运行参数对660 MW高效超超临界CFB锅炉 四循环回路气固流动特性的影响研究

韩 平，张东旺，辛胜伟，谢国威，郑伟佳，张 缦，吕俊复

（1.国家能源集团国源电力有限公司，北京 100033；2.清华大学能源与动力工程系，北京 100084； 3.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083）

循环流化床（CFB）燃烧技术具有燃料适应性广、污染控制成本低、适合深度调峰等特点，是商业化最好的洁净煤燃烧技术之一[1]。我国自2000年初与世界同步开展了超临界CFB锅炉的研发，并于2013年投运了世界首台600 MW超临界CFB锅 炉[2]。截至目前，我国已有48台350 MW超临界CFB锅炉投入商业运行。“十三五”期间，国家批准了660 MW高效超超临界CFB锅炉示范项目[3]，国内科研单位及制造企业联合开发了不同布置形式的锅炉方案[4-7]。

随着锅炉容量的不断扩大，分离器个数增加，而多分离器并联系统会出现气固流动的偏流现象[8-9]，从而导致分离器效率降低、炉膛温度分布不均、局部受热面磨损以及水动力安全等诸多问题[10-11]。此前，蔡晋等[12]采用经验公式和数值模拟的方法，研究了分离器结构参数对气固分布的影响，结果表明减小芯筒直径和增大入口宽度，有利于提高分离器内的气固均匀分布稳定性。张爱琴等[13]采用实验方法研究了不同芯管直径的分离器并联后的分离性能，结果表明全左旋排列的旋风分离器分离效率与压降均高于左右旋排列。Stern等人[14]发现，在保持入口风速和颗粒质量浓度不变的情况下，与单个分离器相比，并联多个分离器的系统分离效率更低，而且整体分离效率的下降还将随着分离器个数的增加而增加。Koffman[15]也发现了这一现象。这可能与多分离器并联系统的多值性特点有关。

对于四分离M型布置方案的高效超超临界CFB锅炉，分离器并联回路中会出现气固流动的偏流现象，4个烟窗出口的相对位置将极大地影响出口处颗粒的分布。气体流量分布较为均匀，但固体流量却呈现出“中间低、两边高”的M型分布状态[16]。已有研究表明，分离器间的气固流动均匀性除了和烟窗位置布置、分离器入口烟道角度、长度等设计条件有关之外，还会受到运行条件影响[17-19]。

本文对各种不同运行参数对偏流现象的影响进行模拟和分析，通过改变参数布风的均匀性、颗粒粒径和一二次风率等，探讨炉膛内流态转变对多分离器间气固分配均匀性的影响。

1 锅炉结构及边界条件

1.1 锅炉整体结构

锅炉采用成熟、简约、可靠的M型布置，炉膛采用单炉膛、单布风板的结构，在炉膛上部布置有4个烟气出口窗，烟气及夹带的固体颗粒经由出口窗进入到旋风分离器进行气固分离。炉膛出口处布置有4个旋风分离器，分离器直径为10.5 m。每个旋风分离器料腿下端装有1个返料装置，用以将固体物料返送回炉膛[20]。锅炉整体布置如图1所示。该锅炉的主要结构参数见表1。

图1 锅炉整体布置 Fig.1 Overall layout of the boiler

表1 锅炉主要结构参数 单位：mm Tab.1 Main structural parameters of the boiler

A、B、C、D 4个旋风分离器布置如图2所示。可以按照分离器和其返料的位置依次将炉膛内划分成为A、B、C、D 4个回路，研究各回路在炉膛内的气固流动特性。A分离器与D分离器结构完全一致，B分离器与C分离器结构完全一致，外侧的分离器与中间的分离器在入口角度和烟道长度上略有差异，A、B分离器与C、D分离器的旋流方向相反。分离器结构模型如图3所示，其尺寸见表3。

图2 旋风分离器布置 Fig.2 Cyclone separator arrangement

图3 分离器结构模型 Fig.3 Structural model of the separator

表2 分离器结构参数 单位：m Tab.2 Structural parameters of the separator

1.2 锅炉几何建模和网格划分

图4为锅炉全回路的整体结构建模及相对应的网格划分情况。锅炉炉膛上部稀相区及4个分离器采用结构化六面体网格，并在边界处进行局部加密；炉膛下部密相区、回料阀及分离器的出口联箱均采用四面体网格。总网格数约为304万。

图4 锅炉整体建模结构和网格划分 Fig.4 The overall modelling structure and mesh generation of the boiler

1.3 计算模型设置

本文计算采用欧拉双流体模型，将颗粒看作拟流体并且均匀分布。湍流模型采用Realizablek-ε方程，气固曳力模型采用Gidaspow模型[21]。由于已将气相折合成热态且固相无热量交换，故而无能量方程。计算为非稳态、压力基。时间步长取为0.005 s[22]。表3列出了模型中所采用的一些基本参数。

表3 模型基本设置参数 Tab.3 Basic setting parameters of the model

2 布风均匀性的影响分析

布风板的阻力分布对于密相床内的鼓泡行为影响很大，因此对于炉膛内颗粒的均匀分布也有非常重要的影响。布风不均匀可能加剧炉膛内颗粒不均匀分布的现象，造成炉膛内燃烧、传热的不均匀，同时也会对下游分离器造成显著的影响[23]，加剧四分离器的偏流作用。按照循环回路将炉膛底部的布风板划分为A、B、C、D 4个区域，处于对称位置的区域（A区域与D区域、B区域与C区域）具有相等的一次风速，保持总一次风速3.42 m/s不变，处于外侧区域的布风板风速分别变动±10%和±20%，研究布风均匀性对四分离器偏流的影响。与之相对应的A区域一次风速分别为UPA-A=2.74、3.08、3.42、3.76、4.10 m/s。

图5给出了不同UPA-A时炉膛出口的颗粒质量流率占比。相比标准工况（一次风速为3.42 m/s，二次风速为42.30 m/s，返料风速为0.30 m/s，颗粒粒径为200 um，颗粒密度为2 000 kg/m3）而言，布风的不均匀可能导致偏流现象的严重化。

图5 不同UPA-A时炉膛出口的颗粒质量流率占比 Fig.5 Percentages of particle mass flow rate at outlet of the furnace when UPA-A is different

图6给出了各运行工况下所对应的颗粒质量流率最大偏差。当UPA-A=3.08 m/s时，颗粒质量流率的最大偏差扩大到15.66%，这是因为外侧区域低风速工况下的布风差别抑制了原本颗粒的横向扩散运动，外侧回路与中间回路的颗粒质量流率差变得更大，在标准工况下已经表现出来的偏流现象也就变得更加严重。与之相对应的，当UPA-A=4.10 m/s时，颗粒质量流率的最大偏差缩小到6.19%。由此可见，保证布风的均匀性对于锅炉稳定安全运行具有至关重要的作用。

图6 各运行工况下颗粒质量流率的最大偏差 Fig.6 The maximum deviation of particle mass flow rate under each operating condition

3 颗粒粒径的影响

床内颗粒的运动状态与其所受到的曳力、重力、浮力等作用力有关，而各种作用力的大小与颗粒的粒径有着密不可分的关系，即颗粒的流化特性与颗粒的粒径关系很大。通过改变固体颗粒的粒径大小，研究其改变对于偏流现象的影响。颗粒粒径dp的取值分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mm。图7为不同颗粒粒径条下炉膛内颗粒的轴向分布。

图7 颗粒质量浓度的轴向分布 Fig.7 Axial distribution of particle mass concentration

由图7可见：在一定高度范围内，颗粒质量浓度随着颗粒粒径的增大而增大；大颗粒则由于携带能力的有限，在炉膛下部沉降更多，而被携带进去上部的较少；在炉膛上部，小颗粒被快速地带出炉膛，大颗粒被携带量较少，这种颗粒质量浓度的差异也会大大减小。

颗粒粒径较小时，在炉膛出口处的颗粒质量浓度和颗粒速度变化都不大，因而其总体颗粒质量流率变化并不大；而大颗粒的颗粒速度要远远小于小颗粒的速度，且不容易不携带离开炉膛，故而其颗粒质量流率发生了明显的降低。

图8给出了不同颗粒粒径下各分离器进口的流率分配。由图8可以看到，当颗粒粒径较小或较大时，四分离器流量分配不均的偏流现象都会减弱，不均匀性随着粒径的增大呈现出先增大后减小的趋势。这可能是因为小颗粒极易被流化，在炉内的分布较为均匀，不易发生偏流现象；而大颗粒由于不易被携带离开炉膛，在床内的混合程度较高，所产生的偏流现象也较弱。由此说明，颗粒的粒径对于偏流现象有着很大的影响。

图8 不同颗粒粒径下炉膛出口的颗粒质量流率分布 Fig.8 Distribution of particle mass flow rate at outlet of the furnace with different particle sizes

4 一二次风配比的影响

在实际的循环流化床锅炉运行中，为了抑制NOx的生成，往往采用分级送风的方式组织燃烧，即在离布风板一定高度处给入一定量的二次风，从而在炉膛内形成以还原性气氛为主的密相区和以氧化性气氛为主的稀相区[24]。但二次风的设计与调整将对颗粒质量流率和颗粒质量浓度轴向分布带来显著的影响，进而影响锅炉的传热性能和带负荷能力。毫无疑问，一二次风的配比也可能影响四分离器之间的流量分配。以一次风速3.42 m/s，二次风速42.3 m/s为标准工况，在保证炉膛内总风量不变的前提下，调整一次风速来改变一二次风配比，观察炉内和四分离器的流动特性变化。采用的一次风速分别为3.00、3.42、4.00 m/s。不同一二次风配比时炉膛出口的颗粒质量流率及其占比分别如图9、图10所示。

图9 不同一二次风配比时炉膛出口的颗粒质量流率 Fig.9 The particle mass flow rate at outlet of the furnace with different primary and secondary air ratios

图10 不同一二次风配比时炉膛出口的颗粒质量流率占比 Fig.10 The percentage of particle mass flow rate at outlet of the furnace with different primary and secondary air ratios

在相等的床存量和总风量下，一次风量的降低会导致其对颗粒的输运能力降低，同时二次风量的增大会加强二次风对边壁颗粒流的阻碍作用，使得大量颗粒堆积在炉膛底部；相应地，被携带至炉膛上部稀相区的颗粒就随之减少。因此，在总风量不变的情况下，随着一次风量的降低，会使得密相区的颗粒质量浓度升高，而稀相区的颗粒质量浓度下降[25-26]。所以炉膛出口的颗粒质量流率也随之下降，即一次风速越低，四分离器系统的入口颗粒总流率越小。由图9和图10可以看到，炉膛出口处的颗粒质量流率随一次风速的增加而增大，但由于一次风量变动幅度相对较小，所以颗粒质量流率虽有变化，四分离器进口处的流量分配也没有明显的差异。

5 结 论

1）布风均匀性变差会导致偏流现象的严重化，特别是两侧区域处于低风速工况下时更为剧烈。保证布风的均匀性对于锅炉稳定安全的运行具有至关重要的作用。

2）当颗粒粒径较小或较大时，四分离器流量分配不均的偏流现象都会减弱，四分离器气固分布的不均匀性随着粒径的增大呈现出先增大后减小的趋势。

3）一二次风配比对于炉膛底部密相区质量浓度影响较大，但对上部稀相区质量浓度及颗粒质量流率影响较小，因此对分离器进口的颗粒总流率分配影响不大。