800MW锅炉混煤燃烧数值模拟

alwin6

800MW锅炉混煤燃烧数值模拟
李永华1，陈鸿伟1，刘吉臻1，冯兆兴2，张经武2，黄其励2
(1． 华北电力大学，河北 保定 071003   
2．国家电站燃烧工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110034）
    摘  要：采用常用的k-ε双方程模型等数学模型，对绥中发电有限责任公司800 MW锅炉改烧混煤燃烧过程进行了数值模拟。结果表明，混煤燃烧温度要低于组分煤种中煤质好的单煤，说明混煤燃烧特性介于组分煤种之间。在运行中注意调整运行方式，改烧混煤是可行的，能够安全运行。同时，k-ε双方程模型可以应用于电厂锅炉的旋流燃烧器模拟，其计算是成功的。
    关键词：混煤；燃烧；数值模拟

1  引言
    自从英国伦敦帝国科技大学教授D.B.Spalding和S.V. Patankar于1972年在第14届国际燃烧会议上正式提出炉内三维流动过程的计算机模化建议以后，随着计算机技术的发展，炉内过程的数值模拟方法得到了很大发展，在工程领域内的应用获得了巨大的成功。现在，炉内数值模拟已成为锅炉设计的重要手段之一，世界各国都加紧对炉内过程数值模化方法进行研究和开发。调峰机组低负荷稳燃、炉内结渣、污染的控制等，都需要了解炉内的燃烧、流动、温度等状况，因而炉内数值模拟计算已日益显出其重要性。本文采用常用的k-ε双方程模型等数学模型，对绥中发电有限责任公司800MW锅炉改烧混煤燃烧过程进行了数值模拟。
2  数学模型
    本文的计算选择了k-ε双方程模型作为湍流气相流动模型，两相流动采用颗粒随机轨道模型，挥发分析出采用单方程模型，气相燃烧采用扩散控制模型，焦碳燃烧采用菲尔德模型，辐射传热模型采用Monte-Carlo法。采用正交的非均匀交错网格，以及网格单元上的控制容积法对微分方程进行离散，微分方程的通用形式为：

式中  Φ为待求解的变量(如u、v等)。左边为非稳定项与对流项，右边为扩散项、源项、气固两项流相互作用产生的颗粒项。模型的详细介绍及方程求解方法见文[1]、[2]。
3        计算结果分析
3.1  工况选择
    本文以绥中电厂800MW锅炉为计算对象，锅炉为俄罗斯塔干罗格锅炉厂生产的超临界压力具有中间再热直流锅炉，共有48只旋流式煤粉喷燃器，分4层对冲布置在炉膛的左右两侧墙，每层装有12只。锅炉结构如图1所示，计算区域为折焰角以下炉膛，高度为K，宽度为I，深度为J。计算网格划分为15×48×63，主要考察燃烧混煤时炉内温度分布，以确定改烧混煤是否有结渣危险。混煤按照加权平均计算成分。共选择6个计算工况，各工况参数如表1所示。工况3为80%神华+20%平塑混煤，其余为单烧神华煤。所选择的截面位置如表2所示。
3.2  速度分布
      计算所得速度分布如图2所示。


      从图2可以看出，靠近左墙的截面2在燃烧器区域存在明显的旋转，说明利用k-ε双方程模型可以较好地模拟旋流燃烧器的流动状况，截面14的情况与此类似，计算结果符合实际情况。K=25截面速度分布反映了燃烧器对冲布置的特点，同时，气流由于在前后墙方向没有干扰，可以充分发展，所以流动形成了贴壁，造成前后墙温度要高于左右墙温度，比左右墙易结渣。这在温度场计算和实际测试过程中得到验证。沿炉膛高度方向的速度分布较好，气流得以充分发展，炉膛充满度较好。本文利用k-ε双方程模型模拟旋流燃烧器对冲布置流动特性是成功的。
3.3  温度分布
      温度分布计算结果如表3和图3所示。
    从以上结果可以看出，在相同的燃烧条件下，工况3和工况4，混煤燃烧的温度水平要低于单烧神华煤，这是因为神华煤热质高于平塑煤，所以混煤的热质低于神华煤。从煤质分析结果得到，混煤与神华煤相比，结渣特性变化不大，所以燃烧混煤的结渣可能性要小于单烧神华煤。在单烧神华煤的状态下，从计算的5个工况比较来看，工况5温度水平最低。如只改变过量空气系数，系数较小者，燃烧温度水平高，容易结渣。这是因为，在都能满足煤完全燃烧所需空气的情况下，空气量小，喷入炉膛的冷空气就少，煤的着火热就小，同时旋流燃烧器混合强烈，完全能满足煤猛烈燃烧所需要的氧气扩散量，结果是燃烧效果不变，但温度水平高。在相同的过量空气系数的条件下，一次风率不同，燃烧温度水平也有差异。一次风率高，则燃烧温度水平低。本计算所选择的两种一次风率，都是在常用范围之内。根据煤种的特点，其挥发分在26%左右，所以正常运行时所选的一次风率也是26%。第2种方案选择30%的一次风率，也在范围内。经过计算比较，后者燃烧温度低，这同样是因为一次风率低，煤粉气流的着火热低，容易着火燃烧，后期混合也强烈，所以燃烧温度水平高。对于壁面温度，前后墙要高于左右墙，所以前后墙结渣可能性比左右墙要大。这是因为燃烧器为左右墙对冲布置，旋流燃烧器混合强烈，回流区较大，对前后两侧燃烧器，其气流的回流区在靠近前后墙方向没有干扰，可以充分发展，使得气流贴近前后墙。这可由速度分布图看出，造成前后墙温度普遍高于左右墙，最高温度高20~30℃，低温要高200℃左右，前后墙壁面热流强度要高于左右墙。对于不同工况，从数值上看，温度区别不是很大。最高燃烧温度相差最大为169℃，燃烧器壁面区域温度相差最大为130℃，左右墙温度相差最大为50℃，前后墙温度相差最大为51℃，炉膛出口温度相差最大为123℃。其中混煤燃烧温度最低，工况1与工况2差不多，为最高。



    从以上分析可知，对于单烧神华煤，调整风量配比，可以避免结渣，考虑到污染物的生成，过量空气系数不能太大，运行时应低于1.3，所以比较好的运行工况是：过量空气系数为1.3，一次风率为30%，即工况5。
4  800MW锅炉混煤燃烧测试
      本文对800MW锅炉混煤燃烧进行了测试。测试共分3个工况，工况1的负荷为680MW，工况2的负荷为700MW，工况3的负荷为806MW。根据建议，绥电1号炉燃用神华煤中混配了30%~40%平朔煤。结果表明，1号炉标高35m~40m区域为炉内温度最高区域，这与数值计算基本吻合。工况1测得最高温度为1460℃，37m高温区域炉温达到1410℃以上；工况2测得最高温度为1450℃，37m高温区域炉温达到1400℃以上；工况3测得最高温度为1500℃，37m高温区域炉温达到1421℃以上。可见，工况3（满负荷）整体炉膛温度水平高于工况1和工况2。并且在温度测试时，发现工况3后墙约标高40m和35m的两处看火孔处挂渣，较难打下；工况2标高53m处挂渣，呈灰白色，易打下；工况1左侧墙37m处有一看火孔挂渣。前后墙温度水平高于左右墙，结渣可能性大。
      测试炉温后，又进行了连续两天的观察，结焦情况未见明显差异。经过运行实践表明，改烧混煤虽有一定程度的结渣，但运行时注意调整工况，及时监视结渣，并投入吹灰，是不会影响锅炉正常运行的。
5  结论
    （1）k-ε双方程模型可以应用于电厂锅炉的旋流燃烧器燃烧模拟。
    （2）本文的计算及现场测试表明，绥电800MW锅炉改烧混煤是可行的。
    （3）本文在国内是首次对800MW锅炉进行了燃烧模拟，其计算是成功的。
参考文献
[1]      李永华（Li Yonghua）．混煤高效低污染燃烧特性研究（Study on the high efficiency and low pollution combustion characteristic of blending coals）[D]．保定：华北电力大学（Baoding：North China Electric Power University），2000．
[2]      李永华，等（Li Yonghua, et al）．利用原型辐射传热模型进行锅炉炉内数值模拟（The application of the original radioactive heat transfer model in boiler numerical simulation）[J]．华北电力大学学报（Journal of North China Electric Power University ），1999，26（3）：46-49．