600MW超临界锅炉折焰角斜坡积灰数值模拟研究刘帅

600MW超临界锅炉折焰角斜坡积灰数值模拟研究刘帅

刘帅

（华能河南中原燃气发电有限公司河南驻马店463000）

摘要：超临界锅炉运行时，经常发生受热面积灰现象，折焰角和水平烟道是最易积灰的地方。某600MW超临界机组锅炉，折焰角斜坡积灰严重，造成运行中垮灰和炉膛负压波动。借助FLUENT软件，模拟研究炉内空气动力特性，根据模拟分析预测折烟角处积灰状况，并提出控制积灰的方案。

关键词：锅炉；折焰角；积灰；数值模拟；控制方案

0引言

某600MW超临界燃煤机组，锅炉为一次中间再热、滑压运行的超临界直流炉。投产运行后，发现折焰角上方高温对流过热器和高温再热器下部受热面被积灰所覆盖，折焰角处积灰更严重。这不但影响受热面的吸热，降低锅炉的效率，而且运行中发生垮灰，对机组的安全运行造成严重威胁。经过对有关设备进行一定的调整，优化锅炉的燃烧调整、启停及运行状况。避免锅炉受热面积灰[1]，使锅炉能够安全、经济、稳定运行。

1积灰的主要原因

在燃烧产物流动时，流体中所携带的固体粒子、腐蚀性物质沉积或粘附在固体壁面，形成污垢即积灰[2]。受热面积灰的程度和类型由设备运行条件、管道壁温和煤的类型等决定。

受热面的积灰是物质动量、能量和质量相互传递作用导致。烟气中的污垢向固—流交界面的流动，以及烟气中的污垢在管道壁面的附着，则在锅炉受热面形成污垢的沉积。污垢的流动和附着共同决定积灰，在一定的条件下控制污垢的沉积形成过程，可以改变受热面积灰程度。

1.1折焰角的存在

在锅炉内产生的烟气流经炉膛出口时，由于折焰角而导致烟气在其下部发生急剧转向，在此处有明显的回流区。回流区的中心位置会随着折焰角倾角的增大而后移，回流区的高度不断降低。因此，烟气在折焰角的贴壁低速与回流是导致其斜坡积灰的主要原因，积灰的程度与折焰角倾角相关[3]。此锅炉折焰角前后段倾角分别为35°和20°，在其斜坡处必然存在积灰现象。

1.2受热面布置不合理

锅炉受热面布置不合理，烟气流速将较低。机组运行时，折焰角附近布置的竖直受热面，在整体上将会起到削弱烟气回流的作用。回流区高度（厚度）与折焰角以及烟气速度成反比。在锅炉折焰角倾角确定的情况下，合理布置受热面以及恰当设计烟气流速，折焰角斜坡贴壁区形成的积灰将会减少。

1.3吹灰器刚性不足

此超临界锅炉宽度约22.2m，吹灰器的利用吹灰行程需要较长，若吹灰器的刚性不足，则会造成某些区域无法吹灰。锅炉吹灰器较长，其刚性要求相对高，蒸汽换热冷却效果则较差。该锅炉投产后运行时，吹灰器在全行程状态下摆动较大，且易和两侧受热面的管道发生撞击。吹灰器的吹灰深度不够，实际吹灰的推进长度较短；吹灰时存在较大范围的盲区，则在该盲区内的积灰高度较大，因此锅炉受热面积灰是一种必然。

2炉内动力特性数值模拟

2.1计算模型

对炉膛内空气动力场进行数值模拟[4]，采用GAMBIT建立计算模型。锅炉在折焰角处易出现积灰，研究对象为锅炉炉膛及过折焰角后的水平烟道入口。按照原始尺寸进行3D建模，利用TGrid程序对模型进行四面体网格划分，共划分约142万个网格。入流口边界类型为在燃烧器处的速度，出口边界类型为炉膛水平烟道出口面压力[5]。

2.2求解分析

为显示炉膛内部流场的流动特性，需要创建一些面，并在这些面上显示计算结果。依据实际情况，建立2个平面；Y=7.2，Y=11.2m，Y=15.1m，这二个平面为从右墙数起燃烧器附近的平面。利用FLUENT软件，计算得出各平面的速度分布云图，如下所示。

流体在流动的过程中，存在轴向速度、径向速度和切向速度。利用FLUENT模拟炉膛内空气流动，计算结果表明：在炉膛折焰角处，烟气的流速分布不均匀，尤其是回流沿高度方向速度分布很不均匀。烟气流速在炉膛的中上部较高，接近折焰角处的烟气流速相对较低。若折焰角倾角越大，回流区的中心将向后移动，回流区的高度将相对降低。因此，烟气在折焰角的贴壁低速与回流是导致其斜坡积灰的主要原因，积灰的程度与折焰角倾角有一定关系。

3斜坡积灰预测

大型电站一般采用∏形布置的超临界锅炉，折焰角斜坡的角度一般在35°，远远小于烟气中飞灰的安息角，尽量减少积灰的形成。由于锅炉折焰角倾角小、贴壁烟速低、受热面布置不合理、吹灰器吹灰不足和折焰角附近存在烟气回流区等，这些因素导致折焰角斜坡易形成积灰。

该锅炉折焰角斜坡上方，设计布置有高温过热器和高温再热器。高温过热器和高温再热器管屏的分界点，恰好在折焰角前后斜坡角之间。流速不高的含粉尘烟气，在经过高温过热器和高温再热器之间的空间时，烟气的流速再次下降。烟气在折焰角斜坡至高温再热器之间存在低速回流区，折焰角斜坡附近回流区极易形成飞灰沉积，尤其是在锅炉低负荷运行时，积灰更易形成。在高温过热器和高温再热器管屏下部回流区的高度最大，因此该区积灰也最严重。

4斜坡积灰控制方案

为处理折焰角斜坡积灰，提出对折焰角进行改造和调整受热面布置等方案。但因工作量相对大且面广而放弃。可采取其它方法，有效避免积灰。

4.1定期开展热力测试，调整制粉系统

定期开展机组热力性能测试，提供精确报告，是预防锅炉积灰的主要措施。通过在不同负荷下试验，进而调整制粉系统，保持合适的煤粉细度及颗粒均匀性，提高煤粉燃烬效果，从而降低炉膛出口温度。

4.2遮盖锅炉砖墙，避免产生积灰核心

为防止斜坡产生积灰，可避免烟尘与砖墙接触，造成积灰的核心。在一定的温度区内，采用鳍片管组成膜式水冷壁作为受热面将全部砖墙遮盖起来。避免斜坡积灰的核心产生并发展，斜坡上发展的积灰不易清除，而且会不断地形成堆积，造成锅炉的严重损伤。

4.3开发新型吹灰扰流装置

为防止斜坡产生积灰，提出在折焰角斜坡加扰流风，从而破坏回流区和吹起积灰的技术措施。可研发吹灰扰流装置，在折焰角斜坡上设计与斜面平行的吹灰喷嘴，通过一定温度的高速脉冲气流对受热面积灰进行清理。干扰积灰地点，使沉淀的灰随烟气流动并带走。开发优化的新型扰流吹灰装置，这样积灰问题就可得到很好的解决。

5结论

文章利用Gambit建立锅炉数值模拟模型，采用FLUENT模拟计算炉膛内空气流动的动力特性。计算结果表明：锅炉折焰角积灰的主要原因是在其附近存在回流区和贴壁烟气速度低。依据实际情况，提出定期开展热力测试以调整制粉系统、遮盖锅炉砖墙以避免产生积灰核心和开发新型扰流吹灰装置等控制措施，避免在折焰角斜坡处产生积灰，为存在类似问题的超临界锅炉提供借鉴。

参考文献：

［1］武淑平，宋学广．锅炉空气预热器螺旋线圈插入物抗积灰机理分析［J］．东北电力学院学报，1996，16（3）：105－109．

［2］罗小滨，宁文刚，刘浩．华亭煤与铜川煤混烧结焦积灰机理和预防措施［J］．西北电力技术，2006，（3）：46－48．

［3］薛亮．浅谈解决电厂锅炉积灰问题的方案［J］．科学之友，2012，（3）：40－43．

［4］张瑞卿，杨海瑞，吕俊复．应用于循环流化床锅炉气固流动和燃烧的CPFD数值模拟［J］．中国电机工程学报，2013，33（23）：75－83．

［5］陈凯，陈刚．300MW机组锅炉低省改造后烟道流场特性数值模拟［J］．电力与能源，2018，39（1）：114－117。