负荷变化对900 MW超临界锅炉炉内燃烧影响的数值模拟

金能毅+袁益超+王波+张宏伟

摘 要：利用Fluent软件对1台900 MW四角切圆燃烧锅炉在不同负荷下炉内燃烧过程进行了数值模拟，分析了负荷变化对炉内流动和传热的影响规律.结果表明：在高负荷工况下运行时，炉内燃烧充分且稳定，但是炉内火焰更容易冲刷水冷壁，可能发生局部结渣现象；在低负荷工况下运行时，炉内火焰充满度较差，切圆燃烧的稳定性显著下降，炉膛水冷壁灰污表面温度也相应降低，水冷壁表面结渣的倾向弱化，沿高度方向水冷壁吸热不均匀性增大.由于该锅炉的低NOx燃烧器采用了分离燃尽风，使得高温区扩展，火焰中心高度比采用有关标准推荐的方法计算所得结果高4～5 m.

关键词：超临界锅炉； 燃烧； 数值模拟； 锅炉负荷

中图分类号： TK 224.1 文献标志码： A

煤炭在我国能源结构中一直占据举足轻重的地位.2007—2012年火电的装机容量比重和发电量比重分别处于70%和80%左右.但是，目前许多大容量机组难以长期在额定负荷下运行.为最大限度地保证锅炉燃烧的稳定性、经济性、安全性，以及满足环保要求，研究不同负荷下的锅炉燃烧特性是必要的.

数值模拟已成为研究锅炉燃烧过程的一个重要手段.炉内燃烧过程可由湍流模型、固体颗粒离散项模型、辐射模型、煤粉挥发分析出模型、焦炭燃烧模型、气相燃烧模型等描述[1].相比于实炉热态试验，数值模拟方法周期短，费用低，结果清晰直观.为此，前人对锅炉的NOx排放、不同煤种燃烧特性、配风方法等做了大量的研究.刘霞[2]通过CFD软件模拟了四角切圆燃烧煤粉炉燃烧情况，提出了控制NOx排放的措施.李磊[3]对200 MW燃用无烟煤锅炉进行了燃烧器改造，并利用Fluent软件进行了NO排放模拟，检验了改造效果.王建强[4]利用CFX-TASCFLOW数值计算软件对富氧燃烧进行了数值模拟.阎维平等[5]利用COALFIRE软件对1台300 MW四角切圆燃烧煤粉锅炉炉内流动、传热、燃烧及污染物排放规律进行了数值模拟并分析了炉内燃烧规律.Hashimoto等[6]利用Fluent软件研究了1台装有3台旋流燃烧器的锅炉炉内的燃烧情况，分析了不同粒径对其飞灰含碳量的影响，以及不同煤种对其回流区的影响.Eastwick等[7]研究比较了Fluent和CFX 两种商业流体计算软件在计算1台2.5 MW燃烧器燃烧特性时所体现出的区别，结果表明两种软件都能体现出正确趋势.

虽然前人对锅炉燃烧特性已进行了许多实验和数值模拟研究，但是关于负荷变化对锅炉燃烧特性影响的研究却较少.故本文利用Fluent软件对某900 MW超临界锅炉变负荷工况下炉内燃烧的过程进行数值模拟，分析了负荷变化对炉膛内部流场和温度分布的影响.

1 数学模型

炉膛内部煤粉燃烧是一个极其复杂的过程，包含了气体的运动、煤粉气固两相的运动、炉内传热过程以及煤粉燃烧的化学反应.其中烟气的湍流运动利用k-ε模型描述，即在关于湍动能k方程上再加上一个关于湍动耗散率ε的方程.其方程式可表示为[8]

煤粉达到一定温度后挥发分析出并与氧气发生反应，挥发分的燃烧属于非预混燃烧，故选择采用概率密度函数（PDF）分布的PDF模型模拟非预混燃烧.该模型的适用条件为：假设燃烧过程中的化学反应极快，体系中的组分立刻达到平衡状态，此时燃烧被简化成一个混合问题.PDF模型的优点是可以预测中间组分的浓度，可考虑流动中的耗散现象，可考虑化学反应与湍流之间的相互作用.该模型不需要求解大量的组分和能量的输运方程，因而缩短了计算时间.

2 计算模型

2.1 锅炉及其燃烧系统特点

本文研究对象为某电厂900 MW超临界塔式锅炉.炉膛结构示意图如图1所示.炉膛横截面宽21.48 m、深21.48 m.燃烧器采用四角布置、切圆燃烧方式，每个角均设有12只煤粉喷口和6只燃油喷口，整台锅炉共有48只煤粉喷口和24只燃油喷口.每两层煤粉喷口作为一个燃烧器组，共6组，燃烧器总高度为23.7 m.A、B、C、D、E、F层燃烧器结构示意图如图2所示，从下到上依次为底部辅助风、燃料风、中间辅助风、燃料风、偏转辅助风.F层燃烧器上方设有燃尽风喷口，以降低NOx的生成量及机械未完全燃烧损失.

2.2 网格划分

炉膛出口边界取一级过热器下方螺旋段水冷

壁出口平面.在划分炉膛网格时，以炉膛宽度、深度、高度方向分别用x、y、z表示，并设定炉膛宽度、深度中点处分别为x=0 m、y=0 m，锅炉0 m层为z=0 m.由于炉膛整体尺寸较大，燃烧器喷口尺寸较小，故将炉膛主体和燃烧器附近区域分两个部分分别进行网格划分.炉膛中心部分以及冷灰斗区

域是规则的几何体，以Cooper格式生成尺寸为200 mm的结构化网格；对炉膛四角从燃烧器喷口到炉膛主体部分的过渡区域，先进行面网格划分，再以Tgrid格式生成尺寸为150 mm的非结构化四面体网格.整个炉膛模型的网格数为133万.

2.3 边界条件

各个喷口均设置为速度入口边界条件，一级过热器以下的横截面作为炉膛出口边界.自冷灰斗至炉膛出口，壁面温度按308℃至419℃线性变化设置，内壁面灰污层热阻设定为2.5 m2·℃·kW-1，壁面黑度为0.75，炉膛出口黑度为0.45.该锅炉设计煤种为神木煤，其煤质的收到基成分（碳Car、氢Har、氧Oar、氮Nar、硫Sar、水分Mar）以及低位发热量Qnet，ar如表1所示.煤粉细度R90为15.76%，煤粉均匀指数为1.1.

2.4 模拟工况

本文对该锅炉在BMCR、TMCR、75%TMCR和35%TMCR等4个不同负荷下设计煤种的燃烧过程进行了数值模拟，分析负荷变化对炉内速度、温度以及炉壁灰污层表面温度分布的影响规律.不同负荷工况锅炉运行参数如表2所示，其中：BMCR、TMCR和75%TMCR工况下，锅炉A层燃烧器停运，B、C、D、E、F层投运；35%TMCR工况下，锅炉A、E、F层燃烧器停运，B、C、D层投运.

3 结果与分析

3.1 不同负荷下炉内速度分布

不同负荷下炉内速度分布如图3～5所示.从图中可看出：炉内靠近壁面处由于燃烧器喷口的影响形成了局部高速流动区域；在靠近炉膛中心区域，烟气流速减小.燃烧器喷口附近速度较大，扰动强烈，使得煤粉与空气混合，有利于煤粉的着火和燃尽；在燃尽风喷口附近，烟气流动受到燃尽风的作用，速度偏差减小，流场趋向均匀.

从各横截面的速度分布可看出：在不同负荷下，虽然风速及耗煤量等参数各不相同，但是炉内流场均显示出了切圆流动的形式以及每股气流对下游邻角气流根部的影响；随着负荷的降低，炉内气流速度逐渐减小，燃烧的剧烈程度随之降低.

从纵截面的速度分布可看出：BMCR、TMCR、

75%TMCR三个工况下速度分布的总体趋势并未因负荷的不同而发生较大的变化；而35%TMCR工况下，主燃区燃烧的剧烈程度相对较弱，特别是炉膛中心区域受到燃烧器喷口射流的扰动较小，烟气速度接近于0 m·s-1，燃烧区域的传热传质对中心区域的影响不明显，炉膛内火焰充满度较差，容易产生飞灰未燃尽问题.

3.2 不同负荷下炉内温度分布

不同负荷下炉内温度分布如图6～8所示.从图中可看出：随着高度的上升，在燃烧器区域的各横截面的温度也逐渐上升；一次风喷口所在横截面的温度分布反映了燃烧器喷口附近燃烧剧烈，而在较高的横截面处，燃烧反应产生的热量不断向中心扩散，使得整个横截面的温度分布更加均匀，高温烟气充满了整个横截面，火焰充满度较好；在F层燃烧器上方，炉膛内温度降低；在分离燃尽风喷口所在横截面由于燃尽风的注入，喷口附近温度明显低于主燃烧区温度，炉膛中心的温度则略有降低；至炉膛出口附近，整个横截面的温度偏差逐渐减小.

在不同负荷下，燃烧的剧烈程度随着负荷的降低而减弱.在高负荷时，炉内烟气流速较快，火焰的刚性较强，温度梯度较大；炉内火焰更容易冲刷水冷壁，可能发生局部结渣的现象.从y-z截面温度分布可看出：BMCR、TMCR、75%TMCR工况下的温度分布几乎相同，剧烈燃烧的区域在高度方向也较一致；35%TMCR工况下，冷灰斗至A层燃烧器区域的温度分布较另外三个工况差别较大，温度变化也没有那么明显；由于E、F层燃烧器停运导致炉膛上部没有形成一个温度较高、热量较为均匀的区域，炉膛中部高温区域变小，炉内温度变化也更加剧烈，沿高度方向水冷壁吸热不均匀性增大.可见，在一定的负荷范围内，燃烧器运行时与停用时相比，其他参数更明显地影响炉内燃烧情况.

3.3 炉膛横截面平均温度与高度的关系

在燃烧器区域，因为燃料燃烧放出的热量大于辐射传热量，因而火焰保持了较高的温度.在火焰上升过程中，其中的可燃物逐渐燃尽，使得燃烧放热量小于辐射传热量，因而火焰温度下降[9].由于放热量和传热量的变化，致使炉膛各部位的温度也不相同，火焰中心是炉膛内最高温度点.当火焰中心位置太低时，可能引起冷灰斗处结渣；当火焰中心位置太高时，使炉膛出口烟温偏高，导致炉膛出口对流受热面结渣以及过热器壁温升高；当火焰中心偏向某一侧时，会引起该侧受热面结渣.

文献[10]认为火焰中心高度与燃烧器的布置以及燃煤量有关，其推荐的火焰中心高度h的计算式为

h=n1B1h1+n2B2h2+n3B3h3+…

n1B1+n2B2+n3B3+…

（4）

式中：n1、n2、n3分别为第一、二和三组燃烧器的数量；B1、B2、B3分别为由第一、二、三组燃烧器送入的燃料量；h1、h2、h3分别为第一、二、三组燃烧器轴线离炉底或冷灰斗中分面的高度.

图9给出了不同负荷下炉膛横截面平均温度沿炉膛高度的变化规律.由式（4）计算可得，BMCR、TMCR、75%TMCR三个工况的火焰中心位置在标高40 m处，35%TMCR工况下火焰中心位置在标高36 m处，而模拟结果表明，前三个工况的火焰中心位置在标高45 m处，35%TMCR工况的火焰中心位置在标高40 m处，可见模拟所得火焰中心高度略高于式（4）的计算值4～5 m.这是由于该锅炉的低NOx燃烧器采用了分离燃尽风，使得主燃区过量空气系数减小，燃烧速率和放热量下降，炉内火焰最高温度降低，高温区得到扩展，温度变化更平缓.这对于降低炉内NOx生成量是有利的.

3.4 水冷壁灰污表面温度分布

不同负荷下水冷壁灰污表面温度沿炉膛高度的变化规律如图10所示.从图中可看出：不同负荷下，灰污表面温度沿炉膛高度方向先上升后降低，其最高温度与最低温度相差均为350 K左右，温度较高的区域与燃烧器区域重合，可见，灰污表面温度较大程度上受炉内燃烧区域的影响；不同负荷下，灰污表面温度随着负荷降低而下降，水冷壁表面结渣的倾向弱化.

4 结 论

本文采用Fluent软件，对900 MW四角切圆锅炉不同负荷下燃烧过程进行了数值模拟，分析了负荷变化对炉内速度分布、温度分布、火焰中心位置、水冷壁灰污表面温度等的影响，结果表明：

（1） 在BMCR、TMCR、75%TMCR工况下，炉内速度分布及温度分布相似，炉内火焰充满度和四角切圆燃烧的稳定性良好；35%TMCR工况下，四角切圆燃烧的稳定性和火焰充满度显著下降.

（2） 在BMCR、TMCR、75%TMCR工况下，炉膛横截面平均温度沿高度的变化规律相似，火焰中心位置均出现在标高约45 m处；35%TMCR工况下，火焰中心位置出现在标高40 m处，炉内高温区缩小，温度变化也更加剧烈，沿高度方向水冷壁吸热不均匀性增强.

（3） 由于该锅炉的低NOx燃烧器采用了分离燃尽风，使得炉内火焰最高温度降低，高温区扩展，温度变化更平缓，火焰中心位置比根据有关标准推荐的方法计算所得结果高4～5 m.

（4） 水冷壁灰污表面温度随着负荷降低而下降；负荷较高时，燃烧器区域的灰污表面温度较高，更容易产生结渣问题.

参考文献：

[1] 赵玉晓，李瑞扬，孙斌，等.解决六角切圆锅炉结渣问题的研究及工程应用[J].中国电机工程学报，2004，24（7）：231-235.

[2] 刘霞.400 t/h四角切圆煤粉炉分级燃烧技术降低NOx排放的研究与数值模拟[D].南京：东南大学，2004.

[3] 李磊.200 MW四角燃烧无烟煤锅炉燃烧工况的数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[4] 王建强.300 MW电站锅炉富氧燃烧的数值模拟与分析[D].保定：华北电力大学，2007.

[5] 阎维平，刘亚芝，黄景立.300 MW四角切圆煤粉锅炉燃烧和NOx排放的数值模拟[J].电站系统工程，2007，23（2）：11-13.

[6] HASHIMOTO N，KUROSE R，TSUJI H，et al.A numerical analysis of pulverized coal combustion in a multiburner furnace[J].Energy & Fuels，2007，21（4）：1950-1958.

[7] EASTWICK C N，PICKERING S J，AROUSSI A.Comparisons of two commercial computational fluid dynamics codes in modelling pulverized coal combustion for a 2.5 MW burner[J].Applied Mathematical Modelling，1999，23（6）：437-446.

[8] 蔡晓辉.600 MW超临界锅炉炉内燃烧过程数值模拟[D].保定：华北电力大学，2010.

[9] 谭灿燊.700 MW切圆锅炉混煤燃烧过程的数值模拟[D].重庆：重庆大学，2006.

[10] 全苏热工研究所.锅炉机组热力计算标准方法[M].北京：机械工业出版社，1976.