超臨界墻式切圓鍋爐低負荷燃燒特性

2023-10-20 01:43:36高愛國

潔凈煤技術 2023年10期

尤默,陳磊,尚勇,高愛國,蘇勝,向軍

(1.國網冀北電力有限公司華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100101;2. 華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室,湖北武漢 430074)

0 引言

2022年1月,國家發改委和能源局印發《“十四五”現代能源體系規劃》中指出要全面實施火力發電廠靈活性改造,提高深度調峰能力[1]。為實現國家雙碳目標,未來低負荷(30%額定負荷及以下)運行將成為大型燃煤火電機組的運行常態。

目前國內大型煤粉鍋爐70%以上采用切圓燃燒方式[2],切圓燃燒主要特點是爐內火焰充滿度較好,氣粉混合強烈,著火條件好,可形成穩定的燃燒環境,有利于煤粉的穩定燃燒及燃盡[3-5]。按布置方式,切圓燃燒可分為四角切圓和墻式切圓2種。與傳統四角切圓燃燒相比,墻式切圓燃燒具有射流剛性強,射流兩側補氣條件好,火焰充滿度好、熱負荷分布均勻、煙溫偏差小等優點[6-9]。

綜上所述,鍋爐低負荷下爐內的流動和燃燒特性發生較大變化,對鍋爐燃燒的穩定性產生一定影響,然而,目前針對切圓燃燒,尤其是墻式切圓燃燒鍋爐在低負荷條件下燃燒組織方式對爐內燃燒特性的相關研究還較少,因此以典型的660 MW超臨界墻式切圓燃燒煤粉鍋爐為研究對象,系統研究鍋爐不同燃燒組織方式對鍋爐30%低負荷下燃燒特性的影響,為該類型超臨界機組低負荷下運行提供基礎與參考。

1 研究對象

研究對象為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造的HG-2210/25.4-YM16型600 MW超臨界鍋爐。該鍋爐為一次再熱、超臨界壓力變壓運行、不帶再循環泵直流鍋爐,鍋爐采用單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π型布置。鍋爐寬度19.08 m、深度19.08 m、高度59.60 m,其主要設計參數見表1。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統,配6臺ZGM113G-Ⅱ型磨煤機,鍋爐最大連續運行(BMCR)工況運行時5臺磨運行,1臺備用。鍋爐燃用煤種的煤質特性見表2。

表1 鍋爐主要設計參數Table 1 Main design parameters of the boiler

表2 煤質分析Table 2 Analysis of the coal properties

鍋爐采用水平濃淡燃燒器、分級燃燒以及分離燃盡風(SOFA)的低NOx燃燒技術。燃燒器共分3組,如圖1所示。其中下2組為主燃燒器,布置于4面墻上,形成墻式切圓;最上組為SOFA燃燒器,布置于主燃燒器區上方水冷壁4個角上,實現分級燃燒以降低NOx排放。SOFA燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線夾角分別為42°和48°,形成四角切圓。為削弱爐膛出口煙氣旋轉殘余,減小爐膛出口煙溫偏差,SOFA燃燒器可進行±12°的水平擺動。燃燒器采用大風箱結構,由隔板將大風箱分隔成若干風室,共設6層水平濃淡煤粉噴口,4層分離型SOFA風室。

圖1 鍋爐燃燒器布置示意Fig.1 Schematic diagram of the boiler′s burner arrangement

2 數值計算方法

2.1 建模與網格劃分

依據鍋爐尺寸進行了1∶1建模,并適當簡化鍋爐結構。模型選取從冷灰斗到爐膛出口做為計算區域,并對計算區域進行網格劃分。為提高計算準確性,對主燃燒區和燃盡風區域采用結構化網格進行局部加密處理,減少偽擴散影響。爐膛網格劃分如圖2所示。研究過程中,進行網格無關性檢查后,確定的網格總數約278萬個。

圖2 鍋爐網格劃分Fig.2 Grid division of the boiler

2.2 模型與邊界條件

煤粉燃燒是一個復雜的物理、化學反應過程,包括氣固兩相流動等物理過程和燃燒、傳熱傳質等化學過程。研究過程中,針對煤粉鍋爐的非預混燃燒過程,氣相湍流流動采用標準k-ε湍流模型,輻射換熱模型采用了P-1模型,煤粉顆粒運行采用隨機軌道模型,熱解采用雙平行競爭反應模型,揮發分燃燒采用混合分數-概率密度函數模型,焦炭燃燒采用動力學-擴散反應速率模型,采用SIMPLIC算法對壓力-速度耦合進行求解[17-20]。

模擬計算過程將主燃燒器一、二次風噴口和SOFA風噴口設置為速度入口邊界條件;爐膛出口采用壓力出口邊界條件;爐膛壁面及冷灰斗采用無滑移恒溫邊界條件;模型輸入煤質與鍋爐的實際燃用煤質保持一致,煤粉顆粒的粒徑分布滿足Rosin-Rammlar分布,最小粒徑10 μm,最大粒徑250 μm,平均粒徑56 μm,分布指數為1.15。

2.3 模型驗證

為驗證模型與模擬結果準確性,在相同負荷和配風方式下,對鍋爐進行了相關試驗與測量,并對比模擬結果。90%和50%負荷時鍋爐相關運行參數平均值見表3,90%和50%負荷下爐膛出口參數的試驗結果平均值與模擬結果對比見表4。

表3 90%和50%負荷鍋爐運行參數(平均值)Table 3 Boiler operating parameters under 90% load and 50% load(average value)

表4 90%和50%負荷試驗結果與模擬結果對比Table 4 Comparison between test results and simulation results under 90% and 50% load

由表4可知,爐膛出口O2濃度以及飛灰含碳量模擬結果與試驗結果相對誤差均小于5%,說明研究過程中選擇的數值模型及網格劃分滿足模擬計算研究準確性要求,模擬結果與試驗數據產生誤差的原因是由于模擬過程中針對爐膛結構進行了適當簡化,另一方面考慮到煤粉燃料的復雜性,針對煤粉燃料的粒徑及相關反應參數等也做了適當的假設。然而,模擬與試驗結果對比表明,本文采用模型可較好模擬爐內的流動及燃燒特性,并可用于后續的鍋爐低負荷下燃燒特性研究。

今年2月，原浙江省國土資源廳組織開展礦地綜合開發利用采礦權試點工作，吳興區以此為契機，在原有基礎上，深入排摸研究，積極申報試點，努力探索出一條資源開發、礦地利用和生態保護協調發展的新路子。下面以吳興區埭溪鎮美妝小鎮小羊山場平工程、湖州里魚山礦業有限公司妙西鎮大山頂礦兩個試點項目為例介紹一下吳興區對礦地統一規劃、綜合開發、高效利用的資源統籌開發利用模式的探索情況。

2.4 鍋爐低負荷模擬工況參數

為研究鍋爐在低負荷下的燃燒組織方式以及燃燒特性,結合鍋爐運行條件,針對鍋爐30%負荷下燃燒過程開展數值模擬研究,具體參數見表5。

表5 30%負荷下模擬工況參數Table 3 Simulation conditions under 30% load

30%負荷工況下鍋爐不同燃燒組織運行方案見表6。在30%負荷工況下,開啟不同的一次風煤粉燃燒器噴口,同時開啟對應的二次風噴口,所有工況燃盡風均開啟第1層,通過研究不同一、二次風配風方式,分析其對低負荷鍋爐燃燒性能的影響。

表6 30%負荷下不同配風工況設置Table 6 Air distribution conditions under 30% load

3 結果與分析

3.1 速度場分布

爐內良好的空氣動力場是低負荷下煤粉著火和穩燃的重要條件。30%負荷時不同工況下爐膛縱截面的速度分布如圖3所示,不同配風方式下爐膛速度分布存在差別,其中工況1和工況2爐膛整體速度分布更均勻,有利于保持氣流的持續流動以及煤粉的充分混合。圖4為不同工況下C層燃燒器水平截面速度分布,可知不同工況下爐內均能形成完整的切圓流場,可使氣流充滿爐膛,在爐膛中心存在一個低速區域,維持在4 m/s左右;從一次風噴口出來的氣流衰減速度較慢,射流剛性合適。對比圖4中5種工況切圓流場可知,工況2的切圓大小合適,可使氣流充滿整個爐膛,有利于保持爐膛內氣流的旋轉動量,使煤粉與空氣的充分混合與燃燒。

3.2 溫度場分布

不同工況下爐膛縱截面溫度分布情況如圖5所示,可知在低負荷條件下爐膛高溫區域主要集中在主燃燒器區域。不同工況下,由于運行的一次風煤粉燃燒器不同,溫度場分布也存在差異。對比圖5可知,工況1、2、4的爐內溫度分布更均勻,爐膛中心溫度達1 500 K以上,局部溫度維持在1 700～1 800 K,煤粉在高溫條件下燃燒時間長,燃燒更充分。工況3和5分別開啟A、B層和B、C層相鄰燃燒器,模擬結果表明高溫區域僅聚集在爐膛下部,爐內溫度分布不均勻,爐膛中心溫度偏低,這不利于爐內煤粉的充分燃燒以及保持低負荷下鍋爐主蒸汽參數。

不同工況下運行的下層煤粉燃燒器水平截面的溫度分布如圖6所示,工況1、2和4可以較好維持的切圓燃燒,溫度場的變化趨勢基本一致,煤粉射流在離開燃燒器噴口后可快速著火,到達一定距離后溫度最高,最高溫度可達1 700 K,這與相關學者的研究結果吻合度較高[21]。工況3和5的切圓燃燒狀態較差,最高火焰溫度僅1 600 K,且煤粉離開燃燒器噴口后射流剛性明顯下降。進一步對比圖6中工況1、2和4的溫度分布可知,3種工況下形成的切圓燃燒爐膛充滿度較好,但工況1爐膛壁面附近火焰溫度偏高,存在一定程度的火焰刷墻現象,工況2爐膛的火焰中心溫度較工況4高200 K,形成明顯的“風包粉”燃燒狀態,有利于煤粉穩定燃燒及燃盡。

圖6 不同工況下各層燃燒器水平截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of horizontal section of burners under different working conditions

3.3 氧濃度分布

不同工況下爐膛縱截面氧濃度分布情況如圖7所示,可知工況2下爐膛主燃燒區域氧濃度相較于工其他工況偏低,且氧濃度分布沿爐膛高度方向分布較均勻,這表明工況2條件下氧量消耗更迅速,煤粉在爐膛燃燒更為充分。

不同工況下C層燃燒器水平截面的氧濃度分布如圖8所示。從氧氣濃度分布來看,沿射流方向,氧氣濃度呈逐漸下降趨勢,由于煤粉氣流到達燃點后與空氣發生劇烈的化學反應,使燃燒器噴口附近的氧濃度梯度較大,氧氣濃度迅速降低,氧氣濃度較低的區域也是溫度高的區域,這與溫度分布趨勢基本一致。對比模擬結果可知,5種工況中工況2的氧濃度下降梯度更明顯,表明煤粉在離開噴口后可及時迅速的著火燃燒,同時在爐膛火焰中心處,存在較高氧濃度場,保證煤粉后續穩定燃燒。

3.4 低負荷穩定燃燒特性分析

30%負荷時不同工況下的煙氣平均溫度沿爐膛高度的分布情況如圖9所示。可知在不同工況下爐內溫度變化基本一致,隨爐膛高度增加,煙氣平均煙溫快速升高,在主燃區與燃盡風區域之間達到峰值。此外,由圖9可知,工況1、2爐膛整體平均溫度相比其他3種工況高,其中工況2更顯著,這是因為工況2下通過運行鍋爐底層(A層)燃燒器并進行合理配風,使煤粉與空氣充分混合和著火,燃燒器底層二次風的開啟有效托住了相鄰的一次風煤粉氣流,保證爐膛火焰不會向下偏移,同時C層燃燒器開啟,使爐膛內溫度分布更均勻,爐內熱負荷分布更加合理,保證低負荷條件下鍋爐主蒸汽參數達到設計參數。不同工況下爐膛出口煤粉的燃盡率對比見表7,可知工況2條件下煤粉燃盡程度最高。

表7 30%負荷下爐膛出口燃盡率Table 7 Furnace outlet burnout rate under 30% load

結合上述模擬得到的不同工況條件下爐內的流場、溫度場及氧濃度分布特性可知,工況2條件下爐內形成理想的切圓流場并保持爐膛內氣流旋轉動量;同時,爐內氧量消耗迅速,煤粉燃燒迅速,形成明顯的“風包粉”燃燒狀態,這均有利于低負荷下鍋爐的穩定燃燒及燃盡。

3.5 鍋爐低負荷燃燒性能試驗驗證

根據上述模擬計算與分析結果,按工況2的燃燒組織與運行策略,針對該鍋爐進行了30%低負荷下運行試驗與測量,鍋爐試驗過程參照GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規程》,其結果見表8。試驗結果表明,采用工況2條件下燃燒組織與配風策略,保證30%低負荷條件下鍋爐穩定燃燒及各項主蒸汽參數達到運行要求。同時鍋爐試驗結果表明鍋爐實際出口氧氣體積分數約為8.10%,出口煙溫約1 053 ℃,模擬與試驗結果對比見表9,誤差均在5%以內。試驗結果驗證了模擬的低負荷下鍋爐燃燒組織方式的合理性,同時表明不同燃燒組織方式對墻式切圓鍋爐低負荷下燃燒特性存在顯著影響,實際運行時應當充分考慮和制定合理的優化運行方案。