典型旋流燃燒器低負(fù)荷穩(wěn)燃特性試驗(yàn)

周 科，成汭珅，解 冰，張廣才，劉 輝

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

中國(guó)是燃煤大國(guó)，燃煤發(fā)電總裝機(jī)容量位居全世界第一。近年來(lái)，隨著中國(guó)能源戰(zhàn)略的調(diào)整，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。但受風(fēng)電、光伏發(fā)電隨機(jī)性、間歇性較強(qiáng)的影響，其大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了不良影響，各地均存在不同程度棄風(fēng)、棄光的現(xiàn)象[1]。為提高可再生能源的消納能力，承擔(dān)著全國(guó)70%以上發(fā)電電量的火電機(jī)組須承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，實(shí)施深度調(diào)峰的電廠(chǎng)目標(biāo)是將原最低發(fā)電負(fù)荷由約50%額定負(fù)荷降至35%額定負(fù)荷以下[2]。

鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力是限制機(jī)組調(diào)峰深度的重要因素，其影響因素包括煤種、燃燒設(shè)備、運(yùn)行參數(shù)等[3-6]。針對(duì)現(xiàn)役機(jī)組鍋爐，在煤質(zhì)、燃燒設(shè)備不變的情況下，如何通過(guò)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整提升其低負(fù)荷穩(wěn)燃能力是目前大多數(shù)深度調(diào)峰電廠(chǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。與直流燃燒器相比，旋流燃燒器可調(diào)參數(shù)更多，包括燃燒器旋流強(qiáng)度、風(fēng)量配比等。已有的研究表明，旋流燃燒器二、三次風(fēng)旋流強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)鍋爐NOx、CO的生成以及鍋爐燃燒效率有重要影響[7-10]。也有學(xué)者借助冷態(tài)燃燒器試驗(yàn)臺(tái)架研究旋流強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)燃燒器噴口流場(chǎng)的影響，進(jìn)而分析其低氮性能及防結(jié)焦性能等[11-14]。但是，針對(duì)旋流燃燒器二、三次風(fēng)旋流強(qiáng)度、風(fēng)量配比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其穩(wěn)燃性能影響的相關(guān)研究卻相對(duì)較少。

本文以某典型低氮旋流燃燒器為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)冷態(tài)、熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了燃燒器三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)噴口流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及NOx、CO生成特性的影響，獲得了適應(yīng)于鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的最佳三次風(fēng)旋流強(qiáng)度，并在660 MW機(jī)組燃煤鍋爐上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)臺(tái)架與方法

1.1 低氮旋流燃燒器

本文研究對(duì)象為某鍋爐廠(chǎng)設(shè)計(jì)制造的低氮旋流燃燒器，燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the boiler structure

該型燃燒器采用了單噴口分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)，分為一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)；其中一次風(fēng)和二次風(fēng)為直流，三次風(fēng)為旋流，燃燒器二次風(fēng)和三次風(fēng)擴(kuò)口與軸向中心線(xiàn)的夾角為45°。三次風(fēng)旋流葉片角度，即旋流葉片與軸向中心線(xiàn)的夾角，可在0°~90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，0°時(shí)旋流強(qiáng)度最弱，90°時(shí)旋流強(qiáng)度最強(qiáng)。

1.2 冷態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)

冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。主要由燃燒器、風(fēng)機(jī)、示蹤粒子、攝像機(jī)、二維粒子成像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）等組成。燃燒器按照660 MW機(jī)組實(shí)物燃燒器4:1比例縮小制成。試驗(yàn)過(guò)程中，合理設(shè)置一、二、三次風(fēng)速，保證冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入自模化區(qū)，且一、二、三次風(fēng)動(dòng)量比與燃燒器設(shè)計(jì)值相等。采用PIV系統(tǒng)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，示蹤粒子選取跟隨性和反光性較好的滑石粉，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝不同三次風(fēng)旋流角度下一次風(fēng)噴口示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得噴口流場(chǎng)和速度分布。同時(shí)，開(kāi)展三次風(fēng)火花示蹤試驗(yàn)，通過(guò)攝像機(jī)直觀(guān)拍攝燃燒器噴口氣流形狀。冷態(tài)工況下主要進(jìn)行了三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60° 4組工況的流場(chǎng)測(cè)試。

圖2 冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 The cold test system

1.3 熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)

熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由低氮燃燒器、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給粉裝置、燃燒室及其輔助設(shè)備構(gòu)成。熱態(tài)試驗(yàn)燃用干燥無(wú)灰基揮發(fā)分39.19%、收到基低位發(fā)熱量24.26 MJ/kg的煙煤。設(shè)計(jì)給粉量為180 kg/h，給粉機(jī)采用螺旋給粉，給粉量由變頻電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)。爐膛出口煙氣經(jīng)燃燒室出口的笛形管抽取，經(jīng)煙氣前處理器處理后送入NOVA4000煙氣分析儀中進(jìn)行O2、CO、NO等煙氣成分分析。熱態(tài)工況下主要進(jìn)行了三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60° 4組工況下的燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)期間維持燃燒器室出口過(guò)量空氣系數(shù)均為1.02。

圖3 熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 The thermal test system

1.4 熱態(tài)數(shù)值模擬

本文采取CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)煤粉在低氮旋流燃燒器中燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬，選用Realizablek-ε模型為熱態(tài)時(shí)氣相湍流流動(dòng)的計(jì)算模型，選用離散相（DPM）模型作為模擬旋流燃燒器熱態(tài)離散相模型，采用兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型來(lái)模擬揮發(fā)分的析出，采用非預(yù)混PDF模型來(lái)描述煤粉燃燒過(guò)程中氣相的燃燒過(guò)程，采用動(dòng)力/擴(kuò)散速率模型來(lái)模擬焦炭的燃燒過(guò)程，采取DO模型作為輻射模擬模型。網(wǎng)格采用放射狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，燃燒器網(wǎng)格數(shù)量均為95萬(wàn)，將一次風(fēng)、二次風(fēng)設(shè)為速度入口邊界，三次風(fēng)設(shè)為質(zhì)量入口邊界，出口邊界為壓力出口。模擬計(jì)算采用的煤質(zhì)數(shù)據(jù)與熱態(tài)試驗(yàn)煤質(zhì)數(shù)據(jù)相同，煤粉和空氣的流量以及溫度等邊界條件均根據(jù)熱態(tài)試驗(yàn)工況設(shè)置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒器噴口流場(chǎng)分布的影響

圖4—圖7分別給出了燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時(shí)，冷態(tài)工況下PIV測(cè)試系統(tǒng)所獲得的燃燒器噴口流場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。試驗(yàn)過(guò)程中，各工況總風(fēng)量和一次風(fēng)率維持不變。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為20°時(shí)，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度較弱，一次風(fēng)剛性較強(qiáng)，大部分一次風(fēng)沿主氣流方向運(yùn)動(dòng)，只有小部分一次風(fēng)被三次風(fēng)卷吸，噴口氣流在PIV視場(chǎng)橫坐標(biāo)280 mm兩側(cè)附近形成“渦流”，燃燒器噴口流場(chǎng)中流速大于15 m/s的區(qū)域延續(xù)至距離噴口310 mm處。

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為40°時(shí)，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度加強(qiáng)，一次風(fēng)受三次風(fēng)的卷吸增加，噴口氣流在PIV視場(chǎng)橫坐標(biāo)250 mm附近形成“渦流”，燃燒器噴口流場(chǎng)中流速大于15 m/s的區(qū)域仍延續(xù)至距離噴口310 mm處，但噴口整體流速有所降低。

圖4 三次風(fēng)旋流角度20°時(shí)燃燒器出口流場(chǎng)和速度場(chǎng)分布Fig.4 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 20°

圖5 三次風(fēng)旋流角度40°時(shí)燃燒器出口流場(chǎng)和速度場(chǎng)分布Fig.5 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 40°

圖6 三次風(fēng)旋流角度50°時(shí)燃燒器出口流場(chǎng)和速度場(chǎng)分布Fig.6 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 50°

圖7 三次風(fēng)旋流角度60°時(shí)燃燒器出口流場(chǎng)和速度場(chǎng)分布Fig.7 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 60°

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時(shí)，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)，一次風(fēng)受三次風(fēng)的卷吸回流量增大，噴口高速氣流明顯減少，噴口氣流在PIV視場(chǎng)橫坐標(biāo)200 mm兩側(cè)附近形成明顯大的“渦流”，燃燒器噴口流場(chǎng)中流速大于15 m/s的區(qū)域縮短至距離噴口240 mm左右，噴口流速明顯降低，一次風(fēng)與二、三次風(fēng)氣流混合明顯增強(qiáng)。

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為60°時(shí)，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度加強(qiáng)，一次風(fēng)受三次風(fēng)的卷吸反而削弱，一次風(fēng)剛性增強(qiáng)，PIV視場(chǎng)內(nèi)橫坐標(biāo)兩側(cè)“渦流”消失，燃燒器噴口流場(chǎng)中流速大于15 m/s的區(qū)域反而延長(zhǎng)至距離噴口600 mm左右，一次風(fēng)與二、三次風(fēng)的混合削弱。

圖8給出了冷態(tài)工況下燃燒器不同三次風(fēng)旋流葉片角度下的噴口火花示蹤軌跡。由圖8可見(jiàn)：當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為20°時(shí)，氣流形狀狹長(zhǎng)，噴口氣流擴(kuò)展角在80°左右；當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度為40°時(shí)，氣流形狀變得短粗，包裹較好，噴口氣流擴(kuò)展角增大至100°左右；當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時(shí)，噴口火焰擴(kuò)展角增大至120°左右，氣流包裹非常好，有利于熱態(tài)工況下煤粉穩(wěn)定著火；而當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度增加為60°后，噴口氣流擴(kuò)展角接近180°，三次風(fēng)與一次風(fēng)氣流分離，出現(xiàn)了“飛邊”現(xiàn)象，三次風(fēng)在燃燒器出口形成開(kāi)放氣流，卷吸能力反而削弱，熱態(tài)工況下這部分風(fēng)不能有效參與燃燒，不利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。

圖8 不同三次風(fēng)旋流葉片角度下燃燒器噴口火花示蹤Fig.8 The spark tracing of burner nozzle at different tertiary air blade angles

2.2 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)CO、NOx生成特性影響

圖9給出了不同三次風(fēng)旋流葉片角度下低氮旋流燃燒器在1.2 MW熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)燃燒所生成的CO和NO濃度（體積分?jǐn)?shù)）。當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時(shí)，燃燒室出口CO濃度平均分別為4 780、3 519、3 201、5 200 μL/L，NO濃度平均分別為119、140、151、129 μL/L。隨著三次風(fēng)旋流葉片角度增加，燃燒室出口CO生成濃度呈先降低后增加的趨勢(shì)，NO生成濃度則呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時(shí)，燃燒室出口CO生成濃度最低，NO生成濃度最高，說(shuō)明此時(shí)煤粉在燃燒室內(nèi)燃燒相對(duì)充分，著火最為穩(wěn)定。

圖9 不同三次風(fēng)旋流葉片角度下CO和NO生成濃度Fig.9 The concentrations of CO and NO generated at different tertiary air blade angles

2.3 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒器噴口溫度場(chǎng)分布影響

圖10給出了三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時(shí)，CFD軟件模擬獲得的低氮旋流燃燒器在1.2 MW熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)燃燒室內(nèi)溫度分布情況。由圖10可見(jiàn)：當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為20°時(shí)，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.8 m左右；當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為40°時(shí)，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.5 m左右；當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時(shí)，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.4 m左右；當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為60°時(shí)，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.8 m左右。可見(jiàn)，隨著燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度增加，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域離噴口距離呈現(xiàn)一個(gè)先變近后變遠(yuǎn)的趨勢(shì)，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時(shí)，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口最近，此時(shí)對(duì)應(yīng)燃燒室4.5 m處的截面平均煙氣溫度也最高，為1 774 K，說(shuō)明燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時(shí)，風(fēng)粉混合最強(qiáng)，燃燒最為劇烈，燃燒器穩(wěn)燃性能最佳。

圖10 不同三次風(fēng)葉片角度下燃燒器出口溫度場(chǎng)分布Fig.10 The distribution of temperature field at the burner outlet with different tertiary air blade angles

2.4 鍋爐現(xiàn)場(chǎng)低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度50°時(shí)鍋爐的穩(wěn)燃性能，在某配置有同類(lèi)型燃燒器的660 MW機(jī)組前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐上開(kāi)展了低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)。該鍋爐日常運(yùn)行最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為35%額定負(fù)荷，三次風(fēng)旋流葉片角度為0~30°。

鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)首先在燃燒器原始三次風(fēng)旋流葉片開(kāi)度下進(jìn)行，投運(yùn)底層2臺(tái)磨煤機(jī)，最低降至25%額定負(fù)荷（165 MW），此時(shí)煤量74.8 t/h，運(yùn)行氧量9.24%，測(cè)得燃燒器噴口平均溫度為1 214 ℃，有2只燃燒器火檢信號(hào)強(qiáng)度在60%~100%之間波動(dòng)，爐膛負(fù)壓波動(dòng)±150 Pa；相同條件下，將燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度緩慢調(diào)整至50°，測(cè)得燃燒器噴口平均溫度為1 246 ℃，火檢信號(hào)明顯改善，爐膛負(fù)壓波動(dòng)降至±100 Pa以?xún)?nèi)；逐漸減少煤量至58.8 t/h，鍋爐負(fù)荷降至20%額定負(fù)荷（132 MW），測(cè)得燃燒器噴口平均溫度為1 204 ℃，燃燒器火檢信號(hào)強(qiáng)度基本無(wú)閃爍，爐膛負(fù)壓波動(dòng)仍維持±100 Pa以?xún)?nèi)，鍋爐在132 MW負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行3 h，說(shuō)明燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度調(diào)整后，可以在20%額定負(fù)荷下無(wú)助燃穩(wěn)定運(yùn)行，鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力明顯提升。

3 結(jié) 論

1）冷態(tài)流場(chǎng)試驗(yàn)表明，三次風(fēng)旋流葉片角度從20°增加至50°，旋流加強(qiáng)，燃燒器噴口氣流回流量增加，卷吸能力增強(qiáng)，當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度增加至60°以后，燃燒器噴口氣流出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象。

2）熱態(tài)數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時(shí)，高溫?zé)煔怆x燃燒器噴口最近，約為1.4 m。

3）熱態(tài)燃燒試驗(yàn)表明，三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時(shí)，其CO生成濃度最低，NOx生成濃度最高。

4）適應(yīng)于鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的最佳三次風(fēng)旋流葉片開(kāi)度為50°左右，并在某660 MW機(jī)組鍋爐上進(jìn)行了驗(yàn)證，效果良好。