(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 熱科學(xué)和能源工程系，安徽 合肥 230026)

隨著全球變暖趨勢的愈加顯著，低碳成為了世界各國的發(fā)展潮流。電力能源結(jié)構(gòu)逐漸朝著電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)等多側(cè)并舉的方向發(fā)展[1-5]。其中，電源側(cè)的提升潛力最大，且具有較為靈活的調(diào)峰能力。然而當(dāng)電源機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組處在與理論負(fù)荷相差較大的狀態(tài)，此時(shí)機(jī)組會暴露出較多的問題，主要為低負(fù)荷穩(wěn)燃問題，即當(dāng)機(jī)組處于20%～30%的低負(fù)荷時(shí)，鍋爐爐膛強(qiáng)度較弱，工況變動(dòng)能力變差，從而會產(chǎn)生著火困難、燃燒異常、鍋爐效率下降等問題[6-11]。

目前，針對鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃已有了較多的研究，但仍存在調(diào)峰深度不足、運(yùn)行成本高和投資高等問題[12]，因而，如何釋放鍋爐設(shè)備的深度調(diào)峰潛力成為了目前研究的重點(diǎn)。因此，本文選用現(xiàn)有的330 MW鍋爐進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，定性研究鍋爐在燃燒過程中一次風(fēng)量、煤粉細(xì)度和一次風(fēng)溫等研究參數(shù)對鍋爐穩(wěn)燃性能的影響，并對機(jī)組的精細(xì)化燃燒進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)役機(jī)組在低負(fù)荷條件下的穩(wěn)定燃燒。

1 鍋爐特性

1.1 研究對象

以某電廠330 MW的機(jī)組鍋爐為研究對象，型號為SG-1117/17.5-M749，外型為倒U型，對應(yīng)的尺寸為15.39 m×13.64 m×54.3 m(寬×深×高)，鍋爐爐膛容積為7 754.1 m3，燃燒器高為11 m，鍋爐共設(shè)置14層噴嘴，其中包括6層煤粉噴嘴、8層二次風(fēng)噴嘴，這些噴嘴交叉間隔分布。目前，鍋爐為降低NOx的排放，常用的方法為空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和煙氣再循環(huán)等措施，因而，改進(jìn)的鍋爐需要在最上層的二級風(fēng)口處加入SOFA(燃盡風(fēng))噴口以促使燃料的完全燃燒，鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程中采用的煤粉成分如表1所示。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)中燃燒器布置

表1 煤粉成分分析

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)該爐膛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和氣體流動(dòng)特點(diǎn)，將整個(gè)鍋爐分為冷灰斗區(qū)、燃燒區(qū)、SOFA區(qū)和爐膛上部區(qū)域四個(gè)部分，為了避免微擴(kuò)散的發(fā)生并提高爐膛工況數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量使從燃燒器噴口噴出的氣流與網(wǎng)格線垂直，采用較高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為70萬，燃燒器的區(qū)域網(wǎng)格和整體網(wǎng)格分布如圖2所示。

圖2 燃燒器網(wǎng)格分布圖

為了保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，需要對網(wǎng)格劃分進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，即通過對SOFA區(qū)域進(jìn)行不同密度劃分，得到三種數(shù)量不同的網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格數(shù)分別為57萬、70萬和80萬，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為70萬和80萬時(shí)，爐膛出口溫度較為相近，因此，在保證準(zhǔn)確性和計(jì)算速度的情況下，本文選擇70萬的網(wǎng)格劃分。

1.3 邊界條件

在模擬過程中將爐膛分為冷灰斗、主燃區(qū)和輻射區(qū)三個(gè)區(qū)域，并將燃燒器各風(fēng)口入口的邊界條件設(shè)為速度入口邊界條件，鍋爐壁面的邊界條件為無滑移穩(wěn)定壁面，壁面溫度采用管內(nèi)近似臨界溫度647 K，輻射受熱面黑度為0.8；爐膛出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為-100 Pa。

2 低負(fù)荷能力下的穩(wěn)燃能力探究

當(dāng)鍋爐在較低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，鍋爐內(nèi)燃燒會惡化，為了保證鍋爐機(jī)組內(nèi)部的穩(wěn)定運(yùn)行，在鍋爐向低負(fù)荷變化時(shí)，需要對鍋爐的工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，研究一次風(fēng)速、磨煤投行方式、配風(fēng)方式及運(yùn)行氧量等變化對鍋爐低負(fù)荷下穩(wěn)燃能力的影響。

2.1 一次風(fēng)速調(diào)整對穩(wěn)燃能力的影響

鍋爐在運(yùn)行過程中一次風(fēng)速高于設(shè)計(jì)值時(shí)會使煤粉的需求量增大，火焰中心向上推移，從而造成鍋爐爐膛出口溫度升高，使鍋爐使用壽命減短。因而，在本節(jié)研究中，控制其他條件不變，調(diào)整一次風(fēng)速為28 m/s、26 m/s(設(shè)計(jì)風(fēng)速)和24 m/s，并在與一次噴風(fēng)口軸向距離1 600 mm處測量截面溫度和煙氣溫度，以確定不同工況下的火焰穩(wěn)定性。可以看出，當(dāng)鍋爐處于工況3時(shí)，火焰穩(wěn)定性最高，這是因?yàn)楫?dāng)鍋爐一次風(fēng)速較低時(shí)，煤粉進(jìn)入鍋爐的速度減慢，促使煤粉在較低層著火，在截面區(qū)域溫度保持不變的同時(shí)，由于鍋爐內(nèi)輻射換熱減少，從而使得煙氣溫度升高的同時(shí)火焰穩(wěn)定性增加；此外，一次風(fēng)速的增加還會導(dǎo)致煤粉顆粒在鍋爐內(nèi)的停留時(shí)間較短，不利于煤粉的完全燃燒，從而使鍋爐的效率降低。

表2 一次風(fēng)速下的穩(wěn)燃能力分析結(jié)果

2.2 磨煤機(jī)投運(yùn)方式調(diào)整對穩(wěn)燃能力的影響

由于為鍋爐設(shè)置了六個(gè)煤粉噴嘴，設(shè)置ABC、ABD和ACE三個(gè)工況下的煤粉投運(yùn)方式，比較三種工況下煤粉噴入燃燒器中的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖3可以看出，工況一三個(gè)投運(yùn)層居于最底層，只有少量煤煙顆粒在燃燒層底部循環(huán)，大部分煙煤會進(jìn)入爐膛中部或上部，這導(dǎo)致燃燒器點(diǎn)火和燃燒會發(fā)生在燃燒器的后期階段，使煤粉不能達(dá)到充分燃燒，煙灰含碳量上升。而工況二和工況三條件下煤粉的投運(yùn)方式明顯提高了煙煤的燃燒率，這是由于大部分煙煤在底部有了較長的停留時(shí)間，并隨著火焰向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證了煤粉的充分燃燒，且避免了SOFA區(qū)過熱，使燃燒器具有良好的熱平衡。此外，這種分散方式還有利于煤粉脫水，縮短了煤粉的預(yù)熱時(shí)間。后兩者煤粉的運(yùn)動(dòng)軌跡差距不大，且通過監(jiān)測溫度分布發(fā)現(xiàn)溫度未有明顯差異，這表明了通過在燃燒器的中部或上部進(jìn)行煤粉投送是合理的，應(yīng)避免在燃燒器底部進(jìn)行煤粉的投運(yùn)。

圖3 不同投運(yùn)方式下的鍋爐燃燒顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

2.3 配風(fēng)方式及運(yùn)行氧量對穩(wěn)燃能力的影響

配風(fēng)方式是鍋爐機(jī)組效率和NOx的重要影響因素。不同二次配風(fēng)方式主要有均等配風(fēng)、束腰配風(fēng)和倒塔配風(fēng)，本文對三種工況進(jìn)行了研究，探究配風(fēng)方式對鍋爐機(jī)組效率的影響，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，當(dāng)配風(fēng)方式為束腰配風(fēng)時(shí)，鍋爐機(jī)組效率最高，NOx量最低，這是由于當(dāng)配風(fēng)方式為束腰配風(fēng)時(shí)，煤粉受到配風(fēng)的風(fēng)量影響，在燃燒初期時(shí)會抑制N和O的結(jié)合，同時(shí)煤粉處于還原氣氛時(shí)會推遲煤粉的燃燒，抑制NOx的生成。因此，使用束腰配風(fēng)可以在保證鍋爐效率的前提下降低NOx的含量。

表3 不同配風(fēng)方式的穩(wěn)燃能力分析結(jié)果

運(yùn)行氧量是另一個(gè)重要的因素，對于煤粉燃燒爐而言，排放的煙氣中含有的NOx主要分為熱力型(10%～20%)和燃料型(80%～90%)兩種，熱力型NOx與燃燒爐的溫度有關(guān)，而燃料型NOx主要和氧有關(guān)，燃燒爐中煤粉的N元素可以由焦炭N和揮發(fā)N組成，隨著氧量的增加，N向NO的轉(zhuǎn)化率就越高，當(dāng)氧氣足夠多時(shí)，會促使NO向NO2轉(zhuǎn)化，因此，隨著氧量的增加，煙氣中的NOx會逐漸增加[13-15]。目前，對NOx的模擬通常采用后處理方法進(jìn)行計(jì)算，為驗(yàn)證運(yùn)行氧量對鍋爐機(jī)組效率和NOx的影響，設(shè)置爐膛出口氧量分別為3.0%、4.0%和5.0%三個(gè)工況，研究不同工況下鍋爐機(jī)組效率和NOx總量，結(jié)果如表4所示。從表4中可以看到，隨著運(yùn)行氧量的增加，NOx的量也隨之增加，熱效率先增加后下降。因此，鍋爐機(jī)組在運(yùn)行過程中存在最佳運(yùn)行氧量，即在保證煤粉完全燃燒的前提下，適當(dāng)降低氧量能有效促進(jìn)鍋爐機(jī)組效率的提高，達(dá)到低負(fù)荷穩(wěn)燃的目的。

表4 不同運(yùn)行氧量的穩(wěn)燃能力分析結(jié)果

3 低負(fù)荷燃特性預(yù)測

為了研究在低負(fù)荷情況下鍋爐的穩(wěn)燃特性，以鍋爐滿負(fù)荷為基準(zhǔn)，設(shè)置不同負(fù)荷下鍋爐的工況參數(shù)，以預(yù)測低負(fù)荷下鍋爐穩(wěn)燃性能。將鍋爐工況設(shè)置為100%，50%，40%和25%四個(gè)參數(shù)，并根據(jù)不同負(fù)荷設(shè)置不同的運(yùn)行參數(shù)以預(yù)測鍋爐在低負(fù)荷下的穩(wěn)燃性能。鍋爐在滿負(fù)荷工況下設(shè)置運(yùn)行參數(shù)為一次風(fēng)速27 m/s，燃煤量為150.6 t/h，運(yùn)行氧量為4.2%；鍋爐負(fù)荷為50%時(shí)參數(shù)設(shè)置為一次風(fēng)速13.5 m/s，燃煤量為106.2 t/h，運(yùn)行氧量為4.5%；鍋爐負(fù)荷為40%時(shí)參數(shù)設(shè)置為一次風(fēng)速12 m/s，燃煤量為88.7 t/h，運(yùn)行氧量為5.1%；鍋爐負(fù)荷為25%時(shí)參數(shù)設(shè)置為一次風(fēng)速10 m/s，燃煤量為52.2 t/h，運(yùn)行氧量為7.2%?？梢钥闯觯谌N不同的工況下鍋爐的平均溫度都較低，但在25%負(fù)荷下火焰充滿度較好，且高溫區(qū)呈現(xiàn)出向上擴(kuò)散的趨勢，爐膛出口煙溫達(dá)到1 315 K。

圖4 不同工況下的鍋爐中心截面溫度分布

為了進(jìn)一步研究低負(fù)荷下鍋爐的穩(wěn)燃狀態(tài)，對鍋爐截面的溫度分布進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯S著鍋爐負(fù)荷的不斷降低，截面半圓區(qū)域半徑不斷減小，且在外圍區(qū)域溫度最高，能達(dá)到2 000 K，但在爐膛中心的溫度較低，這表明在三個(gè)工況下鍋爐的燃燒都較為穩(wěn)定。

圖5 不同工況下的鍋爐中心截面溫度云圖

為進(jìn)一步了解不同工況下鍋爐內(nèi)燃燒狀況，對鍋爐內(nèi)不同高度的溫度分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)各種工況在鍋爐不同高度處的溫度分布趨勢基本一致，從冷灰斗區(qū)到燃燒區(qū)溫度呈現(xiàn)出上升趨勢，從B到C處，溫度有一個(gè)小的下降，這主要是由于風(fēng)進(jìn)入鍋爐時(shí)會對高溫?zé)煔馄鸬揭欢ǖ慕禍刈饔?，由于運(yùn)行氧量較為充足，故煤粉燃燒較為完全，E之后煙氣再燃效果不明顯，因而溫度會出現(xiàn)明顯的下降趨勢，但此時(shí)溫度仍能達(dá)到1 000 K以上，驗(yàn)證了鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。

圖6 鍋爐爐膛的溫度隨高度分布狀況

4 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模擬得到的結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)有鍋爐的運(yùn)行規(guī)程，調(diào)節(jié)鍋爐中配風(fēng)方式、運(yùn)行氧量、一次風(fēng)速和磨煤機(jī)投運(yùn)方式，在降低鍋爐負(fù)荷的同時(shí)保證鍋爐運(yùn)行過程中氣溫、氣壓穩(wěn)定，保證運(yùn)行過程中爐膛煙溫差距較小、熱負(fù)荷較為均勻。調(diào)整鍋爐磨煤機(jī)投運(yùn)方式為AB層投運(yùn)，燃煤量為52 t/h，設(shè)置總風(fēng)量為561 t/h，運(yùn)行氧量為4%，此時(shí)得到的理論NOx的排放量為229 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，鍋爐效率為93.74%。將設(shè)置的參數(shù)用于實(shí)際應(yīng)用中，此時(shí)NOx的排放量為251 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，鍋爐效率為92.54%，可以看出實(shí)際值與理論值較為接近，反應(yīng)了在低負(fù)荷下鍋爐的穩(wěn)燃狀況。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，在保證鍋爐燃燒穩(wěn)定和爐內(nèi)較高溫度水平的條件下，預(yù)測300 MW等級鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中可降低到25%負(fù)荷穩(wěn)定燃燒，并通過現(xiàn)場低負(fù)荷穩(wěn)燃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過上述實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)在保證鍋爐中不堵煤的前提下，適當(dāng)降低一次風(fēng)速能有效提高煙氣溫度，促使火焰穩(wěn)定性增加，從而增加在低負(fù)荷下的穩(wěn)燃能力。

(2)在燃燒器的中部或上部進(jìn)行煤粉投送可以促進(jìn)煤粉分散均勻，并隨著火焰向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這既保證了煤粉的充分燃燒，又避免了SOFA區(qū)過熱，使燃燒器具有良好的熱平衡，有利于燃燒穩(wěn)定性。

(3)束腰配風(fēng)方式可以在保證鍋爐效率的前提下降低NOx的含量，有效促進(jìn)鍋爐機(jī)組效率的提高，達(dá)到低負(fù)荷穩(wěn)燃的目的。

(4)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，顯示數(shù)值模擬方法能有效分析鍋爐內(nèi)部的燃燒狀況，計(jì)算精確，結(jié)果可靠，同時(shí)表明300 MW鍋爐在最低穩(wěn)燃工況為25%時(shí)具有較大的深度調(diào)峰能力。