第52卷第1期2021年1月
Vol.52,No.1
BOILER TECHNOLOGY
【设计•科研•试验$
姚志鹏x刘建全x仇中柱x武振新2，诸育枫2，戴文泰1
(1.上海电力大学能源与机械工程学院，上海201200； 2.上海锅炉厂有限公司，上海200245)
摘要：为了研究700?锅炉的烟气热偏差特性，采用计算流体力学的方法对1台700?等级四角切圆n 型锅炉展开数值模拟研究$基于商用的CFD软件，分析了700?锅炉的烟气热偏差特性和形成机理，研究了燃尽风的反切和燃尽风的速度偏置对炉内速度场、温度场的影响，重点针对炉膛出口附近的速度分布和温度分布，进行烟气热偏差优化控制$结果表明：当分离燃尽风(SOFA)反切25。时，炉膛出口烟温偏差为63.23K； 相对于反切0C烟温偏差的降幅达到51.43K；当右侧SOFA风的速度与左侧SOFA风的速度比值为1.3：1时，炉膛出口烟温偏差为39.31K，相对于SOFA风没有偏置时，烟温偏差降低了23.92K$
关键词：700?锅炉；热偏差；SOFA反切；SOFA速度偏置；数值模拟
中图分类号:TK229.2文献标识码:A文章编号=1672-4763(2021)01-0001-08
0前言
随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求和消耗越来越大$电能是主要的二次能源，其中火电在电力供给结构中占主导地位，并且这种现状短期内不会改变$当前，我们面临的社会发展、能源安全、生态环境和气候变化等问题日益凸显，迫切需要加快能源结构朝清洁低碳、安全高效方向转型升级$因此，我们需要研究更高等级的超超临界发电技术，700?超超临界发电技术就是一个重要的研发方向$
目前，国内外已经有不少学者对700?超超临界发电技术展开了相关研究閃，其中炉膛出口烟气热偏差的控制是一个关键的技术攻关课题(35$在大量的工程实践中，四角切圆燃烧锅炉的炉膛出口附近普遍存在着比较严重的烟温偏差的现象；由于烟温偏差过大引发过热器和再热器的爆管事故时常发生，带来严重的安全隐患和经济损失$鉴于700?锅炉蒸汽的参数更高，因而对受热面的材料和运行时的烟气
热偏差的控制提出了更高的要求()$为了避免受热面材料在高强度热负荷下的受热不均，对炉膛出口的烟气热偏差进行优化控制至关重要$
Akkinepally等⑺采用商用的ANSYS Fluent 和COMSOL软件对1台500MW四角切圆锅炉展开数值模拟研究，结果表明，炉膛顶部的残余旋转导致炉膛出口速度场分布不均，从而造成过热器管壁的温度分布不均$Park等8基于CFD 软件数值模拟对800MW四角切圆锅炉主蒸汽的吸热偏差展开研究，结果表明，改变燃尽风(OFA)的偏角可以显著改善主蒸汽的吸热不均$孙保民等9对1025t/h的四角切圆锅炉展开燃尽风反切消旋研究，发现OFA反切削弱了水平烟道入口的残余旋转，使烟气在水平烟道内更均匀，水平烟道入口左右两侧的温差减小$刘基昌等(0)对1台660MW塔式锅炉进行数值模拟研究，分析了塔式锅炉热偏差的特性和形成机理，提出了一种基于分离燃尽风速度偏置的烟温偏差控制方法，研究表明，对分离燃尽风(SOFA)的速度进行合理的偏置，能够有效降低炉膛出口的烟温偏差$
目前，对于700?超超临界锅炉的烟气热偏差的研究很少$笔者对1台700?等级超超临界锅炉进行了炉内燃烧数值模拟，研究了SOFA 风的偏角和SOFA风的速度偏置对炉膛出口烟温偏差的影响，为锅炉的研发和后期的工程实践提供理论指导$
收稿日期2020-08-15
基金项目：国家重点研发计划课题(2018YFB060440204)
作者简介：姚56(1993-)，男，硕士研究生，主要从事大型超超临界锅炉燃烧数值模拟，锅炉燃烧烟温偏差优化控制的研究.
2
锅炉技术第52卷
1研究对象
研究对象为某公司研发的700 ?等级660
MW 超超临界四角切圆！型锅炉，锅炉本体的深
度和宽度分别为#6. 8t 和1&816 t ，炉膛的高 度为63. 29 m 。该锅炉为超超临界压力变压运行
带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，单炉 膛，采用一次中间再热，平衡通风、固态排渣、全
钢架悬吊结构，锅炉岛为露天布置$锅炉采用四
角切圆燃烧方式，一、二次风从炉膛四角射入炉 膛，在炉膛中心形成一个顺时针的切圆；SOFA 风在燃尽区与一、二次风形成反切，射入炉膛形
成一个逆时针的切圆，锅炉本体的三维几何结构 见图#。
图1锅炉的三维几何结构
锅炉燃烧器的布置示意图见图2。
二次风EI 二次风DE
偏转二如DII 一次风D 层 偏转二次风DI 二次风CD
偏转二次风CII ~•次风c 层 偏转二次风CI 二次风BC 偏转二次风BII -■次风B 层 偏转二次风BI 二次风AB 偏转二次风All -'次风A 层 直吹二次风AI 底部二?WAA
UAGP1UAGP2UAGP3
二次风UAP 二次凤町1—次凤F 层 偏转二次风FI 二次风EF 偏转二次风EII ~次风E 层
BAGP3
BAGP2BAGP1
图2锅炉的燃烧器布置
制粉系统主要由6台直吹式中速磨煤机构 成，满负荷运行时5台投入使用，另外1台为备
用。主燃烧器底部为二次风AA，由下到上布置
A 、
B 、
C 、
D 、
E 、
F 6层一次风喷嘴，上层有二次风
UAP ；每层一次风之间为二次风喷嘴，它有3个
喷嘴，上下为偏转二次风，中间为直吹二次风。
主燃烧器上方有3层低位燃尽风和3层高位燃尽
风。一次风和直吹二次风以偏离炉膛截面中心
线3。射入炉膛，偏转二次风是在一次风偏转角的 基础上再偏置22。射入炉膛；燃尽风喷嘴布置在
主燃烧器的上方，其偏转角度与其一、二次风形 成反切，可以根据工况在一定范围内调节。
2数值计算方法
2.1数学模型及求解算法
炉膛内部的煤粉燃烧是一个包含流动、传热
传质以及复杂化学反应的过程。在数值模拟中， 气相湍流的流动采用旋流修正的Realizable " 双方程模型；煤粉在锅炉内的气相湍流燃烧过程
采用混合分数/概率密度函数(PDF)模型；煤粉 在炉内气固两相湍流的流动采用Lagrange 描述 下的随机轨道(stochastic particle trajectory )模
型。辐射传热采用P1辐射模型；煤粉的热解采 用双方程平行竞争反应模型；焦炭燃烧采用动
力/扩散控制反应速率模型；气体相的吸收系数 采用WSGGM 模型计算；煤粉颗粒的粒径分布服 从Rosin-Rammler 粒径分布。数值模拟求解方
程采用逐线性迭代法和低松弛因子；压力和速度
耦合采用SIMPLE 算法；梯度项的离散格式为
Green-Gauss Cell Based 格式；压力项离散采用
PRESTO !格式，其他项的离散格式采用一阶迎
风格式(11)。2.2网格划分
根据锅炉的实际三维几何尺寸进行1：1实体 建模，并采用分区的策略进行网格划分。网格的
划分情况见图3。
图3
锅炉的网格结构
第1期姚志鹏，等：7oo?四角切圆n型锅炉烟温偏差优化控制3
在锅炉燃烧器区域，由于物理量梯度变化较大，对其进行局部的网格加密$为了减小数值模拟计算中产生的伪扩散，划分网格时尽量减小烟气速度矢量与网格表面之间的法向夹角(12]$整个计算域采用高质量六面体结构化网格，与非结构化网格相比，具有更高的网格质量而网格数量较少$在进行对网格无关性验证之后，确定整个计算域的网格数量为159万$
2.3边界条件及模拟工况
燃烧器的喷嘴设定为速度入口，炉膛的出口设定为压力出口，壁面定义为无滑移稳定壁面$锅炉在BM
CR工况下的设计风量为535kg/s，过量空气系数为1.15,—次风率为16.92%，二次风率为7&08%，漏风风率为5%；一次风速为27m/s，二次风和燃尽风速度均为56m/s$煤粉颗粒以离散相进入炉膛，锅炉BMCR工况下的设计煤耗量为219t/h，煤质参数见表1$的特性和形成机理$工况1〜工况3，改变SOFA 风的反切角度，同时保持SOFA风的左、右侧的速度相等，用来研究SOFA风反切角度对炉膛出口烟温偏差的影响；工况3〜工况5对SOFA风左、右侧的速度进行偏置，并保持SOFA风的反切角度不变，用来研究SOFA风左、右侧的速度偏置对炉膛出口烟温偏差的影响$
3结果分析与讨论
3.1模拟结果验证
为了确保模拟结果的可靠性，将本次工况1的模拟结果与设计值进行对比$表3为模拟结果与设计值的对比$数据的测量位置分别在高温过热器的入口和出口处，可以发现数值模拟结果与设计值的结果相对误差很小$通过将模拟结果与设计值的数据对比，可以确定CFD软件模拟的可行性，为后续炉膛出口烟温偏差研究奠定基础$
表1燃用煤种的工业分析和元素分析
项目设计煤种收到基水分M”/%1-
工业分析
收到基灰分$”/%
收到基挥发分V”/%
收到基固定碳FC”/%
12
27
47
收到基低位发量Q”“”/(MJ・kg】)23.42
表3数值模拟结果与设计值结果的对比
项目位置模拟值设计值
烟气温度/K高温过热器入口12131270
O2体积分数/%高温过热器入口 2.84 2.79
CO2体积分数/%高温过热器出口17.4216.38
飞灰含碳量/%高温过热器出口 1.39 1.5
元素分析
收到基碳C”/%61.45
收到基氢H”/% 3.61
收到基氧O”/%7.8
收到基氮N”/%0.71
收到基硫S”/%0.43研究模拟工况见表2$
表2SOFA风的水平摆角和速度偏置设置
反切角度左侧速度/
(m・s1)
右侧速度/
(m・s1)
左/右
侧速度比值
0/()56561:1
15/()56561:1
25/()56561:1
25/()63.348.7 1.3：1
25/()48.763.31:1.3
根据锅炉的设计运行条件，采用单因次法分别研究了SOFA风的反切角度和SOFA风左、右侧速度偏置
对炉膛出口烟温偏差的影响$其中工况1为基准工况，用来研究炉内的空气动力场、温度场的分布情况，分析炉膛出口烟温偏差3.2速度与温度分布
良好的空气动力场是炉膛内部煤粉颗粒着火及稳燃的关键$图4为工况1炉内速度场分布情况$
图4炉内的速度场分布
炉膛中心截面上，速度呈现出均匀对称分布；在燃尽区，燃尽风速较大，射流的刚性较强，增加了湍流强度，有利于煤粉的燃尽$在一次风截面上，一次风携带煤粉射入炉膛，在炉膛中心
4锅炉技术第52卷
形成良好的切圆，炉膛的中心低压区风速小，四周风速大，没有发生气流直接冲刷水冷壁的现象，煤粉和空气可以充分混合；在炉膛四角处能够形成回流区，可以卷吸高温烟气，促进煤粉的着火和燃尽过程。
图5为炉内煤粉燃烧的温度场分布情况$在炉内中心截面上，温度场在前、后墙两侧分布较为对称，火焰在炉膛内的充满度良好，炉膛中心最高温度达到1700K以上，达到设计要求$炉内温度首先随着炉膛高度的增加而增加，在燃尽风喷口附近，燃尽风的加入，补充了大量的氧气，使得未充分燃烧的煤粉颗粒燃尽，温度进一步升高$从燃尽区到炉膛顶部，温度逐渐降低，燃烧过程基本完成：13：$在一次风截面上，煤粉和空气从一次风喷入炉膛，煤粉迅速着火燃烧并释放出大量的热量。燃烧器喷口附近温度较高，这是由于煤粉的燃烧和卷吸上游邻角的高温烟气$炉膛中心形成的切圆半径较大，高温区主要分布在炉膛的壁面附近；这一方面是由于上游射流的冲击作用使气流偏斜；另一方面，燃烧器喷口距离炉墙过近，假想切圆很大，温度升高后，气流膨胀的作用使得热态切圆增加$2种因素共同作用使得在壁面附近形成高温区$
图5炉内的温度场分布
图6为工况1〜工况5沿着炉膛高度方向上不同水平截面的温度分布$由图6可以看出不同工况下，炉内
温度分布的变化趋势大致相同$工况2和工况3是在基准工况下改变SOFA风的水平摆角，与主燃烧区气流形成反切，增加了燃烧器上部的湍流强度，使得燃尽区上部的温度有所增加，可以有效改善煤粉燃尽程度$工况4和工况5是在工况3的基础上对SOFA风左/右墙的速度进行了偏置，由图6可以看出3个工况下的温度变化保持一致$由此表明：改变SOFA 风的反切角度和对SOFA风的速度进行偏置对炉内燃烧没有产生明显的影响$
图6沿炉膛高度方向的温度分布
1
2
3
4
5
况
况
况
况
况
工
工
工
工
工
3.3烟温偏差特性与机理分析
在基准工况下，图7为再热器入口截面P5的温度与流线分布$从温度分布云图可以看出截面左侧下方出现了明显的高温区(在锅炉三维模型中，丫轴方向指向炉膛的左侧，下同)，右侧出现了低温区$从流线图可以看出，左侧流线分布均匀，速度较高；右侧出现了大的涡流区，涡流中心速度较低$可以看出
速度分布与温度分布较为一致，速度高的地方对应的温度高，速度低的地方对应的温度低$
图7P5截面的温度和流线分布
在炉膛的左/右墙附近0.5m处分别取2个截面，其流场的速度流线见图8$图8(a)展示了左墙附近截面P1的速度流线分布，可以看到烟气流线明显向着后墙偏斜，流线分布均匀，
左侧烟
第1期姚志鹏，等：7oo ?四角切圆n 型锅炉烟温偏差优化控制5
(b)炉膛右侧P2S 面流线分布
图8炉膛两侧截面的流线分布
气经过折焰角直接流入后烟道；图8(b)为右墙附 近截面P2的流线分布，流线明显向着前墙倾斜，
在炉膛出口附近出现了大的涡流团。左/右墙两 侧的流线形成鲜明的对比，这是由于炉内烟气以 顺时针旋转上升，而炉膛的高度有限，一直到炉 膛顶部仍然存在残余旋转。残余的旋转具有一
定的旋转动量矩，使得烟气存在旋转运动；左侧 烟气具有流向后墙的速度分量，烟气可以直接流 向后烟道；而右侧烟气具有流向前墙的速度分 量，烟气先减速流向前墙后加速流向炉膛出口，
流动过程复杂。这种特性使得左侧流动阻力小、 速度大，流场均匀；而右侧的流动阻力大，速度
小，流场存在大尺度的涡流团。
因此，左侧烟气能够较快地流出屏式受热面 区域，烟气的流速大，放热时间变短，烟气与屏的 换热较少；而右侧的烟气经过涡流区烟气的速度
明显降低，使得烟气放热时间变长，烟气与屏的
换热较多。这样就使得左侧烟温高、右侧烟温
低，从而造成了左右侧的烟温偏差。
3.4 SOFA 风反切对烟温偏差的影响
图9为工况1、工况2、工况3的截面P5的速
度流线分布和温度分布。从流线图可以看出，在
3个不同的工况下，截面的右侧都出现一定程度
的涡流区；工况1涡流区最大，工况2次之，工况
3的涡流区最小；说明随着SOFA 风反切角度的
增大，流场的均匀性变好；当SOFA 风反切25° 时，右侧流场的涡流区很小，截面整体的流场均
匀性明显改善。从温度分布云图看，速度分布与
温度分布具有一致性，高温区主要出现在截面的 左侧，右侧的涡流低速区，温度较低。原因是左
侧单位质量烟气能够较快地流出屏式受热面区 域，烟气的流速大，放热时间变短，整体烟温较 高；而右侧单位质量的烟气经过涡流区烟气的速 度明显降低，使得单位质量烟气放热时间变长,
整体烟温较低。随着流场的均匀性改善，截面左 右侧的烟温偏差变小。在工况3条件下，当
SOFA 反切25°时，烟温偏差最小，与速度的流线
分布一致。
速度/(Hl ・評)
il
工况3
1-
况工Z
图9工况1〜工况3的截面P5的速度和温度分布
/K 500400300200100000
900
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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