束繼偉,閆承先,孟繁兵,金宏達,崔麗敏
(黑龍江省電力科學(xué)研究院,黑龍江哈爾濱150030)
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)強烈、熱穩(wěn)定性差等特點。在工程實踐過程中,褐煤的燃燒以及褐煤鍋爐的設(shè)計具有一定的特殊性。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)計成功與否的關(guān)鍵。
某廠新建兩臺600 MW超臨界燃用褐煤機組。鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(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MPS212HP-II磨煤機,燃用設(shè)計煤種時6運1備;煤粉細度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只燃燒器對應(yīng)一臺磨煤機,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)計參數(shù)
表2 鍋爐設(shè)計燃料特性參數(shù)
由于褐煤具有高水分的特點,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、運行過程中必須要考慮一次風(fēng)對煤粉干燥、輸送的影響。此外由于褐煤的熱值低,褐煤鍋爐會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)空氣動力流動不宜組織。本文旨在根據(jù)現(xiàn)場測試以及計算機數(shù)值模擬結(jié)果,分析該爐煙氣分布特點以及成因。
本次試驗使用的測量系統(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)顯示儲存裝置。為了確保在整個試驗研究期間數(shù)據(jù)準確、可靠,使用了黑龍江電力科學(xué)研究院自行開發(fā)的、可以在惡劣工況下可靠運行的耐磨鎧裝熱電偶,并均勻布置在爐膛出口煙道,測試系統(tǒng)布置如圖2所示。
測量系統(tǒng)的測量對象、測量方法、測量裝置的不同,測量系統(tǒng)的各項不確定度也不相同。因此,要對確定的測量系統(tǒng)各項不確定度來源做詳細分析。
測量系統(tǒng)不確定度[2]來源如下:
a.測量數(shù)據(jù)本身的隨機性帶來的不確定度。
b.一次儀表帶來的偏差不確定度。
c.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來的偏差不確定度。
d.現(xiàn)場對信號干擾帶來的偏差不確定度。
e.負荷穩(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 煙氣溫度測試系統(tǒng)
f.測量隨空間變化的參數(shù)時,流動不均衡分層與有限測點所帶來的偏差不確定度。
g.取樣及制樣帶來的偏差不確定度等。
按照精度和偏差的不確定度評定方法對各分量進行評定,最后進行不確定合成,即可得到試驗結(jié)果的合成不確定度。按照ASME有關(guān)不確定度的計算方法,在本次試驗研究中,通過搭建的試驗測試系統(tǒng)對鍋爐效率的測試結(jié)果不確定度為±0.500 5%。
研究期間,筆者對分隔屏屏下煙氣溫度、高溫再熱器出入口煙氣溫度進行了測試,試驗測點如圖3、圖4所示。
圖3 高溫再熱器出入口橫截面測點布置示意圖
圖4 測點位置示意圖
分隔屏下煙氣溫度的測試結(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,測試結(jié)果如圖5所示。
高溫再熱器出入口煙氣溫度測試結(jié)果表明:下排測點區(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點,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)場測試結(jié)果以及其他輔助測試,筆者推斷:在爐膛內(nèi)、沿著爐膛高度方向任意切面,存在著一個溫度較高的“高溫火環(huán)”,該“火環(huán)”的幾何中心存在著一個溫度較低區(qū)域;而靠近水冷壁區(qū)域,則存在著一個高溫區(qū)域。
圖5 不同運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點溫度分布
圖7 高溫再熱器入口截面中排測點溫度分布
爐內(nèi)燃燒過程涉及到煤粉顆粒和氣體的兩相流[1]。煤粉顆粒的運動和氣體的彌散對其燃燒過程影響很大,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,對煤粉氣流的著火燃燒及焦炭燃燒過程起決定性的作用。
圖8 高溫再熱器入口截面上排測點溫度分布
本文采用拉格朗日坐標(biāo)下的顆粒隨機軌道模型,通過對速度的概率密度函數(shù)的隨機選擇來確定湍流速度,通過拉格朗日坐標(biāo)下的顆粒瞬時方程組來考慮流體湍流脈動對顆粒的作用,計算顆粒的隨機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程[4]。本文假設(shè):煤粒為球形顆粒,在反應(yīng)過程期間,煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分這四部分組成。析出揮發(fā)份的成分為碳氫化合物,它在氣相燃燒反應(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。采用雙競爭反應(yīng)模型來模擬揮發(fā)份的熱解過程;采用混合份數(shù)PDF法來模擬揮發(fā)份的燃燒過程;采用擴散動力模型來模擬焦炭的燃燒過程,其計算結(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)擾動的加強,“高溫火環(huán)”中心低溫區(qū)域溫度的絕對值有所升高;該爐的火焰中心較高。將其與實際測試值相比較,可以發(fā)現(xiàn)本文所建立的計算機數(shù)值模擬的模型具有較高的準確性。
通過本次試驗研究,得出如下結(jié)論。
a.采用的計算機數(shù)值模擬模型準確,假設(shè)合理。
b.爐內(nèi)氣流混合強烈,火焰充滿度好。
c.現(xiàn)場實際測試以及計算機數(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反切運行工況對“消旋”有積極的影響。
d.該爐一次風(fēng)率較高、一次風(fēng)動量高,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.鍋爐性能試驗規(guī)程,閆維平譯[S].北京:中國電力出版社,2004.
[3]岑可法.鍋爐燃燒試驗研究方法及測量技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1987.
[4]周力行.湍流氣固兩相流動和燃燒的理論數(shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社,1994.