锅炉改造后不同ccofa风与sofa风比例下燃烧特性的获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，属于燃煤锅炉【技术领域】。该方法通过将改造增加了SOFA风的四角切圆燃烧式锅炉进行网格划分后，建立该锅炉的结构化网格模型，并获取所述锅炉的燃烧器参数、边界条件参数和煤粉参数；然后在上述基础上建立数学模型进行燃烧模拟计算，获得不同CCOFA风与SOFA风比例下锅炉的燃烧特性。采用该方法能够准确的再现锅炉内的燃烧情况，获取锅炉内燃烧情况的全面信息，从而对锅炉增加SOFA风的低氮改造提供指导和低氮改造后的效果进行全面评价。
【专利说明】锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取
方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃煤锅炉【技术领域】，特别是涉及一种锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法。
【背景技术】
[0002]随着环境治理的严峻形势，我国对NOx的排放限制将日益严格，国家环境保护部已经颁布了《火电厂氮氧化物防治技术政策》，明确在“十二五”期间将全力推进我国NOx的防治工作。目前国内外电站锅炉控制NOx的技术主要有2种:一种是控制生成，主要是在燃烧过程中通过各种技术手段改变煤的燃烧条件，从而减少NOx的生成量，即各种低NOx技术；二是生成后的转化，主要是将已经生成的NOx通过各种技术手段从烟气中脱除掉，如选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)等。
[0003]当电厂NOx排放浓度过高时，可以通过不同的手段来对锅炉进行改造，从而降低NOx的排放浓度。然而，目前来说，还没有一种方法可以模拟锅炉低氮改造后锅炉内的燃烧情况，从而对锅炉低氮改造提供指导和低氮改造后的效果进行全面评价。
【发明内容】
[0004]基于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，采用该方法，可以模拟低氮改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下锅炉内的燃烧情况。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0006]一种锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，包括以下步骤:
[0007]根据四角切圆燃烧式锅炉的结构特点，将所述锅炉进行网格划分，建立该锅炉的网格化结构模型；所述锅炉的结构为在每组燃烧器的上方设有CCOFA风喷嘴，并在CCOFA风喷嘴上方设有以水平对冲方式安装的SOFA风喷嘴；
[0008]获取所述锅炉的燃烧器参数、边界条件参数和煤粉参数；
[0009]根据上述网格化结构模型、燃烧器参数、边界条件参数和煤粉参数，以标准k_ ε瑞流模型模拟得到气相瑞流流动模型、以混合分数/概率密度(Probability DensityFunction, PDF)函数模型模拟得到组分运输和燃烧模型、以单分数/概率密度(PDF)函数模型模拟得到纯煤燃烧模型、以双分数/概率密度(PDF)函数模型模拟得到污泥掺烧燃烧模型、以颗粒随机轨道模型模拟得到煤粉颗粒运动模型、以双方程平行竞争反应模型模拟得到煤的热解模型、以动力/扩散控制反应速率模型模拟得到焦炭燃烧模型、以p-ι辐射模型模拟得到辐射传热模型；
[0010]利用上述模型，改变CCOFA风与SOFA风的比例，通过模拟计算，获得不同CCOFA风与SOFA风比例下锅炉的燃烧特性。[0011]其中，CCOFA风为紧凑型燃尽风，SOFA风为分离燃尽风。
[0012]在其中一个实施例中，所述将锅炉进行网格划分的具体步骤包括:以单独划分网格的方式，将该锅炉划分为冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域。根据各区域在锅炉运行时所起到的不同作用，将其进行划分，提高了该锅炉网格化结构模型的准确性。
[0013]在其中一个实施例中，所述将锅炉进行网格划分的具体步骤包括:将燃烧器区域进行加密，并将燃烧器出口与锅炉的连接面设置为interface (交界面)。通过上述设置，能够提高计算的精度，并且可以防止两个面的网格质量和网格形状差异较大而引起误差。
[0014]在其中一个实施例中，建立所述锅炉的结构化网格模型后，以不同精度的网格进行网格无关性检验，选取满足计算精度要求的网格精度。
[0015]在其中一个实施例中，所述边界条件包括锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的入口边界条件，锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的出口边界条件，锅炉壁面边界条件，热交换边界条件；
[0016]所述锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的入口边界条件均采用质量入口边界条件，该质量入口边界条件参数包括质量流量、风温参数，且均根据设计参数进行设定，其中CCOFA风、SOFA风和周界风的质量入口边界条件参数还根据改变CCOFA风与SOFA风比例的工况条件计算得到；
[0017]所述锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的出口边界条件均采用压力出口边界条件，压力设置为-80Pa ；
[0018]所述锅炉壁面边界条件采用标准壁面方程，无滑移边界条件；
[0019]所述热交换边界条件采用第二类边界条件(即温度边界条件)，给定预设的壁面温度和辐射率，其中，给定的壁面温度为690K，壁面辐射率为0.8。
[0020]以上述边界条件能够得到更为准确的模拟计算结果。
[0021]在其中一个实施例中，所述煤粉参数包括煤粉粒径、煤质成份及含量，所述煤粉粒径按照Rosin-Rammler分布方法设定。Rosin-Rammler分布假定在颗粒直径d与大于此直
径的颗粒的质量分数Yd之间存在指数关系Y, 二 e-…J为平均直径，η为分布指数。
[0022]在其中一个实施例中，所述模拟计算以迭代法进行计算，先进行冷态计算获得一定收敛程度的流场，然后再进行热态计算，直至收敛。
[0023]在其中一个实施例中，所述模拟计算中，对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松弛因子，使NO和HCN参数的计算残差小于10_8，其余各项参数的计算残差小于10_6。
[0024]在其中一个实施例中，所述锅炉的燃烧特性包括温度场分布情况、速度场分布情况和组份场分布情况。从多个方面体现锅炉内的燃烧特性。
[0025]在其中一个实施例中，所述温度场分布情况包括:最下层的二次风温度分布、最下层的一次风温度分布、锅炉中心竖向截面温度分布、锅炉横向截面平均温度沿炉膛高度方向的分布和炉膛出口 的烟温；所述速度场分布情况包括:最下层的二次风速度分布和最下层一次风速度分布；所述组份场分布情况包括:02浓度沿炉膛高度方向的分布、CO浓度沿炉膛高度方向的分布、NOX浓度沿炉膛高度方向的分布和炉膛出口的NOX浓度。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0027]本发明的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，通过将改造增加了 SOFA风的四角切圆燃烧式锅炉进行网格划分，建立该锅炉的结构化网格模型；然后在上述基础上建立数学模型进行燃烧模拟计算，获得不同CCOFA风与SOFA风比例下锅炉的燃烧特性。采用该方法能够准确的再现锅炉炉膛内的燃烧情况，获取炉膛内燃烧情况的全面信息，从而对锅炉增加SOFA风的低氮改造提供指导和低氮改造后的效果进行全面评价。
[0028]该方法还对如何建立锅炉的网格化结构模型，以及如何建立数学模型进行燃烧模拟计算的步骤进行了优化，经现场试验验证，通过该方法获得的结果与现场测量结果的吻合度很好，保证了模拟结果的有效性，该方法具有准确度高的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为锅炉本体示意图；
[0030]图2为燃烧器横截面示意图；
[0031]图3为喷嘴布置方式示意图；
[0032]图4为SOFA风安装方式示意图；
[0033]图5为SOFA风喷嘴结构示意图；
[0034]图6为锅炉网格化结构模型示意图；
[0035]图7为锅炉燃烧器区域网格划分横截面图；
[0036]图8为不同CCOFA与SOFA风比例下，最下层的二次风温度分布图，其中:A为工况N0.1，B为工况N0.2，C为工况N0.3，D为工况N0.4，E为工况N0.5，F为不同颜色表示不同温度的图例；
[0037]图9为不同CCOFA与SOFA风比例下，最下层的一次风温度分布图，其中:A为工况N0.1, B为工况N0.2，C为工况N0.3，D为工况N0.4，E为工况N0.5，；
[0038]图10为不同CCOFA与SOFA风比例下，锅炉中心竖向截面温度分布图，其中:A为工况N0.1，B为工况N0.2，C为工况N0.3，D为工况N0.4，E为工况N0.5 ；
[0039]图11为不同CCOFA与SOFA风比例下，锅炉横向截面平均温度沿炉膛高度方向分布图，其中:A为整个锅炉高度分布图，B为燃烧器区域高度分布图，C为CCOFA与SOFA风区域高度分布图，D为SOFA风以上区域高度分布图；
[0040]图12为不同CCOFA与SOFA风比例下，炉膛出口烟温；
[0041]图13为不同CCOFA与SOFA风比例下，最下层的二次风速度分布图，其中A为工况N0.1, B为工况N0.2，C为工况N0.3，D为工况N0.4，E为工况N0.5。
[0042]图14为不同CCOFA与SOFA风比例下，最下层的一次风速度分布图，其中A为工况N0.1, B为工况N0.2，C为工况N0.3，D为工况N0.4，E为工况N0.5。
[0043]图15为不同CCOFA与SOFA风比例下，O2浓度沿着炉膛高度方向分布图，其中:A为整个锅炉高度分布图，B为燃烧器区域高度分布图，C为CCOFA与SOFA风区域高度分布图，D为SOFA风以上区域高度分布图；
[0044]图16为不同CCOFA与SOFA风比例下，CO浓度沿着炉膛高度方向分布图，其中:A为整个锅炉高度分布图，B为燃烧器区域高度分布图，C为CCOFA与SOFA风区域高度分布图，D为SOFA风以上区域高度分布图；
[0045]图17为不同CCOFA与SOFA风比例下，NOx浓度沿着炉膛高度方向分布图，其中:A为整个锅炉高度分布图，B为燃烧器区域高度分布图，C为CCOFA与SOFA风区域高度分布图，D为SOFA风以上区域高度分布图；
[0046]图18为不同CCOFA与SOFA风比例下，炉膛出口的NOx浓度。
【具体实施方式】
[0047]以下结合附图和具体实施例来详细说明本发明。
[0048]在本实施例中，以下述经改造的锅炉作为模拟计算对象，实施锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法。
[0049]该锅炉为660MW，亚临界压力、一次再热、单汽包、控制循环、四角喷燃双切圆燃烧燃煤锅炉，锅炉本体如图1所示。采用露天布置，锅炉为ABB-CE公司产品。燃烧制粉系统为中速磨直吹式，采用直流式宽调节比摆动式燃烧器，燃烧器横截面如图2所示。4个直流摆动式燃烧器按切圆燃烧方式布置锅炉四角。燃烧器分6层，每一同层燃烧的4个一次风(煤粉气流)喷嘴与同一台磨煤机连接、供粉，投则同投，停则同停。6台磨煤机各自构成基本独立的6个制粉子系统，并与6层燃烧器一次风喷嘴相对应，5层投运已能满足锅炉最大连续蒸发量(MCR)的需要。
[0050]4组燃烧器分别布置在锅炉下部四个切角处，形成典型的切圆燃烧方式，燃烧器总高度为11.266m，燃烧器轴线与锅炉前、后墙夹角分别为43°和35°角。如图3所示，每组燃烧器在高度方向上上方布置2个紧凑型燃尽风喷嘴(CC0FA)，6个一次风喷嘴(A、B、C、D、E和F)和7个供给燃料燃烧空气用的二次风喷嘴(AA、AB、BC、⑶、DE、EF和FF)，并围绕一次风喷嘴设置周界风喷嘴，一次风喷嘴和二次风喷嘴呈均等配风方式的间隔布置。其中，一次风喷嘴是用来输送煤粉进入炉膛燃烧的，喷入的是煤粉和空气混合物；二次风喷嘴是用来补充后期煤粉燃烧需要的氧量的，喷入的是纯空气；紧凑型燃尽风喷嘴是用来补充后期燃烧需要的氧，喷入的是纯空气。设置周界风的主要目的是防止一次风喷嘴烧损，起到冷却喷嘴的作用，另外一个目的是增强一次风喷嘴射流的刚性。各种喷嘴可以上下摆动，其摆动限定范围:紧凑型燃尽风喷嘴为-5°?30° ;二次风喷嘴为-30°?30° ;—次风喷嘴为-20。?20°。
[0051]锅炉高约57m，且锅炉横截面为长方形，宽16.44m，深19.558m，如图1所示。图2为燃烧器横截面图。共有6层一次风，7层二次风和2层紧凑型燃尽风(CC0FA)，如图3所
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[0052]制粉系统为直吹式制粉系统，共6层磨，5运I备。在本次模拟中，最上层磨停运。改造后，4对分离燃尽风(SOFA)以水平对冲方式安装，如图4所示，以进一步降低锅炉NOx排放，该分离燃尽风的喷嘴结构如图5所示。改造后，由于总风量没有变化，且二次风中一部分分配到SOFA风，使得二次风喷嘴改造，面积变小，但除了最上层CCOFA的高度有所变化，其余一二次风喷嘴高度均没有改变。改造后SOFA开度100%情况下，SOFA风与CCOFA风占到总二次风的37.2%，仅SOFA风就为26.8%，与改造前的20.4% (仅CC0FA)有了很大的提升。[0053]上述锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，包括以下步骤:
[0054]1、建立锅炉的结构化网格模型。
[0055]根据改造增加了 SOFA风的四角切圆燃烧式锅炉的结构特点，采用单独划分网格的方法，将锅炉划分为4个区域，分别为:冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域，如图6所示。在划分的过程中，模型均采用结构化网格，为了提高计算的精度，燃烧器区域被适当加密，如图7所示，并将燃烧器出口与锅炉的连接面设置为interface，防止两个面的网格质量和网格形状差异较大而引起误差。本实施例中数值模拟总网格数目约为162万。
[0056]为了验证本实施例中网格精度是否满足计算要求，进行了网格无关性检验。采用3种不同网格分辨率，计算同样的工况，给出了检验结果，如下表1所示。
[0057]表1网格无关性检验
[0058]
【权利要求】
1.一种锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，包括以下步骤: 根据四角切圆燃烧式锅炉的结构特点，将所述锅炉进行网格划分，建立该锅炉的网格化结构模型；所述锅炉的结构为在每组燃烧器的上方设有CCOFA风喷嘴，并在CCOFA风喷嘴上方设有以水平对冲方式安装的SOFA风喷嘴； 获取所述锅炉的燃烧器参数、边界条件参数和煤粉参数； 根据上述网格化结构模型、燃烧器参数、边界条件参数和煤粉参数，以标准k- ε湍流模型模拟得到气相湍流流动模型、以混合分数/概率密度函数模型模拟得到组分运输和燃烧模型、以单分数/概率 密度函数模型模拟得到纯煤燃烧模型、以双分数/概率密度函数模型模拟得到污泥掺烧燃烧模型、以颗粒随机轨道模型模拟得到煤粉颗粒运动模型、以双方程平行竞争反应模型模拟得到煤的热解模型、以动力/扩散控制反应速率模型模拟得到焦炭燃烧模型、以Pl辐射模型模拟得到辐射传热模型； 利用上述模型，改变CCOFA风与SOFA风的比例，通过模拟计算，获得不同CCOFA风与SOFA风比例下锅炉的燃烧特性。
2.根据权利要求1所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述将锅炉进行网格划分的具体步骤包括:以单独划分网格的方式，将该锅炉划分为冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域。
3.根据权利要求2所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述将锅炉进行网格划分的具体步骤包括:将燃烧器区域进行加密，并将燃烧器出口与锅炉的连接面设置为interface。
4.根据权利要求3所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，建立所述锅炉的网格化结构模型后，以不同精度的网格进行网格无关性检验，选取满足计算精度要求的网格精度。
5.根据权利要求1所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述边界条件包括锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的入口边界条件,锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的出口边界条件，锅炉壁面边界条件，热交换边界条件； 所述锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的入口边界条件均采用质量入口边界条件，该质量入口边界条件参数包括质量流量、风温参数，且均根据设计参数进行设定，其中CCOFA风、SOFA风和周界风的质量入口边界条件参数还根据改变CCOFA风与SOFA风比例的工况条件计算得到； 所述锅炉内的中心风、一次风、二次风、CCOFA风、SOFA风和周界风的出口边界条件均采用压力出口边界条件； 所述锅炉壁面边界条件采用标准壁面方程，无滑移边界条件； 所述热交换边界条件采用第二类边界条件，给定预设的壁面温度和辐射率。
6.根据权利要求1所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述煤粉参数包括煤粉粒径、煤质成份及含量，所述煤粉粒径按照Rosin-Rammler分布方法设定。
7.根据权利要求1所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述模拟计算以迭代法进行计算，先进行冷态计算获得一定收敛程度的流场，然后再进行热态计算，直至收敛。
8.根据权利要求7所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述模拟计算中，对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松弛因子，使NO和HCN参数的计算残差小于10_8，其余各项参数的计算残差小于10_6。
9.根据权利要求1所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述锅炉的燃烧特性包括温度场分布情况、速度场分布情况和组份场分布情况。
10.根据权利要求9所述的锅炉改造后不同CCOFA风与SOFA风比例下燃烧特性的获取方法，其特征在于，所述温度场分布情况包括:最下层的二次风温度分布、最下层的一次风温度分布、锅炉中心竖向截面温度分布、锅炉横向截面平均温度沿炉膛高度方向的分布和炉膛出口的烟温；所述速度场分布情况包括:最下层的二次风速度分布和最下层一次风速度分布；所述组份场分布情况包括=O2浓度沿炉膛高度方向的分布、CO浓度沿炉膛高度方向的分布、NOX浓度沿 炉膛高度方向的分布和炉膛出口的NOX浓度。
【文档编号】F23N3/00GK103968412SQ201410126277
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】李德波, 徐齐胜, 刘亚明, 沈跃良 申请人:广东电网公司电力科学研究院