陳有福， 徐頌梅， 管詩駢， 丁建良， 姚旭東， 趙伶玲

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211102； 2. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

鍋爐爐膛的火焰中心是體現(xiàn)鍋爐燃燒狀況的重要因素，是爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的直接反映?；鹧嬷行娜绻l(fā)生偏斜，不僅影響爐膛內(nèi)煙氣溫度場及流場分布，還會影響受熱面的磨損、結(jié)渣以及吸熱量的分配等，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致爐內(nèi)受熱面的傳熱惡化、水冷壁和屏式受熱面的超溫爆管。因此，及時(shí)有效地監(jiān)測火焰中心是否偏斜，為運(yùn)行人員提供預(yù)警和參考，具有一定的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前關(guān)于火焰中心位置的研究一般是通過溫度場模擬、火焰光譜信息處理等[1-3]；但實(shí)際鍋爐巨大的爐膛空間使得火焰中心難以測量，在鍋爐上安裝大量測點(diǎn)又耗資巨大，施工困難。因此，如能利用鍋爐現(xiàn)有測點(diǎn)，簡單有效地預(yù)測火焰中心是否偏斜，將大幅度地節(jié)約成本，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

為了提高預(yù)測準(zhǔn)確度，同時(shí)減小預(yù)測過程的復(fù)雜度，筆者提出了一種基于鍋爐水冷壁壁溫的爐膛火焰中心位置預(yù)測方法，并以某600 MW電站鍋爐為例，驗(yàn)證預(yù)測方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 預(yù)測思路

鍋爐爐膛內(nèi)熱量交換主要是高溫?zé)煔鈱λ浔诘妮椛鋫鳠?。?dāng)爐膛火焰中心未發(fā)生偏移，以四角切圓鍋爐為例，由于鍋爐橫截面為近似的正方形，所以四面墻的水冷壁接受爐內(nèi)高溫?zé)煔廨椛涞膫鳠崃繎?yīng)近似相等，其各面墻水冷壁的壁溫分布也應(yīng)近似相同[4]。若火焰中心發(fā)生偏斜，高溫?zé)煔鈱λ拿鎵λ浔诘妮椛鋫鳠崃堪l(fā)生了改變，水冷壁壁溫會產(chǎn)生規(guī)律性的變化，即靠近火焰中心的水冷壁壁溫將整體升高，遠(yuǎn)離火焰中心的水冷壁壁溫將整體降低。

筆者提出了一種基于四角切圓鍋爐下部水冷壁(垂直型)已有溫度測點(diǎn)的爐膛火焰中心位置預(yù)測方法，將爐膛火焰中心位置預(yù)測分為兩個部分：第一部分建立爐膛火焰中心位置與水冷壁壁溫分布計(jì)算模型及數(shù)據(jù)庫，第二部分利用第一部分所建模型和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行爐膛火焰中心位置的判定。具體流程圖見圖1。

圖1 爐膛火焰中心位置預(yù)測方法流程圖

2 熱負(fù)荷分布與壁溫分布數(shù)據(jù)庫

2.1 爐膛計(jì)算區(qū)域劃分

為便于計(jì)算，將爐膛沿高度和寬度方向分區(qū)，沿高度方向分為20個計(jì)算區(qū)域，沿寬度和深度方向分為10 × 10的計(jì)算區(qū)域，見圖2。圖2中還給出了爐膛燃燒器的布置區(qū)域和燃盡風(fēng)位置情況，爐墻上的實(shí)心點(diǎn)(右邊)為鍋爐水冷壁壁溫?zé)犭娕嫉牟贾梦恢谩?/p>

圖2 爐膛計(jì)算區(qū)域劃分及測點(diǎn)位置示意圖

2.2 計(jì)算模型

水冷壁管壁溫度按下式計(jì)算：

(1)

式中：tcr為計(jì)算出的水冷壁管壁溫度，℃；t為水冷壁管計(jì)算截面上流動介質(zhì)的平均溫度，℃；Δt為水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度大于該截面平均溫度的值，K；β為管子外徑與內(nèi)徑的比值；μ為熱散漫系數(shù)；q為水冷壁管外表面的熱負(fù)荷，kW/m2；δ為管子壁厚，m；λm為水冷壁管的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·s·K)；α為管壁向被加熱介質(zhì)的放熱系數(shù)，kJ/(m2·s·K)。

其中，每一計(jì)算區(qū)域的熱負(fù)荷為：

故水冷壁壁面熱負(fù)荷可通過水冷壁壁面的熱負(fù)荷不均勻系數(shù)計(jì)算得到。其中，ηa、ηb的取值隨著爐內(nèi)火焰中心位置的改變而變化。由此可見，爐膛熱負(fù)荷與爐膛火焰中心位置是相互關(guān)聯(lián)的，故可建立爐膛熱負(fù)荷與爐膛火焰中心位置的預(yù)測模型。

計(jì)算所選用的沿爐膛高度和寬度方向熱負(fù)荷不均勻系數(shù)[4]見圖3。爐膛出口區(qū)域的相對高度為0.9～1.0，燃燒器區(qū)域?yàn)?.2～0.55，其余部分為爐墻水冷壁。

圖3 熱負(fù)荷不均勻系數(shù)

爐膛相對高度x、相對寬度y處區(qū)域水冷壁工質(zhì)焓值為：

(2)

式中：qy為在爐膛相對高度x、相對寬度y處區(qū)域的熱負(fù)荷，kW/m2；qx為爐膛相對高度x處的平均熱負(fù)荷， kW/m2；Δi為工質(zhì)相對高度x處的平均焓增，kJ/kg；ix-1為工質(zhì)在計(jì)算高度x-1下的平均焓值，kJ/kg。

通過鍋爐爐膛熱力計(jì)算可得到整個爐膛的平均熱負(fù)荷，之后編制水冷壁壁溫與火焰中心位置關(guān)系的計(jì)算程序。

2.3 數(shù)據(jù)庫建立

將鍋爐不同負(fù)荷、一次風(fēng)量和風(fēng)溫、二次風(fēng)量和風(fēng)溫下爐膛熱負(fù)荷分布與水冷壁壁溫分布相對應(yīng)，并存入數(shù)據(jù)庫中。通過預(yù)計(jì)算得到工況分布下的熱負(fù)荷分布與水冷壁壁溫分布一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)，形成完整的數(shù)據(jù)庫。

3 算例分析

3.1 研究對象

筆者以HG-1792/26.15-YM型600 MW機(jī)組鍋爐為例進(jìn)行模型建立與分析。該鍋爐采用П形布置、單爐膛、改進(jìn)型NOx主燃燒器和MACT型低NOx分級送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式。鍋爐燃用的煤種為芙蓉貧煤，采用中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，每爐配6臺磨煤機(jī)。計(jì)算工況為75%最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)，該負(fù)荷4臺磨煤機(jī)運(yùn)行，燃燒器開4層，并在燃燒器上部布置燃盡風(fēng)。表1給出了該工況下的主要參數(shù)。

表1 75%BMCR工況參數(shù)

爐膛水冷壁采用焊接膜式壁、內(nèi)螺紋管垂直上升式，爐膛斷面尺寸為17.666 m×17.628 m，水冷壁管共有1 584根，前后及兩側(cè)墻各396根，均為管徑為28.6 mm、最小壁厚為6.4 mm的四頭螺紋管，在上下爐膛之間裝設(shè)了一圈中間混合集箱，以消除下爐膛工質(zhì)吸熱與溫度的偏差。

在下部水冷壁出口，即進(jìn)入過渡聯(lián)箱處，沿爐膛橫截面四周裝有64個熱電偶測量水冷壁管壁溫度，每面爐墻均勻布置了16個。

3.2 計(jì)算模型驗(yàn)證

首先由火焰中心未偏移工況對該計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，將整個爐膛區(qū)域視作一個二維的壁面，水冷壁壁溫沿爐膛高度與寬度方向變化。通過鍋爐爐膛整體的熱力計(jì)算得到鍋爐爐膛的平均熱負(fù)荷與工質(zhì)參數(shù)，通過熱負(fù)荷分配系數(shù)可求得爐膛內(nèi)不同高度與寬度水冷壁熱負(fù)荷大小，通過計(jì)算所得工質(zhì)參數(shù)與爐膛內(nèi)不同高度與寬度水冷壁熱負(fù)荷大小可求得水冷壁壁溫分布。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的沿爐膛高度方向工質(zhì)溫度與水冷壁壁溫分布曲線見圖4，通過編制的計(jì)算程序，計(jì)算所得不同爐膛高度橫截面水冷壁壁溫分布曲線見圖5。

由圖4可以看出：在燃燒器區(qū)域，水冷壁溫度達(dá)到最大值，此時(shí)工質(zhì)溫度上升速度也最大。在爐膛中部區(qū)域工質(zhì)處于大比熱容區(qū)[5-7]，溫度上升速度較慢。在爐膛遠(yuǎn)離燃燒器區(qū)域位置，由于熱負(fù)荷較低，水冷壁壁溫也較低[8]。圖5中選取的三個相對高度截面分別為燃燒器區(qū)域下部(x=0.2)、燃燒器區(qū)域(x=0.6)和爐膛出口(x=0.95)。由于此時(shí)計(jì)算的是火焰中心在爐膛中心沒有偏移時(shí)的工況，因而水冷壁壁溫沿爐膛寬度方向均為對稱分布，在離火焰中心較近處水冷壁壁溫較高，遠(yuǎn)離火焰中心處水冷壁壁溫較低。在燃燒器區(qū)域煙溫較高，故該處熱負(fù)荷較大，且在火焰中心未偏移的情況下，靠近爐膛中心的煙氣溫度較高，四周溫度較低，此時(shí)產(chǎn)生的水冷壁中心區(qū)域和兩側(cè)的煙溫偏差較大，故該截面水冷壁壁溫差異也較大，該分布趨勢與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相符。

圖4 沿爐膛高度水冷壁溫度與工質(zhì)溫度

圖5 不同爐膛相對高度水冷壁壁溫

水冷壁壁溫計(jì)算值與測量值誤差：

(3)

式中：δ為相對誤差，%；ts為水冷壁壁溫的實(shí)測值，℃。

沿爐膛相對高度0.9處水冷壁壁溫計(jì)算結(jié)果與該處爐膛實(shí)際測點(diǎn)數(shù)據(jù)的對比見圖6。從圖6可以看出：沿爐膛寬度方向，水冷壁壁溫實(shí)測值與計(jì)算值有一致的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出兩側(cè)壁溫低、中間壁溫高的特點(diǎn)，但計(jì)算值略偏高于實(shí)測數(shù)據(jù)。這是由于在計(jì)算管壁溫度時(shí)，未考慮水冷壁的污染及灰污熱阻等，因而會帶來一定的誤差。計(jì)算值與實(shí)測值的相對誤差最大值為6.9%，最小值為3.6%，計(jì)算值與實(shí)測值具有良好的一致性，計(jì)算結(jié)果基本可靠。因此，通過此方法計(jì)算的水冷壁壁溫分布可作為爐膛火焰中心位置判斷的依據(jù)。

圖6 下部水冷壁出口壁溫計(jì)算值與實(shí)測值比較及誤差分析

3.3 火焰中心位置預(yù)測

筆者對實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在火焰中心偏斜的情況進(jìn)行了預(yù)測。從監(jiān)控系統(tǒng)中讀出四面墻下部水冷壁出口壁溫的64個測點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)此時(shí)鍋爐負(fù)荷、燃煤量、一二次風(fēng)量，調(diào)用所建立的爐膛熱負(fù)荷分布與水冷壁壁溫分布數(shù)據(jù)庫。通過計(jì)算得到的火焰中心位置，此時(shí)火焰中心向前墻偏移1.7 m。該工況前、后、左、右四面墻的水冷壁壁溫分布曲線和根據(jù)所建爐膛熱負(fù)荷與爐膛火焰中心位置的預(yù)測模型得出的爐膛內(nèi)火焰中心位置見圖7。

由圖7可知：在火焰中心位置偏移時(shí)，水冷壁壁溫會呈規(guī)律性變化，呈現(xiàn)出前墻壁溫升高、后墻壁溫降低，左、右兩側(cè)墻壁溫最高溫度點(diǎn)向前墻側(cè)偏移的特點(diǎn)[3,9-10]。前墻水冷壁最高溫度由火焰中心未發(fā)生偏移工況下的462 ℃升高至468 ℃，而后墻水冷壁的最高溫度由火焰中心未發(fā)生偏移工況下的462 ℃降低至457 ℃，左、右兩側(cè)墻水冷壁最高溫度點(diǎn)分別相對于火焰中心偏移了10%的距離。

圖7 火焰中心位置偏移示意圖

4 結(jié)語

(1) 采用爐膛熱負(fù)荷與爐膛火焰中心位置的預(yù)測模型能夠較為準(zhǔn)確地描述爐膛火焰中心的位置，建立合適的壁溫計(jì)算模型有利于提高火焰中心位置預(yù)測的精度。

(2) 該預(yù)測方法的火焰中心位置預(yù)測可靠性較高。通過與實(shí)測的數(shù)據(jù)對比，誤差在允許的范圍內(nèi)，證明該模型具有一定的準(zhǔn)確性。當(dāng)火焰中心向某一側(cè)墻偏移時(shí)，該側(cè)水冷壁壁溫會整體升高，而對面墻壁溫會整體下降，且變化的幅度與爐膛火焰中心位置的偏移量有關(guān)。

(3) 該預(yù)測方法僅需利用鍋爐現(xiàn)有溫度測點(diǎn)，即可進(jìn)行火焰中心位置的判別，不需要另外投資設(shè)備與繁雜的測繪工作，預(yù)測方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

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