0、引言
    當前我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，伴隨著大量超臨界、超超臨界機組的相繼投運，及“以大代小”等政策的實施，節(jié)能效果明顯，全國平均供電煤耗從2005年的370g/kWh降為2008的349g/kWh。但是我國動力用煤多年以來“煤質(zhì)差，而且煤質(zhì)多變”的特點仍然突出，乃至一些超臨界機組也存在燃煤偏離設計煤種的情況，導致滅火頻繁、出力下降、可靠性降低等問題。
    針對某600MW超臨界鍋爐運行中存在的實際問題開展研究。由于地理位置、運輸成本及煤炭市場供求關(guān)系影響，該爐燃煤嚴重偏離設計煤種，制粉出力不足。同時還表現(xiàn)出再熱汽溫偏低、飛灰可燃物高的現(xiàn)象。針對該爐這些現(xiàn)場實際問題，經(jīng)研究提出了對該爐進行衛(wèi)燃帶改造的技術(shù)方案，目的在于強化著火、燃盡的同時，提高爐膛出口煙溫，增加再熱器的吸熱比例。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    爐內(nèi)燃燒過程的數(shù)值模擬技術(shù)近年來發(fā)展較快，不乏用來指導工程應用的實例。利用其指導鍋爐改造的實施，可有效降低改造風險、控制改造費用及提高改造的成功率。本文對該爐衛(wèi)燃帶改造前后的爐內(nèi)燃燒狀況進行了數(shù)值預報，并結(jié)合實際改造情況進行了分析。
1、研究對象及存在問題
1.1研究對象
    本文研究對象為600MW超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Ⅱ型布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。設計煤種為貴州煙煤。
    燃燒系統(tǒng)由24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角。制粉系統(tǒng)采用正壓冷一次風直吹式系統(tǒng)設計，配6臺MPS中速磨。
    過熱蒸汽系統(tǒng)：由汽水分離器引出后，經(jīng)爐頂引至后煙井包覆，然后送回爐膛上部的分隔屏，其后為后屏、高過。從總體布置及傳熱特點來看，呈輻射式汽溫特性。
    再熱蒸汽系統(tǒng)：有布置于鍋爐尾部的低溫再熱器水平段(10683m2)和低溫再熱器垂直段(1518m2)，還有布置于爐膛出口處的末級再熱器(2443m2)�？傮w呈對流特性。
  再熱蒸汽調(diào)溫主要采用擺動燃燒器噴嘴角度來改變火焰中心高度，從而改變爐膛出口煙溫。噴嘴上下擺動角度為30°。過熱蒸汽調(diào)溫除受燃燒器噴嘴擺動影響外，主要靠噴水和調(diào)節(jié)煤水比來調(diào)溫。
    表1中列出實際煤種的成份為統(tǒng)計平均值，實際燃煤來源復雜，有無煙煤，也有褐煤，所以對煤粉氣流的著火和燃盡有很大影響。
1.2存在問題
    由于實際燃煤中包含大量無煙煤，而制粉系統(tǒng)配備的是MPS中速磨，該磨不適于磨制無煙煤，致使磨煤機出力、煤粉細度均達不到要求，同時磨的磨損嚴重。
    再者為燃盡程度差，2008年8月運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，飛灰可燃物達8%～16%，灰渣可燃物達10%～27%。
    同時還表現(xiàn)出再熱汽溫偏低，額定工況高，再出口汽溫設計值為569℃，實際只能達到546℃左右。
2、改造方案介紹
    分析表明，導致該爐出現(xiàn)上述問題的主要原因是實際煙煤來源雜而且差，尤其是大量無煙煤的存在。從鍋爐設計及改造技術(shù)來看，敷設衛(wèi)燃帶是強化無煙煤著火和燃盡的主要措施，同時可使爐膛出口及尾部煙道煙溫升高，從而改變過熱系統(tǒng)與再汽系統(tǒng)的吸熱比例，促進再熱汽溫升高，有助于解決現(xiàn)場存在的問題。
    本文針對該爐實際情況，設計了水冷壁衛(wèi)燃帶敷設方案。在燃燒器區(qū)域四墻水冷壁均敷設，各墻衛(wèi)燃帶設計面積見表2，總計為237. 2mz。圖1所示為前墻衛(wèi)燃帶設計方案。
3、數(shù)值模擬
    為了考察敷設衛(wèi)燃帶的實施效果，本文對改造前后的爐內(nèi)燃燒及換熱狀況進行了數(shù)值預報。
3.1計算區(qū)域與網(wǎng)格生成
    圖2所示為數(shù)值求解區(qū)域，將其延伸至尾部煙道，以考察此處煙溫的變化。共劃分52萬個網(wǎng)格，全部采用六面體結(jié)構(gòu)，其中在燃燒器區(qū)域速度梯度最大處，即噴口入口處，采用了與射流入射角夾角較小網(wǎng)格生成技術(shù)，以減小偽擴散。
3.2計算工況及入口邊界條件
計算了衛(wèi)燃帶改造前后的爐內(nèi)燃燒工況（如表3所示）。兩工況下的入口邊界相同，僅是衛(wèi)燃帶所在區(qū)域的壁面條件設置不同，原始工況下，壁面定義為定溫條件，改造工況設定為絕熱壁面。
3.3數(shù)學模型
    采用標準雙方程模型來模擬四角切圓燃燒鍋爐的爐內(nèi)氣相湍流流動。三維笛卡爾坐標系下控制方程的統(tǒng)一形式如下：
    爐內(nèi)燃燒過程的其它模型分別是：湍流燃燒模型采用概率密度函數(shù)法；輻射模型為求解速度較快的P-l模型；顆粒相的模擬采用拉格朗日隨機軌道法；煤的熱解和燃燒模型分別采用雙匹配競爭反應模型和動力擴散模型。
    采用SIMPLE算法求解壓力與速度的耦合問題。為提高計算精度，動量、湍動能及能量采用二階迎風格式。
4、結(jié)果與分析
4.1爐內(nèi)燃燒過程總體情況
    圖4為敷設衛(wèi)燃帶工況下的爐膛縱截面溫度場。從中可看出四角切圓燃燒方式的特點，在燃燒器區(qū)域存在環(huán)狀高溫區(qū)，向著冷灰斗及爐膛出口方向，煙溫逐漸降低，至爐膛出口處煙溫約1200K。
    兩個模擬工況的主要差別體現(xiàn)在爐膛溫度水平的變化，為此，將沿爐高不同截面的截面平均溫度繪于圖5。
    由圖5可知，受敷設衛(wèi)燃帶影響，整個爐內(nèi)溫度水平均有提高，其中燃燒器區(qū)域的溫度差別較大，在26. 544m標高處溫差最大達70℃，而到55. 051m標高溫差約15℃。
4.2敷設衛(wèi)燃帶對著火的影響
    圖5所示燃燒器區(qū)域平均溫度得到較大的提升，對促進煤粉氣流的著火作用明顯。再者，本文設計衛(wèi)燃帶的布置方案時，重點在噴口的兩側(cè)品字形布置，下層多、上層少，這種布置方法不僅考慮了強化著火，同時也為了盡可能地減輕結(jié)渣。如圖6所示，在衛(wèi)燃帶區(qū)域，最高溫度達1600K。
4.3敷設衛(wèi)燃帶對爐內(nèi)換熱的影響
    表5為模擬結(jié)果中對爐膛各區(qū)域水冷壁吸熱量的統(tǒng)計�？梢钥闯�，由于敷設衛(wèi)燃帶后整個爐內(nèi)的溫度水平上升，無衛(wèi)燃帶各區(qū)段水冷壁的吸熱量明顯增加，但由于237. 2m2的衛(wèi)燃帶的絕熱效果，整個爐內(nèi)水冷壁的吸熱量有所降低，爐膛出口煙溫升高，這對總體呈對流特性的再熱系統(tǒng)的汽溫升高是有幫助的。
4.4敷設衛(wèi)燃帶對燃盡的影響
    對各角燃燒器噴口煤粉氣流的軌道跟蹤表明，原始工況下煤粉氣流碳的轉(zhuǎn)化率平均值為92. 3%，敷設衛(wèi)燃帶后達到93.0%，其原因在于敷設衛(wèi)燃帶后，著火條件改善，著火提前，燃盡時間延長，加之爐膛溫度水平整體上升，所以燃盡率提高效果顯著。
5、現(xiàn)場鍋爐改造情況
    該爐在隨后的大修中進行了衛(wèi)燃帶改造及制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的調(diào)整。大修后運行數(shù)據(jù)表明，同負荷下再熱汽溫提高了約10℃，飛灰含碳量約5%左右。再熱汽溫的升高及燃盡率的提高均比較明顯。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
6、結(jié)論
    通過本次數(shù)值模擬研究，可以看出本文提出的衛(wèi)燃帶改造方案對解決該鍋爐現(xiàn)場存在的問題有顯著效果，總結(jié)如下：
    ①敷設衛(wèi)燃帶后，整個爐膛的溫度水平明顯升高，截面平均溫度最高可提高約70℃，這對促進該爐著火穩(wěn)定和提高燃盡率均有顯著效果；
    ②衛(wèi)燃帶的遮蓋減少了爐膛水冷壁的吸熱，但由于爐內(nèi)煙溫的升高，水冷壁的總吸熱量減少不明顯，這是增設衛(wèi)燃帶卻沒有大幅提升再熱汽溫的一個原因；
    ③要想進一步解決該爐現(xiàn)場存在的問題，不能單純依靠敷設衛(wèi)燃帶的方法，尚需燃燒系統(tǒng)及受熱面結(jié)構(gòu)等方面的研究和改造來實現(xiàn)。