58 MW旋流煤粉锅炉炉内温度场模拟

陈伟锋，杨维国，高文学，吕 薇，齐国利，张松松



58 MW旋流煤粉锅炉炉内温度场模拟

陈伟锋1，杨维国1，高文学1，吕 薇1，齐国利2，张松松2

（1.哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080； 2.中国特种设备检测研究院，北京 100029）

研究燃煤锅炉炉内温度场，对于合理改变锅炉运行工况从而提高锅炉效率具有重要意义。本文以某58 MW机组旋流煤粉锅炉为研究对象，根据锅炉的真实尺寸建立物理模型，通过现场试验数据验证了计算数据的可靠性；依据计算流体力学原理，利用合适的边界条件与合理的假设，对6种工况下锅炉炉内燃烧温度场进行数值求解，分析炉膛内的温度分布。结果表明，该型煤粉锅炉在80%负荷，内外二次风风量配比4:1的条件下运行状况最为理想。所得结果对燃煤工业锅炉在能效提高方面具有重要的参考价值。

煤粉锅炉；燃烧特性；风量比；温度分布；旋流燃烧器；数值模拟

我国一次能源结构中以煤炭为主，其份额高达69.46%[1-2]。目前，我国工业锅炉至少59万多台，其中燃煤工业锅炉约50万台，年耗煤量约7亿t，约占全国年耗煤量的20%。我国燃煤工业锅炉中，大多数是层燃炉，约占70%以上。容量小于等于 20 t/h的层燃锅炉加权平均热效率只有68.72%，低于国际同类水平15%~20%[3-4]。提高燃煤锅炉的效率可以通过合理改变锅炉运行工况来实现，所以了解锅炉内的温度场分布具有重要的意义。

本文以某型58 MW机组旋流煤粉锅炉作为研究对象，根据计算流体力学原理[5-6]，建立炉膛的物理模型和数学模型，选择合理的基本假设和边界条件，应用Fluent软件对6种工况下炉膛内燃烧温度场进行计算[7]，通过现场试验数据验证了计算数据的可靠性，最终选择出最佳的运行燃烧工况。

1 模拟对象及其模型建立

某热力公司的58 MW机组热水煤粉锅炉采用膜式水冷壁以及循环水泵系统，配备4台型号为LTXL-15/-20/265-C2的旋流燃烧器，主要通过煤粉量、一二次风风量等的调节来实现负荷调温。设计煤种为三类烟煤，其煤质工业分析及元素分析见表1。

表1 煤质工业分析和元素分析

Tab.1 Proximate analysis and element analysis of coal

该锅炉在实际运行时，需要大量的辅助设备，水冷壁布置及燃烧器的内部结构比较复杂[8]。本文在物理模型建立时做出以下简化与假设：1）忽略辅助设备；2）由于炉膛四周水冷壁起到传热作用，简化省略水冷壁，用炉膛壁面代替；3）省略燃烧器一些次要结构，保留影响其内部流场的主要结构。

燃烧器将煤粉与空气混合并送入炉膛内，此过程并无化学反应，因此可对整个燃烧器进行两部分拆分，只建立内外二次风通道计算域的物理模型，然后进行网格划分。对燃烧器内的各工况流动情况进行单独的冷态模拟计算，进而将各工况出口速度数据用profile文件导出，作为后续炉膛计算的基础。内外二次风通道模型网格划分如图1所示。

图1 燃烧器内外二次风通道网格划分

本文依据炉膛简化计算域的结构尺寸进行物理建模和网格划分。对于炉膛内流场变化比较大区域，要适当加密以确保模拟的准确性。同时考虑到Gambit的非一致网格划分原则及结构性网格的网格质量好、计算量小、收敛等特点[9]，对燃烧器所在部分的某些复杂结构设为四面体结构网格，然后采用Cooper方法进行划分，其余分块均为六面体结构网格。炉膛计算区域网格划分如图2所示。

图2 炉膛计算区域网格划分

煤粉在炉内燃烧是一个复杂的物理化学过程，包含湍流流动、传质传热及燃烧等一系列变化[10]。本文数值模拟计算时，气相流动模型采用Realize-模型，气固两相流模型选用拉格朗日坐标系下的随机颗粒轨道模型，辐射换热模型采用P-1模型，挥发分热解析出模型选取双步竞争反应模型，气相燃烧模型采用混合分数—概率密度函数模型，焦炭燃烧模型选取动力-扩散控制速率模型[11]。

2 边界条件

将炉膛入口面设定为速度入口边界条件，中心风风速、一次风风速及煤粉颗粒流量根据运行设计的工况参数直接设定，内、外二次风风速由相对应工况燃烧器冷态模拟输出的速度矢量profile文件导入设定。一次风温度设定为293 K，二次风温度设定为553 K。各工况的具体参数见表2。

对于颗粒相的设定方式，在进口处的条件为：1）煤粉颗粒直径依据Rosin-Rammler规律分布[12]；2）煤粉颗粒进口质量、密度等其他物理特征依据各个不同的计算条件实时设定（表3）；3）煤粉颗粒以一次风速度的0.8倍为起始速度[13]，煤粉颗粒的温度设定与一次风的温度（293 K）相同。

表2 各工况设计参数

Tab.2 Specific design parameters for various working conditions

假定炉膛出口平面流动边界条件为Outflow条件，即所有的变量在流动方向上的变化率为0；给定出口压力为大气压；出口温度依据不同的运行负荷而定。在考虑工作安全裕度前提下，水冷壁壁面设为热流密度，大小为1.23×105~2.0×105W/m2，依据负荷而设定。各负荷下相关量设定详见表3。

表3 各负荷下相关量设定

Tab.3 The related factors setting for each load

壁面边界附近黏性层中，流体的输运特性发生很大变化[14]。在实际处理过程中，为保证计算的精度，流体近壁处区域选用标准壁面函数[15]。

3 数值模拟结果及分析

3.1 炉膛内温度场数值模拟验证

为了验证数值模拟的正确性，本文采集了相关测孔的试验数据。模拟验证测孔分布如图3所示。

图3 模拟验证测孔分布（mm）

表2所示工况1条件下，测孔1、2、4数值模拟值与试验值的温度分布如图4所示。由图4可见：试验值与模拟值仅在个别点上存在一定误差，但误差在10%接受范围之内；两者总体趋势一致，说明数值模拟正确，可用于其他工况的模拟计算。

图4 各测孔温度分布

3.2 各工况炉膛内温度分布特性

各工况的温度场分布云图如图5所示。由图5a)、b)可见：工况1和工况2有2个区域温度相对降低，这2个低温区相对于燃烧器喷口的位置下移，说明在方向此截面处，二次风的吸卷烟气下行；就炉膛内部整体而言，火焰燃烧的程度大致相同，充满度均较好，2种工况时炉膛沿高度方向上温度与风量基本相同，仅高温区域工况2的面积略大；2种工况条件下冷灰斗部位的温度大致相同，相对于炉膛主燃区域较低；随着烟气向上流动，温度逐渐降低，炉膛出口温度均在1 100 K左右，满足起始出口温度设置，折焰角位置相对于出口位置温度较高；2种工况炉膛纵向截面四周的水冷壁温度分布都较合理，无局部高温区域。

图5 炉膛纵向截面温度云图

对比工况1和工况2发现，整体炉膛的温度分布大致相同，唯一不同之处在于高温区域的辐射范围有所差异。这说明在100%负荷时，内外二次风风量配比（风量比）不同时对炉膛高度方向上的温度分布影响较小，仅在局部区域存在差异。

由图5c)、d)可见：旋流燃烧器喷口周围产生吸卷作用，出现低温区域，风量比的增大导致吸卷范围扩大；相对于工况3，工况4炉膛高温区整体上移，炉膛出口温度相对较高，可知随着负荷的降低，炉膛内的整体温度降低；这2个工况的炉膛内温度分布不同，锅炉在这种负荷条件下运行时，有利于促进燃烧；随着风量比增大，炉膛温度整体上移，这不利于锅炉的运行，会导致烟气中污染物含量升高，所以风量比4:1时，锅炉运行相对较好。

由图5e)、f)可见，在60%负荷时，燃烧器喷口附近烟气的回流作用明显的位置沿炉膛高度上移，说明工况5、工况6时，在方向此截面处，二次风进入炉膛吸卷烟气上行，同时风量比6:1时，吸卷烟气能力较强。对比于工况5和工况6发现：两者炉膛内部温度高温区域主要集中于炉膛中部和前墙部位，后墙部位温度充满度相对不是很高；在炉膛底部，接近冷灰斗上部的区域，工况5温度明显低于工况6，说明当风量比5:1时，此处的流场扰动作用明显一些，对进入此处的空气和煤粉颗粒的预热作用更强；在炉膛出口的折焰角附近，工况5温度明显低于工况6。整体而言，2个工况温度分布大体相同。由此可知，60%负荷时，风量比对炉膛沿炉膛高度方向上的温度分布影响较小。

图6为各个工况炉膛高度方向平均温度分布。

图6 各工况炉膛高度方向平均温度分布

由图6可见：6种工况3种负荷运行条件下，曲线均以炉膛高度6.078 m位置附近温度为拐点，此处为燃烧器喷口附近，对煤粉和空气进行预热，因此温度较低；60%负荷时，高度6.078 m附近的温度波动不及100%负荷和80%负荷，这也说明二次风进入炉膛吸卷烟气在此位置附近上行，同时炉膛高温区下移；60%负荷时，在8.106 m附近温度达到最大值，其他负荷温度最大值在8.782 m位置附近；80%负荷时，风量比的增大使得沿炉膛高度方向上的温度整体上移，这与前文分析吻合。

3.3 各工况炉膛横向截面温度分布特征

锅炉炉膛左右侧墙上各个喷口横向截面的温度场如图7所示。由图7a)、b)可见，在各种边界参数的相同的条件下，由于风量比不同，工况1与工况2对烟气吸卷的能力不同，产生的烟气预热回流区的大小不同，继而使截面中央温度区域分布面积不同。风量比4:1时，高温面积较小，但整体温度趋于一致。

由7c)、d)可见：风量比5:1时，炉内的流场扰动作用大于风量比4:1，这对烟气的吸卷和预热作用较好，造成截面高温区域相对较小，对截面的温度场影响较大；相同风量比4:1时，工况3的温度整体低于工况2。由此可见，风量比的增加对于80%负荷时燃烧的影响作用更加明显。

由7e)、f)可见，风量比5:1相比风量比6:1时，炉膛横向截面高温区域面积较大，同时四周水冷壁的温度也较高，这说明风量比越大，对炉内横向截面气流的扰动作用越大。由此可见，随着负荷降低至60%，风量比增大对此处温度场分布影响较大。

4 结 论

由于旋流燃烧器喷口吸卷烟气的效果，喷口附近形成了温度变化梯度明显的区域，6种工况的燃烧器的喷口处均形成类似火炬火焰形状的温度分布；随着负荷降低，炉膛喷口横向截面的温度也随着降低；风量比的不同，使得相同负荷条件下，炉膛喷口横向截面的温度分布有所差异，尤其是在80%负荷时，风量比对横向截面的温度分布影响最明显，同时有利于燃烧；另外，60%负荷时，风量比的增大对此处温度场也有影响。

结合各个截面温度的局部分析和沿炉膛高度方向上平均值整体分析，从锅炉整体运行角度出发，最佳运行方案是内外二次风风量配比为4:1的工况3。

［1］ 林伯强, 姚昕, 刘希顿. 节能和碳排放约束下的中国能源结构战略调整[J]. 中国社会科学, 2010(1): 59-72.

LIN Boqiang, YAO Xin, LIU Xidun. The strategic adjustment of China's energy use structure in the context of energy-saving and carbon emission-reducing initiatives[J]. Social Sciences in China, 2010(1): 59-72.

［2］ 舟丹. 中国“去煤化”暂时难以实现[J]. 中外能源, 2016(2): 86.

ZHOU Dan. China’s “not coal” is temporarily difficult to achieve[J]. Sino-Global Energy, 2016(2): 86.

［3］ 赵钦新. 我国工业锅炉发展回顾与“十二五”展望[J]. 工业锅炉, 2011(6): 1-8.

ZHAO Qinxin. Reviews and prospects in China’s industrial boiler development[J]. Industrial Boiler, 2011(6): 1-8.

［4］ 曹阳. 热力生产业层燃炉PM2.5产排特性的试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014: 65-70.

CAO Yang. Research on PM2.5production and emission characteristics of layer burning boilers from heating-supply industry[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014: 65-70.

［5］ 牛莲静. 大型发电机定子流场及温度场数值计算与分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2013: 41-50.

NIU Lianjing. Calculation and analysis of flow field and temperature field in stator of large generator[D]. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2013:41-50.

［6］ 王芳, 郭瑞倩, 安志华, 等. 空冷发电机定子三维温度场分布与试验对比[J]. 电机与控制学报, 2013, 17(12): 46-50.

WANG Fang, GUO Ruiqian, AN Zhihua, et al. Air cooled generator stator temperature field distribution and experimental comparison[J]. Electric Machines and Control, 2013, 17(12): 46-50.

［7］ 闫军政. 不同给煤方式下循环流化床锅炉燃烧特性的数值模拟研究[J]. 节能技术, 2016, 34(5): 395-399.

YAN Junzheng. Numerical simulation analysis of combustion characteristics of circulating fluidized bed boiler in different coal-feed way[J]. Energy Conservation Technology, 2016, 34(5): 395-399.

［8］ 刘爱忠. 燃煤锅炉机组[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003: 119.

LIU Aizhong. Coal fired boiler unit[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2003: 119.

［9］ 梁荣亮, 过学迅. 基于GAMBIT的网格生成技术浅析[EB/OL]. [2008-01-24]. http://www.paper.edu.cn/release paper/content/200801-721.

LIANG Rongliang, GUO Xuexun. The superficial analysis of the grid generation technique based on Gambit [EB/OL]. [2008-01-24]. http://www.paper.edu.cn/release paper/content/200801-721.

［10］ 陈琪华. 煤质特性对W型火焰锅炉燃烧影响的数值模拟研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2011: 89-90.

CHEN Qihua. The research of numerical simulation on effect of coal characteristics on W-shaped boiler combustion[D]. Changsha: Changsha University of Science and Technology, 2011: 89-90.

［11］ 陶文铨. 数值传热学[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2001: 337-376.

TAO Wenquan. Numerical heat transfer[M]. 2nd ed. Xi’an: Xi’an Jiaotong University press, 2001: 337-376.

［12］ 郑钢镖, 康天合, 柴肇云, 等. 运用Rosin-Rammler分布函数研究煤尘粒径分布规律[J]. 太原理工大学学报, 2006, 37(3): 317-319.

ZHENG Gangbiao, KANG Tianhe, CHAI Zhaoyun, et al. Applied the Rosin-Rammler distribution function to study on the law of coal dust particle-size distribution[J]. Journal of Taiyuan University of Technology, 2006, 37(3):317-319.

［13］ 刘丽萍. 四角切圆煤粉炉炉内燃烧及配风的数值模拟[D]. 大连: 大连理工大学, 2009: 35-36.

LIU Liping. Numerical simulation of combustion process and air distribution of tangentially pulverized coal-fired boiler[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2009: 35-36.

［14］赵玲慧. 边界层壁面特性的改变对大涡结构作用的数值研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2012: 71-80.

ZHAO Linghui. Numerical study of the effect of boundary layer changes on the large vortex structures[D]. Nanjing: Nanjing University of Information Science and Tech- nology, 2012: 71-80.

［15］方平治, 顾明, 谈建国, 等. 数值模拟大气边界层中解决壁面函数问题方法研究[J]. 振动与冲击, 2015, 34(2): 85-90.

FANG Pingzhi, GU Ming, TAN Jianguo, et al. Method to solve the wall function problem in simulation of atmos- pheric boundary layer[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(2): 85-90.

Simulation of temperature field of a 58 MW swirling pulverized coal-fired boiler

CHEN Weifeng1, YANG Weiguo1, GAO Wenxue1, LYU Wei1, QI Guoli2, ZHANG Songsong2

(1. School of Mechanical & Power Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Studying the temperature field in the furnace of a coal-fired boiler is of great significance to reasonably change the operating conditions of the boiler and improve the efficiency of the boiler. In this study, a 58 MW swirling pulverized coal-fired boiler is taken as the research object. A physical model is established according to the actual size of the boiler, the reliability of the calculated data is verified by field test data. Based on the principle of computational fluid mechanics, the numerical solution of combustion temperature field in boiler furnace under 6 kinds of working conditions is carried out using appropriate boundary conditions and reasonable assumptions. And the temperature distribution of the furnace is analyzed. The result shows that, this type of pulverized coal-fired boiler operates optimally under the condition that the load rate is 80% and the ratio of internal and external secondary air volume is 4:1. The obtained results have important reference value for improving the energy efficiency of coal-fired industrial boilers.

pulverized coal-fired boiler, combustion characteristics, air volume ratio, temperature distribution, swirling burner, numerical simulation

National Science and Technology Infrastructure Program (2014BAA07B05)

陈伟锋(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向工业链条锅炉改室燃炉，1164600778@qq.com。

TK223

A

10.19666/j.rlfd.201804081

陈伟锋, 杨维国, 高文学, 等. 58 MW旋流煤粉锅炉炉内温度场模拟[J]. 热力发电, 2019, 48(1): 18-23. CHEN Weifeng, YANG Weiguo, GAO Wenxue, et al. Simulation of temperature field of a 58 MW swirling pulverized coal-fired boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 18-23.

2018-04-10

国家科技支撑计划项目(2014BAA07B05)

吕薇(1963—)，女，教授，硕士研究生导师，主要研究方向为锅炉燃料燃烧、生物质能源利用及节能减排，ziyi2011@sina.com。

（责任编辑 刘永强）