（工程熱物理專(zhuān)業(yè)論文）大容量超超臨界電站鍋爐燃燒特性的數(shù)值模擬研究.pdf

華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 本文采用c f x t a s c f l o w 軟件平臺(tái)對(duì)一臺(tái)1 0 0 0 m w 超超臨界電站鍋爐進(jìn)行了 數(shù)值模擬研究 并對(duì)其基礎(chǔ)工況數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果 分析了過(guò)量空氣系數(shù) 附加風(fēng)率 煤種 鍋爐負(fù)荷 燃燒器投運(yùn)方式 燃盡風(fēng)率和 燃燒器擺角對(duì)鍋爐燃燒特性的影響 討論了在這幾種影響因素下鍋爐污染物排放的 變化情況 最后根據(jù)旋流數(shù)的定義又分析了在各種影響因素下?tīng)t膛內(nèi)部沿高度方向 上的旋流數(shù)變化情況 關(guān)鍵詞 超超i 臨界電站鍋爐 燃燒特性 數(shù)值模擬 a b s t r a c t t h ec f x i a s c f l ows o f t w a r ep l a t f 0 r mw a su s e dt os t u d yal0 0 0 m w u l t r a s u p e r c r i t i c a lu t i l i t y b o i l e r sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h et h e s i s t h e a c c u r a c y o ft h eb a s e l i n ec o n d i t i o nw a sc e r t i 療c a t e db yt h ea c t u a lm e a s u r e m e n t d a t a a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lm o d e l i n gr e s u l t s t h et h e s i sa n a l y z e dt h ei n l p a c to f e x c e s sa i rc o e f n c i e n t a p p e n da i rr a t e c o a ls p e c i e s b o i l e rl o a d t h em o d eo fb u r n e r s p u ti n t os e r v i c e o nf i r ea i rr a t ea n db u r n e rt i l t a n g l e o nt h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c u s s e dt h ec h a n g eo fb o i l e rp o l l u t a n te m i s s i o nu n d e ft h e s e i n f l u e n c ef a c t o r s a tl a s t t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h ec h a n g eo fs w i r 王n u m b e ra l o n g t h es h o r tt r a n s v e r s ei nt h ef h r n a c ew i t ha l lk i n d so fi n f l u e n c ef a c t o r sc h a n g e a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no fs w i r ln u m b e r z h a n gs h u p o e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h uy u d o n g k e yw o r d s u i t r a s u p e r c r i t i c a iu t i i i t yb o i i e r c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 本文采用c f x t a s c f l o w 軟件平臺(tái)對(duì)一臺(tái)1 0 0 0 m w 超超臨界電站鍋爐進(jìn)行了 數(shù)值模擬研究 并對(duì)其基礎(chǔ)工況數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果 分析了過(guò)量空氣系數(shù) 附加風(fēng)率 煤種 鍋爐負(fù)荷 燃燒器投運(yùn)方式 燃盡風(fēng)率和 燃燒器擺角對(duì)鍋爐燃燒特性的影響 討論了在這幾種影響因素下鍋爐污染物排放的 變化情況 最后根據(jù)旋流數(shù)的定義又分析了在各種影響因素下?tīng)t膛內(nèi)部沿高度方向 上的旋流數(shù)變化情況 關(guān)鍵詞 超超i 臨界電站鍋爐 燃燒特性 數(shù)值模擬 a b s t r a c t 1 1 1 ec f x i a s c f l ows o f t w a r e p l a t f 0 r m w a su s e dt o s t u d ya l0 0 0 m w u l t r a s u p e r c r i t i c a lu t i l i t y b o i l e r sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h et h e s i s t h e a c c u r a c yo ft h eb a s e l i n ec o n d i t i o nw a sc e r t i 療c a t e db yt h ea c t u a lm e a s u r e m e n t d a t a a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lm o d e l i n gr e s u l t s t h et h e s i sa n a l y z e dt h ei m p a c to f e x c e s sa i rc o e f n c i e n t a p p e n da i rr a t e c o a ls p e c i e s b o i l e rl o a d t h em o d eo fb u r n e r s p u ti n t os e r v i c e o nf i r ea i rr a t ea n db u r n e rt i l t a n g l e o nt h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c u s s e dt h ec h a n g eo fb o i l e rp o l l u t a n te m i s s i o nu n d e ft h e s e i n f l u e n c ef a c t o r s a tl a s t t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h ec h a n g eo fs w i r 王n u m b e ra l o n g t h es h o r tt r a n s v e r s ei nt h ef u r n a c ew i t ha l lk i n d so fi n f l u e n c ef a c t o r sc h a n g e a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no fs w i r ln u m b e r z h a n gs h u p o e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h uy u d o n g k e yw o r d s u l t r a s u p e r c r i t i c a iu t n i t yb o i i e r c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文主要符號(hào)表 主要符號(hào)表 指前因子 吸收系數(shù) 線性各相異性相位函數(shù)系數(shù) 定壓比熱 堙 k 擴(kuò)散系數(shù) 顆粒直徑 朋 活化能 入射輻射熱量 壁面入射輻射熱量 斯蒂芬 玻爾茲曼常數(shù) 形 m 2 k 4 壁面黑度 湍流動(dòng)能 1 2 s 之 湍流動(dòng)能耗散率 朋2 j 壓力 坦 流體密度 堙 肌3 顆粒密度 堙 小3 顆粒速度 聊 j 雷諾準(zhǔn)則數(shù) 散射系數(shù) 絕對(duì)溫度 k 壁面溫度 k 導(dǎo)熱系數(shù) 沏 流體動(dòng)力粘度 只 s 湍流粘性系數(shù) s 應(yīng)力張量 克羅內(nèi)克函數(shù) 顆粒松弛時(shí)間 s 4 口 c d 辦e g 甌 盯 q 七 f p p 砟 也 以r l 力 以 磊 聲明尸明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學(xué)位論文 大容量超超臨界電站鍋爐燃燒特 性的數(shù)值模擬研究 是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn) 行的研究工作和取得的研究成果 據(jù)本人所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處 外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得華北電力 大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究 所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 期 星塑 三 圣 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán) 保管 并向有關(guān)部門(mén)送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件 學(xué)校可以采用影印 縮印或 其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文 學(xué)校可允許學(xué)位論文被查閱或借閱 學(xué)校 可以學(xué)術(shù)交流為目的 復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文 同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌?媒體上發(fā)表 傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名 毯撾縫 日 期 絲塑 三 z 導(dǎo)師簽名 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 選題背景及意義 第一章緒論 對(duì)于水和水蒸汽而言 壓力超過(guò)臨界壓力2 2 1 2 9 m p a 的狀態(tài)即為超臨界狀態(tài) 水和水蒸氣在臨界壓力2 2 1 2 9 m p a 對(duì)應(yīng)的飽和溫度為3 7 4 1 5 超臨界機(jī)組即指蒸汽 壓力達(dá)到超臨界狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組 關(guān)于超超臨界機(jī)組的劃分 世界上尚未有統(tǒng)一的 規(guī)范 在我國(guó)電力行業(yè) 蒸汽參數(shù)達(dá)到2 7 m p a 5 8 0 6 0 0 以上的高效超臨界機(jī)組 屬于超超臨界機(jī)組 即由于蒸汽壓力和蒸汽溫度提高 機(jī)組熱效率達(dá)到4 3 4 8 或以上 供電煤耗為2 6 0 2 9 0 9 k w h 比同容量的常規(guī)超臨界機(jī)組效率提高5 或更高 且鍋爐和汽輪機(jī)機(jī)組所用鋼材發(fā)生較大變化的機(jī)組 超臨界及超超臨界機(jī)組的最大優(yōu)勢(shì)是能夠大幅度提高循環(huán)熱效率 降低發(fā)電煤 耗 據(jù)統(tǒng)計(jì) 采用超臨界和超超臨界機(jī)組 熱效率比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)組平均水平提高l o 全世界主要的工業(yè)國(guó)家都十分注重發(fā)展超臨界和超超臨界機(jī)組 前蘇聯(lián)境內(nèi)超l 臨界 機(jī)組數(shù)量及總?cè)萘烤邮澜缡孜?目前 日本是世界上超臨界機(jī)組技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家 主要體現(xiàn)在發(fā)電煤耗最低 可實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行 我國(guó)從2 0 世紀(jì)8 0 年代開(kāi)始引進(jìn)超臨界 機(jī)組 上海外高橋電廠2 x 9 0 0 m w 福建后石電廠2 6 0 0 m w 江蘇常熟電廠2 x 6 0 0 m w 等超臨界機(jī)組相繼建成并投入運(yùn)行 現(xiàn)階段我國(guó)超臨界和超超臨界機(jī)組主要 分布在沿海地區(qū)和電力缺口較大的區(qū)域 其中多數(shù)為引進(jìn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品 即采用 與美國(guó)巴布科克 威爾科克斯公司 b w 三井巴布科克公司 m b e l 巴布科克 日立公司 b h k 三菱重工 m h i 阿爾斯通公司 a p i 等合作為主的超臨界 技術(shù) 大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化 隨著耐高溫高壓金屬材料性能水平不斷提高和超臨界鍋爐技術(shù)逐步成熟 超臨 界和超超臨界鍋爐的可靠性與亞臨界鍋爐逐步接近 我國(guó)煤質(zhì)資源比較復(fù)雜 很難 保證機(jī)組燃燒單一品種的煤質(zhì) 新一代超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組充分考慮了鍋爐 對(duì)煤質(zhì)變化的適應(yīng)性問(wèn)題 比如增加爐膛容積 提高爐膛高度 提高燃燒器在低負(fù) 荷的穩(wěn)燃能力等 目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的1 0 0 0 m w 超超臨界鍋爐有浙江玉環(huán)電廠的哈 爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的雙切圓燃燒的鍋爐和山東鄒縣電廠的東方鍋爐廠生產(chǎn)的前后墻 對(duì)沖燃燒的鍋爐i 發(fā)展新一代超超臨界鍋爐還能節(jié)約水資源 是適合中國(guó)潔凈煤燃燒和提高能源 利用率的主要方向 采用超臨界鍋爐 可降低煤耗 減少污染物總量的排放 同時(shí) 通過(guò)采用多級(jí)配風(fēng)的低n o x 燃燒器 實(shí)現(xiàn)在火焰內(nèi)脫氮和爐內(nèi)脫氮 使n o 的排放 進(jìn)一步降低 超超臨界鍋爐的燃燒設(shè)備還可滿足低負(fù)荷不投油穩(wěn)定燃燒和降低燃燒 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 器區(qū)域水冷壁局部熱強(qiáng)度的要求 具體體現(xiàn)在采用小功率旋流式燃燒器對(duì)沖布置或 濃淡新型直流燃燒器四角布置 在大型鍋爐上還采用單爐膛雙切圓的輻射和對(duì)流互 補(bǔ)熱偏差的綜合性技術(shù) 現(xiàn)代電力工業(yè)的發(fā)展對(duì)大容量超超臨界電站鍋爐的經(jīng)濟(jì)性 安全可靠性和污染 物排放提出了更高的要求 需要生產(chǎn)人員及時(shí)了解在不同情況下鍋爐爐內(nèi)燃燒狀 況 如爐內(nèi)火焰刷墻 局部熱負(fù)荷過(guò)高 燃燒惡化導(dǎo)致的污染物排放超標(biāo)等等 而 采用以往搭建小實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方法對(duì)于研究超超臨界鍋爐爐內(nèi)的燃燒狀況和污染物的 生成來(lái)說(shuō)顯得成本大 周期長(zhǎng) 近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 用計(jì)算機(jī)軟件 來(lái)模擬超超臨界鍋爐爐內(nèi)燃燒狀況和污染物的生成已經(jīng)成為可能 本課題通過(guò)使用c f x t a s c f l o w 軟件對(duì)一臺(tái)1 0 0 0 m w 超超臨界雙切圓燃燒方 式的鍋爐進(jìn)行了爐內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬 并對(duì)過(guò)量空氣系數(shù) 附加風(fēng)率 煤種 鍋爐 負(fù)荷 燃燒器投運(yùn)方式 燃盡風(fēng)率和燃燒器擺角等幾個(gè)顯著影響爐內(nèi)燃燒的因素進(jìn) 行了分析 為了考察爐內(nèi)溫度和速度偏差 本課題的最后又討論了不同因素影響下 爐膛內(nèi)不同高度截面上旋流數(shù)的變化情況 爐內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中及 時(shí)了解超超臨界鍋爐爐內(nèi)燃燒的情況以避免燃燒惡化 防止局部熱負(fù)荷過(guò)高和控制 污染物生成具有十分重要的指導(dǎo)意義 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電站鍋爐爐內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬涉及到眾多學(xué)科的知識(shí) 如計(jì)算流體力學(xué) 燃燒 學(xué) 傳熱學(xué) 氣固兩相流 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等等 借助這些學(xué)科和計(jì)算科學(xué)的發(fā)展 利用計(jì)算機(jī)模擬爐內(nèi)的燃燒過(guò)程逐步成為一種強(qiáng)有力的研究手段 七十年代是爐內(nèi) 燃燒模型的發(fā)展與完善階段 有代表性的有g(shù) i b s o n 的化學(xué)模型的提出 s p a l d i n g 的湍 流燃燒模型的提出和g r o w 的氣固兩相流模型的提出 七十年代末到八十年代末九十 年代初 各種燃燒模型開(kāi)始應(yīng)用于爐內(nèi)的模擬 各種模型和計(jì)算方法進(jìn)一步完善 爐 內(nèi)燃燒的模擬也經(jīng)歷了從采用較粗糙網(wǎng)格計(jì)算的冷態(tài)模擬到計(jì)算氣相燃燒的熱態(tài) 模擬和計(jì)算氣固兩相燃燒的熱態(tài)模擬等階段 這一階段中選用的燃燒模型逐步復(fù)雜 化 計(jì)算結(jié)果也開(kāi)始與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 九十年代至今是爐內(nèi)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬 走向成熟的階段 計(jì)算開(kāi)始向?qū)嶋H應(yīng)用靠攏 爐內(nèi)全三維模擬和各種日益成熟的模 型應(yīng)用于計(jì)算當(dāng)中 計(jì)算的結(jié)果開(kāi)始與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較 模擬也開(kāi)始轉(zhuǎn)向具 有更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的爐內(nèi)燃燒 污染物生成 結(jié)渣和飛灰的生成模擬 爐內(nèi)燃燒 過(guò)程的數(shù)值模擬趨于全面和實(shí)用階段 推出了許多專(zhuān)業(yè)的商業(yè)軟件 最具有代表性 的有英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)教授s p a l d i n g 等人開(kāi)發(fā)的p h o e n i c s 軟件 以及其它的如 f l u e n t s t a 卜c d c f x c f x t a s c n o w 等大型軟件i 引 國(guó)內(nèi)對(duì)于爐內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究也取得了很大的進(jìn)展 其中浙江大學(xué)錢(qián) 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 力庚對(duì)3 3 0 m w 對(duì)沖燃燒鍋爐爐內(nèi)的流動(dòng) 傳熱和燃燒過(guò)程及氮氧化物的生成過(guò)程 爐內(nèi)結(jié)渣過(guò)程作了詳細(xì)的數(shù)值研究口兒引 預(yù)報(bào)了氣相速度場(chǎng) 溫度場(chǎng)和氮氧化物濃 度場(chǎng)以及煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡 華北電力大學(xué)的石錦妹采用c f d 軟件對(duì)3 0 0 m w 四角 切圓鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬1 5 兒引 得到了不同工況下流場(chǎng) 溫度場(chǎng)和組分場(chǎng) 并以此 為基礎(chǔ) 分析了燃料型n o x 和熱力型n o 在總n o 中所占的比例 n o 的生成與溫度 場(chǎng)和組分場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 n 0 x 的生成隨負(fù)荷的變化情況以及配置燃盡風(fēng)的分級(jí)燃燒 方式對(duì)降低n o 的有效程度 北京交通大學(xué)的魏國(guó)強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠的一臺(tái)6 0 0 m w 燃 燒器對(duì)沖布置的鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬 7 j 指出了通過(guò)配風(fēng)的優(yōu)化組織可以改善鍋爐 燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)爐內(nèi)的燃燒特性 華北電力大學(xué)的張江平對(duì)3 0 0 m w 的w 型火焰鍋爐 模擬了在不同負(fù)荷工況下的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng) 溫度場(chǎng) 組分場(chǎng)以及改變內(nèi)外二次風(fēng) 的爐內(nèi)燃燒情況 8 9 1 得到了在4 0 負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性最差 在8 0 負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性較滿負(fù) 荷變化不大的結(jié)論 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的申春梅應(yīng)用p h o e n i c s 軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠的 1 0 0 0 m w 超超臨界電站鍋爐爐內(nèi)燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬研究 研究了不同燃燒器投運(yùn) 方式和配風(fēng)方式對(duì)爐內(nèi)燃燒過(guò)程的影響 l o 1 1j 目前國(guó)內(nèi)關(guān)于影響超超臨界鍋爐爐內(nèi) 燃燒因素的研究不是很多 還沒(méi)有對(duì)諸如過(guò)量空氣系數(shù) 附加風(fēng) 煤種 附加風(fēng) 負(fù)荷 燃燒器擺角和燃盡風(fēng)率等這些因素的變化對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響的研究 開(kāi)展對(duì) 這些影響因素的研究 對(duì)于超超臨界鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 降低煤耗 減少污染物排 放具有十分重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義 1 3 本課題研究的主要內(nèi)容 本課題針對(duì)以上介紹的研究影響超超臨界鍋爐燃燒因素的問(wèn)題 根據(jù)模擬對(duì)象 鍋爐的結(jié)構(gòu)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù) 建立了爐膛的三維結(jié)構(gòu)框架 劃分網(wǎng)格 設(shè)置邊界條件 對(duì)爐膛內(nèi)的流場(chǎng) 溫度場(chǎng) 組分場(chǎng)和顆粒分布進(jìn)行了數(shù)值模擬 并 將基礎(chǔ)工況的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 提出了其他需要研究的工況 分別對(duì)在變過(guò)量空氣系數(shù) 變附加風(fēng)率 變負(fù)荷 變?nèi)紵魍哆\(yùn)方式 變煤種 變?nèi)紵鲾[角和變?nèi)急M風(fēng)率七種情況下鍋爐的燃燒狀況進(jìn)行了模擬 分析了沿爐膛 高度方向上的流場(chǎng) 溫度場(chǎng)和各組分場(chǎng)的分布 分析了各種情況下?tīng)t膛出口參數(shù)的 變化 其中在討論變?nèi)紵魍哆\(yùn)方式時(shí)討論了在5 0 最大負(fù)荷 7 5 最大負(fù)荷和額 定負(fù)荷三種負(fù)荷下的變?nèi)紵魍哆\(yùn)方式對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響 論文的最后還討論了在變過(guò)量空氣系數(shù) 變負(fù)荷 變?nèi)紵魍哆\(yùn)方式 變煤種 情況下沿爐膛高度方向上爐膛內(nèi)旋流數(shù)的變化 這對(duì)于減少爐膛出口熱偏差 防止 過(guò)熱器爆管是有實(shí)際意義的 3 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章電站鍋爐爐內(nèi)燃燒數(shù)值計(jì)算模型 燃燒過(guò)程包含著流動(dòng) 傳熱 傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間的相互作用 實(shí) 際燃燒過(guò)程中伴隨的流動(dòng)幾乎全部是湍流過(guò)程 長(zhǎng)期以來(lái) 人們認(rèn)識(shí)燃燒過(guò)程的 主要途徑是實(shí)驗(yàn)研究 燃燒學(xué)基本上是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué) 燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬是近 3 0 多年來(lái) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 在燃燒理論 流體力學(xué) 化學(xué)動(dòng)力學(xué) 傳熱 學(xué) 數(shù)值計(jì)算方法及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 它以計(jì)算機(jī)為橋梁 把燃燒 理論 實(shí)驗(yàn) 和燃燒設(shè)備的研制三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái) 對(duì)燃燒學(xué)的發(fā)展具有重要 的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義 用數(shù)值方法對(duì)電站大型燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬 需建立湍流模 型 氣固兩相流模型 煤的揮發(fā)物熱解和燃燒模型 焦炭顆粒燃燒模型 輻射模 型以及污染物生成模型方程 在一定邊界條件下上述方程的數(shù)值求解即為爐內(nèi)過(guò) 程全模擬數(shù)值計(jì)算 1 2 1 本章介紹在進(jìn)行爐內(nèi)燃燒數(shù)值計(jì)算時(shí)所選用的數(shù)學(xué)模型 2 1 湍流基本守恒方程組 電站鍋爐爐內(nèi)燃燒是一種帶有煤粉劇烈放熱化學(xué)反應(yīng)的三維湍流兩相流動(dòng)現(xiàn) 象 它包含著流動(dòng) 傳熱 傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間的相互作用 湍流是隨機(jī) 的 脈動(dòng)的 高度復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)三維流動(dòng) 在湍流中流體的各種物理參數(shù) 如速度 壓力 溫度等均隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)的變化 盡管如此 湍流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律仍遵守 n s 方程 對(duì)于所有包含傳熱的湍流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算 都需要求解連續(xù)性方程 動(dòng)量守恒 方程 能量守恒方程 各控制方程的一般形式描述如下 連續(xù)性方程 其中s 為源項(xiàng) 動(dòng)量守恒方程 害 曇婦 s a ta c v 2 1 刁 2 s 蠔 一 0 叢h 昭 一 4 打麗 印一釓 一 1 1 b 一 a 一缸 肛 a 一西 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中p 是靜壓 昭 為考慮浮力影響的重力項(xiàng) 右端最后三項(xiàng)為相間相互作用 力的源項(xiàng) o 是應(yīng)力張量 如下所示 能量守恒方程 等 考 詈 考屯 2 3 曇江川 毒b 一丁 毒 五考 w q 仇q 嵋船 c 2 川 其中五是有效導(dǎo)熱系數(shù) c p 弼為單位體積中流體相與顆粒相的由于變質(zhì)量所 造成的能量源 g 為流體輻射熱 m 為流體相中s 組分反應(yīng)率 m q 為流體相單 位體積中反應(yīng)放熱 狀態(tài)方程 p 2 p 仃 2 2 湍流模型 2 5 目前 爐內(nèi)流動(dòng)模擬應(yīng)用最多的是尺一占雙方程模型 本文對(duì)湍流的模擬也應(yīng) 用此模型 k 一占雙方程模型中k 方程 2 6 和s 方程 2 7 2 6 拿 二 竺 2 v 材 篁些 三p 魚(yú) 墮墮一型絲蔦如墮墮墮 a j a x jj 融j 融j 瓠k瓠j l a x j 融jx ip 融k 瓠k j a c t 瓠ka x j 一2 v 塑 墮墮 墮墮 一2 v z 盟盟 瓠k 瓠j 瓠ja x j 瓠i 瓠k 瓠j 瓠k 瓠j 2 7 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 本文對(duì)于壁面采用壁面函數(shù)法處理 k 一占雙方程模型稱(chēng)為高r e 數(shù)模型 適 用于離開(kāi)壁面一定距離的湍流區(qū)域 而在與壁面相鄰接的粘性支層中 湍流r e 數(shù)很低 這里必須考慮分子粘性的影響 此時(shí) k 占方程亦要作相應(yīng)修改 壁面函數(shù)法在近壁區(qū)不求解均流場(chǎng)或湍流量的偏微分方程 因此也就不需要 在近壁區(qū)布置精細(xì)網(wǎng)格 壁面函數(shù)的功能是提供近壁網(wǎng)格內(nèi)平行于壁面的速度分 量與壁面應(yīng)力的關(guān)系 近壁網(wǎng)格內(nèi)溫度與壁面溫度差同壁面熱流通量的關(guān)系 近 壁網(wǎng)格內(nèi)湍流功能的產(chǎn)生率和耗散率等等i l3 1 這種方法能節(jié)省內(nèi)存與計(jì)算時(shí)間 而且結(jié)果較好 故在工程湍流計(jì)算中應(yīng)用較廣 2 3 氣固兩相流模型 爐內(nèi)過(guò)程涉及到煤粉顆粒和氣體的兩相流動(dòng) 煤粉的運(yùn)動(dòng)和彌散對(duì)燃燒過(guò)程影 響很大 如煤粉所接受的輻射能 煤粉在氣流中的溫度 氣體中的含氧量 揮發(fā)分 的釋放 對(duì)煤粉氣流的著火燃燒及焦炭燃燒過(guò)程起決定性的作用 因此準(zhǔn)確的爐內(nèi) 模擬 必須建立準(zhǔn)確的氣固兩相流模型 目前常用的方法主要分為兩大類(lèi) 用歐拉 方法描述的連續(xù)介質(zhì)模型和用拉格朗日方法描述的顆粒軌道模型 本文采用拉格朗日隨機(jī)顆粒軌道模型 顆粒軌道模型易于模擬有蒸發(fā) 揮發(fā) 及異相反應(yīng)的顆粒的經(jīng)歷 在顆粒相預(yù)報(bào)中無(wú)數(shù)值擴(kuò)散 因此 該模型是迄今為 止在湍流兩相流動(dòng)與燃燒模擬中應(yīng)用最廣泛的模型 顆粒軌道模型通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆 粒的軌道 顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式 j 方向 為 魯 b 掣 c 2 8 瓦甲 為況侔j l 丑迷廈 咋刀顆租逯發(fā) 為況停明刀袖發(fā) p 為 侃俸巒發(fā) 辟為 顆粒密度 以為顆粒直徑 b 也 為顆粒的單位質(zhì)量曳力 只為附加質(zhì)量力 其中 b h 卷等h 2 9 e 三寺抄材川 p 聊 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 在式 2 9 中 尼為相對(duì)雷諾數(shù) 顆粒雷諾數(shù) g 為曳力系數(shù) 計(jì)算公式如下 c d 罷0 0 t 5 礦7 俅 s o o 2 1 1 c p2 等陽(yáng) l o 2 1 2 在拉格朗日坐標(biāo)系下 顆粒瞬時(shí)的動(dòng)量方程為 冊(cè) 車(chē) f 冊(cè)p 言 u 2 1 3 式中 巧 f 分別為顆粒的質(zhì)量 速度 運(yùn)動(dòng)時(shí)間及所受到的力 忽略 顆粒的浮力 壓力梯度力以及虛假質(zhì)量力的作用等 顆粒質(zhì)量的動(dòng)量方程為 等 吉 如 飛 國(guó) 下p 魯 吉 一 一g 破 f pl p 誓 丟 一 mfp p 2 一1 4 其中r p 為顆粒松弛時(shí)間 w 是氣相的脈動(dòng)速度 這里假定氣相湍流流 場(chǎng)是局部均勻和各向同性的 當(dāng)顆粒位于某個(gè)湍流旋渦時(shí) w 取為 7 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 5 式中廳 蘆為氣相湍流脈動(dòng)速度的平均平方根值 f 為符合高斯分 布的隨機(jī)數(shù) 七為氣相湍流動(dòng)能 顆粒的軌跡方程為 p p 魂 y p p 西 z p 出 2 1 6 2 4 煤粉顆粒燃燒模型 由于煤本身組成及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 煤的燃燒反應(yīng)過(guò)程很復(fù)雜 不過(guò)一般可以 分為三個(gè)部分 第一 煤中的水分蒸發(fā)過(guò)程 第二 煤在高溫下發(fā)生熱解反應(yīng) 產(chǎn)生揮發(fā)分和焦炭 第三 揮發(fā)分的氣相反應(yīng)及焦炭與氧化劑的非均相反應(yīng) 煤 的熱解模型 揮發(fā)分燃燒模型和焦炭燃燒反應(yīng)模型是我們?cè)谶M(jìn)行模擬過(guò)程中需要 考慮選擇的 2 4 1 熱解模型 由于煤的物理及化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 其熱解揮發(fā)也是極其復(fù)雜的過(guò)程 在試驗(yàn)的 基礎(chǔ)上 科研工作者建立了不同的熱解模型 l o o k w o o d 和加拿大的s m 鼬z v i 把 他們分為以下幾類(lèi) 1 4 l 定揮發(fā)速率模型 單反應(yīng)模型 雙競(jìng)爭(zhēng)熱解模型和多步平 行反應(yīng)模型 本文采用單反應(yīng)模型來(lái)模擬揮發(fā)分的析出 因?yàn)樵跀?shù)值爐內(nèi)燃燒模 擬過(guò)程中不必深入探究熱解的細(xì)節(jié) 只要求結(jié)果的準(zhǔn)確性 該模型假設(shè)揮發(fā)分析 出是一級(jí)反應(yīng)過(guò)程 反應(yīng)速率與煤中剩下的揮發(fā)分含量成正比 譬 七以一v 講 8 2 1 7 鉻妊 引 喻 啦 喻 廣 1 哲 吖 哲 v 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 式中 v 是每單位質(zhì)量原煤在時(shí)間f 內(nèi)所放出的揮發(fā)分質(zhì)量 七為與阿累尼烏斯定 律形式相同的速度常數(shù) 膏 彳p 一伍7 異 彳為指前因子 e 為活化能 v 為 趨于 無(wú)窮時(shí)的礦值 即最大揮發(fā)分釋放量 2 4 2 揮發(fā)分燃燒模型 由于煤中的揮發(fā)分在達(dá)到一定的溫度揮發(fā)出來(lái)之后才與氧氣發(fā)生反應(yīng) 所以 揮發(fā)分的燃燒屬于非預(yù)混燃燒 c f x t a s c n o w 中使用了渦團(tuán)耗散模型 e d m 其基本思想是 當(dāng)氣流渦團(tuán)因耗散而變小時(shí) 分子之間碰撞機(jī)會(huì)增多 反應(yīng)才容 易進(jìn)行并迅速完成 故化學(xué)反應(yīng)速率在很大程度上受紊流的影響 而且反應(yīng)速率 還取決于渦團(tuán)中包含燃料 氧化劑和產(chǎn)物中濃度值最小的一個(gè) 該模型在模擬火 焰反應(yīng)的計(jì)算流體力學(xué)模型中得到了發(fā)展 其簡(jiǎn)單實(shí)用且在預(yù)測(cè)反應(yīng)流方面表現(xiàn) 優(yōu)異 所以該模型在工業(yè)火焰預(yù)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用 i 引 e d m 假設(shè)反應(yīng)可以通過(guò)單反應(yīng)形式描述 2 1 8 單反應(yīng)方程描述了最簡(jiǎn)單的反應(yīng)過(guò)程 其對(duì)于火焰中的熱量生成是有作用的 但對(duì)階梯式火焰的模擬 火焰的生成 不完全燃燒和熄滅作用不大 為了解決這 些問(wèn)題 在c f x t a s c f l o w 中發(fā)展了多步渦團(tuán)耗散模型 以描述更多的火焰細(xì)節(jié) 包括了多步反應(yīng)模型和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的控制 多反應(yīng)形式如下 p 厶 氣餓池毗一五 1 兀 胛幽c l i 1 一石 1 胛幽甜2 i 2 1 9 式中 珞是第七種反應(yīng)物的物質(zhì)的量 五是生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 反應(yīng)率由動(dòng)力學(xué)性質(zhì)或物質(zhì)的混合控制 這兩個(gè)過(guò)程對(duì)于反應(yīng)的發(fā)生和反應(yīng)的整 個(gè)過(guò)程都是最本質(zhì)的 多步渦團(tuán)耗散模型的混合率源于e d m 模型 其表達(dá)式如下 r 砌 一k 夕妻疵p 專(zhuān) 專(zhuān) 2 2 0 式中 弓是揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 藝是氧化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 是產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 如 是模型常數(shù) 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)力學(xué)率由a r r h e n i u s 定律表示 如下 r 加 一4 丁 c 口 c 6 r 小r j f 丘1 2 2 1 式中 4 為指前因子 為溫度指數(shù) g 為各種反應(yīng)物的濃度 島反應(yīng)物的活化 溫度 反應(yīng)率通常由混合率和動(dòng)力學(xué)率的最小值決定 即 也 m i n 墨 嘲 r 脅 2 4 3 焦炭燃燒模型 2 2 2 煤析出揮發(fā)分后剩下固體物質(zhì)是焦炭 焦碳在氣相氧化劑中燃燒屬于氣固非 均相燃燒 燃燒可能發(fā)生在碳粒的外部表面上 也可能發(fā)生在碳內(nèi)部的氣孔表面 處 在這種非均相反應(yīng)中一般作如下假定 炭顆粒是處于無(wú)限大氣流中的炭球 氣相反應(yīng)物首先向顆粒表面或氣孔內(nèi)擴(kuò)散 進(jìn)而被固體表面吸附發(fā)生反應(yīng) 氣相 生成物從顆粒表面解吸 離開(kāi)固體表面向外擴(kuò)散 控制整個(gè)反應(yīng)速率的可以是化 學(xué)的吸附 反應(yīng)和解吸作用 也可以是反應(yīng)物 生成物的擴(kuò)散作用 因此炭的非 均相反應(yīng)速率是化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素和擴(kuò)散作用聯(lián)合控制的結(jié)果 本文采用焦炭燃燒的擴(kuò)散動(dòng)力模型 認(rèn)為焦炭的燃燒速率尺 同時(shí)受到氧擴(kuò)散 到焦炭表面的速率和化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力速率這兩方面的控制f l 們 可表示為 疋 掣 心 d 3 式中 p p 為氧氣的分壓 為直徑 t 和髟分別為擴(kuò)散系數(shù)和動(dòng)力系數(shù) 可表示為 2 2 4 2 2 5 絲p 概等m 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 式中 s 為s h e r w 0 0 d 數(shù) 取為2 o 為氧氣的擴(kuò)散系數(shù) m 為碳的摩爾 質(zhì)量 尺為通用氣體常數(shù) 2 5 輻射模型 電站鍋爐爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物以輻射為主 對(duì)流為輔的傳熱方式將熱量傳遞給爐膛 受熱面中的工質(zhì) 因此大型電站鍋爐爐內(nèi)過(guò)程數(shù)值模擬需要對(duì)輻射傳熱過(guò)程進(jìn)行 合理準(zhǔn)確的模擬 但是由于爐膛的邊界形狀很復(fù)雜而且燃燒產(chǎn)物具有不同的吸收 發(fā)射和散射特性 很難得到精確的結(jié)果 目前針對(duì)不同的適用條件 已發(fā)展了很 多輻射換熱的計(jì)算模型 i7 1 其中比較典型有p 1 模型 其是最簡(jiǎn)單的一種球諧函 數(shù)法 比較適合求解煤粉爐中的燃燒 國(guó)內(nèi)外的研究者在模擬煤粉爐燃燒時(shí)多用 此模型 1 引 c f x t a s c f l o w 中所選的模型是g i b b s 輻射擴(kuò)散模型 對(duì)于輻射熱流采用 下式表示 鏟一面南面v g 2 2 6 其中 口為吸收系數(shù) 仃 為散射系數(shù) g 為入射輻射 c 為線性各相異性相位函 數(shù)系數(shù) 引入g 的輸運(yùn)方程 v r v g 一硒 4 伽叮4 其中 伊為斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù) 為用戶(hù)定義的輻射源相 合并以上兩式可得到如下方程 一v 窖 口g 一4 口a f 4 2 2 7 2 2 8 一v 留 的表達(dá)式可以直接帶入能量方程 從而得到由于輻射所引起的熱量源 當(dāng) 模型中包含有顆粒分散相時(shí) 可以在模型中考慮顆粒的影響 對(duì)于包含有吸收 發(fā) 射 散射性質(zhì)顆粒的具有吸收 發(fā)射 散射的灰體介質(zhì) 入射輻射g 的輸運(yùn)方程為 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 v m 4 萬(wàn) 口等 計(jì)g 塢 g 2 2 9 其中 乜為顆粒的等效輻射 口 為顆粒的等效吸收系數(shù) 對(duì)于各向同性介質(zhì) r 一南 輻射熱流量吼的壁面邊界條件為 2 3 0 4 腮 墮一 1 一九 g g w 一 矗r 2 3 1 其中 為壁面黑度 l 為壁面溫度 g 為壁面入射輻射 如果假定壁面為擴(kuò)散灰體表面 則幾 l 一占 上式可以表示為 g 卅一甌 2 3 2 此方程用來(lái)計(jì)算能量方程中的g 以及輻射方程的邊界條件 2 6 氮氧化物反應(yīng)模型 在燃煤電廠排放的大氣污染物中 氮氧化物因其對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染危害極大 且難以處理 因此 是重點(diǎn)控制排放的污染物之一 n o x 的生成方式主要有三種 1 9 l 2 0 1 熱力型n o x 它是助燃空氣中的n 2 在高溫 下氧化而生成的氮氧化物 其生成機(jī)理最先由原蘇聯(lián)科學(xué)家z e i d o v i c h 等 2 i 提出 的 燃料型n o 系指燃料中的有機(jī)氮化合物在燃燒過(guò)程中氧化生成的氮氧化物 快速型n o 指氮氧化物系燃料在燃燒時(shí)分解所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物和n 2 反應(yīng)生成的 氮氧化物 上述三種氮氧化物的組成隨燃料含氮量不同而有差別 對(duì)于燃煤 通 1 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 常燃料型n o 占7 0 8 5 熱力型n o 占1 5 2 5 其余為少量的快速型n o x 2 2 1 在爐內(nèi)燃燒過(guò)程中生成的n o x 主要為n o 因此在數(shù)值計(jì)算中只考慮n o 的 生成 本文計(jì)算采用的n o 反應(yīng)機(jī)理如圖2 1 所示 在反應(yīng)過(guò)程中不僅存在著n o 的 生成 同時(shí)也存在n o 的還原反應(yīng) 其中反應(yīng)l 2 為燃料n 的釋放反應(yīng) 3 4 5 為n o 的生成反應(yīng) 6 7 8 為n o 的還原反應(yīng) 燃料型n o 是由燃料n 生成的 但在n o 生成之前首先生成n o 的兩種中間 體h c n 和nh i 燃料n 在煤顆粒升溫?zé)峤膺^(guò)程中 一部分成為揮發(fā)分n 隨揮發(fā) 分釋放 直接生成h c n 反應(yīng)1 一部分成為焦碳n 隨煤焦燃燒釋放 直接生 成n h i 反應(yīng)2 h c n 氧化生成n h i 反應(yīng)3 n h i 被氧化生成n o 反應(yīng)4 n 2 在高溫下可直接氧化為熱力型n o 反應(yīng)5 已生成的n o 可通過(guò)反應(yīng)6 7 8 分別與c h i n h i 和煤焦反應(yīng) 被還原成為n 2 燃料n h c n 圖2 一ln o 反應(yīng)機(jī)理 需要指出的是 由于n o 生成與分解反應(yīng)的復(fù)雜性 目前在燃燒過(guò)程數(shù)值模 擬n o 的生成特性時(shí) 基本上都是采用所謂的后處理方法 即認(rèn)為其化學(xué)反應(yīng)耗 氧 生成熱及氣相參數(shù)不能影響主燃燒反應(yīng) 采用后處理方法所求得的n o 生成 特性基本上滿足工程需要 所以至今仍然以這種方法為主 本文亦采用后處理的 方法對(duì)n o 的生成特性進(jìn)行模擬 2 7 本章小結(jié) 大型電站鍋爐爐內(nèi)燃燒是一種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 包含氣固兩相流動(dòng) 煤 熱解 揮發(fā)分燃燒 焦炭燃燒 輻射 氮氧化物的生成等 為保證良好的計(jì)算精 度 在用數(shù)值方法對(duì)爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)應(yīng)選擇合適的計(jì)算模型 本文采用 1 3 屯 舊h r b呲kr 一 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 標(biāo)準(zhǔn)k 一占雙方程模型作為湍流模型 對(duì)湍流近壁面的處理采用壁面函數(shù)法 氣固 兩相流動(dòng)采用拉格朗同流動(dòng)模型 采用單反應(yīng)模型作為原煤熱解反應(yīng)模型 采用 多步渦團(tuán)耗散模型模擬揮發(fā)分燃燒 采用焦炭燃燒的擴(kuò)散動(dòng)力模型 輻射模型采 用輻射擴(kuò)散模型 用后處理的方式處理燃燒過(guò)程的n o 生成 應(yīng)用 c f x t a s c f l o w 軟件平臺(tái)對(duì)離散方程進(jìn)行迭代求解 1 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章鍋爐概述及數(shù)值模擬各工況介紹 3 1 鍋爐概述 本文模擬的鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)三菱重工業(yè)株式會(huì)社技 術(shù)設(shè)計(jì)的采用n 型布置 單爐膛 低n o p m 型燃燒器和m a c t 型低n o x 分級(jí)送風(fēng)燃 燒系統(tǒng) 反向雙切圓燃燒方式的超超臨界直流鍋爐 過(guò)熱器調(diào)溫方式采用煤 水比和 三級(jí)噴水 再熱器調(diào)溫方式主要采用煙氣分配擋板 并輔以燃燒器擺動(dòng) 設(shè)計(jì)煤種 為神府東勝煤 2 3 2 4 1 3 1 1 鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 該鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸的深 高 寬 x y z 分別為1 5 6 7 0m m 6 6 6 0 0 m m x3 4 2 2 0m m 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3 1 所示 燃煤特性如表3 2 所示 鍋爐簡(jiǎn) 圖如圖3 1 所示 為了保證良好的燃盡 低負(fù)荷穩(wěn)燃 低氮氧化物排放 防止結(jié) 渣和高溫腐蝕以及良好的煤種適用性等原則 該鍋爐的采用了p m 型濃淡煤粉燃 燒器和附加風(fēng)反切的雙切圓燃燒技術(shù) 表3 1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù) 項(xiàng)目 單位 b m c rb f u l7 5 b m c r 過(guò)熱蒸汽流量 t i l2 9 5 32 8 0 72 2 1 4 過(guò)熱蒸汽壓力 咿a2 7 4 62 7 3 32 2 2 過(guò)熱蒸汽溫度 6 0 56 0 56 0 5 再熱蒸汽流量 t l l2 4 4 62 3 1 6 1 8 7 3 再熱蒸汽壓力 進(jìn)口 出口 m 口a 6 1 4 5 9 45 8l 5 6 24 1 4 4 5 6 再熱蒸汽溫度 進(jìn)口 出口 3 7 7 6 0 33 6 6 6 0 33 6 5 6 0 3 省煤器入口溫度 2 9 82 9 42 8 0 預(yù)熱器進(jìn) 出口一次風(fēng)溫 2 9 3 0 92 9 3 0 52 9 2 9 3 預(yù)熱器進(jìn) 出口二次風(fēng)溫 2 3 3 2 42 3 3 1 92 3 3 0 5 排煙溫度 未修正 修正 1 2 9 4 1 2 51 2 7 1 2 21 1 8 1 1 4 3 1 2 燃燒系統(tǒng)工作原理 采用了m h i 反向雙切圓燃燒方式 它具有爐內(nèi)煙氣溫度場(chǎng)和熱負(fù)荷分配較為均 勻 單只燃燒器熱功率較小的優(yōu)點(diǎn) 雙切圓燃燒爐膛相當(dāng)于二個(gè)尺寸較小的單切園 1 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 爐膛 對(duì)保證直流燃燒器的火焰穿透能力和改進(jìn)燃燒組織均是非常有利的 2 5 l 2 6 1 采用m h i 的p m 型燃燒器 風(fēng)粉混合物通過(guò)入口分離器分成濃淡二股分別通過(guò)濃 相和淡相二只噴嘴進(jìn)入爐膛 濃相煤粉濃度高 所需著火熱量少 利于著火和穩(wěn)燃 由淡相補(bǔ)充后期所需的空氣 利于煤粉的燃盡 同時(shí)濃淡燃燒均偏離了n o 生成量 高的化學(xué)當(dāng)量燃燒區(qū) 大大降低了n o 生成量 與傳統(tǒng)的切向燃燒器相比 n o x 生 成量可顯著降低 由于p m 燃燒器將每層煤粉噴嘴分開(kāi)成上下二組 增加了燃燒器區(qū) 域高度 降低了燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷 還有利于防止高熱負(fù)荷區(qū)結(jié)焦 燃燒方式 是無(wú)分隔墻的八角反雙切圓燃燒方式 一個(gè)角設(shè)六層一次風(fēng)噴口 三層油風(fēng)室 一 層燃盡風(fēng)室 十層輔助風(fēng)室和四層附加風(fēng)室 表3 2 燃用煤質(zhì)特性 c h r o r n s a m m d v d q 一 k j k g 6 1 8 83 4 0l o 7 80 8 0o 4 49 1 01 3 63 6 83 4 0 82 3 4 7 0 圖3 1 鍋爐縱剖面簡(jiǎn)圖 采用m a c t 燃燒系統(tǒng) 整個(gè)爐膛沿高度分成三個(gè)燃燒區(qū)域 即下部為主燃區(qū) 中部為還原區(qū) 上部為燃盡區(qū) 在主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)小于1 為缺氧燃燒的還原 性氣氛 由于燃料不能完全燃燒 火焰溫度比較低 因而溫度型n o x 的生成量比較 少 同時(shí)燃料型n o 的生成量也比較小 在主燃區(qū)上方設(shè)置o f a 供風(fēng) 使主燃區(qū)產(chǎn) 生的碳?xì)浠衔锉换罨?在o f a 上部留有足夠的空間使主燃區(qū)生成的n o 在此區(qū)域 由于缺氧而被還原成n 2 在二次風(fēng)o f a 噴口上部再設(shè)a a 風(fēng) 附加風(fēng) 噴嘴實(shí)現(xiàn)分級(jí) 燃燒 使得在燃盡區(qū)內(nèi)的未燃物與a a 風(fēng)混合后被充分燃燒 在此區(qū)域因?yàn)闋t膛水冷 壁和大屏的冷卻作用 火焰溫度已經(jīng)降低 所以雖然過(guò)量空氣系數(shù)大于l 火焰中 有剩余的氧存在 但因?yàn)闇囟鹊?燃料型和溫度型n o 的生成量都大幅降低1 2 7 1 將 1 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 a a 風(fēng)進(jìn)一步細(xì)分成多層還可以促進(jìn)未燃物與空氣均勻混合 提高燃燒效率 提高附 加風(fēng)的調(diào)節(jié)性能 制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式系統(tǒng) 每爐配6 臺(tái)磨煤機(jī) 額定 工況下5 臺(tái)運(yùn)行 l 臺(tái)備用 每臺(tái)磨供一層共8 只燃燒器 3 1 3 燃燒器的布置方式 燃燒器共4 8 只 布置于前后墻上 形成二個(gè)反向雙切圓 以獲得沿爐膛水平斷 面較為均勻的空氣動(dòng)力場(chǎng) 燃燒器共6 層 從上至下分別為f e d c b a 層 每層與l 臺(tái)磨煤機(jī)相配 主燃燒器采用低n o x 的p m 型燃燒器 每只煤粉噴嘴由中間 間隔裝置沿高度方向分成濃淡二相 主燃燒器的上方為o f a 噴嘴 在距上層煤粉噴 嘴上方7 2 m 處布置有四層附加燃盡風(fēng)噴嘴 2 8 2 9 1 圖3 2 主燃區(qū)橫截面圖 二 日 a a 風(fēng) 口 幾 二 亡 二 二 亡 亡 二 二 廠 o f a 風(fēng) f 層 e 層 d 層 c 層 b 層 a 層 圖3 3 沿高度方向燃燒器噴口布置圖 1 7 口一一一一一一一一一一一一一一 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)定 本文運(yùn)用c f x t a s c f l o w 軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算 邊界條件主要包括三 類(lèi) 入口邊界條件 出口邊界條件和壁面邊界條件 邊界條件的確定原則為盡量貼 近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù) 沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況下進(jìn)行合理的分析計(jì)算 3 2 1 入口 出口邊界條件 入口邊界條件包括一次風(fēng)量 一次風(fēng)溫 二次風(fēng)量 二次風(fēng)溫和給煤量 本論 文所研究的基礎(chǔ)工況是指在額定負(fù)荷下燃燒神華煤 爐膛的過(guò)量空氣系數(shù)為1 1 5 附加風(fēng)率為1 5 燃盡風(fēng)率為1 2 投運(yùn)上五層b c d e f 燃燒器 燃燒器擺角與水平 呈零度的工況 計(jì)算中所用的總風(fēng)量 給煤量 各次風(fēng)量的參數(shù)都為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù) 基礎(chǔ)工況入口邊界各參數(shù)如表3 3 所示 在計(jì)算中 平均分配各個(gè)燃燒器的給煤量 煤粉顆粒尺寸分布規(guī)律用 r o s i n r 鋤m l e r 公式表示 r 以 e x p 卜 噍 d 3 一1 式中 j 1 2 d 為尺寸大于以的顆粒的重量百分比 以是非均勻性系數(shù) d 是特 性尺寸 露和d 均由實(shí)驗(yàn)確定 顆粒粒徑的分布范圍為1 0 嬲 2 0 0 朋 平均直徑 為6 4 6 7 朋 顆粒的進(jìn)口溫度取為一次風(fēng)氣流溫度 出口邊界為爐膛出口 爐膛出口定義為壓力邊界 定義爐膛出口平均靜壓為 p 1 0 13 2 5 1 0 5 p a 表3 3 基礎(chǔ)工況一 二次風(fēng)參數(shù) 過(guò)量空氣系數(shù)a 量1 1 5 總風(fēng)量 8 5 8 7 l k g s 給煤量 9 5 3 3 k g s 一次風(fēng)率 2 0 6 濃相一次風(fēng)量1 0 3 1 k g s 一次風(fēng)一次風(fēng)總量 l7 6 8 9 k g s淡相一次風(fēng)量 8 3 9 5 k g s 一次風(fēng)溫3 4 8 k a a 二次風(fēng) 1 2 8 8 l k g s 二次風(fēng)率 7 7 4 o f a 二次風(fēng) 8 5 8 7 k g s 二次風(fēng) 二次風(fēng)總量 6 6 4 6 4 k g s 主燃區(qū)二次風(fēng) 4 4 9 9 6 k g s 二次風(fēng)溫 6 0 7 k 1 8 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 2 壁面邊界條件 本文壁面邊界包括水冷壁和大屏 壁面邊界為熱力邊界 因?yàn)楸疚难芯康腻仩t 爐膛沿高度方向水冷壁溫度不相同 大屏也不能視為水冷壁處理 因此本文壁面溫 度采用分區(qū)設(shè)定 具體分段情況見(jiàn)圖3 4 所示 各段熱力條件設(shè)定見(jiàn)表3 4 表3 4 壁面邊界條件設(shè)定表 區(qū)域邊界條件設(shè)定 lt 1 2 0 0 k 2 t 1 2 2 5 k 3 t 1 2 2 5 k 4 t 1 2 1 5 k 5t 1 2 0 5 k 6t 1 1 9 5 k 7t 1 1 8 0 k 8t 1 1 5 5 k 9t 1 1 4 0 k b o t t o mt 3 7 3 k p l a n t t 9 0 0 k 3 3 數(shù)值模擬的模型 圖3 4 壁面溫度區(qū)域的設(shè)定 本文全尺寸鍋爐模型如3 5 圖所示 計(jì)算區(qū)域?yàn)橄聽(tīng)t膛冷灰斗到爐膛出口 根據(jù) 本文計(jì)算所應(yīng)用的設(shè)備條件 爐內(nèi)只添加了大屏 雖然缺少對(duì)流受熱面 但是燃燒 1 9 區(qū) 區(qū) 區(qū) 良區(qū)區(qū)區(qū) 區(qū) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論立 和n o 的生成是在爐膛內(nèi)生成的 缺少對(duì)流受熱面不影響對(duì)爐內(nèi)燃燒和n o 生成的 模擬 本文運(yùn)用i c e m 軟件對(duì)鍋爐模型劃分六面體網(wǎng)格 雖終生成網(wǎng)格總數(shù)為1 0 8 萬(wàn)個(gè) 鍋爐模型網(wǎng)格如同3 5 所示 計(jì)算收斂殘差取為1 0 e 4 對(duì)所列工況進(jìn)行數(shù)值模擬 直到結(jié)果收斂 3 圖3 5 鍋爐模型及計(jì)算網(wǎng)格劃分 本文以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行1 0 0 額定負(fù)荷為基礎(chǔ)工況進(jìn)行模擬 分析影響雙切圓火焰 燃燒特性的因素 驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性 以基礎(chǔ)工況為基礎(chǔ)組織其他的模擬上 況 共模擬r 7 類(lèi)3 2 個(gè)不同的工況 模擬工況如表3 5 所示 第一類(lèi)工況研究過(guò)量空 氣系數(shù)變化對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響 過(guò)量空氣系數(shù) 分別取10 8 11 2 11 5 l1 8 12 2 基礎(chǔ)工況d 115 第二類(lèi)工況研究附加m 率變化對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響 附 加風(fēng)率取值區(qū)間是1 2 2 1 基礎(chǔ)1 況附加風(fēng)為反切進(jìn)入 附加風(fēng)率為15 另外 還考查