600MW锅炉旋流燃烧器超低负荷稳燃数值模拟研究_邓海涛.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月在电网调峰力度增大、峰谷差越来越大的形势下，锅炉燃烧应最大限度地做到节约燃油，提高锅炉经济性和安全性，而做好稳燃工作仍是锅炉工作的重点1。李凤瑞等2 从机理上阐述了低负荷稳燃的影响因素，得出锅炉稳燃主要从降低着火热和提高着火供热两方面入手的结论；蒋韶峰等3 进行了相关试验，通过提高煤粉质量浓度增强了燃烧器稳燃的能力。为了保证朝阳燕山湖发电有限公司锅炉在高负荷情况下燃烧不受太大的影响，低负荷下能保持稳定燃烧，需要通过优化燃烧器结构来实现合理的煤粉质量浓度以及配风量，从而提高燃烧器的稳燃能力。目前该燃烧器实现煤粉质量浓度的提升主要依靠一次风的浓缩结构，本文提出主要对燃烧器的浓缩器进行局部优化，在小范围内提升局部的煤粉质量浓度，从而提高燃烧器的稳燃性能；同时针对煤粉气流受管道的影响也会对燃烧器的浓缩产生影响的问题，对煤粉气流的均匀性进行了优化，以期达到合理的浓缩效果。本文主要针对上述思想所提出的结构优化方案进行数值模拟计算。1锅炉概述朝阳燕山湖发电有限公司配置2台哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的6 0 0M W 超临界机组，锅炉型号为H G-1 9 3 0/2 5.4-H M 2。锅炉制粉系统采用中速磨正压直吹冷一次风制粉系统，每炉配7台磨煤机（6台运行，1台备用），煤粉细度R9 0为3 5%。燃烧器布置采用前后墙布置、对冲燃烧的方式，采用7台中速磨煤机，前墙布置4层煤粉燃烧器，后墙布置3层煤粉燃烧器，每层各有5只低N Ox轴向旋流燃烧器，共3 5只燃烧器。在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙及左右侧墙环形布置1层燃尽风燃烧器，前后墙各5只，两侧墙各3只，共1 6只燃尽风燃烧器。锅炉主要参数如表1所示。国家电投朝阳燕山湖发电有限公司燃用煤种为内蒙古白音华煤田二号露天矿褐煤，设计煤质、校核煤质及灰分如表2所示。在实际运行中，2台锅炉已经能够在3 0%B R L（额定工况）负荷以上不投油稳定运行，同时锅炉整体运行良好，汽水参数、N Ox排放和锅炉效率等都处于较为理想的状态，只是锅炉在高负荷情况下部分燃烧器煤粉气流着火较早，煤粉燃烧器喷口存在局部结焦的问题。为了达到2 0%B R L负荷下不投油稳定运行，同时兼顾收稿日期：2022-09-11第一作者简介：邓海涛，1974年生，男，辽宁法库人，高级工程师，主要从事热能动力方面的工作和研究。600 MW 锅炉旋流燃烧器超低负荷稳燃数值模拟研究邓海涛1，雷凯超2，郑立军2，蒲建业2（1.国家电投朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳1 2 2 0 0 0；2.中电投东北能源科技有限公司，辽宁 沈阳1 1 0 1 7 9）摘要：为了实现锅炉在高负荷情况下整体燃烧工况变化不大，整体运行较优化前无大变化，另外在2 0%额定负荷情况下燃烧器能够保证煤粉稳定燃烧的目标，对6 0 0M W锅炉旋流燃烧器提出了优化方案，并开展了数值模拟优化研究。通过结果对比，提出了适当缩小浓缩器内径的最优方案。关键词：锅炉；低负荷；燃烧器；浓缩比中图分类号：T K 2 2 4.1文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 1 5-0 6Numerical Simulation of Swirl Burner for 600 MW Boiler with Ultra-low Load andSteady CombustionDENG Haitao1,LEI Kaichao2,ZHENG Lijun2,PU Jianye2(1.SPIC Chaoyang Yanshanhu Power Generation Co.,Ltd.,Chaoyang 122000,Liaoning,China;2.CPI Northeast EnergyTechnology Co.,Ltd.,Shenyang 110179,Liaoning,China)Abstract:In order to achieve that the overall combustion conditions of the boiler do not change much under high loadconditions,and the overall operation has no major changes compared to before optimization,on the other hand,the burner canensure the stable combustion of pulverized coal under 20%rated load,an optimization scheme was proposed for the swirl burnerof a 600 MW boiler,and numerical simulation optimization research was carried out.By comparing the results,it was proposedthat the inner diameter of the concentrator should be appropriately reduced as the optimal scheme.Key words:boiler;low load;burner;concentration ratio（总第2 1 0期）技术研究1 1 5 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0512 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月锅炉高负荷运行时的状态不受大的影响，需要对原有的燃烧系统进行一定的优化改造。这样做，一方面能够保证锅炉在高负荷情况下整体燃烧工况变化不大，整体运行较优化前无大的变化；另一方面，在2 0%低负荷情况下，燃烧器能够保证煤粉稳定燃烧。为了达到2 0%负荷不投油稳燃的目标，在原有锅炉旋流燃烧器的基础上开展新型宽调节比旋流燃烧器的优化研究。表 1 锅炉设计性能计算数据表2优化方案影响煤粉气流着火的主要因素有高煤粉质量浓度、高温度、高氧浓度梯度三方面，也就是常说的“三高理论”。在实际工程中，当锅炉负荷确定以后，炉内的温度水平基本上已经确定，需要通过优化燃烧器结构来达到合理的煤粉质量浓度以及配风形式，提高燃烧器的低负荷稳燃能力，实现炉内煤粉的稳定燃烧。图1为燃烧器计算模型及截面位置示意图。鉴于该燃烧器在高负荷运行时的表现，为了保证锅炉在高负荷情况下燃烧不受大的影响，此次优化方案拟通过提升煤粉质量浓度的方式来提高燃烧器的稳燃性能，而不对原燃烧器的配风形式即二次风配风方式进行优化，以确保炉内的燃烧动力场分布等不发生大的变化。表 2 煤质及灰分分析本文主要研究燕山湖旋流燃烧器不同结构形式下的两相流分布形式，根据燃烧器设计理论，提出了缩小煤粉浓缩器的尺寸，使分离后的浓相煤粉气流更靠近一次风中心部分，提高燃烧器出口的煤粉质量浓度注：BMCR，Boiler Maximum Continuous Rating，锅炉最大连续蒸发量；THA，TurbineHeatAcceptance，热耗率验收工况。项别负荷工况BMCRBRL100%THA 75%THA过热蒸汽流量/（t h-1）1 9301 8291 6931 239过热蒸汽出口压力/MPa（G）25.4025.2725.1119.71过热蒸汽出口温度/571571571571给水压力/MPa（G）28.8728.3927.7721.75给水温度/281.1277.3272.6254.5再热蒸汽流量/（t h-1）1 6351 5461 4441 075再热蒸汽出口压力/MPa（G）4.264.023.752.78再热蒸汽出口温度/569569569569再热蒸汽进口压力/MPa（G）4.454.203.912.91再热蒸汽进口温度/314.9309.1302.1301.1空气预热器进口烟气温度/152148142126排烟温度（修正前）/152148142126排烟温度（修正后）/146142136120预热器一次风进口温度/26262626预热器二次风进口温度/23232323预热器出口一次风温度/390380366335预热器出口二次风温度/373364353326总燃煤量/（t h-1）385.5368.1344.5263.9锅炉计算效率（按低位发热值）/%92.3992.6392.9493.13过量空气系数1.191.191.191.26项目设计煤种校核煤质元素分析收到基碳（Car）/%40.2535.23收到基氢（Har）/%3.282.69收到基氧（Oar）/%9.748.65收到基氮（Nar）/%0.710.63收到基全硫（St，ar）/%0.430.68工业分析收到基灰分（Aar）/%15.9919.12全水分（Mt）/%29.6033.00空气干燥基水分（Mad）/%14.2015.00干燥无灰基挥发分（Vdaf）/%47.9746.91收到基低位发热量（Qnet，ar）/（kJ kg-1）14 51012 570哈氏可磨系数（HGI）4250灰熔点变形温度（DT）/1 2901 230软化温度（ST）/1 3401 260半球温度（HT）/1 3801 290流动温度（FT）/1 5001 320灰分析二氧化硅（SiO2）/%56.8758.61三氧化二铝（Al2O3）/%27.9322.87三氧化二铁（Fe2O3）/%2.073.01氧化钙（CaO）/%3.736.53氧化镁（MgO）/%1.090.92氧化钾（K2O）/%1.271.29氧化钠（Na2O）/%0.640.49三氧化硫（SO3）/%3.723.89二氧化钛（TiO2）/%0.680.96二氧化锰（MnO2）/%0.0900.061其他/%1.911.369b)计算截面位置图 1 燃烧器计算模型及截面位置示意图a)燃烧器计算模型一次风出口截面燃烧器中截面1 1 6 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月的优化措施。本文将此优化措施进行数值模拟，计算用边界条件如表3、表4所示。表 3 燃烧器边界条件（100%负荷）表 4 煤质数据3计算方法以C F D（C o m p u ta tio n a lF lu idD y n a m ic s，计算流体动力学）为计算依据，采用湍流流动模型、颗粒相输运模型、气相反应模型、辐射换热模型，模拟锅炉炉内详细的湍流流动和煤燃烧、传热过程。3.1湍流模型模拟中采用k-模型模拟锅炉的湍流流动。k-模型对雷诺平均N a v ie r-S to k e s方程（R A N S）中的雷诺应力项uiuj（为密度；ui为速度矢量；uj为速度矢量）采用如下方法进行封闭：t（）+xi（ui）=xj+t()xj+C1k（Gk+C3Gb）-C22k+S，(1)-uiuj=tuixj+ujxi()-23k+tukxk()ij，(2)t=Ck2，(3)式(1)式(3)中，t为时间；为湍流动能耗散率；xi为空间坐标；ui为速度矢量；xj为空间坐标；为湍流黏性；t为湍流涡黏系数；为耗散率对应的普朗特数；C1为经验系数；k为湍流动能；Gk为由于速度梯度引起的应力源项；C3为经验系数；Gb为由于浮力而引起的湍动能的产生项；C2为经验系数；S为定义源项；uj为速度矢量；uk为速度矢量；xk为空间坐标；ij为雷诺应力；C为经验系数。湍流动能k和湍流动能耗散率通过求解其控制方程，获得以下内容：t（k）+xi（kui）=xj+tk()kxj+Gk+Gb-YM+Sk，(4)式(4)中，k为不同方向的雷诺应力；YM为可压湍流中脉动扩张项；Sk为定义源项。k-模型把湍流黏性与湍流动能k和湍动能耗散率相联系，这是最具代表性的，同时也是工程中应用最为广泛的湍流模型。模型中的经验参数采用F lu e n t中默认的模型参数。3.2辐射模型模拟中采用D O模型（D is c re teO rd in a te s，离散