基于水平集方法的气化微油点火技术研究

施浩勋（浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310003）

基于水平集方法的气化微油点火技术研究

施浩勋
（浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310003）

利用标准k-ε湍流模型对夹杂煤粒的油滴油气混合物（以下简称颗粒两相流）在微油燃烧器中的流场特性进行分析研究，并采用水平集方法对颗粒两相流的运动轨迹进行模拟。仿真结果很好地描述了颗粒两相流在燃烧室内X轴方向的速度分布、煤颗粒的浓度分布和运行轨迹，系统节油率达到95%以上。

微油点火技术；k-ε湍流模型；水平集方法；颗粒两相流

随着我国电力工业的波浪型发展，电站锅炉以煤代油和节油的需求日益增强，同时，燃烧产物所造成的大气污染，以及燃用高硫煤时出现的高温腐蚀都是目前煤粉燃烧常见的问题。由此可见，我国电力工业锅炉在燃烧方面所面临的主要问题是燃烧效率较低、稳燃性能不高、环境污染较重、结渣和高温腐蚀的预防。为了满足电力工业对电站煤粉锅炉在燃烧技术方面提出的要求，笔者提出了一种基于水平集方法的气化微油点火技术，该技术是通过采用富氧煤粉燃烧、气化微油点火、新型气化油枪及超低负荷稳燃等方法和手段实现300 MW以上大型机组微油点火的节能降耗［1-2］，通过对数值模拟结果的研究，得到了夹杂煤粒的油滴油气混合物（以下简称颗粒两相流）在燃烧器内的温度变化趋势、速度变化趋势以及颗粒的运动轨迹曲线。

1 煤、油混合燃烧的流动和传热过程

粉煤空气混合物经直流燃烧器以射流方式进入炉膛后，通过紊流扩散在一次风煤粉射流的外边界卷吸高温烟气，促使煤粉气流与炽热烟气产生强烈混合，同时煤粉气流又受到炉膛四壁和高温火焰的辐射，而使悬浮在气流中的煤粉迅速加热；并且由于一次风煤粉射流的外边界上有适宜的煤粉浓度，一次风煤粉射流的外边缘首先开始着火、燃烧，然后向射流内层逐步深入［3］。对于不同型号的燃烧器，由于燃烧器出口射流的空气动力特性不同，从而采用不同的火热来源及着火方式。图1为煤、油混合燃烧的主次流模型。

图1 煤、油混合燃烧的主次流模型Fig.1 Primary and secondary flow model of coal and oil mixed combustion

对于由各种碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等混合而成的可燃气体，以及少量的氧、二氧化碳和氮等混合而成的不可燃气体的挥发粉的影响，可将其从固体燃料内部析出，使固体燃料具有孔隙性，并且挥发粉越高，燃料颗粒的孔隙就越多、越大，燃料与空气的接触面就越大，从而有利于燃烧更充分。主要用于加热煤粉和空气以及使煤中水分蒸发和过热的热平衡方程为

式中，Qzh表示着火热，即将煤粉气流加热到着火温度T时所需要的热量；Br表示煤粉气流的加热温度，V1对流携带的能量，Ck为煤燃烧系数，C为混合燃烧系数，△W指温差，t1与t2为某两个时刻温度，Wy为煤炭燃烧所带能量，Cq为混合气体燃烧系数。

2 湍流模型的建立

水平集方法对两相流数值求解的实现是建立在由一定数量的颗粒组成的流体在保持相应流体通量的同时，其内部颗粒彼此之间不断进行碰撞、平移，并处于一个局部平衡状态。通过这种方法可以比较直观地建立颗粒两相流以射流方式进入炉膛中的运动模型。

基于湍流脉动过程，根据湍流脉动能量机理建立复合实验要求的k-ε湍流模型，包括k与ε两个模型方程，即湍流脉动动能方程与耗散的控制方程，如公式（2）～（5）所示:

水平集方法与其他方法相比，能较好地再现相同界面，并可在复杂内炉壁上实现较高效的平行处理过程。在这个过程中，界面被看作是零水平集的光滑函数，从而可以代替界面处对流引起的物性徒变梯度，这与本研究中颗粒两相流逐级燃烧的特性是相适应的。因而，这种湍流模型为气化微油点火技术提供了良好的理论基础。

3 气化微油技术的模拟数值分析

根据机组设计标准，建立大型火电机组的节油梅花型燃烧器结构的仿真几何模型如图2所示。

图2 梅花燃烧器结构几何模型Fig.2 Geometry model of structure of cinquefoil burner

当流体流入流道时，由于受到流道的阻力，会在壁面形成一个旋涡层。此时，处于涡层附近的颗粒在压力作用下以速度u沿流向运动的同时，会绕涡核不断地进行旋转。根据Krelvinhelm-holtz涡动理论可知，此时呈线性分布的属于不稳定涡层，极易受到外界的任何影响，如微小扰动作用。但在实际流动中，小扰动的存在是较常见的，其扰动主要是由于湍流自身的脉动作用和内壁表面的不平整性使得壁面有一定的粗糙度，以致周围的速度场产生了扰动。而当该扰动作用于涡层时，扰动幅度将被放大，从而使涡层以一定涨幅的波动方式运动（见图3）［4］。

图3 波状运动示意图Fig.3 Drawing of wave movement

将处于颗粒两相流喷射状态下的梅花燃烧器与原燃烧器进行仿真分析，如图4所示。对比在湍流状态下的梅花燃烧器与原燃烧器可以发现:梅花燃烧器中的颗粒两相流在进入二级室时，油雾颗粒附着于四周的煤粉上，并且随着煤粉的运动轨迹而继续运动，此时，速度方向开始发生变化，使得中间速度小而四周速度大；同时，颗粒两相流在X轴方向具有更大的速度，这可以表明涡层在受扰动后以波动方式运动，扰动幅度变大。因而可以判断在梅花燃烧器中颗粒运动更加活跃，受热接触更加充分，并可产生逐级链动［5-6］。

图4 油梅花燃烧器X方向速度分布Fig.4 Velocity disribution alongX-axis of cinquefoil burner

由于流体质点在随主流流动过程中还存在随机脉动，因而在稳态流场中测得的某一点的速度曲线如图5所示。图5表明，虽然速度u的瞬时变化无规律可循，但由于流体质点是稳态流动，所以瞬时速度的时间平均值u¯是常量，因而可将湍流瞬时速度u视为一个不随时间变化的常量u¯与一个随时间随机变化的脉动量u′相叠加的结果［7］，即:

在非稳态流动条件下，在流场中测得的某一点速度曲线如图6所示。该图表明，湍流流动的时均速度随时间发生一定变化，而这种变化是由非稳态流场中的主体流动引起的，即主流流动本身是随时间变化的，与随机脉动无关。因此可知，在短期时间内梅花燃烧器两相颗粒主流流动与脉动流动混合而产生的粒子浓度分布如图7［8］。

图5 稳态湍流流动Fig.5 Turbulence of steady state

图6 非稳态湍流流动Fig.6 Turbulence of non-steady state

图7 节油梅花燃烧器粒子浓度分布Fig.7 Concentration distribution of particles in oil-save cinquefoil burner

微油点火燃烧室中心剖面的温度分布如图8所示，从图8中可以看出，上下两个通路为煤粉通道，中间为油雾通道。在两种颗粒刚进入燃烧室还未发生反应时，煤粉温度较低；同时，由于油雾在进入燃烧室之前，经过挤压、撕裂、破碎等作用产生的超细油滴在高能点火器引燃后在极短的时间内蒸发气化，使得油雾具有极高的温度；当两者处于同一空间时，煤粉与油雾（高温火核）发生反应，温度急剧升高、破裂粉碎，释放出大量的挥发粉，并迅速着火燃烧。因而，图8所示的温度分布，可以准确的描述出微油点火的发生机制。

大型火电机组梅花燃烧器在一开始就将液体燃料直接雾化进行燃烧，用燃烧产生的热量在极短时间内对燃料进行加热气化，在正常燃烧过程中就可直接燃烧气体燃料，大大提高了燃烧效率及火焰温度。气化燃烧后的火焰呈完全透明状，根部为蓝色高温火焰，中间及尾部为透明红色火焰，火焰温度为1 500～2 000℃，因而可作为高温火核，在燃烧器内直接点燃煤粉，从而实现电站锅炉启动、滑停及低负荷稳燃，见图9。

图8 节油梅花燃烧器热态结果分布Fig.8 Thermal state distribution in oil-save cinquefoil burner

图9 微油气化油枪试验台火焰状况Fig.9 Flame state of test-bed of gasificating micro-oil gun

4 结语

笔者提出了一种基于k-ε湍流模型的气化微油点火技术，描述了煤、油混合燃烧的流动和传热过程，建立了煤、油混合燃烧主次流模型，并采用水平集方法对颗粒两相流的运动轨迹进行数值模拟分析。建立了大型火电机组节油梅花型燃烧器结构的几何仿真模型。通过对比湍流状态下的梅花燃烧器与原燃烧器发现:湍流状态下的颗粒两相流在X轴方向拥有更大的速度，涡层在受扰动后以波动方式运动，扰动幅度变大，局部区域粒子浓度变大，颗粒运动更加活跃。同时，通过对微油点火燃烧室中心剖面温度分布的分析，准确地描述出微油点火的发生机制。

气化微油点火技术可以有效地实现火电机组锅炉冷启动、低负荷和超低负荷稳燃情况下节油的目的，使系统的节油率达到95%以上，从而有效地降低了发电成本，达到了节能降耗、提高资源利用率的目的，具有良好的经济效益和社会效益。

（References）

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［7］ 王松岭.流体力学［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［8］ WILLIAM B J Z.COMSOL Multiphysics有限元法多物理场建模与分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

（责任编辑:叶 冰）

Gasificating Micro-oil Ignition Technology Based on Level Set Method

SHI Haoxun
（Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，Zhejiang，China）

The standardk-εturbulence model was used to analyse the flow field character of oil and gas mixture mixed with coal particles（partical two-phase flow）in micro-oil burner，and the level set method （LSM）was used to simulate the trajectory of partical two-phase flow.The simulation results described the velocity distribution alongX-axis of partical two-phase flow in firebox，as well as the concentration and track of coal particle，it provides theoretical basis for in-depth study of gasificating micro-oil ignition technology.

micro-oil ignition；k-εturbulence model；level set method（LSM）；partical two-phase

TK262

A

1673-0143（2015）05-0437-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.05.011

2015-05-20

杭州市科技项目（20102011A23）

施浩勋（1963—），男，高级工程师，研究方向：工程热物理。