基于CPFD的外置式換熱器對床溫影響的數值模擬研究

摘要：針對循環流化床（circulating fluidized bed， CFB）鍋爐在運行中面臨的負荷大幅變化、燃煤質量重度劣化及風量變化等內部擾動問題，論文以東方鍋爐廠生產的某型帶外置過熱器的660 MW超超臨界CFB鍋爐為研究對象，基于計算顆粒流體力學（computational particle fluid dynamics， CPFD）方法，在鍋爐最大連續蒸發量（boiler maximum continuous rating，BMCR）工況下進行數值模擬，探究外置式換熱器循環灰流量和鍋爐煤質變化對鍋爐床溫的影響。研究結果表明，在正常的錐型閥開度范圍內，通過調節外置式換熱器循環灰流量，鍋爐床溫的變化可控制在20 ℃內。鍋爐燃用臨時過渡性煤種時，由于其發熱量低，灰分含量高，導致爐膛溫度略低于燃用設計煤種和校核煤種時的溫度值，實際運行中，可通過調整錐型閥開度，予以床溫保證。研究結果可為CFB鍋爐的運行調整提供一定的參考價值。

關鍵詞：CFB鍋爐；鍋爐床溫；外置式換熱器；循環灰流量；煤質變化；數值模擬

中圖分類號：TK224.1

文獻標志碼：A

CFB鍋爐作為一種成熟的潔凈煤發電技術，具有低排放的顯著優勢，機組容量不斷擴大［1］。但在新型電力系統中承擔新能源服務功能的該類型機組在運行中面臨著負荷大幅變化，加之近年來燃煤質量重度劣化及伴隨發生的發電機組內部汽水參數變化、風量變化等內部擾動已成為普遍問題。因此， 探索多擾動條件、復雜流程中外置式換熱器對參數超超臨界化后的CFB鍋爐床溫變動影響、燃料燃盡量影響、蒸汽品質影響的規律十分必要。

設置外置式換熱器的循環流化床鍋爐，對CFB鍋爐物料循環、受熱面布置方式、換熱方式和運行方式產生了很大的影響。許多學者采用多種手段對循環流化床鍋爐爐內燃燒特性進行研究，如冷態試驗、數值計算等［2］。軟件模擬已廣泛應用于CFB鍋爐內復雜多相流動及反應研究，由ANDREWS等［3］提出的基于歐拉-拉格朗日法的多相質點網格方法受到廣泛關注，此方法也被稱為CPFD方法。彭丹等［4］基于CPFD的數值模擬方法發現了通過改變一、二次風配比能夠有效穩定燃燒，減少氮氧化物的排放。史丹君等［5］采用CPFD數值法研究不同因素對NOX排放的影響，結果表明增強二次風射流可有效降低燃燒生成NOX，適當減少二次風噴口下傾角度，調整二次風噴口高度及二次風噴口截面積等可實現低氮燃燒，其中，提高二次風噴口高度減排NOX效果最明顯。王坤等［6］基于CPFD方法模擬研究了CFB床內燃燒煤與生物質顆粒的流動特性。JIANG［7］等對660 MW超超臨界CFB鍋爐停爐后外置式換熱器中傳熱過程進行了數值模擬，仿真結果表明停爐后布置在外置式換熱器中的再熱器易發生超溫現象。

基于CPFD開發的Barracuda軟件已被一些研究人員用于模擬和研究工業CFB鍋爐，但利用CPFD方法對CFB鍋爐燃燒技術的研究非常有限［8］。因此，本文基于CPFD方法，利用Barracuda Virtual Reactor 17.40軟件對東方鍋爐660 MW CFB鍋爐爐內流動和燃燒過程進行數值模擬研究，分析了CFB鍋爐外置式換熱器進料流量變化和煤質變化對鍋爐床溫的影響，可為CFB鍋爐的運行調整提供參考。

1研究對象

本文的研究對象是由東方鍋爐廠自主研發的型號為DG1902/293-‖1的660 MW超超臨界CFB鍋爐，該鍋爐采用雙布風板、褲衩腿、單爐膛結構，并配有6 個旋風分離器和6 個外置式換熱器，整體呈“H”型左右對稱布置，支吊在鍋爐鋼架上，在爐膛內布置有水冷壁和屏式過熱器，而中溫過熱器1（ITS1）、中溫過熱器2（ITS2）和高溫再熱器（HTR） 沿爐膛兩側對稱布置在6個外置式換熱器中。

鍋爐寬度1647 m、深度3141 m、高度55 m，布風板標高10 m，該型660 MW超超臨界CFB鍋爐的主要設計參數如表1所示。

煤質的工業分析及元素分析如表2所示。

2計算模型及網格劃分

由于研究重點在于鍋爐床溫的變化，為了更高效地進行數值模擬研究，節約計算資源，對真實的物理模型進行部分簡化，忽略布風板上的風帽，將布風板視為一次風風口，忽略鍋爐爐膛內的屏式過熱器和其他受熱面結構，忽略鍋爐外循環的具體結構，外循環的旋風分離器、外置式換熱器、回料閥的物料返送功能通過軟件中BC Connection功能實現，簡化后的幾何模型如圖1所示。

采用Barracuda軟件中的笛卡爾網格劃分法劃分計算網格，網格生成器根據用戶設定的笛卡爾網格數量、幾何模型邊界和網格劃分線生成計算網格［9-11］。笛卡爾網格劃分法對CFB鍋爐爐膛進行網格劃分有兩種處理方式［12］。選擇第二種方式對模型進行網格劃分，模型網格如圖2所示，網格生成后，經網格無關性驗證劃分網格數量的合理性，檢查網格質量如圖3所示。CPFD方法對網格精度的要求通常被認為低于歐拉-歐拉方法，保證計算精度的基礎上并減小計算資源的消耗，對研究對象進行網格無關性驗證后確定網格數量為160 萬個。

數值模擬過程中氣固兩相流采用歐拉-拉格朗日模型，曳力模型選用EMMS-Yang-2004曳力模型，采用大渦模擬進行湍流求解，壓力場和速度場采用SIMPLE算法進行耦合，化學反應模型主要包括水析出模型、揮發分析出模型、揮發分氣相物質的燃燒反應模型和焦炭燃燒反應模型。

3模擬工況

模擬過程中，設計煤種的工業分析及元素分析數據如表2所示，床料顆粒和煤顆粒的粒徑分布如圖4、5所示。

煤燃燒所需的風量根據煤質成分計算，單位質量燃料需要的理論空氣量［13］計算如式（1）所示：

單位質量燃料需要的實際空氣量計算如式（2）所示：

式中：α為過量空氣系數;V為實際空氣量。

羅蕓［14］對660 MW CFB鍋爐進行了數值模擬分析，研究了過量空氣系數和一、二次風配比對鍋爐爐膛溫度場的影響。結果顯示，當過量空氣系數設定為12，一次風和二次風的比例為55∶45時，爐膛的溫度場分布較為均勻。因此，在本節模擬過程中過量空氣系數取12，一次風量與二次風量的比例設置為55∶45。

模擬過程中，模型的主要參數的設置如表3所示。

31改變外置式換熱器循環灰流量

在CFB鍋爐固體物料循環整體穩定的情況下，循環灰回到爐膛時的溫度是由回料器返料流量和外置式換熱器返料流量控制。φ為流入外置式換熱器的循環灰流量占每個分離器循環灰流量的份額，一般取20％～40％比較合理，若φ值過大，超過60%，從回料器返回爐膛的循環灰流量太小，會影響回料系統的正常運行，甚至會造成爐膛煙氣反竄［15］。

在溫度變動不大的情況下，循環灰的焓值可以被認為是常數。

外循環回路返料灰的溫度T，可由下式計算。

式中：TSash為經回料器返回爐膛的循環灰溫度，在BMCR工況下取爐膛出口處的顆粒溫度為895 ℃；TEash為外置換熱器出口處的循環灰溫度，在BMCR工況下，外置式換熱器出口的循環灰溫度為685 ℃。

為了探究外置式換熱器進料流量對鍋爐床溫的影響，在BMCR工況下且在外置式換熱器正常的運行情況下，設置不同φ值，按公式（4）計算出返料灰的平均溫度，如表4所示，并通過Barracuda軟件中的BC Connection Thermal Control功能設置返料灰的平均溫度，進行數值模擬計算。

32改變煤質

在BMCR工況下，選擇設計煤種、校核煤種和臨時過渡煤種進行數值模擬研究，分析煤質變化對帶外置式換熱器的CFB鍋爐床溫的影響，校核煤種、臨時過渡煤種參數如表2所示，根據公式（5）分別計算設計煤種，校核煤種和臨時過渡煤種的給煤量。

式中：M為耗煤量，t/h；η為鍋爐效率，取932%；Q為鍋爐所需熱量；Qnetar為煤的低位發熱量，MJ/kg。

BMCR工況下，各煤種的耗煤量計算結果如表5所示。

不同煤種消耗的風量及一、二次風量配比，按上文相關計算公式計算。

4結果及分析

在CFB鍋爐爐內，氣固兩相的流動對鍋爐的全面運行起著決定性的作用，如圖6所示，這是超超臨界褲衩腿型CFB鍋爐爐膛內顆粒隨時間流動的情況。其中，顆粒由固體體積分數著色顯示。

由圖6可以看出，初始階段一次風從布置在爐膛底部的布風板送入爐內，固體物料顆粒被其向上攜帶，隨著時間的變化，逐漸充滿整個爐膛。在固體物料顆粒上升的過程中，顆粒粒徑是影響氣固兩相流動的重要參數，粒徑較小的顆粒主要集中于爐膛上部形成稀相區，粒徑較大的顆粒集中于爐膛底部形成密相區，由于模型忽略了CFB鍋爐外循環回路的具體結構，從爐膛出口處流出的固體顆粒由BC Connection功能進入返料口，再返回爐膛，至此整個鍋爐固體物料循環過程完成。在40 s到50 s之間，爐膛內氣固兩相流動現象沒有發生明顯的變化，認為CFB鍋爐的內循環與外循環已經穩定，選取50 s時間段進行研究分析。

41外置式換熱器循環灰流量對爐膛床溫的影響分析

圖7為不同返料比例下，運行至50 s時CFB鍋爐爐膛溫度場立體分布圖，截面位置分別為X=3 m，Y=10 m，Z=15 m。由圖7可知，CFB鍋爐爐膛整體的溫度分布較為均勻，由于爐膛底部和爐膛側面分布有一次風口和二次風口，因此，爐膛底部風口處的爐溫較之爐膛整體溫度偏低，而由于爐膛頂部燃燒反應較爐膛底部和爐膛中部區域略弱，因此，爐膛頂部區域存在局部低溫。其余區域溫度分布均勻，溫度在1 150～1 200 K范圍之間，CFB鍋爐溫度場仿真結果符合CFB鍋爐實際運行的情況，由于該機組尚未建成，本模型仿真結果與文獻［16］中模擬結果相近。而隨著進入外置式換熱器的循環灰比例的減小，外循環返料溫度的逐漸上升，CFB鍋爐床溫隨之升高，爐膛整體的溫度也逐漸上升。

CFB鍋爐床溫的變化反映為爐膛溫度的變化，為了進一步分析鍋爐床溫隨外置式換熱器進料比例φ的變化范圍，同時考慮到一次風和二次風的冷卻作用，選擇溫度相對穩定的中部區域進行數據分析，在爐膛高度為25、35、45 m處所在的平面，沿著所在平面的對角線均勻取點，繪制工況1（黑色）、工況2（紅色）、工況3（藍色）、工況6（綠色）不同高度下的溫度折線圖，如圖8所示。

由圖8可知，在鍋爐同一水平面上，由于受爐內循環及一、二次風配風的影響，鍋爐近壁面處的溫度較爐膛中間部分的溫度高。而在外置式換熱器進料比例從40%下降至20%，返料灰的平均溫度從811 ℃升高至853 ℃的過程中，高度為25、35、45 m所在平面的溫度約從1 160 K升高1 180 K，上升了20 K。這是因為在穩定工況下，隨著進入外置式換熱器的循環灰流量減少，一次返料的比例增加，返料灰的平均溫度上升，鍋爐床溫上升，進一步降低了焦炭燃燒反應的活化能，使循環灰中的未燃盡碳在一次風的流化過程中，更易著火燃燒，爐膛整體溫度有所上升。所以在一定程度上，在合理的錐型閥開度范圍內，帶外置式換熱器的CFB鍋爐可以通過控制錐型閥開度，調節流入外置式換熱器的循環灰流量，調節CFB鍋爐的床溫，增大了CFB鍋爐床溫的調節范圍。

42煤質變化對鍋爐床溫的影響分析

圖9為BMCR工況下，設計煤種、校核煤種、臨時過渡煤種在CFB鍋爐內燃燒的溫度分布云圖，除局部的低溫區域和高溫區域外，爐膛中部的溫度在1 140 K到1 180 K之間。在BMCR工況下，燃料為設計煤種、校核煤種時，爐膛中部區域溫度基本在1 165～1 175 K，兩者的溫度變化相差不大，這是由于設計煤種和較核煤種的工業分析和元素組分較為接近，在相同負荷下，給煤量和入爐風量相近，因此，燃燒時，鍋爐床溫不會產生較大的變化。

而燃用臨時過渡性煤種時爐膛的溫度略低于設計煤種、校核煤種燃燒時爐膛的溫度，這是因為相較于設計煤種和校核煤種，臨時過渡煤種灰分含量較高，低位發熱量較低，相同負荷下，燃用臨時過渡煤種的給煤量多，產生的飛灰增多，導致爐膛內和鍋爐外循環回路的固體顆粒物質含量增加，爐膛內固體顆粒對壁面的輻射換熱和對流換熱能力增強，因此，臨時過渡煤種燃燒時的爐膛溫度略低于設計煤種、校核煤種燃燒時爐膛溫度值。

5結論

本文基于CPFD方法建立了帶外置式換熱器的超超臨界CFB鍋爐的仿真模型，研究BMCR工況下，外置式換熱器循環灰流量和煤質變化對鍋爐床溫的影響。具體結論如下：

1）在適當的錐形閥門開度范圍內，帶外置式換熱器CFB鍋爐可以通過調節錐形閥門的開度來控制流入外置式換熱器的循環灰流量，從而調節CFB鍋爐的床溫，擴大了CFB鍋爐床溫的調節范圍。

2）鍋爐燃用臨時過渡性煤種時，由于其發熱量低，灰分含量高，導致爐膛溫度略低于燃用設計煤種和校核煤種時的溫度值，須在運行中加以監控并通過改變錐形閥開度及時調整，以確保床溫不致下降過多。

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（責任編輯：于慧梅）

文章編號10005269（2025）02007207

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2025.02.09

收稿日期：2024-05-08

基金項目：國家電投集團貴州金元茶園發電有限責任公司資助項目（CPCEC-ZCB-13-2022-16-11）

作者簡介：穆洪林（1999—），男，在讀碩士，研究方向：熱能利用與節能工程，E-mail：2925150554@qq.com.

*通訊作者：錢進，E-mail：jqian@gzu.edu.cn.

Abstract：

To address the internal disturbance problems of circulating fluidized bed （CFB） boilers during operation， such as significant load changes， severe deterioration of coal quality， and changes in air volume， this study takes a 660 MW ultra supercritical parameter circulating fluidized bed boiler with an external superheater from Dongfang Boiler Plant as an example. With the methos of computational particle fluid dynamics （CPFD） method， we conducted numerical simulations under boiler BMCR conditions to explore the effects of circulating ash flow rate and coal quality changes in the external heat exchanger on boiler bed temperature. The results indicate that within the normal opening range of the conical valve， the change in boiler bed temperature can be controlled within 20 ℃ by adjusting the circulating ash flow rate of the external heat exchanger. When the boiler burns temporary transitional coal， due to its low heat generation and high ash content， the furnace temperature is slightly lower than the temperature value when burning the design coal and check coal. In actual operation， the bed temperature can be guaranteed by adjusting the opening of the cone valve. The study can provide certain reference value for the operation adjustment of CFB boilers.