1、第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6风机选型与炉膛结构对高原燃气锅炉燃烧状况影响的数值模拟研究张井坤1，刘雪敏2，于吉明2，王玉涛3，杜勇博1，车得福1，笪耀东2(1 西安交通大学能源与动力工程学院，动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049;2 中国特种设备检测研究院，北京100029;3 青海省特种设备检验检测院，青海西宁810003)摘要:为了改善高原燃气锅炉运行时出现的出力不足与热效率下降等问题，本文采用数值模拟方法研
2、究了高原条件下风机选型对燃气锅炉炉内燃烧状况的影响，进一步结合热力计算方法开展炉膛结构优化方法研究。结果表明:风机压头与流量不变时，炉膛前中部平均温度随海拔升高逐渐降低，而炉膛后部平均温度随海拔升高先升高后降低。风机修正后，高原地区供氧质量与平原地区一致，炉内平均温度随海拔升高而增加;相同海拔条件下，风机修正后的炉内平均温度高于风机不变时。“瘦长型”锅炉的 NOx排放略高于原锅炉，但炉内温度水平与原锅炉较为接近。综合来看，“瘦长型”锅炉的高原运行性能优于原锅炉与“粗短型”锅炉，对高原燃气锅炉炉膛结构优化时可以选择该种炉型作为炉型优化方向之一。关键词:高原;燃气锅炉;温度分布;炉膛结构优化;数值
3、模拟中图分类号:TK229 8文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0497 05收稿日期2022 07 02修订稿日期2022 07 20基金项目:国家重点研发计划(2021YFF0600603);市场监管总局科技计划(2020MK178)作者简介:张井坤(1996 )，男，博士研究生，主要从事高原燃气锅炉高效清洁运用关键技术研究。Numerical Simulation on the Combustion Condition of Plateau Gas firedBoiler with Different Fan and Furnace StructureZHANG
4、 Jing kun1，LIU Xue min2，YU Ji ming2，WANG Yu tao3，DU Yong bo1，CHE De fu1，DA Yao dong2(1 State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，School of Energy and Power Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China;2 China Special Equipment Inspection and esearch Institute，Beijing 1
5、00029，China;3 Qinghai Special Equipment Inspection and Testing Institute，Xining 810003，China)Abstract:To improve the problems of insufficient output and decreasing thermal efficiency for plateaugas fired boilers，the combustion condition was studied by numerical simulation method under differentaltit
6、udes，and the furnace structure optimization was further carried out by thermal calculation and numer-ical simulation The results show that:when the fan pressure and flow are constant，the average tempera-ture of the front and middle part of the lanky furnace gradually decreases with increasing altitu
7、de，but theaverage temperature of the rear of the furnace increases first and then decreases with increasing altitudeWhen the fan is corrected，the oxygen quality keeps the same with high altitude，the average temperaturein the furnace increases with increasing altitude;Under the same altitude，the aver
8、age temperature of the794fan correction in the furnace after is higher than the uncorrected fan The NOxemission of the lanky boileris slightly higher than the original boiler，but the temperature level in the furnace is relatively close to theoriginal boiler And the operating performance of the lanky
9、 boiler is better than the original boiler andstubby boilerKey words:plateau;gas fired boiler;temperature distribution;furnace structure optimization;numeri-cal Simulation0引言我国西部地区幅员辽阔，大多为高原地形。高原地区人员稀少、能源需求密度低和生态环境脆弱的普遍特征决定了其动力设备以燃气锅炉为主。然而，高原低气压、低含氧量的环境条件严重影响燃气锅炉的空气动力学参数，进一步导致其运行时出现出力不足与热效率下降等一系列问题。
10、目前仍有一部分在役燃气锅炉按照平原条件设计并配备风机，大多使用年限较长，运行时风机压头不足导致风量下降，锅炉出力不足及不完全燃烧问题严重1 2。然而，高原条件对风机运行性能的影响近年来逐步被燃烧器和锅炉设计制造企业认识并给予重视。为保证送入炉内的氧量不变而满足燃料燃烧需要，一些新上锅炉大多会增加风机功率3 4。但即使对空气量进行修正，一般也很难达到其在平原地区运行的效果，其热效率和出力均有不同程度的下降。因此有学者提出在对风机修正的基础上，适当增大炉膛的容积，提高锅炉的热效率与满足出力要求4。但仍然需要避免炉内温度水平降低影响燃气燃烧或者炉膛出口烟温过高导致烟管和管板的连接处在热应力和机械应力
11、的作用下会产生管板裂纹5。目前，大多数学者是从理论分析或者个人经验对风机与炉膛容积进行修正，风机选型与炉膛结构变化对炉内燃烧情况影响的数值模拟研究仍然缺乏。同时，由于燃气燃烧温度较高，易生成氮氧化物(NOx)，各地政府对燃气锅炉也提出了更严格的标准，海拔高度及炉膛结构变化对 NOx排放均有影响6 8。但并未见相关文献报道高原燃气锅炉炉膛容积变化对 NOx排放的影响。因此有必要系统研究高原条件下风机选型与炉膛结构对炉内燃烧状况的影响，进一步提出科学的高原燃气锅炉炉膛结构优化方法，改善高原燃气锅炉运行现状。本文以 WNS2 1 25 Q 型燃气锅炉为研究对象，采用数值模拟的方法研究风机不变、风机修
12、正两种条件对高原燃气锅炉炉内燃烧状况的影响，进一步结合热力计算方法开展炉膛结构优化研究，为高原燃气锅炉优化设计及高效清洁运行提供参考。1燃气锅炉概况和网格划分本文以 WNS2 1 25 Q 型燃气锅炉为研究对象，按照平原条件设计的炉膛直径为 700 mm，长度为 3 140 mm。锅炉燃烧器结构、运行数据以及设计燃气组分在文献中9 已详细介绍，本文不再赘述。由于炉膛与燃烧器均为轴对称结构，故本文选取 1/4 进行绘制，采用结构化网格，出口截面网格如图 1 所示。模型的网格无关性验证已在此前工作中完成，最终选取网格数为 1949020 的网格系统进行数值模拟研究9。图 1燃烧器示意图及网格剖面图
13、2数值模拟方法和模型验证2 1数学模型本文采用商用计算软件 Fluent 进行炉内温度场的数值模拟。燃烧模型选取混合分数概率密度模型(PDF)，混合分数概率密度函数模型简化了甲烷燃烧反应，加快了总体计算进程10。湍流模型选取realizable k epsilon;辐射模型采用离散坐标辐射模型(DO)，吸收系数的计算选取灰色气体加权模型(WSGGM)。NOx在燃烧模拟后计算，且热力型与快速型 NOx均被考虑。2 2边界条件风机不变时，送入炉内空气体积流量随海拔高度的升高而不变，具体的各个喷口的流量如表 1 中工况 1 工况 5。其次，为保证送入炉内的氧量不变而满足燃料燃烧需要，增加风机压头和流
14、量，使送入炉内空气体积流量增加，但质量并不发生变化，本文定义该运行工况为风机修正。与风机不变的情况进行对比分析炉内燃烧状况，本文仅选取海拔为2 000 m时作为对照，具体的各个喷口的流量如表 1 中工况6。894在风机修正条件下，通过改变炉膛长度与炉膛直径来增加锅炉炉膛容积，进一步探究炉膛尺寸变化对炉内温度分布与污染物排放的影响，具体的炉膛尺寸和各个喷口的流量如表 1 中工况 7 和工况 8。本文炉膛结构优化采用热力计算与数值模拟结合的方法，详细流程如图 2 所示。热力计算得出平原与高原地区的炉膛出口烟温与容积热负荷，对比分析炉膛出口烟温的变化规律用于指导炉膛结构优化;其次，用优化后的炉膛结构
15、重新计算炉膛出口烟温和容积热负荷，并将其与平原地区炉膛出口烟温与容积热负荷进行比较。炉膛出口烟温与按照平原条件设计的锅炉相比偏差在 1%以内，优化后炉膛容积热负荷处于1 150 1 800 kW/m3且相差不大时认为迭代优化完成;最后将优化得到的多种炉膛结构与热力计算的边界条件用于数值模拟，综合比较炉膛出口烟温、炉内温度水平及污染物排放后优选出适用于高原运行的燃气锅炉的炉膛结构，优选标准为与原锅炉平原运行时温度场与污染物排放的吻合程度。其中，热力计算方法采用实用锅炉手册中炉膛传热基本方程，该方法对燃气锅炉炉膛出口烟温计算时表现出较好的吻合性11。不同炉膛结构的炉膛出口烟温与炉内最高温度的大小一
16、定程度上可以表征炉内温度水平的高低，但两者仅代表炉内某一截面和炉内某一点的温度，不能体现炉内高温区面积的大小，故本文引入炉内温度水平评价系数CT作为补充，多维度对比炉内温度水平的变化。炉内温度水平评价系数的大小侧面反映了炉内高温区面积的大小，其计算公式如下CT=maxLT minLTLf(1)式中下标 T 目标温度/K;maxLT 沿轴线方向平均温度为目标温度的最大处/mm;minLT 沿轴线方向平均温度为目标温度的最小处/mm;Lf 炉膛长度/mm。空气中氧气体积分数并不受海拔高度变化的影响，本文中不同海拔高度条件下入炉空气氧气体积分数均设置为 21%，模拟使用不可压理想气体定律来反映单位体积空气中的氧含量的变化。锅炉运行的背压设置为不同海拔高度条件下的大气压力，炉内压力通过背压和阻力模拟计算所得。锅炉运行时蒸汽温度为 447 15 K，而壁温一般蒸汽侧温度高50 100 K，故模拟设置为壁温 500 K，采用恒壁温边界条件。图 2炉膛结构优化流程图表 1满负荷时燃烧器喷口边界条件工况炉膛尺寸/mm海拔/m负荷/%mair1/kg s1mair2/kg s1mair3/kg s1mg