大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法及其应用

大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法及其应用

　动力工程大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法及其应用董芄，洪梅，秦裕琨（哈尔滨工业大学能源科学和工程学院，哈尔滨150001）针对目前大型煤粉锅炉屏区热力计算不准确的问题，提出了上下炉膛分体耦合的炉膛传热计算模型，并且应用此模型和二阶假想面法建立了大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法。图6表2参5主题词：煤粉锅炉炉膛传热三维数值计算获得博士学位，现为哈尔滨工业大学热能工程教研室主任、副教授，主要从事炉内传热、燃烧技术方面的研究工作。

　　0引言随着发电锅炉容量和参数的不断提高，对锅炉运行的可靠性和经济性要求亦愈加严格。因此，准确地进行炉膛传热计算对于大型发电锅炉设计的成功与否十分重要[1， 2 ].对于大型锅炉的炉膛，其上部通常布置有相当数量的屏式过热器，锅炉机组热力计算标准方法将屏式过热器简单地处理成炉膛辐射受热面，且采用零维模型，屏式过热器的传热计算很不准确。而通常的锅炉炉膛传热三维数值计算方法采用全炉膛统一的计算分区形式，不能适用于大型锅炉炉膛传热计算。屏式过热器的准确传热计算目前已成为大型锅炉设计的主要问题。针对这一问题，笔者提出了上、下炉膛分体耦合的炉膛传热计算模式，并且应用此模式和二阶假想面法建立了大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法。此方法不受上、下炉膛计算分区兼容条件的限制，可以按计算精度的要求细化上、下炉膛的传热计算，为大型煤粉锅炉屏式过热器的准确传热计算提供了一个可靠的方法。

　　1上、下炉膛分体耦合计算模式的建立（ 1）以屏式过热器的下端为上、下炉膛的分界面，并以炉膛燃烧、传热一维数学模型计算得出的上炉膛向下炉膛的辐射热量及必要的初始、边界条件进行下炉膛传热的三维数值计算。

　　（ 2）由于大型发电锅炉上炉膛所布置的屏式过热器较多且分布较为均匀，因此可以认为上炉膛向下炉膛的辐射热量是沿界面均匀分配的。经实际验算这项假设所造成的计算误差极其微小，在工程计算中可忽略不计。

　　（ 3）以下炉膛传热三维数值计算得出的下炉膛向上炉膛投射辐射热流密度、炉内介质带入上炉膛的焓值及必要的初始、边界条件进行下炉膛传热的三维数值计算方法计算。

　　上述计算模式基本解决了大型锅炉屏式过热器的准确传热计算的难题。

　　2煤粉气流燃烧数学模型煤粉气流燃烧数学模型是炉膛传热数值计算方法的基础模型之一。由于煤粉气流燃烧机理的复杂性，目前还无法对其过程做出全面的数学描述。为此，本文采用是建立在煤粉燃烧基本理论和物理假设基础上的炉膛内煤粉气流燃烧过程工程化数学模型。

　　此模型的物理假设为：（ 1）煤粉喷入炉膛后被迅速加热，挥发份在燃烧器区全部逸出并瞬时燃尽，同时焦炭颗粒开始燃烧（ 2）挥发份中包括燃料所含全部的氢、氧、氮、硫和少量碳（ 3）挥发份逸出后，焦炭颗粒的尺寸不变，且呈密度均匀、无孔的球形（ 4）在燃烧进程中，焦炭颗粒的密度不变，直径逐渐变小，不存在灰壳，而且每步都按最终生成物反应（ 5）依焦炭颗粒直径和温度的不同，燃烧速度可能受控于氧气扩散率，也可能受控于表面反应率（ 6）煤粉的粒度分布服从于RosinRammler分布模型，在数值计算中，可划分为N个等粒径组分，并认为在挥发份析出后，焦炭颗粒群个组分与份额保持不变。

　　根据上述物理假设和煤粉气流燃烧理论可推导出任一组份的焦炭颗粒未燃尽率对时间的变化率为：式中P――烟气中氧气分压力， Pa T――控制焦炭颗粒在燃烧进程中形态的指数――焦炭颗粒表面气膜温度， K――表面反应率常数――组份j的焦炭初始直径， m――组份j焦炭初始视在密度， kg /m 3炉膛介质辐射传热数学模型此炉膛介质的传热工况以辐射为主，因此本文应用适宜于炉膛介质传热计算的二阶假想面法为本文方法的炉膛辐射传热计算模型。此模型的理论基础是辐射能传递方程，并基于以上原则：（ 1）根据计算精度的要求，将计算结构划分为若干个计算分区，每一个计算单元由一个介质区和若干个实壁面区及假想面区所组成的封闭几何体组成（ 2）任一介质区内的气体介质区内充满了均质、等温的灰介质（ 3）任一壁面区为均质等温灰体表面（ 4）各个介质区和壁面区之间的辐射能量交换用假想面的有效辐射相耦合，假想面的有效辐射为所在计算分区的二阶相邻分区组成的封闭系统的外廓面区通过所含介质的吸收、辐射性介质对该面区背向的投射辐射之和（ 5）假想面不反射入射辐射能量，并对介质在各个计算分区之间的流动不发生作用。

　　在以上原理，应用辐射传热学理论可分别推导出任一存有吸热工质的壁面区能量守恒方程和介质区能量守恒方程如下式中X――面区m的黑度，面积2，温度K和热阻m――面区n和介质区l对面区m的直接交换面积， m――介质区l的自直接交换面积， m――面区n的有效辐射，W /m――介质区l的温度K，吸收系数和化学反应释热率， W /m――流出和流出介质区l的焓值，W――壁面区内工质的温度， K综合上述的计算模型建立的大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法逻辑框图示于图4大型煤粉锅炉炉膛传热三维数值计算方法与分析本文应用上述大型煤粉锅炉炉膛传热三维数值计算方法分别对型、HG2008 /186M型锅炉进行了炉膛传热的计算。由于文章篇幅所限，本文仅给出HG2008 /186M型锅炉炉膛中心纵截面的介质温度，前墙和侧墙水冷壁吸收热流密度、水冷壁灰污层表面温度、火焰中心区和下炉膛出口水平截面介质温度的等值线图和中部屏式过热器吸收热流密度和灰污层表面温度等值线图（图2～图6）。

　　动力工程（ a）平行前墙中心纵截面（ b）平行侧墙中心纵截面（a）前墙（b）侧墙动力工程（ b）灰污层表面温度（°C）和灰污层表面温度等值线图由以上各图可知，本文所建立的大型煤粉锅炉炉膛传热三维数值计算方法的计算结果是详细合理的。

　　点实测介质温度与计算值比较结果。由于是采用红外高温计进行非接触式介质温度测量，其测量结果应为在测点位置上垂直炉墙一定深度范围内的某种平均值，但目前尚无确切的计算方法。本文则设定实测值代表0. 5倍炉墙距炉膛中心纵截面距离范围内的介质温度平均值。从表中可见，各测点实测介质温度值与计算值吻合良好。

　　（ a）火焰中心截面（ b）下炉膛出口截面介质温度值与计算值比较测点编号计算值（°C）实测值（°C）差值（°C）相对差值（ ）质温度值与计算值的比较结果。由于此型锅炉各测点基本布置在炉膛角部，且由于试验工况存在着各种偏差而造成各对称测点实测介质温度值相差较大，因此本文将各等标高对称测点平均值相比较。其实测值代表0. 5倍炉墙距炉膛中心纵截面距离范围内的介质温度平均值。从表中可见，各标高的实测介质温度平均值与计算值大体上是符合的。

　　综上所述，本文所建立的大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法是成功的，其计算结果是合理的。

　　动力工程介质温度值与计算值比较标高值（ m）计算值（°C）实测值（°C）差值（°C）相对差值（ ）5结论（ 1）本文所建立的大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法采用二阶假想面法和上、下炉膛分体耦合计算模式，因此不受上、下炉膛计算分区兼容条件的限制，细化上、下炉膛的传热计算，克服了其它炉膛传热数值计算方法通常存在的屏式过热器的传热计算较为粗糙的缺陷，为大型煤粉锅炉提供了一个较好的方法（ 2）通过应用本文所建立的大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法分别对M型锅炉进行计算分析并与实测结果比较得知，此炉膛传热工程化数值计算方法是合理可靠的，其计算得出的炉膛介质温度分布、炉膛水冷壁和屏式过热器吸收的热流密度和灰污层表面温度分布等结果对于大型煤粉发电锅炉炉膛传热设计、水动力计算和防止炉壁结渣都具有重要指导意义。