典型旋流燃燒器低負荷穩燃特性試驗

周 科，成汭珅，解 冰，張廣才，劉 輝

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

中國是燃煤大國，燃煤發電總裝機容量位居全世界第一。近年來，隨著中國能源戰略的調整，風電、光伏等可再生能源發電技術得到了迅猛發展。但受風電、光伏發電隨機性、間歇性較強的影響，其大規模并網給電網的安全穩定運行帶來了不良影響，各地均存在不同程度棄風、棄光的現象[1]。為提高可再生能源的消納能力，承擔著全國70%以上發電電量的火電機組須承擔電網的調峰任務，實施深度調峰的電廠目標是將原最低發電負荷由約50%額定負荷降至35%額定負荷以下[2]。

鍋爐低負荷穩燃能力是限制機組調峰深度的重要因素，其影響因素包括煤種、燃燒設備、運行參數等[3-6]。針對現役機組鍋爐，在煤質、燃燒設備不變的情況下，如何通過運行參數調整提升其低負荷穩燃能力是目前大多數深度調峰電廠關注的重點。與直流燃燒器相比，旋流燃燒器可調參數更多，包括燃燒器旋流強度、風量配比等。已有的研究表明，旋流燃燒器二、三次風旋流強度等關鍵參數對鍋爐NOx、CO的生成以及鍋爐燃燒效率有重要影響[7-10]。也有學者借助冷態燃燒器試驗臺架研究旋流強度等參數對燃燒器噴口流場的影響，進而分析其低氮性能及防結焦性能等[11-14]。但是，針對旋流燃燒器二、三次風旋流強度、風量配比等關鍵參數對其穩燃性能影響的相關研究卻相對較少。

本文以某典型低氮旋流燃燒器為試驗對象，通過冷態、熱態臺架試驗和數值模擬，研究了燃燒器三次風旋流強度對噴口流場、溫度場及NOx、CO生成特性的影響，獲得了適應于鍋爐低負荷穩燃的最佳三次風旋流強度，并在660 MW機組燃煤鍋爐上進行了現場試驗。

1 試驗臺架與方法

1.1 低氮旋流燃燒器

本文研究對象為某鍋爐廠設計制造的低氮旋流燃燒器，燃燒器結構示意如圖1所示。

圖1 燃燒器結構示意Fig.1 Schematic diagram of the boiler structure

該型燃燒器采用了單噴口分級燃燒設計，分為一次風、二次風、三次風；其中一次風和二次風為直流，三次風為旋流，燃燒器二次風和三次風擴口與軸向中心線的夾角為45°。三次風旋流葉片角度，即旋流葉片與軸向中心線的夾角，可在0°~90°范圍內調節，0°時旋流強度最弱，90°時旋流強度最強。

1.2 冷態臺架試驗

冷態試驗系統如圖2所示。主要由燃燒器、風機、示蹤粒子、攝像機、二維粒子成像測速系統（PIV）等組成。燃燒器按照660 MW機組實物燃燒器4:1比例縮小制成。試驗過程中，合理設置一、二、三次風速，保證冷態試驗系統進入自模化區，且一、二、三次風動量比與燃燒器設計值相等。采用PIV系統對流場進行測量時，示蹤粒子選取跟隨性和反光性較好的滑石粉，通過高速攝像機拍攝不同三次風旋流角度下一次風噴口示蹤粒子運動軌跡，從而獲得噴口流場和速度分布。同時，開展三次風火花示蹤試驗，通過攝像機直觀拍攝燃燒器噴口氣流形狀。冷態工況下主要進行了三次風旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60° 4組工況的流場測試。

圖2 冷態試驗系統Fig.2 The cold test system

1.3 熱態臺架試驗

熱態試驗系統如圖3所示。試驗系統由低氮燃燒器、送風機、引風機、給粉裝置、燃燒室及其輔助設備構成。熱態試驗燃用干燥無灰基揮發分39.19%、收到基低位發熱量24.26 MJ/kg的煙煤。設計給粉量為180 kg/h，給粉機采用螺旋給粉，給粉量由變頻電機來調節。爐膛出口煙氣經燃燒室出口的笛形管抽取，經煙氣前處理器處理后送入NOVA4000煙氣分析儀中進行O2、CO、NO等煙氣成分分析。熱態工況下主要進行了三次風旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60° 4組工況下的燃燒試驗，試驗期間維持燃燒器室出口過量空氣系數均為1.02。

圖3 熱態試驗系統Fig.3 The thermal test system

1.4 熱態數值模擬

本文采取CFD數值模擬軟件對煤粉在低氮旋流燃燒器中燃燒過程進行模擬，選用Realizablek-ε模型為熱態時氣相湍流流動的計算模型，選用離散相（DPM）模型作為模擬旋流燃燒器熱態離散相模型，采用兩步競爭反應模型來模擬揮發分的析出，采用非預混PDF模型來描述煤粉燃燒過程中氣相的燃燒過程，采用動力/擴散速率模型來模擬焦炭的燃燒過程，采取DO模型作為輻射模擬模型。網格采用放射狀的網格結構，燃燒器網格數量均為95萬，將一次風、二次風設為速度入口邊界，三次風設為質量入口邊界，出口邊界為壓力出口。模擬計算采用的煤質數據與熱態試驗煤質數據相同，煤粉和空氣的流量以及溫度等邊界條件均根據熱態試驗工況設置。

2 試驗結果與分析

2.1 三次風旋流強度對燃燒器噴口流場分布的影響

圖4—圖7分別給出了燃燒器三次風旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時，冷態工況下PIV測試系統所獲得的燃燒器噴口流場和速度場分布。試驗過程中，各工況總風量和一次風率維持不變。

由圖4可見，當燃燒器三次風旋流葉片角度為20°時，三次風旋流強度較弱，一次風剛性較強，大部分一次風沿主氣流方向運動，只有小部分一次風被三次風卷吸，噴口氣流在PIV視場橫坐標280 mm兩側附近形成“渦流”，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區域延續至距離噴口310 mm處。

由圖5可見，當燃燒器三次風旋流葉片角度為40°時，三次風旋流強度加強，一次風受三次風的卷吸增加，噴口氣流在PIV視場橫坐標250 mm附近形成“渦流”，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區域仍延續至距離噴口310 mm處，但噴口整體流速有所降低。

圖4 三次風旋流角度20°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.4 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 20°

圖5 三次風旋流角度40°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.5 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 40°

圖6 三次風旋流角度50°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.6 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 50°

圖7 三次風旋流角度60°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.7 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 60°

由圖6可見，當燃燒器三次風旋流葉片角度為50°時，三次風旋流強度繼續加強，一次風受三次風的卷吸回流量增大，噴口高速氣流明顯減少，噴口氣流在PIV視場橫坐標200 mm兩側附近形成明顯大的“渦流”，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區域縮短至距離噴口240 mm左右，噴口流速明顯降低，一次風與二、三次風氣流混合明顯增強。

由圖7可見，當燃燒器三次風旋流葉片角度為60°時，三次風旋流強度加強，一次風受三次風的卷吸反而削弱，一次風剛性增強，PIV視場內橫坐標兩側“渦流”消失，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區域反而延長至距離噴口600 mm左右，一次風與二、三次風的混合削弱。

圖8給出了冷態工況下燃燒器不同三次風旋流葉片角度下的噴口火花示蹤軌跡。由圖8可見：當燃燒器三次風旋流葉片角度為20°時，氣流形狀狹長，噴口氣流擴展角在80°左右；當三次風旋流葉片角度為40°時，氣流形狀變得短粗，包裹較好，噴口氣流擴展角增大至100°左右；當三次風旋流葉片角度為50°時，噴口火焰擴展角增大至120°左右，氣流包裹非常好，有利于熱態工況下煤粉穩定著火；而當三次風旋流葉片角度增加為60°后，噴口氣流擴展角接近180°，三次風與一次風氣流分離，出現了“飛邊”現象，三次風在燃燒器出口形成開放氣流，卷吸能力反而削弱，熱態工況下這部分風不能有效參與燃燒，不利于煤粉的穩定燃燒。

圖8 不同三次風旋流葉片角度下燃燒器噴口火花示蹤Fig.8 The spark tracing of burner nozzle at different tertiary air blade angles

2.2 三次風旋流強度對CO、NOx生成特性影響

圖9給出了不同三次風旋流葉片角度下低氮旋流燃燒器在1.2 MW熱態試驗臺燃燒所生成的CO和NO濃度（體積分數）。當燃燒器三次風旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時，燃燒室出口CO濃度平均分別為4 780、3 519、3 201、5 200 μL/L，NO濃度平均分別為119、140、151、129 μL/L。隨著三次風旋流葉片角度增加，燃燒室出口CO生成濃度呈先降低后增加的趨勢，NO生成濃度則呈先增加后降低的趨勢。當燃燒器三次風旋流葉片角度為50°左右時，燃燒室出口CO生成濃度最低，NO生成濃度最高，說明此時煤粉在燃燒室內燃燒相對充分，著火最為穩定。

圖9 不同三次風旋流葉片角度下CO和NO生成濃度Fig.9 The concentrations of CO and NO generated at different tertiary air blade angles

2.3 三次風旋流強度對燃燒器噴口溫度場分布影響

圖10給出了三次風旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時，CFD軟件模擬獲得的低氮旋流燃燒器在1.2 MW熱態試驗臺燃燒室內溫度分布情況。由圖10可見：當燃燒器三次風旋流葉片角度為20°時，溫度高于1 600 K的高溫區域距離燃燒器噴口為1.8 m左右；當燃燒器三次風旋流葉片角度為40°時，溫度高于1 600 K的高溫區域距離燃燒器噴口為1.5 m左右；當燃燒器三次風旋流葉片角度為50°時，溫度高于1 600 K的高溫區域距離燃燒器噴口為1.4 m左右；當燃燒器三次風旋流葉片角度為60°時，溫度高于1 600 K的高溫區域距離燃燒器噴口為1.8 m左右。可見，隨著燃燒器三次風旋流葉片角度增加，溫度高于1 600 K的高溫區域離噴口距離呈現一個先變近后變遠的趨勢，當燃燒器三次風旋流葉片角度為50°左右時，溫度高于1 600 K的高溫區域距離燃燒器噴口最近，此時對應燃燒室4.5 m處的截面平均煙氣溫度也最高，為1 774 K，說明燃燒器三次風旋流葉片角度為50°左右時，風粉混合最強，燃燒最為劇烈，燃燒器穩燃性能最佳。

圖10 不同三次風葉片角度下燃燒器出口溫度場分布Fig.10 The distribution of temperature field at the burner outlet with different tertiary air blade angles

2.4 鍋爐現場低負荷穩燃試驗結果

為驗證燃燒器三次風旋流葉片角度50°時鍋爐的穩燃性能，在某配置有同類型燃燒器的660 MW機組前后墻對沖燃燒鍋爐上開展了低負荷穩燃試驗。該鍋爐日常運行最低不投油穩燃負荷為35%額定負荷，三次風旋流葉片角度為0~30°。

鍋爐低負荷穩燃試驗首先在燃燒器原始三次風旋流葉片開度下進行，投運底層2臺磨煤機，最低降至25%額定負荷（165 MW），此時煤量74.8 t/h，運行氧量9.24%，測得燃燒器噴口平均溫度為1 214 ℃，有2只燃燒器火檢信號強度在60%~100%之間波動，爐膛負壓波動±150 Pa；相同條件下，將燃燒器三次風旋流葉片角度緩慢調整至50°，測得燃燒器噴口平均溫度為1 246 ℃，火檢信號明顯改善，爐膛負壓波動降至±100 Pa以內；逐漸減少煤量至58.8 t/h，鍋爐負荷降至20%額定負荷（132 MW），測得燃燒器噴口平均溫度為1 204 ℃，燃燒器火檢信號強度基本無閃爍，爐膛負壓波動仍維持±100 Pa以內，鍋爐在132 MW負荷下穩定運行3 h，說明燃燒器三次風旋流葉片角度調整后，可以在20%額定負荷下無助燃穩定運行，鍋爐低負荷穩燃能力明顯提升。

3 結 論

1）冷態流場試驗表明，三次風旋流葉片角度從20°增加至50°，旋流加強，燃燒器噴口氣流回流量增加，卷吸能力增強，當三次風旋流葉片角度增加至60°以后，燃燒器噴口氣流出現飛邊現象。

2）熱態數值模擬試驗表明，三次風旋流葉片角度為50°左右時，高溫煙氣離燃燒器噴口最近，約為1.4 m。

3）熱態燃燒試驗表明，三次風旋流葉片角度為50°時，其CO生成濃度最低，NOx生成濃度最高。

4）適應于鍋爐低負荷穩燃的最佳三次風旋流葉片開度為50°左右，并在某660 MW機組鍋爐上進行了驗證，效果良好。