600 MW超超临界燃煤锅炉燃烧特性数值模拟研究.pdf

2023年第9 期（总第30 9 期）doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2023.09.010应用能源技术47600MW超超临界燃煤锅炉燃烧特性数值模拟研究樊仕方（云南滇东雨汪能源有限公司，云南曲靖6 550 0 0）摘要：为了能提升锅炉燃烧特性，改进锅炉结焦难题，文中选取6 0 0 MW超超临界、直流、对冲燃烧锅炉作为研究对象，选用CFD数值模拟方法对该锅炉炉膛内二相流动性、燃烧现象、传热传质特性展开了仿真模拟根据数据分析燃烧器位置和燃尽风位置温度云图、炉膛温度场云图以及沿炉膛高度方向O浓度、CO浓度、CO2云图分布情况，阐述了炉内的空气动力场、温度梯度。最终对炉膛展开了仿真模拟，发现最高温度和较大吸热量均出现在燃烧器的顶部位置，最高温度可以达到2 0 0 0 K。炉膛中部氧气浓度值减少，每层燃烧器部分区域因为空气填补存有起伏波动，燃尽风区域得到很多填补，但是随着高度的升高氧含量逐渐降低。为后续炉膛内结焦难题的解决和运行燃烧的改善提供指导和借鉴。关键词：燃烧；数值模拟；燃尽风；燃煤锅炉中图分类号：TK223Numerical Simulation Study on Combustion Characteristics of600 MW Ultra-supercritical Pulverized Coal Boiler(Yunnan Diandong Yuwang Energy Co.Ltd.,Qujing 655000,China)Abstract:In order to enhance combustion characteristics and address the issue of coking in boilers,this paper selects 600 MW ultra-supercritical,direct-flow,counterflow combustion boiler as theresearch subject.The CFD numerical simulation method is employed to conduct simulated analyses oftwo-phase flow,combustion phenomena,and heat and mass transfer characteristics inside thefurnace of the boiler.Based on data analysis,temperature contour maps for burner and air exhaustlocations,furnace temperature field maps,as well as O2 concentration,CO concentration,and CO2contour maps along the height direction of the furnace are presented.The paper elaborates on theaerodynamic field and temperature gradient within the furnace.Finally,a simulation of the furnacereveals that the highest temperature and significant heat absorption occur at the top position of theburner,with the maximum temperature reaching 2 000 K.In the middle section of the furnace,theoxygen concentration decreases,and fluctuations in some areas of each layer of burners exist due toair replenishment.The region of air exhaustion receives considerable replenishment,but the oxygencontent gradually decreases with increasing height.This study provides guidance and reference forsolving the coking problem in the furnace and improving combustion operation in subsequent stages.Key words:combustion;numerical simulation;air exhaust;pulverized coal boiler收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 3作者简介：樊仕方（1 9 8 0），男，本科，工程师，从事火电厂锅炉检修和管理工作。文献标志码：AFAN Shifang0引言火电厂燃煤锅炉煤粉燃烧是一个繁杂的三维修订日期：2 0 2 3-0 7-1 8过程，包含瑞流流动、燃烧及传热的过程。因其过文章编号：1 0 0 9-32 30(2 0 2 3)0 9-0 0 47-0 648程的多元性，难以立即具体指导锅炉设计和运行，因而，必须开展热态试验和冷态试验来确立锅炉的设计参数和运行参数。因为此类试验具备形象化、稳定性高等优点，可具体指导锅炉设计和运行2-3。但我国火电机组慢慢向高参数、大容量方面发展,6 0 0 MW之上发电机组已成为我国火力发电厂的主力军发电机组，随着炉膛内尺寸的扩大，热态试验和冷态试验耗费资产大，试验时间长，而且很难得到准确、全面的数据。现场直接测量炉内燃烧过程、流流动过程、传热过程等整体规律性特点对大功率发电机组而言是不太可能的。因而,根据试验具体指导设计高参数、大容量锅炉存在一定的局限4。根据CFD的数值模拟成为了火电站行业科研人员的主要研究方法。数值模拟具备速度更快、信息内容丰富等特点，能全方位、清晰地仿真模拟炉膛内三维过程，在工程上具有重要技术性实用价值5。文中运用Fluent13.0软件对试验发电厂6 30 MW超临界直流锅炉炉内两相流动、燃烧过程、传热传质特性展开了仿真模拟和科学研究，以求为后续炉膛内结焦难题的解决和运行燃烧的改善提供指导和借鉴。1设备简介1.1锅炉概况文中选取的配套锅炉为超超临界参数、变压运行、一次再热、垂直管圈、墙式切圆直流煤粉炉，锅炉型号HG1 9 6 8/2 9.3YM 5,是哈尔滨锅炉厂有限公司设计制造的首台主汽压力2 9.3MPa、主汽温度6 0 5、再热汽温6 2 3等级高效超超临界锅炉。炉膛断面宽：1 9.41 9 2 m、深：1 5.456 8 m，水平烟道深：5.48 6 4m，尾部前烟道深：6.6 0 4m，尾部后烟道深：8.331 2 m，水冷壁下集箱标高：7.0 m,顶棚管标高:7 4 m。锅炉的汽水流程以汽水分离器为界设计成双流程。炉膛为全焊膜式水冷壁，由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁两个不同的结构组成。省煤器布置在尾部竖井下部。从汽水分应用能源技术离器出来的蒸汽依次为顶棚过热器、包墙过热器、低温过热器、屏式过热器、高温过热器。再热器系统按蒸汽流程分为低温再热器和高温再热器。1.2主要设计参数锅炉制粉系统采用正压直吹式系统，每台炉配6 台HP-1003型中速磨煤机,5台磨运行时能带额定负荷，煤粉细度按2 0 0 目筛通过量7 5%计算，煤粉均匀性系数为1.1。燃烧器和燃尽风的相对位置简图如图1 所示，在炉膛前后墙各布置3层燃烧器，每层4只，前墙从下往上分别布置F、D、C 燃烧器，后墙从下往上分别布置A、B、E燃烧器。在煤粉燃烧器的上方前、后墙各布置2 层燃尽风，上层有4只风口，下层有2 只风口。每台磨煤机为一层燃烧器提供煤粉，燃烧方式为前、后墙对冲燃烧。此次数值模拟计算的超临界直流锅炉性能计算数据见表1，本次模拟计算所采用的煤质参数见表2。6262.32977.72482069863.5图1 燃烧器和燃尽风的相对位置简图表1锅炉性能计算数据表项目五台磨煤机运行炉膛出口锅炉空气系数1.15二次风风量/kgs-1293.04二次风风温/K594.86一次风风量/kgs=1119一次风温/K350.16燃尽风燃烧器风量/kgs-！176.58燃尽风燃烧器风温/K594.86燃料耗量/kgs-166.042023年第9 期（总第30 9 期）14801603657.6.4223.23X3657.6=10972.819419.24223.22023年第9 期（总第30 9 期）表2煤质特性五台磨煤机运行锅炉主要参数BMCR过热蒸汽流量/th-11913过热蒸汽压力/MPa25.4过热蒸汽温度/571再热蒸汽流量/th-11586再热蒸汽进/出口压力/MPa4.32/4.13再热蒸汽进/出口温度/312/569给水温度/2822锅炉燃烧过程仿真模拟2.1炉膛结构和网格旋流对冲燃烧器对锅炉的燃烧有很大的影响。相对于整个锅炉来说，燃烧器尺寸相对很小，燃烧器区域的网格会很大，这就要求计算机具有较高的计算性能。根据燃烧器出口的流动特性，确定锅炉燃烧器人口边界条件，构建求解区域并进行结构化网格划分，从而获得高质量的计算网格。为了对燃烧器出口的空气动力场流动特性进行更加准确的模拟，对燃烧器出口区域进行网格局部加密处理,将前墙和后墙的各层燃烧器出口单独分开进行网格划分，总的网格数为337.7 5万。炉膛结构和网格如图2 所示。图2 炉膛结构及网格2.2楼模拟工况和计算方法将燃烧器模拟结果作为炉膛燃烧数值模拟的入口条件，燃尽风采用质量人口条件，检查风量、旋流方向和煤量的正确性，如图3为个燃烧器人应用能源技术口旋向。调整各区域阻力值，是炉膛内压力与实际相符，调整水冷壁、过热器等的吸热量，向实际BRL运行状况靠近。182025.257115054.09/3.93306/5692784900000000图3燃烧器入口旋向图2.3温度场图4为炉膛温度场云图，从图中可以看出，燃烧器最上面一层为高温区域，一次风携带煤粉进入炉膛后，在炉内高温烟气加热的作用下产生剧烈的燃烧，释放出大量热量，从而在C、E层燃烧器区域形成高温区。随着炉膛高度的逐渐增加,炉内平均温度也随之增加，燃尽风区域炉内温度先降低然后再回升，因为随着大量燃尽风的喷入，燃尽风起到压火的作用，故炉内温度有所下降。2.08e+032.02e+031.96e+031.90e+031.84e+031.78e+031.72e+031.66e+031.60e+031.54e+031.48e+031.43e+031.37e+031.31e+031.25e+031.19e+031.13e+031.07e+031.01e+039.52e+028.92e+028.33e+027.74e+027.15e+026.55e+025.96e+025.37e+024.78e+024.18e+023.59e+023.00e+02图4炉膛温度场云图50燃尽风后面区域还有一段高温区，原因是未燃尽的CO和C与燃尽风补充的O,再次发生氧化反应,释放热量,从而造成炉内温度再次回升。之后炉内温度随着烟道方向逐渐降低，是由于沿途各汽水管道和烟气进行热量交换造成的。图5为燃烧器位置和燃尽风位置的温度云图，由图中可以看出，由于后墙最上层旋流燃烧器与备用磨煤机连接，因此炉膛内烟气温度总体上应用能源技术分布并不对称。在各层燃烧器出口处的炉膛温度温升较快，充分保证煤粉气流能及时着火燃烧，在炉膛中心区域的燃烧最为剧烈，燃烧中心温度可以达到2 0 0 0 K以上，炉膛火焰明亮、充满度良好。从图中也可以看出,随着炉膛高度的升高，炉膛温度逐渐上升，最上层燃烧器处的平均温度最高。同时,在一、二次风之间存在一个回流区域最高温度接近1 50 0 K。97e+03.91e+031.86e+031.80e+03175e+031.70e+031.64e+031.59e+031.53e+031.48e+031.43e+031.37e+031.32e+031.26e+031.21e+031.16e+031.10e+031.05e+039.94e+029.40e+028.86e+028.32e+027.78e+027.24e+026.70e+026.16e+025.62e+025.07e+024.53e+023.99e+023.45e+022023年第9 期（总第30 9 期）图5下、中、上层燃烧器位置和燃尽风位置温度云图2.4速度场由图6 和图7 可知，几个大流速位置发生在燃尽风和燃烧器人口，进入炉膛后速度降低，因流动影响，折焰角下部和冷灰斗及炉膛角落都出现了较低速度，在两层燃烧器之间的壁面也同样速度较低，但在屏过的入口处呈现局部流场高速，约18m/s左右，由于折焰角结构造成,对屏过区域的管壁有一定的冲击。4.72e+014.56e+014.41e+014.25e+014.09e+013.93e+013.62e+013.78e+013.46e+013.30e+013.15e+012.99e+012.83e+012.52e+012.67e+012.36e+012.20e+012.05e+011.89e+011.73e+011.57e+011.42e+011.26e+011.10e+019.44e+007.87e+006.29e+004.72e+003.15e+001.57e+000.00e+00图6 炉膛速度场2.5气体组分图8 为各组分气体含量，从图中可以看出，氧量分布沿炉膛高度方向出现几个波动，波动峰值分别对应各层燃烧器喷口区域和燃尽风喷口区域。从O,浓度和CO浓度云图中可以看出,在炉膛中心位置0，浓度较低，但在每层燃烧器喷口区域,由于空气得到补充,0 2 浓度有一个增加的波动，在燃尽风区域空气得到大量补充，但随着高度的升高,氧含量逐渐降低。由于流场存在的原因，后竖井氧含量高于前竖井的氧含量，而CO，的含量正好相反。在燃烧器区域形成了强还原性气氛，在该区域内生成了大量的CO,部分CO,被还原,但在经过燃尽风区域后空气得到大量补充，CO与补充的 O,继续反应生成 CO2。在折焰角部位,CO基本上全部反应转化为CO2，C O 含量逐步降低。从图9 可以看出,在五台磨煤机投运时,CO浓度偏高,并且集中在第一层至第三层燃烧器的主燃烧区,尤其以第二层至第三层燃烧器区域浓度最高。这也与实际测量的CO数据符合度较高。2023年第9 期（总第30 9 期）应用能源技术514.20e+014.06e+013.92e+013.78e+013.64e+013.50e+013.36e+013.22e+013.08e+012.94e+012.80e+012.66e+012.52e+012.38e+012.24e+012.10e+011.96e+011.82e+011.68e+011.54e+011.40e+011.26e+011.12e+019.81e+008.41e+007.01e+005.61e+004.20e+002.80e+001.40e+000.00e+00图7下、中、上层燃烧器位置和燃尽风位置速度云图2.05e+011.70e+051.99e+011.64e+051.92e+011.59e+051.85e+011.53e+051.78e+011.47e+051.71e+011.42e+051.64e+011.36e+051.57e+011.30e+051.51e+011.25e+051.44e+011.19e+051.37e+011.13e+051.30e+011.08e+051.23e+011.02e+051.16e+019.63e+041.10e+019.06e+041.03e+018.50e+049.59e+007.93e+048.90e+007.36e+048.22e+006.80e+047.53e+006.23e+046.85e+005.66e+046.16e+005.10e+045.48e+004.53e+044.79e+003.97e+044.11e+003.40e+043.42e+002.83e+042.74e+002.27e+042.05e+001.70e+041.37e+001.13e+046.85e-015.66e+030.00e+000.00e+00(a)(含量3.50e+043.38e+043.27e+043.15e+043.03e+042.92e+042.80e+042.68e+042.57e+042.45e+042.33e+042.22e+042.10e+041.98e+041.87e+041.75e+041.63e+041.52e+041.40e+041.28e+041.17e+041.05e+049.33e+038.17e+037.00e+035.83e+034.67e+033.50e+032.33e+031.17e+030.00e+00图9炉膛四周CO分布图1.65e-011.60e-011.54e-011.49e-011.43e-011.38e-011.32e-011.27e-011.21e-011.16e-011.10e-011.05e-019.90e-029.35e-028.80e-028.25e-027.70e-027.15e-026.60e-026.05e-025.50e-024.95e-024.40e-023.85e-023.30e-022.75e-022.20e-021.65e-021.10e-025.50e-030.00e+00(b)CO含量图：气体含量2.6结渣情况验证图1 0 为炉膛四周结渣情况模拟结果。1.00e-029.67e-039.33e-039.00e-038.67e-038.33e-038.00e-037.67e-037.33e-037.00e-036.67e-036.33e-036.00e-035.67e-035.33e-035.00e-034.67e-034.33e-034.00e-033.67e-033.33e-033.00e-032.67e-032.33e-032.00e-031.67e-031.33e-031.00e-036.67e-043.33e-040.00e+00图1 0炉膛结焦情况分布图(c)CO,含量52从图中可以看出，左、右墙结焦情况较严重，前墙和后墙的结焦情况相对于左、右墙而言较弱，但结渣分布并不均匀，可以按照数值模拟结果对结渣较严重的区域进行重点防治。3结束语通过分析发现燃烧器出口的最高速度大约在50m/s,在叶片和挡板作用下出口出现旋流。煤粉颗粒富集于一次风出口的外环侧,并经过稳燃齿进一步浓缩,进入炉膛,并存在一定回流。通过数值模拟计算发现最高温度和最大吸热量都出现在燃烧器的最上层区域,最高温度可以达到2 0 0 0 K以上，由于燃尽风的喷人具有压火作用,在燃尽风区域后炉膛温度进一步上升。在越接近炉膛中心位置0，浓度越低,在每层燃烧器喷口区域，由于空气得到补充,0，浓度有一个增加的波动,在燃尽风区域0，得到大量补充,但随着炉膛高度的升高,氧含量逐渐降低,CO变化明显,附近存在明显的刷墙现象，使结焦现象严重，但针对结焦改造问题要具体分析。针对结渣改造问题,利用以CFD应用能源技术为基础的数值模拟,对锅炉进行仿真模拟。通过分析工作环境和设计参数，建立三维模型,针对结构复杂情况选择合适方式划分网格，根据煤种和风量分配,首先对燃烧器进行分析计算,利用其出口数值，计算锅炉数据。参考文献1李德波，李方勇,许凯，等.四角切圆锅炉变CCO-FA与SOFA配比下燃烧特性数值模拟J.广东电力,2 0 1 6(1):1 -7,1 6.2张晓宇，黄军，付林，等.6 0 0 MW低氮改造切圆锅炉燃烧特性数值模拟J.电站系统工程,2 0 1 6，32(2):25-28.3王宏武，刘欢，井新经.1 0 0 0 MW超超临界锅炉燃烧系统数值模拟及工程应用J热能与动力工程,2 0 1 9(8):1 6 9 -1 7 5.4程智海，赵玉伟，时光辉，等.6 0 0 MW四角切圆锅炉混煤燃烧数值模拟分析J.上海节能,2 0 2 0（2)：160-164.5方庆艳，汪华剑，陈刚，等.超超临界锅炉磨煤机组合运行方式优化数值模拟J.中国电机工程学报,2 0 1 1,31(5):1 -6.2023年第9 期（总第30 9 期）