閆俊伏，趙學斌

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煤/氣混燃鍋爐再熱汽溫偏差調整實驗

閆俊伏，趙學斌

（山西興能發(fā)電有限責任公司，山西 太原 030206）

為了研究混燃高爐煤氣對爐膛上部煙氣速度偏差的影響，對不同高爐煤氣熱量混燃比工況進行了數(shù)值模擬，得到爐膛上部煙氣速度偏差隨著高爐煤氣熱量混燃比的增加而增大。針對混燃高爐煤氣引起的再熱汽溫偏差問題進行了分離燃盡風水平擺角優(yōu)化調整實驗，得到了最佳擺角組合。結果表明：分離燃盡風（SOFA）的1號、2號、3號、4號噴口水平偏轉角度依次為–7.5°、+7.5°、+7.5°、–7.5°時，再熱汽溫偏差由17.10 ℃降低到了2.55 ℃，再熱汽溫為536.4 ℃，主蒸汽汽溫偏差為4.15 ℃，主蒸汽溫度為538.7 ℃。

高爐煤氣；煤/氣混燃；煙氣速度；再熱汽溫；偏差；調整實驗；分離燃盡風；水平擺角

隨著燃煤鍋爐低NO燃燒改造，分級配風對燃煤鍋爐熱量分配和汽溫偏差的影響越來越受到重視，尤其是對于采用分離燃盡風（SOFA）技術的四角切圓燃燒煤粉鍋爐，其分離燃盡風水平和豎直擺角對煙氣溫度、速度偏差的影響得到相關學者的關注。Park等人[1-2]通過數(shù)值模擬和實驗研究了800 MW四角切圓純燃煤鍋爐存在的主蒸汽溫度偏差現(xiàn)象，結果表明燃盡風擺角對爐膛溫度場和流場有一定的影響，進而影響末級過熱器出口主蒸汽溫度；同時，通過分離燃盡風和緊湊燃盡風擺角調整實驗對其擺角進行優(yōu)化，使得主蒸汽溫度偏差從27 ℃降到9 ℃。肖琨等[3-4]研究了低氮改造對純燃煤鍋爐蒸汽溫度的影響，表明分級配風技術通過改變爐膛火焰中心高度影響主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度。靳允立[5]分析了純燃煤鍋爐低NO燃燒技術對熱量分配的影響，發(fā)現(xiàn)增加分離燃盡風后引起熱量分配向水冷壁區(qū)遷移，使得主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度偏低。吳乃新等[6]考察了分離燃盡風噴嘴水平反向偏轉對再熱汽溫偏差的影響，結果表明分離燃盡風噴口反向偏轉會使水平煙道左右側煙氣流速偏差減小，但是其對煙氣溫度偏差影響較小，也并未完全消除煙氣溫度偏差。李樹田等[7]試驗得到分離燃盡風反切15°明顯降低水平煙道內吸熱偏差。郭岸龍等[8-9]通過數(shù)值模擬得到了分離燃盡風水平反切、減小二次風擋板開度、增大分離燃盡風擋板開度均能改善爐膛出口煙溫偏差。

四角切圓燃燒的煤/氣混燃鍋爐機組運行過程中，煤氣配比變化頻繁，導致爐內配風方式多變，從而引起爐內流場變化；不同燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣量差異較大，燃料配比變化導致煙氣量波動較大，爐內速度場也隨之變化；分級配風技術不僅改變了爐膛主燃區(qū)和燃盡區(qū)的配風比率，也改變了爐膛高度方向煙氣速度分布，尤其是爐膛內切向速度，合理調整主燃區(qū)和燃盡區(qū)燃料風噴口擺角可削弱爐膛出口煙氣切向速度引起的旋轉動量，進而可改善汽溫偏差、避免再熱汽溫偏低及減少事故噴水降溫。

1 研究對象

本文研究對象為某300 MW煤粉混燃高爐煤氣和焦爐煤氣四角切圓燃燒鍋爐機組。該機組額定工況下，高爐煤氣和焦爐煤氣的設計最大熱量混燃比（單位時間輸入鍋爐爐膛內的燃料放熱量占總輸入熱量的百分比，%）為38%。

鍋爐燃燒器布置如圖1所示。其中，圖1a)為鍋爐爐膛，圖1b)為燃燒器布置，圖1c)為燃料、一次風、二次風及分離燃盡風的噴入角度。煤粉和煤氣在主燃區(qū)噴入爐膛混合燃燒形成還原性氣氛，煙氣中攜帶的未燃盡碳顆粒和可燃氣體成分進入燃盡區(qū)燃盡。主燃區(qū)包括高爐煤氣噴入?yún)^(qū)、A—C煤粉區(qū)及D—E煤粉區(qū)3個燃燒區(qū)；燃盡區(qū)為SOFA噴口以上區(qū)域。燃燒器由2層高爐煤氣噴嘴組（GAA和GBB），5層煤粉噴嘴（從A到E），15層二次風噴口（除GA、AA、AB、BC、CC、DD、DE及EE外），還包括7層位于高爐煤氣噴嘴和煤粉噴嘴周圍的周界風噴口：GAS、GBS、AS、BS、CS、DS及ES），4層SOFA噴口（從SOFA1到SOFA4），4層焦爐煤氣噴口組成，4層焦爐煤氣噴口分別布置在二次風噴口GA、AB、BC及DE的中心位置。一次風攜帶煤粉沿線1的方向噴入爐膛形成逆時針的切圓，二次風AA、CC、DD、EE和一次風的噴入方向相同，二次風GA、AB、BC、DE及焦爐煤氣沿線2的方向噴入爐膛進行混合燃燒。一次風和分離燃盡風噴口可實現(xiàn)上下擺動20°。模擬工況的燃料與配風情況見表1，工況負荷均為300 MW。

表1 燃料與配風分配

Tab.1 Distribution of the fuels and air

受熱面布置及主、再熱蒸汽流程如圖2所示。爐膛內布置分割屏過熱器和后屏過熱器，水平煙道內依次布置屏式再熱器、末級再熱器及末級過熱器，尾部煙道內分別布置豎直低溫過熱器、水平低溫過熱器及省煤器。該機組主、再熱蒸汽設計參數(shù)見表2。

表2 鍋爐蒸汽設計參數(shù)

2 數(shù)值模型

鍋爐內煤粉燃燒涉及多個復雜的物理化學過程的相互耦合，包括多相湍流流動、傳熱過程、氣相和固相反應等。這些物理化學過程可以通過建立基本守恒方程、氣固兩相流動模型、湍流流動模型、輻射換熱模型及煤粉燃燒模型等來描述，并結合相應的初始和邊界條件求解相關問題。

本文采用基于歐拉-拉格朗日法的顆粒軌道模型，該方法是將連續(xù)相在歐拉框架下進行求解，將離散相在拉格朗日框架下求解顆粒的軌道方程。在該模型中，首先計算連續(xù)相流場，然后將離散相視為獨立存在的顆粒，再結合連續(xù)相流場計算離散相顆粒的軌跡，最終實現(xiàn)追蹤顆粒的軌跡。輻射換熱模型選擇廣泛應用的Discrete Ordinates（DO）模型，DO模型把輻射傳播方程（RTE）轉化為空間坐標系下的輻射強度運輸方程，求解的輻射強度運輸方程數(shù)量與立體角方向數(shù)量相同。

煤粉揮發(fā)分析出兩步競爭反應模型在不同的溫度具有不同揮發(fā)分析出速度。焦炭在實際燃燒過程中，已反應的焦炭會形成多孔碳灰，包裹在未反應的焦炭周圍，因此采用修正多表面反應模型計算焦炭燃燒過程。

運用Gambit軟件生成網(wǎng)格。為了獲得高質量六面體網(wǎng)格，本文采用分區(qū)劃分網(wǎng)格技術，將整個計算區(qū)域分為冷灰斗區(qū)域、燃燒器下部區(qū)域、燃燒器區(qū)域、燃燒器上部區(qū)域、折焰角區(qū)域、屏式過熱器區(qū)域及爐膛出口區(qū)域7個部分。鍋爐爐膛壁面取無湍流運動，并且無滑移條件，水冷壁壁面溫度按照汽包壓力下的飽和溫度設定為628 K。分隔屏和后屏溫度依據(jù)鍋爐受熱面壁溫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的溫度設定為678 K和778 K。

一次風、二次風、燃盡風及煤氣入口均采用速度入口邊界條件。一次風風速由各層煤粉燃燒器噴口面積和一次風量折算得到。煤氣噴嘴出口速度由煤氣總量與總的噴嘴面積計算得到。煤粉采用顆粒入射的方式噴入爐膛。鍋爐爐膛出口采用壓力出口邊界條件。

詳細的計算模型描述、網(wǎng)格劃分技術及質量、網(wǎng)格無關性檢驗、邊界條件設置、計算模型實驗驗證等參見文獻[10-12]。

3 混燃高爐煤氣對速度偏差的影響

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，隨著高爐煤氣熱量混燃比的不斷增加，再熱汽溫偏差也隨之不斷增加。為了深入研究高爐煤氣混燃比對再熱汽溫偏差的影響，對不同高爐煤氣熱量混燃比工況進行了數(shù)值模擬計算，研究增加高爐煤氣熱量混燃比對煙氣速度偏差進而對汽溫偏差的影響。

數(shù)值模擬結果表明：當高爐煤氣熱量混燃比為7%時，大部分區(qū)域煙氣速度小于10 m/s，局部區(qū)域煙氣流速為11 m/s左右；高爐煤氣熱量混燃比增 加到12%時，爐膛中心區(qū)域煙氣速度已經(jīng)達到了 11 m/s，局部區(qū)域煙氣速度最高達到了13 m/s；繼續(xù)增加高爐煤氣熱量混燃比到17%時，大部分區(qū)域煙氣速度為11 m/s，局部區(qū)域達到了13 m/s，且其高速區(qū)域比高爐煤氣熱量混燃比為12%工況要更大。

圖3為水平截面位置=42 m處不同高爐煤氣熱量混燃比工況水平煙道煙氣速度矢量圖。從圖3可以看出，隨著高爐煤氣熱量混燃比的增加，水平煙道內煙氣速度偏差不斷加劇。綜合分析可知，增加高爐煤氣熱量混燃比使得煙氣進入屏區(qū)前旋轉速度增強，進而造成水平煙道內的煙氣流速偏差加劇。

4 汽溫偏差調整實驗

煙氣側調節(jié)主要是削弱爐膛出口煙氣旋轉動量，通常采用的方法是將SOFA噴口水平旋轉一定角度。本文研究的鍋爐SOFA噴口的水平擺動幅度為±10°，當SOFA擺角指示為0°時，其入射角度與一次風相同，一次風沿線1的方向噴入爐膛形成逆時針的切圓。SOFA水平擺角示意如圖4所示。

圖4 SOFA水平擺角示意

實驗研究了SOFA水平擺角對煙溫偏差和汽溫偏差的影響，實驗工況的焦爐煤氣熱量混燃比為8.89%，高爐煤氣熱量混燃比為15.97%。實驗測得：鍋爐四角的SOFA噴口擺角均為0°時，再熱汽溫偏差為17.1 ℃，主蒸汽汽溫偏差為2.2 ℃。為了削弱再熱汽溫偏差，針對SOFA水平擺角進行了調整實驗。實驗工況見表3。

表3 SOFA噴口水平擺角

Tab.3 Yaw angle of the SOFA

5 結果與分析

首先，采用數(shù)值模擬方法研究了工況0的速度偏差及溫度偏差情況。圖5為鍋爐水平煙道不同高度水平截面速度矢量圖。由圖5可以看出：水平煙道下部存在明顯的速度偏差，爐膛右側的煙氣流速大于爐膛左側的煙氣流速；隨著高度的增加，左右側的速度偏差逐漸削弱；當高度為46 m時，速度偏差已經(jīng)不明顯，左右側速度較為均勻。由此可見，水平煙道的速度偏差主要位于水平煙道下部。

圖6為工況0末級再熱器前垂直煙氣主流方向豎直截面煙氣流速云圖。由圖6可以看出，右側的煙氣平均流速大于左側的平均流速。

為了研究末級再熱器前煙氣溫度偏差情況，截取了工況0末級再熱器前垂直煙氣主流方向豎直截面煙氣溫度分布，結果如圖7所示。由圖7可以看出，煙氣高溫部分明顯偏向右側，右側的煙氣平均溫度較左側高68.68 K。

為了解決再熱汽溫偏差大問題，對SOFA噴嘴進行水平擺角調整實驗（表3）。圖8為從工況0調整到工況 1過程中再熱汽溫偏差和再熱汽溫變化情況。由圖8可見，SOFA 1號、2號、3號、4號的偏轉角度依次為–7.5°、+7.5°、+7.5°、–7.5°時，再熱汽溫偏差由17.1 ℃降低到了2.55 ℃，降低了14.55 ℃，再熱汽溫為536.4 ℃。

為了研究實驗調整后工況1的煙氣速度和溫度偏差情況，運用數(shù)值模擬計算了工況1末級再熱器前煙氣速度和溫度場。圖9為工況1的鍋爐水平煙道不同高度水平截面速度矢量圖。由圖9可以看出，工況 1的=42 m、=44 m及=46 m水平面的速度矢量分布都較為均勻。對比工況0和工況1同一水平面的速度矢量可以發(fā)現(xiàn)，工況1的=42 m及=44 m水平面的速度矢量明顯較工況0均勻，表明SOFA水平擺角調整實驗可有效削弱殘余旋轉動量引起的煙氣速度偏差。

圖10為工況1末級再熱器前垂直煙氣主流方向豎直截面煙氣流速云圖。由圖10可以看出，實驗調整SOFA水平擺角后，煙氣速度偏差明顯減小。

圖11為數(shù)值模擬得到工況1對應的末級再熱器前煙氣溫度分布云圖。由圖11可以看出，工況1對應的末級再熱器前煙氣溫度分布更加均勻，說明實驗調整得到工況1對應的SOFA水平擺角可以有效削弱煙氣流動的殘余旋轉動量，使得煙氣速度和溫度趨于均勻。

6 結 論

1）當高爐煤氣熱量混燃比為7%時，大部分區(qū)域的煙氣速度小于10 m/s，局部區(qū)域煙氣流速為11 m/s左右；增加高爐煤氣熱量混燃比到17%時，大部分區(qū)域煙氣速度為11 m/s，局部區(qū)域達到了13 m/s。因此，增加高爐煤氣熱量混燃比使得煙氣進入屏區(qū)前旋轉速度增強，進而造成水平煙道內的煙氣流速偏差加劇。

2）SOFA水平擺角調整后，水平面的速度矢量明顯趨于均勻，煙氣速度偏差明顯減小，末級再熱器前煙氣溫度分布更加均勻。

3）SOFA水平擺角實驗得到SOFA 1號、2號、3號、4號的偏轉角度依次為–7.5°、+7.5°、+7.5°、–7.5°時，再熱汽溫偏差由17.10 ℃降低到了2.55 ℃，再熱汽溫為536.4 ℃，主蒸汽汽溫偏差為4.15 ℃，主蒸汽溫度為538.7 ℃。

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Experimental study on reheat steam temperature deviation adjustment for boiler co-firing coal with gases

YAN Junfu, ZHAO Xuebin

(Shanxi Xingneng Power Co., Ltd., Taiyuan 030206, China)

In order to study the effect of co-firing blast furnace gas on flue gas velocity deviation of upper furnace, numerical simulation was carried out under conditions with different heat adding ratios of blast furnace gas. It finds that the deviation of flue gas velocity increased with the heat adding ratio of blast furnace gas. Aiming at solving the problem of reheat steam temperature deviation caused by co-firing blast furnace gas, the experiment of adjusting the horizontal yaw angles of separated overfire air was carried out, and the optimal pattern of yaw angles was obtained. The results show that, when the separated overfire air yaw angles of No.1, No.2, No.3 and No.4 nozzle were adjusted to –7.5°, +7.5°, +7.5° and –7.5°, the deviation of reheat steam temperature reduced from 17.1 ℃ to 2.55 ℃, the reheat steam temperature was 536.4 ℃, the main steam temperature deviation was 4.15 ℃, and the main steam temperature was 538.7 ℃.

blast furnace gas, coal co-firing with gases, flue gas velocity, reheat steam temperature, deviation, adjustment experiment, separated overfire air, horizontal swing angle

TK229.2

A

10.19666/j.rlfd.201805153

閆俊伏, 趙學斌. 煤/氣混燃鍋爐再熱汽溫偏差調整實驗[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(2): 108-113. YAN Junfu, ZHAO Xuebin. Experimental study on reheat steam temperature deviation adjustment for boiler co-firing coal with gases[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 108-113.

2018-05-23

閆俊伏(1963—)，男，高級工程師，主要研究方向為火力發(fā)電機組優(yōu)化運行與管理，yjf8811@126.com。

（責任編輯 馬昕紅）