锅炉炉内热负荷的分布规律是研究炉膛换热的一项重要指标,锅炉的水动力计算、管壁温度计算等都是在此基础上进行的.锅炉运行工况改变,各项参数都相应发生变化,研究这些变化对于调整锅炉运行有着重要的意义^[1].

燃煤锅炉的运行状况与运行人员的经验和操作水平有很大关系,四角切圆燃烧锅炉的火焰位置对锅炉安全运行至关重要,若一、二次风动量控制不合理,火焰中心就会有明显偏斜,这将造成单侧受热面的管壁温度处于高限附近^[2],长期运行容易发生管子超温,还会造成金属高温腐蚀等不利状况.炉内的燃烧、传热会影响工质的温度分布,若汽温大幅偏离设计值会影响锅炉的经济性及安全性^[3],研究认为,只有严格控制火焰中心,保证较小的热偏差,机组才能安全稳定运行,但对于火焰偏斜的范围未有明确定论.

本文在一维分区模型的基础上,利用区域法进行二维小区建模,分析研究了锅炉在不同负荷下炉内热负荷与水冷壁壁温的分布规律,并在此基础上,预测了火焰偏斜对壁温安全的影响.

本文所研究的某1 000 MW超超临界燃煤锅炉,为变压运行螺旋管圈直流炉,单炉膛塔式布置,炉膛沿高度方向的18个分区如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 炉膛分区示意图 Fig. 1 Schematic of furnace partition

根据实炉试验数据^[4],在表 1中列出本文的计算工况.

表 1(Table 1)

表 1 计算工况 Tab. 1 Calculation conditions 工况 锅炉负荷/MW 给水流量/(t·h-1) 给水压力/MPa 1 970 2 869 31.9 2 662 1 980 21.6 3 507 1 477 15.9

表 1 计算工况 Tab. 1 Calculation conditions

锅炉炉内的燃烧过程与传热过程相互作用,通常情况下难以处理两者之间的复杂耦合关系,因此,本文首先作了必要的简化与假设:

(1) 炉内的燃烧与传热独立进行^[5],由一维模型得到火焰沿炉膛高度方向的温度分布;

(2) 将火焰视为黑体,呈圆柱形分布于燃烧区内,火焰偏斜仅改变其中心位置而不改变形状与大小;

(3) 膜式水冷壁单侧接收来自炉膛内的热量,水冷壁管内工质流量均匀,管内放热系数^{[6, 7]}根据工作状态、工质物性和经验参数选取.

对四角切圆锅炉的炉内流场作了一定的简化,将炉内气流的运动轨迹看作是一个椭圆,通过一维速度曲线的内外斜率α和α′,椭圆中心O点坐标(x₀,y₀),椭圆长短半径a、b确定炉内流动的二维速度场,如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 炉内二维速度场模型示意图 Fig. 2 Two-dimensional velocity field model in furnace

当中心偏离炉膛水平截面的几何中心时,可建立新的平行坐标系x′oy′,即

那么炉内流动场椭圆内、外侧速度^[8]分别为

煤粉颗粒粒径范围为15～165 μm,并遵循Rosin-Rammler规律分布.考虑到煤粉颗粒与气流有一定速度差,不同粒径的颗粒运动轨迹可采用拉格朗日方法求解.颗粒运动方程为

炉膛截面分区示意图如图 3所示,将燃烧区内介质划分为两部分:中心火焰区(Ⅰ)与周围烟气区(Ⅱ),四周水冷壁被划分为4×10共40个区域,由中心热源向方向角为θ的四周壁面辐射能量.

图 3

Fig. 3

图 3 燃烧区截面分区示意图 Fig. 3 Schematic of partition in burning zone section

火焰直径D取决于燃烧器结构参数和实际运行参数,可表示为^[9]

对任意高度区域建立通用的传热模型,分析区域内以及相邻区域的传热情况.分区为六面体,接收来自上下两个假想面的投入热量,同时也向假想面以及四周水冷壁壁面散发出热量.由稳态时的能量平衡关系^[10],可分别得到任意分区内水冷壁壁面k以及烟气介质l的能量平衡方程,即

大容量高参数超超临界锅炉应将炉内对流换热量Q_d考虑在内,其计算式为

四角切圆燃烧方式下,炉内气流与壁面间属于强迫对流换热,对流换热的关联式为^[5]

通过校核炉膛出口烟气温度,获得水冷壁壁面热负荷分布.若将每根水冷壁管子沿长度方向分为n小段,沿水冷壁管长建立能量方程,可得到各微元段长度ΔS内的流量q_m及热负荷q_l，即

对水冷壁管任意微元段,可认为是稳定传热工况下的圆管传热,其壁温T_b可表示为

分别选取了标高为34、54 m这两个较具代表性的炉膛截面进行计算值与试验值的比较.图 4分别给出了34 m标高和54 m标高沿水冷壁宽度方向的热负荷分布.

图 4

Fig. 4

图 4 水冷壁热负荷分布 Fig. 4 Distribution of water wall heat load

试验值与计算值都表现出燃烧区的热负荷明显高于燃烬区,计算得到工况1下34 m水冷壁壁面热负荷为198～479 kW·m^-2、54 m壁面热负荷为232～372 kW·m^-2;工况2下34 m水冷壁壁面热负荷为112～304 kW·m^-2、54 m壁面热负荷为219～352 kW·m^-2;工况3下34 m水冷壁壁面热负荷为106～332 kW·m^-2、54 m壁面热负荷为141～220 kW·m^-2.

从图 4中可看出,烟气在旋转上升过程中,温度逐渐降低,炉膛充满度逐渐增大,烟气各组分逐渐混合均匀,使得火焰对壁面的热辐射趋于均匀,因此,随炉膛高度增加,水冷壁热负荷的不均匀性不断衰减.

锅炉设计时,对于最高热负荷位置的预期,一般是在同一标高处的每侧墙中部区域,而四角上的热负荷较低,呈中间高两端低的弧形分布.34 m标高处的分布规律较为明显,而54 m标高位于燃烬风层,占总空气量23％的冷空气对此区域有较强的扰动,因而规律不明显.

图 5给出了火焰位于炉膛中心时,三种工况下34 m标高和54 m标高处水冷壁壁温的分布.

图 5

Fig. 5

图 5 水冷壁壁温分布 Fig. 5 Distribution of water wall temperature

表 2给出了计算值与试验值之间的偏差.在所选截面的34个测点中,绝大部分测点的计算值与试验值之间偏差均较小,最大不超过5.72％,由此表明,该模型计算得到的分布结果可信,模型假设合理可靠.工况3下34 m标高处的壁温略高于工况2,这主要和燃烧器的投运有关,工况3的火焰中心位置距34 m测试标高的距离较工况2近,壁温也会相应提高.

表 2(Table 2)

表 2 计算值与试验值最大/最小偏差 Tab. 2 Maximum/minimum deviation between calculated values and measured data 工况 34 m标高偏差/% 54 m标高偏差/% 最大值 最小值 最大值 最小值 1 5.72 0.05 3.65 0.06 2 5.40 0.17 2.97 0.10 3 4.81 0.04 4.59 0.14

表 2 计算值与试验值最大/最小偏差 Tab. 2 Maximum/minimum deviation between calculated values and measured data

从水冷壁壁温曲线来看,靠近火焰中心的壁温较高,远离火焰中心的水冷壁壁温较低.与热负荷分布规律相同,水冷壁壁温在同一高度处也呈现中间高两侧低的弧形分布,且随炉膛高度增加水冷壁壁温的不均匀性逐渐衰减.壁温的最高值出现在工况1下,其34 m标高处壁温为400～524℃,54 m标高处壁温为471～506℃.

计算得到的水冷壁最高壁温为524℃,低于材料的允许温度550℃,约有4.72％的安全裕度.因此,在正常运行状况下,不会发生管壁超温现象.

当火焰中心发生偏斜时,工况1最容易出现管壁超温,因此,计算了工况1下,火焰不同偏斜距离Δx对水冷壁壁温的影响,如图 6所示.计算中假定了火焰中心向左墙中心逐渐偏斜,偏斜距离分别为0.5、1.0、1.5和2.0 m.结果表明,壁温的高低与火焰中心位置有关,随着火焰中心逐渐靠近,左墙壁温逐渐升高,偏斜距离越大,壁温的波动范围也越大;后墙壁温的最高位置也逐渐向左墙靠近,靠近左墙处的壁温会升高,远离左墙处的壁温则降低.

图 6

Fig. 6

图 6 火焰偏斜时水冷壁壁温分布 Fig. 6 Distribution of water wall temperature with flame deflection

计算结果显示,当火焰逐渐偏斜至2.0 m处,54 m标高的最高壁温将升高31℃,达到537℃;34 m标高左墙的最高壁温将升高28℃,达到552℃,超过了材料允许温度.

(1)本文在一维分区模型的基础上,采用区域法建立了二维小区换热模型,研究了炉内热负荷与壁温的分布规律.结果显示,绝大部分测点的计算值与试验值的偏差均较小,表明该模型基本可靠,计算结果可信.

(2)在炉膛同一标高处,每侧墙的热负荷、壁温都呈现出中部的数值较大两边逐渐降低的弧形分布规律.计算得到34 m标高处最大壁面热负荷为479 kW·m^-2,54 m标高处的最大壁面热负荷为372 kW·m^-2.随炉膛高度增加,烟气充满度逐渐增大,烟气中各组分逐渐混合均匀,水冷壁壁面热负荷不均匀性逐渐衰减.

(3)计算得到火焰未偏斜时,水冷壁最高壁温出现在工况1下,其值为524℃.当火焰向水冷壁偏斜,壁温会相应升高.火焰中心偏斜2.0 m后水冷壁壁温将达到552℃,超过了材料允许温度.故在锅炉运行中,应控制火焰中心最大偏斜不超过2.0 m,否则容易引起超温爆管.