Page 75 - 电力与能源2023年第一期

邓海涛，等：600 MW 锅炉旋流燃烧器结构优化及超低负荷稳燃数值模拟 69

4 层煤粉燃烧器，后墙布置 3 层煤粉燃烧器，每层各 的浓相煤粉气流更靠近一次风中心部分，从而提
有 5 只低 NO x 轴向旋流燃烧器，共 35 只燃烧器。在 高燃烧器出口的煤粉浓度。本文将此优化措施进
最上层煤粉燃烧器上方，前后墙及左右侧墙环形布 行数值模拟。计算用边界条件见表 1 和表 2。燃
置 1层燃尽风燃烧器，前后墙各 5只，两侧墙各 3只， 烧器计算模型及截面位置示意如图 1 所示。
共 16 只燃尽风燃烧器。 表 1 燃烧器边界条件（100% 负荷）

朝阳燕山湖发电有限责任公司燃用煤种为内 参数 一次风 中心风 内二次风 外二次风
风量/（kg·s ） 7.892 5 0.54 3.08 7.20
-1
蒙古白音华煤田二号露天矿褐煤。两台锅炉在实
风温/℃ 65 390 390 390
际运行中已经能够在 30%BRL 负荷以上不投油
注：一次风量包含煤粉水分，单台磨焊机有 5 根粉管。
稳 定 运 行 ，同 时 锅 炉 整 体 运 行 良 好 ，汽 水 参 数 、
表 2 煤质数据
NO x 排放和锅炉效率等都处于较为理想的状态。 项目 数值
只是锅炉在高负荷情况下，部分燃烧器煤粉气流 收到基全水分/% 29.6
空气干燥基水分/% 14.8
着火较早，煤粉燃烧器喷口存在局部结焦的问题。
干燥无灰基挥发分/% 47.97
为了达到 20%BRL 负荷下不投油稳定运行，同时 收到基灰分/% 15.99
-1
兼顾锅炉高负荷运行时的状态不受大的影响，需 收到基低位发热量/（kJ·kg ） 14 510
收到基碳/% 40.25
要对原有的燃烧系统进行一定的优化改造：一方
收到基氢/% 3.28
面能够保证锅炉在高负荷情况下整体燃烧工况变 收到基氧/% 9.74
化不大，整体运行较优化前无大的变化；另外一方 收到基氮/% 0.71
收到基硫/% 0.43
面也能够在 20%BRL 低负荷情况下，燃烧器能够 单只煤量/（kg·s ） 3.569 4
-1
保证煤粉的稳定燃烧。为了达到 20%BRL 负荷
不投油稳燃的目标，在原有锅炉旋流燃烧器基础
上开展新型宽调节比旋流燃烧器的优化研究。

2 优化方案
图 1 燃烧器计算模型及截面位置示意图
影响煤粉气流着火的主要因素有高煤粉浓

度、高温度、高氧浓度梯度三个方面，也就是常说 3 计算方法
的“三高理论”。在实际工程中，当锅炉负荷确定
以计算流体动力学（Computational Fluid Dy⁃
以后，其炉内的温度水平基本上已经确定，需要通 namics，简称 CFD）为计算依据，采用湍流流动模型、
过优化燃烧器结构来达到合理的煤粉浓度以及配
颗粒相输运模型、气相反应模型、辐射换热模型，模
风，提高燃烧器的低负荷稳燃能力，达到炉内煤粉 拟锅炉炉内详细的湍流流动和煤燃烧、传热过程。
的稳定燃烧。 3.1 湍流模型

鉴于该燃烧器在高负荷运行时的表现，为了 采用 k-ε 模型模拟锅炉的湍流流动。k-ε 模型
保证锅炉在高负荷情况下燃烧不受大的影响，本 对雷诺平均 Navier-Stokes 方程（RANS）中的雷诺
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次优化方案拟通过提升煤粉浓度的方式来提高燃 应力项 ρ u' i u' j 采用如下方法进行封闭：
烧器的稳燃性能，而不对原燃烧器的配风型式即
∂ ∂ ∂ é ê ê μ t ∂ε ù ú ú
μ +
二次风配风方式进行优化，以确保炉内的燃烧动 ∂t ( ρε )+ ∂x i ( ρεu i )= ∂x j ë ê ê( ) ∂x j ú ú +
û
σ ϵ
力场分布等不发生大的变化。 ε ε 2 - -
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本文主要研究燕山湖旋流燃烧器不同结构形 C 1ϵ k ( G k + C 3ε G b )- C 2ε ρ k + S ε - ρ u' i u' j =
式下两相流的分布形式，根据燃烧器设计理论，提 ∂u i ∂u j ) ( ∂u k )
2
μ t + - ρk + μ t δ ij （1）
出了缩小煤粉浓缩器尺寸的优化措施，使分离后 ( ∂x j ∂x i 3 ∂x k