直流锅炉火焰中心与下部垂直水冷壁出口温度的建模研究

摘要

锅炉火焰中心位置不仅关系到炉内燃烧状况，还影响着受热面的安全，是锅炉运行调节中的重要参数。当火焰中心位置发生偏斜时，将改变炉内空气动力场影响燃烧，导致水冷壁受热不均、水冷壁管结渣和高温腐蚀、甚至造成水冷壁超温爆管等事故。当前关于火焰中心位置的研究一般是通过温度场模拟、火焰光谱信息处理等，难以实时判别运行中炉膛火焰中心的位置。因此，研发一种简单可靠的炉膛火焰中心位置的预测方法具有重要的理论意义及应用价值。
　　本文以某600MW超临界机组四角切圆燃烧锅炉为研究对象，提出了一种基于现有水冷壁出口壁温测点，进行火焰中心位置判别的方法，建立了水冷壁壁温与火焰中心位置间的计算模型，并将三维全炉膛数值模拟与热力计算相结合，进一步完善计算模型和预测方法，对多种工况下火焰中心位置进行了判别，为机组优化运行提供指导。
　　首先，本文基于锅炉热力计算的方法，选用75％BMCR工况参数，建立了炉膛火焰中心位置与水冷壁热负荷分布的关系模型，以及炉膛火焰中心位置预测模型，并通过同负荷另一时段运行参数验证和修正该预测模型;再应用所建预测模型对不同工况(55％、65％、85％和100％BMCR)下的炉膛火焰中心位置进行预测。结果表明:采用所建炉膛火焰中心位置的预测模型能够较为准确地描述炉膛火焰中心的位置;通过与实测的数据对比，计算误差在允许的范围内，证明该模型具有一定的可靠性;当火焰中心向某一侧墙偏移时，该侧水冷壁热负荷会有整体的升高，而对面墙热负荷会有整体的下降，且变化的幅度与炉膛火焰中心位置的偏移量有关。
　　其次，通过全炉膛三维数值模拟的方法，选用65％BMCR工况参数，分析了此时炉内的速度场、温度场，并在此基础上计算得到了下水冷壁出口壁面热负荷和壁温分布;该计算方法通过对文献中的热负荷不均匀系数的优化，进一步完善了基于热力计算方法所建立的炉膛火焰中心位置预测模型，使其更适用于计算所用炉型;应用完善后的预测模型对65％BMCR工况下的火焰中心位置进行预测，并针对火焰中心位置偏移的情况采取相应调节措施;最后应用该预测模型验证了调节的效果。结果表明:应用基于三维数值模拟计算所得的下水冷壁出口壁温与实测值更相符，通过完善后的火焰中心位置预测模型对运行中火焰中心位置的预测更具有准确性与可靠性。
　　最后，本文开发了仅需应用下水冷壁出口壁温测点的火焰中心位置在线监测系统。该监控系统可通过输入参数诊断炉内的燃烧状态;若火焰中心位置发生偏移则发出报警，并直观地显示炉膛火焰中心位置，帮助电站锅炉运行人员实时掌握炉内的燃烧工况，同时可为运行人员提供燃烧调节措施。该在线监测系统为切圆燃烧锅炉的监控和优化调节提供了新的途径，锅炉检修人员可通过火焰中心位置的历史偏移情况，总结出水冷壁管的易坏区域并采取相关预防手段。
　　本文所提出的预测方法仅需利用锅炉已有测点，投资低、预测过程简单可靠，工程实用性强，在实际应用中具有较好的前景。火焰中心位置预测方法提出的目的在于给锅炉运行人员提供运行调节建议，具有一定的理论意义与实用价值，同时为大容量火电机组的发展提供了新的研究方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 相关研究现状

1．2．1 炉膛火焰检测与燃烧诊断研究现状

1．2．2 墙式四角切圆锅炉研究现状

1．2．3 锅炉炉内传热与水冷壁壁温分布研究现状

1．3 本文研究目的及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

第二章 锅炉水冷壁热负荷和壁温分布计算方法

2．1 基于热负荷分配系数法的水冷壁热负荷和壁温计算模型

2．1．1 炉膛热力计算

2．1．2 水冷壁热负荷计算

2．1．3 水冷壁壁温计算

2．2 基于数值模拟的水冷壁热负荷及壁温计算模型

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．4 传热模型

2．2．5 燃烧模型

2．2．6 粒径分布模型

2．2．7 热负荷分布计算

2．3 锅炉概况

2．4 本章小结

第三章 基于热负荷分配系数的水冷壁壁温与火焰中心位置关系研究

3．1 模型验证

3．1．1 计算区域划分

3．1．2 工况设置和说明

3．1．3 水冷壁壁温计算

3．1．4 水冷壁壁温计算模型的验证与修正

3．2 同负荷下另一运行时段火焰中心预测

3．3 变工况火焰中心预测

3．4 本章小结

第四章 基于锅炉数值模拟的水冷壁壁温与火焰中心位置关系研究

4．1 模型验证

4．1．1 炉膛建模及网格划分

4．1．2 方程求解方法与收敛判据

4．1．3 模拟结果验证

4．2 计算结果与分析

4．2．1 空气动力场分析

4．2．2 温度场分析

4．2．3 热负荷分析

4．3 变工况分析

4．3．1 温度场分析

4．3．2 热负荷分析

4．4 本章小结

第五章 炉膛火焰中心位置监控系统开发及应用

5．1 预测方法

5．2 监控系统应用范例

5．2．1 数据获取及处理

5．2．2 监控系统设计原理

5．2．3 系统主要功能

5．3 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介