600MW超临界锅炉节油启动期间屏底烟温的数值模拟分析.pdf

第 卷第 6期 2 0 1 0年 1 1 月 锅 炉 技 术 BOi l ER TEC H NOl OGY Vo L 4l ，NO ． 6 NO V ． 2 Ol 0 文章编号 l C N3 1 1 5 0 8 2 0 1 0 l 1 0 0 0 6 0 5 6 0 0 MW 超 临界锅炉 节油启 动期 间 屏底烟温的数值模拟分析 石朝夕 ，苗俊 明。 ，谢建文 ，王 宝 良 ，李 涛。 ，杨红权。 ，范卫东 1 _中国神华能源股份有限公司国华电力分公司 ，北京 1 0 0 0 2 5 ； 2 ．神华 国华 北京 电力研究院有限公司， 北京1 0 0 0 6 9 ； 3 ．神华国华太 仓发 电有限公 司，江苏 太仓 2 1 5 4 3 3 ； 4 ．上海交通大学 机械与动力T程学 院 ，上海2 0 0 2 4 0 关键词 超I l每 界锅炉；节油 ；屏式过热器 ；烟温 ；数值模拟 摘要 根据炉内燃烧和传热 特点 ， 分析 了锅炉节 油启 动时屏式 过热器底 部烟气温度 升高原 因 ， 并 以某 公 司制造的 6 0 0 Mw 超临界锅炉为计算模型 ， 对不同的人炉风量 、 给水温度和煤种T况下锅炉屏底烟气温 度场 进行了数值模拟 。指m点燃褐煤 ， 通过邻炉加 热、 常规油枪 暖炉等方 法提高炉膛 温度和 给水 温度 ， 适度提 高 入炉风量 ， 是避免节油启动 阶段屏式过热器超温及发生高温受热面氧化皮爆管 的有效措施 。 中图分类 号 T K2 2 9 ． 2 文献标识码 A 0 前 言 节 油 点火 方 式 包 括 等 离子 点 火 方 式 和 微 油 点 火方式 ， 均 为 内置 式 燃 烧 ， 在 冷炉 状 态 下 直 接 点燃 煤粉 。根 据 调 查 统 计 ， 在 采 用 着 火 、 燃 尽 特 性 较好 、 水 分 中等 的神 华 烟 煤 进 行 节 油 启 动 时 ， 采用等离子点火技术可以实现无油启动， 采用微 油 点火方 式 可 以达 到 启 动 节 油率 9 5 。但 是 在 节油 启动 阶 段 都 不 同程 度 地 存 在 着 锅 炉 主 蒸 汽 温度上 升速 率较 快 和减 温 水 投 用 负 荷 降 低 的 现 象 ， 部 分锅炉 出现 了屏 式过 热 器 局部 超 温 问题 和 启 动 阶段 高温 受热 面氧化皮 爆管 事故 。 由于 现 有 的 锅 炉 烟 温 探 针 存 在 盲 区 6 0 0 MW 锅炉 炉膛 宽度 1 9 m 左 右 ， 而 两侧 烟 温 探 针 长度仅 为 1 4 m 左 右 ， 而 且安 装 在 炉顶 热箱 内的 受 热面金 属壁 温测 点 ， 在管 内没有 蒸 汽流 动 时 不 能真实反 映炉 内金 属壁 温 ， 节 油启 动 初期 阶段 的 超 温现象 更易被 忽 视 。因此 ， 通 过 数值 模 拟 方法 对节油启动阶段炉内烟气温度场进行计算， 弥补 锅 炉常规 烟温测 点 之不 足 ， 对 于分 析受 热 面 超温 原因和制定安全启动技术措施具有重要意义。 1 原 因 分 析 节油 启 动 阶段 ， 由于 炉膛 温 度 较 低 ， 使 得 进 人炉内的高温火焰快速熄灭而转变为高温烟气 ， 水冷壁 为 辐 射 型受 热 面 ， 因 此 在 节 油 点 火 方 式 下 ， 水冷 壁 吸 热 的减 少使 得 屏 底 烟 温 升 高 ， 导 致 超温风 险加剧 。 对 于超 超 临 界锅 炉 ， 由于 炉 内将 布 置更 多 的 以辐 射吸热 特性 为 主 的高 温受 热 面 ， 因此 在 节 油启动方式下 ， 蒸发量减少 ， 蒸汽温度提高 ， 减温 水 投用将 提前 。在 现有 金 属材 料水 平 下 ， 超 超 临界 锅炉 的高 温 受 热 面 蒸 汽 氧 化 腐 蚀 问 题 不 可 避免 ， 在蒸 汽流 量较 低时 投 用 减温 水 会使 得 蒸 汽 温度 出现 大 幅 波 动 ， 从 而 导 致 氧 化 皮 的脱 落 ， 引 发爆管 事故 的发 生 。 因此 ， 解 决这 一 问题 的方 法 包括 如下 4个方 面 常 规油枪 暖炉 、 邻 炉加 热 或 回收 循 环 水热 量 ， 提高 炉膛温 度和 给水 温 度 ， 可使 进 入 炉 内的煤 粉 火焰保持燃烧 和增加蒸发量 ； 提高二次风量， 降 低屏底 烟 温 ； 减少 进 入 炉 内 的煤 粉 量 ， 即降 低 锅 炉的初始燃烧率， 但受到最低煤粉点燃浓度和磨 煤 机最 小给 煤 量 的制 约 ， 而采 用 着 火 、 燃 尽 特 性 较 好 、 热 值较低 的褐煤 则有 利于 问题 的解 决 。 2 设备简介 国华太仓发 电公 司 6 0 0 Mw 锅 炉是 某公 司制 造 的超临界 、 变压运行 、 螺旋管圈直流炉 ， 单 炉膛 、 n 收稿 日期 2 0 1 0 0 7】 0 作者简介 石朝夕 1 9 6 7 ， 男， 高级工程师 。 主要从事科研管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 石朝夕 ， 等 6 0 0 Mw 超临界锅炉节油启动期间屏底烟温的数 值模拟分析 型布置 、 四角切 圆燃烧 方式 、 中速 磨直 吹式 制粉 系 统 ， 燃用 神华 侏 罗纪 烟 煤 。炉 膛 宽度 1 8 8 1 6 mm、 深 度1 7 6 9 7 mm， 容积热负荷8 5 ． 2 k w／ m。 ， 炉膛 上 部 布置有 6片分 隔屏过热器 和 2 0片后屏过热器 。 炉 内共 有 6层 配 置 周 界 风 的 煤 粉 喷 嘴 ， 一 、 二 次风 喷嘴 间 隔布 置 ， 每组 二 次 风 喷 嘴 包 括 上 、 下 2只预 置水平 偏角 的辅助 风 喷嘴 C F S 和 1只 直 吹 风 喷 嘴 。 主 风 箱 顶 部 有 2层 紧 凑 燃 尽 风 C C O F A 、 底 部 有 1层 火 下 风 喷 嘴 UF A ， 此 外 ， 主风箱 上部还 有 5层 可 水平 摆 动 的 分离 燃 尽 风 喷嘴 S F A 。一次 风 、 直 吹二 次 风 、 紧凑 燃 尽 风作 为主 射 流 ， 按 顺 时 针 方 向射 人 炉 膛 ， 而 预 置 水平偏 角 的二次 风 C F S 以更大偏 转 角度 顺 时针 方 向射入 炉 内。在 燃 烧 器 二 次 风 室 中 配 置 三 层 共 1 2支常 规轻油枪 。 3 数值模拟方法 3 ． 1计 算模 型 针对 国 华 太仓 发 电公 司 6 0 0 Mw 超 临 界 锅 炉 建立计 算模 型 ， 采 用工 程上应 用成 熟 的标 准 k - ￡ 双 方程湍 流模 型来 模 拟气 相 湍 流输 运 ， 煤 粉 运 动 用 随机轨 道模 型来 模 拟 ， 其 快 速 热解 采 用 双平 行 竞争 反应模 型来 模 拟 ， 用 快 速 扩散 燃 烧模 型模 拟 挥发 分燃 烧 ， 用 扩 散 一动 力 模 型模 拟 焦 炭 燃 烧 ， 炉 内辐射 换 热 用 离 散 传 播 法 。通 过 数 值 模 拟 计 算 ， 得 到屏底 截面 的烟 温分 布情况 。 3 ． 2 边界条 件 根 据 同类 型锅 炉 实 际节 油 启 动运 行 参 数 ， 将 给煤量设 定 为 1 7 t ／ h ， 以神 华 烟 煤 和 宝 日希 勒 褐 煤为 典 型 煤 种 ， 选 取 给 水 温 度 分 别 为 5 0℃ 、 9 0 ℃ 、 1 2 0 o C， 选 取 炉 膛 出 口 氧 量 分 别 为 1 O 、 1 5 ， 包 括燃 油启 动工 况 炉膛 出 口氧量 为 l 0 、 给水温度 为 5 O℃ 、 燃 油 流量 为 6 t ／ h 在 内 ， 总计 1 3个模 拟计 算工况 。 表 1 计 算煤 质数 据表 节油 启动选 择 B层燃 烧器 ， 粒径 分布按 Ro s i n R a mml e r函数确定 ， 变 化范 围为 1 O ～2 0 0／a m， 2 0 0目筛子通 过率 为 7 5 ， 平均径 为 5 8 m， 均 匀 性指 数为 1 ． 1 。燃 油启 动工 况选 择 安装 在 AB层 直 吹二次 风喷嘴 内的 常规 油枪 ， 不 同计算 工 况 下 燃烧 器风 量参数 见表 2 。 表 2风量 参数表 各计 算 工况 下 一 次 风 量 均 由 B层 燃 烧 器 喷 嘴送 人 炉膛 ， 二 次 风 量 由 6层 二 次 风 喷 嘴 AA、 AB、 B C、 CD、 DE、 E F送 人炉 膛 。 3 ． 3 计算 域及 网格划 分 根据 锅 炉 实 际几 何 尺 寸造 型 。为 保 证 更 好 的人 口条 件 ， 在 每 个 燃 烧 器 喷 口前 加 一 个 引 人 段 ， 其 长度 能使气 流 和煤 粉 颗 粒在 里 面 形成 充 分 发展 流 ； 为保 证炉 膛 出 口气 流不 产 生 回 流破 坏计 算 条件 ， 把 与炉膛 相 连 的尾 部竖 井 烟道 也 进 行 了 造 型 ， 并 作 为了计算 域 。 采 用规 整六 面体结 构 化 网格 ， 并 在 喷 口引人 段 和炉 壁之 间 加 密 网 格 。总 网格 数 在 1 5 O万 个 以上 ， 网格划分 情况 见 图 1 ， 图 中也表 示 了计 算域 的坐标方 向 坐标原 点 为前 墙 和 左侧 墙 的交线 在 炉底 横 截面 的投 影 点 上 ， 沿 炉 膛 深度 向炉后 方 向 为 X 坐标 正 方 向 ， 炉 膛 竖 直 向 上 为 y 坐 标 正 方 向 ， Z坐标 正方 向为沿 炉膛 宽度从 左侧指 向右 侧 。 特征 截面选 在炉 膛 屏式 受 热 面底 部 位 置 ， 与屏 底 烟气 温度探 针标 高相 同 ， 为 5 8 ． 2 5 m。 罔 1 计算域几何造型及网格划分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 图 2 燃烧器附近网格划分及喷口标号 4 计算结果分析 4 ． 1炉膛 出 口氧 量为 1 0 ％工况烟 温分布 右侧炉墙 图 5 神华烟煤 给水温度为 9 O℃ 锅 炉 技 术 左侧炉墙 温度／ ℃ 右侧炉墙 图 9神华烟煤 给水温度 为 5 O℃ 第 4 1卷 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 锅 炉技术 第 4 1 卷 针 的盲 区 ， 可 见 采 用 高 热值 煤 节 油 启 动 时 ， 若 运 行控 制 不 当 ， 确 实 存 在 屏 式 受 热 面 局 部 超 温 风险 。 采 用宝 日西 勒 褐 煤 节 油 启 动 时 ， 其 屏 底 特 征 截 面 的最 高 烟 温 和平 均 烟 温 都 有 所 降 低 ， 当 炉 膛 出 口氧 量 为 1 5 、 给 水 温 度 为 5 O℃ 时 ， 平 均 烟温 为 4 8 1℃ ， 最 高 烟 温 为 5 7 1℃ 。 在 节 油 点 火装 置 可 以 实 现 稳 定 点 燃 的前 提 下 ， 采 用 热 值低 、 着火 特性 好 的褐 煤 节 油 启 动 ， 既 可 以达 到 磨煤 机 最 低 出力 的 要 求 ， 又 可 以 降 低 屏 式 受 热 面超 温 风险 。 燃 油启动 工况下 ， 屏 底 特 征截 面 的最 高 烟 温 和平 均烟 温 是 最 低 的 ， 平均 烟 温 只有 4 2 7℃ ， 最 高烟温为 5 0 1℃ 。主要原因是其着火温度低 ， 辐 射 能力强 ； 另一 原 因是燃 油 燃烧 首 先要 从 液 态 油 滴 汽化成 油 蒸 汽 ， 这 一 过 程 会 吸 收 大 量 的热 量 ， 从 而减少烟 气获得 的油燃 烧释 放 的热 量 。 提高 给水温 度与 加大 如 炉 风量 相 比， 对 于屏 底烟 温 的影 响 并 非 十 分 明 显 。但 由于 给 水 温 度 的提高， 将使锅炉的蒸发量增 加， 因而有利于高 温 受热 面 的冷 却 ， 并 可 避 免 减 温水 的早 期 投 用 ， 因 而对于 防 治 启 动 阶 段 发 生 氧 化 皮爆 管 仍 具 有 积极 意义 。 5 结 论 等离 子 和 微 油 点火 技 术 虽 然 可 以节 省 大量 启 动用 油 ， 但若 运行 控 制不 当则 会导 致 高 温受 热 面超温 ， 并诱发氧化皮爆管事故 。采用热值较低 的易燃煤种实施节油启动 ， 并适度提高给水温度 和 入炉风 量 ， 或 者采 用 节油 启 动前 使 用 常 规油 枪 暖炉 的方 式 ， 在 获 得 可 观 节 油 效 益 的 同 时 ， 有 利 于提 高锅 炉运行 的安全性 。 参考 文献 [ 1 ]吴磊， 郑占国， 刘斌杰 ， 等．大容量机组 应用等离子点火技 术 存在的问题 与解决措施[ J ] ．河北 电力技术 ， 2 0 0 7 2 ． [ 2 ]吴瑞 生．6 0 0 Mw 超临界锅炉启 动安全 与节油[ C ] ．全 国火 电大机组 6 0 0 MW 级 竞赛第十二届年会论文集 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]李俊忠． 胡旭娜 ， 姜宏伟 等．离 子燃烧 技术在 6 0 0 Mw 机组 高水分褐煤锅炉的应用E c ] ．全 国火 电大机组 6 0 0 Mw 级 竞赛第 1 l 届年会论文集 ． 2 0 0 7 ． Nu me r i c a l Si r n uI a t i on a n d An a I ys i S o n Ga s Te mp er a t u r e of P l a t e n S up er h e a t er Bo t t o r n i n t h e P er i o d o f 6 0 0 MW S u p e r cr i t i c a l Boi l e r Oi I - S a v i n g St a r t i n g S HI Ch a o x i ， MI AO J u n mi n g 。 ，XI E J i a n we n 。 ， W ANG B a o l i a n g ， I I Ta o 。 。 YANG Ho ng q u a n 。， FAN W e i d on g 1 ．Gu o h u a El e c t r i c P o we r Co r p o r a t i o n o f t h e Ch i n a S h e n h u a E n e r g y C o ． 1 ad ． ，Ch i n a ； 2 ．S h e n h u a Gu o h u a B e i j i n g El e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ．1 t d ．Ch i n a ； 3 ．Sh e n h u a Gu o h u a Ta i c a n g P o we r Ge n e r a t io n C0．I t d ．，Tai c a n g 2 1 54 33，Chi na； 4．Sc ho ol a nd M e c h a ni c a l a n d Powe r En gi n e e r i n g， S h a n g h a i -j i a o t o n g Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a K e y wor d s s u pe r c r i t i c a l bo i l e r； o i l s a v i ng；pl a t e n s u p e r he a t e r ； g a s t e m p e r a t ur e； nu m e r i c a l s i m u l a t i o n Abs t r a ct Ac c o r d i ng t o c ha r a c t e r i s t i c s o f c o m b us t i o n a n d h e a t t r a ns f e r i n b o i l e r ， t he r e a s o n s f o r g a s t e mp e r a t u r e o f p l a t e n s u p e r h e a t e r b o t t o m r i s e wa s p o i n t e d o u t ．By me a n s o f c a l c u l a t i on mo d e l o f 60 0 M W s up e r c r i t i c a l b oi l e r ma nu f a c t u r e d b y Sha n gh a i Boi l e r W o r k s。 t e mp e r a t ur e f i e l d i n di f f e r e nt c o nd i t i on o f t o t a l a i r c a p a c i t y，f e e d wa t e r t e m p e r a t u r e a nd c o a l r a n k wa s nu m e r i c a l l y s i mul a t e d ．I t wa s f o un d t ha t f i r i n g l i gn i t e，r a i s i n g f ur n a c e t e mp e r a t u r e a n d f e e d wa t e r t e mpe r a t ur e wi t h ne i g hb or i n g b oi l e r h e a t i n g a nd c o nv e n t i o n a l o i l bu r n e r wa r m i ng u p，a p p r op r i a t e l y i nc r e a s i n g t he t o t a l a i r c a pa c i t y， we r e v a l i d t o p r e v e nt pl a t e n s up e r he a t e r f r o m o v e r he a t i n g a nd a v o i d t he ha pp e ni ng o f hi gh t e m p e r a t ur e h e a t e r t u be r u pt u r e be c a u s e o f o xi de s ki n i n pe r i od of oi l s a v i n g s t a r t i n g． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m