0 引言
许多学者对锅炉的稳定运行进行了研究。佟博恒等[11]对660 MW亚临界机组低负荷下的参数进行了优化调整，通过微调托底风门在5%~10%、辅助风门在9%~18%，以及将周界风门设置在约18%等优化措施，实现了机组在20%负荷下的稳定运行。曹保生等[12]对330 MW机组进行了研究，通过启用A、B两层燃烧器，关闭2层SOFA风门，保持风箱压差在0.3 kPa以上等优化方式，实现了330 MW机组在27%额定负荷下的稳定运行。付旭晨等[13]通过优化一次风速为22 m/s，投运A、B两台磨煤机，将运行氧体积分数减小到6%等措施，实现了300 MW机组在25%负荷下的稳定运行。Jin等[14]对1 050 MW机组的不同一次风比进行了优化研究，结果发现，在一次风与总风的流量比为0.153时，有助于锅炉在实现低负荷条件下稳燃的同时降低NO x 排放量。以上对锅炉的稳定性研究主要通过优化运行参数来实现，但针对燃用高黏度、高水分、低热值煤种锅炉的运行参数优化研究较少。
本文以某电厂600 MW超临界锅炉为研究对象，该锅炉燃料为高黏度、高水分、低热值(约为8.85 MJ/kg)的褐煤，在低负荷条件下运行时存在难以稳燃的问题。为了解决该问题，本文利用数值模拟来预测稳燃效果，通过优化来提高锅炉在低负荷工况下的运行稳定性和效率，为低热值燃料锅炉的低负荷稳燃提供参考。
1 锅炉概况
图1
图1
锅炉几何模型与燃烧器布置示意图
Fig. 1
Geometric model of boiler and schematic diagram of burner layout
表1 燃料特性
Tab. 1
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 收到基碳质量分数Car/% | 25.28 |
| 收到基氢质量分数Har/% | 2.22 |
| 收到基氧质量分数Oar/% | 9.80 |
| 收到基氮质量分数Nar/% | 0.24 |
| 收到基硫质量分数Sar/% | 0.26 |
| 水分质量分数Mt/% | 50.00 |
| 收到基灰分质量分数Aar/% | 12.20 |
| 干燥无灰基挥发分质量分数Vdaf/% | 62.88 |
| 收到基低位发热量Qnet,ar/(MJ/kg) | 8.85 |
针对该电厂锅炉燃用高水分、低热值褐煤时出现的难以稳燃问题，提出如下措施：
1）在锅炉100%负荷运行时保持8台磨煤机运行，调整二次风门开度和燃尽风门开度。将二次风门开度控制在70%，燃尽风门控制在三层，开度为100%，以实现锅炉在100%负荷下稳燃。
2）在210 MW负荷，即约35%锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)下保持1、3、4、5、7号5台磨煤机运行。在其他运行参数保持不变的前提下，调整各运行燃烧器组的最上层一次风门开度，通过开关2个状态的变化，评估运行参数优化对低负荷稳燃效果的影响。
2 数值模拟
2.1 网格划分
使用GAMBIT软件对锅炉进行全尺寸建模并完成网格划分，选取锅炉从冷灰斗到炉膛出口这部分作为计算区域，整个计算区域被分为下部冷灰斗区域、燃烧器所在的主燃区域与炉膛上部区域3个部分。为了得到较为准确的模拟结果，采用结构化六面体网格，并对主燃区域进行网格加密。为了保证良好的计算精度并降低计算成本，经过网格独立性验证后，选择149万网格进行后续研究，网格划分情况如图2所示。
图2
2.2 计算模型的选择
由于Realizable k-ε模型中包含了旋流修正，更适合模拟旋流强度较大的切圆锅炉内的气体流动，因此本文采用该模型计算湍流流动[15]。本文选择离散相模型模拟气固两相流动，其中将气体作为连续相处理[16]。辐射换热是煤粉锅炉炉膛内换热的主要方式，由于P-1模型考虑了散射作用，因此其适用于求解煤粉燃烧时的辐射换热[17]。由于使用的煤种水分较大，无法忽略水分对燃烧的影响，因此本文采用涡耗散模型作为气相燃烧模型[18]。挥发分的析出模型采用双竞争模型，该模型考虑了挥发分在不同温度段具有不同的析出速率，能够较准确地模拟煤粉的挥发分析出燃烧过程[19]。焦炭燃烧模型选用动力/扩散控制反应速率模型，该模型考虑了扩散作用和反应动力学的耦合影响，使模拟中焦炭燃烧过程更贴近实际且适用范围较广[20]。本文采用后处理生成NO x，热力型NO x 和燃料型NO x 分别采用扩展的Zeldovich机理和De-Soete模型进行描述[21]。
2.3 边界条件设置及计算方法
炉膛壁面设定为无滑移的边界条件，同时壁面辐射率设定为0.8，以确保模拟中热辐射效应的准确计算。煤粉颗粒粒径分布遵循Rosin-Rammler分布，最大直径为250 μm，最小直径为平均粒径10 μm，分布指数为1.15。在模拟计算时，先进行冷态计算，待流场收敛后，再进行热态的模拟计算直至收敛。在流动和燃烧过程模拟计算收敛的基础上，耦合NO x 生成动力学模型，详细考察NO x 的生成机理及排放特性。模拟工况如表2所示。
表2 模拟工况
Tab. 2
| 参数 | 100%负荷 | 75%负荷 | 50%负荷 | 35%负荷 |
|---|---|---|---|---|
| 煤粉量/(t/h) | 584.80 | 482.75 | 364.24 | 262.90 |
| 一次风量/(m3/h) | 639.34 | 493.17 | 399.73 | 307.46 |
| 总二次风量/(m3/h) | 1 479.52 | 1 101.02 | 875.08 | 744.69 |
| 燃尽风量/(m3/h) | 613.98 | 386.02 | 311.63 | 263.81 |
2.4 模型验证
数值计算结果与电厂运行结果对比情况如表3所示。可以看出，炉膛出口烟气温度偏差为1.43 K，炉膛出口O2体积分数偏差为0.1%，炉膛出口NO x 质量浓度偏差为13.5 mg/m3，误差均在允许范围内，因此可以认为选用的数值计算模型是有效的。
表3 数值计算结果与电厂运行结果对比
Tab. 3
| 项目 | 炉膛出口温度/K | 炉膛出口O2体积分数/% | 炉膛出口NO x 质量浓度/(mg/m3) |
|---|---|---|---|
| 误差/% | 0.12 | 2.78 | 4.07 |
| 数值计算 | 1 177.43 | 3.5 | 318.0 |
| 电厂运行 | 1 176.00 | 3.6 | 331.5 |
3 低负荷稳燃效果预测
3.1 局部集中给粉低负荷稳燃效果预测
图3为优化前后锅炉35%负荷运行时的煤粉浓度分布。可以看出，在0~20 m的冷灰斗区域，优化后因重力沉降，煤粉浓度随高度增加而增大；在20~30 m高度，关闭顶层一次风门，仅运行4层喷口后，煤粉质量浓度显著增至0.27 kg/m3以上，较优化前有明显提升；在32 m以上高度，煤粉浓度随高度增加而减小。
图3
图3
优化前后锅炉35%负荷运行时的煤粉浓度分布
Fig. 3
Pulverized coal concentration distribution during 35% load operation of boiler before and after optimization
图4为优化前后锅炉35%负荷运行时温度的垂直分布。可以看出，在0~15 m高度，优化后的炉膛温度略微上升；在15~30 m高度，因煤粉浓度增加和火焰集中，优化后炉膛温度显著高于优化前；在35 m高度以上，温度随高度的增加而下降，优化对温差影响有限，优化前后的出口温度分别为944 K和956 K。
图4
图4
优化前后锅炉35%负荷运行时的温度分布
Fig. 4
Temperature distribution during 35% load operation of the boiler before and after optimization
3.2 运行参数优化对锅炉运行影响
为了全面评估本次运行优化对600 MW超临界锅炉燃烧特性及污染物排放的具体影响，分析了炉内流场特性，监测了炉膛内的温度分布及O2、CO、NO x 的浓度分布。
在锅炉负荷变化过程中，煤量和风量发生变化，进而影响烟气的速度和分布模式。图5为不同负荷条件下锅炉炉膛横截面的速度分布。由于所燃用的劣质煤种水分含量高，燃烧时烟气混合不佳、速度较低。优化后，在100%和35%负荷下炉膛速度分布均匀，提升了燃烧效率。100%负荷时烟气充满度高且混合良好，增强了燃烧效果；35%负荷时烟气动力减弱，一、二次风提前混合，燃尽风对上升烟气的影响有所下降。
图5
图5
不同负荷下炉膛横截面速度分布
Fig. 5
Velocity distribution of furnace cross-section under different loads
图6
图6
不同负荷下炉膛纵截面温度分布
Fig. 6
Temperature distribution of furnace longitudinal section under different loads
图7
图7
不同负荷下炉膛温度随炉膛高度分布
Fig. 7
Distribution of furnace temperature with furnace height under different loads
负荷降低时，炉膛火焰温度下降，高温区缩小至燃烧器出口附近。优化后，35%负荷下在16~32 m高度锅炉温度维持在1 000~1 100 K，确保了低负荷时的稳燃。
图8
图8
不同负荷下炉膛中心截面的O2浓度分布
Fig. 8
O2 concentration distribution at the center section of the furnace under different loads
图9
图9
不同负荷下O2浓度随炉膛高度分布
Fig. 9
Distribution of O2 concentration with furnace height under different loads
图10
图10
不同负荷下炉膛截面CO浓度分布
Fig. 10
CO concentration distribution in furnace section under different loads
图11
图11
不同负荷下CO浓度随炉膛高度分布
Fig. 11
CO concentration distribution with furnace height under different loads
CO浓度与O2浓度分布趋势相反。高负荷时，燃烧器附近燃料快速燃烧，但O2供应不足，导致大量CO产生，随着燃尽风进入，未燃尽煤粉完全燃烧，CO浓度降低；低负荷时，烟气卷吸作用减弱，促进CO浓度上升。
图12
图12
不同负荷下炉膛截面NO x 浓度分布
Fig. 12
Distribution of NO x concentration in furnace cross-section under different loads
图13
图13
不同负荷下实际煤种NO x 浓度随炉膛高度分布
Fig. 13
Distribution of actual coal NO x concentration with furnace height under different loads
在35%负荷下，由于燃料不完全燃烧，冷灰斗和燃烧器附近CO浓度高，还原性强，导致NO x 浓度低。随着燃烧风煤比的增加以及二次风、燃尽风的注入，主燃烧区和燃尽区的NO x 浓度上升。100%负荷时，炉膛温度高，产生的热力型NO x 多，但进入炉膛的空气量大，烟气卷吸作用增强，主燃区燃烧不完全，导致NO x 生成量少。
4 低负荷稳燃试验验证
根据制粉系统的布置特点以及模拟所得相关数据，对锅炉实施了210 MW低负荷稳燃试验。通过关闭最上层一次风喷口，改变制粉系统运行方式为1、3、4、5、7号磨煤机，调整O2体积分数为6.2%，为避免分隔屏超温，控制3、5、7号磨煤机出力较低，总燃料量为236.2 t/h，总风量为1 351.53 m3/h，磨煤机出口风温在150 ℃以上，确认锅炉燃烧稳定后，维持机组在210 MW稳定运行3 h。
机组在210 MW低负荷稳燃试验期间进行了火检，火检强度较高，且不存在较大波动或跳跃现象；实际试验过程中，现场火焰明亮，没有出现火焰闪烁等情况，而且运行过程中炉膛负压波动稳定，证明锅炉燃烧状况良好。
机组在210 MW低负荷稳燃试验期间，对锅炉效率进行了测试，结果如表4所示。可以看出，修正后锅炉的排烟温度为139.2 ℃，满足国家标准要求；飞灰可燃物体积分数较低，仅为0.20%；修正后锅炉效率为89.84%，满足《锅炉节能环保技术规程》中所规定锅炉热效率高于88%的要求。
表4 机组35%负荷稳燃试验结果
Tab. 4
| 参数 | 测试结果 |
|---|---|
| 电负荷/MW | 210 |
| 运行O2体积分数/% | 6.2 |
| 排烟温度/℃ | 133.1 |
| 排烟CO体积分数/% | 0 |
| 飞灰可燃物体积分数/% | 0.20 |
| 底渣可燃物体积分数/% | 0.25 |
| 修正后排烟温度/℃ | 139.2 |
| 未燃碳热损失/% | 0.18 |
| 干烟气热损失/% | 7.59 |
| CO引起的热损失/% | 0 |
| 修正后锅炉效率/% | 89.84 |
综合电厂锅炉210 MW低负荷稳燃试验结果可知：优化完成后，锅炉火检强度较高，炉膛负压波动稳定，锅炉排烟温度和效率均满足国家标准要求，证明本次优化能够实现600 MW超临界锅炉在35%负荷下的稳定运行，满足了电厂深度调峰的需求。
5 结论
提出了600 MW超临界低热值褐煤八角切圆锅炉在低负荷条件下的稳燃技术，通过数值模拟预测稳燃效果，并通过试验验证锅炉在35%负荷下的运行稳定性。主要结论如下：
1）锅炉运行优化显著提升了燃烧器区域的煤粉浓度，在20~30 m高度，煤粉质量浓度显著提升至0.27 kg/m3以上。同时，在15~30 m高度，炉膛温度因煤粉浓度增加和火焰集中而显著升高，有助于提高锅炉在低负荷工况下的运行稳定性和效率。
2）经过参数优化后的锅炉能够在不同的运行负荷下稳定运行。运行参数优化促使炉膛速度场表现出更均匀的特性，有助于提升燃烧效率；在低负荷下，高温区域缩小并集中于燃烧器出口附近，有利于保证锅炉的稳定运行。
3）经过实际优化后，通过关闭锅炉最上层一次风喷口并使用1、3、4、5、7号磨煤机的优化方式，能够实现在35%负荷下稳燃，火检强度高且炉膛负压稳定，排烟温度和锅炉效率均满足国家标准要求，提高了电厂深度调峰的能力。
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