CN110805924A

CN110805924A - 一种电站锅炉的二次风通道调节装置及燃烧数值模拟方法

Info

Publication number: CN110805924A
Application number: CN201911309722.4A
Authority: CN
Inventors: 丁红蕾; 杜威; 潘卫国; 周柒; 郭得通
Original assignee: Shanghai Electric Power University
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; Shanghai Electric Power University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-02-18

Abstract

本发明提供了一种电站锅炉的二次风通道调节装置，用于控制电站锅炉的炉膛内二次风的送入量，包括：调节挡板，斜插入电站锅炉的每个二次风通道内，并通过改变插入长度来控制二次风的送入量；二次风调节挡板传感器，与调节挡板连接，用于控制调节挡板进行动作，其中，二次风调节挡板传感器还与电站锅炉内设置的给煤量传感器通信连接，并根据给煤量传感器监测到的给煤量变化来控制调节挡板的插入长度。本发明还提供了一种电站锅炉的的燃烧数值模拟方法来得到电站锅炉中的燃烧温度、NO_x排放量、炉膛内的CO和O₂的浓度分布。

Description

一种电站锅炉的二次风通道调节装置及燃烧数值模拟方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种电站锅炉的二次风通道调节装置及燃烧数值模拟方法。

背景技术

随着我国经济的稳定发展，人民的生活质量不断提高，行业用电和居民用电都在上升，这导致了电网峰谷差快速增大。使得锅炉经常处于低负荷情况运行，使得锅炉整体温度偏低，空气动力厂较高负荷时偏弱。由于炉内整体送风量减少，使二次风速及风压降低，其与一次风之间的扰动减小，气流整体刚性减弱，没有形成良好切圆，使煤粉着火时间延迟，火焰中心上移，造成燃烧不稳定，严重时甚至造成灭火。虽然实验有直观、可靠，可以指导锅炉产品的设计和生产，但试验周期长，耗资巨大，难以得到全面的满意的数据，在如今高参数、大容量的设备难度更大，制造全尺寸的模型更加不可能，炉内燃烧、流动、传热的规律特性测量也更加困难。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电站锅炉的二次风通道调节装置及燃烧数值模拟方法。

本发明提供了一种电站锅炉的二次风通道调节装置，用于控制电站锅炉的炉膛内二次风的送入量，具有这样的特征，包括：调节挡板，斜插入电站锅炉的每个二次风通道内，并通过改变插入长度来控制二次风的送入量；二次风调节挡板传感器，与调节挡板连接，用于控制调节挡板进行动作，其中，二次风调节挡板传感器还与电站锅炉内设置的给煤量传感器通信连接，并根据给煤量传感器监测到的给煤量变化来控制调节挡板的插入长度。

在本发明提供的电站锅炉的二次风通道调节装置中，还可以具有这样的特征：其中，电站锅炉为四角切圆锅炉。

在本发明提供的电站锅炉的二次风通道调节装置中，还可以具有这样的特征：其中，调节挡板为矩形挡板。

在本发明提供的电站锅炉的二次风通道调节装置中，还可以具有这样的特征：其中，调节挡板的数量与二次风通道的数量相同。

本发明还提供了一种基于电站锅炉的二次风通道调节装置的电站锅炉的燃烧数值模拟方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，对电站锅炉进行分区网格划分，网格全部为结构化网格，炉膛内的主燃区用O型网格，使网格方向与速度方向一致，且质量在0.7以上；

步骤2，进行数值模拟，根据炉膛内在实际工况下的参数，通过基本能量守恒方程、湍流流动模型、湍流气固两相流动模型、气相湍流燃烧模型、煤粉颗粒燃烧模型、辐射换热模型和NO_x生成燃烧模型，模型网格全部为结构化网格；

步骤3，二次风调节挡板传感器根据在变负荷状态下给煤量的变化调整调节挡板的插入长度来调整二次风面积，并根据燃烧模型得到电站锅炉中的燃烧温度、NO_x排放量、炉膛内的CO和O₂的浓度分布。

在本发明提供的电站锅炉的燃烧数值模拟方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，对电站锅炉进行分区网格划分采用ICEM软件。

在本发明提供的电站锅炉的燃烧数值模拟方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，数值模拟采用FLUENT软件。

在本发明提供的电站锅炉的燃烧数值模拟方法中，还可以具有这样的特征：其中，湍流流动模型为Standard k-ε模型，湍流气固两相流动模型为拉格朗日随机颗粒轨道模型，气相湍流燃烧模型为混合分数-概率密度函数模型，煤粉颗粒燃烧模型为挥发分析出的双方程模型以及用于焦炭燃烧的扩散-动力控制燃烧模型，辐射换热模型为P-1模型，NO_x生成模型为PDF输运方程模型。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种电站锅炉的二次风通道调节装置，因为在四角切圆锅炉的每层每角的二次风通道内均斜插入一块调节挡板，从而能够在二次风入炉前通过改变调节挡板的长度控制进入炉膛的二次风量，所以能够通过调节挡板改变二次风面积来控制二次风刚度和炉膛整体送风量从而保证炉内具有良好的空气动力场，保证了炉内在低负荷在稳定燃烧；因为设有二次风调节挡板传感器来根据给煤量传感器监测到的给煤量变化来控制调节挡板的插入长度，所以，能够根据不同锅炉负荷下对应的给煤量的变化来智能准确地对所需二次风的送入量进行判断，从而对应调整调节挡板插入长度，保证二次风整体的刚性并维持炉膛内切圆良好，有效地保证了锅炉在低负荷下炉内温度降低的情况下保持稳定燃烧。另外，本发明的一种电站锅炉的的燃烧数值模拟方法，无需制作试验台，通过建立燃烧模型就能方便准确地得到电站锅炉中的燃烧温度、NO_x排放量、炉膛内的CO和O₂的浓度分布。

附图说明

图1是本发明的实施例中的电站锅炉的二次风通道调节装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中的调节挡板未插入时的结构示意图；

图3是本发明的实施例中的调节挡板插入时的结构示意图；

图4是本发明的实施例中的电站锅炉整体网格；

图5是本发明的实施例中的电站锅炉主燃区的横截面网格；

图6为100％、50％负荷时炉膛中心截面的温度分布；

图7为100％、50％负荷时炉膛中心截面的O₂分布；

图8为100％、50％负荷时炉膛中心截面的CO分布；

图9为100％、50％负荷时的二次风速度分布；

图10为100％、50％负荷时中心截面NO_x分布。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的电站锅炉的二次风通道调节装置的结构示意图；图2是本发明的实施例中的调节挡板未插入时的结构示意图；图3是本发明的实施例中的调节挡板插入时的结构示意图。

如图1-图3所示，本实施例的电站锅炉的二次风通道调节装置100，用于控制电站锅炉的炉膛内二次风的送入量，具有调节挡板10和二次风调节挡板传感器(图中未示出)。

本实施例中，电站锅炉为四角切圆锅炉。

调节挡板10为矩形挡板。

调节挡板10的数量与二次风通道的数量相同，设置在四角切圆锅炉的每层每角的二次风通道内。

调节挡板10斜插入电站锅炉的每个二次风通道内，且插入位置与通道喷嘴有一定距离，二次风箱通过二次风通道向炉膛内输入二次风，通过改变插入长度来控制二次风的送入量。

本实施例中，调节挡板10的插入长度越长，封口截面积越小，风速风压提高的程度越大，使整体风压改变不大的情况下保证二次风整体刚性，维持切圆良好。

二次风调节挡板传感器与调节挡板10连接，用于控制调节挡板进行动作。

二次风调节挡板传感器还与电站锅炉内设置的给煤量传感器通信连接，并根据给煤量传感器监测到的给煤量变化来控制调节挡板的插入长度。

本实施例中，二次风调节挡板传感器根据给煤量的减少程度来对应控制调节挡板的插入长度。

给煤量变化随着锅炉负荷进行变化，当锅炉负荷降低时，给煤量对应减少，此时炉膛整体负荷降低，炉膛整体风量下降，二次风送入量减少，风压和风速都会降低，二次风调节挡板传感器接收到给煤量传感器监测到的给煤量减少的信号，根据给煤量的减少程度来对应控制调节挡板的插入长度，通过二次风通道内插入调节挡板10来提高风速与风压，使整体风压改变不大的情况下保证二次风整体刚性，维持切圆良好，保证炉膛在低负荷下能够保持稳定燃烧。

本实施例还提供了一种基于电站锅炉的二次风通道调节装置的电站锅炉的燃烧数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，对电站锅炉进行分区网格划分，网格全部为结构化网格，炉膛内的主燃区用O型网格，使网格方向与速度方向一致，且质量在0.7以上。

对电站锅炉进行分区网格划分采用ICEM软件。

图4是本发明的实施例中的电站锅炉整体网格。

如图4所示，图中为划分后的电站锅炉整体网格。

图5是本发明的实施例中的电站锅炉主燃区的横截面网格。

如图5所示，图中为主燃区的横截面网格。

步骤2，进行数值模拟，根据炉膛内在实际工况下的参数，通过基本能量守恒方程、湍流流动模型、湍流气固两相流动模型、气相湍流燃烧模型、煤粉颗粒燃烧模型、辐射换热模型和NOx生成燃烧模型，模型网格全部为结构化网格。

数值模拟采用FLUENT软件。

湍流流动模型为Standard k-ε模型，湍流气固两相流动模型为拉格朗日随机颗粒轨道模型，气相湍流燃烧模型为混合分数-概率密度函数模型，煤粉颗粒燃烧模型为挥发分析出的双方程模型以及用于焦炭燃烧的扩散-动力控制燃烧模型，辐射换热模型为P-1模型，NOx生成模型为PDF输运方程模型。

步骤3，二次风调节挡板传感器根据在变负荷状态下给煤量的变化调整调节挡板10的插入长度来调整二次风面积，并根据燃烧模型得到电站锅炉中的燃烧温度、NOx排放量、炉膛内的CO和O2的浓度分布。

本实施例中，还通过电站锅炉的燃烧数值模拟方法来对50％负荷和100％负荷下的模拟数值进行比较，比较结果如下：

图6为100％、50％负荷时炉膛中心截面的温度分布，图7为100％、50％负荷时炉膛中心截面的O₂分布，图8为100％、50％负荷时炉膛中心截面的CO分布，图9为100％、50％负荷时CD层二次风速度分布，图10为100％、50％负荷时中心截面NO_x分布。

图6中，(a)为100％负荷时炉膛中心截面的温度分布，(b)为50％负荷时炉膛中心截面的温度分布，

图7中，(a)为100％负荷时炉膛中心截面的O₂分布，(b)为50％负荷时炉膛中心截面的O₂分布，

图8中，(a)为100％负荷时炉膛中心截面的CO分布，(b)为50％负荷时炉膛中心截面的CO分布，

图9中，(a)为100％负荷时的二次风速度分布，(b)为50％负荷时的二次风速度分布，

图10中，(a)为100％负荷时炉膛中心截面NO_x分布，(b)为50％负荷时炉膛中心截面NO_x分布。

如图6-图10所示，炉膛内AB层的二次风速在50％负荷时，相对于100％负荷时的风速整体有所下降，但仍可形成良好切圆，切向速度没有偏移，没有在风量减少的情况下刚性减弱，保证了良好的空气动力场，有利于煤粉和空气的混合以及煤粉的燃烧，减少固体未完全燃烧损失。

图6中，四个角处为燃烧器出口区域，炉内温度随着高度的增加而增加，在主燃区煤粉着火燃烧释放大量热量，由于煤粉燃烧初期消耗大量氧气及气流切圆的形成，使主燃区中心燃烧反应相比燃烧器出口区域较慢，因此主燃区中心温度低于燃烧器出口温度，在主燃区上部与空气近一步反应，所以主燃区上部温度有所升高，整体温度场呈对称。由于整体风量的减少，50％负荷时燃烧中心较100％负荷整体靠下，给煤量减小，炉膛温度水平降低，高温区域减小。

炉内O₂、CO浓度与炉内温度场密切相关，在高温区煤粉颗粒剧烈燃烧，O₂大量消耗，在高温区中CO生成量较多，在低温区CO与剩余O₂反应生成CO₂，由于负荷减小，剩余O₂量增多，过了折焰角后50％负荷下CO质量分数基本为0。

炉内NO_x浓度受温度，氧浓度影响较大，燃烧器喷口一段距离处温度较高，NO_x生成量较多，炉膛中心CO浓度高，形成还原性气氛，生成的NO_x被还原成N₂，NO_x含量较低；由于在50％低负荷时炉内空气动力场较好的缘故，较100％负荷时温度没有降低很多，并且炉膛上方CO浓度很低，50％负荷时NO_x出口排放量较100％负荷时增加很多。

由本实施例的电站锅炉的燃烧数值模拟方法对50％负荷和100％负荷下的模拟数值结果可知，本实施例的调节挡板10根据锅炉的负荷对应进行插入长度的调整能够保证电站锅炉在低负荷下稳定燃烧。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种电站锅炉的二次风通道调节装置，因为在四角切圆锅炉的每层每角的二次风通道内均斜插入一块调节挡板，从而能够在二次风入炉前通过改变调节挡板的长度控制进入炉膛的二次风量，所以能够通过调节挡板改变二次风面积来控制二次风刚度和炉膛整体送风量从而保证炉内具有良好的空气动力场，保证了炉内在低负荷在稳定燃烧；因为设有二次风调节挡板传感器来根据给煤量传感器监测到的给煤量变化来控制调节挡板的插入长度，所以，能够根据不同锅炉负荷下对应的给煤量的变化来智能准确地对所需二次风的送入量进行判断，从而对应调整调节挡板插入长度，保证二次风整体的刚性并维持炉膛内切圆良好，有效地保证了锅炉在低负荷下炉内温度降低的情况下保持稳定燃烧。另外，本实施例的一种电站锅炉的的燃烧数值模拟方法，无需制作试验台，通过建立燃烧模型就能方便准确地得到电站锅炉中的燃烧温度、NO_x排放量、炉膛内的CO和O₂的浓度分布。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种电站锅炉的二次风通道调节装置，用于控制电站锅炉的炉膛内二次风的送入量，其特征在于，包括：

调节挡板，斜插入所述电站锅炉的每个二次风通道内，并通过改变插入长度来控制所述二次风的送入量；

二次风调节挡板传感器，与所述调节挡板连接，用于控制所述调节挡板进行动作，

其中，所述二次风调节挡板传感器还与所述电站锅炉内设置的给煤量传感器通信连接，并根据所述给煤量传感器监测到的给煤量变化来控制所述调节挡板的插入长度。

2.根据权利要求1所述的电站锅炉的二次风通道调节装置，其特征在于：

其中，所述电站锅炉为四角切圆锅炉。

3.根据权利要求1所述的电站锅炉的二次风通道调节装置，其特征在于：

其中，所述调节挡板为矩形挡板。

4.根据权利要求1所述的电站锅炉的二次风通道调节装置，其特征在于：

其中，所述调节挡板的数量与所述二次风通道的数量相同。

5.一种基于如权利要求1所述的电站锅炉的二次风通道调节装置的电站锅炉的燃烧数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对电站锅炉进行分区网格划分，网格全部为结构化网格，所述炉膛内的主燃区用O型网格，使网格方向与速度方向一致，且质量在0.7以上；

步骤2，进行数值模拟，根据所述炉膛内在实际工况下的参数，通过基本能量守恒方程、湍流流动模型、湍流气固两相流动模型、气相湍流燃烧模型、煤粉颗粒燃烧模型、辐射换热模型和NO_x生成燃烧模型，模型网格全部为结构化网格；

步骤3，所述二次风调节挡板传感器根据在变负荷状态下给煤量的变化调整所述调节挡板的插入长度来调整二次风面积，并根据所述燃烧模型得到所述电站锅炉中的燃烧温度、NO_x排放量、所述炉膛内的CO和O₂的浓度分布。

6.根据权利要求5所述的电站锅炉的燃烧数值模拟方法，其特征在于：

其中，所述步骤1中，对所述电站锅炉进行分区网格划分采用ICEM软件。

7.根据权利要求5所述的电站锅炉的燃烧数值模拟方法，其特征在于：

其中，所述步骤2中，数值模拟采用FLUENT软件。

8.根据权利要求5所述的电站锅炉的燃烧数值模拟方法，其特征在于：

其中，所述湍流流动模型为Standard k-ε模型，

所述湍流气固两相流动模型为拉格朗日随机颗粒轨道模型，

所述气相湍流燃烧模型为混合分数-概率密度函数模型，

所述煤粉颗粒燃烧模型为挥发分析出的双方程模型以及用于焦炭燃烧的扩散-动力控制燃烧模型，

所述辐射换热模型为P-1模型，

所述NO_x生成模型为PDF输运方程模型。