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600MW超临界锅炉卫燃带改造数值模拟
发布时间：2013-10-23 09:37 来源：未知
0、引言
当前我国电力工业发展迅速，伴随着大量超临界、超超临界机组的相继投运，及“以大代小”等政策的实施，节能效果明显，全国平均供电煤耗从2005年的370g/kWh降为2008的349g/kWh。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，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、可靠性降低等问题。
针对某600MW超临界锅炉运行中存在的实际问题开展研究。由于地理位置、运输成本及煤炭市场供求关系影响，该炉燃煤严重偏离设计煤种，制粉出力不足。同时还表现出再热汽温偏低、飞灰可燃物高的现象。针对该炉这些现场实际问题，经研究提出了对该炉进行卫燃带改造的技术方案，目的在于强化着火、燃尽的同时，提高炉膛出口烟温，增加再热器的吸热比例。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；⒛拘伎帕；怪频纳镏士帕Ｈ剂�，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
炉内燃烧过程的数值模拟技术近年来发展较快，不乏用来指导工程应用的实例。利用其指导锅炉改造的实施，可有效降低改造风险、控制改造费用及提高改造的成功率。本文对该炉卫燃带改造前后的炉内燃烧状况进行了数值预报，并结合实际改造情况进行了分析。
1、研究对象及存在问题
1.1研究对象
本文研究对象为600MW超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、Ⅱ型布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。设计煤种为贵州烟煤。
燃烧系统由24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角。制粉系统采用正压冷一次风直吹式系统设计，配6台MPS中速磨。
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，然后送回炉膛上部的分隔屏，其后为后屏、高过。从总体布置及传热特点来看，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(10683m2)和低温再热器垂直段(1518m2)，还有布置于炉膛出口处的末级再热器(2443m2)。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30°。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。
表1中列出实际煤种的成份为统计平均值，实际燃煤来源复杂，有无烟煤，也有褐煤，所以对煤粉气流的着火和燃尽有很大影响。
1.2存在问题
由于实际燃煤中包含大量无烟煤，而制粉系统配备的是MPS中速磨，该磨不适于磨制无烟煤，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。
再者为燃尽程度差，2008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10%～27%。
同时还表现出再热汽温偏低，额定工况高，再出口汽温设计值为569℃，实际只能达到546℃左右。
2、改造方案介绍
分析表明，导致该炉出现上述问题的主要原因是实际烟煤来源杂而且差，尤其是大量无烟煤的存在。从锅炉设计及改造技术来看，敷设卫燃带是强化无烟煤着火和燃尽的主要措施，同时可使炉膛出口及尾部烟道烟温升高，从而改变过热系统与再汽系统的吸热比例，促进再热汽温升高，有助于解决现场存在的问题。
本文针对该炉实际情况，设计了水冷壁卫燃带敷设方案。在燃烧器区域四墙水冷壁均敷设，各墙卫燃带设计面积见表2，总计为237. 2mz。图1所示为前墙卫燃带设计方案。
3、数值模拟
为了考察敷设卫燃带的实施效果，本文对改造前后的炉内燃烧及换热状况进行了数值预报。
3.1计算区域与网格生成
图2所示为数值求解区域，将其延伸至尾部烟道，以考察此处烟温的变化。共划分52万个网格，全部采用六面体结构，其中在燃烧器区域速度梯度最大处，即喷口入口处，采用了与射流入射角夹角较小网格生成技术，以减小伪扩散。
3.2计算工况及入口边界条件
计算了卫燃带改造前后的炉内燃烧工况（如表3所示）。两工况下的入口边界相同，仅是卫燃带所在区域的壁面条件设置不同，原始工况下，壁面定义为定温条件，改造工况设定为绝热壁面。
3.3数学模型
采用标准双方程模型来模拟四角切圆燃烧锅炉的炉内气相湍流流动。三维笛卡尔坐标系下控制方程的统一形式如下：
炉内燃烧过程的其它模型分别是：湍流燃烧模型采用概率密度函数法；辐射模型为求解速度较快的P-l模型；颗粒相的模拟采用拉格朗日随机轨道法；煤的热解和燃烧模型分别采用双匹配竞争反应模型和动力扩散模型。
采用SIMPLE算法求解压力与速度的耦合问题。为提高计算精度，动量、湍动能及能量采用二阶迎风格式。
4、结果与分析
4.1炉内燃烧过程总体情况
图4为敷设卫燃带工况下的炉膛纵截面温度场。从中可看出四角切圆燃烧方式的特点，在燃烧器区域存在环状高温区，向着冷灰斗及炉膛出口方向，烟温逐渐降低，至炉膛出口处烟温约1200K。
两个模拟工况的主要差别体现在炉膛温度水平的变化，为此，将沿炉高不同截面的截面平均温度绘于图5。
由图5可知，受敷设卫燃带影响，整个炉内温度水平均有提高，其中燃烧器区域的温度差别较大，在26. 544m标高处温差最大达70℃，而到55. 051m标高温差约15℃。
4.2敷设卫燃带对着火的影响
图5所示燃烧器区域平均温度得到较大的提升，对促进煤粉气流的着火作用明显。再者，本文设计卫燃带的布置方案时，重点在喷口的两侧品字形布置，下层多、上层少，这种布置方法不仅考虑了强化着火，同时也为了尽可能地减轻结渣。如图6所示，在卫燃带区域，最高温度达1600K。
4.3敷设卫燃带对炉内换热的影响
表5为模拟结果中对炉膛各区域水冷壁吸热量的统计�？梢钥闯觯捎诜笊栉廊即笳雎诘奈露人缴仙�，无卫燃带各区段水冷壁的吸热量明显增加，但由于237. 2m2的卫燃带的绝热效果，整个炉内水冷壁的吸热量有所降低，炉膛出口烟温升高，这对总体呈对流特性的再热系统的汽温升高是有帮助的。
4.4敷设卫燃带对燃尽的影响
对各角燃烧器喷口煤粉气流的轨道跟踪表明，原始工况下煤粉气流碳的转化率平均值为92. 3%，敷设卫燃带后达到93.0%，其原因在于敷设卫燃带后，着火条件改善，着火提前，燃尽时间延长，加之炉膛温度水平整体上升，所以燃尽率提高效果显著。
5、现场锅炉改造情况
该炉在随后的大修中进行了卫燃带改造及制粉系统、燃烧系统的调整。大修后运行数据表明，同负荷下再热汽温提高了约10℃，飞灰含碳量约5%左右。再热汽温的升高及燃尽率的提高均比较明显。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料是客户们不错的选择。
6、结论
通过本次数值模拟研究，可以看出本文提出的卫燃带改造方案对解决该锅炉现场存在的问题有显著效果，总结如下：
①敷设卫燃带后，整个炉膛的温度水平明显升高，截面平均温度最高可提高约70℃，这对促进该炉着火稳定和提高燃尽率均有显著效果；
②卫燃带的遮盖减少了炉膛水冷壁的吸热，但由于炉内烟温的升高，水冷壁的总吸热量减少不明显，这是增设卫燃带却没有大幅提升再热汽温的一个原因；
③要想进一步解决该炉现场存在的问题，不能单纯依靠敷设卫燃带的方法，尚需燃烧系统及受热面结构等方面的研究和改造来实现。
