（热能工程专业论文）600mw超临界锅炉再热汽温低及卫燃带改造研究.pdf

声明尸明 m f i llti i i ii ii iit 11 1 1 1 1 1 1 17 9 6 5 9 1 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6 0 0 1 v “v 超临界锅炉再热汽温低及卫 燃带改造研究，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： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华：1 1 3 电3 0 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：导师签名： 日期：圣丝翌：呈六乒日 期：丝p 也 华北i 乜力人学硕十学位论文 摘要 当前我国电站煤粉锅炉广泛存在燃煤煤质差偏离设计煤种现象，严重影响 机组经济性及安全性。以某6 0 0 m w 超i 临界机组锅炉为研究对象，针对其现场 存在的问题，如着火稳定性差、狄渣及飞狄含碳量高以及再热汽温低等展丌研 究。依掘强化着火和完全燃烧等理论，针对超临界直流锅炉的特点，从运行调 整角度提出了相应的措施；提出了敷设卫燃带的改造方案；采用数值模拟的方 法模拟了所提方案对炉内燃烧过程、着火、燃尽以及再热汽温变化的影响。该 厂随后的改造实践表明，所提方案有助于解决现场存在的问题。 关键词：超临界锅炉，着火，卫燃带，再热汽温，数值模拟 a b s t r a c t a st h ec o a la c t u a l l yu s e di sp o o ra n ds e r i o u s l yd e v i a t ef r o mt h ed e s i g n e d c o a lo ft h e u t i l i t yb o i l e ri nc u r r e n tc h i n a t h i si ss e r i o u s l ya f f e c tt h ee c o n o m ya n ds a f e t yo ft h eu n i t s i n t h i sp a p e r ? s e v e r a lp r o b l e m si na6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a lu t i l i t yb o i l e ra r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e t e m p e r a t u r eo fr e h e a ts t e a mi sl o w t h ec o m b u s t i o ni sn o ts t a b l ea n dt h eb u r n o u ti sp o o r b a s e do nt h et h e o r i e so fi m p r o v i n gi g n i t i o na n dc o m p l e t i n gc o m b u s t i o n ，a c o r d i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r c r i t i c a lo n c e - t h r o u g hb o i l e r ，t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa r ep r o p o s e d t oa d j u s to p e r a t i o n ，a n dt h er e t r o f i ts c h e m eo fr e f r a c t o r y b e l ti sd e s i g n e d t h ee f f e c t so ft h e m e a s u r e sa n ds c h e m eo nc o m b u s t i o np r o c e s si nf u m a c ea r ei n v e s t i g a t e db yt h em e a n so ft h e p a r t i c u l a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s s u c ha st h ei g n i t i o n t h eb u r n o u to ft h ec h a ra n dt h e r e - h e a t e rt e m p e r a t u r e t h i ss t u d ys h o w st h a tt h em e a s u r e sa n ds c h e m ep r o p o s e da r eh e l p f u l t os o l v et h ep r o b l e m si nt h eb o i l e r z a nr o n g s h i ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o m i n k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i c a lu t i l i t yb o i l e r , i g n i t i o n ，r e f r a c t o r y b e l t ，r e h e a t e rt e m p e r a t u r e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力人学硕f j 学何论文 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景及其意义1 1 1 1 我困能源及电力发展概况1 1 1 2 煤质较差严重影响煤粉炉运行经济安全性2 1 1 3 许多机组需要通过改造来应对煤质变差3 1 2 相关问题及技术的国内外研究现状3 1 2 1 卫燃带设计及改造技术3 1 2 2 再热汽温低的问题4 1 2 3 掺烧无烟煤的试验及应用5 1 3 炉内燃烧过程数值模拟研究综述6 1 3 1 炉内煤粉燃烧数值模拟的发展6 1 3 2 炉内燃烧过程数学模型及计算方法的研究和应用7 1 4 本文主要研究内容9 第二章设备概况及其存在的问题11 2 1 设备概况1 l 2 1 1 锅炉设计条件及性能数据1 l 2 1 2 设计煤质资料1 1 2 1 3 炉膛及燃烧系统1 l 2 1 4 过热及再热系统的布置1 2 2 1 5 各负荷下的设计性能1 4 2 2 现场存在的问题1 4 2 2 1 实际燃用煤质1 4 2 2 2 运行中的突出问题1 5 2 3 原因分析及可能的对策1 5 2 3 1 着火及燃尽差的问题1 5 2 3 2 再热汽温低的问题1 8 第三章燃烧过程基本理论及卫燃带改造设计2 0 3 1 煤粉气流的着火2 0 华北电力人学硕十学位论文 3 1 1 着火热的意义2 0 3 1 2 燃烧性质对着火影响2 1 3 1 3 运行中的因素对着火影响2 3 3 1 4 炉膛及燃烧器结构对着火影响2 5 3 2 影响完全燃烧的因素2 7 3 2 1 煤质的影响2 7 3 2 2 运行因素2 7 3 2 3 炉膛及燃烧器的结构特性2 8 3 3 卫燃带及其设计2 9 3 3 1 卫燃带的类型2 9 3 3 2 敷设卫燃带时的技术问题3 l 3 3 3 本文卫燃带的设计3 2 第四章超临界锅炉过热器再热器换热特性分析3 4 4 1 过热器及再热器的系统布置3 4 4 1 1 过热器系统3 4 4 1 2 再热器系统3 6 4 2 影响超临界锅炉汽温变化的因素3 6 4 2 1 汽温特性3 6 4 2 2 其它运行参数的影响3 7 4 3 敷设卫燃带对过热再热汽温影响分析4 0 4 3 1 对过热汽温的影响4 0 4 3 2 对再热汽温的影响4 0 第五章炉内燃烧过程数学模型及计算方法4 1 5 1 炉内煤粉燃烧过程数学模型4 1 5 1 1 气相湍流流动模型4 2 5 1 2 离散相流动模型4 3 5 1 3 挥发分析出模型4 4 5 1 4 气相湍流燃烧模型4 5 5 1 5 焦炭燃烧反应模型4 6 5 1 6 辐射换热模型4 7 5 2s i m p l e 算法4 8 华北电力人学硕十学位论文 第六章6 0 0 m w 锅炉炉内燃烧过程数值模拟。5 0 6 1 模拟对象及前处理5 0 6 1 1 计算区域5 0 6 1 2 网格生成5 l 6 1 3 计算工况5 2 6 1 4 入口边界条件5 2 6 1 5 计算用煤质成份5 3 6 2 模型选取及求解器的设霄5 3 6 3 模拟结果与分析5 4 6 3 1 炉内燃烧过程总体情况5 4 6 3 2 敷设卫燃带的影响5 7 6 3 3 关闭周界风的影响5 8 6 3 4 燃烧器上摆的影响5 9 6 3 5 现场锅炉调试及改造情况6 0 第七章总结6 1 参考文献6 2 致谢。6 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 8 l l l 华北电力人学硕十学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 1 1 1 我国能源及电力发展概况 能源是国民经济的支柱，电力是凼民经济的先行产业。能源及电力的发展是关 系剑幽家经济发展、国家安全以及地区乃至全球的政治、经济尤其是环境、资源等 方的重要问题。 近年来我国电力工业发展迅速，大量的超临界机组相继建成投入，同时一大批 小机组被关停，电力总装机容量持续增加，如表1 1 所示。2 0 0 4 年底全国发电设备 总容甚为4 4 亿千瓦，到2 0 0 8 年底达到7 9 亿千瓦，其中火电约6 亿千瓦，约占总 容量7 5 8 7 。从发电鼍来看，火电占的比例达8 0 以上。火电建设继续向着大容 肇、高参数、节水环保型方向发展，2 0 0 8 年上海外高桥电厂2 台、江苏泰州电厂1 台自| 万千瓦超超临界机组相继投运，到目前为止，全国在运百力千瓦超超临界机组 达到13 台。 表卜1近五年我国火i 乜及i 乜力总装机容量 我国火电以煤为主的状况一定程度上是由我国的资源状况决定的，我国资源中 煤炭占有绝对优势地位，在较长的时问内我国能源生产仍将以燃煤为主。但众所周 知，燃煤发电污染严重，包括粉尘、二氧化硫、氮氧化物以及二氧化碳，甚至还有 重金属及有机化合物的污染。所以说如果在电力的快速发展中尽量减少污染物的排 放成为首要问题。发展高参数、大容黾机组就是一个重要的手段，一方面是发电煤 耗的降低，再者是便于进行污染物的治理。 全国电力行业一直在致力于节能减排工作。经国家能源局核实，2 0 0 8 年全年关 停小火电机组容量1 6 6 9 万千瓦，全国6 0 0 0 千瓦及以上电厂供电标准煤耗为3 4 9 克 华北电力人学硕十学位论文 千瓦时，比2 0 0 7 年降低7 克千瓦时，而2 0 0 5 年时为3 7 0 9 k w h 。煤耗的逐年降低， 得益于大量的超临界及超超临界机组的相继投入，及大量的小机组被关停。 1 1 2 煤质较差严重影响煤粉炉运行经济安全性 虽然电力发展迅速，但是我国动力用煤多年以来“煤质差，而且煤质多变”的 特点仍然突出，使许多燃煤机组乃至一些超临界机组也存在燃煤偏离设计煤种的情 况，导致灭火频繁、出力下降、煤耗增加、可靠性降低等问题。 这种形势主要和我国的煤炭供应形势相关，即“市场煤，计划电”。近年来由 于煤炭行业矿难频发，国家对煤矿的整顿进一步加大力度，随着小煤矿的关停，煤炭 供应同趋紧张，煤源山原来单一煤源转向为多元化，煤炭质量较以往有很大的变化， 煤种杂、煤质差，煤种质量严重偏离锅炉的设计煤种，严重影响机组的经济安全运 行，主要可分为以下四个方而： 1 ) 出力受限； 煤灰分增加可能使结渣和积灰性增大而引起炉膛结渣和受热面积灰；水分和可 磨性指数的变化可使磨煤机达不到额定出力；灰分增加或灰电阻特性的改变可能使 静电除尘器的除尘效果受限：煤质趋劣时，则会导致磨煤机、送风机、引风机出力 不足和除尘器、烟囱、输煤设备、除灰设备容量不够而限制全厂出力。 2 ) 电厂煤耗和厂用电率上升； 煤质趋劣使锅炉燃烧不稳定，导致锅炉机械不完全燃烧损失增大；排烟温度和 燃烧过剩空气增加又导致排烟热损失增大，锅炉效率下降，发电煤耗升高；为了防 止灭火往往需要投油助燃，又增大了燃油消耗。劣质煤扶分高，发热量低，锅炉达 到同等出力时需要的煤量增加，导致制粉、出灰、运输和送风机、引风机等辅机电 耗增加，厂用电率升高。 3 ) 煤质趋劣导致可用率降低； 劣质煤灰分高，着火燃烧性能差，易造成锅炉燃烧不稳，容易灭火；灰分高易 导致锅炉受热面和制粉系统等辅机堵灰和磨损严重，使制粉系统和送j x l 机、引风机 故障增多；炉内着火延迟还会使炉膛火焰中心上移，易造成过热器、再热器超温爆 管。电厂可用率随煤质趋劣而呈下降趋势。 4 ) 增加了检修和改造费用； 由于煤质下降使锅炉部件及辅机的磨损和腐蚀加剧，导致频繁故障和临时检 修，使电厂损失大量的电量并使检修费用大幅上升；燃用劣质煤增加了锅炉从输煤 到出灰整个流程中各部件的负担，导致大修问隔缩短及部件寿命缩短，使检修费用 上升，而大量的更新改造也耗费大量资金锅炉及辅助设备故障显著增加。 华北l 乜力人学硕 ：学位论文 1 1 3 许多机组需要通过改造来应对煤质变差 由上可知，鉴于煤质变差对机组的经济安全有重大影响，而煤炭供应紧张致使 许多机组燃煤煤质在较长时f i j j 内严重偏离设计煤种。这就迫使一些机组需要进行锅 炉本体或者辅机的改造来提高机组效益。常见的改造有：燃烧系统的改造【h j ；受 热面改造【6 , 7 1 ；制粉系统的改造1 8 9 1 。 1 2 相关问题及技术的国内外研究现状 煤质问题同样影响到超临界机组。本文研究对象为超临界机组锅炉，某6 0 0 m w 机组锅炉设计为烟煤，实际燃煤掺烧大量无烟煤，致使着火和燃尽问题突出，再热 汽温偏低，本文将针对这些问题提出相应的运行调整技术和卫燃带改造方案，并采 用数值模拟方法来研究这些措施的可行性。以下为相关问题和技术的国内外研究应 用珊状。 1 2 1 卫燃带设计及改造技术 燃用低挥发分难燃煤的电站煤粉锅炉采用卫燃带来实现稳燃是一种有效措施。 即可应用于新设计煤粉炉，如w 型火焰锅炉，也可用于锅炉的改造。国内这方面 的应用较为常见。 长沙理工大学陈冬林i i o ，针对国内外均凭经验敷设卫燃带时只考虑面积的影 响这一情况提出了新的设计准则。只考虑面积时要不卫燃带面积过小稳燃效果不明 显，要不就是卫燃带表面温度过高引起严重结渣。他提出了基于卫燃带向火侧表面 温度计算及控制的卫燃带设计准则，并根据炉内火焰与水冷擘管及卫燃带问的集总 参数换热模型及卫燃带向火面至水冷壁管内工质各个环节的传热模型，建立了将卫 燃带向火侧的表面温度与锅炉负荷、卫燃带材料导热系数、卫燃带敷设厚度与面积 关联起来的代数模型，并进行了现场应用。 谭旦辉l l2 j 针对可调式卫燃带研究了隔热层设计的传热计算方法。应用该方法可 以设计出更实用的双层可调卫燃带，使其隔热层外层表面温度控制在合适的范围之 内，为卫燃带的设计提供了一种新的定量分析方法，并运用此方法对一台10 2 5t h 锅炉进行了实例计算。 卫燃带的敷设可以强化煤粉气流的着火，但也容易导致结渣问题，所以很多情 况下需要减少卫燃带敷设面积。黄伟【l3 j 针对某1 0 2 5 t h 锅炉投产后一直存在严重结 焦问题，多次发生垮焦砸坏水冷管壁事故。作者在煤质和锅炉结构不变的前提下， 调整了卫燃带的面积和敷设位置，卫燃带面积由1 8 0 m 2 调整至1 1 5m 2 ，并取消炉内 华北电力人学硕十学何论文 水冷壁红外涂料，卫燃带材料采用高铝质的耐火浇注料，成品字型布置。改造后锅 炉无明显结焦现象，燃烧稳定。文献i 】中削减了约5 0 m 2 卫燃带面积，未影响燃用 无烟煤的稳定性。 卫燃带的制造材料对其炉内工作过程有重要影响。裴晓冲i l5 j 的研究结果表明， 温度对煤灰在s i c 陶瓷板上的侵蚀有重要影响，相同温度下，s i c 陶瓷板上云贵煤 狄的熔融烧结现象比金竹山煤灰严重得多，当用此种材料作锅炉卫燃带时，对于云 贵煤与金竹山煤，其表面温度应分别控制在1 2 5 0 。c 与1 3 5 0 。c 以下。时章明i l6 j 采用 光学显微镜和x 射线衍射等方法对煤粉气流燃烧过程在碳化硅质卫燃带上的渣样 进行测试，认为煤粉气流焦炭颗粒着火燃烧时，向颗粒放c o ，这促使碳化硅质卫燃 带表面凝聚的s 0 2 增强了熔融煤狄与卫燃带之问的粘结作用。 王春昌f 1 7 】研究了在切圆燃烧锅炉燃烧器背火侧分块佰置卫燃带的方式，在稳燃 的i 一时解决了卫燃带严重结渣的问题。 1 2 2 再热汽温低的问题 再热汽温偏低的现象在生产中比较普遍，尤其是低负荷时。常见措施有增加再 热器面积、敷设卫燃带、改进再热器结构及优化运行操作等。 吴安【l8 】针对某6 6 0 m w 锅炉再热汽温低的问题进行了受热面改造设计，在原高 温段和立式段之间增加高约1 0 m 的垂直段再热器，增加面积共计23 9 3 6m 2 ，材料 为t 2 2 。改造后的效果与方案计算相符，达到了预期目的。 文献 1 9 】中，由于煤炭市场的变化，某2 0 0m w 机组锅炉由燃用山西潞安等地 贫煤改烧大同混煤和平朔混煤，存在再热汽温低、排烟温度高等问题，其后对燃烧 系统、再热器、省煤器和空预器进行了改造，改造后飞狄可燃物含量小于3 ，再 热汽温提高约8 。c ，排烟温度额定负荷时在1 3 0 。c 左右，比改前降低约3 5 。 文献 2 0 l 对针对某3 5 0 m w 锅炉低负荷运行时再热汽温偏低的问题进行了运行 方式的优化，尽量维持上层磨的运行，加强了再热器区域的吹灰，控制了燃烧器上 摆角度小于3 0 。，使再热汽温能达到额定值，并且排烟温度、飞灰含碳量等指标都 有较大幅度的下降，提高了锅炉的效率。 陈一平1 2 l j 针对某2 0 3 0 t h “w ”火焰锅炉在运行中存在过热器减温水量大、大 屏过热器超温、排烟温度偏高、低负荷再热蒸汽温度偏低等问题进行了研究。通过 增加省煤器、再热器受热面积，减少炉膛卫燃带面积和水平烟道增加扰流吹灰装置 等一系列技术改造措施，排烟温度降低1 0 以上，锅炉效率提高1 5 ，再热汽温 偏低的问题也彻底解决。 通过肋片或者鳍片强化传热来提高再热汽温也是一项有效的技术手段。文献1 2 2 j 4 华北 乜力人学硕 j 学能论文 采用钎焊鳍片管对高温再热器进行了技术改造，改造后高温再热器出口的再热汽温 达到设计值，入口汽温要求降低，锅炉效率明显提高；文献1 2 3 l 中利用螺旋肋片管受 热面强化传热和结构紧凑的特点，提高了再热汽温、降低了排烟温度，同时能够降 低烟气流速减轻受热面的磨损。 许多情况下再热汽温低的问题可以通过加设卫燃带来解决。文献 2 4 】中针对锅 炉主、再热汽温严重偏低及存在燃烧不稳定的情况，通过增敷卫燃带、优化操作规 程、改造燃烧器等措施，使汽温偏低的问题逐步得以解决，主、再热汽温能在设计 值范围内讵常变化。 1 2 3 掺烧无烟煤的试验及应用 近年末由于煤碳供求关系的紧张，许多机组被迫掺烧无烟煤等着火、燃燃尽性 能较差的煤种。在大量的实践过程中也得到一些技术经验。 文献 2 5 1 中针对一台设计煤种为优质烟煤的对冲燃烧6 0 0m w 超临界锅炉，进 行了神华、塔山等4 种烟煤和印尼褐煤掺烧越南无烟煤的试验。通过制粉系统的调 整及其它燃烧调整手段可保证掺烧4 0 1 ：l 例越南煤时稳定燃烧，提出了一种集中给 氧的强化燃尽配分手段。 李斌【26 1 针对一台俄制超临界直流锅炉掺烧朝鲜无烟煤的运行调整技术进行了 研究，认为基本成功，有效缓解了电厂燃煤供应紧张局面，但对机组的经济性带来 一定的影响，主要体现在再热汽减温水流量增加、飞狄可燃物及制粉电耗增加这几 个因素，与原煤种相比机组供电煤耗上升了4 6 4 9 ( k w h ) 。 文献【2 7 】中对某锅炉掺烧福建低挥发分无烟煤的可行性进行论证，从试验结果 看，在满负荷时，掺烧3 0 无烟煤时锅炉经济性与全烧新洛煤相比略差，但比较相 近，并提出了对锅炉进行改造，如一次风喷口集中布置、增加卫燃带及提高热风温 度等措施。 苗长信【2 8 1 对某3 0 0 m w 机组燃用贫煤锅炉掺烧3 0 无烟煤后，对锅炉热效率、 制粉单耗及受热面壁温等的影响进行了对比研究。试验表明，负荷越低，影响程度 越大；1 8 0 m w 和3 0 0 m w 负荷掺烧工况下的锅炉机组净效率降低1 5 - - 0 5 ，折 合供电煤耗5 o 1 7g ( k w h ) ，炉膛出e l 烟温升高约4 0 。c ，同时还导致受热面壁温 两侧偏差加大。 如果掺烧比例不当，或者燃烧调整不良将会导致锅炉灭火、机组经济性严重受 降低等问题。如文献中1 2 9 l j 下是由于掺烧而导致经常灭火，作者最终提出了提高燃烧 稳定性的改进措施。 华北电力人学硕十学位论文 1 3 炉内燃烧过程数值模拟研究综述 1 3 1 炉内煤粉燃烧数值模拟的发展 炉内煤粉燃烧过程在数值模拟领域属于相对复杂的问题，原因在于其本质是是 一个复杂的受物理化学因素影响的多相燃烧过程，所涉及的物理过程较多，包括： 1 ) 煤的燃烧过程：煤粉被加热析出挥发分，挥发分的燃烧，焦炭燃烧及燃尽，灰 分的形成，污染物的生成与还原等反应；2 ) 多相湍流流动；3 ) 以辐射换热为主的 传热特点；4 ) 颗粒相的轨迹及其与连续相间的相互作用；5 ) 气相组分的燃烧反应 丝 弋fo 数值模拟技术的发展得益于计算机技术的快速发展，在上世纪七八十年代主要 借助于小型机来实现，其后到九十年代由于微机的快速发展，数值模拟的丌发、应 用方面的研究一度成为研究热点。目前国内外的学者们普遍把数值模拟作为科学研 究的一个重要辅助手段，比如国内外能源领域的研究者在研究炉内燃烧问题时普遍 采用实验研究与数值模拟相结合的研究手段，将模拟结果与大型的冷模或者实测的 试验进行对照，这样可以充分分析数值模拟的优势，那就足可以节省大量的人力、 物力和财力，而且所得到的数据更加翔实。 炉内煤粉燃烧数值模拟的发展过程大体分以下几个阶段j 30 j ： 上世纪七十年主要是各种主要模型的提出和完善工作。g i b s o n 提出了化学动力 学模型；s p a l d i n g 教授提出了湍流燃烧模型；还有g r o w 提出的气固两相流模型。 上世纪七十年代末至九十年代初，各种分模型的模拟初步应用于炉内流动、传 热和燃烧过程。模型更加丰富和计算方法进一步完善。网格生成技术也得到一定的 发展。选用模型逐步复杂，在冷态流动计算的基础上逐步添加模型，计算结果丌始 与实验数据进行对比。 从上一阶段至今，炉内燃烧过程数值计算逐步发展到三维全模拟阶段。主要物 理过程的数学模型基本成熟，计算结果一般会与大型冷态试验台或者现场实测数据 进行比较。模拟所要解决的问题侧重于具有实际工程意义的炉内燃烧及污染物控制 等模拟。 在这一阶段，一批c f d 商用软件在国内外得到广泛应用，尤其是能源、化工 领域，可用于炉内燃烧过程模拟的常用软件有c f x 、f l u e n t 和s t a r c d 等1 3 1 , 3 2 1 ： 文献 3 3 矛1 j 用c f x 软件，采用k - e 双方程模型，对某四角切圆燃烧锅炉增加分 级风进行低n o x 技术改造后炉内空气动力场进行了数值模拟。数值模拟结果与试 验结果吻合较好，验证了计算方法及数值模型的证确性及合理性。 6 华北电力人学硕十学位论文 李钧1 3 4 】运用基于t a s c f l o w 软件平台的四角切圆燃烧煤粉锅炉专用数值模拟 计算软件c o a l f i r e ，对某电厂3 0 0 m w 四角切圆煤粉锅炉n o 。排放特性进行数值 模拟。分析了煤质、煤粉粒度、锅炉负荷以及二次风配风方式等对n o 。排放规律的 影响，为锅炉的安全经济运行提供参考。 王智化l ”】基于f l u e n t 软件，对4 1 0 t h 燃煤锅炉选择性非催化还原系统喷射的尿 素溶液液滴与烟气的混合过程进行数值模拟研究，探讨了这一混合特性对脱硝率的 影响。作者还将计算结果与实验测黾数掘进行了对比，以保证数值研究结论的可靠 性。 1 3 2 炉内燃烧过程数学模型及计算方法的研究和应用 1 3 2 1 气相湍流流动模型 煤粉燃烧过程模拟中最基本的模型是气相湍流流动模型。湍流流动模拟方法可 分为直接模拟、雷诺时均法和大涡模拟三大类。直接模拟不需要任何湍流模型和化 学反应模型即可获得n s 流动方程完整的时间相关精确解，能够求解所有尺度的湍。 流结构，但对计算机的求解速度、内存要求很大。近年来，在一些气相燃烧问题中 有一些应用 3 6 , 3 7 l 。湍流燃烧大涡模拟近年来也得到一些进展1 3 8 枷】。 在炉内燃烧过程模拟中k - e 模型得到了大量的应用 4 1 - 4 7 1 。 王政允【4 8 1 采用k - c 模型对一台3 0 0 m w 旋流燃烧器自仃后墙布置锅炉进行数值计 算，得到5 种不同中心风管直径改造方案下该炉炉内温度场分布，找到了对炉膛后、 墙安全性影响最小的方案，模拟结果在定性上与实际运行结果吻合较好，为电厂的 实际改造提供参考。 有学者认为标准k 双方程模型并不适用于强旋流流动过程的模拟。文献 4 9 】 在模拟一个采用旋流燃烧器的锅炉时，考虑到选用标准k - e 模型会出现失真，因此 采用了带旋流修正的r e a l i z a b l ek 一模型。文献【4 1 】应用浮力修f 的k - 模型对燃烧 室湍流扩散火焰进行了数值模拟。 文献4 6 1 5 0 用数值模拟结合实验研究的方法研究了高温空气直接点火应用于 2 0 0 m w 机组时的技术问题，得到了煤粉浓度、一次风速度等运行参数与着火特性 之i 、h j 的关系，其中湍流模型适用了标准k 双方程模型，模拟结果与试验结果趋势 相同。同样的还有文献1 4 3 基于贴体网格采用k 模型对四角切圆锅炉三维等温流 场进行了模拟。 1 3 2 2 污染物排放的模拟 当前燃煤锅炉污染物排放控制是研究热点，数值模拟在污染物生成和还原规律 7 华北i 乜力人学硕十学位论文 的研究中发挥了重要作用i5 0 】。 汪华剑1 5 1 1 采用数值模拟方法研究了w 型火焰锅炉f 层二次风喷e l 下倾对n o 。 排放的影响，试验结果与数值模拟结果的误差在1 0 以内，说明了模拟结果的可靠 性。 高正阳【5 2 1 针对一台1 0 2 5 t h 煤粉锅采用数值模拟方法研究了负荷与燃尽风对 n o 排放的协同作用规律，分析了不同负荷下，投运、停运燃尽风时炉内的温度、 热力型n o 与燃料型n o 的分布特性，计算得到飞狄含碳与实测值很接近，认为计 算采所用模型以及边界条件和入口条件是合理的。 文献【5 3 】针对国内某4 10 t h 四角切圆燃烧锅炉，基于c f d 软件平台，研究了采 用常规煤粉做再燃燃料时再燃风喷口位置的改造方案，煤粉颗粒跟踪采用随机轨道 方法，n o 。生成模拟用后处理方法。工程实践表明，数值计算结果与实际运行数据 吻合良好。 1 3 2 3 多相流动模型 煤粉燃烧模拟的特点是涉及颗粒相与连续相之问的相互关系。一般可分为欧拉 法和拉格朗同法。在煤粉炉炉内燃烧过程的数值模拟中普遍采用颗粒轨道模型。 如文献 5 4 】中对一分解炉内的气固两相流动进行了数值模拟，其中颗粒相的模 拟均采用了拉格朗同法。而文献 5 5 】中利用拉格朗同欧拉法处理颗粒相与连续相之 间的动量、质量和能量交换，针对一台6 0 0 m w 对冲燃烧锅炉燃尽风对炉内过程的 影响进行了数值模拟。 颗粒轨道法可以用于结渣特性的研究。文献1 5 6 对3 种不同型号w 形火焰锅炉 的结渣特性进行了多工况数值模拟，其结渣模型包括颗粒输运模型、颗粒黏结模型 和结渣生长模型。在颗粒输运模型中，采用随机轨道模型计算颗粒与壁面的碰撞率。 文献1 5 7 采用随机轨道模型跟踪大量颗粒，综合考虑颗粒和壁面的碰撞频率、粘结 效率和渣层特性，模拟了燃烧器下摆条件下冷狄斗内结渣特性。 文献 5 8 1 针对具有直流一次风和旋流二次风的旋流燃烧室内的煤粉燃烧进行了 数值模拟。提出并建立了考虑湍流颗粒反应相互作用的颗粒随机轨道模型，特点 是考虑了气相温度湍流脉动对颗粒瞬时温度、瞬时热解速率和瞬时多相反应速率的 影响，其计算得到的气相温度分布与实验更接近。 1 3 2 4 煤粉燃烧模型 炉内燃烧过程模拟的复杂性在于流动过程中伴随有煤粉颗粒的燃烧过程，其中 有水分蒸发，挥发分的析出，以及其后挥发分的均相燃烧反应和焦炭与氧气的非均 相燃烧反应。描述这一过程需要的模型有挥发份析出模型、焦炭燃烧模型及挥发份 r 华北电力人。z 硕十学何论文 燃烧模型1 4 7 1 。 挥发分析出模型可分为单方程模型、双反应速率模型及多方程模型、通用热解 模型等。目前煤粉炉炉内过程的模拟常用的是双竞争反应模型59 1 。 气相燃烧过程的模拟当前比较常用的是概率密度函数方法( p d f 方法) 1 6 0 】。 焦炭的燃烧是个复杂异相反应过程，目前常用的足动力扩散表面反应速率模 型1 6 。 1 3 2 5 辐射换热模型 炉膛内的传热以辐射换热为主，所以辐射模型的选取对于炉内燃烧过程数值模 拟至关重要。常用的计算辐射换热的方法有热流法( 通量法) 、区域法、蒙特卡洛法( 又 称概率模拟法) 、离散传输方法等，其中蒙特卡洛法应用较多3 7 6 2 6 3 】。 区域法数值求解的代价较大，如文献 6 4 】中采用区域法和蒙特卡洛法联合的方 法对一个三维各向异性散射介质的辐射问题进行了模拟就证实了这一点。 文献 6 5 1 通过数值模拟研究球谐函数法( p 1 和p 3 近似法) 的假散射和射线效应。 计算结果表明球谐函数法中同时存在假散射和射线效应，p 3 近似比p 1 近似减小了 射线效应，同时球谐函数法的射线效应随光学厚度的增加而减小。 文献【6 3 】采用p l 模型和蒙特卡洛法对锅炉炉膛的辐射问题进行了对比研究，其 结论是p 1 模型可以得到和蒙特卡洛法一样满意的研究结果。 文献【6 6 】分别采用离散传播辐射模型、基于球形谐波法的p l 模型和r o s s e l a n d 模型对t e x a c o 水煤浆气化炉激冷室下降管内的辐射换热进行数值模拟。将模拟结 果与工业运行和实验结果进行比较，研究表明模型模拟结果与实际吻合较好。 1 4 本文主要研究内容 当前我国电站煤粉锅炉广泛存在燃煤煤质差从而偏离设计煤种现象，严重 影响机组经济性及安全性。作者以某6 0 0 m w 超临界机组锅炉为研究对象，针 对其现场存在的问题，如着火稳定性差、灰渣及飞灰含碳量高以及再热汽温低 等展丌研究，具体内容如下： 1 ) 应用煤粉气流着火、燃尽等理论对实际机组存在问题进行了机理分析； 2 ) 从运行调整角度提出了相应的措施以促进着火稳定性和改善燃尽程度； 3 ) 针对超临界直流锅炉水冷壁、过热器及再热器传热特点，分析可能导致 9 华北电力人学硕十学位论文 汽温变化的因素，包括敷设卫燃带的影响； 4 ) 提出了敷设卫燃带的设计方案； 5 ) 采用数值模拟方法预报所提运行调整方案、卫燃带敷设方案对炉内燃烧 过程、着火、燃尽以及再热汽温变化的影响。 华北电力人学硕十学位论文 2 1 设备概况 第二章设备概况及其存在的问题 2 1 1 锅炉设计条件及性能数据 某电厂一期工程2 6 0 0 m w 超临界机组锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈 商流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、丌型露天布置、 吲念排渣、全钢架悬吊结构。锅炉燃用为贵州烟煤。炉后尾部布置两台转子直径为 巾l3 4 9 2 m m 的三分仓容克式空气预热器。 炉膛宽1 8 8 1 6 m m 、深1 6 5 7 6 m m ，从炉膛冷灰斗进口到标高4 8 8 6 4 m m 处炉膛四 岗采用螺旋管圈，上方为垂直管圈。螺旋管与垂直管的过渡采用中间混合集箱。 表2 1额定i ：况及b m c ri ：况t 要参数 2 1 2 设计煤质资料 电j _ 一燃煤为为贵州烟煤，燃煤煤质特性分析如下： 表2 - 2没计煤质特性分析 华北电力人学硕+ 学位论文 2 1 3 炉膛及燃烧系统 燃烧系统由2 4 只直流式燃烧器分6 层稚置于炉膛下部四角。制粉系统采用正 压冷一次j x l 直吹式系统设计，配6 台z g m l l 3 n 型m p s 中速磨。其中5 台运行，l 台备用。煤粉细度r 9 0 = 1 6 1 8 。 作为重要的设计参数，该炉的几个热负荷参数的选取如下表所示： 表2 3炉瞠主要没计参数( b m c r 负荷) 燃烧方式采用低n o x 同轴燃烧系统( l n c f s ) 。主要组件有：a 紧凑燃尽风 华北电力人学硕十乏位论文 2 1 4 过热及再热系统的布置 过热蒸汽系统：由汽水分离器引出后，经炉顶引至后烟井包覆，然后送回炉膛 上部，炉膛上部布置有6 片分隔屏过热器和2 0 片后屏过热器，在后炯井延伸部分 布置有未级过热器。该炉的特点是在尾部烟道没有低温过热器，从总体布置及传热 特点来看，过热系统总体呈辐射式汽温特性。 再热蒸汽系统：有布置于锅炉尾部的低温再热器水平段( 1 0 6 8 3 m 2 ) 和低温再 热器垂直段( 1 5 1 8 m 2 ) ，还有布置于炉膛出口处的术级再热器( 2 4 4 3 m 2 ) 。由于所有 的再热器受热面均布置在炉膛出口之后，其再热系统的汽温特性总体呈对流特性。 再热蒸汽调温主要采用摆动燃烧器喷嘴角度来改变火焰中心高度，从而改变炉 膛出口烟温。喷嘴上下摆动角度为3 0 。过热蒸汽调温除受燃烧器喷嘴摆动影响外， 主要靠喷水和调节煤水比来调温。 过热系统和再热系统的布置如图2 1 所示。 参 刍 陌 。 7 豇 靠 一童 p 一 l i 0 、 oi i l i 气 素 级 再 热 鼍 i - 】 哆 少宁 i + 1 篇。 卜 卜一 ， 1 i 。一 + i i f y o 束鬣垃热舅 i + 簟鼻过箍 后屏过m l l h l i lf i 1 步 l i l i 令 。 一 p 一一 图2 1过热蒸汽及再热蒸汽系统示意图 初曩再麓l 华北电力人学硕十学位论文 2 1 5 各负荷下的设计性能 从表2 5 可以看出，该炉在设计煤种条件下热效率较高，计算低位热效率能达 到9 3 左右。 表2 - 5各负荷f ：况i - 的热损火及热效率 霉 项目 姜笔詈蒜7 5 器一裟。蒜隙 l干烟气热损火 2燃料含水份热损火 3氢的燃烧损火 4 空气含水份热损火 5朱完全燃烧热损失 6辐射热损火 7其它热损火 8 低位热效率( 计算) 4 6 1 o 0 2 0 1 8 0 1 1 3 0 1 7 o 3 9 2 9 7 4 5 5 o 0 2 o 1 8 0 0 9 1 3 0 2 o 3 9 3 0 l 4 3 6 0 0 2 o 1 4 0 0 9 1 3 o 2 7 0 3 9 3 1 6 3 9 5 0 0 l 0 1 0 0 8 1 2 0 3 8 o 3 9 3 6 3 3 7 8 0 o l 0 0 5 0 0 8 1 2 0 5 o 3 9 3 7 3 华北电力人学硕十学何论文 质参数来看，实际燃煤并没有比设计煤种差很多，但由于混煤中有大量无烟煤的存 在，而该机组制粉系统配备的是m p s 中速磨，使制粉出力、干燥出力及煤粉细度 均达不到要求，从而对其下游的燃烧环节造成重大影响：一是着火稳定性很差，经 常需要投油助燃，致使某月点火和助燃用油达5 0 0 余吨；二是燃尽程度差，2 0 0 8 年8 月运行数据统计表明，飞灰可燃物达8 16 ，灰渣可燃物达l0 - 2 7 ，灰渣呈 明显的黑色。 事实上仅通过工业分析并没有客观反应出其实际燃煤的着火和燃尽性能。对其 实际燃煤进行的燃烧特性试验表明，其燃尽特性比多数无烟煤还要差。 2 2 2 运行中的突出问题 首先是上文已经提到的着火和燃尽程度差。 再者是制粉系统出力及煤粉细度问题。该制粉系统配备了m p s 型中速磨，此 种磨不适于磨制冲刷磨损指数很高的无烟煤，致使磨煤机出力、煤粉细度均达不到 要求，同时磨的磨损严重。 另一方面该厂所处的地理位置决定了其降阿量大，其煤场又为露天伟置，致使 其入炉煤外部水分较高，加之中速麽的干燥能力有限，运行中经常发生制粉系统堵 管和堵磨的现象。 最突出的表现是再热汽温偏低的现象，额定工况高再出口汽温设计值为5 6 9 ， 实际只能达到5 4 6 左右。由于受用电负荷供求关系的影响，机组负荷较低，由于 该炉再热器系统汽温特性总体呈对流特性，负荷低时再热汽温更难以维持，现场运 行人员往往通过将燃烧器大角度上摆的方法尽可能提高再热汽温，以保证汽轮机系 统的安全运行。 2 3 原因分析及可能的对策 2 3 1 着火及燃尽差的问题 着火稳定性不好以及飞狄可燃物、灰渣可燃物高的根本原冈在于实际燃煤严重 偏离设计煤种。如果燃用大量的无烟煤，则炉型、炉膛热负荷的选取、制粉系统的 选型均不适用。 目前国内新机组选型时一般选w 型火焰锅炉配双进双出钢球磨直吹式制粉系 统以燃用无烟煤或者贫煤。所以要想用现有机组燃用无烟煤，必须对制粉系统和燃 烧系统进行改造。国内也有将中速磨用钢球磨来替代的改造先例，但本机组由于空 华北电力人学硕十学位论文 问局限，这一方案无法实施。只能对现有制粉系统进行调整来改善对无烟煤的适用 性。 既然制粉环节无法进行根本的改变，要想强化着火和燃尽，对炉膛及燃烧系统 的运行调整和改进就成为必然的选择。 2 3 1 1 燃烧调整 煤种不同，其着火、燃尽性能不同。从现场运行情况来看所采用的配风方式不 当，应调整、优化其配风方式，且不同的负荷其燃烧器投运方式及配风方式也应不 同。 ( 1 ) 周界风的调褴。 图2 - 2w r 燃烧器结构示意图 1 周界风喷口；2 v 型扩流锥；3 煤粉隔板；4 二次风入口；5 渐缩管段；6 弯管 图2 2 所示为w r 燃烧器结构示意图。此燃烧器由于具有上浓、下淡浓淡分离 结构并且在喷口出口处还设有v 型扩流锥，其稳燃能力较好，改造成目前切圆燃烧 锅炉技术中应用最多的水平浓淡燃烧器不会对燃烧稳定性产生太明显的影响，改造 必要性不大。 w r 燃烧器的周界风有增加气流刚性以防止火焰偏斜，冷却一次风喷口以防止 烧喷口的作用，其更重要的功能是能通过调整j x l 量大小适用煤质的变化。一般说来， 当燃用不易着火的煤时，应当适当关小周界风的开度，从而减少二次风过多的混入 一次风射流中，那样会增加煤粉气流的着火热，对着火很不利。 具体调整方案：对于当前燃用的煤种，应关闭周界风。因为煤质着火特性差， 不会发生烧喷口的情况，国内多家电厂锅炉改造时取消了原来的周界风，两个大修 期内都没有发生喷口烧坏、变形的情况。 ( 2 ) 偏置风的调整。