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0、引言
    當(dāng)前我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展迅速，伴隨著大量超臨界、超超臨界機(jī)組的相繼投運(yùn)，及“以大代小”等政策的實(shí)施，節(jié)能效果明顯，全國(guó)平均供電煤耗從2005年的370g/kWh降為2008的349g/kWh。但是我國(guó)動(dòng)力用煤多年以來(lái)“煤質(zhì)差，而且煤質(zhì)多變”的特點(diǎn)仍然突出，乃至一些超臨界機(jī)組也存在燃煤偏離設(shè)計(jì)煤種的情況，導(dǎo)致滅火頻繁、出力下降、可靠性降低等問(wèn)題。
    針對(duì)某600MW超臨界鍋爐運(yùn)行中存在的實(shí)際問(wèn)題開(kāi)展研究。由于地理位置、運(yùn)輸成本及煤炭市場(chǎng)供求關(guān)系影響，該爐燃煤嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種，制粉出力不足。同時(shí)還表現(xiàn)出再熱汽溫偏低、飛灰可燃物高的現(xiàn)象。針對(duì)該爐這些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)研究提出了對(duì)該爐進(jìn)行衛(wèi)燃帶改造的技術(shù)方案，目的在于強(qiáng)化著火、燃盡的同時(shí)，提高爐膛出口煙溫，增加再熱器的吸熱比例。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    爐內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，不乏用來(lái)指導(dǎo)工程應(yīng)用的實(shí)例。利用其指導(dǎo)鍋爐改造的實(shí)施，可有效降低改造風(fēng)險(xiǎn)、控制改造費(fèi)用及提高改造的成功率。本文對(duì)該爐衛(wèi)燃帶改造前后的爐內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，并結(jié)合實(shí)際改造情況進(jìn)行了分析。
1、研究對(duì)象及存在問(wèn)題
1.1研究對(duì)象
    本文研究對(duì)象為600MW超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、Ⅱ型布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)煤種為貴州煙煤。
    燃燒系統(tǒng)由24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角。制粉系統(tǒng)采用正壓冷一次風(fēng)直吹式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配6臺(tái)MPS中速磨。
    過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)：由汽水分離器引出后，經(jīng)爐頂引至后煙井包覆，然后送回爐膛上部的分隔屏，其后為后屏、高過(guò)。從總體布置及傳熱特點(diǎn)來(lái)看，呈輻射式汽溫特性。
    再熱蒸汽系統(tǒng)：有布置于鍋爐尾部的低溫再熱器水平段(10683m2)和低溫再熱器垂直段(1518m2)，還有布置于爐膛出口處的末級(jí)再熱器(2443m2)。總體呈對(duì)流特性。
  再熱蒸汽調(diào)溫主要采用擺動(dòng)燃燒器噴嘴角度來(lái)改變火焰中心高度，從而改變爐膛出口煙溫。噴嘴上下擺動(dòng)角度為30°。過(guò)熱蒸汽調(diào)溫除受燃燒器噴嘴擺動(dòng)影響外，主要靠噴水和調(diào)節(jié)煤水比來(lái)調(diào)溫。
    表1中列出實(shí)際煤種的成份為統(tǒng)計(jì)平均值，實(shí)際燃煤來(lái)源復(fù)雜，有無(wú)煙煤，也有褐煤，所以對(duì)煤粉氣流的著火和燃盡有很大影響。
1.2存在問(wèn)題
    由于實(shí)際燃煤中包含大量無(wú)煙煤，而制粉系統(tǒng)配備的是MPS中速磨，該磨不適于磨制無(wú)煙煤，致使磨煤機(jī)出力、煤粉細(xì)度均達(dá)不到要求，同時(shí)磨的磨損嚴(yán)重。
    再者為燃盡程度差，2008年8月運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，飛灰可燃物達(dá)8%～16%，灰渣可燃物達(dá)10%～27%。
    同時(shí)還表現(xiàn)出再熱汽溫偏低，額定工況高，再出口汽溫設(shè)計(jì)值為569℃，實(shí)際只能達(dá)到546℃左右。
2、改造方案介紹
    分析表明，導(dǎo)致該爐出現(xiàn)上述問(wèn)題的主要原因是實(shí)際煙煤來(lái)源雜而且差，尤其是大量無(wú)煙煤的存在。從鍋爐設(shè)計(jì)及改造技術(shù)來(lái)看，敷設(shè)衛(wèi)燃帶是強(qiáng)化無(wú)煙煤著火和燃盡的主要措施，同時(shí)可使?fàn)t膛出口及尾部煙道煙溫升高，從而改變過(guò)熱系統(tǒng)與再汽系統(tǒng)的吸熱比例，促進(jìn)再熱汽溫升高，有助于解決現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題。
    本文針對(duì)該爐實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了水冷壁衛(wèi)燃帶敷設(shè)方案。在燃燒器區(qū)域四墻水冷壁均敷設(shè)，各墻衛(wèi)燃帶設(shè)計(jì)面積見(jiàn)表2，總計(jì)為237. 2mz。圖1所示為前墻衛(wèi)燃帶設(shè)計(jì)方案。
3、數(shù)值模擬
    為了考察敷設(shè)衛(wèi)燃帶的實(shí)施效果，本文對(duì)改造前后的爐內(nèi)燃燒及換熱狀況進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)。
3.1計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格生成
    圖2所示為數(shù)值求解區(qū)域，將其延伸至尾部煙道，以考察此處煙溫的變化。共劃分52萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，全部采用六面體結(jié)構(gòu)，其中在燃燒器區(qū)域速度梯度最大處，即噴口入口處，采用了與射流入射角夾角較小網(wǎng)格生成技術(shù)，以減小偽擴(kuò)散。
3.2計(jì)算工況及入口邊界條件
計(jì)算了衛(wèi)燃帶改造前后的爐內(nèi)燃燒工況（如表3所示）。兩工況下的入口邊界相同，僅是衛(wèi)燃帶所在區(qū)域的壁面條件設(shè)置不同，原始工況下，壁面定義為定溫條件，改造工況設(shè)定為絕熱壁面。
3.3數(shù)學(xué)模型
    采用標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型來(lái)模擬四角切圓燃燒鍋爐的爐內(nèi)氣相湍流流動(dòng)。三維笛卡爾坐標(biāo)系下控制方程的統(tǒng)一形式如下：
    爐內(nèi)燃燒過(guò)程的其它模型分別是：湍流燃燒模型采用概率密度函數(shù)法；輻射模型為求解速度較快的P-l模型；顆粒相的模擬采用拉格朗日隨機(jī)軌道法；煤的熱解和燃燒模型分別采用雙匹配競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型和動(dòng)力擴(kuò)散模型。
    采用SIMPLE算法求解壓力與速度的耦合問(wèn)題。為提高計(jì)算精度，動(dòng)量、湍動(dòng)能及能量采用二階迎風(fēng)格式。
4、結(jié)果與分析
4.1爐內(nèi)燃燒過(guò)程總體情況
    圖4為敷設(shè)衛(wèi)燃帶工況下的爐膛縱截面溫度場(chǎng)。從中可看出四角切圓燃燒方式的特點(diǎn)，在燃燒器區(qū)域存在環(huán)狀高溫區(qū)，向著冷灰斗及爐膛出口方向，煙溫逐漸降低，至爐膛出口處煙溫約1200K。
    兩個(gè)模擬工況的主要差別體現(xiàn)在爐膛溫度水平的變化，為此，將沿爐高不同截面的截面平均溫度繪于圖5。
    由圖5可知，受敷設(shè)衛(wèi)燃帶影響，整個(gè)爐內(nèi)溫度水平均有提高，其中燃燒器區(qū)域的溫度差別較大，在26. 544m標(biāo)高處溫差最大達(dá)70℃，而到55. 051m標(biāo)高溫差約15℃。
4.2敷設(shè)衛(wèi)燃帶對(duì)著火的影響
    圖5所示燃燒器區(qū)域平均溫度得到較大的提升，對(duì)促進(jìn)煤粉氣流的著火作用明顯。再者，本文設(shè)計(jì)衛(wèi)燃帶的布置方案時(shí)，重點(diǎn)在噴口的兩側(cè)品字形布置，下層多、上層少，這種布置方法不僅考慮了強(qiáng)化著火，同時(shí)也為了盡可能地減輕結(jié)渣。如圖6所示，在衛(wèi)燃帶區(qū)域，最高溫度達(dá)1600K。
4.3敷設(shè)衛(wèi)燃帶對(duì)爐內(nèi)換熱的影響
    表5為模擬結(jié)果中對(duì)爐膛各區(qū)域水冷壁吸熱量的統(tǒng)計(jì)。可以看出，由于敷設(shè)衛(wèi)燃帶后整個(gè)爐內(nèi)的溫度水平上升，無(wú)衛(wèi)燃帶各區(qū)段水冷壁的吸熱量明顯增加，但由于237. 2m2的衛(wèi)燃帶的絕熱效果，整個(gè)爐內(nèi)水冷壁的吸熱量有所降低，爐膛出口煙溫升高，這對(duì)總體呈對(duì)流特性的再熱系統(tǒng)的汽溫升高是有幫助的。
4.4敷設(shè)衛(wèi)燃帶對(duì)燃盡的影響
    對(duì)各角燃燒器噴口煤粉氣流的軌道跟蹤表明，原始工況下煤粉氣流碳的轉(zhuǎn)化率平均值為92. 3%，敷設(shè)衛(wèi)燃帶后達(dá)到93.0%，其原因在于敷設(shè)衛(wèi)燃帶后，著火條件改善，著火提前，燃盡時(shí)間延長(zhǎng)，加之爐膛溫度水平整體上升，所以燃盡率提高效果顯著。
5、現(xiàn)場(chǎng)鍋爐改造情況
    該爐在隨后的大修中進(jìn)行了衛(wèi)燃帶改造及制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的調(diào)整。大修后運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，同負(fù)荷下再熱汽溫提高了約10℃，飛灰含碳量約5%左右。再熱汽溫的升高及燃盡率的提高均比較明顯。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯(cuò)的選擇。
6、結(jié)論
    通過(guò)本次數(shù)值模擬研究，可以看出本文提出的衛(wèi)燃帶改造方案對(duì)解決該鍋爐現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題有顯著效果，總結(jié)如下：
    ①敷設(shè)衛(wèi)燃帶后，整個(gè)爐膛的溫度水平明顯升高，截面平均溫度最高可提高約70℃，這對(duì)促進(jìn)該爐著火穩(wěn)定和提高燃盡率均有顯著效果；
    ②衛(wèi)燃帶的遮蓋減少了爐膛水冷壁的吸熱，但由于爐內(nèi)煙溫的升高，水冷壁的總吸熱量減少不明顯，這是增設(shè)衛(wèi)燃帶卻沒(méi)有大幅提升再熱汽溫的一個(gè)原因；
    ③要想進(jìn)一步解決該爐現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，不能單純依靠敷設(shè)衛(wèi)燃帶的方法，尚需燃燒系統(tǒng)及受熱面結(jié)構(gòu)等方面的研究和改造來(lái)實(shí)現(xiàn)。