尤 默,陳 磊,尚 勇,高愛國,蘇 勝,向 軍

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101;2. 華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

2022年1月,國家發(fā)改委和能源局印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中指出要全面實施火力發(fā)電廠靈活性改造,提高深度調(diào)峰能力[1]。為實現(xiàn)國家雙碳目標(biāo),未來低負(fù)荷(30%額定負(fù)荷及以下)運(yùn)行將成為大型燃煤火電機(jī)組的運(yùn)行常態(tài)。

目前國內(nèi)大型煤粉鍋爐70%以上采用切圓燃燒方式[2],切圓燃燒主要特點是爐內(nèi)火焰充滿度較好,氣粉混合強(qiáng)烈,著火條件好,可形成穩(wěn)定的燃燒環(huán)境,有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒及燃盡[3-5]。按布置方式,切圓燃燒可分為四角切圓和墻式切圓2種。與傳統(tǒng)四角切圓燃燒相比,墻式切圓燃燒具有射流剛性強(qiáng),射流兩側(cè)補(bǔ)氣條件好,火焰充滿度好、熱負(fù)荷分布均勻、煙溫偏差小等優(yōu)點[6-9]。

綜上所述,鍋爐低負(fù)荷下爐內(nèi)的流動和燃燒特性發(fā)生較大變化,對鍋爐燃燒的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響,然而,目前針對切圓燃燒,尤其是墻式切圓燃燒鍋爐在低負(fù)荷條件下燃燒組織方式對爐內(nèi)燃燒特性的相關(guān)研究還較少,因此以典型的660 MW超臨界墻式切圓燃燒煤粉鍋爐為研究對象,系統(tǒng)研究鍋爐不同燃燒組織方式對鍋爐30%低負(fù)荷下燃燒特性的影響,為該類型超臨界機(jī)組低負(fù)荷下運(yùn)行提供基礎(chǔ)與參考。

1 研究對象

研究對象為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的HG-2210/25.4-YM16型600 MW超臨界鍋爐。該鍋爐為一次再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行、不帶再循環(huán)泵直流鍋爐,鍋爐采用單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置。鍋爐寬度19.08 m、深度19.08 m、高度59.60 m,其主要設(shè)計參數(shù)見表1。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng),配6臺ZGM113G-Ⅱ型磨煤機(jī),鍋爐最大連續(xù)運(yùn)行(BMCR)工況運(yùn)行時5臺磨運(yùn)行,1臺備用。鍋爐燃用煤種的煤質(zhì)特性見表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of the boiler

表2 煤質(zhì)分析Table 2 Analysis of the coal properties

鍋爐采用水平濃淡燃燒器、分級燃燒以及分離燃盡風(fēng)(SOFA)的低NOx燃燒技術(shù)。燃燒器共分3組,如圖1所示。其中下2組為主燃燒器,布置于4面墻上,形成墻式切圓;最上組為SOFA燃燒器,布置于主燃燒器區(qū)上方水冷壁4個角上,實現(xiàn)分級燃燒以降低NOx排放。SOFA燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線夾角分別為42°和48°,形成四角切圓。為削弱爐膛出口煙氣旋轉(zhuǎn)殘余,減小爐膛出口煙溫偏差,SOFA燃燒器可進(jìn)行±12°的水平擺動。燃燒器采用大風(fēng)箱結(jié)構(gòu),由隔板將大風(fēng)箱分隔成若干風(fēng)室,共設(shè)6層水平濃淡煤粉噴口,4層分離型SOFA風(fēng)室。

圖1 鍋爐燃燒器布置示意Fig.1 Schematic diagram of the boiler′s burner arrangement

2 數(shù)值計算方法

2.1 建模與網(wǎng)格劃分

依據(jù)鍋爐尺寸進(jìn)行了1∶1建模,并適當(dāng)簡化鍋爐結(jié)構(gòu)。模型選取從冷灰斗到爐膛出口做為計算區(qū)域,并對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高計算準(zhǔn)確性,對主燃燒區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理,減少偽擴(kuò)散影響。爐膛網(wǎng)格劃分如圖2所示。研究過程中,進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查后,確定的網(wǎng)格總數(shù)約278萬個。

圖2 鍋爐網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of the boiler

2.2 模型與邊界條件

煤粉燃燒是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程,包括氣固兩相流動等物理過程和燃燒、傳熱傳質(zhì)等化學(xué)過程。研究過程中,針對煤粉鍋爐的非預(yù)混燃燒過程,氣相湍流流動采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,輻射換熱模型采用了P-1模型,煤粉顆粒運(yùn)行采用隨機(jī)軌道模型,熱解采用雙平行競爭反應(yīng)模型,揮發(fā)分燃燒采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型,焦炭燃燒采用動力學(xué)-擴(kuò)散反應(yīng)速率模型,采用SIMPLIC算法對壓力-速度耦合進(jìn)行求解[17-20]。

模擬計算過程將主燃燒器一、二次風(fēng)噴口和SOFA風(fēng)噴口設(shè)置為速度入口邊界條件;爐膛出口采用壓力出口邊界條件;爐膛壁面及冷灰斗采用無滑移恒溫邊界條件;模型輸入煤質(zhì)與鍋爐的實際燃用煤質(zhì)保持一致,煤粉顆粒的粒徑分布滿足Rosin-Rammlar分布,最小粒徑10 μm,最大粒徑250 μm,平均粒徑56 μm,分布指數(shù)為1.15。

2.3 模型驗證

為驗證模型與模擬結(jié)果準(zhǔn)確性,在相同負(fù)荷和配風(fēng)方式下,對鍋爐進(jìn)行了相關(guān)試驗與測量,并對比模擬結(jié)果。90%和50%負(fù)荷時鍋爐相關(guān)運(yùn)行參數(shù)平均值見表3,90%和50%負(fù)荷下爐膛出口參數(shù)的試驗結(jié)果平均值與模擬結(jié)果對比見表4。

表3 90%和50%負(fù)荷鍋爐運(yùn)行參數(shù)(平均值)Table 3 Boiler operating parameters under 90% load and 50% load(average value)

表4 90%和50%負(fù)荷試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比Table 4 Comparison between test results and simulation results under 90% and 50% load

由表4可知,爐膛出口O2濃度以及飛灰含碳量模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相對誤差均小于5%,說明研究過程中選擇的數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分滿足模擬計算研究準(zhǔn)確性要求,模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因是由于模擬過程中針對爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化,另一方面考慮到煤粉燃料的復(fù)雜性,針對煤粉燃料的粒徑及相關(guān)反應(yīng)參數(shù)等也做了適當(dāng)?shù)募僭O(shè)。然而,模擬與試驗結(jié)果對比表明,本文采用模型可較好模擬爐內(nèi)的流動及燃燒特性,并可用于后續(xù)的鍋爐低負(fù)荷下燃燒特性研究。

今年2月，原浙江省國土資源廳組織開展礦地綜合開發(fā)利用采礦權(quán)試點工作，吳興區(qū)以此為契機(jī)，在原有基礎(chǔ)上，深入排摸研究，積極申報試點，努力探索出一條資源開發(fā)、礦地利用和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的新路子。下面以吳興區(qū)埭溪鎮(zhèn)美妝小鎮(zhèn)小羊山場平工程、湖州里魚山礦業(yè)有限公司妙西鎮(zhèn)大山頂?shù)V兩個試點項目為例介紹一下吳興區(qū)對礦地統(tǒng)一規(guī)劃、綜合開發(fā)、高效利用的資源統(tǒng)籌開發(fā)利用模式的探索情況。

2.4 鍋爐低負(fù)荷模擬工況參數(shù)

為研究鍋爐在低負(fù)荷下的燃燒組織方式以及燃燒特性,結(jié)合鍋爐運(yùn)行條件,針對鍋爐30%負(fù)荷下燃燒過程開展數(shù)值模擬研究,具體參數(shù)見表5。

表5 30%負(fù)荷下模擬工況參數(shù)Table 3 Simulation conditions under 30% load

30%負(fù)荷工況下鍋爐不同燃燒組織運(yùn)行方案見表6。在30%負(fù)荷工況下,開啟不同的一次風(fēng)煤粉燃燒器噴口,同時開啟對應(yīng)的二次風(fēng)噴口,所有工況燃盡風(fēng)均開啟第1層,通過研究不同一、二次風(fēng)配風(fēng)方式,分析其對低負(fù)荷鍋爐燃燒性能的影響。

表6 30%負(fù)荷下不同配風(fēng)工況設(shè)置Table 6 Air distribution conditions under 30% load

3 結(jié)果與分析

3.1 速度場分布

爐內(nèi)良好的空氣動力場是低負(fù)荷下煤粉著火和穩(wěn)燃的重要條件。30%負(fù)荷時不同工況下爐膛縱截面的速度分布如圖3所示,不同配風(fēng)方式下爐膛速度分布存在差別,其中工況1和工況2爐膛整體速度分布更均勻,有利于保持氣流的持續(xù)流動以及煤粉的充分混合。圖4為不同工況下C層燃燒器水平截面速度分布,可知不同工況下爐內(nèi)均能形成完整的切圓流場,可使氣流充滿爐膛,在爐膛中心存在一個低速區(qū)域,維持在4 m/s左右;從一次風(fēng)噴口出來的氣流衰減速度較慢,射流剛性合適。對比圖4中5種工況切圓流場可知,工況2的切圓大小合適,可使氣流充滿整個爐膛,有利于保持爐膛內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)動量,使煤粉與空氣的充分混合與燃燒。

3.2 溫度場分布

不同工況下爐膛縱截面溫度分布情況如圖5所示,可知在低負(fù)荷條件下爐膛高溫區(qū)域主要集中在主燃燒器區(qū)域。不同工況下,由于運(yùn)行的一次風(fēng)煤粉燃燒器不同,溫度場分布也存在差異。對比圖5可知,工況1、2、4的爐內(nèi)溫度分布更均勻,爐膛中心溫度達(dá)1 500 K以上,局部溫度維持在1 700～1 800 K,煤粉在高溫條件下燃燒時間長,燃燒更充分。工況3和5分別開啟A、B層和B、C層相鄰燃燒器,模擬結(jié)果表明高溫區(qū)域僅聚集在爐膛下部,爐內(nèi)溫度分布不均勻,爐膛中心溫度偏低,這不利于爐內(nèi)煤粉的充分燃燒以及保持低負(fù)荷下鍋爐主蒸汽參數(shù)。

不同工況下運(yùn)行的下層煤粉燃燒器水平截面的溫度分布如圖6所示,工況1、2和4可以較好維持的切圓燃燒,溫度場的變化趨勢基本一致,煤粉射流在離開燃燒器噴口后可快速著火,到達(dá)一定距離后溫度最高,最高溫度可達(dá)1 700 K,這與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果吻合度較高[21]。工況3和5的切圓燃燒狀態(tài)較差,最高火焰溫度僅1 600 K,且煤粉離開燃燒器噴口后射流剛性明顯下降。進(jìn)一步對比圖6中工況1、2和4的溫度分布可知,3種工況下形成的切圓燃燒爐膛充滿度較好,但工況1爐膛壁面附近火焰溫度偏高,存在一定程度的火焰刷墻現(xiàn)象,工況2爐膛的火焰中心溫度較工況4高200 K,形成明顯的“風(fēng)包粉”燃燒狀態(tài),有利于煤粉穩(wěn)定燃燒及燃盡。

圖6 不同工況下各層燃燒器水平截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of horizontal section of burners under different working conditions

3.3 氧濃度分布

不同工況下爐膛縱截面氧濃度分布情況如圖7所示,可知工況2下爐膛主燃燒區(qū)域氧濃度相較于工其他工況偏低,且氧濃度分布沿爐膛高度方向分布較均勻,這表明工況2條件下氧量消耗更迅速,煤粉在爐膛燃燒更為充分。

不同工況下C層燃燒器水平截面的氧濃度分布如圖8所示。從氧氣濃度分布來看,沿射流方向,氧氣濃度呈逐漸下降趨勢,由于煤粉氣流到達(dá)燃點后與空氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),使燃燒器噴口附近的氧濃度梯度較大,氧氣濃度迅速降低,氧氣濃度較低的區(qū)域也是溫度高的區(qū)域,這與溫度分布趨勢基本一致。對比模擬結(jié)果可知,5種工況中工況2的氧濃度下降梯度更明顯,表明煤粉在離開噴口后可及時迅速的著火燃燒,同時在爐膛火焰中心處,存在較高氧濃度場,保證煤粉后續(xù)穩(wěn)定燃燒。

3.4 低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒特性分析

30%負(fù)荷時不同工況下的煙氣平均溫度沿爐膛高度的分布情況如圖9所示?？芍诓煌r下爐內(nèi)溫度變化基本一致,隨爐膛高度增加,煙氣平均煙溫快速升高,在主燃區(qū)與燃盡風(fēng)區(qū)域之間達(dá)到峰值。此外,由圖9可知,工況1、2爐膛整體平均溫度相比其他3種工況高,其中工況2更顯著,這是因為工況2下通過運(yùn)行鍋爐底層(A層)燃燒器并進(jìn)行合理配風(fēng),使煤粉與空氣充分混合和著火,燃燒器底層二次風(fēng)的開啟有效托住了相鄰的一次風(fēng)煤粉氣流,保證爐膛火焰不會向下偏移,同時C層燃燒器開啟,使?fàn)t膛內(nèi)溫度分布更均勻,爐內(nèi)熱負(fù)荷分布更加合理,保證低負(fù)荷條件下鍋爐主蒸汽參數(shù)達(dá)到設(shè)計參數(shù)。不同工況下爐膛出口煤粉的燃盡率對比見表7,可知工況2條件下煤粉燃盡程度最高。

表7 30%負(fù)荷下爐膛出口燃盡率Table 7 Furnace outlet burnout rate under 30% load

結(jié)合上述模擬得到的不同工況條件下爐內(nèi)的流場、溫度場及氧濃度分布特性可知,工況2條件下爐內(nèi)形成理想的切圓流場并保持爐膛內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)動量;同時,爐內(nèi)氧量消耗迅速,煤粉燃燒迅速,形成明顯的“風(fēng)包粉”燃燒狀態(tài),這均有利于低負(fù)荷下鍋爐的穩(wěn)定燃燒及燃盡。

3.5 鍋爐低負(fù)荷燃燒性能試驗驗證

根據(jù)上述模擬計算與分析結(jié)果,按工況2的燃燒組織與運(yùn)行策略,針對該鍋爐進(jìn)行了30%低負(fù)荷下運(yùn)行試驗與測量,鍋爐試驗過程參照GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》,其結(jié)果見表8。試驗結(jié)果表明,采用工況2條件下燃燒組織與配風(fēng)策略,保證30%低負(fù)荷條件下鍋爐穩(wěn)定燃燒及各項主蒸汽參數(shù)達(dá)到運(yùn)行要求。同時鍋爐試驗結(jié)果表明鍋爐實際出口氧氣體積分?jǐn)?shù)約為8.10%,出口煙溫約1 053 ℃,模擬與試驗結(jié)果對比見表9,誤差均在5%以內(nèi)。試驗結(jié)果驗證了模擬的低負(fù)荷下鍋爐燃燒組織方式的合理性,同時表明不同燃燒組織方式對墻式切圓鍋爐低負(fù)荷下燃燒特性存在顯著影響,實際運(yùn)行時應(yīng)當(dāng)充分考慮和制定合理的優(yōu)化運(yùn)行方案。

表8 30%負(fù)荷鍋爐試驗參數(shù)(平均值)Table 8 Boiler operating parameters under 30% load(average value)

表9 30%負(fù)荷試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比Table 9 Comparison between test results and simulation results under 30% load

4 結(jié) 論

1)在30%負(fù)荷下,由于鍋爐燃燒器開啟層數(shù)減少,爐內(nèi)燃料量和空氣量整體減少,須保證爐內(nèi)形成理想的切圓流場并保持爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)動量;同時,應(yīng)采用合理燃燒組織方式以實現(xiàn)爐內(nèi)煤粉的迅速著火、燃燒及溫度均勻分布。

2)針對研究的660 MW墻式切圓燃燒鍋爐,在30%低負(fù)荷下,通過開啟A、C層一次風(fēng)噴口及AA、AB、CC層二次風(fēng)噴口,不僅可以使?fàn)t內(nèi)主燃燒器最高溫度維持在1 700 K以上,實現(xiàn)低負(fù)荷下鍋爐的穩(wěn)定燃燒,同時也使得爐內(nèi)熱負(fù)荷分布更加合理,保證鍋爐的安全運(yùn)行。

3)通過數(shù)值模擬與試驗驗證相結(jié)合的方法,獲得了墻式切圓燃燒鍋爐30%低負(fù)荷下合理可行的燃燒組織與運(yùn)行策略,可為火電機(jī)組寬負(fù)荷靈活調(diào)峰運(yùn)行提供參考。