基于数值模拟的超临界锅炉SOFA风对烟气偏差影响研究

蔡泓铭

（广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516600）

基于数值模拟的超临界锅炉SOFA风对烟气偏差影响研究

蔡泓铭

（广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516600）

对于四角切圆燃烧锅炉，炉膛出口水平烟道的烟气偏差过大会造成过热汽温偏差，增加管子的热应力，影响锅炉安全运行。采用燃烬风反切方式是一种减少烟气偏差的有效方法。现代超临界四角切圆燃烧锅炉因采用水平角度可调节的风门，为燃烬风反切提供了方便。通过对某600MW超临界四角切圆燃烧锅炉进行数值模拟，研究了不同燃烬风运行工况对烟气偏差的影响。结果表明：超临界四角切圆燃烧锅炉水平烟道截面烟温和烟速均呈现右侧高于左侧的分布规律；SOFA（分离燃烬风）反切可以有效地改善烟气偏差，其反切角越大，投运的反切SOFA风层离炉膛出口越远，改善烟气偏差效果越明显。该结果对改善大型超临界锅炉烟气偏差，简化燃烧调整，优化锅炉运行具有指导作用。

超临界锅炉；数值模拟；燃烬风反切；烟气偏差

0 引言

对于大型电站锅炉，特别是四角切圆燃烧锅炉，其水平烟道烟气偏差一直是影响过热器和再热器安全运行的因素之一。炉膛出口及水平烟道烟气偏差主要是炉内气流的残余旋转和引风机牵引动量共同作用的结果。在设计上可以采用过热器和再热器左右交叉布置方式来减少蒸汽偏差；在运行调整上可以通过燃烧配风方式的改变来减少烟气偏差。

锅炉炉内燃烧过程是一个复杂的湍流流动及传热过程。对于这种两相流动的燃烧过程，描述温度场分布及烟气偏差，用经典的分析解方法不可能做出精确预测［1］，此外，由于现在超临界锅炉热容量大和烟气量比较大，水平烟道烟温在电厂实际运行锅炉中只是在启动时投入烟温探针，当烟温大于650℃时烟温探针自动收回。在实时DCS数据采集中因高温在炉膛出口处也不设置测点。如果进行实验台模化试验既困难又浪费大量人力物力。随着计算机的发展，采用数值模拟计算方法，既满足了精度的要求，又节约成本。通过数值模拟可以揭示出水平烟道烟温的分布情况。

国内外有不少学者对烟气偏差进行数值模拟研究［2-7］，研究的内容主要是一次风和二次风参数对切圆和烟气偏差的影响。对于超临界锅炉，因燃烧器布置复杂，一次风和二次风的水平摆角调整锅炉正常运行影响较大。如果稳定一次风和二次风，仅改变燃烬风运行状况来调整锅炉烟气偏差，则可以简化运行操作，有利于锅炉安全运行，更有现实意义。

以某台配备Alston燃烧器的600MW超临界四角切圆燃烧锅炉为例，通过数值模拟，在一次风和二次风参数不变的情况下，研究不同燃烬风工况对烟气偏差的影响。

1 计算模型选择说明

煤粉在炉膛内的燃烧是一个非常复杂的物理、化学过程，它包括挥发份的释放、焦炭的燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧。

对于气相流动，本文采用标准的k-ε模型。炉内的气相物质作为连续相介质，在欧拉（Eulerian）坐标系中描述。其三维流动的控制方程为

式中：Φ代表所有的气相变量，如速度的3个分量u、v、w；压力 P、湍流动能k及其耗散率，混合分数f及其脉动均方值g和比焓h等。气体的源项或汇项为 SΦ，而 SpΦ是由固体颗粒引起的源项。

控制方程的离散采用控制容积积分法（control volume approach），对流项采用一阶迎风格式，压力—速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

对于煤粉颗粒运动模型，在拉格朗日（Lagrangian）坐标系中描述。并考虑两相之间的质量、动量和能量之间的相互作用。采用以下煤粉颗粒的运动方程

对于煤粉燃烧模型，采用守恒标量的PDF模型模拟非预混燃烧。非预混模拟方法的基础为在系列简化假设下，流体的瞬时热化学状态与一个守恒量即混合分数f相关。

对于辐射模型，选用P1模型，P1法是最简单的一种球谐函数法，它假定介质中的辐射强度沿空间角度呈正交球谐函数分布，并将含有微分、积分的辐射能量传递方程转化为一组偏微分方程，联立能量方程和相应边界条件，求出辐射强度和温度的空间分布。

2 锅炉造型

锅炉燃烧系统按配中速磨冷一次风直吹式制粉系统设计。24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。在主燃烧器和炉膛出口之间布置有1组共5层SOFA燃烧器喷嘴（距上排燃烧器喷口中心 9 180mm）。

利用AutoCAD软件对研究的超临界四角切圆锅炉进行造型，并导入到Gambit软件中进一步完善。在一次风和二次风不变的情况下，研究燃烬风变化对于烟气偏差的影响。由于在满负荷工况下一般运行 A、B、C、D、E 5层一次风， 同时相应投入 AA、AB、BC、CD、DE、EE 6层二次风，以及 4层 SOFA 风。本数值模拟从简化模型出发，在锅炉造型时主燃烧区四角绘制5层一次风喷口和6层二次风喷口；在燃烬风区域四角绘制5层SOFA风，并从下到上标示为SOFA1层、SOFA2层、SOFA3层、SOFA4层和 SOFA5层。同时由于CCOFA（紧凑燃烬风）风量占总风量的比重较少，在锅炉造型中不考虑CCOFA风喷口。

锅炉造型说明如图1所示。

图1 锅炉造型说明

3 网格划分说明

在完成了造型后，根据炉膛的结构特点，把整个计算区域炉膛由下至上分为7个区域：冷灰斗区域、冷灰斗与燃烧器之间区域、燃烧器区域、燃烧器与折焰角之间区域、折焰角区域、顶棚区域和水平烟道区域。为了改善区域之间的过渡，研究中不使用非一致网格技术，而是尽量使炉膛横截面在Z轴方向的网格尽量一致，采用四面体网格来划分体网格。

为了避免在燃烧器喷口附近出现伪扩散现象［8］，将燃烧器区域水平面划分生成的网格如图2所示。此网格避免了燃烧器喷口处速度方向与网格成45°角，从而可以有效地避免伪扩散的出现。

图2 燃烧器水平面网格划分

在燃烧器区域，为了充分考虑喷口与四周的衔接性、燃烧器区域与上下过渡区及冷灰斗区域的衔接性能，在网格划分时，燃烧器区域的网格划分较为密集，其他区域网格相对较稀，采用1∶1.20的比例逐步往上下过渡，避免采用interface（非一致网格）。从而大大地改善了各项的收敛性。整个炉膛区域划分网格数为80多万个。

4 参数设置说明

研究主要是针对投运不同层数SOFA风及反切不同角度时对水平烟道烟气偏差的影响。对不同工况的模拟采用相同的煤质，煤质分析及颗粒粒径及容重见表1~2所示，一次风喷口和二次风喷口及燃烬风喷口参数如表3所示。投运A至E层燃烧器，各层一次风量和各层二次风量平均分配，投用的喷口有 A、B、C、D、E 5 层一次风喷口，AA、AB、BC、CD、DE、EE 6层二次风喷口以及各层SOFA风。

5 计算工况说明

本文分别选取4个不同燃烬风运行工况进行数值模拟，分析水平烟道的烟温分布和烟速分布。4个不同计算工况为：在其他参数设置不变的基础上，考虑不同的SOFA风运行工况，如表4所示。SOFA风投运均按4层均匀配风考虑。

表1 燃料煤质分析

表2 颗粒粒径及容重

表3 参数设置说明

工况1为投运SOFA1~SOFA4 4层燃烬风，停运SOFA5层燃烬风，SOFA风反切角度为5°；

工况2在工况1的基础上，SOFA风反切角度改变为 10°；

工况3在前两个工况的基础上，SOFA风反切角度改变为15°；

工况4投运SOFA2～SOFA5 4层燃烬风，停运SOFA1层燃烬风，SOFA风反切角度为15°。

表4 计算工况说明

6 烟气偏差仿真结果及分析

分别对表4中的工况进行热态模拟，水平烟道截面烟温分布如图3所示，水平烟道截面烟速分布如图4所示。

图3 水平烟道烟温分布（X=25 000mm）

结合图3，对于4个工况的烟温分布分析如下。

工况1的烟温偏差最大，锅炉水平烟道右侧烟气温度大于左侧温度，水平烟道截面存在较大的烟温偏差，两侧的烟温偏差值达到200℃左右，大部分区域的烟温在1 240～1 340 K。

工况2的水平烟道截面也是右侧烟温大于左侧烟温，锅炉水平烟道截面烟温偏差值下降为150℃，与工况1的烟温偏差情况有所改善，有较大的区域温度一致，为1330 K左右，证明反切SOFA风可以有效地降低烟温偏差。

工况3的水平烟道烟温偏差程度与前两个工况相比，已经大大改善，大部分区域烟温在1 300 K左右。说明在其他条件不变的情况下，SOFA风反切15°后，水平烟道烟温偏差已不明显，可以作为运行优化调整参考值。

工况4的水平烟道烟温分布表明：SOFA风反切15°，水平烟道截面整体呈现右侧烟温高于左侧，偏差程度不大，大部分区域的温度也在1 300 K以上，烟温偏差值在100℃左右。但与工况3相比，工况3的烟温偏差要比工况4小。表明反切运行不同层的SOFA风，对烟气偏差情况会产生不同影响。投运的反切SOFA风层离主燃烧器的距离越近，离炉膛出口越远，改善水平烟道的烟气偏差效果就越好。

图4 水平烟道烟速分布（X=25 000mm）

结合如图4对4个工况的烟速分布分析如下。

工况1计算结果表明，水平烟道截面右侧烟速明显大于左侧烟速，右侧速度为11.4m／s，左侧速度为6m／s，最大速度偏差达到5m／s以上，并且烟速呈现由右侧向左侧递减的规律。在水平烟道截面左下侧及中下侧，出现最低速区。因为左侧烟速较小，受到折焰角的挤压后，局部出现回流，而使水平烟道截面左下侧区域出现低速区。由于水平烟道布置的换热器主要以对流换热为主，其烟速偏差大也是造成过热器和再热器出现汽温偏差的重要原因。该结果与现场实际运行情况相符。

工况2水平烟道截面烟速仍然是右侧烟速大于左侧烟速，烟速分布呈现由右向左递减，在水平烟道截面左下侧也出现了低速区域，其产生原因与工况1一致。但与工况1相比，烟速偏差得到明显改善，左右两侧烟速最大偏差降为4m／s左右。

工况3水平烟道截面烟速分布也存在烟速分布呈现由右侧向左侧递减的规律，但左右两侧最大烟速偏差小于3m／s，与前两个工况相比，左右两侧的烟速偏差大大改善，表明SOFA风反切角度增大对水平烟道烟气偏差的改善结果明显。其结果可指导现场燃烧优化调整。

工况4的计算结果与工况3相比较，发现工况3改善烟速偏差和纠正烟气残余旋转的能力明显优于工况4。表明反切运行不同层的SOFA风，对烟速偏差影响也不同。投运的反切SOFA风层离主燃烧器的距离越近，离炉膛出口越远，改善水平烟速偏差效果就越好。

7 结语

以某600MW超临界锅炉为研究对象，结合其所配备的Alston燃烧器布置与调整状况，利用fluent软件模拟研究了水平烟道烟气偏差情况，在其他情况不变下，改变SOFA风反切角度和投运不同SOFA风层，计算得到如下结论：

超临界四角切圆燃烧锅炉水平烟道截面烟温和烟速分布均呈现右侧高于左侧的规律；其结果与实际运行情况相符；

在其他情况不变时，SOFA反切可以有效地改善烟气偏差。在一定范围内，其反切角度增大，改善烟气偏差效果越明显；

在其他情况不变时，投运不同层的反切SOFA风，对烟气偏差影响也不同。投运的反切SOFA风层离主燃烧器的距离越近，离炉膛出口越远，改善烟气偏差效果越好。

上述研究结果在一次风二次风及给煤量不变的情况下，仅改变SOFA风运行工况，对改善大型超临界锅炉烟气偏差，简化燃烧调整，优化锅炉运行具有指导作用。

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Influence of SOFA to Flue Gas Deviations of Supercritical Boilers Based on Numerical Simulation

CAI Hongming
（Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei，516600，China）

For corner tangential firing boiler，the temperature deviation of the super-heated steam will cause high thermal stress on the pipes which will affect the safety of the boiler.This problem is mainly caused by the temperature and velocity deviations of the flue gas at the furnace’s horizontal outlet.The reversed tangential technology is an effective method of reducing these gas deviation.Modern supercritical boilers corner tangential firing boilers usually adopt the air doors which can be horizontal adjusted.This provides a convenient way for the reversed tangential adjustment of the burn-out wind.Based on a 600MW supercritical boiler of corner tangential firing，the paper used the numerical simulation to study on effects of flue gas deviation under different SOFA （Separated over fired air） operation.The simulation results show that firstly，on the right side of horizontal flue，flue gas temperature and velocity are both significantly higher than those of the flue gas on the left side.Secondly，the supercritical corner tangentially fired boiler；the reversed tangential SOFA can effectively reduce the flue gas deviation.The effect on reducing the flue gas deviation increases with the increasing reversing angle of the SOFA as well as with the increasing distance between the reversed SOFA area and the furnace outlet.For large-scale supercritical boiler，these results provide practical guidance on reducing flue gas deviations，simplifying combustion adjustment and optimizing the boiler operation.

supercritical boiler；numerical simulation；reversed tangential OFA；flue gas deviations

TM621.2

：A

：1007－9904（2017）07－0052－06

2017-04-17

蔡泓铭（1984），男，工程师，主要从事电厂设备优化运行工作。