660MW超臨界π型爐添加貼壁風模擬研究

（河北電投宣化熱電有限公司，河北張家口市，075100） 王建國 張立權 王存厚

1 引言

目前，全國大約60%的火電廠采用四角切圓燃燒，是應用范圍最廣，研究最成熟的燃燒[1]技術之一，四股氣流具有“自點燃”作用，且具有爐內各處受熱均勻等優點。但是為達到國家污染物排放指標，大多數燃煤鍋爐均采用低氮燃燒器改造：煤粉濃淡分離、空氣分級等，在抑制氮氧化物生成方面起到一定積極作用，煤粉火焰大多在上層燃燒器位置燃燒，但是當燃燒不充分時會形成大面積還原性區域，加劇水冷壁的高溫腐蝕。孫銳等[2]通過對某200MW鍋爐爐內溫度場及冷態流場的數值模擬，表明了CFD進行爐內燃燒研究的可行性；李敏等[3]通過對某300MW鍋爐進行模擬，發現單靠配分方式的調整難以從根本上解決高溫腐蝕問題，進而提出添加貼壁風改造，得出貼壁風可以有效地改善水冷壁近壁處的流場及氣氛，控制了水冷壁表面的高溫腐蝕；林敏杜等[4]對某600MW鍋爐添加貼壁風后爐內CO體積分數和O2體積分數進行模擬，得出貼壁風大大降低了腐蝕區域的還原性氣氛，并且建議在腐蝕區域采用多層貼壁風改造；許濤等[5]對鍋爐貼壁風噴口的大小和形狀進行優化，進行不同風速下的冷態模擬，通過氣膜覆蓋面積來選擇最優的貼壁風風速。

針對660MW超臨界鍋爐水冷壁高溫腐蝕具體腐蝕的部位進行貼壁風模擬，對不同工況下貼壁風風速進行模擬，確認最優化方案；進而比較熱態模擬下爐內氣氛濃度場、爐內燃燒和污染物濃度，為具體的工程改造提供參考。

2 研究對象及模型建立

2.1 鍋爐概況

本次研究對象是一臺660MW鍋爐，是上海鍋爐廠生產的超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Π型露天布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構，鍋爐燃用山西晉中地區貧煤。燃燒方式采用從美國阿爾斯通能源公司引進的擺動式四角切圓燃燒技術。燃燒器一共設置六層濃煤粉噴嘴和六層淡煤粉噴嘴，鍋爐配置6臺BBD3854型雙進雙出磨煤機（一臺備用），每臺磨的出口由四根煤粉管接至燃燒器前部布置的一個煤粉濃淡分離裝置，進行濃淡分離。采用空氣分級技術，在主風箱上部設有2層緊湊燃盡風（CCOFA）噴嘴和6層可水平擺動的分離燃盡風（SOFA）噴嘴。（鍋爐主要設計參數見表1）

2.2 建模及網格劃分

按照實際鍋爐的尺寸使用SolidWorks軟件對爐體進行建模；采用“分段建模，無差過渡”的新方法將爐體分為5部分，從下到上依次為冷灰斗、下層過渡區、燃燒器、上層過渡區、爐膛出口，用Gambit對爐體結構化劃分網格，燃燒區域用Cooper法劃分結構化網格，對噴口截面與爐墻網格加密，避免偽擴散[6]問題；為了保證模擬結果的準確性，選取220萬，248萬和283萬三組網格數，630MW負荷下熱態模擬結果表明，網格數量超過248萬時，爐膛出口煙溫和過量空氣系數（O2體積分數）與實際爐膛數值更接近。考慮計算時間及計算資源，本文選取248萬網格數量進行模擬。

表1 鍋爐主要設計參數

2.3 計算模型及邊界條件

模擬采用Fluent軟件，選用壓力-速度SIMPLEC算法對離散方程組的壓力和速度耦合進行求解。燃燒采用非預混PDF燃燒模型；氣相湍流流動采用帶有修正的Realizable k-ε湍流模型[7]；揮發分析出采用雙方成競爭模型；熱態模擬采用P1輻射模型[8]；采用單步反應模型并假定在此過程中煤粉顆粒粒徑保持不變；使用隨機軌道模型對煤粉顆粒運動軌跡追蹤[9]；煤粉由一次風噴口噴入爐膛，假定煤粉顆粒速度、溫度均與一次風一致，煤粉顆粒服從Rosin-rammler分布[10]。能量方程、動量方程、k方程和ε方程均采用二階迎風格式離散。NOx生成的模擬采用后處理方法進行求解。

入口邊界條件采用質量流量入口，入口溫度依據運行參數確定，爐膛出口的邊界采用壓力出口條件，設置為-89Pa。

3 添加貼壁風的數值模擬

3.1 冷態模擬結果及分析

貼壁風一般有兩種安裝位置[11]，在高溫腐蝕區域上游或者在腐蝕區域內，從二次風箱內通出管道吹入爐膛，增加水冷壁近壁處氧氣體積分數，改善水冷壁還原性氣氛。不同的安裝位置及布置方式又分為射流型和貼壁型兩種，射流型的安裝在水冷壁腐蝕區域上游，噴口的角度、大小及出口速度決定了射流與爐內煙氣的混合程度，但是改造難度大，受水冷壁布置的影響；貼壁型的布置方式一般直接在水冷壁鰭片上開孔，安裝在腐蝕區域內，開孔的大小與數目由腐蝕的面積決定，安裝方便，結構簡單，不影響水冷壁布置。

因此，從改造成本及安裝難易的角度考慮，本文采用貼壁型的安裝方式，在腐蝕最嚴重的位置開始，在爐膛四墻中心線位置安裝6層貼壁風，進行不同風率下的模擬，具體分為三種工況進行模擬，工況一、二、三的噴嘴出口速度分別為40m/s、35m/s和30m/s，風率（占二次風比例）分別為4.91%、4.47%和3.92%。貼壁風從燃盡風引出，總貼壁風風量應保證在低于二次風量的5%的范圍，才不會影響鍋爐正常燃燒[3,5]。由于高溫腐蝕的區域主要存在于爐膛中心線到噴嘴之間的區域，因此，本文采用貼壁風反吹布置來降低水冷壁附近還原氣氛。

3.1.1 工況一下貼壁風速度變化分析

選取貼壁風噴嘴截面進行分析，選取4個截面：y1=31.33m，y2=32.03m，y3=32.73m和y4=33.43m來研究貼壁風速度的變化，每一截面選取位置如圖1所示。

圖1 工況一下貼壁風速度

圖1 為工況一下所選取的四個噴嘴截面的速度變化曲線，縱觀四墻貼壁風速度衰減趨勢：y1與y2變化趨勢相同，y3與y4變化趨勢相同，且y1與y2衰減趨勢強于y3與y4。

將y1、y2、 y3與y4曲線走勢分成三段來分析，開始到L1階段定義為受迫衰減區，此區域速度衰減趨勢隨噴嘴高度的增加而變快，原因是噴嘴安裝在爐膛中心線位置且高度位于燃燒器上層，此區域存在一定的殘余旋轉，且殘余旋轉隨著高度的增加而變大，由于貼壁風反切，所以隨著高度增加衰減趨勢變大；

從L1到L2定義為擾流衰減區，y1、y2處于緊湊燃盡風（CCOFA）噴嘴高度，速度衰減受淡一次風煤粉氣流影響，y3、y4處于緊湊燃盡風與SOFA燃盡風之間，速度變化不受燃盡風的影響，因此y1、y2速度衰減速率強于y3、y4，同時受高度方向殘余旋轉的影響y2衰減趨勢大于y1，且y4衰減趨勢大于y3。

L2到結束為自由衰減區，此區域接近噴嘴位置，速度變化基本不受其他因素影響，為自由減慢區域，衰減速率不再有較大變化。

3.1.2 不同工況下貼壁風對比

為了有效改善水冷壁附近還原性氣氛，并且盡量保持原有配風的前提下來選擇貼壁風的風率，研究表明[8,12]，當貼壁風邊緣風速處于3m/s以上時，可達到爐墻表面氣膜覆蓋的要求。在工況一風率下

分析時，y2截面速度受一次風和殘余旋轉的影響速度衰減最大，因此在比較不同風率下氣膜覆蓋面積時選擇y2截面。

由圖2可知，相同位置處不同風率時速度變化曲線趨勢相同，速度衰減隨著風率的增加而變緩慢，且隨著風率的增加氣膜覆蓋面積增加趨勢變小。縱觀四墻中工況三風率下覆蓋范圍大在2m以上，工況二風率下覆蓋范圍在5m以上，工況一風率下覆蓋范圍在6m以上，且四墻中后墻和左墻的覆蓋最大。

為了較大范圍的覆蓋水冷壁，應該選擇大風率，但從結果看，工況一風率下覆蓋范圍相對于工況二風率下增加較小，并且考慮貼壁風占二次風的比例以及對爐內燃燒的影響，選取工況二貼壁風風率進行熱態模擬。

圖2 不同風率下y2截面速度

3.2 熱態模擬結果及分析

圖3 左墻#1角氣氛濃度分布圖

在已有分析的基礎上，選擇工況二下貼壁風速度進行熱態模擬，由于左墻的腐蝕程度在四墻中尤為嚴重，因此，熱態結果分析時，選擇左墻的數據來分析貼壁風添加后的影響。

3.2.1 貼壁風對高溫腐蝕的改善

圖3為添加貼壁風后，左墻y1、y2、y3與y4處熱態模擬下的氣氛濃度變化曲線，由圖（a）中得知添加貼壁風后，近壁處的氧氣體積分數有了較大范圍的提高，最低值超過4%，不再出現氧氣體積分數接近于0的情況，由此也在一定程度上抑制了CO的生成，且y3、y4處氧氣體積分數大于y1、y2處，與冷態時流場速度分析相符合；圖（b）為添加貼壁風后近壁處CO體積分數的變化曲線，CO的體積分數變化更能準確的反應高溫腐蝕的程度，由圖（b）可知，CO體積分數基本處于3%以下，在某些高度位置CO體積分數已達到0.5%以下，即近壁處表面基本上處于弱還原性氣氛或中性氣氛下，由此可以保證高爐長期安全運行[8,13]。圖（c）為左墻H2S質量分數變化曲線，由圖可知，H2S變化曲線走勢與CO變化曲線走勢基本一致，H2S質量分數最高值為60*10^-6，且大面積小于100*10^-6的界限值，綜上分析，添加貼壁風后近壁處的還原性氣氛得到了很好的改善，基本消除了還原性氣氛對高溫腐蝕的影響。

3.2.2 貼壁風對爐膛內燃燒的影響

添加貼壁風后在近壁處的形成的保護氣膜可以降低近壁處的還原性氣氛，同時也避免了高溫煙氣與水冷壁的直接接觸，類似于偏置的二次風對水冷壁起到保護作用。貼壁風由二次風箱引出，安裝在燃燒器上層，相當于多添加幾層燃盡風，理論上對爐內整體燃燒不會產生較大影響，但是多增加的燃盡風會使得爐內燃燒高溫區面積增加、最高溫度點上升，圖4為添加貼壁風前后爐內燃燒縱切面云圖，可以看出添加貼壁風后，燃燒最高溫度區由20～36m范圍內升高到20～37m范圍內，高溫區域位置升高且面積變大，但是高溫區域面積變化不大，最高點溫度由1548℃變化到1562℃，爐膛出口煙溫由949℃變化到954℃，說明貼壁風添加后對爐內燃燒基本沒有影響。

圖4 爐膛縱切面溫度云圖

3.3.3 貼壁風對污染物的影響

NOx和SOx的排放量是監測電廠污染物排放是否合格的兩個主要指標，圖5為提取模擬結果進行數據后處理繪制的污染物（NO，SO2）釋放曲線。

圖5 污染物平均濃度分布曲線

圖5 為貼壁風添加前后爐內污染物釋放曲線，圖（a）中貼壁風添加前后SO2濃度幾乎沒有變化，現場運行經經驗及大量運行數據也表明，SO2的濃度很大程度上與煤質中的S含量有關，受運行狀況的影響很小；貼壁風添加前后SO2生成曲線幾乎沒有變化，說明貼壁風對SO2的釋放影響很小；圖（b）為NOX濃度變化曲線，由圖可知在標高33m位置后，即安裝貼壁風后NOX濃度有一定程度的升高，這是因為貼壁風增大了燃盡區位置的O2體積分數，使得生成的NOX增加；同時由于貼壁風的加入相應減小了下層燃燒區的二次風量，主燃燒區NOX生成量稍微有所下降，說明貼壁風添加后對爐內NOX影響不大。

4 結論

對某660MW四角切圓鍋爐進行貼壁風數值模擬，研究了不同貼壁風風速（40m/s，35m/s，30m/s）下的冷態模擬，并且選擇出合適的貼壁風速進行熱態模擬，分析貼壁風對鍋爐高溫腐蝕、爐內燃燒及污染物的影響。

（1）在不同貼壁風風速下冷態模擬結果得出，風率為4.47%時，能夠更好的滿足要求，既能很好的覆蓋水冷壁受腐蝕表面，形成氣體保護膜，又能最低程度對配風及爐內燃燒產生影響；

（2）貼壁風添加后熱態模擬時，爐內的CO體積分數、H2S體積分數都大范圍降到安全值以下，添加貼壁風后腐蝕最為嚴重的左墻的腐蝕情況基本不存在，證明了添加貼壁風對高溫腐蝕的可行性；

（3）熱態模擬下，添加貼壁風后使高溫火焰位置上升，但爐內最高點溫度及高溫區域面積基本沒有變化；

（4）貼壁風添加后SO2生成量受煤質影響較大，所以幾乎沒有變化；NOx的生成量有一定程度的增加，但增加量較小，在可以接受的范圍內。