者對煙氣偏差進行數值模擬研究［2-7］，研究的內容主要是一次風和二次風參數對切圓和煙氣偏差的影響。對于超臨界鍋爐，因燃燒器布置復雜，一次風和二次風的水平擺角調整鍋爐正常運行影響較大。如果穩定一次風和二次風，僅改變燃燼風運行狀況來調整鍋爐煙氣偏差，則可以簡化運行操作，有利于鍋爐安全運行，更有現實意義。

以某臺配備Alston燃燒器的600MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐為例，通過數值模擬，在一次風和二次風參數不變的情況下，研究不同燃燼風工況對煙氣偏差的影響。

1 計算模型選擇說明

煤粉在爐膛內的燃燒是一個非常復雜的物理、化學過程，它包括揮發份的釋放、焦炭的燃燒、輻射傳熱、顆粒運動和氣相流動及湍流燃燒。

對于氣相流動，本文采用標準的k-ε模型。爐內的氣相物質作為連續相介質，在歐拉（Eulerian）坐標系中描述。其三維流動的控制方程為

式中：Φ代表所有的氣相變量，如速度的3個分量u、v、w；壓力 P、湍流動能k及其耗散率，混合分數f及其脈動均方值g和比焓h等。氣體的源項或匯項為 SΦ，而 SpΦ是由固體顆粒引起的源項。

控制方程的離散采用控制容積積分法（control volume approach），對流項采用一階迎風格式，壓力—速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

對于煤粉顆粒運動模型，在拉格朗日（Lagrangian）坐標系中描述。并考慮兩相之間的質量、動量和能量之間的相互作用。采用以下煤粉顆粒的運動方程

對于煤粉燃燒模型，采用守恒標量的PDF模型模擬非預混燃燒。非預混模擬方法的基礎為在系列簡化假設下，流體的瞬時熱化學狀態與一個守恒量即混合分數f相關。

對于輻射模型，選用P1模型，P1法是最簡單的一種球諧函數法，它假定介質中的輻射強度沿空間角度呈正交球諧函數分布，并將含有微分、積分的輻射能量傳遞方程轉化為一組偏微分方程，聯立能量方程和相應邊界條件，求出輻射強度和溫度的空間分布。

2 鍋爐造型

鍋爐燃燒系統按配中速磨冷一次風直吹式制粉系統設計。24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。在主燃燒器和爐膛出口之間布置有1組共5層SOFA燃燒器噴嘴（距上排燃燒器噴口中心 9 180mm）。

利用AutoCAD軟件對研究的超臨界四角切圓鍋爐進行造型，并導入到Gambit軟件中進一步完善。在一次風和二次風不變的情況下，研究燃燼風變化對于煙氣偏差的影響。由于在滿負荷工況下一般運行 A、B、C、D、E 5層一次風， 同時相應投入 AA、AB、BC、CD、DE、EE 6層二次風，以及 4層 SOFA 風。本數值模擬從簡化模型出發，在鍋爐造型時主燃燒區四角繪制5層一次風噴口和6層二次風噴口；在燃燼風區域四角繪制5層SOFA風，并從下到上標示為SOFA1層、SOFA2層、SOFA3層、SOFA4層和 SOFA5層。同時由于CCOFA（緊湊燃燼風）風量占總風量的比重較少，在鍋爐造型中不考慮CCOFA風噴口。

鍋爐造型說明如圖1所示。

圖1 鍋爐造型說明

3 網格劃分說明

在完成了造型后，根據爐膛的結構特點，把整個計算區域爐膛由下至上分為7個區域：冷灰斗區域、冷灰斗與燃燒器之間區域、燃燒器區域、燃燒器與折焰角之間區域、折焰角區域、頂棚區域和水平煙道區域。為了改善區域之間的過渡，研究中不使用非一致網格技術，而是盡量使爐膛橫截面在Z軸方向的網格盡量一致，采用四面體網格來劃分體網格。

為了避免在燃燒器噴口附近出現偽擴散現象［8］，將燃燒器區域水平面劃分生成的網格如圖2所示。此網格避免了燃燒器噴口處速度方向與網格成45°角，從而可以有效地避免偽擴散的出現。

圖2 燃燒器水平面網格劃分

在燃燒器區域，為了充分考慮噴口與四周的銜接性、燃燒器區域與上下過渡區及冷灰斗區域的銜接性能，在網格劃分時，燃燒器區域的網格劃分較為密集，其他區域網格相對較稀，采用1∶1.20的比例逐步往上下過渡，避免采用interface（非一致網格）。從而大大地改善了各項的收斂性。整個爐膛區域劃分網格數為80多萬個。

4 參數設置說明

研究主要是針對投運不同層數SOFA風及反切不同角度時對水平煙道煙氣偏差的影響。對不同工況的模擬采用相同的煤質，煤質分析及顆粒粒徑及容重見表1~2所示，一次風噴口和二次風噴口及燃燼風噴口參數如表3所示。投運A至E層燃燒器，各層一次風量和各層二次風量平均分配，投用的噴口有 A、B、C、D、E 5 層一次風噴口，AA、AB、BC、CD、DE、EE 6層二次風噴口以及各層SOFA風。

5 計算工況說明

本文分別選取4個不同燃燼風運行工況進行數值模擬，分析水平煙道的煙溫分布和煙速分布。4個不同計算工況為：在其他參數設置不變的基礎上，考慮不同的SOFA風運行工況，如表4所示。SOFA風投運均按4層均勻配風考慮。

表1 燃料煤質分析

表2 顆粒粒徑及容重

表3 參數設置說明

工況1為投運SOFA1~SOFA4 4層燃燼風，停運SOFA5層燃燼風，SOFA風反切角度為5°；

工況2在工況1的基礎上，SOFA風反切角度改變為 10°；

工況3在前兩個工況的基礎上，SOFA風反切角度改變為15°；

工況4投運SOFA2～SOFA5 4層燃燼風，停運SOFA1層燃燼風，SOFA風反切角度為15°。

表4 計算工況說明

6 煙氣偏差仿真結果及分析

分別對表4中的工況進行熱態模擬，水平煙道截面煙溫分布如圖3所示，水平煙道截面煙速分布如圖4所示。

圖3 水平煙道煙溫分布（X=25 000mm）

結合圖3，對于4個工況的煙溫分布分析如下。

工況1的煙溫偏差最大，鍋爐水平煙道右側煙氣溫度大于左側溫度，水平煙道截面存在較大的煙溫偏差，兩側的煙溫偏差值達到200℃左右，大部分區域的煙溫在1 240～1 340 K。

工況2的水平煙道截面也是右側煙溫大于左側煙溫，鍋爐水平煙道截面煙溫偏差值下降為150℃，與工況1的煙溫偏差情況有所改善，有較大的區域溫度一致，為1330 K左右，證明反切SOFA風可以有效地降低煙溫偏差。

工況3的水平煙道煙溫偏差程度與前兩個工況相比，已經大大改善，大部分區域煙溫在1 300 K左右。說明在其他條件不變的情況下，SOFA風反切15°后，水平煙道煙溫偏差已不明顯，可以作為運行優化調整參考值。

工況4的水平煙道煙溫分布表明：SOFA風反切15°，水平煙道截面整體呈現右側煙溫高于左側，偏差程度不大，大部分區域的溫度也在1 300 K以上，煙溫偏差值在100℃左右。但與工況3相比，工況3的煙溫偏差要比工況4小。表明反切運行不同層的SOFA風，對煙氣偏差情況會產生不同影響。投運的反切SOFA風層離主燃燒器的距離越近，離爐膛出口越遠，改善水平煙道的煙氣偏差效果就越好。

圖4 水平煙道煙速分布（X=25 000mm）

結合如圖4對4個工況的煙速分布分析如下。

工況1計算結果表明，水平煙道截面右側煙速明顯大于左側煙速，右側速度為11.4m／s，左側速度為6m／s，最大速度偏差達到5m／s以上，并且煙速呈現由右側向左側遞減的規律。在水平煙道截面左下側及中下側，出現最低速區。因為左側煙速較小，受到折焰角的擠壓后，局部出現回流，而使水平煙道截面左下側區域出現低速區。由于水平煙道布置的換熱器主要以對流換熱為主，其煙速偏差大也是造成過熱器和再熱器出現汽溫偏差的重要原因。該結果與現場實際運行情況相符。

工況2水平煙道截面煙速仍然是右側煙速大于左側煙速，煙速分布呈現由右向左遞減，在水平煙道截面左下側也出現了低速區域，其產生原因與工況1一致。但與工況1相比，煙速偏差得到明顯改善，左右兩側煙速最大偏差降為4m／s左右。

工況3水平煙道截面煙速分布也存在煙速分布呈現由右側向左側遞減的規律，但左右兩側最大煙速偏差小于3m／s，與前兩個工況相比，左右兩側的煙速偏差大大改善，表明SOFA風反切角度增大對水平煙道煙氣偏差的改善結果明顯。其結果可指導現場燃燒優化調整。

工況4的計算結果與工況3相比較，發現工況3改善煙速偏差和糾正煙氣殘余旋轉的能力明顯優于工況4。表明反切運行不同層的SOFA風，對煙速偏差影響也不同。投運的反切SOFA風層離主燃燒器的距離越近，離爐膛出口越遠，改善水平煙速偏差效果就越好。

7 結語

以某600MW超臨界鍋爐為研究對象，結合其所配備的Alston燃燒器布置與調整狀況，利用fluent軟件模擬研究了水平煙道煙氣偏差情況，在其他情況不變下，改變SOFA風反切角度和投運不同SOFA風層，計算得到如下結論：

超臨界四角切圓燃燒鍋爐水平煙道截面煙溫和煙速分布均呈現右側高于左側的規律；其結果與實際運行情況相符；

在其他情況不變時，SOFA反切可以有效地改善煙氣偏差。在一定范圍內，其反切角度增大，改善煙氣偏差效果越明顯；

在其他情況不變時，投運不同層的反切SOFA風，對煙氣偏差影響也不同。投運的反切SOFA風層離主燃燒器的距離越近，離爐膛出口越遠，改善煙氣偏差效果越好。

上述研究結果在一次風二次風及給煤量不變的情況下，僅改變SOFA風運行工況，對改善大型超臨界鍋爐煙氣偏差，簡化燃燒調整，優化鍋爐運行具有指導作用。

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Influence of SOFA to Flue Gas Deviations of Supercritical Boilers Based on Numerical Simulation

CAI Hongming
（Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei，516600，China）

For corner tangential firing boiler，the temperature deviation of the super-heated steam will cause high thermal stress on the pipes which will affect the safety of the boiler.This problem is mainly caused by the temperature and velocity deviations of the flue gas at the furnace’s horizontal outlet.The reversed tangential technology is an effective method of reducing these gas deviation.Modern supercritical boilers corner tangential firing boilers usually adopt the air doors which can be horizontal adjusted.This provides a convenient way for the reversed tangential adjustment of the burn-out wind.Based on a 600MW supercritical boiler of corner tangential firing，the paper used the numerical simulation to study on effects of flue gas deviation under different SOFA （Separated over fired air） operation.The simulation results show that firstly，on the right side of horizontal flue，flue gas temperature and velocity are both significantly higher than those of the flue gas on the left side.Secondly，the supercritical corner tangentially fired boiler；the reversed tangential SOFA can effectively reduce the flue gas deviation.The effect on reducing the flue gas deviation increases with the increasing reversing angle of the SOFA as well as with the increasing distance between the reversed SOFA area and the furnace outlet.For large-scale supercritical boiler，these results provide practical guidance on reducing flue gas deviations，simplifying combustion adjustment and optimizing the boiler operation.

supercritical boiler；numerical simulation；reversed tangential OFA；flue gas deviations

TM621.2

：A

：1007－9904（2017）07－0052－06

2017-04-17

蔡泓銘（1984），男，工程師，主要從事電廠設備優化運行工作。