超临界墙式切圆锅炉低负荷燃烧特性
0 引 言
2022年1月,国家发改委和能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》中指出要全面实施火力发电厂灵活性改造,提高深度调峰能力[1]。为实现国家双碳目标,未来低负荷(30%额定负荷及以下)运行将成为大型燃煤火电机组的运行常态。
目前国内大型煤粉锅炉70%以上采用切圆燃烧方式[2],切圆燃烧主要特点是炉内火焰充满度较好,气粉混合强烈,着火条件好,可形成稳定的燃烧环境,有利于煤粉的稳定燃烧及燃尽[3-5]。按布置方式,切圆燃烧可分为四角切圆和墙式切圆2种。与传统四角切圆燃烧相比,墙式切圆燃烧具有射流刚性强,射流两侧补气条件好,火焰充满度好、热负荷分布均匀、烟温偏差小等优点[6-9]。
近年来,为满足火电机组宽负荷灵活调峰的运行需求,针对锅炉低负荷条件下切圆燃烧特性已开展了相关研究。马达夫等[10]采用数值模拟方法,针对某330 MW切圆燃烧锅炉,研究了90和60 MW低负荷条件下,运行氧量对锅炉燃烧稳定性以及NOx排放特性的影响,指出在低负荷下减少主燃区的辅助风,保持燃尽风不变,有利于锅炉的稳定燃烧和污染物排放控制。关心等[11]研究了某660 MW超临界切圆燃烧锅炉低负荷运行特性,结果表明30%负荷条件下,磨煤机运行方式及燃烧组织方式对锅炉燃烧稳定性及污染物排放特性具有重要影响。钟礼今等[12]采用数值模拟与试验相结合的方法,针对某700 MW切圆燃烧锅炉开展了不同燃烧器投运方式对锅炉燃烧性能影响的相关研究,发现300 MW低负荷运行时投运上层燃烧器可提高锅炉燃烧稳定性。王嘉奇[13]研究发现,降低锅炉一次风量可改善切圆燃烧锅炉在低负荷工况下煤粉气流的着火条件。周凌宇等[14]和孙磊等[15]研究发现通过对燃烧器偏置一定角度,可有效改善低负荷下锅炉燃烧切圆偏大的现象。赵星海等[16]针对某660 MW超临界墙式切圆燃烧煤粉锅炉在30%负荷下无法长时间稳燃的问题开展研究,发现将二次风替换为富氧风可提高炉膛温度近200 K,有利于锅炉低负荷下稳定燃烧。
综上所述,锅炉低负荷下炉内的流动和燃烧特性发生较大变化,对锅炉燃烧的稳定性产生一定影响,然而,目前针对切圆燃烧,尤其是墙式切圆燃烧锅炉在低负荷条件下燃烧组织方式对炉内燃烧特性的相关研究还较少,因此以典型的660 MW超临界墙式切圆燃烧煤粉锅炉为研究对象,系统研究锅炉不同燃烧组织方式对锅炉30%低负荷下燃烧特性的影响,为该类型超临界机组低负荷下运行提供基础与参考。
1 研究对象
研究对象为哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的HG-2210/25.4-YM16型600 MW超临界锅炉。该锅炉为一次再热、超临界压力变压运行、不带再循环泵直流锅炉,锅炉采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置。锅炉宽度19.08 m、深度19.08 m、高度59.60 m,其主要设计参数见表1。锅炉采用中速磨直吹式制粉系统,配6台ZGM113G-Ⅱ型磨煤机,锅炉最大连续运行(BMCR)工况运行时5台磨运行,1台备用。锅炉燃用煤种的煤质特性见表2。
表1 锅炉主要设计参数
Table 1 Main design parameters of the boiler
表2 煤质分析
Table 2 Analysis of the coal properties
注:*由差减法所得。
锅炉采用水平浓淡燃烧器、分级燃烧以及分离燃尽风(SOFA)的低NOx燃烧技术。燃烧器共分3组,如图1所示。其中下2组为主燃烧器,布置于4面墙上,形成墙式切圆;最上组为SOFA燃烧器,布置于主燃烧器区上方水冷壁4个角上,实现分级燃烧以降低NOx排放。SOFA燃烧器出口射流中心线和水冷壁中心线夹角分别为42°和48°,形成四角切圆。为削弱炉膛出口烟气旋转残余,减小炉膛出口烟温偏差,SOFA燃烧器可进行±12°的水平摆动。燃烧器采用大风箱结构,由隔板将大风箱分隔成若干风室,共设6层水平浓淡煤粉喷口,4层分离型SOFA风室。
图1 锅炉燃烧器布置示意
Fig.1 Schematic diagram of the boiler′s burner arrangement
2 数值计算方法
2.1 建模与网格划分
依据锅炉尺寸进行了1∶1建模,并适当简化锅炉结构。模型选取从冷灰斗到炉膛出口做为计算区域,并对计算区域进行网格划分。为提高计算准确性,对主燃烧区和燃尽风区域采用结构化网格进行局部加密处理,减少伪扩散影响。炉膛网格划分如图2所示。研究过程中,进行网格无关性检查后,确定的网格总数约278万个。
图2 锅炉网格划分
Fig.2 Grid division of the boiler
2.2 模型与边界条件
煤粉燃烧是一个复杂的物理、化学反应过程,包括气固两相流动等物理过程和燃烧、传热传质等化学过程。研究过程中,针对煤粉锅炉的非预混燃烧过程,气相湍流流动采用标准k-ε湍流模型,辐射换热模型采用了P-1模型,煤粉颗粒运行采用随机轨道模型,热解采用双平行竞争反应模型,挥发分燃烧采用混合分数-概率密度函数模型,焦炭燃烧采用动力学-扩散反应速率模型,采用SIMPLIC算法对压力-速度耦合进行求解[17-20]。
模拟计算过程将主燃烧器一、二次风喷口和SOFA风喷口设置为速度入口边界条件;炉膛出口采用压力出口边界条件;炉膛壁面及冷灰斗采用无滑移恒温边界条件;模型输入煤质与锅炉的实际燃用煤质保持一致,煤粉颗粒的粒径分布满足Rosin-Rammlar分布,最小粒径10 μm,最大粒径250 μm,平均粒径56 μm,分布指数为1.15。
2.3 模型验证
为验证模型与模拟结果准确性,在相同负荷和配风方式下,对锅炉进行了相关试验与测量,并对比模拟结果。90%和50%负荷时锅炉相关运行参数平均值见表3,90%和50%负荷下炉膛出口参数的试验结果平均值与模拟结果对比见表4。
表3 90%和50%负荷锅炉运行参数(平均值)
Table 3 Boiler operating parameters under 90% load and 50% load(average value)
表4 90%和50%负荷试验结果与模拟结果对比
Table 4 Comparison between test results and simulation results under 90% and 50% load
由表4可知,炉膛出口O2浓度以及飞灰含碳量模拟结果与试验结果相对误差均小于5%,说明研究过程中选择的数值模型及网格划分满足模拟计算研究准确性要求,模拟结果与试验数据产生误差的原因是由于模拟过程中针对炉膛结构进行了适当简化,另一方面考虑到煤粉燃料的复杂性,针对煤粉燃料的粒径及相关反应参数等也做了适当的假设。然而,模拟与试验结果对比表明,本文采用模型可较好模拟炉内的流动及燃烧特性,并可用于后续的锅炉低负荷下燃烧特性研究。
2.4 锅炉低负荷模拟工况参数
为研究锅炉在低负荷下的燃烧组织方式以及燃烧特性,结合锅炉运行条件,针对锅炉30%负荷下燃烧过程开展数值模拟研究,具体参数见表5。
表5 30%负荷下模拟工况参数
Table 3 Simulation conditions under 30% load
30%负荷工况下锅炉不同燃烧组织运行方案见表6。在30%负荷工况下,开启不同的一次风煤粉燃烧器喷口,同时开启对应的二次风喷口,所有工况燃尽风均开启第1层,通过研究不同一、二次风配风方式,分析其对低负荷锅炉燃烧性能的影响。
表6 30%负荷下不同配风工况设置
Table 6 Air distribution conditions under 30% load
3 结果与分析
3.1 速度场分布
炉内良好的空气动力场是低负荷下煤粉着火和稳燃的重要条件。30%负荷时不同工况下炉膛纵截面的速度分布如图3所示,不同配风方式下炉膛速度分布存在差别,其中工况1和工况2炉膛整体速度分布更均匀,有利于保持气流的持续流动以及煤粉的充分混合。图4为不同工况下C层燃烧器水平截面速度分布,可知不同工况下炉内均能形成完整的切圆流场,可使气流充满炉膛,在炉膛中心存在一个低速区域,维持在4 m/s左右;从一次风喷口出来的气流衰减速度较慢,射流刚性合适。对比图4中5种工况切圆流场可知,工况2的切圆大小合适,可使气流充满整个炉膛,有利于保持炉膛内气流的旋转动量,使煤粉与空气的充分混合与燃烧。
图3 不同工况下炉膛纵截面速度分布
Fig.3 Velocity distribution of vertical section of furnace under different working conditions
图4 不同工况下C层水平截面速度分布
Fig.4 Velocity distribution of horizontal section of C layer under different working conditions
3.2 温度场分布
不同工况下炉膛纵截面温度分布情况如图5所示,可知在低负荷条件下炉膛高温区域主要集中在主燃烧器区域。不同工况下,由于运行的一次风煤粉燃烧器不同,温度场分布也存在差异。对比图5可知,工况1、2、4的炉内温度分布更均匀,炉膛中心温度达1 500 K以上,局部温度维持在1 700～1 800 K,煤粉在高温条件下燃烧时间长,燃烧更充分。工况3和5分别开启A、B层和B、C层相邻燃烧器,模拟结果表明高温区域仅聚集在炉膛下部,炉内温度分布不均匀,炉膛中心温度偏低,这不利于炉内煤粉的充分燃烧以及保持低负荷下锅炉主蒸汽参数。
图5 不同工况下炉膛纵截面温度分布
Fig.5 Temperature distribution of longitudinal section offurnace under different working conditions
不同工况下运行的下层煤粉燃烧器水平截面的温度分布如图6所示,工况1、2和4可以较好维持的切圆燃烧,温度场的变化趋势基本一致,煤粉射流在离开燃烧器喷口后可快速着火,到达一定距离后温度最高,最高温度可达1 700 K,这与相关学者的研究结果吻合度较高[21]。工况3和5的切圆燃烧状态较差,最高火焰温度仅1 600 K,且煤粉离开燃烧器喷口后射流刚性明显下降。进一步对比图6中工况1、2和4的温度分布可知,3种工况下形成的切圆燃烧炉膛充满度较好,但工况1炉膛壁面附近火焰温度偏高,存在一定程度的火焰刷墙现象,工况2炉膛的火焰中心温度较工况4高200 K,形成明显的“风包粉”燃烧状态,有利于煤粉稳定燃烧及燃尽。
图6 不同工况下各层燃烧器水平截面温度分布
Fig.6 Temperature distribution of horizontal section of burners under different working conditions
3.3 氧浓度分布
不同工况下炉膛纵截面氧浓度分布情况如图7所示,可知工况2下炉膛主燃烧区域氧浓度相较于工其他工况偏低,且氧浓度分布沿炉膛高度方向分布较均匀,这表明工况2条件下氧量消耗更迅速,煤粉在炉膛燃烧更为充分。
图7 不同工况下炉膛纵截面氧浓度分布
Fig.7 Oxygen concentration distribution of longitudinal section offurnace under different working conditions
不同工况下C层燃烧器水平截面的氧浓度分布如图8所示。从氧气浓度分布来看,沿射流方向,氧气浓度呈逐渐下降趋势,由于煤粉气流到达燃点后与空气发生剧烈的化学反应,使燃烧器喷口附近的氧浓度梯度较大,氧气浓度迅速降低,氧气浓度较低的区域也是温度高的区域,这与温度分布趋势基本一致。对比模拟结果可知,5种工况中工况2的氧浓度下降梯度更明显,表明煤粉在离开喷口后可及时迅速的着火燃烧,同时在炉膛火焰中心处,存在较高氧浓度场,保证煤粉后续稳定燃烧。
图8 不同工况下C层燃烧器水平截面氧浓度分布
Fig.8 Oxygen concentration of horizontal section of C layer under different working conditions
3.4 低负荷稳定燃烧特性分析
30%负荷时不同工况下的烟气平均温度沿炉膛高度的分布情况如图9所示。可知在不同工况下炉内温度变化基本一致,随炉膛高度增加,烟气平均烟温快速升高,在主燃区与燃尽风区域之间达到峰值。此外,由图9可知,工况1、2炉膛整体平均温度相比其他3种工况高,其中工况2更显著,这是因为工况2下通过运行锅炉底层(A层)燃烧器并进行合理配风,使煤粉与空气充分混合和着火,燃烧器底层二次风的开启有效托住了相邻的一次风煤粉气流,保证炉膛火焰不会向下偏移,同时C层燃烧器开启,使炉膛内温度分布更均匀,炉内热负荷分布更加合理,保证低负荷条件下锅炉主蒸汽参数达到设计参数。不同工况下炉膛出口煤粉的燃尽率对比见表7,可知工况2条件下煤粉燃尽程度最高。
图9 不同工况下烟气平均温度沿炉膛高度分布
Fig.9 Average temperature distribution of flue gas along furnace height under different working conditions
表7 30%负荷下炉膛出口燃尽率
Table 7 Furnace outlet burnout rate under 30% load
结合上述模拟得到的不同工况条件下炉内的流场、温度场及氧浓度分布特性可知,工况2条件下炉内形成理想的切圆流场并保持炉膛内气流旋转动量;同时,炉内氧量消耗迅速,煤粉燃烧迅速,形成明显的“风包粉”燃烧状态,这均有利于低负荷下锅炉的稳定燃烧及燃尽。
3.5 锅炉低负荷燃烧性能试验验证
根据上述模拟计算与分析结果,按工况2的燃烧组织与运行策略,针对该锅炉进行了30%低负荷下运行试验与测量,锅炉试验过程参照GB/T 10184—2015《电站锅炉性能试验规程》,其结果见表8。试验结果表明,采用工况2条件下燃烧组织与配风策略,保证30%低负荷条件下锅炉稳定燃烧及各项主蒸汽参数达到运行要求。同时锅炉试验结果表明锅炉实际出口氧气体积分数约为8.10%,出口烟温约1 053 ℃,模拟与试验结果对比见表9,误差均在5%以内。试验结果验证了模拟的低负荷下锅炉燃烧组织方式的合理性,同时表明不同燃烧组织方式对墙式切圆锅炉低负荷下燃烧特性存在显著影响,实际运行时应当充分考虑和制定合理的优化运行方案。
表8 30%负荷锅炉试验参数(平均值)
Table 8 Boiler operating parameters under 30% load(average value)
表9 30%负荷试验结果与模拟结果对比
Table 9 Comparison between test results and simulation results under 30% load
4 结 论
1)在30%负荷下,由于锅炉燃烧器开启层数减少,炉内燃料量和空气量整体减少,须保证炉内形成理想的切圆流场并保持炉内气流旋转动量;同时,应采用合理燃烧组织方式以实现炉内煤粉的迅速着火、燃烧及温度均匀分布。
2)针对研究的660 MW墙式切圆燃烧锅炉,在30%低负荷下,通过开启A、C层一次风喷口及AA、AB、CC层二次风喷口,不仅可以使炉内主燃烧器最高温度维持在1 700 K以上,实现低负荷下锅炉的稳定燃烧,同时也使得炉内热负荷分布更加合理,保证锅炉的安全运行。
3)通过数值模拟与试验验证相结合的方法,获得了墙式切圆燃烧锅炉30%低负荷下合理可行的燃烧组织与运行策略,可为火电机组宽负荷灵活调峰运行提供参考。
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