第51卷第6期2020年11月
Vol. 51, No. 6Nov. , 2020
锅炉技术
BOILER TECHNOLOGY 一次风假想切圆大小对四角切圆锅炉燃烧的影响研究 赵斯楠，黄建军，党岳，石敏
(中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，陕西西安710065)
摘要：切圆大小是影响四角切圆锅炉燃烧及运行状况的关键因素$为研究一次风假想切圆大小对炉内燃烧
的影响，对1台630 MW 超临界四角切圆锅炉炉内的流场及温度分布进行了详细的数值模拟研究$结果表明:
随着一次风假想切圆的减小，一、二次风实际切圆大小、贴壁风速及截面温度、CO 浓度均有所降低；假想切圆变 化不大时，主燃区燃烧状况及煤粉燃尽率无明显变化，但切圆过小会导致煤粉的着火距离明显增加，主燃区燃烧
不充分，火焰中心上移、煤粉燃尽率明显降低。现场试验表明：在煤粉燃烧器单边焊接导流板可有效减小炉内的
实际切圆及壁面附近的CO 浓度，有利于水冷壁的安全运行，且不会对煤粉的着火及燃尽产生负面影响$
关键词：四角切圆锅炉；数值模拟；假想切圆；贴壁风速；燃尽率
中图分类号:TK229. 6 文献标识码:B 文章编号：1672-4763(2020)06-0046-05
0 前言
四角切圆锅炉因具有燃烧稳定性好，燃尽率 高，污染物排放低等优点而广泛的应用于我国的
火电机组中其中，炉内切圆大小对四角切 圆锅炉的燃烧及运行状况至关重要$切圆大小
不合理会引起一系列问题，如火焰刷墙、水冷壁 结焦、高温腐蚀、超温等问题:3*
$因而，要充分结 合电厂的实际运行情况选择合适的切圆大小$
四角切圆锅炉的空气动力场由一、二次风的 旋转来维持$其中，二次风风量及动量较大，因而
炉内的切圆大小主要取决于二次风的入射角度⑷$
但由于一次风携带煤粉，其入射角度对煤粉初期的 着火、颗粒的运动轨迹及壁面附近的气氛至关重
要$但一次风的入射角度往往是固定不可调的，即 现场试验难以研究其对炉内燃烧的影响。而数值
模拟可以方便快捷改变一次风的入射角度，从而分
析一次风假想切圆大小对炉内燃烧的影响。
本文对1台630 MW 四角切圆锅炉在不同
一次风假想切圆下的流场及温度分布情况进行 了数值模拟研究，并通过数值模拟的结果指导现
场燃烧器角度的调整，有效地提高了锅炉运行的 安全性$
"锅炉概况
研究对象为1台630 MW 超临界变压直流炉$
采用单炉膛！型布置、一次中间再热、平衡通风、
半露天布置、固态排渣。锅炉最大连续及额定蒸发
量分别为2 084 t/h 、1 930 t/h $额定主蒸汽压力为
25. 4 MPa ，额定主、再蒸汽温度为571 E/569 E ，
锅炉采用低NO ’同轴燃烧系统(LNCFS )， 顺时针切圆燃烧方式，共布置6层强化着火煤粉 燃烧器，四周布置有周界风$ 2层煤粉燃烧器之
间布置有1层辅助风喷嘴，包括上下2层带偏置 角度的CFS 喷嘴和1层直吹风喷嘴$煤粉燃烧 器上方还布置有2层紧凑燃尽风(CCOFA )喷嘴
和5层分离燃尽风(SOFA )喷嘴$主燃区燃烧器 及SOFA 风喷口布置见图1$
H CCOFA-2
CCOFA-1F2 二次风 置F*
F1二迟因EF 二熠
圜心
E1二伽DF 二姻
冒潭
cd r
G2 二 圜C 一次风
BC 二那
賣曲
B1 二AB 二
置f
SOFA5SOFA4
SOFA3SOFA2SOFA1
图1燃烧器布置图
收稿日期2019-04-30
作者简介：赵斯楠(1994 -)，男，硕士，主要从事电站锅炉燃烧优化研究方面的工作
$
第6期赵斯楠，等：一次风假想切圆大小对四角切圆锅炉燃烧的影响研究47
锅炉制粉系统采用6台中速辐式磨煤机，燃 用设计煤种时，满负荷下5台运行"台备用$由
于煤质变化，现阶段满负荷运行时多为6台磨煤 机同时运行$表"列出了锅炉实际燃用煤种的
煤质数据$
该锅炉长期存在炉内水冷壁结焦的问题，燃
用低灰熔点煤时尤为严重$冷态空气动力场试 验结果显示实测假想切圆大小相较设计值偏大$
表1燃用煤种工业分析和元素分析
元素分析
工业分析
厂
,ar /(
kj-kg
1)
C ar /Q H ar /Q o …/Q
n …/Q
S ar / Q V …/Q
C ar /Q 'ar /Q
FC ar 'Q 49. 72 3. 05
7. 27 0. 59 1. 36
22. 44
11 80 26. 2139. 55
18990
2现场试验
为了研究一次风假想切圆大小对炉内流场 的影响，分别在假想切圆改变前后进行冷态空气 动力场试验$试验中启动空气预热器、除尘器、
引风机、送风机、一次风机，维持炉膛负压o 至〜
100 Pa，二次风箱风压800〜"ooo Pa ，—次风母
管总风压6〜8 SPa $根据自模化原理，满足几何 相似、保持气流运行状态进入自模化区以及冷态
与热态下各层气流动量比相等条件，合理选取的 一、二次风风速，在冷态下模拟热态气流动力场$
在B 层燃烧器中心截面处，采用飘带法每隔
300 mm 沿炉内十字中心线测量各点的切向风
速，得到炉内的流场分布及切圆大小；在距离水
冷壁面300 mm 的位置每隔500 mm 测试气流速 度，测量贴壁风速$
3数值模拟
炉内燃烧采用商用计算流体力学(CFD)软
件Fluent 进行模拟计算。计算域包括冷灰斗、主 燃区、燃尽区、分隔屏及水平烟道$
3.1网格划分
炉内的网格划分见图2$
15
5
410
(a)炉膛网格划分
0瞄蒜抽
0 5 10 15
深度/m
(b)燃烧器出口截面
图$网格划分
计算域主要采用结构化、高质量的六面体网 格进行划分。总网格数约为202万$其中：主燃 区的网格进行了局部加密，从而准确模拟该区域
物理量梯度较大的特性；燃烧器出口区域的网格 划分充分考虑了气流的流动方向，以减少计算伪 扩散产生的误差5$
3.2计算模型选取
锅炉炉内燃烧数值模拟涉及到流动、传热、 燃烧、颗粒运动等各个过程，计算中采用的数学
模型见表2$
表2数值模拟计算模型
计算项目数学模型气相湍流流动标准人弋双方程模型
气相湍流燃烧混合分数/概率密度函数模型(PDF )
煤粉颗粒运动
随机轨道模型
煤的热解
双方程平行反应模型
焦炭燃烧
动力/扩散控制反应速率模型
辐射传热
P1模型
3.3计算条件
计算中，煤粉粒径分布服从Rosin-Rammler
分布，其中最大、最小及平均直径分别设为250 #m 、10 #m 、60 #m $炉膛壁面设置为无滑移的温
度边界条件，各受热面的壁面温度和辐射率分别 根据工质温度及换热类型进行相应设置$大屏
入口设为压力出口边界条件，压力设为一60 Pa $
焦炭燃烧的指前因子设为0.004 kg/(m 2-s-Pa )， 活化能设为83. 7 kj/mol 6 $炉内配风根据实际
运行参数进行相应设置$
压力与速度耦合选用SIMPLE 算法，求解采
用逐线迭代法和低松弛因子，压力项离散采用
PRESTO !格式，其他项离散格式为一阶迎风$
3.4工况设置
为了研究一次风假想切圆大小对炉内的燃 烧的影响，数值模拟中设置了不同的一次风入射
48锅炉技术第51卷
角度进行计算分析，见图3。其中工况1为设计切圆大小，工况2为炉内实际测得的安装切圆大小，工况3、工况4分别在设计切圆的基础上进行相应缩小，可以看到，一次风入射角度对炉内假想切圆的影响非常显著$
(d)工况4
图3工况设置
4计算结果及分析
4.1模拟结果验证
为了验证计算模型及结果的合理性，选取工况2，即实际运行工况下的数值模拟结果与试验值进行对比，见表3。可以看到，模拟值与试验值较为接近，表明计算中所采用的网格及模型能够合理地模拟实际运行中炉内的流动及燃烧情况。
表3数值模拟与现场试验结果对比
对比模拟值试验值
B层前后墙一次风切圆直径/m13.814.2
B层左右墙一次风切圆直径/m12.413.1
氧量/% 4.27 4.42大屏入口烟温/K15491506
4.2一次风假想切圆大小对流场分布的影响
由于气流在炉内会受热膨胀，且会受到上游气流的冲击，因而实际的切圆大小一般会膨胀到假想切圆的6〜8倍⑺。图4为不同工况下B层一次风中心截面的流场分布。可以看到，各工况下4个角的射流进入炉内后均呈现顺时针旋转，其在炉内形成的切圆略微成椭圆形，这与炉膛的宽深不同及各个角一次风入射角度不同有关。随着假想切圆的减小，气流离开喷口后偏转的程度逐渐减小，炉内的实际切圆大小及水冷壁附近的气流流速也随之减小，从而能有效减少气流及颗粒对水冷壁的冲刷。
0369121518212427303336
051015
炉膛深加
(b)工况2
051015
炉膛深加
(a)工况1
(S
图4B层一次风中心截面的流场分布
表4中列出了各个工况下B层一次风及BC 层二次风的实际切圆大小。可以看到各工况下二次风的切圆直径相比一次风偏大约1m，这是由于BC层二次风上下布置了两层偏置二次风，使其气流偏转角度增大。此外可以看到，前后墙的切圆直径比左右墙约大1.5m，这与此前分析的一致。对比各个工况发现，随着一次风假想切圆的减小，一、二次风的实际切圆直径都随之减小，但一次风实际切圆直径降低程度明显大于二次风，这是因为一次风量占比较小，对二次风气流的影响较小。
表4实际切圆大小分布
切圆直径/m
前后墙左右墙工况
工况1
一次风13.111.5
二次风13.912.4工况2
一次风13.812.4
二次风14.713.2工况3
一次风12.311.0
二次风13.011.8工况4
一次风11.310.1
二次风12.211.2贴壁风速决定了炉内气流对水冷壁的冲刷程度，贴壁风速过高不利于水冷壁的安全运行，也易引起结焦。表5中列出了各个工况下B层一次风的贴壁风速大小(距离水冷壁300mm
处
第6期赵斯楠，等：一次风假想切圆大小对四角切圆锅炉燃烧的影响研究49
的平均风速)。各个工况下前后墙的贴壁风速均高于左右墙，这与切圆大小是一致的$随着一次风假想切圆的减小，贴壁风速也随之降低$
表5贴壁风速大小分布(m/s)工况前墙后墙左墙右墙
工况18267.957.287.43
工况29.06&77839&47
工况3 6.99 6.87633 6.51
工况4 5.93 5.81538 5.54近co浓度过高易造成高温腐蚀，并且煤粉的灰熔点也会随着还原性气氛的增强而下降:89:，导致炉内严重结焦。图6为B层一次风中心截面的co浓度分布。可以看到，随着假想切圆的减小，C0高浓度区域更加集中，水冷壁附近的co 浓度也随着降低，工况1、工况2下部分区域已达到6%，工况3、工况4下仅左右墙部分区域较高，但因该区域温度及流速明显低于左右墙，因而能大大降低水冷壁高温腐蚀及结焦的风险。
4.3一次风假想切圆大小对温度分布的影响
切圆大小对于炉内煤粉的燃烧至关重要，也会影响到炉内的温度场分布$图5为B层一次风中心截面的温度分布$图5中各工况下温度的分布趋势基本相同，且与流场分布一致，均呈现椭圆形，其中前后墙壁面附近的温度要略高于左右墙$对比不同的工况可以看到，随着一次风假想切圆的减小，截面的高温区逐渐向炉膛中心靠拢，壁面附近的温度也随之降低，幅度超过50K，可有效地保护水冷壁，并且能够大大缓解炉内的结焦情况$
此外，从图5中可以看到，工况1〜工况3下，喷口附近的低温段长度基本不变，而工况4
有明显的增加，长度约为1m，这表明当一次风假想切圆过小时，煤粉的着火距离较长，不利于低负荷下的稳燃$图6B层一次风中心截面的C0浓度分布炉膛深/m
(a)工况1
炉膛深/m
(d)工况4
炉膛深/m
(b)工况2
炉膛深/m
(c)工况3
60080010001200140016001800 70090011001300150017001900
O
051015
炉膛深/m
(a)工况］051015
炉膛深/m
(b)工况2
51015炉膛深/m (c)工况3O
051015
炉膛深/m
(d)工况4
图5B层一次风中心截面的温度分布
4.4一次风假想切圆大小对组分浓度分布的影响
煤粉燃烧初期会生成大量的C0，水冷壁附4.5一次风假想切圆大小对煤粉燃尽的影响
炉内切圆大小会影响火焰的充满度，进而影响煤粉的燃尽情况。分别统计工况1〜工况4下屏区入口的烟温，结果分别为：1554K、1549K、1559K、1583K。可以看到，工况1〜工况3下烟温变化不大，工况4下烟温增加幅度较大。结合此前的分析表明：当一次风假想切圆变化不大时，对主燃区的燃烧情况并无明显影响，而当假想切圆过小时，会导致主燃区燃烧不充分，火焰中心上移，屏区入口烟温升高。
统计工况1〜工况4下煤粉的燃尽率，结果分别为9&72%、9&90%、9&60%、9&15%$可以看到，与屏区入口的烟温分布一致，仅当一次风切圆过小时才会导致煤粉的燃尽变差，燃尽率下降较多，不利于锅炉的经济性运行$
5现场试验结果
由数值模拟的结果可以看出，工况3下，即炉内假想切圆为1000mm/1405mm时，
炉内的
50锅炉技术第51卷
实际切圆、水冷壁附近的温度、co浓度均有所减
小，且煤粉的着火和燃尽并无明显变化，可视为
最佳工况$因而利用机组检修机会将2、4号角
的燃烧器角度恢复至设计值$此外，考虑到一次
风喷口与周界风喷口的结构和相对距离，在各个
煤粉燃烧器喷口单边(背火侧)焊接长度约20cm
的导流板，依据数值模拟的计算结果，导流板的
偏置角度设为3。(若可在双边焊接导流板，偏置
角度应设为15°)$
焊接导流板后在冷态下对炉内B层燃烧器
水平截面的切圆大小进行了测量，试验方法及参
数与缩小切圆前保持一致$图7为焊接导流板
后&层的速度场$如图7所示，炉内切圆仍呈现
椭圆形，但切圆直径有所减小，前后墙约为12.9
m，左右墙约为12.0m，处于合理水平$
左墙
15*
----------20-1--------------------
右墙
前墙到后墙亠左墙到右墙
图7B层燃烧器速度场分布
机组启动后，分别测量了水冷壁前墙向火侧
位置，标高为26.46m(B层燃烧器),28.34m(D
层燃烧器)处的CO浓度及大屏入口烟温，并与切
圆缩小前的结果进行对比，2次试验在相同负荷
及煤种下进行，结果见表6$可以看到，切圆缩小
后，大屏入口烟温及飞灰含碳量变化不大；CO浓
度则明显降低，幅度超过50%，能有效缓解水冷
壁高温腐蚀及结焦$
表6现场试验结果对比
工况大屏入口
烟温/K
飞灰
含碳量/%
CO浓度%
B层D层
缩小前1506112315 2.97缩小后152312414815036结语
(1)随着一次风假想切圆的减小，一、二次风的实际切圆直径都随之减小，但一次风实际切圆直径减小程度明显大于二次风$
(2)随着一次风假想切圆的减小，截面的高温区及高CO浓度区逐渐向炉膛中心靠拢，壁面附近的温度及CO浓度也随之降低；但切圆过小时，煤粉的着火距离明显增加，不利于煤粉的稳燃$
(3)当一次风假想切圆变化不大时，对主燃区的燃烧情况并无明显影响，而当假想切圆过小时，会导致主燃区燃烧不充分，火焰中心上移，屏区入口烟温升高，煤粉燃尽率下降$
(4)在各个煤粉燃烧器喷口单边(背火侧)的导流板可以有效减小炉内切圆直径及壁面CO浓度，且不会对煤粉燃尽产生明显影响$
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