600MW超超臨界切圓鍋爐熱負荷特性分析

摘 要：煤炭作為我國主要的能源資源，燃煤鍋爐的高效運行對能源利用和環(huán)境保護至關(guān)重要。本文針對600MW超超臨界切圓鍋爐，采用數(shù)值模擬方法，研究了其在BMCR、TRL、90%THA等8種負荷下的熱負荷特性。結(jié)果顯示，隨著負荷降低，爐膛內(nèi)整體溫度水平呈下降的趨勢。當?shù)拓摵?0%THA及以下時，爐內(nèi)溫度顯著降低，O2和CO2濃度變化波動劇烈，燃燒穩(wěn)定性降低。低負荷運行可能存在穩(wěn)燃問題和水動力循環(huán)問題。本文為優(yōu)化鍋爐在不同負荷下的燃燒運行提供了理論依據(jù)，有助于提高燃煤鍋爐的效率和安全性。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；數(shù)值模擬；熱負荷

中圖分類號： TK 124" 文獻標志碼：A

能源是人類進步和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，關(guān)系著社會可持續(xù)發(fā)展和文明建設(shè)[1]。煤炭是我國現(xiàn)階段最重要的能源資源，燃煤鍋爐其內(nèi)部的運行過程是由湍流流動、傳熱及燃燒構(gòu)成的復雜的三維過程。在其燃燒的過程中充滿了復雜多變的情況，導致在實際的操作過程中需要結(jié)合周期長、投資大的試驗來確定運行和設(shè)計參數(shù)。國內(nèi)外許多學者通過數(shù)值模擬方法對鍋爐燃燒優(yōu)化進行了廣泛研究，劉麗萍等[2]對四角切向燃燒鍋爐的不同二次風配風方式、過量空氣系數(shù)、煤粉濃淡比以及不同負荷工況進行了數(shù)值模擬。方慶艷等[3]對某電廠1臺1000MW超超臨界煤粉鍋爐進行數(shù)值模擬研究，研究指出，優(yōu)化磨煤機組合能夠顯著改變煤粉在爐內(nèi)的停留時間，提高空氣分級效果并優(yōu)化爐膛溫度分布。

本項目進行了鍋爐在變負荷工況下運行的模擬研究，包括BMCR、TRL、90%THA、70%THA、50%THA、40%THA、30%THA、20%BMCR工況，并對比了以上工況模擬運行時溫度場分布、濃度場分布以及熱負荷分布情況，分析了變負荷工況對熱負荷分布影響。

1 鍋爐整體參數(shù)

本鍋爐型號為HG1025/17.4-YM28。SOFA燃燒器位于主燃燒區(qū)上方的4個角落，燃燒器布置方式為四角布置，選擇擺動式燃燒器，切向燃燒，采用分級燃燒來降低火焰溫度峰值，減少熱力型NOx的生成[4]，并配套6臺中速磨煤機，每層4支噴口對應(yīng)1臺磨煤機。爐膛寬14.048m，深12.468m，整體高度為52.235m。爐膛的每個角共有17層噴口，其中包括6層一次風噴口，11層二次風噴口，其中包括2層消旋風和3層油槍風，一次風和二次風噴口相間布置。使用熱力計算中設(shè)計煤種（煙煤）作為數(shù)值模擬計算燃料。煤質(zhì)成分分析詳見表1。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 物理建模及網(wǎng)格劃分

利用Spaceclaim軟件建立鍋爐幾何結(jié)構(gòu)模型，包括上爐膛區(qū)、主燃區(qū)、灰斗區(qū)以及煙道等具體結(jié)構(gòu)，由于鍋爐的實際燃燒過程非常復雜，因此建立模型時需要對燃燒器進行適當?shù)暮喕蝗∪紵鲊娍诓糠肿鳛橛嬎愕娜肟谶吔纾瑢⑺浔诒诿婕盃t頂屏式換熱器厚度簡化為零，假定燃燒室壁面無滑移，為絕熱壁面，忽略重力的影響。具體模型如圖1所示。

此后，利用Fluent Meshing軟件進行分區(qū)域、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，使用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，并對燃燒及流動復雜區(qū)域（例如鍋爐的主燃區(qū)）進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格為分區(qū)域劃分，因此在各區(qū)域交界面設(shè)置interface，以保證交界面處數(shù)據(jù)傳遞。

2.2 模擬工況參數(shù)設(shè)定

本文為調(diào)研鍋爐熱負荷的主要影響因素，對不同負荷進行模擬。在鍋爐負荷變化過程中，給煤量、投運燃燒器層數(shù)、過量空氣系數(shù)以及燃盡風率等運行參數(shù)都會發(fā)生變化。具體不同工況參數(shù)設(shè)定見表2，一次風溫為349.15K，二次風溫為605.15K。

3 模型驗證

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為兼顧計算速度和計算精度，本文設(shè)置了4種不同網(wǎng)格數(shù)量，分別為156萬、194萬、254萬和286萬，網(wǎng)格數(shù)量是在前一套網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加的，對燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格進行加密。選取爐膛內(nèi)部沿高度方向截面的平均溫度作為指標來衡量網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響。分別比較4個網(wǎng)格數(shù)量在同一操作條件下沿爐膛高度方向上截面平均溫度的分布[5]。結(jié)果顯示，當網(wǎng)格數(shù)量為254萬和286萬時，爐膛截面溫度曲線沿爐高方向趨于一致，且比156萬和194萬網(wǎng)格模型更平滑，趨勢相當。254萬的網(wǎng)格可以在保證良好計算精度的同時降低計算成本，因此本文后續(xù)使用254萬網(wǎng)格進行數(shù)值模擬計算。

3.2 模型無關(guān)性驗證

熱力計算模型可以用于模擬各種亞臨界到超臨界的自然循環(huán)鍋爐。數(shù)值計算結(jié)果與熱力計算結(jié)果對比情況見表3。爐膛出口煙氣溫度偏差為3.76%，下爐膛出口溫度偏差為3.60%，可以認為選用的數(shù)值模型是可靠的。

4 模擬結(jié)果與討論

4.1 溫度場對比分析

從圖2沿爐膛高度方向上水平截面平均溫度曲線可以清晰看出，低負荷運行時爐內(nèi)平均溫度水平較低，這主要是因為低負荷運行，送入的風量和給煤量都相對減少，此時穩(wěn)燃性較差，能達到的溫度也偏低。當負荷降到40%THA時，主燃區(qū)變小，最高溫度出現(xiàn)的位置降低，煤粉在較小高度范圍內(nèi)集中燃燒，溫度變化幅度大。這是因為40%THA以下負荷運行的燃燒器個數(shù)減少，只運行下兩三層燃燒器，燃燒中心降低，最高溫度區(qū)域位置也隨之下降。40%THA～20%BMCR負荷的高度方向平均溫度曲線證實了爐膛整體溫度水平隨負荷降低而下降的趨勢。從曲線上看，冷灰斗區(qū)域的溫度水平較低，這是因為大部分煙氣向著爐膛上部流動，僅有小部分的灰渣進入冷灰斗，并且溫度不高。在燃燒器區(qū)域內(nèi)溫度上升到最高點，在水冷壁、過熱器等的作用下，溫度又逐漸降低，直到爐膛出口附近，溫度都沒有太大變化。同時，上層燃燒器的溫度平均水平高于下層燃燒器，這是由于下層區(qū)域的射流煤粉與空氣混合不均勻，大部分煤粉在燃燒區(qū)燃盡。

4.2 濃度分布分析

變負荷工況下爐內(nèi)O2、CO2沿爐膛高度方向上截面平均濃度分布如圖3所示。在燃燒器區(qū)域（10m～32m）濃度波動比較大，該區(qū)域不斷有不同質(zhì)量流速的空氣送入，使O2濃度迅速升高，隨后煤粉燃燒消耗大量氧氣，氧濃度迅速下降。爐內(nèi)O2、CO2分布與溫度有很大的關(guān)系，這是由于溫度對化學反應(yīng)的發(fā)生產(chǎn)生重要作用。在爐膛的極高溫度區(qū)域內(nèi)，O2和CO2濃度相對較低，這是因為該區(qū)域煤粉與氧氣發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)，導致大量O2被消耗，并生成了CO。隨著燃燒持續(xù)，由于爐膛內(nèi)煙氣的高溫以及剩余氧氣的存在，CO進一步被氧化為CO2。因此，在爐膛的更高位置，CO2的濃度相對較高，而O2和CO的濃度則相對較低。這種濃度分布特點反映了爐膛內(nèi)燃燒過程的化學反應(yīng)特性[6]。另外，明顯看出在20%BMCR～40%THA低負荷中，O2、CO2濃度變化波動劇烈，燃燒不穩(wěn)定。

4.3 熱負荷分布分析

不同負荷壁面平均熱流密度散點圖如圖4所示。隨著負荷降低，壁面平均熱流密度減小，尤其是70%THA負荷和50%THA負荷時水冷壁平均熱流密度降低較多，這主要與低負荷時的溫度水平低有關(guān)。鍋爐由于調(diào)峰需要能夠在低負荷下長期運行，低負荷運行時，一方面可能存在穩(wěn)燃問題。另一方面，即使爐內(nèi)燃燒正常，爐內(nèi)水動力方面也可能存在問題。由于低負荷下水冷壁熱流過低，導致水循環(huán)流速過低，水冷壁的熱流將無法及時被帶走，引起傳熱惡化，威脅鍋爐的安全運行[7]。因此，當?shù)拓摵蛇\行時，水冷壁熱負荷不能過低。應(yīng)根據(jù)壁面熱負荷，檢驗水動力循環(huán)的可靠性，從而防止發(fā)生安全事故。

5 結(jié)語

本文針對600MW超超臨界切圓鍋爐，采用數(shù)值模擬方法，研究了其在BMCR、TRL、90%THA等8種負荷下的熱負荷特性，并對比了不同工況模擬運行時溫度場分布、濃度場分布以及熱負荷分布情況，得出以下結(jié)論：隨著鍋爐負荷逐步降低，爐膛內(nèi)的整體溫度水平呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。這一變化直接導致壁面的平均熱流密度也相應(yīng)減少。同時，爐膛出口的平均溫度和平均氮氧化物（NOx）的質(zhì)量濃度均有所降低。這些變化均反映了鍋爐在不同負荷工況下的熱負荷特性及其對燃燒過程的影響。

參考文獻

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[2]劉麗萍.四角切圓煤粉爐爐內(nèi)燃燒及配風的數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學，2009.

[3]陳鑫科，馬侖，方慶艷，等.水平濃淡分離技術(shù)在1000MW雙切圓燃煤鍋爐的應(yīng)用與數(shù)值模擬[J].廣東電力，2022，35（4）：111-21.

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[5]黃思林，李德波，闕正斌，等.600MW超臨界四角切圓燃煤鍋爐燃燒過程數(shù)值模擬[J].潔凈煤技術(shù)，2023，29（增刊2）：167-75.

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[7]司俊山.300MW鍋爐機組低負荷運行水循環(huán)安全性研究[D].保定：華北電力大學（保定），2004.