USST_Arts_112280037900MW超临界锅炉变负荷燃烧特性数值模拟研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 4.46MB 67 页 15积分
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第一章 绪论
1
摘 要
在我国的电力生产中，火力发电处于主体地位，2013 年底全国发电装机容量
首次超越美国位居世界第一。但是我国的煤炭资源分布极不均匀，这一问题导致
电厂内电煤供需形势日趋紧张，并且煤质的长期稳定供应也无法保证。在现有燃
煤条件下，为最大限度地保证锅炉燃烧的稳定性、经济性、安全性以及环保要求，
混煤掺烧已成为火电厂的必然选择。此外，随着电力体制不断的改革，节能降耗
的工作已经越来越受到重视，各电厂势必要掌握锅炉燃烧的运行规律，提高锅炉
经济性和环保指标，所以需要研究锅炉混煤掺烧在不同负荷下的燃烧特性，实现
对锅炉燃烧工况的优化调整。
本文通过 Gambit 软件进行炉膛建模，利用 Fluent 软件对某 900MW 超临界锅
炉变负荷工况下炉内燃烧的过程进行数值模拟。采用 k-ε双方程模型作为气相湍流
流动模型，用离散项模型模拟煤粉颗粒的运动；用混合分数概率密度函数法模拟
气相燃烧；用 P-1 模型模拟辐射传热，对燃烧神木煤、神木煤掺烧俄罗斯煤、神木
煤掺烧澳洲煤工况不同负荷下的炉内燃烧进行模拟，从而分析负荷变化对不同煤
种下炉内燃烧特性的影响。结果表明，在高负荷工况下运行时，炉内燃烧充分且
稳定，但是炉内火焰更容易冲刷水冷壁，可能发生局部结渣的现象；在低负荷工
况下运行时，炉内火焰充满度较差，切圆燃烧的稳定性显著下降，容易发生飞灰
未燃现象；随着负荷的降低，水冷壁灰污表面温度也逐渐降低，水冷壁表面结渣
的倾向弱化，沿高度方向水冷壁吸热不均匀性增大；当负荷降低导致某些燃烧器
组停运时，会使得火焰中心高度降低。本文研究表明，采用合适的数学模型和计
算方法，进行炉内燃烧的数值模拟是可行的。其结果反应出炉内的速度场分布、
温度场分布以及水冷壁灰污表面温度分布，可以为电厂变负荷燃烧提供一定依据。
关键词：超临界锅炉 燃烧 数值模拟 锅炉负荷
上海理工大学硕士学位论文
2
ABSTRACT
The power generation is located in a dominant position in the electricity production
in our country. By the end of 2013, national power generation capacity ranked first in
the world for the first time, surpassing the United States’. However, China's coal
resources are distributed unevenly, which makes supplying and demanding of the power
plant coal unguaranteed. On this condition, blending coal has become an inevitable
choice to ensure maximum stability, economy, safety and environmental requirements
for thermal power plants. Otherwise, with the continuous reforming of power system,
energy saving work has been more and more attention, the power plant has no choice
but to grasp the operation laws of combusting, improve the indicators of economy and
environment. So it is necessary to study the combustion characteristics of co-firing
boilers in coal mixed with different the load, to achieve optimal adjustment of boiler
combustion operating conditions.
In this paper, we simulate the process of a 900MW tangentially fired supercritical
boiler furnace combustion with variable load by the Fluent software, with Gambit
software modeling the furnace. Using k-ε turbulence model as the gas flow; the discrete
phase mode as pulverized coal particles; the mixture fraction probability density
function method as gaseous combustion and P-1 model as the heat transfer of radiation,
working conditions of Shenmu coal, Shenmu coal blending Russia coal and Shenmu
coal blending Australia are simulated to analysis the influence of load changes on the
combustion characteristics under different coal. The results shows that at high load
operation conditions, the flame is stead in the furnace, but it is easily washed water wall
furnace which may occur the phenomenon of partial slagging while it is reduced with
lower load. With the decrease of the load, the temperature and the slagging tendency in
outer surface of ash layer on water wall is lower, the non-uniformity of the heat flux in
the height direction is increased. When the number of burners is reduce with the
decrease of the load, the height of the center of the flame will reduce as well。
The study shows that it is possible to simulate the combustion in the furnace
through using the appropriate mathematical models and computational methods.
Key Words: Supercritical boiler, Combustion, Numerical simulation,
Boiler load
第一章 绪论
3
目 录
摘 要
ABSTRACT
目 录 ...............................................................................................................................3
第一章 绪 论 .................................................................................................................5
1.1 课题研究背景 .....................................................................................................5
1.2 锅炉混煤掺烧的研究方法及研究现状 .............................................................6
1.2.1 热重分析法研究 .......................................................................................6
1.2.2 理论计算研究 ...........................................................................................6
1.2.3 热态实验研究 ...........................................................................................7
1.2.4 数值模拟研究 ...........................................................................................7
1.3 混煤掺烧技术概述 ..............................................................................................8
1.4 课题研究内容 .....................................................................................................9
第二章 炉内燃烧的数学模型 .......................................................................................11
2.1 控制方程 ...........................................................................................................11
2.1.1 连续性方程 .............................................................................................11
2.1.2 动量方程 .................................................................................................11
2.1.3 能量方程 .................................................................................................12
2.2 湍流模型 ...........................................................................................................12
2.2.1 直接数值模拟法(DNS) .......................................................................... 13
2.2.2 大涡模拟法(LES) ...................................................................................13
2.2.3 雷诺平均法(RANS) ............................................................................... 13
2.2.4 零方程模型 .............................................................................................14
2.2.5 k-ε模型 .....................................................................................................14
2.3 辐射换热模型 ...................................................................................................16
2.4 离散项模型 .......................................................................................................17
2.5 燃烧模型 ...........................................................................................................18
2.5.1 煤的热解挥发模型 .................................................................................18
2.5.2 焦炭燃烧模型 .........................................................................................19
2.5.3 气相燃烧模型 .........................................................................................19
第三章 900MW 四角切圆燃烧锅炉特点及模拟工况 ................................................ 21
上海理工大学硕士学位论文
4
3.1 锅炉总体布置及特点 .......................................................................................21
3.2 炉膛建模 ............................................................................................................23
3.3 计算区域与网格划分 .......................................................................................24
3.3.1 网格划分的要求 .....................................................................................24
3.3.2 面网格划分 .............................................................................................25
3.3.3 体网格划分 .............................................................................................26
3.4 边界条件 ...........................................................................................................27
3.5 数值模拟工况及初始条件 ...............................................................................28
3.5.1 数值模拟工况 .........................................................................................28
3.5.2 煤质分析 .................................................................................................29
3.5.3 初始条件 .................................................................................................29
第四章 数值模拟结果及其分析 ...................................................................................33
4.1 燃烧神木煤的变负荷炉内燃烧特性的分析 ...................................................33
4.1.1 速度场分布 .............................................................................................33
4.1.2 温度场分布 .............................................................................................39
4.1.3 火焰中心位置 .........................................................................................45
4.1.4 水冷壁灰污表面温度 .............................................................................46
4.1.5 煤粉颗粒轨迹分析 .................................................................................47
4.2 神木煤掺烧澳洲煤的变负荷炉内燃烧特性的分析 .......................................49
4.2.1 速度场分布 .............................................................................................49
4.2.2 温度场分布 .............................................................................................51
4.2.3 火焰中心位置 .........................................................................................53
4.2.4 水冷壁灰污表面温度 .............................................................................54
4.3 神木煤掺烧俄罗斯煤的变负荷炉内燃烧特性的分析 ...................................55
4.3.1 速度场分布 .............................................................................................55
4.3.2 温度场分布 .............................................................................................57
4.3.3 火焰中心位置 .........................................................................................60
4.3.4 水冷壁灰污表面温度 .............................................................................61
4.4 本章小结 ...........................................................................................................61
第五章 结 论 ...............................................................................................................63
参考文献 .........................................................................................................................65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................68
致 谢 .............................................................................................................................69
第一章 绪论
5
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景
我国在一次能源消费中使用最多的是煤炭资源。在我国的电力生产中，火力
发电又处于主体地位， 2013 年底全国发电装机容量首次超越美国位居世界第一、
达到 12.5 亿kW，同比增长 9.2%，其中火电装机容量 86238 万千瓦，同比增加 5.7%。
火力发电用煤约占原煤消耗的 50％左右，全年发电量 53500 亿kW 时，同比增长
7.5%。2002 年至 2012 年间全国能源消费构成比例如表 1-1 所示，煤炭占能源消费
总量的 60%甚至 70%以上，2013 年全国煤炭产量完成 37 亿t左右，煤炭消费量
36.1 亿t左右。估计 2050 年煤炭在我国能源中的比例仍在 50%以上，而其中 70%
为动力用煤[1]。可以预见富煤缺油少气的能源资源状况决定了在今后较长的时间
内，煤炭仍将作为最主要的能源被利用[2]。
表1-1 2002-2012 年全国能源消费构成
年份
能源消费总量
占能源消费总量的比重（%）
(万吨标准煤)
煤炭
石油
天然气
水电、核
电、风电
2002
159431
68
22.3
2.4
7.3
2003
183792
69.8
21.2
2.5
6.5
2004
213456
69.5
21.3
2.5
6.7
2005
235997
70.8
19.8
2.6
6.8
2006
258676
71.1
19.3
2.9
6.7
2007
280508
71.1
18.8
3.3
6.8
2008
291448
70.3
18.3
3.7
7.7
2009
306647
70.4
17.9
3.9
7.8
2010
324939
68
19
4.4
8.6
2011
348002
68.4
18.6
5
8
2012
361732
66.6
18.8
5.2
9.4
但是我国的煤炭资源分布极不均匀，这问题导致电厂内电煤供需形势日趋紧
张，并且煤质的长期稳定供应也无法保证。每台锅炉以及其辅助设备都是依据了
一定煤的特性而设计的，所以只有当锅炉使用与设计煤种接近的燃料，才能使得
锅炉的运行效率最大化，从而获得最好的经济性，若是不同煤种随意混烧可能会
导致燃烧特性不符合设计要求，增加煤耗，甚至更有可能引发事故。随着电力体
制不断的改革，各电厂节能降耗的工作已经越来越受到重视，势必要掌握锅炉燃
烧的运行规律，提高锅炉经济性和环保指标，所以需要研究锅炉在混煤掺烧下不
上海理工大学硕士学位论文
6
同负荷的燃烧特性，实现对锅炉燃烧工况的优化调整。
1.2 锅炉混煤掺烧的研究方法及研究现状
随着混煤掺烧在实践中的不断被运用，对混煤掺烧的探索也不断地深入，研
究的方法也逐渐多样化。
1.2.1 热重分析法研究
热重分析（Thermo gravimetric Analysis，TG 或TGA），是指在程序控制温度
下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳
定性和组分。热重分析在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段，实际的
材料分析中经常与其他分析方法合用，进行综合热分析，从而全面准确分析材料，
这种方法近年来在煤的燃烧和热解的研究中被广泛采用。TG 曲线对温度或时间的
一阶导数（DTG）通常称为燃烧分布曲线，其温度区域和燃烧峰值的高低、形状
直接显示了不同煤种燃烧性能的差异，从而获得不同煤种相关反应的动力学参数，
比较完善地表达了煤的着火、燃烧、燃尽等特性[3]。
文献[4]采用 RIGAKU8150 型热天平以及高温型电阻炉和红外线加热炉，利用
零维燃烧模型来计算混煤的活化能 E以及频率因子 K，研究霍林河煤、羊草沟煤、
梅河煤及其混煤在热解、着火燃尽等方面的特性。文献[5]采用 WCT-2 高温型微机
差热天平对褐煤、烟煤以及无烟煤在单煤和不同掺配比例情况下进行实验分析，
研究活化能与着火温度随着掺混比例的变化对混煤着火特性的影响。文献[6]利用
热天平、滴管炉、一维燃烧炉对混煤热解、着火、燃尽特性以及污染物形成规律
进行了综合性研究。文献[7]采用 WCT-2 高温型微机差热天平进行无烟煤与贫煤混
煤燃烧和 NOx 排放特性的研究，并对烟气成分进行检测。
1.2.2 理论计算研究
通过理论计算方法可以对炉内燃烧过程各参数进行计算和分析，有许多数学
计算模型被引入用于研究锅炉燃烧特性，例如人工神经网络法、模糊数学法、遗
传算法等，极大地丰富了这一领域的研究内容以及方法。
文献[8]对掺烧煤种的煤质及其灰分进行了比较详细的检测分析，应用合理的
工程实用计算与预测方法，并结合锅炉炉膛热力计算，对锅炉掺烧强结渣煤的结
渣指标、影响因素与合适的掺烧比例进行了比较深入的研究和预测。文献[9]为解
决600MW 锅炉结焦问题分析了结焦的原因和处理方法、燃料的结焦性与灰的熔融
特性、灰的酸碱比以及硅比。文献[10]利用热力计算方法研究了锅炉炉内燃烧的燃
烧特性。文献[11]运用了最优比例法来解决混煤掺配比例的计算，经过大量的理论
研究，验证了在混煤掺烧过程中，灰分、发热量、硫分、挥发份的计算方法。文
献[12]在对电厂锅炉混煤掺烧的飞灰含碳量特性进行多工况热态测试的基础上，应
第一章 绪论
7
用人工神经网络的非线性动力学特性及自学习特性，建立了飞灰含碳量特性的神
经网络模型，并证实了该模型的可行性。文献[13]运用模糊数学法中多目标决策法
验证了选取多指标因素及其权重的方法在混煤燃烧时的可行性。
1.2.3 热态实验研究
热态实验是指通过实炉燃烧进行实验分析，其优点是可以如实反映出实际燃
烧情况，并验证理论计算的正确性。
文献[14]介绍了华能南通电厂 4台350MW 机组锅炉掺烧印尼煤的试验情况。
文献[15]针对火电厂难燃尽无烟煤比例大及带来飞灰含碳量偏高的问题进行实验，
确定了两种煤种最优的掺配比
。
文献[16]研究了某电厂的混煤掺烧而引起的事故。
通过研究提出了预防控制措施。文献[17]通过实炉运行研究了兖州煤和准格尔煤时
在不同混煤比例下的燃烧特性，在经济性和强结渣性之间选取了最优比例，降低
了电厂的运行成本。文献[18]介绍了 600MW 超临界对冲燃烧锅炉用神华煤、塔山
煤、大同煤和印尼煤掺烧越南无烟煤的混煤掺烧试验，并对掺烧结果的飞灰可燃
物含量、飞灰粒径等进行研究，得出了该电厂所用煤种的最优混煤比例。
1.2.4 数值模拟研究
相比于实验测试，数值模拟方法不仅费用低廉而且周期短、结果清晰直观。
如今整个燃烧过程的数值模拟已经成为研究锅炉的一个重要手段。
在国内，文献[19]就我国引进的 1000MW 单炉膛双切圆锅炉炉内燃烧过程，
对80%、60%和40%额定负荷下的运行进行了数值模拟研究，对锅炉低负荷稳燃
特性进行了预测。文献[20]采用 CFD 软件模拟了四角切圆煤粉锅炉的混煤掺烧过
程，并且对 NOx 排放控制提出了一定的指导意见。文献[21]对200MW 燃用无烟
煤锅炉进行了燃烧器改造，并利 Fluent 软件进行了炉膛 NOx 排放的数值模拟。文
献[22]利用 CFX 数值计算软件选择合适的炉内湍流流动、燃烧与传热数学模型，
对富氧燃烧进行了数值模拟。文献[23]利用 COALFIRE 软件对 1台300MW 四角切
圆煤粉锅炉炉内流动、传热、燃烧及污染物排放规律进行了数值模拟并分析了炉
内燃烧规律。文献[24]针对 800MW 锅炉改烧混煤燃烧过程进行了数值模拟，验证
了正交的非均匀交错网格划分方法的合理性。文献[25]对DG420/13.7-Ⅱ2型四角
切圆无烟煤锅炉开展了燃用非设计混煤燃烧优化的数值模拟与试验研究，其中采
用了 PDF 法（概率密度函数法）模拟煤粉燃烧。PDF 方法有单混合分数方法和双
混合分数方法两种[26-27]。当两种煤的煤质特性相近时，采用单混合分数方法将混
煤当作是一种单煤，使用质量加权平均的煤质特性和实验获得的相关燃烧特性参
数，能够得到较为满意的预测结果；当组分煤的煤质特性相差较大时，采用单混
合分数预测结果与实际混煤燃烧过程不符合，需要采用双混合分数[28]。双混合分
摘要：

第一章绪论1摘要在我国的电力生产中，火力发电处于主体地位，2013年底全国发电装机容量首次超越美国位居世界第一。但是我国的煤炭资源分布极不均匀，这一问题导致电厂内电煤供需形势日趋紧张，并且煤质的长期稳定供应也无法保证。在现有燃煤条件下，为最大限度地保证锅炉燃烧的稳定性、经济性、安全性以及环保要求，混煤掺烧已成为火电厂的必然选择。此外，随着电力体制不断的改革，节能降耗的工作已经越来越受到重视，各电厂势必要掌握锅炉燃烧的运行规律，提高锅炉经济性和环保指标，所以需要研究锅炉混煤掺烧在不同负荷下的燃烧特性，实现对锅炉燃烧工况的优化调整。本文通过Gambit软件进行炉膛建模，利用Fluent软件对某90...

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