束繼偉，閆承先，孟繁兵，金宏達(dá)，崔麗敏

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150030)

0 引言

褐煤是煤化度最低的煤，褐煤的燃燒技術(shù)屬于世界性的難題。相對(duì)于優(yōu)質(zhì)煙煤，褐煤具有水分大、揮發(fā)分高、熱值低、易結(jié)焦、化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈、熱穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。在工程實(shí)踐過(guò)程中，褐煤的燃燒以及褐煤鍋爐的設(shè)計(jì)具有一定的特殊性。因此，能否兼顧褐煤的著火、穩(wěn)燃、燃盡、低污染物排放、避免結(jié)焦等性能是褐煤鍋爐設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

1 設(shè)備概述

某廠新建兩臺(tái)600 MW超臨界燃用褐煤機(jī)組。鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置的π型鍋爐。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配7臺(tái)MPS212HP－II磨煤機(jī)，燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)6運(yùn)1備;煤粉細(xì)度R90=35%。鍋爐采用墻式切圓新型燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只燃燒器對(duì)應(yīng)一臺(tái)磨煤機(jī)，SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，燃燒器布置如圖1所示。

圖1 燃燒器布置圖

鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)以及煤質(zhì)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鍋爐設(shè)計(jì)燃料特性參數(shù)

由于褐煤具有高水分的特點(diǎn)，褐煤鍋爐一次風(fēng)率較燃用其他煤中的鍋爐大很多，直接導(dǎo)致了二次風(fēng)以及燃盡風(fēng)配置困難，增加了整體組織燃燒系統(tǒng)的難度。因此，在工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行過(guò)程中必須要考慮一次風(fēng)對(duì)煤粉干燥、輸送的影響。此外由于褐煤的熱值低，褐煤鍋爐會(huì)比相同容量的鍋爐消耗更多的燃料和一次風(fēng)量，致使?fàn)t內(nèi)空氣動(dòng)力流動(dòng)不宜組織。本文旨在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，分析該爐煙氣分布特點(diǎn)以及成因。

2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的建立及不確定度分析

本次試驗(yàn)使用的測(cè)量系統(tǒng)由四部分組成，分別是:一次元件(傳感器)、敏感器件、數(shù)據(jù)采集板與數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)顯示儲(chǔ)存裝置。為了確保在整個(gè)試驗(yàn)研究期間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，使用了黑龍江電力科學(xué)研究院自行開(kāi)發(fā)的、可以在惡劣工況下可靠運(yùn)行的耐磨鎧裝熱電偶，并均勻布置在爐膛出口煙道，測(cè)試系統(tǒng)布置如圖2所示。

測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量裝置的不同，測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)不確定度也不相同。因此，要對(duì)確定的測(cè)量系統(tǒng)各項(xiàng)不確定度來(lái)源做詳細(xì)分析。

測(cè)量系統(tǒng)不確定度［2］來(lái)源如下:

a.測(cè)量數(shù)據(jù)本身的隨機(jī)性帶來(lái)的不確定度。

b.一次儀表帶來(lái)的偏差不確定度。

c.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的偏差不確定度。

d.現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)干擾帶來(lái)的偏差不確定度。

e.負(fù)荷穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集頻率之間的不同步造成的偏差不確定度。

圖2 煙氣溫度測(cè)試系統(tǒng)

f.測(cè)量隨空間變化的參數(shù)時(shí)，流動(dòng)不均衡分層與有限測(cè)點(diǎn)所帶來(lái)的偏差不確定度。

g.取樣及制樣帶來(lái)的偏差不確定度等。

按照精度和偏差的不確定度評(píng)定方法對(duì)各分量進(jìn)行評(píng)定，最后進(jìn)行不確定合成，即可得到試驗(yàn)結(jié)果的合成不確定度。按照ASME有關(guān)不確定度的計(jì)算方法，在本次試驗(yàn)研究中，通過(guò)搭建的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鍋爐效率的測(cè)試結(jié)果不確定度為±0.500 5%。

3 爐內(nèi)煙氣溫度的測(cè)試［3］

3.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

研究期間，筆者對(duì)分隔屏屏下煙氣溫度、高溫再熱器出入口煙氣溫度進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)如圖3、圖4所示。

圖3 高溫再熱器出入口橫截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

分隔屏下煙氣溫度的測(cè)試結(jié)果表明:在1 050～1 250℃燃燒溫度下，燃盡程度良好，該區(qū)域煙氣溫度分布較為均勻、煙溫偏差較小;在減溫水量基本一致的情況下，左、右側(cè)主汽溫度偏差較小，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

高溫再熱器出入口煙氣溫度測(cè)試結(jié)果表明:下排測(cè)點(diǎn)區(qū)域溫度分布總體上呈現(xiàn)“左側(cè)煙氣溫度低、右側(cè)煙氣溫度高”的現(xiàn)象;高溫再熱器出入口中排及上排煙溫測(cè)點(diǎn)，總體上呈現(xiàn)“兩側(cè)煙氣溫度高、中間煙氣溫度低―M型分布”的現(xiàn)象，初步分析，分別與爐膛高溫火焰的“殘余旋轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和該爐型一次風(fēng)切圓直徑大有關(guān)。如圖6－圖8所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果以及其他輔助測(cè)試，筆者推斷:在爐膛內(nèi)、沿著爐膛高度方向任意切面，存在著一個(gè)溫度較高的“高溫火環(huán)”，該“火環(huán)”的幾何中心存在著一個(gè)溫度較低區(qū)域;而靠近水冷壁區(qū)域，則存在著一個(gè)高溫區(qū)域。

圖5 不同運(yùn)行工況下分隔屏下煙氣溫度

圖6 高溫再熱器入口截面下排測(cè)點(diǎn)溫度分布

圖7 高溫再熱器入口截面中排測(cè)點(diǎn)溫度分布

4 爐內(nèi)煙氣溫度數(shù)值模擬［1］、［4］

爐內(nèi)燃燒過(guò)程涉及到煤粉顆粒和氣體的兩相流［1］。煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)和氣體的彌散對(duì)其燃燒過(guò)程影響很大，煤粉所接受的輻射能、煤粉在氣流中的溫度、氣體中的含量、揮發(fā)份的釋放，對(duì)煤粉氣流的著火燃燒及焦炭燃燒過(guò)程起決定性的作用。

圖8 高溫再熱器入口截面上排測(cè)點(diǎn)溫度分布

本文采用拉格朗日坐標(biāo)下的顆粒隨機(jī)軌道模型，通過(guò)對(duì)速度的概率密度函數(shù)的隨機(jī)選擇來(lái)確定湍流速度，通過(guò)拉格朗日坐標(biāo)下的顆粒瞬時(shí)方程組來(lái)考慮流體湍流脈動(dòng)對(duì)顆粒的作用，計(jì)算顆粒的隨機(jī)軌道以及沿軌道的變化參數(shù)。

煤粉燃燒包含煤粉預(yù)熱、揮發(fā)份析出、揮發(fā)份燃燒以及焦炭燃燒等過(guò)程［4］。本文假設(shè):煤粒為球形顆粒，在反應(yīng)過(guò)程期間，煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分這四部分組成。析出揮發(fā)份的成分為碳?xì)浠衔?，它在氣相燃燒反?yīng)中迅速耗盡。氧量在揮發(fā)份和焦炭的燃燒反應(yīng)中迅速消耗。原煤隨著揮發(fā)份析出而消耗，剩余的固體可燃物為焦炭，焦炭與氧氣發(fā)生異相反應(yīng)而逐漸燃盡。采用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型來(lái)模擬揮發(fā)份的熱解過(guò)程;采用混合份數(shù)PDF法來(lái)模擬揮發(fā)份的燃燒過(guò)程;采用擴(kuò)散動(dòng)力模型來(lái)模擬焦炭的燃燒過(guò)程，其計(jì)算結(jié)果構(gòu)成的圖像如圖9－圖12所示。

圖9 A層一次風(fēng)截面溫度分布

圖10 F層一次風(fēng)截面溫度分布

圖11 爐膛中心截面溫度分布

圖12 分隔屏下水平截面溫度分布

從圖9－圖12可以看出:在一次風(fēng)截面存在著一個(gè)溫度較高的“火環(huán)”，高溫區(qū)域靠近水冷壁，該區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象;沿爐膛高度方向，隨著二次風(fēng)擾動(dòng)的加強(qiáng)，“高溫火環(huán)”中心低溫區(qū)域溫度的絕對(duì)值有所升高;該爐的火焰中心較高。將其與實(shí)際測(cè)試值相比較，可以發(fā)現(xiàn)本文所建立的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的模型具有較高的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

通過(guò)本次試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

a.采用的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬模型準(zhǔn)確，假設(shè)合理。

b.爐內(nèi)氣流混合強(qiáng)烈，火焰充滿度好。

c.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，爐膛出口“煙氣殘余旋轉(zhuǎn)”仍然存在，分隔屏以及SOFA反切運(yùn)行工況對(duì)“消旋”有積極的影響。

d.該爐一次風(fēng)率較高、一次風(fēng)動(dòng)量高，爐內(nèi)形成的切圓直徑較大。

e.該爐布置了水平濃淡燃燒器，在爐膛沿高度方向存在著一個(gè)煤粉濃度較高的“煤粉環(huán)”，為形成“高溫火環(huán)”提供了支持。

［1］趙堅(jiān)行.燃燒的數(shù)值模擬［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］ASME PTC4－1998.鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程，閆維平譯［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［3］岑可法.鍋爐燃燒試驗(yàn)研究方法及測(cè)量技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1987.

［4］周力行.湍流氣固兩相流動(dòng)和燃燒的理論數(shù)值模擬［M］.北京:科學(xué)出版社，1994.