（热能工程专业论文）基于数值模拟预计算的w型火焰锅炉燃烧优化的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对以数值模拟预计算为基础的w 型火焰锅炉燃烧优化进行了研究。首先 采用c f x t a s c f l o w 软件对一台现役3 0 0 m w “w ”火焰锅炉进行了多个工况的数 值模拟，根据模拟结果分析了锅炉负荷、过量空气系数、一次风率、二次风配风方 式对w 型火焰锅炉炉内流场、温度场、飞灰含碳量和n o 排放量等的影响，得到 了建立燃烧模型的数据库。进而根据最小二乘支持向量机原理，使用s u a lb 觞i c6 0 编程建立了w 型火焰锅炉燃烧预测模型，并验证了模型的合理性。最后，以飞灰 含碳量和n o 排放量为目标，采用遗传算法对不同负荷下的燃烧运行方式进行了优 化。 关键词：w 火焰锅炉，数值模拟，燃烧优化 a b s t r a c t i tw a ss t u d i e dt h a tc o m b u s t i o no 面删o no fw - f l 觚圮b 0 1 l e rb 嬲e d0 nt h e p r e - i m m e r i c a lc a l c u l a t i o n f i r s t l y t h en 眦砸c a ls i i n u l a t i o 璐w e r em a d e0 na30 0 m w w - f 1 锄eb o i l e r 瞰蛔d i 脑喇l o a d s 璐珧t h ec f x - t a s c f l o ws o 胁砒e 0 r d 崦t 0 t b es i n i 沮a t i o n 托s l l l t s ，i tw 蕊a n a l y z e dt h a ti m p a c tq ft b eb o i l e rl o a d ，也er a ：c eo fp r i n l a 巧a 近 s e c o n d a 巧a i rd i s t r i b u t i o 玛e x c e s sa i r 枷oo nf l o wf i e l d ，t e ：m p e 硪嘶f i e l d ，c 鲥b o ni nf l ya s h 锄dn o 础s s i o ni nw 二f l a r i 圮b o n e rf 1 1 r m u t h ed a 讪a s ew 邪o b t a j l l e df o rc o m b u s t i o n m o d e l s t h e 玑b a s e do nt h el s s v m ，t h ep r e d i c t i o nm o d e l so fw - f l 锄eb o i l e f c o m b u s t i o nw e r eb u i l tb yc o m p i l i n gp r o 伊a mu s i n g s u a lb a s i c6 0 ，觚dt h em o d e lw a s c h e c k e d f i n a l l y ，a i m e da tt h ec 时b o ni 1 1n ya s h 锄dm en oe m i s s i o 玛t h em e t h o d so f c o m b u s t i o no p e r a t i o n 、c r eo p t i m i z e do nd i f f e r e n tl o a d sb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m c u iw e i - c h u n ( 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 g a oz h e n g y a n g k e yw o r d s ：w - n a m eb o i l e r n u m e r i c a ls i m u i 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 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对以数值模拟预计算为基础的w 型火焰锅炉燃烧优化进行了研究。首先 采用c f x t a s c f l o w 软件对一台现役3 0 0 m w “w ”火焰锅炉进行了多个工况的数 值模拟，根据模拟结果分析了锅炉负荷、过量空气系数、一次风率、二次风配风方 式对w 型火焰锅炉炉内流场、温度场、飞灰含碳量和n o 排放量等的影响，得到 了建立燃烧模型的数据库。进而根据最小二乘支持向量机原理，使用s u a lb 觞i c6 0 编程建立了w 型火焰锅炉燃烧预测模型，并验证了模型的合理性。最后，以飞灰 含碳量和n o 排放量为目标，采用遗传算法对不同负荷下的燃烧运行方式进行了优 化。 关键词：w 火焰锅炉，数值模拟，燃烧优化 a b s t r a c t i tw a ss t u d i e d 也a tc o m b u s t i o no 州喇o no fw - f l a i i 圮b o i l e rb 勰e d0 nt h e p r e - i m m e r i c a lc a l c u l a t i o n f i r s t l y t h en u m e r i c a ls i i l l u l a t i o n sw e r em a d l eo na30 0 m w w f l 锄eb o i l e ru n d e rd i 依鹏n t1 0 a d s 潞啦t h ec f x 1 a s c f l o ws o f t w a r e a c c o 订i n gt 0 t 1 1 es i n i l i l a t i o n 托s l l l t s ，i tw 蕊a n a l y z e dt h a ti m p a c tq fm eb o i l e rl o a d ，也er a ：c eo fp l 面响巧a 近 s e c o n d a d ra i rd i s t r i b u t i o 玛e x c e s sa i r 枷oo nf l o wf i e l d ，t e m p e m t u r ef i e l d ，c 舐b o ni nf l ya s h m l dn o l i s s i o ni nw 二f l a r i 圮b o i l e rf i 】_ n l a c e ，n l ed 乏吐a b a s ew 弱o b t a j l l e df 0 rc o m b u s t i o n m o d e l s t h e 玑b a s e do nt h el s s v m ，t h ep r e d i c t i o nm o d e l so fw f l a m eb o i l e f c o m b u s t i o nw e r eb u i l tb yc o m p i l i n gp r o 伊a mu s i n g s u a lb a s i c6 0 ，觚dt h em o d e lw a s c h e c k e d f i n a l l y ，a i m e da tt h ec 打b o ni 1 1n ya s h 锄dm en oe m i s s i o 玛t h em e t h o d so f c o m b u s t i o no p e r a t i o nw e r eo p t i m i z e do nd i 金e r e n tl o a d sb yu s i n gg e n e t i c 甜g o r i n u n c u iw e i - c h u n ( 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 g a oz h e n g y a n g k e yw o r d s ：w - n a m eb o i l e r n u m e r i c a ls i m u i 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 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于数值模拟预计算的w 型 火焰锅炉燃烧优化的研究，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：鱼生圭 日 期：丝翌：至卫 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：垒壁 日 期：丝! ：至：! 导师签名：萱垂豳 日 期：翌! ! ：至：! 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 煤炭是我国主要能源之一，占能源消耗量的7 5 以上。我国电力以燃煤发电为 主，约占全国总发电量的7 0 ，原煤消耗量约2 亿吨，年。在我国许多地区，无烟 煤是当地主要煤种，在已探明的煤炭储量中，低挥发分无烟煤的比重较大，约占全 国煤炭持有储量的1 3 以上l l j ，所以在能源日趋紧张的情况下更好地利用这些资源 是今后研究的课题之一。 近年来，世界各国越来越重视充分利用无烟煤的研究和应用。我国电站锅炉在 切向燃烧无烟煤方面已积累了丰富的经验，但由于无烟煤碳化程度高，挥发分低且 析出温度高，存在着火、稳燃和燃尽三大难题，使这种燃烧有一定的局限性，在燃 烧无烟煤时燃烧稳定性和经济性仍不够满意。美国f w 能源公司自3 0 年代起就开始系 统的研究低挥发份燃料的燃烧技术并开发出了较成熟的w 型火焰锅炉，后为法国 s t e i n 公司、英国的b w 公司和日本的日立公司等吸收并发展起来【2 ，3 1 。 w 型火焰锅炉以其良好的引燃和稳燃特点在世界上许多国家得到广泛的应用。 目前世界各国已投入运行的w 型火焰锅炉超过上百台。我国从8 0 年代后期开始引进 w 型火焰的锅炉。w 型火焰锅炉适于燃用挥发分低的煤，在低负荷下仍可稳定地着 火燃烧，具有火焰充满度好，一次风煤粉浓度可调，二次风分级配风，且抑制n o x 的生成，有利于保护生态环境等优点，是我国大型电站锅炉燃用低挥发分燃料的主 要燃烧方式之一。但是我国目前运行的w 型火焰电站锅炉中普遍存在着炉膛温度控 制过高、炉膛结渣或结渣倾向严重、n o x 排放过高、过热器超温或汽温偏差、燃用 无烟煤燃烧效率不高和某些情况下燃烧不稳定，火焰偏烧等问题【4 j 这些问题不仅 增加了现场运行人员的操作难度，而且影响发电效率和安全性，大大降低了电厂的 经济性，这些问题发生的原因在很大程度上都与运行中燃烧工况的调整有关系。由 此可见，锅炉燃烧工况的好坏，在很大程度上决定着燃烧系统、锅炉设备乃至整个 发电厂运行的经济性和安全性，其调整与优化也成为锅炉运行中最主要的内容及目 的之一。 煤粉炉炉内的燃烧工况十分复杂，涉及燃烧、流动、传热等多方面过程，受到 诸如风量、风速、各次风的比例、燃煤的种类、煤粉的浓度和细度、机组负荷等诸 多因素的影响。而且，这些因素又往往互相影响，互相交织，更增加了燃烧过程的 复杂性。燃烧工况复杂的特性，决定了燃烧过程以及与之有关的其它过程也是难以 测量和控制的。如果只凭表面现象和直观经验，已经很难对运行工况做出准确的判 1 华北电力大学硕士学位论文 断和合理的调整。所以建立影响电站锅炉燃烧特性的函数模型并针对模型进行多目 标优化是燃烧优化研究的重点 随着电子计算机技术的不断发展，燃烧过程的数值模拟已经成为燃烧理论研究 和燃烧装置设计的重要手段，它把燃烧理论试验和燃烧装置设计有机地结合起来， 能够详细地模拟炉内燃烧所产生的温度场、速度场，压力场以及各种组分的分布和 污染物的产生等。用计算机进行电站锅炉燃烧系统模拟不仅节省人力、物力和时间， 而且可以得到比现场试验多得多的试验工况，也可以得到现场很难得到的数据，并 且可使结果可视化，因此，在数值模拟的基础上通过支持向量机、遗传算法等先进 理论对电站锅炉燃烧特性进行优化，可以得到更为理想的燃烧工况，进一步提高了 燃烧的效率，减少了各种污染物特别是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，都具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1w 型火焰锅炉燃烧特性的研究现状 随着w 型火焰锅炉的发展，它已经成为燃烧无烟煤的基本炉型之一，同时人们 对w 型火焰锅炉的认识也更加深入。针对投产的w 型火焰锅炉出现的燃烧不稳、飞 灰含碳量高、n o x 排放量大、结渣严重等问题，国内外研究人员从不同的角度、利 用各种手段和方法进行了广泛的研究。 实验的方法通常是从冷态和热态两种角度来进行研究的。冷态实验侧重于研究 空气动力场的形式，研究人员根据相似模化理论建立模型，进行冷态流场的模化实 验研究。如文献【6 】中作者对鄂电f w 1 0 7 2 t h “w ”型火焰炉进行了炉内冷态试验，通 过6 个试验工况，根据火焰充满度好、火焰行程长、对炉墙无冲刷确定出最佳工况， 得出了一次风与上中二次风的动量比分别大于7 6 时，炉膛内空气动力场比较理想， 并按此换算到热态运行工况，提出了最佳的配风方式。文献【7 】【8 】中，车刚、何立明 等人对法国s t e i n 公司3 6 0 m w 机组的w 型火焰锅炉进行了冷态模拟，通过改变燃烧器 角度和燃烧器配风，利用热线风速仪对炉内流场进行测试，得出燃烧器角度变小后， 气流行程增加，主气流的作用区域加大，气流间的混合更加充分，燃烧室区域内的 气流速度整体分布趋于均匀，气流的充满度比较高，并且燃烧器的角度越小，炉膛 内的气流充满度就越高一些。文献【9 忡作者对d g l 0 2 5 1 8 2 i i1 4 型w 火焰锅炉在冷 态下进行了全面的测试分析，在此基础上对一次风和二次风配风进行了冷态调平， 并通过飘带试验观察到炉膛充满度较好，动力场无明显偏斜，从而验证了其配风的 合理性。 而热态实验侧重于研究炉内的温度分布和结渣形成的原因。西安交通大学的余 2 华北电力大学硕士学位论文 战英、谭厚章等老师针对东方锅炉厂引进f w 公司3 0 0 w m 的w 型火焰锅炉，设计搭 建了1 w m 的w 型火焰热态试验台，在文献【1 0 】中进行了系统的热态综合试验研究， 通过不同的工况试验发现火焰中心的位置处于最下层二次风处时炉内才能形成较 好的w 型火焰，当高于此位置时，w 型火焰容易短路。并且在试验中把镍珞镍硅热 电偶镶嵌在炉膛的内壁，实测了炉壁温度沿高度方向的分布，得出了在正常工况下 下炉膛前后墙壁面热负荷较均匀，而左右墙壁面热负荷呈“中间温度高两边温度低 的特性；上炉膛左右墙和前后墙壁面温度分布基本一致，仍呈中间高两边低的特性。 文献【1 l 】中依据冷态空气动力场的试验结果设计了w 型锅炉贫煤燃烧试验，通过改 变各层二次风的风速和风率研究了分级燃烧对炉膛中心温度分布规律、结渣特性、 n o x 排放量、飞灰含碳量的影响，根据炉膛中心温度分布曲线和能否形成较好的w 型火焰，得出最佳的火焰中心应在f 层中心线下部，并得出左右两侧墙中部较易形 成结渣；分级程度越大，n o x 的排放量越小，但过大时n o x 的排放量反而有所增长 等结论。浙江大学曾经在w 型火焰锅炉热态试验方面做了大量研究工作，文献 1 2 】 中作者在3 5 2 m w “w ”型火焰试验炉上进行了燃烧无烟煤的热态试验，对热态条件下 的配风特性、温度场、烟气成分场进行了研究，分析了n o x 和氧硫化物的生成规律， 得出了分级风率对n o x 析出的影响呈现先降后升高的趋势，随炉膛温度的升高，n o 。 的浓度呈明显的升高趋势等有价值的结论。文献【1 3 】在国内最大w 炉实验台上进行 了变工况热态试验，在不同负荷，不同煤粉细度及燃烧器不同配风的情况下，对w 炉的炉内温度、排烟温度、n o 。含量、燃尽率等进行了对比和分析。 国内也开展了对w 型火焰锅炉进行数值模拟计算的工作，其主要工作是对炉内 的场进行模拟，包括空气动力场，温度场及污染物生成机理的模拟。文献 1 4 】采用 k 一占方程湍流模型、幂函数差分格式、非均匀交错网格系统和s i m p l e r 算法，对 w 型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场进行了数值计算，给出了典型截面的流场图和速 度分布图。文献【1 5 】采用c f d 方法对一台采用f w 技术生产的3 0 0 m w w 火焰锅炉结渣 特性进行了数值模拟，并由模拟结果得出炉内煤粉主气流在向下运动过程中明显向 侧墙偏斜，使得煤粉火焰冲刷侧墙，在侧墙附近区域强烈燃烧产生高温低氧区域是 w 火焰锅炉侧墙存在结渣倾向的根本原因。浙江大学能源系的梁晓宏、樊建入等老 师对w 型火焰煤粉锅炉炉内气一固两相三维流动、换热和气一固两相湍流燃烧进行了 全面的数值模拟，在文献【1 6 】中对三种不同炉型的流场作了计算比较，详细全面地 预报了w 型火焰煤粉锅炉内气一固两相流动、温度场分布、各气相组分浓度场分布、 发热率分布、煤粉颗粒及挥发分和一氧化碳的燃尽情况等。在文献【1 7 】中计算了在 满负荷及5 0 负荷两种情况下，w 型火焰煤粉锅炉炉内气一固两相流动、温度场分布 和各气相组分浓度场分布，并进一步分析了污染物生成的规律，计算了n o 。在w 型 火焰煤粉锅炉中的分布情况。西安交通大学的余战英博士在文献【1 8 】中，首次进行 3 华北电力大学硕士学位论文 了系统的冷、热态综合试验研究和理论分析并对w 型火焰炉进行了冷、热态的数值 模拟。文献 1 9 】中作者以东方锅炉股份有限公司的w 型火焰锅炉为研究对象，在实 验的基础上使用f l u e n t 软件，采用s l m p l e 方法对一、二次风的流动及混合进行了 数值模拟。模拟中采用标准k 一占模型并结合壁面函数法，得到了实验装置中的温度 与浓度的分布，数值模拟结果与实验结果吻合良好，实验及数值模拟的结果已经应 用到东方锅炉股份有限公司新设计的w 型火焰锅炉中。文献【2 0 】中作者针对北海电 厂2 撑锅炉，采用炉内过程全模拟的方法，模拟了不同负荷工况下的炉内空气动力场、 温度场、组分场以及改变内外二次风情况下的工况。文献【2 l 】【2 2 】都是采用k 一占方 程模型，用颗粒轨道法和网络分析法对w 火焰燃烧室内的流动、燃烧、传热进行了 全数值模拟。文献【2 1 】首次在锅炉燃烧室内将n o x 生成的数值模拟藕合到炉内过程计 算程序中一起迭代求解，计算出了w 型火焰煤粉燃烧室n o x 的生成与分布，文献 2 2 】 编制和完善了炉内热态流动及燃烧模拟程序，并进行了全面的炉内过程数值计算， 得到了锅炉炉膛内的温度分布和速度分布，对锅炉性能进行了预报。国电热工院的 薛宁、白少林等人在文献【2 3 】中针对珞璜电厂3 2 号炉低负荷燃烧不稳的现状，用c f x 软件对燃烧器两相流场及炉内燃烧过程进行了数值模拟。 目前国内对w 型火焰锅炉燃烧过程的优化调整研究均基于燃烧参数的在线监 测基础上。研究的方法主要是针对具体的锅炉进行现场试验，确定各个参数的合理 取值。如文献【2 4 】中作者对山西阳泉第二发电厂3 0 0 m w 机组w 型火焰锅炉进行了以 二次风配风试验为主要内容的锅炉燃烧调整，通过在不同工况下检测炉内火焰温度 分布等锅炉运行参数，得出：a 、b 风量增大时炉膛温度水平升高；在炉膛高度2 5 m 以下，随d 二次风量的增大，炉膛温度有所提高，在高于2 5 m 的炉膛范围内影响不 大；f 风量小的工况下炉膛二次风总量有较明显的不足，导致煤粉后期燃烧较差， 煤粉颗粒的不完全燃烧损失增加。这些结论可指导运行人员在实际运行中对w 型火 焰锅炉进行燃烧调整。文献【2 5 】中作者根据东方锅炉股份有限公司福斯特惠勒w 型 火焰锅炉的技术特点，以及在已投运锅炉上所取得的经验，提出了对该型锅炉进行 燃烧调整的一些方法。文献【2 6 】中作者提出了增加二次风量、减少三次风、增加总 风量、减少炉底热风、改进卫燃带布置数量及方式等能够有效降低n o x 浓度。而针 对目前w 型火焰锅炉二次风供风系统的调节凭经验进行的现状。为了使它的调节更 迅速更有效，研究人员希望能够利用数学方法对其进行量化的调整。文献【2 7 】运用 流体力学管路理论，对w 型火焰锅炉二次风供风系统建立了数学模型，通过计算得 到了在任一给定工况下各挡板开度的计算方法和计算公式，并将实例的计算结果与 现场运行的开度进行了对比，发现两者基本一致。这种计算方法可以在工况改变时 方便迅速地得出对应的开度值，指导各挡板的调节。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2w 型火焰锅炉燃烧特性目前研究存在的问题 在模化实验中为了使模型试验结果与原型完全相似，需要维持几个甚至十几个 准则数相等。在大多数情况下，维持十几个准则数相等是无法办到的，往往要舍弃 一些假设为次要的准则数，只保留少数假设为重要的准则数。这就使许多模化实验 只能在简化的基础上运行，从而使试验结果的推广应用受到一定的限制，使模拟所 得到的规律往往不适用于所模拟设备，试验也不能完全模拟出模型的各项特性。 虽然热态实验数据对锅炉设计和技术调整是至关重要的，但是由于热态实验台 耗资太大，许多传热实验只能在实际锅炉上进行，会受到实际运行的限制。即使是 在热态实验台上也只能是对一定的工况进行研究和分析，实验工况不能无限增加。 而且热态实验中有好多重要的参数不可测，所得参数不能全面地描述炉内的气一固 两相流动及燃烧过程，会局限燃烧技术的应用。 对w 型火焰锅炉进行的数值模拟研究中，大多数的文献仅仅模拟了炉内的速度 场、温度场，然后根据模拟的结果描述了炉膛温度、火焰形状、污染物生成等的变 化规律，并分析风煤比、配风方式、燃烧器等因素对燃烧结果的影响，而没有具体 的提出这些因素与n o 排放量、飞灰含碳量、火焰中心温度与高度、炉膛出口温度 等的函数关系。 在对w 型火焰锅炉燃烧过程进行优化调整时，采用的针对具体的锅炉进行现场 试验，确定各个参数的合理取值这种方法由于电厂运行环境和测量元件等因数的影 响，很难满足实际运行的要求。而且测量结果易受周围环境的影响，除此之外系统 成本也较高，还会受到测量方法的限制。没有准确的监测和指导装置，运行人员就 无法对锅炉进行有效的燃烧调整，有时使锅炉处于配风不均的条件下运行，严重时 会引起火焰中心偏斜、燃烧不稳、局部结焦、锅炉热效率降低等，这些问题严重危 及机组的安全性和经济运行。 1 3 课题研究内容 本文对一台现役3 0 0 m w “w ”火焰锅炉燃烧过程进行了数值模拟，并对其燃烧 优化进行了研究。主要内容包括： ( 1 ) 采用c f x t a s c f l o w 软件对锅炉实际运行工况进行了模拟，分析了炉内 的流场、温度场、炉膛出口处参数等，对模拟数据进行了验证，确定了模型的准确 性。 ( 2 ) 通过改变过量空气系数、一次风率、二次风配风方式，对不同负荷下共1 6 个工况进行了数值模拟计算。根据模拟结果，分析了锅炉负荷、一次风率、二次风 5 华北电力大学硕士学位论文 配风、过量空气系数对w 火焰锅炉炉内流场、温度场、火焰中心高度、炉膛出口 处温度、飞灰含碳量和n o 排放量的影响。 ( 3 ) 根据最小二乘支持向量机原理，以数值模拟所得数据为训练样本，用s u a l b a s i c6 0 语言编程，建立了以燃煤量、过量空气系数、一次风率、各层二次风比例 为输入，炉膛出口处温度、飞灰含碳量、n o 排放量、火焰中心高度和炉内最高温 度为输出的锅炉燃烧预测模型。 ( 4 ) 以飞灰含碳量和n o 排放量为优化目标。采用遗传算法，对不同负荷下的 锅炉燃烧运行方式进行了优化。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章炉内燃烧数值模拟模型 燃煤锅炉炉内燃烧过程包含着流动、传热、传质和化学反应以及它们之间的相 互作用。实际燃烧过程中伴随的流动几乎全部是湍流过程，化学反应几乎全部是多 步多组分的可逆反应。 用数值计算方法对电站燃煤锅炉炉内燃烧过程进行数值模拟，需建立湍流模 型、气固两相流模型、煤的热解和挥发分燃烧模型、焦炭颗粒燃烧模型、辐射模型 以及污染物生成模型。本章介绍本文在进行炉内燃烧数值计算时所选用的数学模 型。 2 1 湍流运动的基本方程及湍流气相流动模型 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。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、运动方程、能量方程。本文 按不可压缩流体时均运算，各控制方程的一般形式描述如下幽】： 连续性方程： 笔堕+ 旦攀+ 掣兰= o ( 2 - 1 ) 苏卸色 、7 运动方程： 厨等= 一考+ 杀+ 丢( 一厕 ( 2 2 ) 户“若一蔷+ 蔬+ 瓦( 一彬“；) ( 2 2 ) 为流体的动力粘度。 能量方程： 伊，石署= ( 2 等一伊p 矿) + 历 ( 2 - 3 ) 伊，“7 瓦2 瓦旯瓦一伊p 材；1 ) + p 口 【2 3 ) 五为导热系数；q 为由于热辐射和其它原因传给单位质量流体的热量。 目前，炉内湍流气相流动模拟应用最多的是k 一占模型，k 为湍流脉动动能，占 为湍流耗散项。本文对湍流的模拟也应用此模型。 k 方程： 甓= 跏卦井+ 讣和讣h p 4 ， 华北电力大学硕士学位论文 占方程： 塞= 酗外孙+ 讣和小c c - 如却卸 y ：流体的运动粘度：y ，：湍流运动粘度。 ”c f 等 p ：湍流生成项，是湍流应力在时均场中作的变形功 模型中有关系数见表2 1 ： 表2 一l 占方程中各参数值 c u c l c 2o k仃f o 。0 9i 。4 41 9 2 1 01 3 ( 2 6 ) 表中给定的有关系数的数值是由一些特定实验确定的，有一定的使用范围，通 常k g 模型和表成为高雷诺数模型，仅适用于距壁面一定距离的湍流区域。在贴 壁处的粘性底层，湍流雷诺数较小，应考虑分子影响，需进行修正。本文对于壁面 附近的区域，采用壁面函数法来处理。 壁面函数法在近壁区域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 网格内湍流功能的产生率和耗散率等【2 9 1 。这种方法能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。 2 2 气固两相流模型 炉内燃烧过程涉及到煤粉颗粒和气体的两相流动，煤粉颗粒的运动对燃烧过程 影响很大，对煤粉气流的着火燃烧及焦炭燃烧过程起决定性的作用，因此。模拟炉 内燃烧过程时，必须建立准确的气固两相流模型。研究气固两相流动的方法可分为 两类：一类是把流体或气体当作连续介质，而将颗粒视为离散体系；另一类是把流 体与颗粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质，即把颗粒视作拟流体【3 0 1 。颗粒 相的模拟有下列几种模型：无滑移模型、颗粒轨道模型和连续介质模型。 本文采用拉格朗日颗粒轨道模型。这一模型的思路是：颗粒群不作为连续介质 处理，即从根本上认为颗粒群没自身的湍流粘性、湍流扩散和湍流导热；颗粒群不 8 华北电力大学硕士学位论文 必按当地尺寸分组，并在拉格朗日坐标系中考察颗粒行为。通过流场追踪单个颗粒 或轨道，对于每一条轨道，固体的性质都在连续地变化着，气相和颗粒相之间的相 互作用，用欧拉型气相场中的源项来加以考虑。每次计算拉格朗日轨道时，这些源 项都不断加以修正。通过积分流场中颗粒的运动、能量及组分连续方程，得到颗粒 的速度、轨道、温度和成分，记录下通过计算单元的颗粒的动量、能量和质量，离 开和进入某给定单元的颗粒性质的净差就提供了气相流动方程的颗粒源相。此模型 的优点是计算工作量小，节省计算存储量，易于模拟有蒸发、挥发和异相反应的颗 粒的复杂经历，能较好的追踪颗粒的运动，在颗粒相预报中无数值扩散，因此，该 模型是迄今为止在湍流两相流动与燃烧模拟中应用最广泛的模型p 。 颗粒轨道模型是在拉格朗日坐标内处理颗粒相，在拉格朗日坐标系下，颗粒瞬 时的动量方程为： 册，冬：f 册，言2 淤 ( 2 - 7 ) 式中、名、f 、f 分别为颗粒的质量、速度、运动时间及所受到的力，忽略 颗粒的浮力、压力的作用等，颗粒的动量方程为： 等= 扣“飞) 出 f 口l 罗夕 ( 2 - 8 ) 鲁= 丢( “。) 一g 出 f 口l p 。 、 誓= 丢( “一) p m 丞 f pl ， 、7 其中f ：为颗粒松弛时间，豁、v 、w 是气相的脉动速度，这里假定气相湍流流 场是局部均匀和各向同性的，当颗粒位于某个湍流旋涡时，“、1 ，、w 取为： 材= f 厅= f 信七 ( 2 1 1 ) y = f 伊= f 居 ( 2 1 2 ) w = f 舻= f 信j | ( 2 - 1 3 ) 9 华北电力大学硕士学位论文 式中万、芦、芦为气相湍流脉动速度的平均平方根值， 布的随机数，七为气相湍流动能。 颗粒的轨迹方程为： = i 材f 西 2 3 炉内燃烧反应模型 f 为符合高斯分 ( 2 1 4 ) 煤粉燃烧过程中，首先是水分的析出，即h 2 0 进入气相，接着煤被高温加热发 生热解反应，析出挥发分，挥发分的析出成分主要是碳氢化合物，包括h 2 0 ，c 0 2 ， c o ，c h 4 ，h 2 及重碳氢化合物c n h m ，然后是挥发分的气相反应、焦炭与氧化剂的非 均相反应。对于空气流，其成分主要是n 2 ，0 2 ，h 2 0 和少量的c 0 2 。 2 3 1 煤的热解模型 由于煤的物理性质及化学结构都很复杂，其热解挥发也是极其复杂的过程，包 括最初的一些化学键的破裂，不稳定的中间产物的形成以及形成最终的稳定的热解 产物【3 2 1 。l 0 0 k w o o d 和s m 黜z v i 【3 3 】把他们分为以下几类：定挥发速率模型、单反应 模型、双竞争热解模型和多步平行反应模型。由于在燃烧数值模拟过程中不必深入 探究热解的细节，只要求结果的准确性，因此本文采用单反应模型来模拟挥发分的 析出，该模型假设挥发分析出是一级反应过程，反应速率与煤中剩下的挥发分含量 成正比： 譬：露( k 一功 ( 2 1 5 ) 埘 其中，1 ，是每单位质量原煤在时间f 内所放出的挥发分质量；七为与阿累尼乌斯 定律形式相同的速度常数，七= 彳口一( 别盯) ，彳为指前因子，e 为活化能；为，趋于 无穷时的 ，值，即最大挥发分释放量。 2 3 2 挥发分气相燃烧模型 由于煤中的挥发分在达到一定的温度挥发出来之后才与氧气发生反应，所以挥 发分的燃烧属于非预混燃烧，其模型2 9 ，3 1 ，3 4 1 主要有旋涡破碎模型、拉切滑模型以及 涡团耗散模型。 1 9 7 6 年，m a g n u s s e n 提出涡团耗散模型，其基本思想是：当气流涡团因耗散而 变小时，分子之间碰撞机会增多，反应才容易进行并迅速完成，故化学反应速率在 很大程度上受湍流的影响，而且反应速率还取决于涡团中包含燃料、氧化剂和产物 中浓度值最小的一个。涡团耗散模型假设反应可以通过单反应形式描述，单反应形 1 0 华北电力大学硕士学位论文 式如下： 扣g ，+ 燃眺耐一( 1 + ，) 胛如c 珞( 2 1 6 ) 其对于火焰中的热量生成是有作用的，但对阶梯式火焰的模拟、火焰的生成、 不完全燃烧和熄灭作用不大。为了解决这些问题，在c f x t a s c f l o w 软件中发展 了多步涡团耗散模型，以描述更多的火焰细节，多反应形式如下： 如厶+ 吃似砌气一无( 1 + ) p 仡诃妇l i + ( 1 一 ) ( 1 + 住) 即幽口2 t ( 2 - 1 7 ) 气是第七种反应物的物质的量，五是生成物的质量分数。 本文采用了多步涡团耗散模型，取得了较好的模拟效果。 2 3 3 焦炭燃烧模型 煤析出挥发分后剩下的固体物质是焦炭，焦炭在气相氧化剂中燃烧属于气固非 均相燃烧，燃烧可能发生在碳粒的外部表面上，也可能发生在碳内部的气孔表面处。 在这种非均相反应中一般作如下假定：炭颗粒是处于无限大气流中的炭球：气相反 应物首先向颗粒表面或气孔内扩散，进而被固体表面吸附发生反应；气相生成物从 颗粒表面解吸附，离开固体表面向外扩散。控制整个反应速率的可以是化学的吸附、 反应和解吸附作用，也可以是反应物、生成物的扩散作用，因此焦炭的非均相反应 速率是化学动力学因素和扩散作用联合控制的结果。 本文采用焦炭燃烧的扩散动力模型认为焦炭的燃烧速率尺。同时受到氧扩散到 焦炭表面的速率和化学反应的动力速率这两方面的控制【3 ，可表示为 疋= 掣陇+ 肠) dk a ca d ( 2 - 1 8 ) 式中，尸( d ：) 为氧气的分压，为直径；疋和局分别为颗粒表面的反应速率和 氧扩散到颗粒表面的速率。 2 4 辐射传热模型 当在动力辐射平衡中考察一种吸收、散射、发射介质时，有可能考察光子经历 的一种类似于分子输运过程的扩散过程。显然，这两个过程存在差别。分子间相互 碰撞，并且以麦克斯韦速度分布而运动。光子与颗粒碰撞，而自身间不相互碰撞， 并且其速度不变然而，当系统中颗粒含量很高时，光子的平均自由程相对于系统 尺度是很小的，那么，扩散近似就是一种很有吸引力的简化。本文中采用了这种辐 射扩散模型。 华北电力大学硕士学位论文 辐射温度z 由所有方向的辐射强度的积分求得： 上f 谢q ：望 4 冗量。死 辐射热流密度计算公式为： 吼= 署v f吼2 面v f ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) f 为辐射强度，盯为玻耳兹曼常数，疋为有效吸收系数。本文中取k 为o 5 。 2 5n 0 ，反应模型 在燃煤电厂排放的大气污染物中，氮氧化物因其对生态环境的污染危害极大， 且难以处理，是重点控制排放的污染物之一。 n o 。的生成方式主要有三种【3 5 ) ：热力型n o x ，它是n ，在高温下氧化而生成的 氮氧化物；燃料型n o x ，指燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化 物；快速型n o x ，指氮氧化物系燃料在燃烧时分解所产生的中间产物和n ，反应生 成的氮氧化物。上述三种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同而有差别，对于燃煤锅 炉，通常燃料型n o x 占7 0 8 5 ，热力型n o x 占1 5 2 5 ，其余为少量的快速 型n o x 。炉内燃烧过程中生成的n o x 主要为n o ，因此在数值计算中只考虑n o 的 生成。 本文计算采用的n o 反应机理如图2 1 所示，在反应过程中不仅存在着n o 的 生成，同时也存在n o 的还原反应。其中反应l 、2 为燃料n 的释放反应，3 、4 、5 为n o 的生成反应，6 、7 、8 为n o 的还原反应。 燃料一n o 图2 一ln o 反应机理 1 2 华北电力大学硕士学位论文 燃料型n o 是由燃料n 生成的，但在生成n o 之前燃料n 首先生成两种中间体 h c n 和n h ：。燃料n 在煤颗粒升温热解过程中，部分成为挥发分n 随挥发分释放， 直接生成h c n ( 反应1 ) ，一部分成为焦炭n 随煤焦燃烧释放，直接生成n h ；( 反应2 ) 。 h c n 氧化生成n h ；( 反应3 ) ，n h i 被氧化生成n o ( 反应4 ) 。n ，在高温下可直接氧化 为热力型n o ( 反应5 ) 。已生成的n o 可通过反应6 、7 、8 分别与c h ；，n h ；和煤焦 反应，被还原成为n ，。 需要指出的是，由于n o 生成与分解反应的复杂性，目前在燃烧过程数值模拟 n o 的生成特性时，基本上都是采用后处理方法，即认为其化学反应耗氧、生成热 及气相参数不能影响主燃烧反应，采用后处理方法所求得的n o 生成特性基本上满 足工程需要，所以至今仍然以这种方法为主，本文亦采用后处理的方法对n o 的生 成特性进行模拟。 2 6 小结 大型电站锅炉炉内燃烧过程非常复杂，包含气固两相流动、煤热解、挥发分燃 烧、焦炭燃烧、辐射、氮氧化物的生成等，为保证良好的计算精度，在用数值方法 对炉内燃烧过程进行模拟时应选择合适的计算模型。 本文以c f x t a s c f l o w 软件为平台对炉内燃烧过程进行数值模拟，湍流气相 流动模型采用k f 双方程模型，对湍流近壁面的处理采用壁面函数法，气固两相 流动采用拉格朗日颗粒轨道模型，原煤热解反应模型采用单反应模型，挥发分气相 燃烧采用多步涡团耗散模型，焦炭燃烧采用扩散动力模型，辐射模型采用扩散模型， 用后处理的方式处理燃烧过程n o 的生成。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 3 1 锅炉原型概况 第三章数值模拟工况介绍 3 1 1 锅炉外型结构及主要设计参数 本文所研究3 0 0 m w 机组锅炉由东方锅炉厂有限责任公司生产，采用兀型布置、 全焊垂直上升膜式水冷壁，该锅炉为亚临界、中间一次再热、“w ”火焰、平衡通风、 固态排渣、自然循环锅炉，炉膛结构尺寸的深、高、宽( x 、y 、z ) 分别为1 3 3 4 4 m 、 3 9 6 8 m 、2 4 7 6 5 m ，锅炉简图如图3 1 所示，锅炉主要设计参数见表3 1 。 3 1 2 锅炉燃烧系统 i 妒纛；二囊烧零l3 - 垒大屏式过热暑 图3 1 锅炉结构简图 该台3 0 0 m w 锅炉采用福斯特惠勒的“w ”火焰燃烧技术，沿炉膛高度方向分为燃 烧区和燃尽区，下炉膛为燃烧区，上炉膛为燃尽区。燃烧系统采用双进双出钢球磨 煤机正压直吹式制粉系统，2 4 只双旋风筒浓淡煤粉燃烧器交错布置在前后拱上，共 配4 台磨煤机，每台磨煤机向6 个双旋风筒燃烧器供粉。一次风粉混合物首先进入燃 烧器的入口管，然后由入口管进入均分器，从均分器出来分为两股分别进入两个旋 风分离器的简体，在分离器中，煤粉颗粒在离心力作用下被甩到分离器的周边，而 在中心部分是煤粉浓度很稀、颗粒更细的混合物，称为乏气，乏气通过乏气管引入 到乏气喷口。由于乏气的引出，煤粉主气流浓度提高，易于着火和稳燃p 6 1 。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 表3 一l 锅炉主要设计参数 项目单位m c re c r 过热蒸汽流量t h1 0 2 59 3 5 过热蒸汽出口压力m p a1 7 7 01 7 5 0 过热蒸汽出口温度 5 4 05 4 0 再热蒸汽流量 t l l8 5 l 7 8 l 再热蒸汽压力( 进口出口) m p a3 9 2 3 7 3 3 6 0 3 4 3 再热蒸汽温度( 进口，出口) 3 2 7 5 4 03 1 8 5 4 0 给水温度 2 7 42 6 9 预热器进出口一次风温 2 0 3 2 52 0 3 1 9 预热器进，出口二次风温 2 0 ，3 1 0 2 0 3 0 5 排烟温度( 修正前后) 1 2 7 1 2 0 1 2 2 1 1 4 锅炉设计效率 9 0 6 49 0 8 5 送入大风箱中的全部二次风采取分级送风的配风方式，通过由上至下排列的6 层送风口送入炉膛( 依次称为a 、b 、c 、d 、e 、f ) ，其中a 、b 为拱部二次风，布 置于前后拱顶处：c 二次风用于油枪供风；d 、e 、f 水平布置于锅炉前后墙，称为 前后墙二次风。二次风量中，f 二次风量最多，约占总二次风量的一半。一次风口、 乏气喷口处相应的环形二次风用来满足煤粉气流着火所需要的空气量，并且可以增 加一次风的刚度，还有保护喷口的作用。分级二次风通过相应的挡板进行调节以满 足燃烧所需的空气。距一次风喷口较近的d 、e 二次风分批地与煤粉气流混合，以 供给煤粉在着火后燃烧所需的氧气，并控制火焰的峰值温度，抑制n o x 的生成f 二次风一方面提供煤粉颗粒后期燃烧所需的氧气；另一方面，由于其风量比例较大， 对锅炉的总送风量是否充足和火焰形状、火焰中心的位置均有较重要的影响。燃烧 器及各二次风风口布置方式如图3 2 所示。 图3 2 燃烧器及二次风口布置 1 5 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 卫燃带 “w ”火焰锅炉的一个典型特点是下炉膛布置大量卫燃带，卫燃带的作用是减少 下炉膛水冷壁的辐射吸热量，使下炉膛维持较高的温度，保证无烟煤的稳定燃烧 本文所模拟锅炉在下炉膛前后墙、侧墙、翼墙、前后拱以及上炉膛下部都布置了卫 燃带。该锅炉下炉膛面积( 不包括落渣口) 共1 1 1 0 。5 2 4m 2 ，其中卫燃带面积为 5 4 9 3 2 3m 2 ，约占下炉膛总面积的5 0 ；上炉膛水冷壁面积( 下炉膛出口上至折焰角 下) 共8 0 2 9 8 0 m 2 ，其中布置卫燃带面积为7 5 7 8 5m 2 ，锅炉共敷设卫燃带6 2 5 1 0 8 m 2 3 2 数值模拟边界条件设定 运用c f x t a s c f l o w 软件平台进行数值模拟，边界条件主要包括三类：入口 边界条件、出口边界条件和壁面边界条件。本文入口边界条件包括一次风量、一次 风温、二次风量、二次风温、燃料特性及燃料量。入口处一、二次风温取实际运行 参数，一次风温为3 7 3 k ，二次风温为6 1 8 k 。不同负荷、不同配风方式所对应的一 次风量、二次风量和燃煤量不同，具体数值见模拟工况表。定义图3 3 中锅炉水平 烟道结束处为出口，出口定义为压力边界，平均静压设为1 0 1 3 2