超临界锅炉屏区受热面高度方向吸热不均匀性的数值研究

杨红权, 李富春, 张妮乐, 丁士发

(1.国华太仓发电有限公司,太仓 215433;2.上海发电设备成套设计研究院,上海 200240)

中国电力发展目前面临日益严重的资源和环保压力,对煤炭资源未来供应能力的担心以及火电厂对居民生存环境造成的危害,使得节能环保类的技术和产品受到广泛重视,发展大型清洁高效超临界和超超临界火电机组等能源装备已是大势所趋.但随着锅炉容量和蒸汽参数的提高,对锅炉设计技术、制造工艺、高端钢材选择和锅炉运行技术提出了更高的要求,其中锅炉屏区受热面热偏差对锅炉安全运行以及锅炉制造成本影响的矛盾越来越突出.

屏区高度和宽度方向的吸热不均匀系数是确定大容量锅炉屏区受热面炉内管壁温度分布的重要参数.我国科技工作者从理论和实践上进行过大量的研究[1-3],在亚临界热偏差研究方面作出了卓越贡献[4-5].但是目前对超超临界锅炉热偏差方面的研究还比较少.

笔者应用Fluent商用软件,对神华国华太仓发电有限公司600 MW超临界机组锅炉的屏区传热和流动过程、屏区沿宽度和高度方向的热偏差以及沿屏高度方向的吸热不均匀性进行了数值模拟,重点分析了大容量超临界锅炉沿屏高度方向的热流分布及吸热不均匀性.

1 数值模拟对象

国华太仓发电有限公司600 MW超临界锅炉采用“∏”型布置(图1),受热面结构依次为:分隔屏过热器、屏式过热器、末级再热器和末级过热器.为研究方便,将末级过热器简化为前、后两组(即冷段和热段),并简化分隔屏外其他受热面.燃用设计煤种为神府东胜煤,其煤质分析见表1.

锅炉采用四角切圆燃烧方式,配6台中速磨煤机,投运5层磨煤机能满足锅炉最大连续蒸发量(BMCR)出力要求,为降低NOx排放量,在主风箱上方布置5层分离燃尽风(SOFA)燃烧器.

燃烧器进口均一化处理,各空气、煤粉进口和喷口属性相同、物性相同.一次风温度为76℃,速度为25 m/s;二次风温度为 345℃,速度为 57 m/s;SOFA温度为345℃,速度为50 m/s;煤粉总流量为69.7 kg/s.

图1 锅炉结构示意图Fig.1 Schematic of boiler structure

表1 燃用煤质分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coal

2 计算模型及数学方法

煤粉燃烧过程是包含多种热传递方式和多组分化学反应的湍流气固两相流动,需要建立描述其物理、化学过程的数学模型,包括气固两相流动、相间动量传递、气固相间热传递、煤粉干燥、挥发分热解和燃烧、焦炭燃烧以及气相辐射传热等模型.

对气相和颗粒相分别采用不同的处理方法,气相作为连续性介质,在欧拉(Eulerian)坐标系中描述,煤粉颗粒相看作离散相介质,在拉格朗日(Lagrangian)坐标系中描述,并考虑两相之间的质量、动量和能量的相互作用.气相湍流流动采用标准k-ε双方程模型,颗粒相采用随机轨道模型.对煤粉挥发分的析出采用双匹配速率模型(Two Competing Rates Model),焦炭燃烧采用动力-扩散燃烧模型(Kinetics/Difussion-limited Char Combustion Models),辐射传热采用P-1辐射模型[6-7].

采用正交化网格对燃烧器区域加密,网格线与屏式受热面平行和垂直,可以较好地模拟屏式受热面区域中的复杂流动.屏区沿宽、深、高方向均为正六面体网格[6-7],总网格数约81.6万.图2和图 3为计算区域网格示意图.

燃烧器入口参数见表1,壁面边界条件采用固体无滑移条件,离散化采用迎风差分格式,压力耦合采用Simplec算法.

图2 炉膛网格划分示意图Fig.2 Schematic of furnace mesh

图3 屏区网格水平截面Fig.3 Mesh in horizontal section of platen superheater

3 结果与分析

屏区受热面与烟气的热交换包括导热、对流和辐射因素,受热面热负荷q的计算需要同时考虑屏区受热面的对流传热和辐射传热:

式中:右边第一项表示对流传热热负荷;右边第二项表示辐射传热热负荷;hext为对流传热系数,kW/(m2◦℃);Text为近壁面处烟气温度,K;Tw为管壁温度,K;εext为考虑燃料种类影响的修正系数;σ为斯特藩波尔兹曼常数;T∞为烟气温度,K.

采用沿屏高度方向的吸热不均匀系数K4[5]对沿屏高度方向的吸热偏差进行评价:

笔者计算了相关受热面16个高度上的热负荷,以研究相关受热面的吸热不均匀系数.图4为后组分隔屏高度方向的温度分布图.图5为分隔屏区域受热面吸热偏差分布图.从图4和图5可知:该区域各受热面屏底部烟气温度最高、热负荷大,屏顶部烟气温度最低、热负荷小.分隔屏过热器和屏式过热器沿屏高度方向的吸热呈线性规律分布(图5),将CFD模拟结果与大容量亚临界参数机组沿屏高度方向吸热不均匀规律试验拟合结果进行比较,发现两者基本吻合,均表现为:随着屏高度增加,热负荷减少;屏底热负荷高、偏差大;顶部热负荷低、偏差小.这种分布特点是因为分隔屏区域受热面的热交换以辐射传热为主,与屏的布置方式和辐射角系数有关.

进入水平烟道后,由于来自炉膛内的辐射传热所占比例很小,辐射传热主要由高温烟气自身的辐射构成,因烟气温度水平已明显降低(见图6末级再热器高度方向烟气温度分布),因而烟气流动速度对传热的影响不可忽略,对流传热所占的份额足以影响区域内的传热效果,炉膛出口残余旋转导致的烟气流动偏差对各受热面的热负荷分布具有明显影响.

图4 后组分隔屏高度方向温度分布Fig.4 Temperature distribution along height of the division panel in rear g roup

图5 分隔屏区受热面吸热不均匀系数Fig.5 Non-uniform heat abso rption coefficients of the division panel heat surface

图6 末级再热器高度方向温度分布Fig.6 Temperature distribution along height of the final stage reheater

如图7所示,折焰角上部及以后区域受热面吸热偏差分布规律已明显不同于分隔屏受热面,沿屏高度方向的吸热不均匀系数已不是线性分布,而与烟气流场分布有关,烟气流速相对高和对流传热强,热负荷偏差就大.各屏的最高热负荷位置已经全部偏离屏底,位于烟气流速相对高的区域.对比图8表明,这是由于炉膛出口存在明显残余旋转,且残余旋转对烟气流动影响明显.对顺时针切圆燃烧而言,左侧墙附近下部流速高,而右侧墙上部流速高,最高速度并不一定在屏底部区域.

图7 折焰角上部及以后区域受热面吸热不均匀系数Fig.7 Non-uniform heat absorption coefficients of heat surface in zones above arch nose

图8 炉膛出口速度分布(单位:m/s)Fig.8 Velocity distribution at outlet of furnace(unit:m/s)

CFD数值模拟结果表明:由亚临界参数锅炉总结的沿屏高度方向吸热不均匀系数K4,对于超临界参数锅炉分隔屏受热面来说准确性高、适用性好,但对于折焰角上部及以后区域受热面有一定的误差.

4 结 论

(1)分隔屏受热面沿屏高度方向吸热不均匀系数呈线性分布,与经验公式吻合较好.分隔屏受热面吸热偏差最小.

(2)屏式过热器的传热方式较复杂,吸热偏差最大.

(3)水平烟道内受热面沿屏高度方向吸热较均匀.该区域受热面对流传热的影响增加,沿屏高度方向吸热偏差系数呈非线性分布,吸热最高区域已偏离屏底,位于烟气流速高的位置.

(4)利用CFD商用软件平台模拟屏区的传热特性,并结合试验研究结果,能比较全面地描述沿屏高度方向的吸热不均匀性.

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