1 000 MW超超臨界對沖燃燒鍋爐數值模擬

王敦敦，雷霖，呂當振，陳珣

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

1 000 MW超超臨界對沖燃燒鍋爐數值模擬

王敦敦，雷霖，呂當振，陳珣

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

采用fluent軟件對某電廠1 000 MW超超臨界對沖燃燒鍋爐進行溫度場和氧量場數值模擬，并將部分模擬結果與實際運行參數進行對比。結果表明，數值模擬結果與實際結果吻合較好，驗證了數值模擬的可靠性。

超超臨界鍋爐；對沖燃燒；數值模擬

隨著電力技術的快速發展，近年來投產了一批1 000 MW超超臨界燃煤發電機組。為實現煤粉的高效燃燒、低 NOx排放，減少受熱面熱偏差等，前后墻對沖旋流燃燒方式逐漸成為主流〔1－2〕。以DG－3033/26.15－Ⅱ1型前后墻對沖燃燒鍋爐為研究對象，采用fluent軟件建立數學模型，進行數值模擬，并將部分模擬結果與實際情況進行對比分析。

1 設備概述

1.1 鍋爐設計參數

DG－3033/26.15－Ⅱ1型超超臨界參數變壓直流鍋爐，為一次再熱、單爐膛、前后墻對沖燃燒、尾部雙煙道、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構 Π 型鍋爐。鍋爐高度為63.325 m，寬度為33.973 4 m，深度為15.558 4 m，折焰角拐點處標高為55.802 3 m，鍋爐主要設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數

1.2 燃燒設計概述

鍋爐燃燒器采用DBC－OPCC型低NOx燃燒器，該燃燒器將燃燒用空氣分為4個部分，一次風、內二次風、外二次風 (也稱三次風)和中心風。燃燒器共有3層，從下往上分別布置在標高21.868 7 m，27.688 5 m和33.508 3 m處，每層前后墻各布置有8個燃燒器，標高37.2 m處前后墻各布置2個側燃盡風噴口，標高38 m和41.656 m處前后墻各布置2層共32個燃盡風噴口，燃燒器噴口布置及氣流旋轉方向如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒器布置及氣流旋向前視圖

1.3 設計煤種數據

鍋爐設計煤種數據如表2所示。

表2 鍋爐設計煤種數據

2 數學模型及計算條件

2.1 網格劃分

根據爐膛的結構特點，將爐膛劃分為3個區域，即下部冷灰斗區域、中部燃燒區域和燃燒器上方區域，在3個區域均采用結構化網格進行劃分，對燃燒器出口附近采用網格加密處理，便于更為準確的模擬該區域的流動。由于燃燒器出口存在擴口，在網格劃分過程中，通過調整此區域網格流線方向，使其與實際氣流方向盡可能保持較小夾角，防止偽擴散的產生〔3－4〕。由于爐頂折焰角上方的屏式過熱器對于爐膛燃燒的影響較小，對于對沖鍋爐的氣流運動影響也較小，文中并未畫出屏式過熱器，以簡化物理模型。爐膛結構和網格分布如圖2所示，最終統計爐膛網格數量約為145萬。

2.2 數學模型

爐膛內煤粉的燃燒涉及氣相湍流流動與換熱、煤粉顆粒運動、揮發分析出與焦炭燃燒、氣固兩相及水冷壁之間換熱等〔5〕。在本文中，氣相湍流流動采用帶旋流修正的Realizable k-epsilon模型；氣相湍流燃燒采用混合分數/概率密度函數模型；輻射傳熱計算采用P1模型；顆粒運動采用隨機軌道模型；煤粉燃燒過程中的化學反應以及各組分的輸送采用非預混燃燒模型；煤粉揮發分析出采用單速率模型〔6－7〕；焦炭燃燒計算采用動力/擴散控制反應速率模型；對于近壁區域采用標準壁面函數計算。

巴烏是音樂教學中常用的樂器，它音域較窄，簡單易學，在教學過程中，老師先讓學生熟悉巴烏的十個音節，知道是低音，1 2 3 4 5 6是中音，并讓學生在巴烏上找出各個音對應的位置，然后音樂老師再進行示范演奏，讓學生模仿自己吹奏單音，從低音到中音進行逐一體驗式練習，培養學生的音高概念和識譜能力，正所謂“冰凍三尺非一日之寒”，再有天賦的學生也要通過反復操練才能把握好音調的高低和演奏的節奏。小學生樂器的學習不能過于死板，老師要以組織游戲的方式進行樂器的教學，寓教于樂是促進學生學習積極性的重要手段，同時也讓他們感受到學習巴烏演奏的樂趣。

圖2 爐膛結構和網格分布

2.3 邊界條件的設置

該模擬工況為采用設計煤種，額定負荷下鍋爐燃燒狀況，其中投運磨煤機為BCDEF。燃燒器入口的邊界條件按照額定工況下的設計值進行設置，均采用速度入口邊界條件，具體情況如表3所示。爐膛出口設置為自由流出(outflow)條件。水冷壁采用無滑移，溫度邊界添加，根據實際運行情況，在額定負荷時，水冷壁平均溫度為400℃。煤粉顆粒直徑分布遵循Rosin-Rammeler分布，最小直徑為5 μm，最大直徑為250 μm，平均直徑為55 μm，分布指數為1.1。

表3 燃燒器入口邊界條件設置

3 數值模擬結果及分析

根據以上邊界條件進行設置后，模擬結果顯示，鍋爐爐膛出口含氧量為2.95%，飛灰含碳量為1.48%。根據電廠化驗數據顯示，在額定負荷，燃用設計煤種時，省煤器出口含氧量為2.89%時，飛灰含碳量為1.83%，模擬數據與實測數據吻合較好。這表明，本文采用的數學模型及邊界條件設置能夠合理地模擬該鍋爐的內部流動、傳熱和燃燒特性。

3.1 爐膛溫度分布

如圖3所示為爐膛的截面溫度分布，其中左側圖為距離前墻1.25 m處的截面分布，右側圖為距離右墻15 m處的縱截面溫度分布。從圖中可以看出，高溫區域位于第1層燃燒器和燃盡風區域。由于對沖鍋爐的燃燒器布置特點，實際運行表明，靠近左右側墻附近溫度比較高，此區域容易出現高溫腐蝕和結渣現象，這與模擬結果相一致。

圖3 爐膛截面溫度分布

圖4 所示為現場采用紅外高溫計測量不同高度爐膛溫度最高值，與相同部位最高模擬值進行對比。其中標高21～34 m分別為1—3層燃燒器高度，標高41 m為最上層燃盡風高度，標高56 m為折焰角部位。從圖4可以看出，實測值與模擬值在溫度分布趨勢上較為一致，從第1—3層燃燒器區域，爐膛溫度逐漸下降，表明燃燒器區域處于欠氧燃燒狀態，在燃盡風區域補入充足氧氣后，煤粉得以充分燃燒，因此最上層燃盡風區域爐膛溫度會有上升趨勢。

圖4 沿高度方向爐膛溫度實測值與模擬值對比

3.2 爐膛氧量分布

如圖5所示為爐膛的截面氧量摩爾分數分布，其中左側圖為距離前墻1.25 m處的截面分布，右側圖為距離右墻15 m處的縱截面分布。從左側圖可以看出，沿高度方向，第1層燃燒器區域氧量較低，第2，3層燃燒器區域氧量較高；在燃盡風區域，氧量呈現中間高、兩邊低的特點。從右側圖可以看出，在爐膛中心方向，氧量偏低，在燃盡風高度，氧量已經比較充分，煤粉顆粒得以充分燃盡，這與溫度場分布和計算飛灰含碳量結果較為吻合。計算得到的氧量濃度分布較為合理，因此采用的燃燒模型較為準確。

圖5 爐膛截面氧量摩爾分數分布

4 結論

1)采用合理的數學模型，對1 000 MW超超臨界對沖燃燒鍋爐進行數值模擬，模擬結果與實際相比，飛灰含碳量計算值與實際運行值較為符合，表明在該工況下，數值模擬結果準確性良好。

2)爐膛溫度模擬結果顯示，沿高度方向，各層燃燒器 (燃盡風)最高溫度與實測最高溫度分布趨勢較為一致，說明燃燒溫度場的模擬結果較為合理可信。

3)爐膛氧量模擬結果顯示，在燃盡風寬度方向，氧量分布呈現中間高兩邊低的特性。燃盡風高度，氧量較為充分，這與溫度場分布和計算飛灰含碳量結果較為吻合，說明氧量場模擬結果較為合理。

〔1〕李德波，宋景慧，徐齊勝，等.660 MW超超臨界旋流對沖燃煤鍋爐NOx分布數值模擬 〔J〕.動力工程學報，2013，33(12): 913-919.

〔2〕匡江紅，曹漢鼎，林碧玉.旋流燃燒鍋爐爐內溫度場優化的數值研究 〔J〕.動力工程，2009(7):613-617.

〔3〕王志剛，禚玉群，陳昌和，等.四角切圓鍋爐流場偽擴散效應網格的研究〔J〕.中國電機工程學報，2007，27(5):22-27.

〔4〕DE VAHL DAVIS G，MALLINSON GD.An evaluation of upwind and central difference approximations by a study of recirculating flow〔J〕.Computers＆Fluids，1976，4(1):29-43.

〔5〕方慶艷，汪華劍，陳剛，等.超超臨界鍋爐磨煤機組合運行方式優化數值模擬 〔J〕.中國電機工程學報，2011，31(5):1-6.

〔6〕WARZECHA PIOTR，BOGUSLAWSKI ANDRZEJ.Simulations of pulverized coal oxy－combustion in swirl burner using RANS and LES methods〔J〕.Fuel Processing Technology，2014(119) 130-135.

〔7〕劉建全，孫保民，張廣才，等.1 000 MW超超臨界旋流燃燒鍋爐穩燃特性數值模擬與優化 〔J〕.中國電機工程學報，2012，32(8):19-27.

1 000 MW ultra-supercritical boiler hedge combustion numerical simulation

WANG Dundun，LEI Lin，LYU Dangzhen，CHEN Xun

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，the temperature and oxygen content field of 1 000 MW ultra-supercritical hedge combustion boiler are simulated by using fluent software，and some simulation results are compared with actual operation parameters.The conclusions show that the numerical simulation results are in good agreement with the actual result，which verifies the reliability of numerical simulation.

ultra-supercritical boiler；hedge combustion；numerical simulation

TM229.6

B

1008-0198(2015)05-0020-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.005

2015-04-08