660_MW锅炉炉内温度分布在线计算模型及应用_吴可泽.pdf

第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering14文章编号：1005-006X(2023)04-0014-04660 MW 锅炉炉内温度分布在线计算模型及应用吴可泽1崔科杰1孟川乾2*危日光2竹小锋1胡伯勇3何郁晟3(1.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，3.浙江浙能技术研究院有限公司)摘要：炉内燃烧控制不当会严重影响锅炉安全运行，通过实时的炉内温度分布可对炉内燃烧状态进行预测及控制。沿锅炉高度方向对炉膛进行区段划分，建立炉内温度计算模型，将实时的煤质数据、燃煤量和空气参数等作为模型输入量，实现模型在线计算，得到实时的炉内温度分布。以某 660 MW 锅炉为例选取运行工况，利用在线计算模型进行验证计算，结果表明，模型计算速度较快，计算结果准确性较高。关键词：温度分布；燃烧状态；在线；计算模型中图分类号：TM621.2文献标识码：BOnlineCalculationModelandApplicationofTemperatureDistributionin660MWBoilerWU Ke-ze1,CUI Ke-jie1,MENG Chuan-qian2,et al.(1.Zhejiang Zheneng Lanxi Power Generation Co.,Ltd.,2.North China Electric Power University,3.Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.,Ltd.)Abstract：Improper control of combustion in the furnace can have a serious impact on the safe operation of the boiler,and real-time temperature distribution in the furnace allows prediction and control of the combustion status.The furnacechamber is divided into zones along the height direction of the boiler,and a furnace temperature calculation model isestablished.Real-time coal quality data,coal combustion volume and air parameters are used as model inputs to realizeonline calculation of the model and obtain real-time furnace temperature distribution,and a 660MW boiler as an exampleof selected operating conditions,the use of online calculation model to verify the calculation,the results show that:themodel calculation speed is faster,the calculation results are more accurate.Keywords:temperature distribution;combustion state;online;computational models电站锅炉不仅要满足安全、经济和高效运行的要求，其污染物排放还必须符合严格的环保标准。为了降低电站锅炉燃烧过程中 NOx的排放，电站锅炉普遍采用了分级燃烧技术1，炉膛中燃烧过程分阶段完成，同时由于锅炉燃用煤种多样和电网快速调峰的要求2，造成炉内燃烧状态复杂多变，不能有效地控制炉内燃烧，会造成炉内温度分布不均匀、火焰中心偏斜和火焰刷墙等问题，危及锅炉安全运行34。炉膛内的温度分布可以直接反映炉内燃烧和换热情况，若能在线获取炉膛内温度分布的数据，可为给煤量、风量以及配风等参数的调整与控制提供参考，有利于锅炉安全稳定运行。目前炉内温度可通过测温技术测量和在线计算两种方法得到。其中测温技术分为接触式和非接触式，接触式测温将感温元件直接放置于炉内测温位置进行测量，由于炉内燃烧具有腐蚀性会对感温元件造成一定损坏，因此难以长时间测量；非接触式测温主要是利用声学或光学原理进行测量58，但锅炉运行时噪声大、工作环境恶劣，会对测量结果收稿日期：2022-07-14*通信作者：孟川乾吴可泽(1988-)，男，工程师。浙江金华，321100的精确性产生影响。炉内温度在线计算可基于以下理论计算模型：零维模型、一维模型、二维模型和三维模型9，其中零维模型和二维模型用于大型燃煤锅炉精确性较差，而三维模型计算量大，计算时间较长，对计算机性能要求较高1012。一维模型可得到沿炉膛高度的炉内烟气温度分布，适用于工程实际，一维模型计算方法有学者不断完善、改进1316，计算过程快速、高效，计算结果准确性较高。本文以 660 MW 前后墙对冲燃烧锅炉为研究对象，在炉内温度计算的一维模型基础上，建立炉内温度在线计算模型，并采用 Fortran 语言编程，选取实时运行数据进行计算，为开发在线应用软件奠定基础。1区段划分锅炉结构复杂，主要部件包括：燃烧器、燃尽风喷口及水冷壁等，为建立合适的温度计算模型，需对炉膛进行区段划分。主要考虑以下原则：依据锅炉结构划分区段，考虑主要部件的位置；准确反映发生燃烧反应区域的温度变化；计算模型第 4 期吴可泽等：660 MW 锅炉炉内温度分布在线计算模型及应用15应用于工程实际中，区段划分后要保证模型运算速度快速、高效。根据区段划分原则及锅炉结构特征对本文所研究的炉膛划分区段：冷灰斗 1/2 高度至最下层燃烧器下平面作为一个区段。冷灰斗没有燃料和空气输入，对燃烧器所在区域的温度有较大影响；每层燃烧器所在区域均作为一个单独区段。该区域中燃料燃烧释放热量，炉膛高度方向的温度变化较大，划分区段后体现炉内燃烧状态以及分级燃烧的特点；燃尽风喷口所在区域作为一个区段。燃尽风是为保证未燃尽的燃料完全燃尽，因此该区域会发生燃烧及放热，温度会有所变化；燃尽风之上区域可根据具体尺寸均匀划分区段。具体炉膛区段划分如图 1 所示。图 1炉膛分区段示意图2炉内温度计算模型炉内燃烧、换热过程复杂，包括：燃料燃烧放热、烟气流动携带能量、辐射换热和对流换热等。为合理、有效地进行计算，对计算模型进行如下简化：将炉内燃烧与换热过程分开考虑，燃料进入炉膛后燃烧瞬间完成；炉内对流换热量占总换热量比例很小，在计算时只考虑辐射换热；计算火焰辐射热量时，各区段火焰温度按平均温度计算；考虑燃煤烟气中的主要成分为：飞灰、焦炭和三原子气体，将火焰面看作灰体；炉膛受热面为水冷壁外表面具有固体的连续辐射光谱，可看作灰体。以区段 k 为例，该区段中能量交换情况如图 2所示。根据上述分析可得到炉膛内区段 k 的能量平衡方程：rkqyrfqycfhs+=+Q QQQQQQ(1)式中：Qr燃料燃烧释放热量；Qkq由空气带入的热量；Qyr烟气流入携带的热量；Qyc烟气流出携带的热量；Qfq区段 k-1 向区段 k 辐射的热量；Qfh区段 k 向区段 k+1 辐射的热量；Qs区段 k 受热面吸收的热量。图 2区段 k 能量守恒示意图燃料燃烧释放的热量包括本区段输入燃料和未燃尽燃料两部分，计算公式为：rj,kcr,kar,nethzk-1cr,kar,net4100=-+100-QBQQBQq(2)式中：Bj,k进入区段 k 的燃料量，kg/s，其中k-1k-1j,ii=1BB；q4固体未完全燃烧热损失，%；cr,k燃料在本区段的燃尽程度，其中cr,k=cr,k-cr,k-1；Qar,net燃料的收到基发热量，kJ/kg；Qhz灰渣物理热损失，kJ/kg。烟气携带的热量计算公式为：yckkk=QB C(3)yrk-1k-1 k-1=QB C(4)式中：Ck、Ck-1区段 k 和区段 k-1 中 1 kg 燃料燃烧产物的平均比热容，kJ/(kg)；k、k-1区段 k 和区段 k-1 出口处平均烟气温度，。空气带入的热量主要包括一次风、二次风和漏风三部分，计算公式为：kq1 1 r12 2 r23 3 lf=Qqctqctqct(5)式中：q1一次风流量，kg/s；q2二次风流量，kg/s；q3漏风量，kg/s；tr1一次风温，；tr2二次风温，；tlf漏风温度，；c1、c2和c3对应温度下空气的热容，kJ/(kg)。Qfq、Qfh和 Qs采用辐射换热基本公式计算：4fq0 1,kk-1k-1k-1Qa TF(6)4fh0 1,k PJkkQa TF(7)4s0 1,k PJkkQa TF(8)式中：0斯忒藩-玻尔兹曼常数，取为 5.6710-11kW/(m2K4)；a1,k区段 k 中炉膛的黑度；k、k-1本区段向上辐射放热的热有效系数；k区段 k 中水冷壁的平均热有效系数；Fk、Fk、Fk-116电站系统工程2023 年第 39 卷分别为水冷壁受热面面积、区段 k 和区段 k-1出口处截面积，m2；Tk、Tk-1区段 k 和区段 k-1出口处平均烟气温度，K；TPJ区段 k 中烟气的平均温度，K，其中444k-1kPJ+=2TTT。将式(2)(8)代入式(1)，整理可得区段 k 出口处烟气温度的表达式：j,kcr,kar,nethz4k-1k-1kk-1kkkkk-1cr,kar,net1 1 r122 r23 3 lfkk44k-1k-1k-1PJkkkk01,kkk100-100-=+-BQQqB CB CB CBQq c tq c tq c tB CTFTFFaB C(9)计算模型输入量主要为锅炉结构数据、煤质数据及运行参数。其中锅炉结构数据包括：各区段水冷壁受热面面积、区段出口截面积、炉膛黑度和热有效性系数；煤质数据包括：元素分析、工业分析和燃料发热量；运行参数包括：燃料输入量、风温和风量等。煤质数据和运行参数随锅炉燃用煤种不同及工况调整发生变化，可以采用 DCS 系统的数据和历史数据，实现炉内温度在线计算。整理在线输入量见表 1。表 1计算模型输入量输入量单位燃料输入量 Bjkgs-1燃料的收到基发热量 Qar,netkJkg-1一次风量 q1kgs-1二次风量 q2kgs-1一次风温 tr1二次风温 tr23计算实例选取负荷为 500 MW 的工况进行验证计算，由于锅炉前墙中间层燃烧器为备用燃烧器，在此工况下本层燃烧器为停用状态。锅炉燃用煤种为混煤，煤质数据由每日定时采样分析得到，可选用历史数据，见表 2，运行参数采集于 DCS 系统具体见表 3。表 2煤质数据成分数值Car/%58.31Har/%3.5Oar/%5.0Nar/%1.1Sar/%0.8Aar/%20.09Mar/%11.2Vdaf/%35.4Qnet,ar/kJkg-122197Qhz/kJkg-166.6将煤质数据和运行参数作为计算模型的输入量，计算得到各区段出口处烟温及热负荷结果见表 4。表 3运行参数燃料量/kgs-1一次风量/kgs-1二次风量/kgs-1一、二次风温/区段 226.801.9152.18778/318区段 314.010.9011.64078/318区段 426.591.8672.18778/318区段 5003.516318表 4计算结果项目烟温/辐射受热面热负荷/kWm-2区段 11376.95185.31区段 21476.95230.38区段 31425.35230.16区段 41489.88265.65区段 51448.52240.59区段 61369.90180.68区段 71297.08150.09区段 81185.1811