周 科，成汭珅，解 冰，張廣才，劉 輝

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

中國是燃煤大國，燃煤發(fā)電總裝機(jī)容量位居全世界第一。近年來，隨著中國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。但受風(fēng)電、光伏發(fā)電隨機(jī)性、間歇性較強(qiáng)的影響，其大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了不良影響，各地均存在不同程度棄風(fēng)、棄光的現(xiàn)象[1]。為提高可再生能源的消納能力，承擔(dān)著全國70%以上發(fā)電電量的火電機(jī)組須承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，實施深度調(diào)峰的電廠目標(biāo)是將原最低發(fā)電負(fù)荷由約50%額定負(fù)荷降至35%額定負(fù)荷以下[2]。

鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力是限制機(jī)組調(diào)峰深度的重要因素，其影響因素包括煤種、燃燒設(shè)備、運行參數(shù)等[3-6]。針對現(xiàn)役機(jī)組鍋爐，在煤質(zhì)、燃燒設(shè)備不變的情況下，如何通過運行參數(shù)調(diào)整提升其低負(fù)荷穩(wěn)燃能力是目前大多數(shù)深度調(diào)峰電廠關(guān)注的重點。與直流燃燒器相比，旋流燃燒器可調(diào)參數(shù)更多，包括燃燒器旋流強(qiáng)度、風(fēng)量配比等。已有的研究表明，旋流燃燒器二、三次風(fēng)旋流強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)對鍋爐NOx、CO的生成以及鍋爐燃燒效率有重要影響[7-10]。也有學(xué)者借助冷態(tài)燃燒器試驗臺架研究旋流強(qiáng)度等參數(shù)對燃燒器噴口流場的影響，進(jìn)而分析其低氮性能及防結(jié)焦性能等[11-14]。但是，針對旋流燃燒器二、三次風(fēng)旋流強(qiáng)度、風(fēng)量配比等關(guān)鍵參數(shù)對其穩(wěn)燃性能影響的相關(guān)研究卻相對較少。

本文以某典型低氮旋流燃燒器為試驗對象，通過冷態(tài)、熱態(tài)臺架試驗和數(shù)值模擬，研究了燃燒器三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對噴口流場、溫度場及NOx、CO生成特性的影響，獲得了適應(yīng)于鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的最佳三次風(fēng)旋流強(qiáng)度，并在660 MW機(jī)組燃煤鍋爐上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

1 試驗臺架與方法

1.1 低氮旋流燃燒器

本文研究對象為某鍋爐廠設(shè)計制造的低氮旋流燃燒器，燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the boiler structure

該型燃燒器采用了單噴口分級燃燒設(shè)計，分為一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)；其中一次風(fēng)和二次風(fēng)為直流，三次風(fēng)為旋流，燃燒器二次風(fēng)和三次風(fēng)擴(kuò)口與軸向中心線的夾角為45°。三次風(fēng)旋流葉片角度，即旋流葉片與軸向中心線的夾角，可在0°~90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，0°時旋流強(qiáng)度最弱，90°時旋流強(qiáng)度最強(qiáng)。

1.2 冷態(tài)臺架試驗

冷態(tài)試驗系統(tǒng)如圖2所示。主要由燃燒器、風(fēng)機(jī)、示蹤粒子、攝像機(jī)、二維粒子成像測速系統(tǒng)（PIV）等組成。燃燒器按照660 MW機(jī)組實物燃燒器4:1比例縮小制成。試驗過程中，合理設(shè)置一、二、三次風(fēng)速，保證冷態(tài)試驗系統(tǒng)進(jìn)入自模化區(qū)，且一、二、三次風(fēng)動量比與燃燒器設(shè)計值相等。采用PIV系統(tǒng)對流場進(jìn)行測量時，示蹤粒子選取跟隨性和反光性較好的滑石粉，通過高速攝像機(jī)拍攝不同三次風(fēng)旋流角度下一次風(fēng)噴口示蹤粒子運動軌跡，從而獲得噴口流場和速度分布。同時，開展三次風(fēng)火花示蹤試驗，通過攝像機(jī)直觀拍攝燃燒器噴口氣流形狀。冷態(tài)工況下主要進(jìn)行了三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60° 4組工況的流場測試。

圖2 冷態(tài)試驗系統(tǒng)Fig.2 The cold test system

1.3 熱態(tài)臺架試驗

熱態(tài)試驗系統(tǒng)如圖3所示。試驗系統(tǒng)由低氮燃燒器、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、給粉裝置、燃燒室及其輔助設(shè)備構(gòu)成。熱態(tài)試驗燃用干燥無灰基揮發(fā)分39.19%、收到基低位發(fā)熱量24.26 MJ/kg的煙煤。設(shè)計給粉量為180 kg/h，給粉機(jī)采用螺旋給粉，給粉量由變頻電機(jī)來調(diào)節(jié)。爐膛出口煙氣經(jīng)燃燒室出口的笛形管抽取，經(jīng)煙氣前處理器處理后送入NOVA4000煙氣分析儀中進(jìn)行O2、CO、NO等煙氣成分分析。熱態(tài)工況下主要進(jìn)行了三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60° 4組工況下的燃燒試驗，試驗期間維持燃燒器室出口過量空氣系數(shù)均為1.02。

圖3 熱態(tài)試驗系統(tǒng)Fig.3 The thermal test system

1.4 熱態(tài)數(shù)值模擬

本文采取CFD數(shù)值模擬軟件對煤粉在低氮旋流燃燒器中燃燒過程進(jìn)行模擬，選用Realizablek-ε模型為熱態(tài)時氣相湍流流動的計算模型，選用離散相（DPM）模型作為模擬旋流燃燒器熱態(tài)離散相模型，采用兩步競爭反應(yīng)模型來模擬揮發(fā)分的析出，采用非預(yù)混PDF模型來描述煤粉燃燒過程中氣相的燃燒過程，采用動力/擴(kuò)散速率模型來模擬焦炭的燃燒過程，采取DO模型作為輻射模擬模型。網(wǎng)格采用放射狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，燃燒器網(wǎng)格數(shù)量均為95萬，將一次風(fēng)、二次風(fēng)設(shè)為速度入口邊界，三次風(fēng)設(shè)為質(zhì)量入口邊界，出口邊界為壓力出口。模擬計算采用的煤質(zhì)數(shù)據(jù)與熱態(tài)試驗煤質(zhì)數(shù)據(jù)相同，煤粉和空氣的流量以及溫度等邊界條件均根據(jù)熱態(tài)試驗工況設(shè)置。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對燃燒器噴口流場分布的影響

圖4—圖7分別給出了燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時，冷態(tài)工況下PIV測試系統(tǒng)所獲得的燃燒器噴口流場和速度場分布。試驗過程中，各工況總風(fēng)量和一次風(fēng)率維持不變。

由圖4可見，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為20°時，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度較弱，一次風(fēng)剛性較強(qiáng)，大部分一次風(fēng)沿主氣流方向運動，只有小部分一次風(fēng)被三次風(fēng)卷吸，噴口氣流在PIV視場橫坐標(biāo)280 mm兩側(cè)附近形成“渦流”，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區(qū)域延續(xù)至距離噴口310 mm處。

由圖5可見，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為40°時，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度加強(qiáng)，一次風(fēng)受三次風(fēng)的卷吸增加，噴口氣流在PIV視場橫坐標(biāo)250 mm附近形成“渦流”，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區(qū)域仍延續(xù)至距離噴口310 mm處，但噴口整體流速有所降低。

圖4 三次風(fēng)旋流角度20°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.4 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 20°

圖5 三次風(fēng)旋流角度40°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.5 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 40°

圖6 三次風(fēng)旋流角度50°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.6 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 50°

圖7 三次風(fēng)旋流角度60°時燃燒器出口流場和速度場分布Fig.7 The distribution of flow field and velocity field when the tertiary air blade angle was 60°

由圖6可見，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)，一次風(fēng)受三次風(fēng)的卷吸回流量增大，噴口高速氣流明顯減少，噴口氣流在PIV視場橫坐標(biāo)200 mm兩側(cè)附近形成明顯大的“渦流”，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區(qū)域縮短至距離噴口240 mm左右，噴口流速明顯降低，一次風(fēng)與二、三次風(fēng)氣流混合明顯增強(qiáng)。

由圖7可見，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為60°時，三次風(fēng)旋流強(qiáng)度加強(qiáng)，一次風(fēng)受三次風(fēng)的卷吸反而削弱，一次風(fēng)剛性增強(qiáng)，PIV視場內(nèi)橫坐標(biāo)兩側(cè)“渦流”消失，燃燒器噴口流場中流速大于15 m/s的區(qū)域反而延長至距離噴口600 mm左右，一次風(fēng)與二、三次風(fēng)的混合削弱。

圖8給出了冷態(tài)工況下燃燒器不同三次風(fēng)旋流葉片角度下的噴口火花示蹤軌跡。由圖8可見：當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為20°時，氣流形狀狹長，噴口氣流擴(kuò)展角在80°左右；當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度為40°時，氣流形狀變得短粗，包裹較好，噴口氣流擴(kuò)展角增大至100°左右；當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時，噴口火焰擴(kuò)展角增大至120°左右，氣流包裹非常好，有利于熱態(tài)工況下煤粉穩(wěn)定著火；而當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度增加為60°后，噴口氣流擴(kuò)展角接近180°，三次風(fēng)與一次風(fēng)氣流分離，出現(xiàn)了“飛邊”現(xiàn)象，三次風(fēng)在燃燒器出口形成開放氣流，卷吸能力反而削弱，熱態(tài)工況下這部分風(fēng)不能有效參與燃燒，不利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。

圖8 不同三次風(fēng)旋流葉片角度下燃燒器噴口火花示蹤Fig.8 The spark tracing of burner nozzle at different tertiary air blade angles

2.2 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對CO、NOx生成特性影響

圖9給出了不同三次風(fēng)旋流葉片角度下低氮旋流燃燒器在1.2 MW熱態(tài)試驗臺燃燒所生成的CO和NO濃度（體積分?jǐn)?shù)）。當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時，燃燒室出口CO濃度平均分別為4 780、3 519、3 201、5 200 μL/L，NO濃度平均分別為119、140、151、129 μL/L。隨著三次風(fēng)旋流葉片角度增加，燃燒室出口CO生成濃度呈先降低后增加的趨勢，NO生成濃度則呈先增加后降低的趨勢。當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時，燃燒室出口CO生成濃度最低，NO生成濃度最高，說明此時煤粉在燃燒室內(nèi)燃燒相對充分，著火最為穩(wěn)定。

圖9 不同三次風(fēng)旋流葉片角度下CO和NO生成濃度Fig.9 The concentrations of CO and NO generated at different tertiary air blade angles

2.3 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度對燃燒器噴口溫度場分布影響

圖10給出了三次風(fēng)旋流葉片角度分別為20°、40°、50°、60°時，CFD軟件模擬獲得的低氮旋流燃燒器在1.2 MW熱態(tài)試驗臺燃燒室內(nèi)溫度分布情況。由圖10可見：當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為20°時，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.8 m左右；當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為40°時，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.5 m左右；當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.4 m左右；當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為60°時，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口為1.8 m左右?？梢姡S著燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度增加，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域離噴口距離呈現(xiàn)一個先變近后變遠(yuǎn)的趨勢，當(dāng)燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時，溫度高于1 600 K的高溫區(qū)域距離燃燒器噴口最近，此時對應(yīng)燃燒室4.5 m處的截面平均煙氣溫度也最高，為1 774 K，說明燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時，風(fēng)粉混合最強(qiáng)，燃燒最為劇烈，燃燒器穩(wěn)燃性能最佳。

圖10 不同三次風(fēng)葉片角度下燃燒器出口溫度場分布Fig.10 The distribution of temperature field at the burner outlet with different tertiary air blade angles

2.4 鍋爐現(xiàn)場低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗結(jié)果

為驗證燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度50°時鍋爐的穩(wěn)燃性能，在某配置有同類型燃燒器的660 MW機(jī)組前后墻對沖燃燒鍋爐上開展了低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗。該鍋爐日常運行最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為35%額定負(fù)荷，三次風(fēng)旋流葉片角度為0~30°。

鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗首先在燃燒器原始三次風(fēng)旋流葉片開度下進(jìn)行，投運底層2臺磨煤機(jī)，最低降至25%額定負(fù)荷（165 MW），此時煤量74.8 t/h，運行氧量9.24%，測得燃燒器噴口平均溫度為1 214 ℃，有2只燃燒器火檢信號強(qiáng)度在60%~100%之間波動，爐膛負(fù)壓波動±150 Pa；相同條件下，將燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度緩慢調(diào)整至50°，測得燃燒器噴口平均溫度為1 246 ℃，火檢信號明顯改善，爐膛負(fù)壓波動降至±100 Pa以內(nèi)；逐漸減少煤量至58.8 t/h，鍋爐負(fù)荷降至20%額定負(fù)荷（132 MW），測得燃燒器噴口平均溫度為1 204 ℃，燃燒器火檢信號強(qiáng)度基本無閃爍，爐膛負(fù)壓波動仍維持±100 Pa以內(nèi)，鍋爐在132 MW負(fù)荷下穩(wěn)定運行3 h，說明燃燒器三次風(fēng)旋流葉片角度調(diào)整后，可以在20%額定負(fù)荷下無助燃穩(wěn)定運行，鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力明顯提升。

3 結(jié) 論

1）冷態(tài)流場試驗表明，三次風(fēng)旋流葉片角度從20°增加至50°，旋流加強(qiáng)，燃燒器噴口氣流回流量增加，卷吸能力增強(qiáng)，當(dāng)三次風(fēng)旋流葉片角度增加至60°以后，燃燒器噴口氣流出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象。

2）熱態(tài)數(shù)值模擬試驗表明，三次風(fēng)旋流葉片角度為50°左右時，高溫?zé)煔怆x燃燒器噴口最近，約為1.4 m。

3）熱態(tài)燃燒試驗表明，三次風(fēng)旋流葉片角度為50°時，其CO生成濃度最低，NOx生成濃度最高。

4）適應(yīng)于鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的最佳三次風(fēng)旋流葉片開度為50°左右，并在某660 MW機(jī)組鍋爐上進(jìn)行了驗證，效果良好。