燃燒器布置對1 000 MW鍋爐熱偏差的影響

劉　輝， 曹慶喜， 韓　冰， 沙　龍， 譚佳健， 秦　明， 陳力哲， 吳少華

(1. 哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001； 2.沈陽鼓風機集團股份有限公司研究院， 沈陽 110869)

燃燒器布置對1 000 MW鍋爐熱偏差的影響

劉輝1， 曹慶喜1， 韓冰1， 沙龍2， 譚佳健2， 秦明1， 陳力哲1， 吳少華1

(1. 哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001； 2.沈陽鼓風機集團股份有限公司研究院， 沈陽 110869)

摘要:為改善單爐膛雙切圓鍋爐燃燒器墻式布置時爐內形成“冷熱角”、易結渣的問題，提出一種新型燃燒器布置方式. 利用Fluent軟件模擬一臺1 000 MW超超臨界鍋爐燃燒器布置對爐內流場和爐膛上部受熱面熱偏差的影響. 結果表明，燃燒器采用半墻式半角式布置方式可以有效改善爐內的斜橢圓流場，降低前墻中部區域的溫度，同時使火焰中心上移，屏底溫度增加；氣流旋轉動量的增大導致切向速度提升，切圓直徑增大，爐內氣流有偏向側墻的趨勢. 對于爐膛出口各截面的煙氣速度、溫度分布不均勻性和爐膛上部受熱面熱偏差增加問題，可以采用燃盡風偏轉等措施來減小熱偏差.

關鍵詞:超超臨界；鍋爐；雙切圓燃燒；殘余旋轉；熱偏差

切圓燃燒是電站煤粉鍋爐廣泛采用的燃燒方式之一. 由于氣流旋轉，后期混合強烈，有利于組織燃燒. 但爐膛出口氣流存在殘余旋轉，增加爐膛出口煙氣速度、溫度分布不均，導致爐膛上部受熱面熱偏差大，由此引發了過熱器、再熱器局部超溫爆管. 單爐膛四角切圓的鍋爐容量上限為800 MW左右[1], 因此，1 000 MW超超臨界鍋爐廣泛采用單爐膛雙切圓的燃燒方式[2]，其8組燃燒器分別布置在前后墻上(簡稱墻式布置)，燃燒器射流在爐膛內形成兩個相對獨立且旋向相反的切圓流場，這種流場組織形式可以使爐膛上部的煙氣對流熱偏差和輻射熱偏差在一定程度上相互平衡和補充，進而減小爐膛出口煙氣速度、溫度分布的不均勻性[3]. 研究表明，單爐膛雙切圓鍋爐燃燒器墻式布置時爐內呈兩個斜橢圓，類似于一個倒“八”字，在爐膛角部形成“冷熱角”，在熱角區域易發生結渣[4-8]. 劉輝等[9]提出了一種新的半墻式半角式燃燒器布置方式，使燃燒器的布置更接近于正方形，以改善爐內流場呈斜橢圓形的現象和爐膛前墻“熱角”附近的結渣問題. 但燃燒器布置位置會對爐膛上部受熱面熱偏差產生影響.

本文利用計算流體力學軟件Fluent模擬某廠擬建的1 000 MW超超臨界鍋爐，研究燃燒器布置對爐膛上部各典型截面煙氣速度、溫度分布和受熱面熱偏差的影響，為實際鍋爐的設計提供指導.

1半墻式半角式燃燒器布置

如圖1所示，單爐膛雙切圓鍋爐燃燒器采用墻式布置方式時，2號、5號燃燒器射流對1號、6號燃燒器射流的沖擊作用較強，使1號、6號燃燒器射流偏轉嚴重，導致爐內形成斜橢圓形流場，1號、6號燃燒器煤粉射流直接沖向沒有低溫煙氣保護的前墻，造成前墻4號、7號燃燒器附近結渣嚴重.

圖1　墻式燃燒器布置形式下爐內流場

為了解決這一問題，將布置在爐膛前后墻上靠近爐角處的4組燃燒器(2號、3號、5號和8號)移至爐膛4角，形成半墻式半角式的燃燒器布置方式[10]，如圖2. 這種布置形式改變了各燃燒器之間的間距，使燃燒器更接近于正方形布置. 2號和5號燃燒器移至爐膛角部，其射流沖擊1號和6號燃燒器射流前的行程更長，由于速度衰減，沖擊強度有所減小. 與此同時，1號和6號射流在被沖擊前的行程也更長，更深入半爐膛中心，其射流偏斜程度也有所降低，這就減輕了煤粉氣流對爐膛前墻中心壁面的沖刷，減小了結渣的可能.

圖2　半墻式半角式燃燒器布置

2數學模型與計算方法

2.1模擬對象

某電廠擬建的1 000 MW超超臨界褐煤鍋爐采用“Π”型布置，固態排渣，露天布置，其高×寬×深為76.4 m×36.6 m×17.8 m. 設計燃用煤質元素分析見表1，鍋爐的主要設計參數見表2.

表1　煤質元素分析(收到基)　%

表2　鍋爐主要設計參數

該鍋爐采用了空氣分級燃燒技術，在主燃區上方布置了4層燃盡風，主燃區設置有10層一次風，分為上下兩組，選用WR型燃燒器，二次風與一次風相間布置，在鍋爐實際滿負荷運行時只投運9層一次風，最上層一次風處于關閉狀態.

2.2網格的劃分

網格劃分前先將結構復雜的燃燒器噴口簡化為矩形速度入口. 對主燃區進行網格劃分時，采用三角形棱柱與正交六面體網格相結合的混合網格[10]，并在噴口附近進行局部加密，采用漸進過度的方式進行疏密過渡區域劃分，以降低偽擴散引起的誤差，提高計算精度[11]. 網格劃分見圖3，網格數量為150萬左右.

圖3　單爐膛雙切圓鍋爐數值計算網格劃分

2.3數學模型

氣相湍流模型選用可實現的k-ε雙方程模型[12]，煙氣中煤粉顆粒的運動及其與氣相的耦合計算采用隨機軌道模型[13]，采用“簡化組分定義”法[14]來考慮水分的影響，揮發分析出采用雙步競爭反應模型，揮發分燃燒采用混合分數PDF法[15]，焦炭燃燒模型采用擴散動力控制燃燒模型[16]，輻射傳熱選用P1模型[17].

2.4邊界條件

模擬時將漏風、周界風等風量折算到相鄰的一、二次風噴口中，各噴口邊界條件設置見表3.

表3　各噴口邊界條件

采用速度入口作為各噴口入口邊界條件，尾部煙道出口設為壓力出口，出口壓力設為-20 Pa，使用reflect條件作為顆粒與水冷壁壁面發生碰撞時離散相的邊界條件.

3數值模擬結果與分析

在模擬過程中選取了有代表性的爐膛截面進行分析. 如圖4，截面A為折焰角喉口處水平截面；截面B為前、后屏式過熱器中間的截面；截面C為爐膛出口，位于后屏過熱器與末級過熱器之間，截面D位于末級過熱器之后.

圖4　爐膛上部受熱面與分析截面

3.1燃燒器布置對輻射受熱面吸熱的影響

圖5為不同燃燒器布置時截面A的煙氣溫度分布對比. 墻式布置時截面A的溫度分布呈斜橢圓形，其橢圓長軸指向前墻中部，其附近溫度較高，而半墻式半角式布置時截面A的高溫區不再指向前墻，整個爐膛前墻中部附近區域溫度較低. 由于半墻式半角式布置時各燃燒器射流行程均較長，同時爐內氣流整體向上運動，所以在爐內形成的高溫火焰中心位置會稍有上移，進而導致半墻式半角式布置時截面A處的溫度梯度小于墻式布置，并且截面A最高溫度值更高. 燃燒器半墻式半角式布置時截面A上的高溫區溫度更高，低溫區面積更大，溫度分布均勻性有所降低.

圖6為燃燒器兩種布置時截面B上煙氣溫度分布. 燃燒器半墻式半角式布置時由于火焰中心的上移，截面B下部半爐膛中心處的高溫區更為明顯. 同時，由于兩個切圓流場分別偏向兩側墻，爐膛中部的溫度更低，截面B的中心溫度分布明顯下凹，與截面A的溫度分布相比較，截面B煙氣溫度分布均勻性變差.

(a)墻式布置　　　(b)半墻式半角式布置

(a) 墻式布置

(b) 半墻式半角式布置

單爐膛雙切圓鍋爐呈對稱性，僅對右半爐膛屏式過熱器進行吸熱分析. 屏式過熱器屬于輻射受熱面，爐膛內高溫火焰的輻射是引起熱偏差的主要原因，由于前屏過熱器與后屏過熱器吸熱偏差左右分布趨勢基本相同，所以分析右半爐膛6片前屏過熱器吸熱分布. 圖7為右半爐膛自右墻起第1片屏至第6片屏的熱負荷分布，編號1～6. 由圖7可知，同一片屏高度方向上，隨高度增加，距離火焰中心距離越遠，接收的輻射熱量越小，熱負荷越低，煙氣溫度、煙氣與屏間的換熱量也會減小. 屏區下部受熱面對上部的遮擋作用也會影響上屏的輻射換熱.

(A)墻式布置

(B)半墻式半角式布置

沿爐膛寬度方向，位于火焰最高溫度正上方的3、4號屏的熱負荷高，向兩側方向逐漸降低. 火焰最高溫度區處于半爐膛中心，與其對應的屏輻射換熱最強烈，這就使得3、4號屏的吸熱量最多. 而1號屏的熱負荷明顯低于6號屏，這主要是因為6號屏處于對稱中心附近，同時接受兩個半爐膛高溫火焰的輻射，總吸熱量與兩個半爐膛高溫火焰共同作用有關.

受爐內及屏間溫度分布的影響，燃燒器半墻式半角式布置時，3、4號屏最大熱負荷高于墻式布置，這是因為半墻式半角式布置時截面A的半爐膛中心溫度更高，與3、4號屏的輻射換熱更強烈，而由于溫度分布的不均勻性，也使得1、6號屏的熱負荷低于墻式布置時的熱負荷. 綜上所述，半墻式半角式燃燒器布置使得爐內火焰對其上部輻射傳熱的不均勻增加.

3.2燃燒器布置對輻射-對流受熱面吸熱的影響

圖8為截面C的煙氣速度分布對比. 燃燒器半墻式半角式布置時截面C兩側的高速區最大速度值有所提升，且高速區的形狀更為狹長. 這是因為半墻式半角式布置時爐內的假想切圓直徑更大，其旋轉動量也更大，氣流在爐膛上部受慣性力的作用，導致爐內兩側墻附近的煙氣速度值增加，在慣性力的擠壓下使得高速區更加狹長. 而截面上的低速區在流場偏向兩側的影響下向水平煙道上方延伸得更多，使得水平煙道中部速度有所下降. 整體來看，燃燒器半墻式半角式布置時截面C上的速度分布不均勻性增加.

圖9為截面C的煙氣溫度分布對比. 與速度分布趨勢一致，截面C上的高溫區面積有所增大，低溫區面向水平煙道上部延伸. 與此同時，從高溫區到低溫區的溫度梯度與燃燒器墻式布置時相比明顯增加，整個截面上溫度分布的均勻性變差.

(a)墻式布置　　　(b)半墻式半角式布置

(a)墻式布置　　　(b)半墻式半角式布置

截面D的煙氣速度、溫度分布在兩種燃燒器布置下的變化情況與截面C類似，在此不再贅述. 為了更直觀通過煙氣速度和溫度的不均勻性比較對流過熱器區的熱偏差，引入速度偏差E、速度分布不均勻性系數M對煙氣速度不均勻性進行評價[18-19].

(1)

(2)

式中：Vm為所研究截面上的最大速度；σV為標準速度方差定義為

類比引入溫度偏差比G、溫度分布不均勻系數N進行綜合評價：

(3)

(4)

式中：Tm為所研究截面上的最大溫度；σT為標準溫度方差，定義為

兩種燃燒器布置方式下截面C和截面D的煙氣速度和溫度分布評價指標見表4和5. 可以看出，燃燒器半墻式半角式布置時右半爐膛的右側平均速度大于左側平均速度，且速度偏差比E比墻式布置時更大. 這是由于旋轉動量的增大導致氣流的切向速度有所提升，流場更偏向側墻. 綜上所述，燃燒器移至爐膛角部后,不同截面煙氣速度分布參數E和M以及溫度分布參數G和N都有不同程度的增大.

表4　兩種燃燒器布置下截面C和截面D煙速分布評價指標

表5　兩種燃燒器布置下截面C和截面D煙溫分布評價指標

綜上所述，半墻式半角式布置方式雖然可以很好地改善爐內斜橢圓流場，但爐膛上部各受熱面的吸熱偏差有所增加，在實際運行過程中，可以采取燃盡風偏轉等措施來減小熱偏差.

4結論

1)采用半墻式半角式燃燒器布置方式，可以有效改善爐內的斜橢圓流場，減輕了射流偏斜程度，降低了前墻中部區域溫度，同時爐內高溫火焰中心位置上移，導致屏底溫度有所增加.

2)采用半墻式半角式燃燒器布置方式，爐膛出口水平煙道的各截面兩側煙氣速度較高，中間區域的平均速度較低，煙氣的速度分布參數和溫度分布參數都有不同程度的增加. 這是由于切圓流場直徑及爐膛出口氣流殘余旋轉動量的增大造成的. 鍋爐實際運行中，可以采取燃盡風反切等措施來減小熱偏差.

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(編輯楊波)

Effects of the burner arrangement on thermal deviation of 1 000 MW boiler

LIU Hui1, CAO Qingxi1, HAN Bing1, SHA Long2, TAN Jiajian2, QIN Ming1, CHEN Lizhe1, WU Shaohua1

(1.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China)

Abstract:To solve the problems of ‘cold and hot corners’ and slagging on the hot corners when the burners of dual circle tangential firing single furnace boilers are wall-arranged, an innovated burners arrangement is proposed, and numerical simulation is carried out for a 1 000 MW ultra super-critical lignite boiler with Fluent, to acquire the influence of burner arrangements on the furnace flow field and thermal deviation of heating surfaces at the furnace outlet. The results show that the boiler using a half-wall-half-corner arrangement can effectively improve the form of the tangential flow field, decrease the temperature in the central region of front wall, but it also makes the combustion center higher and the temperature at the platen bottom higher. The increase of the airflow rotation momentum leads to the higher tangential velocity, and makes the airflow fields closer to the side walls. Both the uniformity of the flue gas velocity distributions and the temperature distributions near the furnace outlet sections decrease, but the thermal deviation of heating surfaces at the furnace outlet increase, which can be improved by some methods such as over-fire air deflection.

Keywords:ultra supercritical; boiler； dual circle tangential firing; residual rotation; thermal deviation

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.018

收稿日期:2015-11-03

基金項目:國家科技支撐計劃項目(2012BAA12B03)

作者簡介:劉輝(1972—)，男，教授，博士生導師

通信作者:劉輝，liuhui@hit.edu.cn

中圖分類號:TK224

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)07-0112-06