楊　帆，　朱光明，　丁常富，　段學(xué)農(nóng)

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007)

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600 MW W火焰鍋爐衛(wèi)燃帶改造與結(jié)渣分析

楊帆1，朱光明2，丁常富1，段學(xué)農(nóng)2

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007)

摘要：針對某600 MW W火焰鍋爐側(cè)墻衛(wèi)燃帶結(jié)渣嚴(yán)重問題，為降低側(cè)墻溫度、減輕結(jié)渣，將原側(cè)墻衛(wèi)燃帶局部去除，采用CFD軟件對多工況下的爐內(nèi)速度場和溫度場進行數(shù)值模擬，將計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗進行對比，驗證了計算模型的準(zhǔn)確性，并結(jié)合現(xiàn)場運行情況綜合分析了下爐膛側(cè)墻易結(jié)渣的原因.結(jié)果表明：鍋爐側(cè)墻壓力偏低導(dǎo)致煤粉氣流向側(cè)墻流動，過高的側(cè)墻溫度使結(jié)渣情況加重；減少側(cè)墻衛(wèi)燃帶面積使側(cè)墻溫度降低，可緩解側(cè)墻結(jié)渣.

關(guān)鍵詞：W火焰鍋爐； 衛(wèi)燃帶； 結(jié)渣特性； 改造； 數(shù)值模擬

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源，在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭所占比例接近70%，總儲量中無煙煤占13%左右[1]，W火焰鍋爐作為燃用低揮發(fā)分煤種的主力爐型，對其燃燒性能進行研究具有重要意義.近些年，數(shù)值模擬計算技術(shù)發(fā)展迅速，采用數(shù)值模擬進行燃燒計算的研究成果日漸增多，方慶艷等[2]對一臺W火焰鍋爐的結(jié)渣特性進行了數(shù)值模擬，分析了結(jié)渣位置、程度和原因；高正陽等[3]對2臺使用不同類型燃燒器的W火焰鍋爐進行了數(shù)值模擬計算，分析了鍋爐本體結(jié)構(gòu)對燃燒過程的影響；汪華劍等[4]采用數(shù)值模擬方法對一臺W型火焰鍋爐進行研究，分析了F風(fēng)下傾對爐內(nèi)燃燒過程的影響.在國內(nèi)外學(xué)者的研究成果[5-11]中，已有將數(shù)值模擬與實際改造相結(jié)合的成功先例.筆者所研究的鍋爐在下爐膛燃燒區(qū)敷設(shè)有大面積衛(wèi)燃帶，該鍋爐自投產(chǎn)以來，鍋爐兩側(cè)墻和4個翼角衛(wèi)燃帶上存在較嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象，特別是煤灰熔點較低或煤中含硫量較高時，結(jié)渣更為嚴(yán)重.經(jīng)過對運行參數(shù)的長期收集，筆者提出了新的衛(wèi)燃帶敷設(shè)方案，對原側(cè)墻衛(wèi)燃帶進行部分拆除.為了揭示改造前后爐內(nèi)燃燒特性的變化規(guī)律，采用CFD計算流體軟件對新方案進行數(shù)值模擬計算，為實際改造提供指導(dǎo)，從而降低改造風(fēng)險.

1研究對象及改造方案

1.1研究對象

研究對象為某600 MW超臨界W火焰鍋爐，為垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置的Π型鍋爐，鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示.爐膛以前后拱拱頂水平斷面為界，分為上下爐膛，24只濃縮型EI-XCL旋流燃燒器對稱布置在鍋爐的前后拱上，兩側(cè)風(fēng)粉氣流分別從前后拱垂直于拱面斜向下送入爐膛，每個燃燒器在下爐膛對應(yīng)布置有三次風(fēng)和下二次風(fēng).鍋爐燃用煤質(zhì)特性見表1.該煤種的揮發(fā)分較低、灰分較高，屬于典型的難著火、難燃盡煤種.

圖1　鍋爐結(jié)構(gòu)

參數(shù)元素分析工業(yè)分析w(Car)/%w(Har)/%w(Oar)/%w(Nar)/%w(Sar)/%w(Mar)/%w(Aar)/%w(Vdaf)/%w(FCar)/%Qnet,ar/(kJ·kg-1)數(shù)值49.801.511.530.481.309.3736.017.0049.9018839.50

1.2結(jié)渣情況及改造方案

1.2．1現(xiàn)場結(jié)渣情況

為了確定改造前側(cè)墻結(jié)渣情況，對側(cè)墻看火孔的結(jié)渣情況進行了觀測，右側(cè)墻上排看火孔的觀測結(jié)果見圖2.看火孔1和看火孔3的渣層厚45 cm，看火孔2的渣層厚40 cm，據(jù)電廠資料記載,渣層厚度曾達80 cm，觀測結(jié)果表明側(cè)墻出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象.鍋爐結(jié)渣是個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，它涉及煤的燃燒、煤的潛在結(jié)渣傾向、爐內(nèi)傳熱以及煤灰與管壁間的黏附等復(fù)雜過程，降低易結(jié)渣區(qū)域溫度是緩解結(jié)渣最直接有效的辦法之一.

(a) 看火孔1

(b) 看火孔2

(c) 看火孔3

1.2.2改造方案

側(cè)墻結(jié)渣嚴(yán)重表明衛(wèi)燃帶附近溫度過高，單側(cè)墻原始設(shè)計衛(wèi)燃帶面積為88.2 m2，衛(wèi)燃帶面積過大導(dǎo)致熱量集中，需減小衛(wèi)燃帶面積、降低溫度，以緩解結(jié)渣.衛(wèi)燃帶去除后，水冷壁吸熱量會有所提升，改造前需對鍋爐煙氣流量、排煙溫度、煤質(zhì)情況和水循環(huán)特性等運行參數(shù)進行數(shù)據(jù)收集、整理和分析，核算去除兩側(cè)墻衛(wèi)燃帶后爐膛溫度及爐膛出口溫度是否滿足鍋爐正常運行需要.為確定衛(wèi)燃帶敷設(shè)方案，防止大面積去除衛(wèi)燃帶會影響煤粉著火、導(dǎo)致兩側(cè)墻管壁超溫，前期進行了衛(wèi)燃帶拆除試驗，在停爐檢修期間，將爐膛側(cè)墻結(jié)渣較嚴(yán)重的衛(wèi)燃帶沿水平方向小面積去除，并將翼墻近側(cè)墻端2 m區(qū)域范圍內(nèi)衛(wèi)燃帶打薄，在40多天的連續(xù)高負(fù)荷運行中，拆除區(qū)域未發(fā)生水冷壁管超溫爆管現(xiàn)象，側(cè)墻試驗區(qū)域結(jié)渣明顯改善，由此可見衛(wèi)燃帶去除對鍋爐防結(jié)渣的效果明顯.

本次衛(wèi)燃帶調(diào)整方案以單側(cè)墻原始設(shè)計衛(wèi)燃帶為基礎(chǔ)，拆除部分衛(wèi)燃帶后，新方案中單側(cè)墻衛(wèi)燃帶面積為44.1 m2(見圖3中陰影區(qū)域，不含兩側(cè)翼墻).

圖3　改造后側(cè)墻衛(wèi)燃帶布置示意圖

2數(shù)值模擬方法與計算工況

筆者著重研究衛(wèi)燃帶改造前后對爐內(nèi)燃燒的影響，深入分析側(cè)墻易結(jié)渣的原因，模擬計算區(qū)域為冷灰斗排渣口至爐膛出口，鍋爐網(wǎng)格劃分如圖4所示.計算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用合理的劃分手段使網(wǎng)格盡量適應(yīng)計算區(qū)域的流動特性，避免因偽擴散影響造成計算偏差，對下爐膛燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格進行合理加密，在垂直爐膛寬度的中心位置設(shè)置對稱面，選取對稱爐膛的一半作為計算區(qū)域，網(wǎng)格總數(shù)為144萬.對鍋爐進行多工況模擬，計算工況見表2.

(a)燃燒區(qū)網(wǎng)格(b)縱截面網(wǎng)格

圖4鍋爐網(wǎng)格劃分

Fig.4Computational grid of the boiler

3計算結(jié)果分析

3.1計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果的對比

為了判斷計算結(jié)果與運行現(xiàn)場實測結(jié)果誤差的大小，確保計算結(jié)果的合理性，改造前采用抽氣熱電偶在工況4下對看火孔進行爐內(nèi)煙氣溫度測量，測點位置與實測結(jié)果見表3，其中測點入爐深度均為2.5 m.從表3可以看出，計算溫度與實測溫度基本相符，計算溫度比實測溫度略高，兩者存在誤差的原因有以下3方面：(1)由于計算邊界條件將衛(wèi)燃帶設(shè)為絕熱壁面，而實際上衛(wèi)燃帶也會向受熱面導(dǎo)熱；(2)由于計算流體力學(xué)發(fā)展水平有限，盡管從各方面努力做到使模擬條件與現(xiàn)場情況相接近，仍無法做到完全一致；(3)司爐和燃料變化等原因造成爐膛溫度在合理范圍內(nèi)波動.

表2　計算工況表

表3　計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較

3.2速度場與溫度場

圖5為工況8下距離右側(cè)墻8.9 m處爐膛截面的速度矢量圖.圖5反映了爐內(nèi)煙氣的流動特性，形成了清晰的“W”形狀，可以看出有4個明顯的渦狀回流區(qū)(即a、b、c和d)，分別稱為主回流區(qū)(a)、背側(cè)回流區(qū)(b)、引射回流區(qū)(c)和冷灰斗回流區(qū)(d).主回流區(qū)影響W火焰的形成，主回流區(qū)過大會干擾主氣流，導(dǎo)致爐內(nèi)流場紊亂，造成火焰貼墻結(jié)渣；主回流區(qū)過小則容易使火焰短路或者火焰中心上移，影響煤粉顆粒的穩(wěn)定燃燒，主回流區(qū)對煤粉的著火和燃盡有重要影響，其延長了煤粉顆粒在爐內(nèi)燃燒的行程，有利于煤粉顆粒的燃盡，且燃燒產(chǎn)生的高溫有利于新煤粉的點燃，從而強化了對煤粉主氣流的加熱作用.背側(cè)回流區(qū)是由三次風(fēng)氣流引射作用和主回流區(qū)的殘余旋轉(zhuǎn)共同產(chǎn)生的，位于一次風(fēng)與三次風(fēng)之間，背側(cè)回流區(qū)過大容易導(dǎo)致一次風(fēng)氣流偏斜.引射回流區(qū)位于三次風(fēng)與下二次風(fēng)之間，由2股氣流的引射作用共同產(chǎn)生.冷灰斗回流區(qū)位于冷灰斗斜面水冷壁上方，由下二次風(fēng)引射作用產(chǎn)生，該回流區(qū)影響火焰下沖深度，回轉(zhuǎn)氣流卷吸下游的煤粉顆粒，延長了煤粉在爐內(nèi)的停留時間，二次風(fēng)下行形成的空氣膜可以避免冷灰斗結(jié)渣，調(diào)整下二次風(fēng)角度可以調(diào)節(jié)冷灰斗回流區(qū)的位置，要提高火焰的下沖深度，應(yīng)減小冷灰斗回流區(qū)尺寸并降低其位置.

圖5　工況8下爐內(nèi)速度場

圖6給出了工況8下垂直于爐膛寬度方向、距離右側(cè)墻8.9 m處爐膛截面溫度分布.圖6的溫度場與圖5的速度場是相互耦合的，改造后W火焰形成較好，溫度場沿爐膛深度方向的對稱性較好，沒有出現(xiàn)“前墻壓后墻”或“后墻壓前墻”的現(xiàn)象.爐內(nèi)的高溫說明煤粉在爐內(nèi)發(fā)生了劇烈燃燒，溫度分布均勻，火焰充滿度較好，煤粉顆粒進入爐膛后在高溫?zé)煔饣亓骶砦洼椛浼訜岬淖饔孟轮鸩⒀杆偃紵?，釋放大量的熱量，爐內(nèi)最高溫度在1 800 K以上.

圖6　爐膛截面溫度場

3.3結(jié)渣特性分析

煤灰在受熱面的結(jié)渣機理較為復(fù)雜，煤灰的化學(xué)組分、爐內(nèi)的環(huán)境氣氛和受熱面表面的熱物理狀況都會影響整個結(jié)渣過程.衛(wèi)燃帶的敷設(shè)會增大煙氣與水冷壁之間的傳熱熱阻，減少受熱面吸熱量，使衛(wèi)燃帶表面溫度大幅提高，一般情況下衛(wèi)燃帶表面溫度比附近水冷壁溫度高400～600 K，高溫使附近的煤灰顆粒更易處于熔化狀態(tài)，進而產(chǎn)生了衛(wèi)燃帶表面易結(jié)渣的現(xiàn)象.圖7給出了改造前距離右側(cè)墻4.79 m的燃燒器噴口顆粒軌跡.理想的顆粒運動軌跡應(yīng)為：煤粉顆粒從一次風(fēng)口噴出后，在一次風(fēng)和二次風(fēng)的共同作用下，斜向下沖入燃燒區(qū)一定高度后轉(zhuǎn)折向上，經(jīng)過劇烈燃燒后飛出爐膛，完成整個燃燒過程.從圖7可以看出，大部分煤粉顆粒斜向下運動一段距離后，氣流在三次風(fēng)口附近發(fā)生偏斜，并逐漸向側(cè)墻衛(wèi)燃帶區(qū)域聚集，處于熔融狀態(tài)的灰渣具有極高的黏性，撞擊到衛(wèi)燃帶后附著在上面，造成了結(jié)渣.煤粉燃燒釋放大量的熱量，爐膛中心區(qū)域產(chǎn)生的高溫使氣流迅速膨脹，促使氣流向壓力較低的側(cè)墻方向流動，進一步分析爐膛高度為21 m、22 m、23 m、24 m和25 m截面中心平均壓力分布(見圖8)，表明平均壓力沿爐膛寬度方向從中心到兩側(cè)逐漸降低，導(dǎo)致氣流向側(cè)墻流動，前后墻下二次風(fēng)的貼壁流動以及側(cè)墻區(qū)域缺少冷卻并處于還原性氣氛中，使結(jié)渣情況加劇.

圖7　顆粒軌跡

3.4改造影響分析

圖9給出了100%負(fù)荷下衛(wèi)燃帶改造前后(工況4和工況7)右側(cè)墻的溫度對比.從圖9可以看出，2個工況下最高溫度均出現(xiàn)在爐膛高度25 m處，改造前衛(wèi)燃帶區(qū)域的最高溫度達到1 589 K，高于鍋爐燃用煤的變形溫度(1 473 K)和軟化溫度(1 573 K)，處于熔化狀態(tài)的煤灰顆粒具有極高的黏性，當(dāng)其運動到高溫衛(wèi)燃帶壁面時會黏附在上面，熔化狀態(tài)的煤灰顆粒得不到有效冷卻，順著衛(wèi)燃帶往下流動、流動到中溫區(qū)時，由于溫度降低便逐漸凝固，越積越厚，煤渣附著在受熱面上，對爐膛產(chǎn)生保溫效應(yīng)，使結(jié)渣情況進一步惡化.從圖9還可以看出，拆除部分衛(wèi)燃帶后，右側(cè)墻溫度比改造前降低約70 K，壁面高溫區(qū)的溫度約為1 518 K，右側(cè)墻兩端和兩翼墻的溫度在1 200～1 300 K，相比改造前明顯降低.

圖8　平均壓力分布

(a) 改造前

(b) 改造后

Fig.9Comparison of the right side-wall temperature before and after retrofit

衛(wèi)燃帶部分拆除必然會導(dǎo)致爐膛溫度降低，改造前需對方案進行模擬計算，以檢驗新的改造方案能否保證鍋爐安全運行.圖10中曲線a、曲線b和曲線c分別對應(yīng)工況1、工況7和工況4下爐膛水平截面沿爐膛高度方向的平均溫度，定義爐膛水平截面溫度最高處為火焰中心位置.對比曲線a、曲線b和曲線c可以看出，隨著衛(wèi)燃帶面積的增加，火焰中心位置有所上升，爐內(nèi)溫度上升，煤粉顆粒著火提前.當(dāng)衛(wèi)燃帶面積從141 m2(工況1)增加到410 m2(工況4)時，爐內(nèi)最高溫度上升約200 K.對比曲線b和曲線c可以看出，衛(wèi)燃帶拆除后，即衛(wèi)燃帶面積由410 m2(工況4)減少至365.9 m2(工況7)時，爐內(nèi)最高溫度下降約20 K，下降幅度為1.1%.

圖10　爐膛水平截面平均溫度沿爐膛高度方向的變化

Fig.10Average temperature variation curves at different heights of the furnace

煤粉從一次風(fēng)口噴出后快速點燃著火是保證鍋爐安全運行的重要因素，隨著電網(wǎng)負(fù)荷越來越大，電網(wǎng)峰谷差也逐步增加，部分燃煤機組承擔(dān)著深度調(diào)峰的重任，這對機組的負(fù)荷適應(yīng)性提出了更高的要求.低負(fù)荷運行時，鍋爐滅火情況時有發(fā)生，在鍋爐改造前需要充分計算，確保機組運行安全.圖11～圖13給出了不同負(fù)荷下衛(wèi)燃帶面積對著火距離的影響，其中曲線a、曲線b、曲線c分別對應(yīng)衛(wèi)燃帶的敷設(shè)位置為僅爐拱區(qū)域，爐拱、燃燒區(qū)前后墻及部分側(cè)墻和爐拱、燃燒區(qū)前后墻及側(cè)墻.一般認(rèn)為煤粉的著火點為1 000 K，定義從一次風(fēng)口到煤粉達到著火點的距離為著火距離，從圖11～圖13可以看出，隨著衛(wèi)燃帶面積的增加，著火距離逐漸縮短.由圖11中曲線a可以看出，50%負(fù)荷下著火距離達到3.2 m，過低的爐膛溫度表明衛(wèi)燃帶面積不足；曲線c為改造前的計算結(jié)果，可以看出著火距離明顯縮短，煤粉進入爐膛后能夠快速點燃；曲線b反映了衛(wèi)燃帶改造后的煤粉著火情況，由于部分側(cè)墻衛(wèi)燃帶拆除，爐內(nèi)溫度降低，導(dǎo)致著火距離延長約0.1 m.50%負(fù)荷下衛(wèi)燃帶面積變化對著火距離的影響最明顯，在75%負(fù)荷(見圖12)和100%負(fù)荷(見圖13)下，改造后對著火距離的影響不明顯，表明衛(wèi)燃帶的拆除沒有影響煤粉的及時著火和穩(wěn)定燃燒.

圖11　50%負(fù)荷下著火距離的對比

Fig.11Comparison of fire length among different working conditions at 50% load

圖12　75%負(fù)荷下著火距離的對比

Fig.12Comparison of fire length among different working conditions at 75% load

圖13　100%負(fù)荷下著火距離的對比

Fig.13Comparison of fire length among different working conditions at 100% load

4結(jié)論

(1) 該類型爐膛中心高兩側(cè)低的爐內(nèi)流場壓力分布是導(dǎo)致側(cè)墻易結(jié)渣的重要原因，煤灰顆粒從側(cè)邊燃燒器噴口噴出后在爐膛高度22 m處明顯向側(cè)墻運動，導(dǎo)致側(cè)墻易結(jié)渣.

(2) 計算結(jié)果表明，隨著衛(wèi)燃帶面積的增加，爐內(nèi)溫度升高，煤粉著火距離縮短，火焰中心位置升高；側(cè)墻衛(wèi)燃帶拆除后，爐內(nèi)最高溫度降低約20 K，衛(wèi)燃帶面積變化對低負(fù)荷時煤粉著火的影響較大.

(3) 將原側(cè)墻衛(wèi)燃帶沿爐膛高度方向局部拆除后，右側(cè)墻溫度降低明顯，100%負(fù)荷下右側(cè)墻溫度降低約70 K，壁面溫度低于鍋爐燃用煤的軟化溫度，可緩解結(jié)渣情況.

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Slagging Analysis and Retrofit of a Refractory Belt in the 600 MW W-flame Boiler

YANGFan1,ZHUGuangming2,DINGChangfu1,DUANXuenong2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China)

Abstract：To solve the problem of heavy slagging existing in the side-wall refractory belt of a 600 MW W-flame boiler, a retrofit was carried out by removing partial area of the refractory belt so as to reduce the temperature of the side wall, and thus to alleviate the slagging condition. Meanwhile, numerical simulations were conducted on the in-furnace velocity field and temperature field using CFD software under different working conditions, following which the simulation results were compared with experimental data in order to validate the accuracy of the calculation model. In addition, causes leading to slagging on the side wall of lower furnace were comprehensively analyzed based on actual operation conditions. Results show that the slagging is caused by the deviated pulverized-coal flow to side wall due to low pressure there and is aggravated by too high side-wall temperature, which could be alleviated by cutting partial area of the refractory belt to reduce the side-wall temperature.

Key words：W-flame boiler; refractory belt; slagging characteristic; retrofit; numerical simulation

收稿日期：2015-08-11

修訂日期：2015-09-06

作者簡介：楊帆(1989-)，男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向為大型火電機組高效節(jié)能技術(shù).電話(Tel.)：18600218393；E-mail：yfaabb@163.com.

文章編號：1674-7607(2016)06-0421-07中圖分類號：TK227.3

文獻標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：470.30