墻式燃盡風(fēng)水平擺角及風(fēng)量偏置對(duì)四角切圓鍋爐煙溫偏差影響的模擬與試驗(yàn)研究

嚴(yán)杏初，馬 侖，陳鑫科，張 成，夏 季

（1.廣東省能源集團(tuán)沙角C電廠，廣東 虎門(mén) 523900；2.華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.武漢華中思能科技有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

切圓燃燒方式具有較好的火焰充滿(mǎn)度、高燃燒效率、煤種適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)大型燃煤電站中廣泛應(yīng)用［1-3］。但切圓燃燒下?tīng)t內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)上升，在爐膛出口處也仍存在殘余旋轉(zhuǎn)，這會(huì)導(dǎo)致水平煙道兩側(cè)出現(xiàn)速度以及煙氣溫度偏差，進(jìn)而導(dǎo)致兩側(cè)過(guò)熱、再熱汽溫的偏差，影響鍋爐安全運(yùn)行［4-6］。為改善切圓鍋爐出口煙溫偏差，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了豐富的研究，主要技術(shù)手段如優(yōu)化受熱面布置形式（大屏過(guò)熱器與末級(jí)過(guò)熱器之間管道由交叉改為平行）［7］、主燃燒區(qū)二次風(fēng)反切［8］、調(diào)整燃燒器擺角［9］等。與此同時(shí)，為達(dá)到國(guó)家環(huán)保要求，低氮燃燒技術(shù)也廣泛應(yīng)用于燃煤電站鍋爐，其中燃盡風(fēng)技術(shù)是火電廠燃煤鍋爐采用深度空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)的重要方法之一［10-14］。調(diào)整燃盡風(fēng)以達(dá)到減小爐膛出口部分殘余旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，使得水平煙道煙速分布更加均勻，是解決四角切圓鍋爐殘余旋轉(zhuǎn)帶來(lái)熱偏差問(wèn)題的有效方式［15-16］。方慶艷［17］、付忠廣［18］等人對(duì)切圓鍋爐的煙溫偏差開(kāi)展了模擬研究，發(fā)現(xiàn)燃盡風(fēng)水平擺角反切有利于降低爐膛出口煙溫偏差。劉基昌［19］、龍敦武［20］等人研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)設(shè)置合適的燃盡風(fēng)風(fēng)速度偏置可以有效改善切圓鍋爐煙溫偏差。目前，四角切圓鍋爐為實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，燃盡風(fēng)大多布置于鍋爐的四角，而采用墻式對(duì)沖形式的燃盡風(fēng)布置方式相對(duì)較少。本文所研究某600 MW四角切圓鍋爐（燃盡風(fēng)布置于前后墻）在低氮燃燒改造后，爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)發(fā)生了較大的變化，汽溫特性也隨之發(fā)生了變化，而主蒸汽只有一級(jí)噴水減溫器作為調(diào)溫手段，導(dǎo)致主汽溫經(jīng)常失控、超溫，再熱器溫通過(guò)燃燒器擺角＋噴水調(diào)節(jié)的方式來(lái)調(diào)節(jié)，仍然會(huì)出現(xiàn)汽溫失控、超溫現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)兩側(cè)汽溫偏差、汽溫顯著低于設(shè)定值等問(wèn)題；與此同時(shí)，由于爐內(nèi)流場(chǎng)、燃燒工況發(fā)生變化，兩側(cè)氧量及CO含量出現(xiàn)不平衡，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性?；诖耍疚膶?duì)該燃盡風(fēng)布置于前后墻的四角切圓鍋爐開(kāi)展了數(shù)值模擬，并研究了墻式對(duì)沖燃盡風(fēng)偏置角度對(duì)煙溫偏差以及出口CO濃度協(xié)同影響，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整，取得了較好的效果。研究結(jié)果可為同類(lèi)鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行提供相關(guān)參考。

1 鍋爐概況

某660 MW鍋爐是美國(guó)ABB-CE公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、單汽包中間再熱、控制循環(huán)鍋爐，膜式水冷壁，單爐膛四角雙切圓燃燒。制粉系統(tǒng)為正壓直吹制粉系統(tǒng)，配有6臺(tái)HP983碗式中速磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)煤種出力為53 t/h，運(yùn)行5臺(tái)磨煤機(jī)即可滿(mǎn)足BMCR出力。6個(gè)一次風(fēng)噴口（A、B、C、D、E和F）和7個(gè)供給燃料燃燒空氣用的二次風(fēng)噴口（AA、AB、BC、CD、DE、EF和FF），其中AA、BC、DE、FF相對(duì)一次風(fēng)同向偏轉(zhuǎn)22°角。為實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)低氮燃燒，在上爐膛左右側(cè)墻設(shè)置了8組燃盡風(fēng)噴口（SOFA）。鍋爐結(jié)構(gòu)及燃盡風(fēng)噴口布置圖如圖1所示。鍋爐燃用煤質(zhì)特性分析如表1所示。

表1 煤質(zhì)分析Table 1 Coal quality analysis

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)及燃盡風(fēng)噴口布置圖Fig.1 Schematic diagram of meshing and overfire air layout

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算工況

鍋爐內(nèi)煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，它涉及到多相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和燃燒等多個(gè)學(xué)科，因此要完全和準(zhǔn)確地描述燃燒過(guò)程是很困難的。考慮到工程應(yīng)用的特點(diǎn)，本文從實(shí)用性出發(fā)對(duì)鍋爐爐內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在本文計(jì)算中，主要模型如下：氣相湍流流動(dòng)Realizable（帶旋轉(zhuǎn)修正）雙方程模型，煤粉顆粒相的運(yùn)動(dòng)采用隨即軌道模型，煤粉揮發(fā)分析出采用雙平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，氣相燃燒采用混合分?jǐn)?shù)—概率密度函數(shù)（PDF）模型，焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型，輻射模型采用P-1模型。更多模型介紹，見(jiàn)文獻(xiàn)［21］-文獻(xiàn)［30］。煤粉顆粒的粒徑遵循Rosin-Rammler分布，平均粒徑為65μm，分布指數(shù)為1.5。根據(jù)鍋爐和燃燒器實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了精細(xì)化的建模和網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算結(jié)果的精確性。采用分區(qū)網(wǎng)格劃分方法，使用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間250萬(wàn)左右網(wǎng)格既能滿(mǎn)足模擬精度要求又能保證計(jì)算效率。爐膛網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及燃盡風(fēng)噴口布置如圖2所示。

圖2 爐膛網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性測(cè)試Fig.2 Grid division and independece test

在鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的基礎(chǔ)上研究了燃盡風(fēng)噴口水平擺角以及燃盡風(fēng)風(fēng)量偏置的7個(gè)工況，如表2。燃盡風(fēng)噴口布置在左側(cè)墻和右側(cè)墻上，當(dāng)燃盡噴入方向與鍋爐墻壁垂直時(shí)，擺角記為0°度，燃盡風(fēng)噴入為順時(shí)針與下?tīng)t膛主氣流反切時(shí)計(jì)為“+”，逆時(shí)針與下?tīng)t膛主氣正切時(shí)計(jì)為“-”。

表2 工況設(shè)置Table 2 Case setting

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 模擬結(jié)果合理性驗(yàn)證

計(jì)算得到的爐膛出口參數(shù)（工況1）與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比如表3所示，從表中可以看到，出口氧量、CO以及溫度均與試驗(yàn)結(jié)果相近，計(jì)算結(jié)果基本在誤差可接受?chē)畠?nèi)。這表明，本文所建立的網(wǎng)格和采用的模型是合理的，可以用來(lái)開(kāi)展不同燃盡風(fēng)參數(shù)對(duì)煙溫偏差以及燃燒效率協(xié)同影響的研究。

表3 試驗(yàn)與模擬計(jì)算爐膛出口參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison between the measured and simulated results at furnace outlet

3.2 變?nèi)急M風(fēng)水平擺角下煙溫偏差及燃燒效率的模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖3是燃盡風(fēng)水平擺角順時(shí)針和逆時(shí)針?biāo)腿霑r(shí)爐內(nèi)溫度分布，燃盡風(fēng)垂直送入爐內(nèi)時(shí)，上爐膛高溫區(qū)向左側(cè)墻偏斜明顯，這會(huì)顯著影響過(guò)左右側(cè)汽溫水平；實(shí)際運(yùn)行中左右側(cè)再熱汽溫偏差達(dá)到15.6℃。燃盡風(fēng)順時(shí)針與主氣流反切送入爐內(nèi)（工況2、3）會(huì)削弱煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，使得上爐膛燃盡區(qū)溫度不集中，左右側(cè)溫度分布均勻性相對(duì)較好；燃盡風(fēng)逆時(shí)針與主氣流正切送入爐內(nèi)時(shí)（工況4、5）會(huì)強(qiáng)化煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，反而使得燃盡區(qū)高溫區(qū)域相對(duì)集中，容易在氣流擾動(dòng)下出現(xiàn)偏斜，從而導(dǎo)致溫度偏差。

圖3 燃盡風(fēng)不同水平擺角下溫度分布(K)Fig.3 Temperature distribution under different horizontal angles(K)

表4為燃盡風(fēng)水平擺角正切與反切時(shí)爐膛的出口參數(shù)。燃盡風(fēng)順時(shí)針與主氣流反切送入爐內(nèi)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)出口左右側(cè)煙氣溫度偏差逐漸降低；同時(shí)，氣流反切使得下?tīng)t膛未燃盡碳和CO與燃盡風(fēng)混合強(qiáng)度增強(qiáng)，其燃燒劇烈程度增加，使得出口氧量和CO濃度都有所降低、燃盡率有所提高。而當(dāng)燃盡風(fēng)逆時(shí)針與主氣流正切送入爐內(nèi)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)出口左右側(cè)煙氣溫度偏差有所增加；出口氧量和CO濃度顯著增加、燃盡率明顯降低，這會(huì)影響燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全性。綜上所述，建議在實(shí)際運(yùn)行中，燃盡風(fēng)順時(shí)針與主氣流反切送入爐內(nèi)既可以降低煙溫偏差，又可以提高燃燒經(jīng)濟(jì)性。

表4 變?nèi)急M風(fēng)水平擺角時(shí)爐膛出口模擬值Table 4 The simulated results at furnace outlet under different horizontal angles

基于上述模擬研究結(jié)果，開(kāi)展了燃盡風(fēng)水平角度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整。鑒于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可調(diào)范圍的限制，實(shí)際調(diào)整中，1號(hào)～8號(hào)燃盡風(fēng)噴口角度只開(kāi)展了-5°～+5°范圍內(nèi)燃盡風(fēng)角度的調(diào)整試驗(yàn)。表5為燃盡風(fēng)不同水平擺角下汽溫特性，表6為空預(yù)器入口煙氣濃度和飛灰含碳測(cè)量結(jié)果?？梢钥闯?，燃盡風(fēng)逆時(shí)針與主氣流同向正切送入爐內(nèi)時(shí)，A、B汽溫偏差顯著，且B側(cè)CO濃度、飛灰含碳量顯著增加。燃盡風(fēng)順時(shí)針與主氣流反切送入爐內(nèi)時(shí)，A、B側(cè)氣汽溫特性良好且偏差明相對(duì)較小，且由于燃盡風(fēng)氣流與爐內(nèi)高溫?zé)煔饣旌铣浞?，有利于煤粉燃燒與燃盡、降低CO排放和兩側(cè)煙氣濃度偏差。

表5 燃盡風(fēng)不同水平擺角下汽溫特性Table 5 Steam characteristics under different horizontal angles

表6 燃盡風(fēng)不同水平擺角下空預(yù)器入口煙氣濃度和飛灰含碳測(cè)量結(jié)果Table 6 The measured flue gas concentration and carbon content in fly ash at the air preheater entrance under different horizontal angles

3.3 變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量偏置下煙溫偏差及燃燒效率的模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖4為左右墻不同偏置工況下沿爐膛寬度方向的溫度分布?？梢钥闯?，左右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量均等送入爐內(nèi)時(shí)（工況1），上爐膛高溫區(qū)向左墻偏斜。當(dāng)減少左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、增加右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量后（工況6），上爐膛高溫區(qū)進(jìn)一步向左墻偏斜，這會(huì)加劇煙溫偏差。當(dāng)增加左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、減少右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量后（工況7），促使高溫區(qū)向右墻區(qū)域移動(dòng)，使得上爐膛高溫區(qū)較為對(duì)稱(chēng)，這說(shuō)明適當(dāng)增加左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量也有利于減少尾部煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，減少上爐膛左右側(cè)區(qū)域煙溫偏差程度。

圖4 燃盡風(fēng)左右風(fēng)量偏置下溫度分布(K)Fig.4 Temperature distribution under left and right-SOFA air volume offset(K)

表7為燃盡風(fēng)左右風(fēng)量偏置時(shí)模擬得到的爐膛出口參數(shù)。減少左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、增加右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量后煙溫偏差加劇了左右側(cè)墻區(qū)域煙氣流量的不均勻程度，使得左右側(cè)煙溫偏差由相左右墻均勻配風(fēng)下的60 K增加到75 K，燃盡率顯著下降，CO濃度水平有所增加，這主要是由于下?tīng)t膛未燃盡碳、CO與燃盡風(fēng)混合不充分所致。增加左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、減少右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量后，左右墻區(qū)域煙氣流量均勻性得到改善，煙溫偏差由相左右墻均勻配風(fēng)下的60 K顯著降低到27 K；與此同時(shí)，下?tīng)t膛未燃盡碳和CO與燃盡風(fēng)混合強(qiáng)度增強(qiáng)，其燃燒劇烈程度增加，燃盡率有所升高，CO濃度明顯降低，這有利于改善燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全性。建議在實(shí)際運(yùn)行中，適當(dāng)增加左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、減少右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量，既可以降低煙溫偏差，又可以提高燃燒經(jīng)濟(jì)性。

表7 變?nèi)急M風(fēng)左右風(fēng)量偏置時(shí)爐膛出口模擬值Table 7 The simulated results at furnace outlet under left and right-SOFA air volume offset

基于模擬研究結(jié)果，進(jìn)一步開(kāi)展了燃盡風(fēng)左右墻開(kāi)度偏置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整。表8-表9分別為燃盡風(fēng)左右墻開(kāi)度偏置下汽溫特性和空預(yù)器入口煙氣濃度測(cè)量結(jié)果?？梢钥闯?，調(diào)整燃盡風(fēng)左右墻開(kāi)度偏置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出口參數(shù)影響規(guī)律與模擬結(jié)果基本一致。左墻燃盡風(fēng)開(kāi)度為40%、右墻為30%時(shí)，A、B測(cè)再熱、過(guò)熱汽溫偏差增大，出口飛灰含碳及CO濃度有所增加，燃燒經(jīng)濟(jì)性降低；左墻燃盡風(fēng)開(kāi)度為20%、右墻為40%時(shí)，A、B測(cè)再熱、過(guò)熱汽溫偏差較小，出口飛灰含碳及CO濃度明顯降低。

表8 燃盡風(fēng)左右墻開(kāi)度偏置下汽溫特性Table 8 Steam characteristics under left and right-SOFA opening degree offset

表9 左右墻燃盡風(fēng)開(kāi)度偏置下空預(yù)器入口煙氣濃度和飛灰含碳測(cè)量結(jié)果Table 9 The measured flue gas concentration and carbon content in fly ash at the air preheater entrance under left and right-SOFA opening degree offset

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)存在汽溫偏差的某660 MW四角切圓鍋爐，本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)方法研究了墻式燃盡風(fēng)水平擺角以及風(fēng)量偏置對(duì)煙溫偏差及燃燒特性的影響。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合較好。燃盡風(fēng)左右墻均等垂直送入爐內(nèi)時(shí)，左側(cè)煙氣溫度高于右側(cè)，存在明顯煙溫偏差；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中也表明存在明顯汽溫偏差。燃盡風(fēng)逆時(shí)針與主氣流同向送入爐內(nèi)時(shí)，左右側(cè)煙氣溫度偏差有所增加，且出口氧量和CO濃度顯著增加、燃盡率明顯降低；燃盡風(fēng)與主氣流反切送入爐內(nèi)減弱了煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，有利于減少左右側(cè)煙溫及汽溫偏差，下?tīng)t膛未燃盡碳、CO與燃盡風(fēng)混合強(qiáng)度的增強(qiáng)降低了爐膛出口CO濃度、提高了燃盡程度。減少左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、增加右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量后煙溫偏差加劇了左右側(cè)煙溫及汽溫偏差，燃盡率顯著下降，CO濃度水平有所增加；增加左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、減少右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量，左右側(cè)煙氣流量均勻性得到改善，煙溫及汽溫偏差減小，下?tīng)t膛未燃盡碳和CO與燃盡風(fēng)混合強(qiáng)度增強(qiáng)，燃盡率有所升高，CO濃度明顯降低，這有利于改善燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全性。建議在實(shí)際運(yùn)行中，燃盡風(fēng)順時(shí)針與主氣流反切送入爐內(nèi)，或者適當(dāng)增加左墻燃盡風(fēng)風(fēng)量、減少右墻燃盡風(fēng)風(fēng)量，既可以降低煙溫偏差，又可以提高燃燒經(jīng)濟(jì)性。