燃尽风对炉内流动和燃烧过程影响的数值模拟.pdf

1、 第 26 卷 第 1 期2006 年 2 月动 力 工 程Journal of Power EngineeringVol. 26 No. 1 Feb. 2006 文 章 编 号 :100026761 (2006) 012116205燃 尽 风 对 炉 内 流 动 和 燃 烧 过 程 影 响 的 数 值 模 拟刘 泰 生 , 周 武 , 叶 恩 清(东 方 锅 炉 (集 团 )股 份 有 限 公 司 ,自 贡 643001)摘 要 : 燃 尽 风 作 为 降 低 锅 炉 NOx 排 放 浓 度 的 一 个 措 施 已 在 我 国 得 到 逐 步 推 广 应 用 。 应 用 数 值 模拟 方 法

2、 ,对 1 台 600 MW 对 冲 燃 烧 煤 粉 锅 炉 ,在 满 负 荷 下 燃 尽 风 对 炉 内 流 动 、 燃 烧 和 传 热 过 程 的 影响 开 展 了 研 究 工 作 。 应 用 混 合 分 数 P概 率 密 度 函 数 法 模 拟 湍 流 燃 烧 ,用 P21 辐 射 模 型 开 展 辐 射 传 热模 拟 ,利 用 拉 格 朗 日 P欧 拉 法 处 理 气 固 两 相 间 的 动 量 、 质 量 和 能 量 交 换 ,对 挥 发 份 的 析 出 采 用 单 步 反应 模 型 ,采 用 动 力 P扩 散 反 应 速 率 模 型 模 拟 煤 粉 颗 粒 的 表 面 燃 烧 。

3、研 究 发 现 :一 方 面 ,燃 尽 风 的 应 用改 善 了 炉 内 气 流 的 充 满 情 况 ,延 迟 了 煤 粉 燃 烧 过 程 氧 气 的 供 应 ,加 强 了 炉 内 的 还 原 性 气 氛 ,降 低 了炉 内 最 高 火 焰 温 度 ,有 利 于 降 低 NOx 排 放 浓 度 ;但 另 一 方 面 ,燃 尽 风 的 应 用 将 导 致 煤 粉 燃 烧 效 率 下降 。 图 5 表 2 参 8关 键 词 : 工 程 热 物 理 ; 锅 炉 ; 数 值 模 拟 ; 燃 尽 风中 图 分 类 号 : TK229 文 献 标 识 码 : ANumerical Simulation o

4、f the Effect of Over2FireAir on Flow and Combustion in FurnacesLIU Tai2sheng , ZHOU Wu , YE En2qing(Dongfang Boiler Group Co. Ltd. , Zigong 643001 , China)Abstract : The use of over2fire air as a means of reducing the concentration of NOx , emitted by boiler , has gradually gotpopularized in China.

5、A numerical simulation study on the effect of over2fire air on flow , combustion and heat transfer ,during full capacity operation of a pulverized coal fired 600 MW boiler with cross firing , has been started. MixturefracturePprobability density functions are used to simulate turbulent combustion ;

6、a P2I radiation model is used forsimulating radiation heat transfer , the LangrangePEuler s method is used for dealing with momentum , mass and energyexchange between the solid and the gas phase ; the single rate model for devolatilization and the kiniticsPdiffusion limitedcombustion model for simul

7、ating surface combustion of pulverized coal particles. Study results indicate that over2fire airhelps the current to spread wider in the furnace , delays the introduction of oxygen during the combustion process ; thereducing atmosphere in the furnace gets boosted , and the maximal flame temperature

8、is reduced , which helps to reducethe concentration of emitted NOx . But on the other hand , the use of over2fire air reduces the combustion efficiency ofpulverized coal. Figs 5 , Tables 2 and refs 8.Keywords : engineering thermophysics and mechanical engineering ; boiler ; numerical simulation ; ov

9、er2fire air收 稿 日 期 :2005207205 修 订 日 期 :2005209211作 者 简 介 :刘 泰 生 (19732) ,男 ,江 苏 泰 州 人 ,工 学 博 士 ,高 级 工 程师 。 从 事 大 型 电 站 锅 炉 设 计 、 试 验 和 技 术 开 发 工 作 。随 着 电 站 煤 粉 锅 炉 向 着 大 容 量 、 高 参 数 和 高 环 保 性 能 方 向 发 展 ,墙 式 燃 烧 锅 炉 在 中 国 进 入 了 一 个新 的 发 展 时 期 。 在 现 代 的 墙 式 燃 烧 锅 炉 中 ,普 遍 采用 炉 内 空 气 分 级 燃 烧 技 术 ,即 布

10、置 有 燃 尽 风 (OFA) ,将 燃 料 的 燃 烧 过 程 分 为 两 个 阶 段 来 完 成 以 进 一 步 降低 NOx 排 放 量 。近 年 来 ,部 分 学 者 ,如 夏 钧 1 ,2 、 张 颉 3 和 张 昀 4 等 ,采 用 数 值 模 拟 方 法 对 墙 式 燃 烧 锅 炉 炉 内 过 程 进行 了 相 关 研 究 。 这 些 数 值 研 究 成 果 一 方 面 在 定 性 上与 实 际 运 行 情 况 基 本 吻 合 ;但 在 另 一 方 面 ,普 遍 存 有计 算 网 格 少 、 炉 膛 和 燃 烧 器 结 构 简 化 过 多 等 不 足 ,并且 没 有 涉 及 到

11、燃 尽 风 投 用 时 的 情 况 。本 文 以 Fluent 6. 1 软 件 为 工 作 平 台 ,对 1 台 600MW前 后 墙 对 冲 燃 烧 锅 炉 炉 内 流 动 、 燃 烧 和 传 热 过程 开 展 数 值 模 拟 工 作 ,探 讨 燃 尽 风 投 用 对 炉 内 流 动和 燃 烧 过 程 的 影 响 。1 研 究 对 象 与 网 格 分 布1. 1 研 究 对 象本 文 的 研 究 对 象 为 1 台 600 MW 亚 临 界 前 后 墙对 冲 燃 烧 锅 炉 炉 膛 。 炉 膛 前 后 墙 各 分 3 层 布 置 低NOx 双 调 风 旋 流 煤 粉 燃 烧 器 。 煤 粉

12、 燃 烧 器 中 空 气 被分 为 4 股 :中 心 风 、 一 次 风 、 二 次 风 和 三 次 风 。 每 层布 置 5 只 煤 粉 燃 烧 器 ,全 炉 共 有 30 只 煤 粉 燃 烧 器 。在 最 上 层 煤 粉 燃 烧 器 上 面 布 置 OFA 燃 烧 器 ,1 层 5只 ,全 炉 共 10 只 。 每 个 OFA 燃 烧 器 由 一 、 二 次 风 管组 成 ,一 次 风 为 直 流 ,二 次 风 为 旋 流 。 炉 膛 上 部 布 置有 屏 式 和 高 温 过 热 器 。锅 炉 燃 用 山 西 烟 煤 ,配 直 吹 式 制 粉 系 统 ,共 6 台磨 煤 机 ,每 台 磨

13、对 应 单 面 墙 的 1 层 共 5 只 煤 粉 燃 烧器 。 满 负 荷 时 投 用 5 台 磨 ,余 下 1 台 备 用 。 设 计 煤粉 细 度 R90为 20 % 25 %。1. 2 计 算 区 域 与 网 格 情 况计 算 模 型 和 原 型 的 几 何 比 例 为 1 1。 计 算 区 域为 锅 炉 炉 膛 ,上 部 布 置 有 屏 式 过 热 器 。 煤 粉 燃 烧 器结 构 在 数 值 模 拟 中 基 本 未 作 简 化 ,安 排 有 中 心 风 、 一次 风 、 二 次 风 和 三 次 风 ,突 出 双 调 风 的 特 点 。 与 原 型相 比 ,计 算 模 型 在 炉 膛

14、 、 燃 烧 器 和 炉 内 受 热 面 结 构 上所 作 的 简 化 极 少 。 根 据 锅 炉 满 负 荷 时 投 用 5 台 磨 的运 行 特 点 ,计 算 模 型 上 布 置 有 5 层 煤 粉 燃 烧 器 (其 中前 墙 3 层 ,后 墙 2 层 ) ,2 层 OFA 燃 烧 器 (前 、 后 墙 各 1层 ) 。网 格 划 分 上 采 用 了 块 结 构 化 网 格 技 术 ,该 技 术一 方 面 可 减 少 网 格 生 成 的 难 度 ,在 每 一 块 中 都 可 以较 为 方 便 地 生 成 结 构 化 网 格 ;另 一 方 面 便 于 实 现 局部 网 格 加 密 。 研 究

15、 区 域 被 划 分 为 4 块 :上 炉 膛 、 下 炉膛 、 冷 灰 斗 和 燃 烧 器 。 每 块 单 独 划 分 结 构 化 网 格 。其 中 ,燃 烧 器 和 下 炉 膛 区 域 的 网 格 密 度 最 高 ,冷 灰 斗的 网 格 密 度 最 低 。 计 算 区 域 的 网 格 总 数 为 47 万 个 。图 1 展 示 了 计 算 区 域 和 网 格 划 分 情 况 。图 1 计 算 区 域 和 网 格 划 分 简 图Fig 1 Sketch of the calculation zone and its meshing2 数 学 模 型将 气 相 作 为 连 续 相 介 质 ,在

16、 欧 拉 ( Eulerian) 坐 标系 中 描 述 ,采 用 标 准 k2 湍 流 模 型 模 拟 气 相 湍 流 运输 5 ,用 混 合 分 数 2概 率 密 度 函 数 ( mixture2fraction/PDF)模 拟 气 相 湍 流 燃 烧 6 ,用 P21 辐 射 模 型 开 展 辐射 传 热 模 拟 7 ;将 煤 粉 颗 粒 看 作 离 散 相 物 质 ,在 拉 格朗 日 (Lagrangian)坐 标 系 中 描 述 ;采 用 拉 格 朗 日 2欧 拉法 处 理 煤 粉 颗 粒 的 挥 发 份 析 出 、 燃 烧 和 煤 焦 燃 烧 过程 ,以 及 气 固 两 相 间 的

17、质 量 、 动 量 和 能 量 的 相 互 作用 ;对 挥 发 份 的 析 出 采 用 单 步 反 应 模 型 8 ,采 用 动 力/ 扩 散 反 应 速 率 模 型 8 模 拟 煤 粉 颗 粒 的 表 面 燃 烧 ,考虑 颗 粒 辐 射 和 气 体 辐 射 。炉 内 三 维 气 相 流 动 、 热 平 衡 与 燃 烧 的 控 制 方 程可 写 成 如 下 统 一 形 式 :5 ( u)5 x +5 ( v)5 y +5 ( w)5 z =55 x 5 5 x +55 y 5 5 y +55 z 5 5 z + S + Sp(1)式 中 , 分 别 代 表 速 度 u , v , w、 湍 流

18、 动 能 k、 湍流 动 能 耗 散 率 、 时 均 混 合 分 数 f 、 混 合 分 数 脉 动 均方 值 g、 焓 h 和 i 组 分 的 质 量 分 数 Yi , 为 扩 散 系数 ,当 = 1. 0 时 为 连 续 性 方 程 , S 是 由 气 相 引 起的 源 项 , Sp 是 由 固 体 颗 粒 引 起 的 源 项 。若 知 道 炉 内 气 相 流 场 、 温 度 场 和 组 分 场 等 分 布情 况 ,便 可 在 拉 格 朗 日 (Lagrangmn) 坐 标 系 下 ,根 据颗 粒 受 力 的 微 分 方 程 求 出 煤 粉 颗 粒 的 运 动 轨 迹 ,进而 选 取 适

19、当 的 煤 粉 挥 发 份 析 出 、 燃 烧 和 煤 焦 燃 烧 数学 模 型 完 成 沿 运 动 轨 迹 的 计 算 ,煤 粉 在 运 动 轨 迹 上放 出 的 组 份 、 热 量 和 动 量 等 可 认 为 是 气 相 场 中 的 源项 。 交 替 求 解 离 散 项 和 连 续 相 的 控 制 方 程 ,直 到 二者 均 收 敛 ,这 样 便 实 现 了 气 固 两 相 的 耦 合 计 算 。711 第 1 期 刘 泰 生 ,等 :燃 尽 风 对 炉 内 流 动 和 燃 烧 过 程 影 响 的 数 值 模 拟在 挥 发 份 析 出 上 采 用 的 是 单 步 反 应 模 型 ,该 模型

20、 假 设 挥 发 份 析 出 速 率 与 颗 粒 中 保 持 的 挥 发 份 含 量呈 一 次 幂 关 系 。d mpd t = k mp - (1 - f v ,0 ) mp ,0 (2)k = A1 e- ( EPRT) (3)式 中 mp 颗 粒 质 量 ,kgf v ,0 颗 粒 初 始 挥 发 份 质 量 分 数mp ,0 颗 粒 初 始 质 量 ,kgk 反 应 速 率 常 数A1 指 前 因 子E 活 化 能 ,JP(kg mol)对 于 本 文 研 究 的 设 计 煤 种 ,取 A1 = 492000 , E =7. 4 107 J/ (kg mol) 。挥 发 份 析 出 结

21、 束 ,颗 粒 就 开 始 进 入 煤 焦 燃 烧 过程 ,直 至 可 燃 组 分 全 部 烧 完 。 计 算 中 认 为 煤 焦 与 氧气 反 应 为 一 步 反 应 ,即 碳 直 接 被 氧 化 成 二 氧 化 碳 。本 文 研 究 中 采 用 的 是 动 力 / 扩 散 控 制 反 应 速 率 模 型 。该 模 型 假 定 表 面 反 应 速 率 同 时 受 到 扩 散 过 程 和 动 力过 程 的 影 响 ,煤 焦 的 燃 烧 速 率 为 :d mpd t = - d2ppoxDo RDo + R (4)Do = C1 ( Tp + T)P2 0. 75dp (5)R = C2 e-

22、( EPRTp) (6)式 中 Do 扩 散 速 率 常 数R 动 力 反 应 常 数C1 有 限 速 率 扩 散 常 数C2 动 力 速 率 指 前 因 子pox 颗 粒 周 围 的 气 相 氧 化 剂 分 压对 于 本 课 题 研 究 的 设 计 煤 种 ,取 C1 = 5 10 - 12 ,C2 = 0. 002 , E = 7. 9 107 JP(kg mol) 。3 工 况 设 置 和 边 界 条 件进 行 了 2 个 工 况 的 研 究 ,分 别 命 名 为 工 况 1 和工 况 2。 这 2 个 工 况 对 应 的 负 荷 均 为 满 负 荷 ,燃 用的 煤 种 均 为 设 计

23、煤 种 ;两 个 工 况 间 的 区 别 在 于 工 况1 投 用 燃 尽 风 ,工 况 2 未 投 用 燃 尽 风 。 2 个 工 况 投 用的 煤 粉 燃 烧 器 均 一 样 ,前 墙 3 层 (由 下 向 上 分 别 命 名为 A、 B 和 C) ,后 墙 两 层 (由 下 向 上 分 别 命 名 为 D 和F) ,其 中 A、 D 层 标 高 相 同 ,C、 F 层 标 高 相 同 。 各 工况 的 总 供 风 量 、 供 煤 量 相 同 。入 口 边 界 条 件 在 燃 烧 器 入 口 处 ,分 别 对 中 心 风 、一 次 风 、 二 次 风 和 三 次 风 赋 入 口 速 度 值

24、 。 各 煤 粉 燃烧 器 的 煤 粉 质 量 流 率 均 为 2. 29 kg/ s ,煤 粉 颗 粒 尺 寸为 70 m。 炉 膛 出 口 处 为 出 口 边 界 条 件 ,选 用 等 压力 边 界 条 件 。 炉 膛 水 冷 壁 和 屏 式 过 热 器 壁 面 均 取 固体 壁 面 边 界 条 件 ,采 用 标 准 壁 面 函 数 修 正 。 根 据 锅炉 热 力 计 算 书 中 相 关 资 料 ,取 水 冷 壁 的 壁 面 温 度 为705 K,屏 式 过 热 器 的 壁 面 温 度 为 823 K。 壁 面 黑 度取 为 0. 78。4 数 值 模 拟 结 果 与 分 析4. 1 炉

25、 内 流 动 特 点在 这 2 个 计 算 工 况 中 ,由 于 前 墙 进 入 炉 膛 的 气流 动 量 高 于 后 墙 ,这 自 然 会 引 起 对 主 气 流 是 否 冲 刷或 者 偏 向 后 墙 方 面 的 关 注 。 计 算 结 果 显 示 :主 气 流基 本 保 持 在 炉 膛 深 度 方 向 的 中 部 区 域 ,稍 稍 向 后 墙偏 了 一 点 ,无 明 显 的 主 气 流 冲 刷 或 偏 向 于 后 墙 或 前墙 的 现 象 。 工 况 2 中 前 、 后 墙 间 气 流 动 量 差 异 较 工况 1 更 大 ,因 此 主 气 流 向 后 墙 的 偏 斜 更 为 明 显 些

26、。炉 内 气 流 充 满 度 是 讨 论 炉 内 流 动 状 况 时 十 分 关注 的 内 容 。 好 的 气 流 充 满 度 对 于 获 得 合 适 的 炉 内 停留 时 间 、 防 范 结 渣 等 十 分 重 要 。 本 文 采 用 截 面 气 流充 满 系 数 来 评 价 炉 内 气 流 充 满 度 ,其 定 义 为 炉 内水 平 截 面 上 上 升 速 度 大 于 某 一 定 性 值 所 占 的 面 积 与水 平 截 面 积 的 比 值 ,定 性 值 一 般 取 为 燃 烧 器 出 口 加权 平 均 速 度 的 10 %。 在 本 文 中 ,定 性 值 取 为 3 m/ s。考 察 水

27、 平 截 面 从 Z = 29 m(OFA 燃 烧 器 上 约 3 m) 起至 Z = 40 m(折 焰 角 起 始 处 ) 止 。 在 这 一 区 段 ,两 个工 况 的 气 流 平 均 上 升 速 度 是 一 样 的 ,具 有 良 好 的 可比 性 。 具 体 情 况 见 图 2。 越 大 ,表 明 气 流 充 满 情况 越 好 。 一 般 希 望 位 于 0. 8 0. 95 区 间 内 。 对 于这 两 个 工 况 , 值 沿 炉 膛 高 度 增 加 而 增 加 。 在 炉 内气 流 充 满 情 况 方 面 ,工 况 1 明 显 优 于 工 况 2。 工 况 1的 炉 内 气 流 充

28、满 情 况 已 达 到 期 望 值 。 可 见 ,投 用 燃尽 风 明 显 改 善 了 炉 内 气 流 充 满 情 况 。 投 用 燃 尽 风 减小 了 射 入 炉 内 的 总 气 流 动 量 和 单 只 燃 烧 器 射 入 炉 内的 气 流 动 量 ,这 是 投 用 燃 尽 风 后 炉 内 气 流 充 满 情 况得 以 明 显 改 善 的 主 要 原 因 。图 2 沿 炉 膛 高 度 截 面 气 流 充 满 系 数 变 化 情 况Fig 2 Current s spread coefficient at different cross2sections alongthe height of

29、the furnace811 动 力 工 程 第 26 卷 4. 2 烟 温 分 布 特 点图 3 展 示 了 这 2 个 工 况 沿 炉 膛 高 度 各 水 平 截 面的 平 均 烟 温 的 变 化 情 况 。 在 煤 粉 燃 烧 器 区 域 ,工 况1 的 过 量 空 气 系 数 为 = 1. 0 ,而 工 况 2 为 = 1. 18。由 于 工 况 2 在 煤 粉 燃 烧 器 区 域 氧 量 供 应 较 工 况 1 充足 ,煤 粉 的 燃 烧 和 放 热 更 加 强 烈 ,燃 尽 程 度 更 高 。 因此 ,在 该 区 域 ,工 况 2 烟 温 较 工 况 1 高 。 在 离 开 煤 粉

30、燃 烧 器 区 域 后 至 进 入 屏 区 前 ,工 况 2 中 的 烟 气 温 度(截 面 平 均 烟 温 和 最 高 烟 温 )基 本 上 随 着 炉 膛 高 度 的增 加 而 呈 现 为 线 性 下 降 的 趋 势 ,火 焰 向 受 热 面 的 散热 强 于 颗 粒 的 燃 烧 放 热 。 对 于 工 况 1 ,其 在 这 一 区段 的 烟 温 变 化 规 律 与 工 况 2 明 显 不 同 。 由 于 燃 尽 风相 对 于 高 温 火 焰 而 言 是 一 股 冷 风 ,因 此 其 投 入 后 截面 平 均 烟 气 温 度 有 明 显 的 下 降 ,下 降 幅 度 约 为 100K;另

31、外 ,对 于 煤 粉 颗 粒 的 燃 烧 而 言 ,燃 尽 风 又 起 到了 后 期 补 氧 的 作 用 ,促 使 其 燃 尽 ,表 现 在 烟 温 分 布 上则 呈 现 为 在 相 当 长 的 炉 膛 高 度 区 段 内 ( Z = 28 m35 m)基 本 维 持 为 一 常 数 (1620 K左 右 ) 。 这 个 现 象表 明 在 燃 尽 风 投 用 后 ,煤 粉 进 行 “ 后 期 补 燃 ” ,在 相 当长 的 炉 膛 高 度 区 段 内 ( Z = 28 m 35 m) 火 焰 向 受 热面 的 散 热 与 颗 粒 的 燃 烧 放 热 趋 于 相 等 ,从 而 维 持 烟气 温

32、度 基 本 不 变 。 在 Z = 35 42 m 水 平 截 面 间 ,煤粉 的 “ 后 期 补 燃 ” 过 程 基 本 结 束 ,颗 粒 燃 烧 放 热 明 显减 少 ,烟 温 基 本 上 随 着 炉 膛 高 度 的 增 加 而 呈 现 为 线性 下 降 的 趋 势 。 在 屏 过 入 口 ,两 个 工 况 的 平 均 烟 温相 差 较 小 ,工 况 1 较 工 况 2 高 20 K。 这 是 由 于 工 况1中 燃 尽 风 的 投 入 使 得 煤 粉 燃 烧 发 生 了 “ 后 期 补燃 ” ,从 而 增 加 了 火 焰 长 度 所 导 致 。图 3 沿 炉 膛 高 度 各 水 平 截

33、面 平 均 烟 气 温 度 的 变 化 情 况Fig 3 Mean gas temperature over different horizontal cross2sectionsalong the height of the furnace从 图 3 中 可 以 看 到 :燃 尽 风 的 投 用 可 在 大 部 分炉 膛 高 度 范 围 ( Z = 20 37 m) 内 降 低 水 平 截 面 烟 气温 度 。 如 果 将 水 平 截 面 平 均 烟 温 高 于 1673 K(1400 )的 区 域 认 为 是 热 力 型 NOx 生 成 的 主 要 区 域 ,工况 1 为 16. 45 2

34、4 m ,工 况 2 为 16. 45 31 m。 可 见 ,投 用 燃 尽 风 将 明 显 缩 小 热 力 型 NOx 的 生 成 区 域 ,这对 于 减 少 热 力 型 NOx 的 生 成 是 有 好 处 的 。4. 3 组 份 分 布 特 点图 4 和 5 分 别 展 示 了 沿 炉 膛 高 度 各 水 平 截 面 上平 均 O2 和 CO 摩 尔 分 数 (体 积 浓 度 ) 的 变 化 情 况 。在 煤 粉 燃 烧 器 区 域 ,工 况 2 的 O2 浓 度 明 显 高 于 工 况1 ,约 高 1. 2 % ,这 是 由 于 工 况 2 中 煤 粉 燃 烧 器 区 域 供应 的 空

35、气 量 明 显 高 于 工 况 1。 工 况 1 中 ,由 于 燃 尽风 的 投 入 使 得 OFA 区 域 的 平 均 O2 浓 度 有 明 显 的 跃升 。 沿 整 个 炉 膛 高 度 ,工 况 1 中 的 平 均 CO 浓 度 均明 显 高 于 工 况 2 ,在 燃 烧 器 区 域 更 为 明 显 。 从 炉 内平 均 O2 和 CO 浓 度 的 分 布 可 以 看 到 ,燃 尽 风 投 用 后炉 内 还 原 性 气 氛 得 到 了 显 著 增 强 ,这 有 利 于 控 制 燃料 型 NOx 的 生 成 和 加 速 NOx 还 原 反 应 ,从 而 促 使NOx 的 最 终 排 放 浓

36、度 下 降 。图 4 沿 炉 膛 高 度 各 水 平 截 面 平 均 氧 气 摩 尔 分 数 变 化 情 况Fig 4 Mean O2 molar fraction over different cross2sections along theheight of the furnace图 5 沿 炉 膛 高 度 各 水 平 截 面 平 均 一 氧 化 碳 摩 尔 分 数 变 化 情 况Fig 5 Mean CO molar fraction over different horizontal cross2sectionsalong the height of the furnace4. 4 煤

37、 粉 燃 尽 率表 1 展 示 了 炉 膛 出 口 处 的 煤 粉 燃 尽 情 况 和 计 算得 到 的 飞 灰 末 燃 物 热 损 失 情 况 。 从 表 1 中 可 以 看到 ,较 之 停 用 燃 尽 风 时 的 情 况 ,投 用 燃 尽 风 时 飞 灰 未燃 物 热 损 失 明 显 增 加 ,增 加 了 2. 17 %。 燃 尽 风 的 投用 延 迟 了 煤 粉 燃 烧 过 程 氧 气 的 供 应 ,加 强 了 炉 内 的还 原 性 气 氛 ,降 低 了 炉 内 火 焰 温 度 ,不 可 避 免 地 使 得煤 粉 燃 烧 效 率 下 降 。911 第 1 期 刘 泰 生 ,等 :燃 尽

38、风 对 炉 内 流 动 和 燃 烧 过 程 影 响 的 数 值 模 拟表 1 炉 膛 出 口 处 煤 粉 燃 尽 情 况Tab. 1 Burn2out rate of the pulverized coalat the furnace s exit挥 发 份 燃 尽 率/ %煤 焦 燃 尽 率/ %飞 灰 可 燃 物热 损 失 / %工 况 1 100 93. 07 4. 57工 况 2 100 96. 32 2. 404. 5 炉 膛 出 口 烟 温表 2 中 给 出 了 炉 膛 出 口 平 均 烟 温 等 情 况 。 由 于现 场 试 验 获 得 炉 内 数 据 相 当 困 难 。 因 此

39、 ,评 估 数 值模 拟 的 准 确 程 度 主 要 是 与 热 力 计 算 结 果 进 行 比 较 。这 中 间 最 重 要 的 数 据 就 是 炉 膛 出 口 平 均 烟 温 。 从 表2 中 可 以 看 到 :数 值 模 拟 得 到 的 结 果 与 热 力 计 算 结果 十 分 接 近 ,偏 差 幅 度 为 19 34 K。 这 表 明 数 值 模拟 结 果 具 有 相 当 程 度 的 可 信 性 和 准 确 度 。 此 外 ,从表 2 中 亦 可 以 看 到 :燃 尽 风 投 用 与 否 对 炉 膛 出 口 平均 烟 温 有 一 定 的 影 响 ,但 影 响 幅 度 很 小 ,基 本

40、在 20K以 内 。表 2 炉 膛 出 口 平 均 烟 温 等 情 况Tab. 2 Average gas temperature at the exit ofthe furnace工 况 1 工 况 2屏 过 入 口 平 均 烟 温 / K 1513 1493炉 膛 出 口 平 均 烟 温 / K 1280 1294热 力 计 算 中 炉 膛 出 口 平 均 烟 温 / K 1314数 值 模 拟 与 热 力 计 算 的 差 值 / K - 34 - 195 结 论本 文 通 过 数 值 模 拟 的 方 法 ,就 投 用 燃 尽 风 对 炉内 流 动 和 燃 烧 过 程 的 影 响 开 展

41、研 究 。 研 究 结 果 显示 :(1) 燃 尽 风 的 投 用 改 善 了 炉 内 气 流 充 满 度 ,延迟 了 煤 粉 燃 烧 过 程 氧 气 的 供 应 ,加 强 了 炉 内 的 还 原性 气 氛 ,降 低 了 炉 内 火 焰 温 度 ,有 利 于 降 低 NOx 最终 排 放 浓 度 和 减 小 水 冷 壁 上 可 能 发 生 结 渣 的 范 围 ;(2) 燃 尽 风 的 投 用 导 致 煤 粉 燃 烧 效 率 下 降 ;(3) 燃 尽 风 投 用 与 否 对 炉 膛 出 口 平 均 烟 温 有 一定 的 影 响 ,但 影 响 幅 度 很 小 ,基 本 在 20 K以 内 。参 考

42、 文 献 :1 夏 钧 ,钱 力 庚 ,樊 建 人 ,等 . 330MW对 冲 锅 炉 炉 内 流 场模 拟 及 试 验 研 究 J . 动 力 工 程 ,2002 ,22 (3) : 17721776.2 夏 钧 ,钱 力 庚 ,樊 建 人 ,等 . 莫 特 卡 洛 法 在 对 冲 燃 烧 锅炉 传 热 计 算 中 的 应 用 J . 动 力 工 程 ,2002 ,22 (6) :2059 2063.3 张 颉 ,孙 锐 ,吴 少 华 ,等 . 200MW旋 流 燃 烧 方 式 煤 粉炉 炉 内 燃 烧 试 验 和 数 值 研 究 J . 中 国 电 机 工 程 学 报 ,2003 ,23

43、(8) :215 220.4 张 昀 ,庞 开 宇 . 俄 制 800MW 机 组 锅 炉 燃 烧 器 的 研 究J . 东 北 电 力 技 术 ,2003 ,16 (8) :5 8.5 陶 文 铨 . 数 值 传 热 学 M. 西 安 :西 安 交 通 大 学 出 版 社 ,1988.6 范 维 澄 ,万 跃 鹏 . 流 动 与 燃 烧 的 模 型 与 计 算 M. 合 肥 :中 国 科 技 大 学 出 版 社 ,1992.7 Fluent Inc. Fluent User s Guide : Vol. 3 Z. Lebanon ,USA : Fluent Inc , 2001.8 岑 可

44、法 ,姚 强 ,骆 仲 泱 ,等 . 燃 烧 理 论 与 污 染 控 制M. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2004.(上 接 第 96 页 )结 合 罚 函 数 ,将 非 线 性 约 束 转 化 为 非 约 束 问 题求 解 ,在 寻 优 操 作 过 程 中 检 验 样 本 的 有 效 性 。 并 通过 目 标 函 数 中 负 荷 取 值 区 间 判 别 处 理 方 法 ,将 具 有状 态 变 量 的 混 合 整 数 2 n 规 模 问 题 ,降 低 为 规 模 为 n的 优 化 问 题 ,减 少 了 计 算 次 数 。该 改 进 的 混 沌 优 化 算 法 应 用 到 电 站 机

45、 组 组 合 问题 中 ,仿 真 结 果 表 明 该 算 法 结 构 简 单 ,搜 索 速 度 快 ,其 混 沌 运 动 规 律 使 寻 优 过 程 更 易 于 跳 出 局 部 最 优解 ,获 得 了 比 传 统 遗 传 算 法 更 好 的 求 解 质 量 ,为 解 决负 荷 经 济 分 配 问 题 提 供 了 又 一 有 效 手 段 。 如 果 进 一步 考 虑 启 停 耗 损 、 网 损 等 条 件 ,可 以 将 机 组 负 荷 分 配优 化 问 题 推 广 应 用 到 电 力 系 统 经 济 运 行 、 最 优 潮 流 、系 统 辨 识 、 最 优 控 制 等 方 面 ,具 有 深 入

46、的 研 究 价 值 。参 考 文 献 : 1 唐 巍 ,李 殿 璞 ,陈 学 允 . 混 沌 理 论 及 其 应 用 研 究 J .电 力 系 统 自 动 化 ,2000 ,4 (10) :67 70. 2 王 凌 ,郑 大 钟 ,李 清 生 . 混 沌 优 化 方 法 的 研 究 进 展J . 计 算 技 术 与 自 动 化 ,2001 ,20 (1) :1 5. 3 张 火 明 ,杨 建 民 . 变 尺 度 混 沌 优 化 方 法 的 改 进 及 应 用J . 华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报 ,2004 ,18 (4) :21 26. 4 张 春 慨 ,徐 立 云 ,邵 惠 鹤 . 改 进 混 沌 优 化 及 其 在 非 线 性约 束 优 化 问 题 中 的 应 用 J . 上 海 交 通 大 学 学 报 ,2000 ,34 (5) :593 595 ,599.021 动 力 工 程 第 26 卷