（热能工程专业论文）基于预数值计算的300mw煤粉锅炉燃烧工况优化研究.pdf

华北电力大学硕+ 学位论文摘要 摘要 t s a c f l o w c f ) ( c o a l f i r e 软件是中国与加拿大政府间的技术合作项目中联 合开发的大型煤粉锅炉炉膛的数值模拟计算软件。本文首次应用该软件计算出基于 某电厂3 0 0 m w 四角切圆燃烧锅炉的十种运行工况的精确数值计算结果。分析锅炉 燃烧运行调整时所燃煤质变化、煤粉细度变化、锅炉负荷变化、二次风配风方式的 变化、燃烧器的投运方式变化等对模拟结果的影响规律。同时分析了煤粉着火稳燃 与燃尽特性、炉膛出口烟温偏差和炉内结渣的分布情况。并从中找出一最优工况， 从而指导燃烧工况的调整与优化。为电站煤粉锅炉燃烧工况在线监测及优化系统的 研究提供了模型训练样本，并对系统建模进行了检验。 关键词：c o a l f i r e ，数值计算，燃烧优化，研究 a b s t r a c t t s a c f l o w - c f x c o a l f i r es o f i w a r ei st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eo f t h el a r g e - s c a l ep u l v e r i z e d c o a lf i r e db o i l e r sf u r n a c ew h i c hi sd e v e l o p e dj o i n t l yi nc h i n a a n di n t e r g o v e r n m e n t a lp r o j e c to ft e c h n o l o g i c a lc o o p e r a t i o no fc a n a d a i nt h i st h e s i s ， t h i ss o f t w a r eo fa p p l i c a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e ，c o n c l u d e st h ea c c u r a t er e s u l to fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o no fs o m et e nk i n d so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n sb a s e do na3 0 0 m wt a n g e n t i a l l y p u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e r h o wq u a l i t yo fc o a lc h a n g e ，t h i no fp u l v e r i z e dc o a l c h a n g e ，b o i l e rl o a dc h a n g e ，s e c o n d a r ya i rd i s t r i b u t i o na n db u r n e r so p e r a t i o nc o n d i t i o n s c h a n g e ，i n f l u e n c e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sw h e n b o i l e rc o m b u s t i o na d j u s t i n ga r ea n a l y z e d t o g e t h e rw i t ht h eb o i l e ro p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ei g n i t i o n ，c o m b u s t i o ns t a b i l i z a t i o n a n dc o m p l e t ec o m b u s t i o no f p u l v e r i z e dc o a l ，d e v i a t i o no ft h ef u r n a c eo u t l e tt e m p e r a t u r e a n dt h es l a g g i n gi nf u r n a c ea r ea l s oa n a l y z e d a n df i n d i n go u tao p t i m u mo p e r a t i n g c o n d i t i o nf r o ma b o v e ，t h e r e b yi ta c h i e v e st h ea d j u s t m e n ta n do p t i m i z a t i o no ft h e c o m b u s t i o nc o n d i t i o n l i uy a z h i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a hw e i p i n g k e yw o r d s ：c o a l f i r e ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，c o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n ，s t u d y 华北电力大学硕士学位论文主要符号表 主要符号表 吸收系数 指前因子 氧气的扩散系数 活化能，k j k g 颗粒的等效辐射 定压比热，j k g k 颗粒直径，a n 颗粒密度，k g m 3 颗粒速度，m s 壁面入射辐射 入射辐射 湍流粘性系数，p o s 湍流动能，m 2 s 2 湍流动能耗散率， m 2 j 4 碳的摩尔质量，k g m o l 烟气含氧量， 压力，m p a 雷诺准则数 通用气体常数 散射系数 辐射热流，w m 2 绝对温度，k 摄氏温度，。c 导热系数，w ( m 。c ) 流体动力粘度，p a s 斯蒂芬玻尔兹曼常数，w ( m 2 k 4 ) 时问，8 一次风速，m l s 口 4e髟以岛瓯g 以七 占 帆q p 也r 吒 吼r ， 五p f w 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于预数值计算的3 0 0 m w 煤粉 锅炉燃烧工况优化研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 日期： 壶凸墨! 盈s 1 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 能源问题是我国国民经济发展值得关注的重要问题。由于中国人口众多，能源 资源人均占有量低，并且人均能源消费水平低，因此随着经济和社会的发展，未来 中国能源需求总量将呈上升趋势。今后1 0 年，电力装机容量将由2 0 0 0 年的3 1 4 亿k w 增加到4 5 5 0 亿k w ，其中燃煤电站装机容量约占7 1 7 5 ：2 0 1 0 年发电量将达 到2 0 0 0 g k w h 以上，燃煤发电占总发电量的7 8 ，年消耗煤炭将达到6 6 亿吨以上l l j 。 我国煤炭资源丰富，是世界上的煤炭生产和消费大国，也是少有的几个以煤为 主要能源的国家之一。由于我国的能源条件和经济发展水平等因素，在今后相当长 的时期内，我国以煤为主的能源结构不会改变。2 0 0 2 年我国一次能源消费现状为煤 炭占6 9 6 ，预计至u 2 0 2 0 年，煤炭将占到一次商品能源的6 0 以上，至u 2 0 5 0 年，煤炭 将占到约5 0 。 我国电站锅炉多以燃烧劣质煤为主并且煤种多变，另外为适应国民经济的发 展，电力工业对调峰的要求提高，时常要求电站锅炉在较低负荷下运行。这就给电 站锅炉的安全运行带来了很多方面的问题：首先是锅炉的稳燃能力差，特别是低负 荷稳燃能力差，为了稳燃而使助燃用油量增加，增加了发电成本；其次是锅炉燃烧 效率低，燃用劣质煤的锅炉由于燃烧稳定性差，造成煤粉着火位置推后，燃烧效率 下降，目前全国供电煤耗平均在4 0 0 9 ( k w h ) ，比欧美国家高出约1 0 0 ( k w h ) ；再次 是水冷壁的结渣问题，它直接影响到锅炉安全运行，并且在结渣严重的情况下，将 影响炉内的空气动力场，进一步使燃烧恶化，同时还会造成燃烧器被烧坏、过热器 超温等问题。最后就是大气污染严重，据统计，因燃煤造成的污染物占我国总排放 量的比例分别是：s 0 29 0 ，c 0 2 7 1 ，n o x 6 7 。 由此可见，随着电网的发展，机组容量的增大，参与调峰能力要求的提高。研 究锅炉的稳燃技术，进行燃烧调整与优化，对提高机组运行的可靠性、经济性和可 调性是非常必要的。 煤粉在炉膛内的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程，它包括挥发分的释放、 焦炭的燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧，涉及到多相流动、传热 传质和燃烧等多个学科。由于过程的复杂性以及燃煤锅炉燃料的多变性，迄今为止， 对锅炉的设计和运行缺乏成熟的理论和经验，往往需要冷态及热态试验来确定运行 和设计参数，这类试验周期长，耗资巨大，且很难得到全面、满意的数据1 2 】。因此 了解炉内过程，全面模拟炉内的湍流流动、传热及燃烧等是很有必要的。 1 华北电力大学硕士学位论文 就目前国内外对炉内燃烧过程的了解，炉内全过程数值模拟计算是最能体现炉 内燃烧、流动与传热细节的有利工具，目前国际上最先进的 t s a c f l o w c f x c 0 a l f i r e 等炉内过程计算软件，锅炉炉膛计算的网格划分数量 达到一百万个以上，最小已经达到c m 数量级，可以很详细地考虑锅炉的结构细节， 计算模型精细化程度很高，可以计算得到炉内温度、流速、烟气组分、颗粒、n o x 等的详细分布场，并已经得到大量实际数据的验证，其预测的各主要参数的变化趋 势能够满足实际燃烧运行调整的需要。 燃烧工况的数值模拟是基于计算流体力学、计算传热学和计算燃烧学的原理， 用数值方法而不经任何简化直接求解非线性联立的质量、动量、能量及组分等守恒 偏微分方程组。只有这种模拟才能预报流动、传热与燃烧过程的细节，即给出炉内 各变量如炉内温度、组分浓度、飞灰可燃物、n o x 等的详细的时空分布。所以说应 用数值模拟进行锅炉燃烧工况优化，是锅炉燃烧优化的发展方向。 数值计算方法速度快、获得的信息量大，能全面预报燃烧室的燃烧、流动和传 热特性，为锅炉选型设计、运行和改造提供重要的参考依据，具有重要的工程应用 价值。因而，通过炉内过程的全模拟数值计算，描绘出炉内的温度场、煤粉颗粒轨 迹场等，从而指导电站锅炉燃烧系统以及燃烧过程进行优化，使燃烧过程更加稳定， 减少燃烧系统事故的发生，延长设备的使用寿命；使锅炉处于较为理想的燃烧工况， 提高燃烧的效率，减少各种污染物特别是n o x 的排放。对提高锅炉运行的安全性、 经济性，提高机组可用率，以及减轻对环境的污染，都具有十分重要的意义。 利用先进数值计算工具的计算精度，发挥数值计算的优势，在选定计算锅炉对 象后，利用数值计算软件，离线预计算该锅炉的几十至上百种锅炉燃烧运行工况下 的锅炉性能指标。采用数值计算的工况及计算结果作为人工神经网络模型的训练样 本集，并结合专家知识库系统，对模型进行学习与训练，结合现场的运行工况，制 定优化燃烧的策略与模型，利用锅炉机组的d a s 系统中的实时运行参数数据，实现 模型的在线运行，指导燃烧调整与优化。 国内尚没有从此思路开展锅炉燃烧优化研究的，而国外已经开始进行类似的研 究与开发。 1 2 国内外研究现状 锅炉内的煤粉燃烧是一个复杂的物理、化学过程，它涉及到多相流动、传热、 传质和燃烧等诸多领域。借助计算流体力学、燃烧学、传热学、气固两相流、化学 反应动力学等学科和计算机科学的发展，计算模拟炉内的燃烧过程逐步成为一种强 有力的研究手段。煤粉锅炉炉内燃烧过程的全模拟发展过程概括起来大致可以分为 2 华北电力大学硕士学位论文 以下几个发展阶段： 模型的发展与完善阶段：主要集中在七十年代。有代表性的有g i b s o n 提出的化 学动力学模型，s p a l d i n g 提出的湍流燃烧模型和g r o w 提出的气固两相流模型。 初步尝试阶段：七十年代末至八十年代末九十年代初。模型开始应用于炉内模 拟，各种模型和计算方法进步完善。炉内模拟经历了采用较粗糙的网格计算冷态 情况下的炉内情况、计算气相燃烧的热态情况、计算气固两相燃烧的热态情况等阶 段，选用模型逐步复杂，计算结果开始与实验数据进行对比。 全过程模拟阶段：九十年代至今是炉内燃烧过程数值模拟走向成熟的阶段，各 种日益成熟的模型广泛应用于炉内全三维的模拟，计算结果开始与大型冷模和实测 数据进行比较。模拟开始转向关于炉内燃烧、污染物的排放、结渣及碳黑生成等更 具有实际应用价值的模拟。 清华大学热能工程系 2 h 对四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的两相流动和燃烧过程 进行了数值模拟，将用于气相流场计算的a l e 算法、颗粒相的随机轨道模型，气相 燃烧的e b u 模型，六热流辐射模型、水分蒸发的扩散模型、挥发分析出的双平行反 应模型、焦炭燃烧的扩散一动力模型相结合。模拟结果给出了冷态和热态流场分布、 温度分布、组分浓度分布和颗粒在炉内的运动轨道，但未能与试验结果进行验证。 另外，清华大学热能工程系1 1 9 】将非正交贴体曲线方法应用到煤粉燃烧室内的数值模 拟中，利用贴体坐标方法网格划分的灵活性，以解决四角切圆煤粉锅炉数值模拟中 的伪扩散问题，采用了离散坐标法求解辐射场，其他模型与文献 2 1 基本相同，计 算结果未能与试验结果进行验证。 目前，世界各国都非常重视炉内过程数值模拟的研究，许多学者进行了深入的 研究并得出了不少研究成果。在这个领域中做出巨大贡献的有s p a l d i n g ，p a t a n k a r ， c r o w e ，s m o o t 以及周力行等人。近年来，德国、英国、美国及中国等国的学者相继 发展了锅炉炉膛煤粉气流燃烧过程数值计算的研究工作，并已经推出了这方面的商 业软件，其中f l u e n t ，p h o e n i c s ，s t a r c d 和c f x 等大型软件最具代表性。 数值计算具有满意的精度，但其运算量大、耗时多的缺陷使其难以直接用于监 测与优化。预先进行数值计算，把精确结果应用于实时监测与优化，是解决数值计 算应用难题的较好解决方法。 为实现大型煤粉炉燃烧高效、稳定、低污染、防结焦、防高温腐蚀，需要同时 把握好两个方面：一是燃烧系统( 包括采用稳燃器) 设计安装合理：二是优化燃烧调 节，组织合理的燃烧工况。而后者是许多电厂存在的薄弱环节，是影响锅炉安全与 经济运行的主要因素。燃烧调整与优化是锅炉运行调整中的最主要的内容及目的之 一，但燃烧工况优化的最大困难是缺乏可以实时监测的燃烧工况参数，以往国内所 3 华北电力大学硕士学位论文 进行的燃烧工况监测与优化的研究开发工作主要为： ( 1 ) 基于实时检测的火焰图像的锅炉燃烧优化 大型电站锅炉炉膛内的燃烧过程是发生在较大空间范围内的、不断脉动的、具 有明显三维特征的物理和化学过程，火焰温度分布是燃料在经过高温化学反应、流动 以及传热传质等过程后的综合体现。已有研究人员运用火焰图像处理技术检测出炉 膛内的二维燃烧温度。这里所说的二维燃烧温度是火焰三维温度场在二维平面上的 叠加，它不能反映炉膛空间中某点处的温度，在燃烧监测与分析中存在较大的局限 性。浙江大学王飞等开展了电站锅炉炉内断面温度场的试验研究【4 】，但该方法只是 检测了炉膛中某一高度的横截面温度分布，还没有实现对全炉膛三维温度场的检 测。华中科技大学周怀春等人一直致力于大型电站锅炉三维温度场可视化研究【5 】在 大型电厂锅炉上，采用计算机图像采集处理技术将炉膛看火电视装置获取的图像信 号转化为数字信号，通过计算机处理获得相应的温度图像，并在图像显示器上显示， 给出燃烧状态综合监视图，为运行人员提供操作指导。文献【33 j 介绍了w o o n b o b a e k ( r e s & d e v c e n t e r , d o o s a nh e a v yi n d & c o n s t r c o l t d ，c h a n g w o n ，s o u t hk o r e a ) 等 人基于火焰图像识别的燃烧优化方法。根据实时检测的火焰图像，通过对喷口局部 或炉顶俯视火焰的图像处理与分析，判断炉内火焰的工况，分析着火、燃烧、燃尽 及污染物生成等，从而指导运行人员进行燃烧调整。 该方法的缺点是火焰的波动很大，且只能得到局部的火焰图像，由火焰的色度 反推燃烧工况在理论上还存在很大的难度。 ( 2 ) 基于专家系统，人工神经网络或模糊评判的锅炉燃烧优化 基于专家系统，人工神经网络或模糊评判等理论模型，建立影响燃烧过程的运 行参数因素集，再根据有经验的运行人员对不同组织燃烧的方式对燃烧总体效果的 优劣进行打分评判，建立可以实时运行的模型，在实际运行中，根据运行参数的配 合与选择等，指导运行人员的燃烧调整。 文献【3 4 1 介绍了清华大学张毅等人运用人工神经网络建模，采用遗传算法进行锅 炉燃烧优化的方法。 文献【3 5 1 介绍了浙江大学周吴等人从分散控制系统( d c s ) 上采集数据，结合人工 神经网络的非线性动力学特性和自学习特性，通过对锅炉输出参数和n o x 输出特性 的样本学习，建立了大型电站燃煤锅炉的氮氧化物排放特性神经网络模型，并利用 遗传算法实现锅炉的低n o x 燃烧的优化运行指导。 该方法的明显缺点是，收敛速度慢、泛化能力差、人为因素的比重过大。 国外在关于燃烧优化控制系统方面的研究也有了不少新的成果。美国p e g a s u s 公司生产的高科技产品p o w e rp e r f e c t e r t m 是基于神经网络的锅炉燃烧优化控 4 华北电力大学硕十学位论文 制系统。锅炉优化的范围各有不同，比如对煤质的监测，从电厂接受的煤开始进行 优化监测。煤质在线检测国内已有运行，大概4 0 0 万一套，大陆中电一直在做这方 面的工作。美 h o n e y w e l l s 9 0 0 0 系统构建集散控制系统，建立一个锅炉、汽机和电 网、热网的监控优化系统，对系统中状态参数实施全面监测及优化，无疑是一个很 好的解决办法。通过对一些主要的过程变量实施自动控制，使得整个系统通史完全、 有效地运行。在此基础上，对节能影响很大的锅炉燃烧系统建立稳态参数优化模型， 并求得锅炉燃烧稳态优化模型参数。在这个优化结果的指导下，便可进行锅炉燃烧 优化控制。 综上所述，锅炉是一个典型的多输入、多输出系统，而且各种因素相互耦合， 关系错综复杂。但炉内燃烧过程由于牵涉到复杂的物理和化学反应过程，对其机理 尚未完全了解透彻，现有的燃烧检测技术，包括压力、温度、火检、看火焰电视等， 均无法反映整个炉内的燃烧工况。大型锅炉炉内燃烧优化设计和运行的瓶颈在于缺 乏准确的炉内三维燃烧工况实时在线检测技术。 1 3 论文的主要研究内容与目的 1 t a s c f l o w 计算软件平台与c o a l f i r e 软件是加拿大自然资源部能源技术 中心开发，华北电力大学参与，国内首次安装使用的大型燃煤粉锅炉炉膛 数值模拟软件。其界面简单，通用性强，使用方便，能够结合炉膛结构、 运行参数及煤种参数等，设置求解器，自动调整迭代次数来监视残差曲线， 直至模拟收敛。并在指定文件夹下产生数字结果和图像，以便进行结果分 析。 2 本文采用国际上最先进的三维计算流体力学商业化工程计算软件 t s a c f l 0 、肌c f x c o a l f i r e ，计算出基于某电厂一台3 0 0 m w 四角切圆燃 烧锅炉十种不同运行工况的精确数值计算结果。 3 把燃烧过程数值计算与燃烧系统优化结合起来，找出最为适用的方法和模 型以及参数变量，综合评价各运行工况的锅炉性能指标，并从中找出一最 优工况，以便指导锅炉的燃烧调整与优化。 4 把数值计算的工况及计算结果作为人工神经网络模型的训练样本集，为电 站煤粉锅炉燃烧工况在线监测及优化系统的研究提供了条件。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章炉内过程数值模拟模型 2 1 有煤粉燃烧的三维湍流两相流基本守恒方程组 燃烧是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，它包含着流动、传热、传质和 化学反应以及它们之间的相互作用。燃烧室内的燃烧气体流动一般为湍流问题。 湍流是随机的、脉动的、高度复杂的非稳态三维流动，在湍流中流体的各种物 理参数，如速度、压力、温度等均随时间与空间发生随机的变化，尽管如此，这种 瞬时运动仍可用n s 方程描述。工程上的数值计算中般用雷诺时均法处理，通过 求解时均化后的n s 方程获得湍流的运动规律1 3 】。 对于所有包含传热的湍流问题进行数值计算，都需要求解连续性方程、动量守 恒方程、能量守恒方程和附加的输运方程。对于包含组分混合和化学反应的流动， 需要求解组分守恒方程或者使用p d f 模型来求解混合分数的守恒方程，各控制方程 的一般形式描述如下。 连续性方程： 譬+ 兰汹，) = s ( 2 1 ) 其中s 为单位体积中体平均的物质源。 动量守恒方程： 昙( j ) + 毒b 一) = 一考+ 等+ 昭，+ 莓等o “叫) 托s + ( z _ 2 ) 其中p 是静压，p g 为考虑浮力影响的重力项，右端最后三项为相间相互作用 力的源项。f 。是应力张量，如下所示： “= ( 等+ 等 - 詈薏磊 c z l ， 能量守恒方程： 昙b ，r ) + 考妇 r ) 2 考卜考j + w q - q , + n k q k + c p 稻c z 叫 其中五是有效导热系数，0 稻为单位体积中流体相与颗粒相的由于变质量所造 成的能量源，q ，为流体辐射热，叱为流体相中s 组分反应率，u q 为流体相单位体 积中反应放热。 6 华北电力人学硕十学位论文 对非绝热系统，p d f 俣型阴思烙彤式的能量矸但万栏： 昙协) + 昙咖， ) = 旦o x , f t , 丝a h 丝o x , ) 1 一瓯 ( 2 5 ) 混合物分数，表达两种组分的混合程度，f 自然也是守恒标量，f 的瞬时值守 恒方程为 昙( p 7 ) + 毒( ，7 ) = 旦o x jf 【丝笪l c z 删 2 2 湍流气相流动樟犁, o s o x j 本文采用雷诺时均法模拟湍流流动，雷诺时均法在处理过程中引入了雷诺应力 项，根据处理附加雷诺应力项方法的不同，产生了众多的湍流模型。湍流粘性系数 法虽然其对湍流粘性系数麒各向同性的假定与实际不是很吻合，但由于其经济的计 算花费和一定场合较好的计算精度，在工程计算中还是得以广泛的应用。雷诺时均 法分为一阶、二阶及多阶封闭模型。一阶封闭模型包括零方程、单方程、双方程模 型。 零方程模型常用的是混合长度模型，即 以：咸幽( 2 - 7 ) 其中，l 为混合长度，一般由实验确定。 零方程模型表达式简单，求解鸬不需要其它的微分方程，同时，该模型建立时 间较早，积累了丰富的经验，它对于剪切流是非常有效的，但对于回流及旋流流动， i m 是一个未知场，很难通过实验来确定。另外，当娑：0 时，鸬= 0 ，这在理论上 和实验上都是不可能成立的。因此，零方程模型很少应用在炉内湍流流场的计算中。 单方程模型是将湍流脉动动能k 和湍流特性尺寸工作为湍流特性参数。湍流粘 性系数可表示为： z ，= c 。丛啦l ( 2 - 8 ) 其中，c 。是常数，可由混合长度，。得到，k 根据微分方程确定。经严格推导， 并经过适当模化以后，足方程的形式为： p 警= 瓦0 ，。( 吒g , o 讲k j + 1 鸬 吾一等 考一c 。胚m c z 删 华北电力大学硕士学位论文 式中o t 和c 。是常数，通过工和k 确定，然后代入公式( 2 - 9 ) ，原则上即可确定 麒的值。 单方程模型克服了混合长度理论的缺陷，即当竺= 0 时，l a , = 0 。但存在难以 确定的困难，所以实际应用并不广泛。 双方程模型将影响湍流粘性系数的两个特征量三和足转化为另外两个特征量z 和k ，并表示成了由微分方程控制的变量，其中，z = k “r ，选择不同的m 和n ， 就构成了不同的双方程模型。 所以综合考虑精度要求和经济性，选择最常用的标准缸双方程模型模拟湍流 流动。 标准k - e 双方程模型中湍流粘性系数从方程、k 方程、8 方程分别为 a , ：三笸 ，一1 0 ) t - z - 1= 一 面考= 毒陋+ 箦 考 + 鸬考( 考+ 警 - 声 c z ， 面考= 毒陋+ 刳考 + 等“考( 等+ 詈 - t c 2 p 9 2 c z 啦， 式中：k 为湍流动能，聊2 j - 2 ；吼为湍动能的p r a n d t l 数；从为湍流粘性系数， 只s ；占为湍流动能的耗散率，脚2 j 。；盯。为耗散率的p r a n d t l 数；q ，岛和c 。，分别 为湍流模型系数。 湍流流动受壁面束缚和壁面不光滑的影响很大。上文所提到的肛双方程模型 称为高r 。数模型，适用于离开壁面一定距离的湍流区域。这里的r 。数是以湍流脉动 动能的平方根作为速度的( 又称湍流尺，数) 。而在与壁面相邻接的粘性支层中，湍 流r ，数很低( 此处的r 。数是以湍流脉动动能的平方根作为速度的) ，这里必须考虑 分子粘性的影响，此时，k 、方程亦要作相应修改。适用于粘性支层的缸s 模型称 为低r 。数模型。采用高见数缸模型来计算流体与固体表面间的换热时，对于壁面 附近的区域，可采用壁面函数法来处理”。 壁面函数与低r p 数模型的方法不同，它在近壁区不求解均流场或湍流量的偏 微分方程，因此也就不需要在近壁区布置精细网格。壁面函数的功能是提供：近壁 网格内平行于壁面的速度分量与壁面应力的关系；近壁网格内温度与壁面温度差同 壁面热流通量的关系；近壁网格内湍流动能的产生率和耗散率等等【2 4 】。这种方法能 8 华北电力大学硕士学位论文 节省内存与计算时间，而且结果较好，故在工程湍流计算中应用较广。由于本文的 计算对象在流动核心区为旺盛湍流，所以采用高r p 数缸8 模型结合壁面函数法来进 行计算。 2 3 气固两相流模型 对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，在欧拉坐标系 内加以描述，而把颗粒群作为离散体系，在拉氏坐标系内加以描述；二是既把流体 作为连续介质，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体，两相在空间共存和互相渗透， 在欧拉坐标系内加以描述。不同观点描述两相流所得数学方法也不同，目前常用的 方法主要分为两大类：用欧拉方法描述的连续介质模型和用拉格朗日方法描述的颗 粒群轨道模型。 本文采用拉格朗日随机颗粒轨道模型，此模型的优点是计算工作量小，节省计 算存储量及机时，对有蒸发、挥发和异相反应的颗粒相复杂经历时，能较好的追踪 颗粒的运动，而且颗粒相用拉格朗日处理数值计算也不会产生伪扩散。其缺点是难 以完全模拟颗粒湍流的输运过程，也难以给出能与实测的颗粒欧拉场特征相对应的 颗粒速度及浓度空间分布的相近数据2 2 1 。 颗粒轨道模型通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗 粒的轨道。颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式( x 方向) 为： 鲁= 昂o ，) + 掣+ 只 ( 2 - 1 3 ) 式中，u 为流体相速度，”，为颗粒速度，为流体动力粘度，p 为流体密度，岛 为颗粒密度，以为颗粒直径，昂恤一“，j 为颗粒的单位质量曳力，只为附加质量力。 其中： 昂0 一) = 磊1 8 t 百c d r , 0 一) ( 2 - 1 4 ) 只= 互l 成p 疵d ( 掣一) ( 2 一1 5 ) 在式( 2 - 1 4 ) 中，r 。为相对雷诺数( 颗粒雷诺数) ，c o 为曳力系数，计算公式如 下： 见：型! 匕二型( 2 1 6 ) 9 华北电力人学硕十学1 ：i ) = 论文 c d = 若m 1 5 疋“”) ( 小8 。) c 。= 1 9 6 5 ( 5 r e 1 ，平均燃烧温度也最低， 在三种配风方式中最不利于锅炉结渣。 表5 - 2 三种不同配风方式对壁面气氛和燃烧温度的影响 配风工况炉膛出u 氧量( )壁面平均氧量)平均燃烧温度( ) 均等配风 6 54 2 51 3 7 8 正，袁塔配风 6 34 1 51 3 6 4 倒宅塔配风 6 7 4 7 51 3 5 l 由于结渣主要是煤中矿物成分发生作用的结果，若煤中含有较多的碱性矿物 质、黄铁矿等，则在加热过程中易形成低熔点的共熔体。为判断不同煤种在燃烧时 的结渣性能，国内外学者提出了许多判别方法，但实际上单一的结渣性能指标准确 性都不高。目前，运行中普遍使用的是测定飞灰的熔融特性( 按g b 2 1 9 7 4 规定，测定 初始变形温度d t 、软化温度s t 及熔融温度f t ) 来判断。本文所燃煤种均为中等结渣 煤，易结渣煤种的灰分含量越高，对锅炉运行越不利。 模拟中所用煤粉细度和均匀性如表5 3 所示，可以发现煤粉的细度很大，尤其 是煤粉中粗颗粒所占的比重比较大，煤粉的均匀性不好。煤粉过粗，而且煤粉中粗颗 粒过多，使得煤粉颗粒的惯性大，容易从烟气流中被甩出来，落到水冷壁上导致结 渣。 表5 3 煤粉细度分析 煤粉细度工况( 1 )工况( 1o ) p - 9 0 2 2 2 r 2 0 0 1 5 2 华北电力大学硕十学位论文 另外，由于炉膛壁面结渣引起受热面吸热不均匀，导致水动力恶化，导致水冷 壁管爆管等。通过燃烧调整使燃烧中心适中，防止火焰中心偏斜或贴边；改燃烧器 结构，使锅炉炉内实际切圆直径减小，炉膛温度水平降低，上二次风喷口附近水冷 壁壁面0 2 浓度增加，均能有效地抑制和消除炉膛的结渣。受热面结渣过程与多种 复杂因素有关，而上述的几个因素只占有一定的影响作用，且影响作用到底有多大 是很难确定的，因此还不能全面、准确地预测结渣。目前模糊综合评判方法可以考 虑多种因素对结渣的影响程度，并做出一定的预测，这里就不再详述了。 华北电力大学硕士学位论文 6 1 本文的主要研究成果 第六章结论 本文以某电厂3 0 0 m w 机组四角切圆煤粉锅炉为对象，利用大型炉内燃烧数值 计算软件c o a l f i r e ，选取十个运行工况对其炉内流动、燃烧和传热过程及n o x 的生成进行了数值模拟计算，分析了煤粉细度、煤质变化、锅炉负荷和二次风配风 方式等对煤粉气流着火和燃烧稳定性的影响规律，得出了以下结论： l 、本文首次应用华北电力大学与加拿大自然资源部能源技术中心联合开发的 大型四角切圆燃煤锅炉炉膛数值计算软件t a s c f l o w - c f x c o a l f l r e ，得出的炉 内温度分布、组分浓度分布、壁面热负荷分布、n o x 浓度分布、煤粉颗粒轨迹等基 本上能够符合实际规律。 2 、通过理论分析，对各个工况模拟结果进行对比分析得出： ( 1 ) 所燃煤质的变化对炉内煤粉气流燃烧的稳定性和n o x 排放均有较大影响。 从本文的模拟结果来看，改烧煤种后，锅炉燃烧稳定，炉膛平均温度高于实际燃用 煤种；由于设计煤种的挥发分含量、氮含量和水分含量等均比实际煤种的要大，故 生成的n o x 也相对较多。 ( 2 ) 锅炉负荷的变化对炉内煤粉气流的稳定燃烧和n o x 排放均有较大影响。随 着锅炉负荷的降低，炉内燃烧器区域的烟气温度水平降低，氧量增加，热负荷分布 不均，炉内氮氧化物的生成也有所增加。本文锅炉在8 0 低负荷工况下，炉内燃烧 器区域的烟气平均温度水平与1 0 0 负荷运行时的烟气平均温度水平相差并不大， 表明锅炉在低负荷情况下可安全稳定的运行。 ( 3 ) 二次风配风方式的变化对炉内煤粉气流的着火、燃尽性能以及n o x 排放均 有较大的影响。从本文模拟结果来看，总体上均等配风和正宝塔配风工况着火性能 要好于倒宝塔工况，其中正宝塔配风工况的煤粉燃尽率要优于均等配风；而出于实 现锅炉低n o x 排放考虑，二次风配风方式宜采用倒宝塔工况。总之，确定炉内配风 的优化运行方式，要兼顾锅炉的经济性和排放特性。 ( 4 ) 颗粒平均粒径的变化对炉内煤粉气流的着火、燃烧以及燃尽均有较大影响。 随着颗粒平均粒径的增大，煤粉气流着火延迟，燃烧器区域的温度水平降低，氧量 增加，出1 3 处烟气温度下降，氧量增加。颗粒平均粒径过大或过小，都会导致煤粉 燃尽困难，使得飞灰含碳量增加。在本文的运行工况下，最佳的煤粉颗粒平均细度 约为r g o = 1 5 ，r 2 0 0 = 2 。 3 、对烟温偏差与结渣问题进行分析得出的结论： 6 0 华北电力人学硕七学位论文 ( 1 ) 所燃煤种的着火、燃尽性较好。锅炉8 0 低负荷运行时，虽然火焰燃烧的 稳定性有所下降，但仍能保证锅炉安全稳定的运行。 ( 2 ) 各工况燃烧火焰贴墙的部位发生结渣的可能性最大，设置周界风和增加一 次风速对预防结渣有利。 ( 3 ) 在炉膛自由容积出口处，烟温偏差已经开始形成。降低燃烧中心和减小切 圆直径对减小出口烟温偏差有利。 4 、从燃烧优化的角度来看，综合十个运行工况的模拟结果，最优工况为工况 ( 3 ) ，工况( 8 ) 最差。 6 2 下一步工作的建议 大型计算流体力学软件c o a l f i r e 对四角切圆燃烧锅炉炉内煤粉颗粒燃烧及 污染物n o x 的生成过程的模拟研究与试验研究有一定的差距，而以此来指导锅炉的 燃烧优化调整，难度会更大。本文虽已做了些基础且必要的工作，但还有许多工作 需要进一步研究： 1 、对于锅炉全过程数值模拟，应该综合考虑炉膛上部的屏式过热器和对流过 热器的辐射和对流吸热的影响，以提高数值计算的精度。 2 、本文的数值计算中，在水冷壁的处理上，忽略了炉内燃烧过程和水冷壁内 工质的流动与换热过程的联系，使得水冷壁内的吸热情况对水冷壁结渣的影响没有 体现出来。 3 、本文的模拟计算中，最好再多算几个运行工况，通过改变影响锅炉燃烧稳 定性的因素，有利于总结出影响n o x 排放的各种因素的规律，从而指导锅炉的燃烧 优化调整。 6 1 华北电力人学硕士学位论文 参考文献 国家计委、科技部联合印发中国的能源概况和能源需求预测2 0 0 2 5 周力行湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟北京：科学出版社， 1 9 9 4 1 9 李文彦电站锅炉煤粉燃烧过程及结渣的数值模拟： 博士学位论文 北京：华 北电力大学动力工程系，2 0 0 2 周怀春，娄新生炉膛火焰温度场图像处理试验研究【j 】中国电机工程学报， 1 9 9 5 ，1 5 ( 5 ) ：2 9 5 3 0 0 薛飞，李晓东基于面阵c c d 的火焰温度场测量方法研究【j 】中国电机工程学 报，1 9 9 9 ，1 9 ( 1 ) ：3 9 4 l 樊泉桂，阎维平锅炉原理北京：中国电力出版社，2 0 0 4 ，8 1 1 2 1 林宗虎，陈立勋锅内过程西安：西安交通大学出版社，1 9 9 4 ，1 4 0 1 6 9 周力行湍流两相流动与燃烧的数值模拟北京：清华大学出版社，1 9 9 1 ， 9 2 1 0 5 施柳贤2 0 0 m w 四角切圆燃烧锅炉炉内n o x 生成特性数值模拟：【硕士学 位论文】哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 4 s r d j a l lb e l o s e v i c ，m i r o s l a ys i j e r c i c ，s i m e o no k a ，d r a g a nt u c a k o v i e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fu t i l i t yb o i l e rp u l v e r i z e dc o a lt a n g e n t i a l l yf i r e d f u r n a c e i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f h e a ta n dm a s st r a n s f e r , 2 0 0 6 ，6 m x u ，j l t a z e v e d o ，m gc a r v a l h o m o d e l l i n go ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s a n dn o xe m i s s i o ni nau t i l i t yb o i l e r f u e l ，2 0 0 0 ，l 石锦妹3 0 0 m w 四角喷燃锅炉燃烧及n o x 排放特性的数值模拟：【硕士学 位论文1 保定：华北电力大学动力工程系，2 0 0 5 陶文铨数值传热学西安：西安交通大学出版社，2 0 0 2 ，1 3 6 1 5 2 张江平w 型火焰锅炉炉内过程的数值模拟：【硕士学位论文】北京：华北 电力大学，2 0 0 5 李争起，吴少华，孙锐，等配风方式对旋流煤粉燃烧器n o x 的排放及煤 粉燃尽的影响动力工程，1 9 9 7 ，1 7 ( 2 ) ：2 7 3 1 谭厚章，徐通模，余战英，等四墙切圆燃烧方式壁面热负荷分布试验研究 工程热物理学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ：5 2 5 5 2 8 l x z h o u ，l l i ，r x l i ，j z h a n g s i m u l a t i o no f3 - dg a s p a r t i c l efl o w sa n d c o a lc o m b u s t i o ni nat a n g e n t i a l l yf i r e df u r n a c eu s i n gat w o f l u i d - t r a j e c t o r y m o d e l p o w d e rt e c h n o l o g y , 2 0 0 2 2 2 6 2 3 3 6 2 嘲 嘲 旧 m 嘲 吲 蚴 华北电力大学硕士学位论文 陈炳华日照电厂3 5 0 m w 锅炉燃烧优化调整的数值模拟研究：【硕士学位 论文1 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 3 范贤振，郭烈锦，高晖，等2 0 0 m w 四角切向燃烧煤粉炉炉内过程的数值 模拟西安交通大学学报，2 0 0 2 ，3 6 ( 3 ) ：2 4 1 2 4 5 郭印诚，林文漪，周力行三维煤粉燃烧全双流体模型的数值模拟工程热 物理学报，1 9 9 8 ，1 9 ( 1 ) ：1 1 7 1 2 0 刘向军四角切向燃烧煤粉锅炉炉内燃烧过程的数值模拟：【博士学位论文】 北京：清华大学，1 9 9 7 李长志切圆燃烧锅炉炉内气固两相流动数值模拟及结渣研究：硕士学位 论文1 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 4 赵坚行燃烧的数值模拟北京：科学出版社，2 0 0 2 ，3 5 6 4 范维澄，万跃鹏流动及燃烧的模型与计算合肥：中国科学技术大学出版 社，1 9 9 2 刘霞4 0 0 t h 四角切圆煤粉炉分级燃烧技术降低n o x 排放的研究与数值模 拟：【硕士学位论文】南京：东南大学，2 0 0 4 l l b a x t e r , p j s m i t h t u r b u l e n td i s p e r s i o no fp a r t i c l e s ：1 1 1 es t pm o d e l e n e r g y f u e l s ，1 9 9 3 ，( 7 ) ：8 5 2 8 5 9 w ：p j o n e s j h w h i t e l a w c a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rr e a c t i n gt u r b u l e n t f l o w s ：ar e v i e w c o m b u s t f l a m e 1 9 8 2 1 2 6 赵泽光3 0 0 m w 电站锅炉炉膛壁面热负荷分布的数值模拟：硕士学位论 文1 保定：华北电力大学动力工程系，2 0 0 5 r k b o y d j h k e n t t h r e e d i m e n s i o n a lf u r n a c ec o m p u t e rm o d e l i n g i n 2 1 s ts y r u p ( i n t 1 ) o i lc o m b u s t i o n t h ec o m b u s t i o ni n s t i t u t e ，1 9 8 6 2 6 5 2 7 4 j l f e r z i e g e r , m p e r i c c o m p u t a t i o n a lm e t h o d sf o rf l u i dd y n a m i c s s p r i n g e r - v e r l a g ，h e i d e l b e r g ，1 9 9 6 5 6 6 7 吴猛，胡桂林，樊建人，等3 0 0 m w 对冲燃烧锅炉燃烧和污染物排放的数值模