Page 76 - 电力与能源2023年第一期

70 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

k 2 并且能自动选择成分控制速率，因此该模型不仅
μ t = ρC μ
ε 能用于非预混火焰，也能用于预混火焰。涡耗散
k
ε
式中 t——湍流黏性；——湍动能；——湍动能 模型的模型中的常数 B 用于预混火焰；对于非预
耗散率。
混火焰（如炉膛内的燃烧过程）只使用常数 A。常
湍动能 k 和湍动能耗散率 ε 通过求解其控制
数 A 为经验参数，其值的选取依赖于燃料、化学反
方程获得：
应设置、燃烧区的湍流雷诺数等。
∂ ∂ ∂ é ê ê μ t ∂k ù ú ú
μ +
∂t ( ρk )+ ∂x i ( ρku i )= ∂x j ë ê ê( ) ∂x j ú ú + 4 计算结果
û
σ k
G k + G b - ρε - Y M + S k （2） 拟通过缩小煤粉浓缩器内壁尺寸，使分离后
k-ε 模型把湍流黏性与湍动能 k 和湍动能耗散 的浓相煤粉气流更靠近一次风中心部分，进而使
率 ε 相联系，是最具代表性的，同时也是工程中应 煤粉浓缩效果保持到出口，提高煤粉的浓缩比，从
用最为广泛的湍流模型。模型中的经验参数（C， 而更有利于煤粉着火。浓缩器结构尺寸示意如图
C 1 等）中采用 Fluent 中默认的模型参数。 2 所示。

3.2 辐射模型
采用 Discrete Ordinates （DO）模型计算锅炉
炉膛内的辐射换热。DO 模型求解的是有限个离
散立体角下的辐射传播方程：
～ ～
～ ～
dI ( r，s ) +( a + σ s ) I ( r，s )= an 2 σT 4 图 2 浓缩器结构尺寸示意图
ds π + 4.1 浓缩器直段区域缩短数值模拟结果
4π ～ ～ ～ ～
σ s
∫ I ( r，s ' ) Φ ( s，s ' ) dΩ' （3） 下面主要计算浓缩器直段区域缩短 200 mm
4π 0
式中 I——辐射强度； r ——位置矢量； s ——方向 对燃烧器出口两相流的影响。燃烧器不同截面位
矢量。 置的速度分布与煤粉浓度分布计算结果如图 3 和
DO 模型是 Fluent 中最为复杂的辐射模型，从 图 4 所示。由图 3 速度分布可见，对比原始设计工
小 尺 度 到 大 尺 度 辐 射 计 算 都 适 用 ，并 且 可 计 算 况，流场的基本形式无明显变化，但由于浓缩器直
非－灰度辐射和散射效应，但需要较大的计算量。 段变短，煤粉的浓缩效果变弱，又由于浓缩器距出

3.3 气相反应模型 口的距离无变化，且一次风的惯性较小，扩散较
采用涡耗散模型（Eddy-Dissipation Model，简称 快，因此出口速度分布无明显变化。
EDM）计算锅炉内气相燃烧反应的化学反应速率：
k ( Y R )
ε
R i，r = v' i，r M ω，i Aρ min v' R，r Mω，R （4）
R
ε ∑ PY P
R i，r = v' i，r M ω，i ABρ （5）
k N 图 3 工况 1 燃烧器不同截面位置的速度分布（m·s ）
-1
∑ v'' j，r Mω， j
j
式中 R i，r——组分 i通过反应 r的净生成率，通过式
（4）和式（5）计算获得的较小值来确定；Y R，Y P——

反应物和燃烧产物的质量分数；A，B——模型常数。
-3
涡耗散模型假设气相燃烧反应速率较快，反 图 4 工况 1 燃烧器不同截面位置的煤粉浓度分布（kg·m ）
应速率实际上由燃料及氧化剂的扩散速率所决 由图 4 煤粉浓度分布可见，因浓缩器直段变
定。模型中反应速率取决于湍流脉动衰变速率， 短，浓缩效果减弱，一次风出口靠近中心风管的高