1 000 MW塔式锅炉炉内燃烧特性的数值模拟

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(1.上海电力学院,上海 200090; 2.华能(上海)电力检修有限责任公司,上海 200942)

随着新建燃煤电站技术标准的提高,低煤耗、高参数、大容量的超超临界机组必将是我国火力发电的发展趋势[1]。由于燃烧条件的影响,燃煤锅炉在实际运行中存在灰渣接触受热面之前无法凝固而结渣的现象,随着机组的长期运行,结渣量逐渐增多,不仅影响锅炉运行的经济性,而且极大地危害锅炉运行的安全[2]。潘维等人[3]对一台200 MW的四角切圆燃烧锅炉炉内流动、燃烧进行了模拟,发现温度和组分的分布有很大的关系。王秋红等人[4]通过数值模拟研究了负荷变化对炉内温度场和组分分布的影响,发现负荷降低,当炉内温度水平降低到30%热耗率验收工况(Turbine Heat Acceptance,THA)时需要喷油助燃。因此,对锅炉内的流动和燃烧特性进行数值模拟,可以直观地了解锅炉的运行状况,为相关的设计运行改造提供参考。其具有重要的实际应用价值。

利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件对锅炉进行建模研究,可以获得大量的优化锅炉性能、提高煤粉燃烧特性的信息,是一种极具成本效益的研究方式[5-6]。本文利用FLUENT软件,以一台1 000 MW塔式锅炉为研究对象,对锅炉内的燃烧过程进行了数值模拟。

1 研究对象

以某台1 000 MW超超临界塔式锅炉为模拟对象,其炉膛深度和宽度均为21.48 m,炉顶管中心标高为119.3 m。采用单炉膛塔式布置,中速磨煤机正压一次风直吹式制粉系统,四角切圆燃烧方式,摆动式燃烧器。锅炉配置6台中速磨煤机,其中5台运行,1台备用。锅炉燃用神府东胜煤,煤质特性见表1。

煤粉燃烧方式采用同轴燃烧系统,炉膛中心形成顺时针切圆,偏置二次风包围在外侧形成大切圆。共设有3组燃烧器,每组燃烧器又包括2层燃烧器,共6层,从下至上分别记为A,B,C,D,E,F,满负荷运行时开上5层燃烧器,每层燃烧器有2个一次风喷嘴、1个燃油辅助风喷嘴、1个端部二次风喷嘴、1个组合喷嘴,其中偏置二次风和直吹二次风各占组合喷嘴通流面积的50%,二次风和一次风间隔布置,在上层燃烧器顶部布置有2层紧凑燃尽风和6层分离燃尽风。

表1 燃煤特性

锅炉炉膛结构、燃烧器布置和锅炉横截面如图1所示。

图1 炉膛结构、燃烧器布置和锅炉横截面示意

2 数学模型与计算方法

2.1 网格划分

利用GAMBIT软件对计算区域进行建模和网格划分。由于燃烧器区域流动燃烧剧烈,因此需对该区域网格进行加密处理。炉膛横截面采用Map方法生成四边形结构化网格,沿高度方向用Cooper方法生成六面体网格,网格线与射流轨迹基本平行,以降低数值模拟的伪扩散。经过网格无关性验证,最终确定网格总数为1.79×106个。计算区域及燃烧器横截面网格划分如图2所示。

图2 炉膛和燃烧器截面网格示意

2.2 模型选取

煤粉的燃烧过程包括煤粉挥发分析出、焦炭燃烧、辐射换热,炉内又涉及复杂的气相流动、湍流燃烧等过程。本文在气相湍流流动计算中采用Realizableκ-ε双方程模型,气相湍流燃烧采用混合分数/概率密度函数模型,煤粉颗粒相的求解采用随机轨道模型,煤粉挥发分的析出采用双竞争反应热解模型,焦炭的燃烧采用扩散/动力模型[7],辐射传热采用P1模型[8]。

2.3 计算条件

采用Simple算法进行三维稳态计算[9],压力离散方程采用PRESTO!格式。采用该格式可以有效防止伪扩散,其他项离散格式均为二阶迎风。炉膛壁面设置为无滑移边界条件,壁面辐射率设置为0.8。一次风与炉墙夹角为51°。数值计算边界条件如表2所示。

表2 数值计算边界条件

3 计算结果及分析

图3为一次风喷口中心截面速度矢量图,颜色越深,射流的流速越快。

图3 一次风喷口中心截面速度矢量示意

由图3可以看出,一次风自喷口喷出后在炉膛内形成明显的顺时针四角切圆射流,切圆位于炉膛中心,射流刚性较好;在射流末端由于刚性减弱,加之受到来自上游射流的冲击,一次风射流略微发生偏斜,但是射流离水冷壁的距离仍较远,没有出现射流偏斜引起冲刷水冷壁的现象。

图4为100%负荷下炉膛中心截面的温度场分布图。由图4可以看出,燃烧器中上部区域高温区面积较大,炉膛内温度分布均匀,呈左右对称分布,炉内高温区温度在1 850 K左右;随着高度的增加,燃烧器区域高温区的面积逐渐增加,而燃尽风的加入使高温区面积减小,在燃尽风及以上的区域,温度分布呈蜡烛火焰状。

图4 炉膛中心截面的温度场分布示意

图5为最上层一次风中心截面温度场分布图。由图5可以看出,沿射流方向,水冷壁附近温度逐渐升高,水冷壁面温度较高处主要集中在沿射流方向的下游水冷壁处。这是因为煤粉射流以较高速度射入炉膛中,抽吸周围气体,在射流两侧形成相对低压区,而来自邻角的煤粉气流冲压该射流,并补充到该射流靠近水冷壁附近的低压处,形成一个高温区。水冷壁下游高温区的温度在1 500～1 600 K,因此在实际运行中应注意该区域的结渣和高温腐蚀现象。

图5 标高41 240 mm处一次风喷口中心截面温度场分布示意

图6为最上层一次风中心截面O2浓度分布图。由图6可以看出,O2在水冷壁四周呈环形分布,在水冷壁上游区域形成氧化性气氛(氧化性气氛可以保护水冷壁,防止因燃煤灰熔点降低导致结渣)。沿射流方向,水冷壁面附近O2浓度由喷口处的20%逐渐减小,到下游水冷壁面时O2浓度达到最低,在该处的O2浓度小于2%。当壁面附近O2浓度小于2%时容易发生结渣和高温腐蚀[10],因此下游水冷壁面处为易发生结渣和高温腐蚀的区域。

图6 标高41 240 mm处一次风喷口中心截面O2浓度分布示意

4 结 论

(1) 高温区主要集中在燃烧器中上部区域,在燃烧器区域,随着高度的增加,高温区面积逐渐增加,燃尽风的加入使高温区面积有所减小。

(2) 水冷壁温度较高处主要集中在沿射流方向的下游,在实际运行中应注意该区域的结渣和高温腐蚀现象。

(3) O2在水冷壁四周呈环形分布,在上游水冷壁区域形成氧化性气氛。在下游水冷壁区域O2浓度小于2%处,容易发生结渣和高温腐蚀。

参考文献：

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[2] 吴英,毛晓飞,王潜,等.600 MW四墙切圆燃烧超临界锅炉结焦防治技术[J].中国电力,2013,46(5):1-5.

[3] 潘维,池作和,李戈,等.四角切圆燃烧锅炉燃烧和污染物排放数值模拟[J].浙江大学学报(工学版),2004(6):110-113.

[4] 王秋红,王超,张小桃,等.四角切圆锅炉炉内燃烧数值模拟[J].热力发电,2016,45(9):61-66.

[5] VUTHALURU H B,KOTADIYA N,VUTHALURU R,et al.CFD based identification of clinker formation regions in large scale utility boil[J].Applied Thermal Engineering,2011,31(8):1368-1380.

[6] AL-ABBAS A H,NASER J,HUSSEIN E K.Numerical simulation of brown coal combustion in a 550 MW tangentially-fired furnace under different operating conditions[J].Fuel,2013,107(9):688-698.

[7] 方庆艳,周怀春,汪华剑,等.W火焰锅炉结渣特性数值模拟[J].中国电机工程学报,2008,28(23):1-7.

[8] 唐昭帆,卢玫,王克,等.空气分级与偏转二次风联用对炉膛燃烧特性的影响[J].锅炉技术,2016,47(6):41-47.

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[10] 张翔,邵国桢.大型锅炉水冷壁高温腐蚀探讨[J].锅炉技术,2002,33(8):9-13.