大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數(shù)值計(jì)算方法及其應(yīng)用

　動(dòng)力工程大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數(shù)值計(jì)算方法及其應(yīng)用董芄，洪梅，秦裕琨（哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)和工程學(xué)院，哈爾濱150001）針對目前大型煤粉鍋爐屏區(qū)熱力計(jì)算不準(zhǔn)確的問題，提出了上下爐膛分體耦合的爐膛傳熱計(jì)算模型，并且應(yīng)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(shù)值計(jì)算方法。圖6表2參5主題詞：煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數(shù)值計(jì)算獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱能工程教研室主任、副教授，主要從事爐內(nèi)傳熱、燃燒技術(shù)方面的研究工作。

　　0引言隨著發(fā)電鍋爐容量和參數(shù)的不斷提高，對鍋爐運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求亦愈加嚴(yán)格。因此，準(zhǔn)確地進(jìn)行爐膛傳熱計(jì)算對于大型發(fā)電鍋爐設(shè)計(jì)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(dāng)數(shù)量的屏式過熱器，鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算很不準(zhǔn)確。而通常的鍋爐爐膛傳熱三維數(shù)值計(jì)算方法采用全爐膛統(tǒng)一的計(jì)算分區(qū)形式，不能適用于大型鍋爐爐膛傳熱計(jì)算。屏式過熱器的準(zhǔn)確傳熱計(jì)算目前已成為大型鍋爐設(shè)計(jì)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(jì)算模式，并且應(yīng)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(shù)值計(jì)算方法。此方法不受上、下爐膛計(jì)算分區(qū)兼容條件的限制，可以按計(jì)算精度的要求細(xì)化上、下爐膛的傳熱計(jì)算，為大型煤粉鍋爐屏式過熱器的準(zhǔn)確傳熱計(jì)算提供了一個(gè)可靠的方法。

　　1上、下爐膛分體耦合計(jì)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(shù)學(xué)模型計(jì)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(jìn)行下爐膛傳熱的三維數(shù)值計(jì)算。

　�。� 2）由于大型發(fā)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(rèn)為上爐膛向下爐膛的輻射熱量是沿界面均勻分配的。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)算這項(xiàng)假設(shè)所造成的計(jì)算誤差極其微小，在工程計(jì)算中可忽略不計(jì)。

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

　　上述計(jì)算模式基本解決了大型鍋爐屏式過熱器的準(zhǔn)確傳熱計(jì)算的難題。

　　2煤粉氣流燃燒數(shù)學(xué)模型煤粉氣流燃燒數(shù)學(xué)模型是爐膛傳熱數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)模型之一。由于煤粉氣流燃燒機(jī)理的復(fù)雜性，目前還無法對其過程做出全面的數(shù)學(xué)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(shè)基礎(chǔ)上的爐膛內(nèi)煤粉氣流燃燒過程工程化數(shù)學(xué)模型。

　　此模型的物理假設(shè)為：（ 1）煤粉噴入爐膛后被迅速加熱，揮發(fā)份在燃燒器區(qū)全部逸出并瞬時(shí)燃盡，同時(shí)焦炭顆粒開始燃燒（ 2）揮發(fā)份中包括燃料所含全部的氫、氧、氮、硫和少量碳（ 3）揮發(fā)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(jìn)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(yīng)（ 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(kuò)散率，也可能受控于表面反應(yīng)率（ 6）煤粉的粒度分布服從于RosinRammler分布模型，在數(shù)值計(jì)算中，可劃分為N個(gè)等粒徑組分，并認(rèn)為在揮發(fā)份析出后，焦炭顆粒群個(gè)組分與份額保持不變。

　　根據(jù)上述物理假設(shè)和煤粉氣流燃燒理論可推導(dǎo)出任一組份的焦炭顆粒未燃盡率對時(shí)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(jìn)程中形態(tài)的指數(shù)――焦炭顆粒表面氣膜溫度， K――表面反應(yīng)率常數(shù)――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(zhì)輻射傳熱數(shù)學(xué)模型此爐膛介質(zhì)的傳熱工況以輻射為主，因此本文應(yīng)用適宜于爐膛介質(zhì)傳熱計(jì)算的二階假想面法為本文方法的爐膛輻射傳熱計(jì)算模型。此模型的理論基礎(chǔ)是輻射能傳遞方程，并基于以上原則：（ 1）根據(jù)計(jì)算精度的要求，將計(jì)算結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)計(jì)算分區(qū)，每一個(gè)計(jì)算單元由一個(gè)介質(zhì)區(qū)和若干個(gè)實(shí)壁面區(qū)及假想面區(qū)所組成的封閉幾何體組成（ 2）任一介質(zhì)區(qū)內(nèi)的氣體介質(zhì)區(qū)內(nèi)充滿了均質(zhì)、等溫的灰介質(zhì)（ 3）任一壁面區(qū)為均質(zhì)等溫灰體表面（ 4）各個(gè)介質(zhì)區(qū)和壁面區(qū)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(jì)算分區(qū)的二階相鄰分區(qū)組成的封閉系統(tǒng)的外廓面區(qū)通過所含介質(zhì)的吸收、輻射性介質(zhì)對該面區(qū)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(zhì)在各個(gè)計(jì)算分區(qū)之間的流動(dòng)不發(fā)生作用。

　　在以上原理，應(yīng)用輻射傳熱學(xué)理論可分別推導(dǎo)出任一存有吸熱工質(zhì)的壁面區(qū)能量守恒方程和介質(zhì)區(qū)能量守恒方程如下式中X――面區(qū)m的黑度，面積2，溫度K和熱阻m――面區(qū)n和介質(zhì)區(qū)l對面區(qū)m的直接交換面積， m――介質(zhì)區(qū)l的自直接交換面積， m――面區(qū)n的有效輻射，W /m――介質(zhì)區(qū)l的溫度K，吸收系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)釋熱率， W /m――流出和流出介質(zhì)區(qū)l的焓值，W――壁面區(qū)內(nèi)工質(zhì)的溫度， K綜合上述的計(jì)算模型建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數(shù)值計(jì)算方法邏輯框圖示于圖4大型煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數(shù)值計(jì)算方法與分析本文應(yīng)用上述大型煤粉鍋爐爐膛傳熱三維數(shù)值計(jì)算方法分別對型、HG2008 /186M型鍋爐進(jìn)行了爐膛傳熱的計(jì)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(zhì)溫度，前墻和側(cè)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(qū)和下爐膛出口水平截面介質(zhì)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(dòng)力工程（ a）平行前墻中心縱截面（ b）平行側(cè)墻中心縱截面（a）前墻（b）側(cè)墻動(dòng)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(shù)值計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果是詳細(xì)合理的。

　　點(diǎn)實(shí)測介質(zhì)溫度與計(jì)算值比較結(jié)果。由于是采用紅外高溫計(jì)進(jìn)行非接觸式介質(zhì)溫度測量，其測量結(jié)果應(yīng)為在測點(diǎn)位置上垂直爐墻一定深度范圍內(nèi)的某種平均值，但目前尚無確切的計(jì)算方法。本文則設(shè)定實(shí)測值代表0. 5倍爐墻距爐膛中心縱截面距離范圍內(nèi)的介質(zhì)溫度平均值。從表中可見，各測點(diǎn)實(shí)測介質(zhì)溫度值與計(jì)算值吻合良好。

　　（ a）火焰中心截面（ b）下爐膛出口截面介質(zhì)溫度值與計(jì)算值比較測點(diǎn)編號(hào)計(jì)算值（°C）實(shí)測值（°C）差值（°C）相對差值（ ）質(zhì)溫度值與計(jì)算值的比較結(jié)果。由于此型鍋爐各測點(diǎn)基本布置在爐膛角部，且由于試驗(yàn)工況存在著各種偏差而造成各對稱測點(diǎn)實(shí)測介質(zhì)溫度值相差較大，因此本文將各等標(biāo)高對稱測點(diǎn)平均值相比較。其實(shí)測值代表0. 5倍爐墻距爐膛中心縱截面距離范圍內(nèi)的介質(zhì)溫度平均值。從表中可見，各標(biāo)高的實(shí)測介質(zhì)溫度平均值與計(jì)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(shù)值計(jì)算方法是成功的，其計(jì)算結(jié)果是合理的。

　　動(dòng)力工程介質(zhì)溫度值與計(jì)算值比較標(biāo)高值（ m）計(jì)算值（°C）實(shí)測值（°C）差值（°C）相對差值（ ）5結(jié)論（ 1）本文所建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數(shù)值計(jì)算方法采用二階假想面法和上、下爐膛分體耦合計(jì)算模式，因此不受上、下爐膛計(jì)算分區(qū)兼容條件的限制，細(xì)化上、下爐膛的傳熱計(jì)算，克服了其它爐膛傳熱數(shù)值計(jì)算方法通常存在的屏式過熱器的傳熱計(jì)算較為粗糙的缺陷，為大型煤粉鍋爐提供了一個(gè)較好的方法（ 2）通過應(yīng)用本文所建立的大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數(shù)值計(jì)算方法分別對M型鍋爐進(jìn)行計(jì)算分析并與實(shí)測結(jié)果比較得知，此爐膛傳熱工程化數(shù)值計(jì)算方法是合理可靠的，其計(jì)算得出的爐膛介質(zhì)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(jié)果對于大型煤粉發(fā)電鍋爐爐膛傳熱設(shè)計(jì)、水動(dòng)力計(jì)算和防止?fàn)t壁結(jié)渣都具有重要指導(dǎo)意義。