大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法及其應用

　動力工程大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法及其應用董芄，洪梅，秦裕琨（哈爾濱工業大學能源科學和工程學院，哈爾濱150001）針對目前大型煤粉鍋爐屏區熱力計算不準確的問題，提出了上下爐膛分體耦合的爐膛傳熱計算模型，并且應用此模型和二階假想面法建立了大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法。圖6表2參5主題詞：煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數值計算獲得博士學位，現為哈爾濱工業大學熱能工程教研室主任、副教授，主要從事爐內傳熱、燃燒技術方面的研究工作。

　　0引言隨著發電鍋爐容量和參數的不斷提高，對鍋爐運行的可靠性和經濟性要求亦愈加嚴格。因此，準確地進行爐膛傳熱計算對于大型發電鍋爐設計的成功與否十分重要[1， 2 ].對于大型鍋爐的爐膛，其上部通常布置有相當數量的屏式過熱器，鍋爐機組熱力計算標準方法將屏式過熱器簡單地處理成爐膛輻射受熱面，且采用零維模型，屏式過熱器的傳熱計算很不準確。而通常的鍋爐爐膛傳熱三維數值計算方法采用全爐膛統一的計算分區形式，不能適用于大型鍋爐爐膛傳熱計算。屏式過熱器的準確傳熱計算目前已成為大型鍋爐設計的主要問題。針對這一問題，筆者提出了上、下爐膛分體耦合的爐膛傳熱計算模式，并且應用此模式和二階假想面法建立了大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法。此方法不受上、下爐膛計算分區兼容條件的限制，可以按計算精度的要求細化上、下爐膛的傳熱計算，為大型煤粉鍋爐屏式過熱器的準確傳熱計算提供了一個可靠的方法。

　　1上、下爐膛分體耦合計算模式的建立（ 1）以屏式過熱器的下端為上、下爐膛的分界面，并以爐膛燃燒、傳熱一維數學模型計算得出的上爐膛向下爐膛的輻射熱量及必要的初始、邊界條件進行下爐膛傳熱的三維數值計算。

　　（ 2）由于大型發電鍋爐上爐膛所布置的屏式過熱器較多且分布較為均勻，因此可以認為上爐膛向下爐膛的輻射熱量是沿界面均勻分配的。經實際驗算這項假設所造成的計算誤差極其微小，在工程計算中可忽略不計。

　　（ 3）以下爐膛傳熱三維數值計算得出的下爐膛向上爐膛投射輻射熱流密度、爐內介質帶入上爐膛的焓值及必要的初始、邊界條件進行下爐膛傳熱的三維數值計算方法計算。

　　上述計算模式基本解決了大型鍋爐屏式過熱器的準確傳熱計算的難題。

　　2煤粉氣流燃燒數學模型煤粉氣流燃燒數學模型是爐膛傳熱數值計算方法的基礎模型之一。由于煤粉氣流燃燒機理的復雜性，目前還無法對其過程做出全面的數學描述。為此，本文采用是建立在煤粉燃燒基本理論和物理假設基礎上的爐膛內煤粉氣流燃燒過程工程化數學模型。

　　此模型的物理假設為：（ 1）煤粉噴入爐膛后被迅速加熱，揮發份在燃燒器區全部逸出并瞬時燃盡，同時焦炭顆粒開始燃燒（ 2）揮發份中包括燃料所含全部的氫、氧、氮、硫和少量碳（ 3）揮發份逸出后，焦炭顆粒的尺寸不變，且呈密度均勻、無孔的球形（ 4）在燃燒進程中，焦炭顆粒的密度不變，直徑逐漸變小，不存在灰殼，而且每步都按最終生成物反應（ 5）依焦炭顆粒直徑和溫度的不同，燃燒速度可能受控于氧氣擴散率，也可能受控于表面反應率（ 6）煤粉的粒度分布服從于RosinRammler分布模型，在數值計算中，可劃分為N個等粒徑組分，并認為在揮發份析出后，焦炭顆粒群個組分與份額保持不變。

　　根據上述物理假設和煤粉氣流燃燒理論可推導出任一組份的焦炭顆粒未燃盡率對時間的變化率為：式中P――煙氣中氧氣分壓力， Pa T――控制焦炭顆粒在燃燒進程中形態的指數――焦炭顆粒表面氣膜溫度， K――表面反應率常數――組份j的焦炭初始直徑， m――組份j焦炭初始視在密度， kg /m 3爐膛介質輻射傳熱數學模型此爐膛介質的傳熱工況以輻射為主，因此本文應用適宜于爐膛介質傳熱計算的二階假想面法為本文方法的爐膛輻射傳熱計算模型。此模型的理論基礎是輻射能傳遞方程，并基于以上原則：（ 1）根據計算精度的要求，將計算結構劃分為若干個計算分區，每一個計算單元由一個介質區和若干個實壁面區及假想面區所組成的封閉幾何體組成（ 2）任一介質區內的氣體介質區內充滿了均質、等溫的灰介質（ 3）任一壁面區為均質等溫灰體表面（ 4）各個介質區和壁面區之間的輻射能量交換用假想面的有效輻射相耦合，假想面的有效輻射為所在計算分區的二階相鄰分區組成的封閉系統的外廓面區通過所含介質的吸收、輻射性介質對該面區背向的投射輻射之和（ 5）假想面不反射入射輻射能量，并對介質在各個計算分區之間的流動不發生作用。

　　在以上原理，應用輻射傳熱學理論可分別推導出任一存有吸熱工質的壁面區能量守恒方程和介質區能量守恒方程如下式中X――面區m的黑度，面積2，溫度K和熱阻m――面區n和介質區l對面區m的直接交換面積， m――介質區l的自直接交換面積， m――面區n的有效輻射，W /m――介質區l的溫度K，吸收系數和化學反應釋熱率， W /m――流出和流出介質區l的焓值，W――壁面區內工質的溫度， K綜合上述的計算模型建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法邏輯框圖示于圖4大型煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數值計算方法與分析本文應用上述大型煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數值計算方法分別對型、HG2008 /186M型鍋爐進行了爐膛傳熱的計算。由于文章篇幅所限，本文僅給出HG2008 /186M型鍋爐爐膛中心縱截面的介質溫度，前墻和側墻水冷壁吸收熱流密度、水冷壁灰污層表面溫度、火焰中心區和下爐膛出口水平截面介質溫度的等值線圖和中部屏式過熱器吸收熱流密度和灰污層表面溫度等值線圖（圖2～圖6）。

　　動力工程（ a）平行前墻中心縱截面（ b）平行側墻中心縱截面（a）前墻（b）側墻動力工程（ b）灰污層表面溫度（°C）和灰污層表面溫度等值線圖由以上各圖可知，本文所建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數值計算方法的計算結果是詳細合理的。

　　點實測介質溫度與計算值比較結果。由于是采用紅外高溫計進行非接觸式介質溫度測量，其測量結果應為在測點位置上垂直爐墻一定深度范圍內的某種平均值，但目前尚無確切的計算方法。本文則設定實測值代表0. 5倍爐墻距爐膛中心縱截面距離范圍內的介質溫度平均值。從表中可見，各測點實測介質溫度值與計算值吻合良好。

　　（ a）火焰中心截面（ b）下爐膛出口截面介質溫度值與計算值比較測點編號計算值（°C）實測值（°C）差值（°C）相對差值（ ）質溫度值與計算值的比較結果。由于此型鍋爐各測點基本布置在爐膛角部，且由于試驗工況存在著各種偏差而造成各對稱測點實測介質溫度值相差較大，因此本文將各等標高對稱測點平均值相比較。其實測值代表0. 5倍爐墻距爐膛中心縱截面距離范圍內的介質溫度平均值。從表中可見，各標高的實測介質溫度平均值與計算值大體上是符合的。

　　綜上所述，本文所建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法是成功的，其計算結果是合理的。

　　動力工程介質溫度值與計算值比較標高值（ m）計算值（°C）實測值（°C）差值（°C）相對差值（ ）5結論（ 1）本文所建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法采用二階假想面法和上、下爐膛分體耦合計算模式，因此不受上、下爐膛計算分區兼容條件的限制，細化上、下爐膛的傳熱計算，克服了其它爐膛傳熱數值計算方法通常存在的屏式過熱器的傳熱計算較為粗糙的缺陷，為大型煤粉鍋爐提供了一個較好的方法（ 2）通過應用本文所建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法分別對M型鍋爐進行計算分析并與實測結果比較得知，此爐膛傳熱工程化數值計算方法是合理可靠的，其計算得出的爐膛介質溫度分布、爐膛水冷壁和屏式過熱器吸收的熱流密度和灰污層表面溫度分布等結果對于大型煤粉發電鍋爐爐膛傳熱設計、水動力計算和防止爐壁結渣都具有重要指導意義。