燃煤锅炉燃烧程流场温度场数值模拟
题 目
二○三年六月
毕 业 设 计(文)
系
动力工程系
专业班级
环境工程 班
学生姓名
指导教师
摘
数值模拟电子计算机手段通数值计算图显示方法达工程问题物理问题然界类问题研究目课题涉三维燃烧程带两相流综合考虑选择目前应较广泛FLUENT软件作数值模拟工具
文锅炉炉膛计算域通GAMBIT软件构建三维框架结构进行网格划分确定合适数学物理模型设置边界条件选适变量参数炉膛燃烧进行三维数值模拟出炉膛流场温度场分布简单处理模拟结果图片图表形式进行直观展示通模拟结果观察分析出合理结分析足处改变燃风风速选择30ms40ms49ms60ms三种燃风速研究燃风风速炉混合特性炉温度场影响结果表明燃风口风速增时炉气流旋转强度增强燃风穿透程度加强相容易穿透炉膛中心烟气煤粉混合加剧利增加煤炭燃烧效率定条件着燃风速增加炉膛中心高温区域面积增加相集中着燃风速增加锅炉烟气出口温度降低燃风风速49ms时炉燃烧状况佳
关键词：流场温度场数值模拟燃风
NUMERICAL SIMULATION ON FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD OF THE COMBUSTION PROCESS IN THE FIRED PULVERIZEDCOAL BOILER
Abstract
Numerical simulation uses electronic computers as the means To achieve the purpose of engineering problems and physical problems as well as the nature of various problems it uses the method of the numerical calculation and image shows The topic relates to the threedimensional combustion process and the twophase flow Considered I chose the FLUENT as the tool for numerical simulation
In this paper establishing the three dimensional frame construction with GAMBIT carrying on the grid division then selecting the appropriate model of mathematics and physics and the suitable parameter and the variable setting up the boundary condition making threedimensional numerical simulation of furnace combustion receiving the distributions of flow field and temperature field in the furnace After simple processing we can show the result by making the pictures or diagrams Making a conclusion from the results and finding out the inadequacies of the results Changing the size of velocity of over fired airchoose 304049 and 60 meters per secondthen discuss what will happen about mixing characteristics of the furnace and temperature fieldStudy results indicate that As burnout air speed increases the rotation of the furnace air flow intensity increases and the degree of penetration strength increases it’s easy to penetrate into the center of the furnace relatively so that the mixture of flue gas and coal increases the increasing efficiency of coal combustion is also in favorUnder certain conditions as the velocity of over fired air increasesthe temperature of furnace center area increases more concentratedand the temperature of the boiler flue gas outlet slso reducedthe best overfire air velocity for optimum combustion furnace is 49 meters per second
KeywordsFlow FieldTemperature FieldNumerical SimulationOver Fired Air
目 录
摘 I
Abstract II
1绪 1
11课题背景 1
12燃烧程数值模拟发展概况 1
13燃煤锅炉燃烧程数值模拟研究现状 1
14FLUENT软件 2
141简介 2
142优点 2
143局限性 2
15燃煤锅炉燃烧程流场温度场数值模拟简介 3
151气相湍流流动模型 3
152气固两相流动模型 3
153辐射换热模型 3
154弥散相模型 5
155煤粉燃烧模型 6
16文研究容 6
2模型建立计算 8
21燃煤锅炉原理 8
211电厂锅炉工作原理 8
212电厂锅炉发展概况 8
22燃煤锅炉特性 8
221锅炉型号 8
222锅炉燃煤煤质分析 9
23炉膛模型 10
231炉膛整体模型选择 10
232炉膛燃烧器燃风口分布 10
233炉膛模型网格化 11
24数学模型计算方法 13
241数学模型 13
242计算区域 13
25FLUENT计算步骤 13
3炉膛燃烧程模拟结果分析 15
31炉膛流场 15
311燃烧器横剖面速度场 15
312燃风口横剖面速度场 16
313炉膛剖面速度场 17
32炉膛温度场 18
321燃烧器横剖面温度场 18
322燃风口横剖面温度场 19
323炉膛剖面温度场 20
33燃风速炉燃烧特性影响 21
331燃风速炉混合特性影响 21
332燃风速炉温度场影响 26
结 28
参考文献 29
致谢 31
1绪
11 课题背景
源国民济重物质基础类赖生存基条件电力工业源工业重组成部分中国煤炭生产消费国目前煤炭提供次源75预见十年煤炭中国次源[1]工业锅炉排放量烟尘SOXNOX等污染物 成国气煤烟型污染源作煤源国家提高燃烧效率降低燃煤产生污染物国家节效途径发展高效率低污染煤洁净燃烧技术成锅炉发展方电力市场需求量断扩增煤炭消耗量增加国煤炭利水低燃烧技术燃烧设备较落导致源浪费电厂效益降低研究预测流场温度场趋势锅炉安装改造利值重点考虑问题直接锅炉应显然切实际数值模拟形象现流动情景建立起模拟真实锅炉燃烧程仅节省力物力资金准确度效率高锅炉运行行性分析说件意义事
12 燃烧程数值模拟发展概况
二十世纪六十年代期Spalding首先计算机边界层燃烧问题数值解七十年代模型发展完善阶段中包括Spalding湍流燃烧模型Gibson化学动力学模型Grow气固两相流模型提出八十年代模型开始应炉模拟种模型计算方法进步完善九十年代着计算机技术应进步发展模拟开始转更具实际应价值炉燃烧污染物结渣碳黑生成模拟[2]总体说炉燃烧程数值模拟逐渐走成熟
13 燃煤锅炉燃烧程数值模拟研究现状
炉燃烧程非常复杂程受流动(包括湍流)传热传质化学反应控制涉三维非稳态相组分热量传递等中热量传递程包括流换热辐射换热热传导涉相关化学反应包括气相燃烧颗粒相燃烧两部分[3]软件完全锅炉燃烧程进行数值模拟现实做定简化处理突出物质重程世界国诸学科专家学者长期研究探索根实验事实程作出合理假设构造出种模型模型模拟精度计算量合理性济性具特点适情况[4]计算机模拟技术具优点工程实践中越越广泛应FLUENT流体力学软件中相成熟运广泛软件文选定FLUENT作锅炉燃烧程数值模拟软件
14 FLUENT软件
141 简介
FLUENT软件美国FLUENT公司1983年推出计算流体力学软件计算涉流体热传递化学反应等工程问题FLUENT软件适种复杂外形压压流动计算FLUENT软件采种求解方法重网格加速收敛技术达佳收敛速度求解精度转捩湍流传热相变化学反应燃烧相流旋转机械动变形网格噪声材料加工燃料电池等方面广泛应[5]
142 优点
1）适面广
包括种优化物理模型计算流体流动热传导模型(包括然流定常非定常流动层流湍流紊流压缩压缩流动周期流旋转流时间相关流等)辐射模型相变模型离散相变模型相流模型化学组分输运反应流模型等种物理问题流动特点适合数值解法户显式隐式差分格式进行选择期计算速度稳定性精度等方面达佳
2）高效省时
FLUENT领域计算软件组合起成CFD计算机软件群软件间方便进行数值交换采统前处理工具省科研工作者计算方法编程前处理等方面投入重复低效劳动精力智慧物理问题身探索
3）污染物生成模型
包括NOxROx(烟尘)生成模型中NOx模型够模拟热力型快速型燃料型燃烧系统里回燃导致NOx消耗ROx生成通两验模型进行似模拟紊流
143 局限性
FLUENT软件适数值计算问题 置模型具定通性特殊较专业问题带模型已适煤粉燃烧模型需计算流扩散方程[ 1012 ]采FLUENT带燃烧模型颗粒运动模型等计算出结果实际较出入需考虑问题解决问题必须深入分析FLUENT软件处理煤粉燃烧机理基础通户定义函数（User Defined Function简称UDF）进行二次开发深入研究煤粉燃烧模型中颗粒踪数计算方法程间切换程规间关系颗粒生命周期调定义规数目程规调机理根实际工况实验数重新编写部分计算程序燃烧模型[13]文炉膛燃烧做简单模拟选择FLUENT带模型里深入研究户定义函数做简单介绍
15 燃煤锅炉燃烧程流场温度场数值模拟简介
151 气相湍流流动模型
锅炉炉气流流动全部湍流流动物理量空间时间机变量炉气相流动遵循连续介质般运动规律具定规律统计学特征流场中意空间点流动参数满足粘性流体流动纳维斯托克斯（NS）方程组瞬时参数连续方程动量方程量方程表示[6]方程组封闭方程组具高度非线性目前科学技术发展水出理解采数值模拟方法进行求解
152 气固两相流动模型
燃煤锅炉炉燃烧程涉煤粉颗粒燃烧产物气体两相流动煤粉运动弥散炉燃烧反应影响正确预测燃烧程必须气固两相流动正确描述研究气固两相流动基两种方法类气体颗粒成存相互渗透连续介质（颗粒作拟流体）欧拉坐标系加描述常数学模型单流体模型（滑移模型）滑移模型双流体模型（流体模型连续介质模型）类气体作连续介质欧拉坐标系加描述颗粒视离散体系拉氏坐标系加描述常数学模型颗粒轨道模型[7] 锅炉中煤粉颗粒运动轨迹拉格朗日法进行模拟颗粒分散气体湍流模拟采机追踪模型种模型考虑气体瞬间速率变化颗粒轨迹影响流体流动中迭代25步认气体煤粉间相互影响次离散坐标（DO）辐射模型模拟辐射传热气体吸收系数WSGGM模型进行计算[1416]
153 辐射换热模型
型电站锅炉高温炉膛辐射换热重换热方式需炉辐射传热程进行合理准确计算辐射换热求解十分复杂困难难根辐射传递方程求出解析解解决辐射换热问题时般做定简化处理形成简化模型然选取适数值方法进行求解目前针适条件已发展辐射换热计算模型模拟炉传热程辐射换热模型[8] 分离散换热辐射模型（DTRM）P1辐射模型Rosseland 辐射模型表面辐射（S2S）模型离散坐标（DO）辐射模型
炉膛温度高炉高温火焰水冷壁间传热辐射换热占总换热量90左右辐射传输方程求解精确度取决燃烧产物气体煤粉颗粒灰粒烟煤辐射性质精确解通常液滴迅速蒸发辐射传热会影响燃烧气体产物影响集中窄离散波段中颗粒整光谱中连续发射吸收散射量颗粒辐射强度占导位[20]
FLUENT中5种模型计算辐射换热问题计算问题包括火焰辐射表面辐射加热冷辐射流热传导耦合换热问题空调通风设备中通窗口辐射换热汽车车厢热交换分析玻璃加工玻璃纤维拉丝陶瓷加工程中辐射换热等等辐射换热高温换热机制计算高温换热问题时应该采辐射换热模型
A． DTRM 模型
DTRM 模型优点较简单通增加射线数量提高计算精度时宽光学厚度范围局限包括：
1） DTRM 模型假设表面漫射表面入射辐射射线没固定反射角均匀反射方
2）计算中没考虑辐射散射效应
3） 计算中假定辐射灰体辐射
4）果采量射线进行计算话会CPU增加负担
B． P1模型
相DTRM 模型P1模型定优点P1模型辐射换热方程（RTE）容易求解扩散方程时模型中包含散射效应燃烧等光学厚度计算问题中P1计算效果较P1模型采曲线坐标系情况计算复杂形状问题P1模型局限：
1） P1模型假设表面漫射表面
2） P1模型计算中采灰体假设
3）果光学厚度较时形状较复杂话计算精度会受影响
4） 计算局部热源问题时P1模型计算辐射热流通量容易出现偏高现象
C． Rosseland 模型
P1模型相Rossland模型优点象P1模型样计算额外输运方程Rosseland 模型计算速度更快需存更少Rosseland 模型缺点仅光学厚度3问题时计算中采分离求解器进行计算
D． DO 模型
DO模型适范围模型——计算光学厚度辐射问题计算范围涵盖表面辐射半透明介质辐射燃烧问题中出现介入辐射种辐射问题DO模型采灰带模型进行计算计算灰体辐射计算非灰体辐射果网格划分分精细话计算中占系统资源成辐射计算中常模型
E． 表面辐射（S2S）模型
S2S 模型适计算没介入辐射介质封闭空间辐射换热计算太阳集热器辐射式加热器汽车机箱冷程等DTRM DO模型相然视角数（view factor）计算需占较CPU 时间S2S 模型迭代步中计算速度快S2S 模型局限：
1）S2S 模型假定表面漫射表面
2） S2S 模型采灰体辐射模型进行计算
3） 存等系统资源需求辐射表面增加激增计算中辐射表面组成集群方式减少存资源占
4） S2S 模型计算介入辐射问题
5） S2S 模型带周期性边界条件称性边界条件计算
6） S2S 模型二维轴称问题计算
7） S2S 模型重封闭区域辐射计算单封闭形状计算
154 弥散相模型
FLUENT弥散相模型计算散布流场中粒子运动轨迹例油气混合汽中空气连续相散布空气中细油滴弥散相连续相计算求解流场控制方程方式完成弥散相运动轨迹需弥散相模型进行计算弥散相模型实际连续相弥散相物质相互作模型带弥散相模型计算程中通常先计算连续相流场流场变量通弥散相模型计算弥散相粒子受作力确定运动轨迹
弥散相计算拉格朗日观点进行计算程中单粒子象进行计算象连续相计算样欧拉观点空间点象油气混合汽计算中作连续相空气计算结果空间点压强温度密度等变量分布表现形式作弥散相油滴某油滴受力速度轨迹作表现形式
FLUENT计算弥散相模型时计算容包括：
1）弥散相轨迹计算考虑素包括弥散相惯性气动阻力重力计算定常非定常流动
2）考虑湍流弥散相运动干扰作
3）计算中考虑弥散相加热冷
4）计算中考虑液态弥散相粒子蒸发沸腾程
5）计算燃烧弥散相粒子运动包括气化程煤粉燃烧程
6）计算中连续相弥散相计算相互耦合分计算
7）考虑液滴破裂聚合程
8）弥散相模型计算中包括述物理程计算实际问题非常广泛
弥散相模型限制粒子体积密度 10～12％时弥散相模型进行计算需注意体积密度10～12％时粒子质量密度远远例甚连续相质量密度弥散相模型适计算出口入口流动问题适弥散相粒子长时间停留计算域入口处飞入出口处飞出问题外弥散相模型质量流入口压强降低条件配合适应性时间推进时时弥散相模型中粒子连续相间没化学反应弥散相粒子表面进入流场时动网格技术弥散相粒子面动网格起移动
155 煤粉燃烧模型
煤粉进入炉膛历复杂程包括煤粉预热析出水分时断热解析出挥发分挥发分析出剩余称焦炭固体挥发分焦炭颗粒外围空间燃烧形成气相湍流燃烧火焰焦炭气相氧化剂颗粒表面发生异相燃烧反应焦炭燃烧煤粉燃烧程中起着导作挥发分煤着火焦炭燃烧具举足轻重作忽视煤粉燃烧模型挥发分热解模型气相湍流燃烧模型焦炭燃烧模型[9]
非预混燃烧计算化学反应模型包括火焰层似（flame sheet approximation）衡流计算层流火苗（flamelet）模型三种模型火焰层似模型假设燃料氧化剂相遇立刻燃烧完毕反应速度穷处计算速度快缺点计算误差较特局部热量计算超实际值衡流计算吉布斯极化方法求解组元浓度场种方法处避免求解限速率化学反应模型时够较精确获组元浓度场层流火苗模型湍流火焰燃烧作层流区装配成层流子区中采真实反应模型提高计算精度非预混燃烧计算中湍流计算采时均化NS方程湍流化学反应相干程概率密度函数（PDF）逼计算程中组元化学性质FLUENT提供预处理程序prePDF进行计算处理计算中采化学反应模型前面述三种模型中种
16 文研究容
文终目标燃煤锅炉燃烧程流场温度场进行数值模拟完成步骤：
1) 确定研究象选择研究锅炉类型确定基信息（锅炉型号基尺寸燃煤种类等）
2) FLUENT前置网格处理软件GAMBIT画出锅炉炉膛物理模型选择合理方法进行网格划分设置边界条件网格化模型保存
3) 启动FLUENT软件导入GAMBIT软件中做模型进行检查确认网格划分合理网格进行优化处理选择合适求解方法模型输入需计算数然进行迭代计算通图残差判断数收敛性
4) 计算结果进行优化出现较偏差需寻找问题例网格划分合理计算模型选择错误数输入错误等需重新调整计算直较符合实际结果
5) 结果进行处理展示计算结果图
6) 改变燃风口风速研究燃风速炉混合特性炉温度场影响总结出结
2模型建立计算
21 燃煤锅炉原理
211 电厂锅炉工作原理
电厂锅炉作燃料化学转变热利热加热锅水成具足够数量定质量（汽温汽压）热蒸汽供汽轮机
燃烧程激烈高速化学反应程时放出热光燃烧反应程复杂条件系列程关例湍流流动程辐射传热程扩散程等时进行着互相影响气体燃烧程燃料氧化剂均处种状态称均相燃烧固体颗粒液滴燃烧燃料氧化剂处物态称异相燃烧[17]
目前火电厂特点锅炉容量参数高技术复杂机械化动化水高燃料煤煤燃烧前需先制成煤粉然送入锅炉炉膛中燃烧放热锅炉工作燃料燃烧热量传递水加热汽化蒸汽热等程
212 电厂锅炉发展概况
型超界机组20世纪50年代美国德国开始投入商业运行天超界机组已量投运取良运行业绩时超超界机组断发展技术[17]
日前国电站煤粉锅炉基采四角布置切圆燃烧方式W型火焰燃烧方式曲墙布置燃烧方式四角切燃烧锅炉燃料适应性风粉混合均匀等特点决定国电站应广成熟燃烧方式应锅炉容量等优度煤劣质煤煤种国种锅炉占机姐总容量80左右[18]
22 燃煤锅炉特性
221 锅炉型号
文选择东方锅炉厂款600MW超界火电机组锅炉作研究象型号尺寸： 表21 DG1900254Ⅱ1型锅炉型号
名 称
单 位
数
锅炉深度(K1排柱中心K5排柱中心)
Mm
44500
锅炉宽度(外排柱中心距)
Mm
44000
板梁高度
Mm
82800
炉膛宽度
Mm
194192
炉膛深度
Mm
154562
顶棚拐点标高
Mm
72800
水烟道深
Mm
54864
尾部竖井前烟道深
Mm
6604
尾部竖井烟道深
Mm
83312
水冷壁集箱标高
Mm
5800
超界参数变压直流生型锅炉次热单炉膛尾部双烟道结构采挡板调节热汽温固态排渣全钢构架全悬吊结构衡通风露天布置锅炉参数：
表22 锅炉参数
名称
单位
BMCR
ECR
BRL
热蒸汽流量
th
1900
16608
18079
热器出口蒸汽压力
MPa(g)
254
251
253
热器出口蒸汽温度
℃
571
571
571
热蒸汽流量
th
16076
14141
15255
热器进口蒸汽压力
MPa(g)
471
415
447
热器出口蒸汽压力
MPa(g)
452
398
429
热器进口蒸汽温度
℃
322
307
316
热器出口蒸汽温度
℃
569
569
569
省煤器进口水温度
℃
284
275
280
222 锅炉燃煤煤质分析
燃晋南晋东南区贫煤烟煤混合煤种煤质分析：
表23锅炉煤煤质分析
项目
单位
设计煤种
校核煤种
校核煤种二
工业分析
收基发热值
KJKg
24360
23100
26290
收基全水分
588
629
353
收基灰分
2222
2192
1934
燃基挥发分
1444
2015
1084
空气干燥基水分
051
073
138
元素分析
收基碳
6425
6170
7108
收基氢
355
341
271
收基氧
262
505
181
收基氮
115
119
105
收基全硫
033
044
048
磨性系数
71
73
60
灰分
SiO2
4498
4110
4555
Al2O3
3629
3386
3541
Fe2O3
407
412
465
CaO
660
673
610
TiO2
197
272
021
K2O
020
128
112
Na2O
053
055
044
MgO
119
219
196
SO3
333
526
305
P2O5
019
133
015
065
086
136
23 炉膛模型
231 炉膛整体模型选择
文研究燃煤锅炉炉燃烧程污染物生成数值模拟针燃烧程燃烧发生锅炉炉膛文选择炉膛作研究象炉膛宽194192mm深度154568mm高度67000mm整炉膛四周全焊式膜式水冷壁炉膛部螺旋盘绕升水冷壁部垂直升水冷壁两结构组成两者间渡水冷壁转换连接炉膛角部R150mm圆弧渡结构炉膛冷灰斗倾斜角度55°渣口喉口宽度12432mmFLUENT进行三维模拟较复杂模拟计算相较慢节省时间需适模型进行简化选择物理模型整炉膛炉膛部分仅考虑燃烧器燃风口布置部分（热器热器水冷壁等）均画入模型简化设计出模型仅减少计算量基符合模拟求
232 炉膛燃烧器燃风口分布
锅炉采前墙燃烧方式24HT－NR3燃烧器前分三层布置炉膛前墙炉膛宽度方热负荷烟气温度分布更均匀 燃烧器次风喷口中心线层间距离49571mm层燃烧器间水距离36576mm次风喷口中心线距屏底距离273223mm次风喷口中心线距冷灰斗拐点距离23977mm外侧燃烧器侧墙距离42232mm够避免侧墙结渣发生高温腐蚀
燃烧器部布置燃风(OFA)风口12燃风风口分布置前墙中间4燃风风口距层次风中心线距离70046mm两侧前墙2燃风风口距层次风中心线距离42723mm
HTNR3燃烧器中燃烧空气分三股：直流次风直流二次风旋流三次风次风次风机提供次风炉膛端部布置锥形煤粉浓缩器燃烧器风箱HTNR3燃烧器提供二次风三次风燃烧器设风量均衡挡板该挡板调节杆穿燃烧器面板够燃烧器风箱外方便该挡板位置进行调整三次风旋流装置设计成调节型式设执行器实现程控调节调整旋流装置调节导轴调节三次风旋流强度燃风风口包含两股独立气流：中央部位非旋转气流直接穿透进入炉膛中心外圈气流旋转气流炉膛水冷壁升烟气进行混合文设计中次风携带煤粉弥散相模型形式进入炉膛部二次风定义边界条件设置入射速度角度温度等问题三次风旋流模型建立时方便计算考虑燃烧器模型三次风模拟起方便三次风进行简化二次风合燃烧器入口进入炉膛
233 炉膛模型网格化
图2122示整炉膛结构稍显复杂部折焰角部冷灰斗炉膛划分三部分分冷灰斗炉膛体折焰角周围部分冷灰斗折焰角周围部分燃烧体区域两部分网格划分求适降低般默认方式划分减少计算负担网格设置稍微疏炉膛体区域分割区域长方体结构相说较简单直接六面体网格进行划分需注意部分燃烧发生区域重点研究象根需适加网格密度燃烧器燃风口物质进口话需进行更细致网格划分时间问题考虑三维模拟计算复杂性炉膛进行简单合理网格划分总划分723619网格
完成炉膛物理模型网格划分设置燃烧器燃风口烟气出口冷灰斗出口边界条件24燃烧器入口12燃风口面定义速度入口烟气出口冷灰斗出口定义般出口面默认壁面
图21 炉膛模型网格划分三维视图
图22 炉膛模型网格划分直观图
24 数学模型计算方法
241 数学模型
文数值模拟采三维稳态计算气相湍流流动模拟采实现kε模型方程组通式[19]：
divρv∅divГΦ∇∅+S∅ (1)
式中 ∅通变量 ГΦ输运系数S∅源项ρ气流密度v速度矢量
采非预混燃烧模型标准kε紊流模型模拟炉三维湍流运输炉采P1辐射模型计算辐射传热采混合分数概率密度函数（probability density function PDF）法模拟气相燃烧模型煤粉挥发分释放采双匹配速率模型固体颗粒相求解采机颗粒轨道模型
文提高计算稳定性加快收敛速度计算中初始速度场定采维流动处理方法PDF中编制简短子程序根质量连续出全场速度初值样话进口条件开始实际情况出保证计算稳定性提高计算收敛速度免工全场赋初值工作提高程序通性流场计算受质量连续限制般迭代计算程中中间速度满足连续性方程出口边界条件仅导数零话会造成迭代程中进入炉质量流出质量相等极易引起迭代发散达预期结果出口边界采速度导数零条件时出口边界进行质量连续性校正外炉膛中干横截面进行质量连续校正取良收敛效果[21]
242 计算区域
守恒方程采控制容积法离散方程组压力速度采SIMPLEC算法求解收敛标准项均106简化计算选取炉膛部冷灰斗炉膛部折焰角间区域作计算区域采非结构化六面体网格网格划分图21图22示划分723619网格
三维炉膛实践表明FLUENT软件进行迭代计算时候选择SIMPLEC算法SIMPLE算法收敛快SIMPLEC松弛子取更 气相流场采非错列网格SIMPLEC方法求解更合适
25 FLUENT计算步骤
1)开FLUENT软件导入GAMBIT软件生成网格文件检查网格观察minimum volume保证项必须零方进行步否需重新GAMBIT划分网格
2)网格进行优化处理调整计算单位
3)定义求解方法开量方程选择标准kε湍流模型辐射采P1辐射模型燃烧采非预混燃烧模型配合弥散相模拟弥散相模型中设置燃烧器进粉量速度等条件
4)定义材料边界条件类型设置燃烧器进风速度方进风温度等
5)选择计算方法数进行初始化选择模拟监视器选择迭代次数然开始迭代计算计算收敛停止计算
6)建立模型观察面显示模拟图
3 炉膛燃烧程模拟结果分析
31 炉膛流场
311 燃烧器横剖面速度场
锅炉炉膛层分布8燃烧器三层燃烧器横剖面速度场分布规律体致图中燃烧器出口处速率达50ms越炉膛中心方速度逐渐降低低速率范围0 ms38ms炉膛四周中心速度呈现降低趋势
图31 层燃烧器剖面速度场
图32 中层燃烧器剖面速度场
图33 层燃烧器剖面速度场
312 燃风口横剖面速度场
观察图3435图中清晰燃风入口风速达35ms层燃风口剖面炉膛中心风速38ms76ms层燃风口剖面炉膛中心风速0ms38ms速度燃风口炉膛中心呈逐渐降低趋势面整体速度明显低燃烧器出口
图34 层燃风口剖面速度场
图35 层燃风口剖面速度场
313 炉膛剖面速度场
图36取行侧壁左右分距离侧壁面42232m78808m115384m15196m处四剖面观察速度场变化选四面前墙24燃烧器入口分处四面取四剖面具定代表性定程度反映炉膛真实情况时四面处条件相似相互
观察图36图394张图片出冷灰斗出口速度达766ms燃烧程中炉膛生成相稳定升气流速度呈逐渐降低趋势图中明显中三排燃烧器层燃风口入口速度较入口炉膛中心方呈逐渐降低趋势燃风口折焰角区域速度着炉膛高度增加降低气流垂直入射壁面成定角度实际情况较吻合
图36剖面速度场
32 炉膛温度场
321燃烧器横剖面温度场
图出中层燃烧器面均温度较高高温集中炉膛中心炉膛中心四周温度逐渐降低中心温度高达2000K炉膛中心数区域达1700K说明燃烧反应发生炉膛中心方
图37 层燃烧器剖面温度场
图38 中层燃烧器剖面温度场
图39 层燃烧器剖面温度场
322 燃风口横剖面温度场
观察图310311知燃风口面接炉膛中心区域较高温度说明处发生燃烧反应应该未燃煤粉处继续燃烧造成相言燃风口面高温区减少温度降低说明部分没燃燃料层燃风作已燃烧完全剩少部分燃料层燃风接触发生燃烧反应
图310 层燃风口温度场
图311 层燃风口温度场
323 炉膛剖面温度场
图312中左右分取距离侧壁面42232m78808m115384m15196m处四剖面观察图知越炉膛中心剖面燃烧效果越温度越高实际相符合时炉膛中心前称两剖面燃烧情况致相似水烟道流场分布相均匀 存四角切圆锅炉炉膛出口残余旋转导致水烟道速度分布严重均现象说明炉膛发生燃烧反应称性较较稳定图中炉膛高温度2000K左右实际燃烧温度稍高总体较符合实际情况炉膛高温区位燃烧器燃风区域燃风起压火作燃风段高温区未燃氧化碳碳燃风补充氧反应结果[22]炉膛宽度方炉膛中心温度分布均匀减壁面热负荷偏差带利影响出口烟气温度概1370K1500K间较符合现实情况
温度分布图出温度场炉呈称分布炉膛温度分布合理炉膛火焰充满度良炉膛高温区域位层燃烧器燃风区域燃烧器侧燃风区域着炉膛高度增加温度逐渐降低燃烧器区域温度呈缓慢降低趋势锅炉炉膛中呈现炉膛中央部位温度高分布燃烧器区域燃风区域中出现高温度区域温度水基炉膛高度逐步降
图312 剖面温度场
33 燃风速炉燃烧特性影响
331 燃风速炉混合特性影响
改变燃风风速燃风速炉燃烧特性进行分析选择30ms40ms49ms60ms 三种燃风速分定义工况abcd二次风燃风采均等配风方式
图313表示燃风速燃风口层喷口处横截面速度矢量图图314表示燃风口层喷口处横截面速度矢量图通出前墙引入气流入炉膛中心相遇 碰撞形成气流两侧燃烧器部分气流侧墙刷 形成旋涡燃风口风速增时炉气流旋转强度增强燃风穿透程度加强风率相情况风速增加时喷口面积需减风速喷口刚性较[8]相容易穿透炉膛中心烟气煤粉混合加剧利增加煤炭燃烧效率
（1）工况a
（2）工况b
（3）工况c
（4）工况d
图313四种工况燃风口层喷口处横截面速度矢量
（1）工况a
（2）工况b
（3）工况c
（4）工况d
图314四种工况燃风口层喷口处横截面速度矢量
332燃风速炉温度场影响
图315图318取行侧壁左右分距离侧壁面42232m78808m115384m15196m处四剖面四工况知定条件着燃风风速增加炉膛中心高温区域面积增加相集中风速增时炉烟气煤粉混合加剧利煤粉中焦炭区域混合燃会高风速温度提高着燃风速增加锅炉烟气出口温度降低燃风风速增时炉气流旋转强度越造成
图315工况a 四剖面温度分布
图316工况b四剖面温度分布
图317工况c四剖面温度分布
图318工况d四剖面温度分布
结
文选取适数学模型计算方法采合理网格划分边界条件运数值模拟软件FLUENT燃煤锅炉炉燃烧程流场温度场进行数值模拟研究通模拟结果分析出燃风速炉燃烧特性影响通数值研究出结：
（1）文600MW超界火电机组锅炉旋流煤粉锅炉流场速度场进行数值模拟设置边界类型入口条件合理建立燃煤锅炉炉膛模型正确选择数学模型计算方法合理数值模拟出结果实际情况相似达预期效果
（2）炉膛速度区域冷灰斗出口处燃烧器出口处速率较越炉膛中心方速度逐渐降低炉膛四周中心速度呈现降低趋势燃风口入口处风速速度燃风口炉膛中心呈逐渐降低趋势面整体速度明显低燃烧器出口燃风口折焰角区域速度着炉膛高度增加降低气流垂直入射壁面成定角度实际情况较吻合
（3）温度场炉呈称分布炉膛温度分布合理炉膛火焰充满度良锅炉炉膛中呈现炉膛中央部位温度高分布燃烧器面均温度较高高温集中炉膛中心炉膛中心四周温度逐渐降低说明燃烧反应发生炉膛中心方燃风口面高温区减少温度降低燃风口面接炉膛中心区域较高温度处未燃煤粉处继续燃烧反应炉膛高温区域位层燃烧器燃风区域燃烧器侧燃风区域温度着炉膛高度增加逐渐降低燃烧器区域温度呈缓慢降低趋势
（4）燃风口风速增时炉气流旋转强度增强燃风穿透程度加强相容易穿透炉膛中心烟气煤粉混合加剧利增加煤炭燃烧效率
（5）定条件着燃风速增加炉膛中心高温区域面积增加相集中着燃风速增加锅炉烟气出口温度降低
（6）综合分析出：燃风风速49ms时炉燃烧状况佳锅炉烟气出口温度较低炉气流旋转强度适燃风穿透程度适炉膛中心高温区域面积较相较集中
参考文献
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致谢
文完成际想深深谢意予三月予指导帮助老师学长
首先感谢导师XX老师文XX老师悉心指导帮助完成文选题定稿渗透着老师心血汗水文选题设计撰写程中XX老师文提供量资料文提出许指导性意见拓宽思路XX老师渊博学识敏锐思维严谨治学态度受益匪浅
外感谢教育帮助老师感谢辛勤培育教诲感谢帮助学朋友谢谢家
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题 目
二○三年六月
毕 业 设 计(文)
系
动力工程系
专业班级
环境工程 班
学生姓名
指导教师
摘
数值模拟电子计算机手段通数值计算图显示方法达工程问题物理问题然界类问题研究目课题涉三维燃烧程带两相流综合考虑选择目前应较广泛FLUENT软件作数值模拟工具
文锅炉炉膛计算域通GAMBIT软件构建三维框架结构进行网格划分确定合适数学物理模型设置边界条件选适变量参数炉膛燃烧进行三维数值模拟出炉膛流场温度场分布简单处理模拟结果图片图表形式进行直观展示通模拟结果观察分析出合理结分析足处改变燃风风速选择30ms40ms49ms60ms三种燃风速研究燃风风速炉混合特性炉温度场影响结果表明燃风口风速增时炉气流旋转强度增强燃风穿透程度加强相容易穿透炉膛中心烟气煤粉混合加剧利增加煤炭燃烧效率定条件着燃风速增加炉膛中心高温区域面积增加相集中着燃风速增加锅炉烟气出口温度降低燃风风速49ms时炉燃烧状况佳
关键词：流场温度场数值模拟燃风
NUMERICAL SIMULATION ON FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD OF THE COMBUSTION PROCESS IN THE FIRED PULVERIZEDCOAL BOILER
Abstract
Numerical simulation uses electronic computers as the means To achieve the purpose of engineering problems and physical problems as well as the nature of various problems it uses the method of the numerical calculation and image shows The topic relates to the threedimensional combustion process and the twophase flow Considered I chose the FLUENT as the tool for numerical simulation
In this paper establishing the three dimensional frame construction with GAMBIT carrying on the grid division then selecting the appropriate model of mathematics and physics and the suitable parameter and the variable setting up the boundary condition making threedimensional numerical simulation of furnace combustion receiving the distributions of flow field and temperature field in the furnace After simple processing we can show the result by making the pictures or diagrams Making a conclusion from the results and finding out the inadequacies of the results Changing the size of velocity of over fired airchoose 304049 and 60 meters per secondthen discuss what will happen about mixing characteristics of the furnace and temperature fieldStudy results indicate that As burnout air speed increases the rotation of the furnace air flow intensity increases and the degree of penetration strength increases it’s easy to penetrate into the center of the furnace relatively so that the mixture of flue gas and coal increases the increasing efficiency of coal combustion is also in favorUnder certain conditions as the velocity of over fired air increasesthe temperature of furnace center area increases more concentratedand the temperature of the boiler flue gas outlet slso reducedthe best overfire air velocity for optimum combustion furnace is 49 meters per second
KeywordsFlow FieldTemperature FieldNumerical SimulationOver Fired Air
目 录
摘 I
Abstract II
1绪 1
11课题背景 1
12燃烧程数值模拟发展概况 1
13燃煤锅炉燃烧程数值模拟研究现状 1
14FLUENT软件 2
141简介 2
142优点 2
143局限性 2
15燃煤锅炉燃烧程流场温度场数值模拟简介 3
151气相湍流流动模型 3
152气固两相流动模型 3
153辐射换热模型 3
154弥散相模型 5
155煤粉燃烧模型 6
16文研究容 6
2模型建立计算 8
21燃煤锅炉原理 8
211电厂锅炉工作原理 8
212电厂锅炉发展概况 8
22燃煤锅炉特性 8
221锅炉型号 8
222锅炉燃煤煤质分析 9
23炉膛模型 10
231炉膛整体模型选择 10
232炉膛燃烧器燃风口分布 10
233炉膛模型网格化 11
24数学模型计算方法 13
241数学模型 13
242计算区域 13
25FLUENT计算步骤 13
3炉膛燃烧程模拟结果分析 15
31炉膛流场 15
311燃烧器横剖面速度场 15
312燃风口横剖面速度场 16
313炉膛剖面速度场 17
32炉膛温度场 18
321燃烧器横剖面温度场 18
322燃风口横剖面温度场 19
323炉膛剖面温度场 20
33燃风速炉燃烧特性影响 21
331燃风速炉混合特性影响 21
332燃风速炉温度场影响 26
结 28
参考文献 29
致谢 31
1绪
11 课题背景
源国民济重物质基础类赖生存基条件电力工业源工业重组成部分中国煤炭生产消费国目前煤炭提供次源75预见十年煤炭中国次源[1]工业锅炉排放量烟尘SOXNOX等污染物 成国气煤烟型污染源作煤源国家提高燃烧效率降低燃煤产生污染物国家节效途径发展高效率低污染煤洁净燃烧技术成锅炉发展方电力市场需求量断扩增煤炭消耗量增加国煤炭利水低燃烧技术燃烧设备较落导致源浪费电厂效益降低研究预测流场温度场趋势锅炉安装改造利值重点考虑问题直接锅炉应显然切实际数值模拟形象现流动情景建立起模拟真实锅炉燃烧程仅节省力物力资金准确度效率高锅炉运行行性分析说件意义事
12 燃烧程数值模拟发展概况
二十世纪六十年代期Spalding首先计算机边界层燃烧问题数值解七十年代模型发展完善阶段中包括Spalding湍流燃烧模型Gibson化学动力学模型Grow气固两相流模型提出八十年代模型开始应炉模拟种模型计算方法进步完善九十年代着计算机技术应进步发展模拟开始转更具实际应价值炉燃烧污染物结渣碳黑生成模拟[2]总体说炉燃烧程数值模拟逐渐走成熟
13 燃煤锅炉燃烧程数值模拟研究现状
炉燃烧程非常复杂程受流动(包括湍流)传热传质化学反应控制涉三维非稳态相组分热量传递等中热量传递程包括流换热辐射换热热传导涉相关化学反应包括气相燃烧颗粒相燃烧两部分[3]软件完全锅炉燃烧程进行数值模拟现实做定简化处理突出物质重程世界国诸学科专家学者长期研究探索根实验事实程作出合理假设构造出种模型模型模拟精度计算量合理性济性具特点适情况[4]计算机模拟技术具优点工程实践中越越广泛应FLUENT流体力学软件中相成熟运广泛软件文选定FLUENT作锅炉燃烧程数值模拟软件
14 FLUENT软件
141 简介
FLUENT软件美国FLUENT公司1983年推出计算流体力学软件计算涉流体热传递化学反应等工程问题FLUENT软件适种复杂外形压压流动计算FLUENT软件采种求解方法重网格加速收敛技术达佳收敛速度求解精度转捩湍流传热相变化学反应燃烧相流旋转机械动变形网格噪声材料加工燃料电池等方面广泛应[5]
142 优点
1）适面广
包括种优化物理模型计算流体流动热传导模型(包括然流定常非定常流动层流湍流紊流压缩压缩流动周期流旋转流时间相关流等)辐射模型相变模型离散相变模型相流模型化学组分输运反应流模型等种物理问题流动特点适合数值解法户显式隐式差分格式进行选择期计算速度稳定性精度等方面达佳
2）高效省时
FLUENT领域计算软件组合起成CFD计算机软件群软件间方便进行数值交换采统前处理工具省科研工作者计算方法编程前处理等方面投入重复低效劳动精力智慧物理问题身探索
3）污染物生成模型
包括NOxROx(烟尘)生成模型中NOx模型够模拟热力型快速型燃料型燃烧系统里回燃导致NOx消耗ROx生成通两验模型进行似模拟紊流
143 局限性
FLUENT软件适数值计算问题 置模型具定通性特殊较专业问题带模型已适煤粉燃烧模型需计算流扩散方程[ 1012 ]采FLUENT带燃烧模型颗粒运动模型等计算出结果实际较出入需考虑问题解决问题必须深入分析FLUENT软件处理煤粉燃烧机理基础通户定义函数（User Defined Function简称UDF）进行二次开发深入研究煤粉燃烧模型中颗粒踪数计算方法程间切换程规间关系颗粒生命周期调定义规数目程规调机理根实际工况实验数重新编写部分计算程序燃烧模型[13]文炉膛燃烧做简单模拟选择FLUENT带模型里深入研究户定义函数做简单介绍
15 燃煤锅炉燃烧程流场温度场数值模拟简介
151 气相湍流流动模型
锅炉炉气流流动全部湍流流动物理量空间时间机变量炉气相流动遵循连续介质般运动规律具定规律统计学特征流场中意空间点流动参数满足粘性流体流动纳维斯托克斯（NS）方程组瞬时参数连续方程动量方程量方程表示[6]方程组封闭方程组具高度非线性目前科学技术发展水出理解采数值模拟方法进行求解
152 气固两相流动模型
燃煤锅炉炉燃烧程涉煤粉颗粒燃烧产物气体两相流动煤粉运动弥散炉燃烧反应影响正确预测燃烧程必须气固两相流动正确描述研究气固两相流动基两种方法类气体颗粒成存相互渗透连续介质（颗粒作拟流体）欧拉坐标系加描述常数学模型单流体模型（滑移模型）滑移模型双流体模型（流体模型连续介质模型）类气体作连续介质欧拉坐标系加描述颗粒视离散体系拉氏坐标系加描述常数学模型颗粒轨道模型[7] 锅炉中煤粉颗粒运动轨迹拉格朗日法进行模拟颗粒分散气体湍流模拟采机追踪模型种模型考虑气体瞬间速率变化颗粒轨迹影响流体流动中迭代25步认气体煤粉间相互影响次离散坐标（DO）辐射模型模拟辐射传热气体吸收系数WSGGM模型进行计算[1416]
153 辐射换热模型
型电站锅炉高温炉膛辐射换热重换热方式需炉辐射传热程进行合理准确计算辐射换热求解十分复杂困难难根辐射传递方程求出解析解解决辐射换热问题时般做定简化处理形成简化模型然选取适数值方法进行求解目前针适条件已发展辐射换热计算模型模拟炉传热程辐射换热模型[8] 分离散换热辐射模型（DTRM）P1辐射模型Rosseland 辐射模型表面辐射（S2S）模型离散坐标（DO）辐射模型
炉膛温度高炉高温火焰水冷壁间传热辐射换热占总换热量90左右辐射传输方程求解精确度取决燃烧产物气体煤粉颗粒灰粒烟煤辐射性质精确解通常液滴迅速蒸发辐射传热会影响燃烧气体产物影响集中窄离散波段中颗粒整光谱中连续发射吸收散射量颗粒辐射强度占导位[20]
FLUENT中5种模型计算辐射换热问题计算问题包括火焰辐射表面辐射加热冷辐射流热传导耦合换热问题空调通风设备中通窗口辐射换热汽车车厢热交换分析玻璃加工玻璃纤维拉丝陶瓷加工程中辐射换热等等辐射换热高温换热机制计算高温换热问题时应该采辐射换热模型
A． DTRM 模型
DTRM 模型优点较简单通增加射线数量提高计算精度时宽光学厚度范围局限包括：
1） DTRM 模型假设表面漫射表面入射辐射射线没固定反射角均匀反射方
2）计算中没考虑辐射散射效应
3） 计算中假定辐射灰体辐射
4）果采量射线进行计算话会CPU增加负担
B． P1模型
相DTRM 模型P1模型定优点P1模型辐射换热方程（RTE）容易求解扩散方程时模型中包含散射效应燃烧等光学厚度计算问题中P1计算效果较P1模型采曲线坐标系情况计算复杂形状问题P1模型局限：
1） P1模型假设表面漫射表面
2） P1模型计算中采灰体假设
3）果光学厚度较时形状较复杂话计算精度会受影响
4） 计算局部热源问题时P1模型计算辐射热流通量容易出现偏高现象
C． Rosseland 模型
P1模型相Rossland模型优点象P1模型样计算额外输运方程Rosseland 模型计算速度更快需存更少Rosseland 模型缺点仅光学厚度3问题时计算中采分离求解器进行计算
D． DO 模型
DO模型适范围模型——计算光学厚度辐射问题计算范围涵盖表面辐射半透明介质辐射燃烧问题中出现介入辐射种辐射问题DO模型采灰带模型进行计算计算灰体辐射计算非灰体辐射果网格划分分精细话计算中占系统资源成辐射计算中常模型
E． 表面辐射（S2S）模型
S2S 模型适计算没介入辐射介质封闭空间辐射换热计算太阳集热器辐射式加热器汽车机箱冷程等DTRM DO模型相然视角数（view factor）计算需占较CPU 时间S2S 模型迭代步中计算速度快S2S 模型局限：
1）S2S 模型假定表面漫射表面
2） S2S 模型采灰体辐射模型进行计算
3） 存等系统资源需求辐射表面增加激增计算中辐射表面组成集群方式减少存资源占
4） S2S 模型计算介入辐射问题
5） S2S 模型带周期性边界条件称性边界条件计算
6） S2S 模型二维轴称问题计算
7） S2S 模型重封闭区域辐射计算单封闭形状计算
154 弥散相模型
FLUENT弥散相模型计算散布流场中粒子运动轨迹例油气混合汽中空气连续相散布空气中细油滴弥散相连续相计算求解流场控制方程方式完成弥散相运动轨迹需弥散相模型进行计算弥散相模型实际连续相弥散相物质相互作模型带弥散相模型计算程中通常先计算连续相流场流场变量通弥散相模型计算弥散相粒子受作力确定运动轨迹
弥散相计算拉格朗日观点进行计算程中单粒子象进行计算象连续相计算样欧拉观点空间点象油气混合汽计算中作连续相空气计算结果空间点压强温度密度等变量分布表现形式作弥散相油滴某油滴受力速度轨迹作表现形式
FLUENT计算弥散相模型时计算容包括：
1）弥散相轨迹计算考虑素包括弥散相惯性气动阻力重力计算定常非定常流动
2）考虑湍流弥散相运动干扰作
3）计算中考虑弥散相加热冷
4）计算中考虑液态弥散相粒子蒸发沸腾程
5）计算燃烧弥散相粒子运动包括气化程煤粉燃烧程
6）计算中连续相弥散相计算相互耦合分计算
7）考虑液滴破裂聚合程
8）弥散相模型计算中包括述物理程计算实际问题非常广泛
弥散相模型限制粒子体积密度 10～12％时弥散相模型进行计算需注意体积密度10～12％时粒子质量密度远远例甚连续相质量密度弥散相模型适计算出口入口流动问题适弥散相粒子长时间停留计算域入口处飞入出口处飞出问题外弥散相模型质量流入口压强降低条件配合适应性时间推进时时弥散相模型中粒子连续相间没化学反应弥散相粒子表面进入流场时动网格技术弥散相粒子面动网格起移动
155 煤粉燃烧模型
煤粉进入炉膛历复杂程包括煤粉预热析出水分时断热解析出挥发分挥发分析出剩余称焦炭固体挥发分焦炭颗粒外围空间燃烧形成气相湍流燃烧火焰焦炭气相氧化剂颗粒表面发生异相燃烧反应焦炭燃烧煤粉燃烧程中起着导作挥发分煤着火焦炭燃烧具举足轻重作忽视煤粉燃烧模型挥发分热解模型气相湍流燃烧模型焦炭燃烧模型[9]
非预混燃烧计算化学反应模型包括火焰层似（flame sheet approximation）衡流计算层流火苗（flamelet）模型三种模型火焰层似模型假设燃料氧化剂相遇立刻燃烧完毕反应速度穷处计算速度快缺点计算误差较特局部热量计算超实际值衡流计算吉布斯极化方法求解组元浓度场种方法处避免求解限速率化学反应模型时够较精确获组元浓度场层流火苗模型湍流火焰燃烧作层流区装配成层流子区中采真实反应模型提高计算精度非预混燃烧计算中湍流计算采时均化NS方程湍流化学反应相干程概率密度函数（PDF）逼计算程中组元化学性质FLUENT提供预处理程序prePDF进行计算处理计算中采化学反应模型前面述三种模型中种
16 文研究容
文终目标燃煤锅炉燃烧程流场温度场进行数值模拟完成步骤：
1) 确定研究象选择研究锅炉类型确定基信息（锅炉型号基尺寸燃煤种类等）
2) FLUENT前置网格处理软件GAMBIT画出锅炉炉膛物理模型选择合理方法进行网格划分设置边界条件网格化模型保存
3) 启动FLUENT软件导入GAMBIT软件中做模型进行检查确认网格划分合理网格进行优化处理选择合适求解方法模型输入需计算数然进行迭代计算通图残差判断数收敛性
4) 计算结果进行优化出现较偏差需寻找问题例网格划分合理计算模型选择错误数输入错误等需重新调整计算直较符合实际结果
5) 结果进行处理展示计算结果图
6) 改变燃风口风速研究燃风速炉混合特性炉温度场影响总结出结
2模型建立计算
21 燃煤锅炉原理
211 电厂锅炉工作原理
电厂锅炉作燃料化学转变热利热加热锅水成具足够数量定质量（汽温汽压）热蒸汽供汽轮机
燃烧程激烈高速化学反应程时放出热光燃烧反应程复杂条件系列程关例湍流流动程辐射传热程扩散程等时进行着互相影响气体燃烧程燃料氧化剂均处种状态称均相燃烧固体颗粒液滴燃烧燃料氧化剂处物态称异相燃烧[17]
目前火电厂特点锅炉容量参数高技术复杂机械化动化水高燃料煤煤燃烧前需先制成煤粉然送入锅炉炉膛中燃烧放热锅炉工作燃料燃烧热量传递水加热汽化蒸汽热等程
212 电厂锅炉发展概况
型超界机组20世纪50年代美国德国开始投入商业运行天超界机组已量投运取良运行业绩时超超界机组断发展技术[17]
日前国电站煤粉锅炉基采四角布置切圆燃烧方式W型火焰燃烧方式曲墙布置燃烧方式四角切燃烧锅炉燃料适应性风粉混合均匀等特点决定国电站应广成熟燃烧方式应锅炉容量等优度煤劣质煤煤种国种锅炉占机姐总容量80左右[18]
22 燃煤锅炉特性
221 锅炉型号
文选择东方锅炉厂款600MW超界火电机组锅炉作研究象型号尺寸： 表21 DG1900254Ⅱ1型锅炉型号
名 称
单 位
数
锅炉深度(K1排柱中心K5排柱中心)
Mm
44500
锅炉宽度(外排柱中心距)
Mm
44000
板梁高度
Mm
82800
炉膛宽度
Mm
194192
炉膛深度
Mm
154562
顶棚拐点标高
Mm
72800
水烟道深
Mm
54864
尾部竖井前烟道深
Mm
6604
尾部竖井烟道深
Mm
83312
水冷壁集箱标高
Mm
5800
超界参数变压直流生型锅炉次热单炉膛尾部双烟道结构采挡板调节热汽温固态排渣全钢构架全悬吊结构衡通风露天布置锅炉参数：
表22 锅炉参数
名称
单位
BMCR
ECR
BRL
热蒸汽流量
th
1900
16608
18079
热器出口蒸汽压力
MPa(g)
254
251
253
热器出口蒸汽温度
℃
571
571
571
热蒸汽流量
th
16076
14141
15255
热器进口蒸汽压力
MPa(g)
471
415
447
热器出口蒸汽压力
MPa(g)
452
398
429
热器进口蒸汽温度
℃
322
307
316
热器出口蒸汽温度
℃
569
569
569
省煤器进口水温度
℃
284
275
280
222 锅炉燃煤煤质分析
燃晋南晋东南区贫煤烟煤混合煤种煤质分析：
表23锅炉煤煤质分析
项目
单位
设计煤种
校核煤种
校核煤种二
工业分析
收基发热值
KJKg
24360
23100
26290
收基全水分
588
629
353
收基灰分
2222
2192
1934
燃基挥发分
1444
2015
1084
空气干燥基水分
051
073
138
元素分析
收基碳
6425
6170
7108
收基氢
355
341
271
收基氧
262
505
181
收基氮
115
119
105
收基全硫
033
044
048
磨性系数
71
73
60
灰分
SiO2
4498
4110
4555
Al2O3
3629
3386
3541
Fe2O3
407
412
465
CaO
660
673
610
TiO2
197
272
021
K2O
020
128
112
Na2O
053
055
044
MgO
119
219
196
SO3
333
526
305
P2O5
019
133
015
065
086
136
23 炉膛模型
231 炉膛整体模型选择
文研究燃煤锅炉炉燃烧程污染物生成数值模拟针燃烧程燃烧发生锅炉炉膛文选择炉膛作研究象炉膛宽194192mm深度154568mm高度67000mm整炉膛四周全焊式膜式水冷壁炉膛部螺旋盘绕升水冷壁部垂直升水冷壁两结构组成两者间渡水冷壁转换连接炉膛角部R150mm圆弧渡结构炉膛冷灰斗倾斜角度55°渣口喉口宽度12432mmFLUENT进行三维模拟较复杂模拟计算相较慢节省时间需适模型进行简化选择物理模型整炉膛炉膛部分仅考虑燃烧器燃风口布置部分（热器热器水冷壁等）均画入模型简化设计出模型仅减少计算量基符合模拟求
232 炉膛燃烧器燃风口分布
锅炉采前墙燃烧方式24HT－NR3燃烧器前分三层布置炉膛前墙炉膛宽度方热负荷烟气温度分布更均匀 燃烧器次风喷口中心线层间距离49571mm层燃烧器间水距离36576mm次风喷口中心线距屏底距离273223mm次风喷口中心线距冷灰斗拐点距离23977mm外侧燃烧器侧墙距离42232mm够避免侧墙结渣发生高温腐蚀
燃烧器部布置燃风(OFA)风口12燃风风口分布置前墙中间4燃风风口距层次风中心线距离70046mm两侧前墙2燃风风口距层次风中心线距离42723mm
HTNR3燃烧器中燃烧空气分三股：直流次风直流二次风旋流三次风次风次风机提供次风炉膛端部布置锥形煤粉浓缩器燃烧器风箱HTNR3燃烧器提供二次风三次风燃烧器设风量均衡挡板该挡板调节杆穿燃烧器面板够燃烧器风箱外方便该挡板位置进行调整三次风旋流装置设计成调节型式设执行器实现程控调节调整旋流装置调节导轴调节三次风旋流强度燃风风口包含两股独立气流：中央部位非旋转气流直接穿透进入炉膛中心外圈气流旋转气流炉膛水冷壁升烟气进行混合文设计中次风携带煤粉弥散相模型形式进入炉膛部二次风定义边界条件设置入射速度角度温度等问题三次风旋流模型建立时方便计算考虑燃烧器模型三次风模拟起方便三次风进行简化二次风合燃烧器入口进入炉膛
233 炉膛模型网格化
图2122示整炉膛结构稍显复杂部折焰角部冷灰斗炉膛划分三部分分冷灰斗炉膛体折焰角周围部分冷灰斗折焰角周围部分燃烧体区域两部分网格划分求适降低般默认方式划分减少计算负担网格设置稍微疏炉膛体区域分割区域长方体结构相说较简单直接六面体网格进行划分需注意部分燃烧发生区域重点研究象根需适加网格密度燃烧器燃风口物质进口话需进行更细致网格划分时间问题考虑三维模拟计算复杂性炉膛进行简单合理网格划分总划分723619网格
完成炉膛物理模型网格划分设置燃烧器燃风口烟气出口冷灰斗出口边界条件24燃烧器入口12燃风口面定义速度入口烟气出口冷灰斗出口定义般出口面默认壁面
图21 炉膛模型网格划分三维视图
图22 炉膛模型网格划分直观图
24 数学模型计算方法
241 数学模型
文数值模拟采三维稳态计算气相湍流流动模拟采实现kε模型方程组通式[19]：
divρv∅divГΦ∇∅+S∅ (1)
式中 ∅通变量 ГΦ输运系数S∅源项ρ气流密度v速度矢量
采非预混燃烧模型标准kε紊流模型模拟炉三维湍流运输炉采P1辐射模型计算辐射传热采混合分数概率密度函数（probability density function PDF）法模拟气相燃烧模型煤粉挥发分释放采双匹配速率模型固体颗粒相求解采机颗粒轨道模型
文提高计算稳定性加快收敛速度计算中初始速度场定采维流动处理方法PDF中编制简短子程序根质量连续出全场速度初值样话进口条件开始实际情况出保证计算稳定性提高计算收敛速度免工全场赋初值工作提高程序通性流场计算受质量连续限制般迭代计算程中中间速度满足连续性方程出口边界条件仅导数零话会造成迭代程中进入炉质量流出质量相等极易引起迭代发散达预期结果出口边界采速度导数零条件时出口边界进行质量连续性校正外炉膛中干横截面进行质量连续校正取良收敛效果[21]
242 计算区域
守恒方程采控制容积法离散方程组压力速度采SIMPLEC算法求解收敛标准项均106简化计算选取炉膛部冷灰斗炉膛部折焰角间区域作计算区域采非结构化六面体网格网格划分图21图22示划分723619网格
三维炉膛实践表明FLUENT软件进行迭代计算时候选择SIMPLEC算法SIMPLE算法收敛快SIMPLEC松弛子取更 气相流场采非错列网格SIMPLEC方法求解更合适
25 FLUENT计算步骤
1)开FLUENT软件导入GAMBIT软件生成网格文件检查网格观察minimum volume保证项必须零方进行步否需重新GAMBIT划分网格
2)网格进行优化处理调整计算单位
3)定义求解方法开量方程选择标准kε湍流模型辐射采P1辐射模型燃烧采非预混燃烧模型配合弥散相模拟弥散相模型中设置燃烧器进粉量速度等条件
4)定义材料边界条件类型设置燃烧器进风速度方进风温度等
5)选择计算方法数进行初始化选择模拟监视器选择迭代次数然开始迭代计算计算收敛停止计算
6)建立模型观察面显示模拟图
3 炉膛燃烧程模拟结果分析
31 炉膛流场
311 燃烧器横剖面速度场
锅炉炉膛层分布8燃烧器三层燃烧器横剖面速度场分布规律体致图中燃烧器出口处速率达50ms越炉膛中心方速度逐渐降低低速率范围0 ms38ms炉膛四周中心速度呈现降低趋势
图31 层燃烧器剖面速度场
图32 中层燃烧器剖面速度场
图33 层燃烧器剖面速度场
312 燃风口横剖面速度场
观察图3435图中清晰燃风入口风速达35ms层燃风口剖面炉膛中心风速38ms76ms层燃风口剖面炉膛中心风速0ms38ms速度燃风口炉膛中心呈逐渐降低趋势面整体速度明显低燃烧器出口
图34 层燃风口剖面速度场
图35 层燃风口剖面速度场
313 炉膛剖面速度场
图36取行侧壁左右分距离侧壁面42232m78808m115384m15196m处四剖面观察速度场变化选四面前墙24燃烧器入口分处四面取四剖面具定代表性定程度反映炉膛真实情况时四面处条件相似相互
观察图36图394张图片出冷灰斗出口速度达766ms燃烧程中炉膛生成相稳定升气流速度呈逐渐降低趋势图中明显中三排燃烧器层燃风口入口速度较入口炉膛中心方呈逐渐降低趋势燃风口折焰角区域速度着炉膛高度增加降低气流垂直入射壁面成定角度实际情况较吻合
图36剖面速度场
32 炉膛温度场
321燃烧器横剖面温度场
图出中层燃烧器面均温度较高高温集中炉膛中心炉膛中心四周温度逐渐降低中心温度高达2000K炉膛中心数区域达1700K说明燃烧反应发生炉膛中心方
图37 层燃烧器剖面温度场
图38 中层燃烧器剖面温度场
图39 层燃烧器剖面温度场
322 燃风口横剖面温度场
观察图310311知燃风口面接炉膛中心区域较高温度说明处发生燃烧反应应该未燃煤粉处继续燃烧造成相言燃风口面高温区减少温度降低说明部分没燃燃料层燃风作已燃烧完全剩少部分燃料层燃风接触发生燃烧反应
图310 层燃风口温度场
图311 层燃风口温度场
323 炉膛剖面温度场
图312中左右分取距离侧壁面42232m78808m115384m15196m处四剖面观察图知越炉膛中心剖面燃烧效果越温度越高实际相符合时炉膛中心前称两剖面燃烧情况致相似水烟道流场分布相均匀 存四角切圆锅炉炉膛出口残余旋转导致水烟道速度分布严重均现象说明炉膛发生燃烧反应称性较较稳定图中炉膛高温度2000K左右实际燃烧温度稍高总体较符合实际情况炉膛高温区位燃烧器燃风区域燃风起压火作燃风段高温区未燃氧化碳碳燃风补充氧反应结果[22]炉膛宽度方炉膛中心温度分布均匀减壁面热负荷偏差带利影响出口烟气温度概1370K1500K间较符合现实情况
温度分布图出温度场炉呈称分布炉膛温度分布合理炉膛火焰充满度良炉膛高温区域位层燃烧器燃风区域燃烧器侧燃风区域着炉膛高度增加温度逐渐降低燃烧器区域温度呈缓慢降低趋势锅炉炉膛中呈现炉膛中央部位温度高分布燃烧器区域燃风区域中出现高温度区域温度水基炉膛高度逐步降
图312 剖面温度场
33 燃风速炉燃烧特性影响
331 燃风速炉混合特性影响
改变燃风风速燃风速炉燃烧特性进行分析选择30ms40ms49ms60ms 三种燃风速分定义工况abcd二次风燃风采均等配风方式
图313表示燃风速燃风口层喷口处横截面速度矢量图图314表示燃风口层喷口处横截面速度矢量图通出前墙引入气流入炉膛中心相遇 碰撞形成气流两侧燃烧器部分气流侧墙刷 形成旋涡燃风口风速增时炉气流旋转强度增强燃风穿透程度加强风率相情况风速增加时喷口面积需减风速喷口刚性较[8]相容易穿透炉膛中心烟气煤粉混合加剧利增加煤炭燃烧效率
（1）工况a
（2）工况b
（3）工况c
（4）工况d
图313四种工况燃风口层喷口处横截面速度矢量
（1）工况a
（2）工况b
（3）工况c
（4）工况d
图314四种工况燃风口层喷口处横截面速度矢量
332燃风速炉温度场影响
图315图318取行侧壁左右分距离侧壁面42232m78808m115384m15196m处四剖面四工况知定条件着燃风风速增加炉膛中心高温区域面积增加相集中风速增时炉烟气煤粉混合加剧利煤粉中焦炭区域混合燃会高风速温度提高着燃风速增加锅炉烟气出口温度降低燃风风速增时炉气流旋转强度越造成
图315工况a 四剖面温度分布
图316工况b四剖面温度分布
图317工况c四剖面温度分布
图318工况d四剖面温度分布
结
文选取适数学模型计算方法采合理网格划分边界条件运数值模拟软件FLUENT燃煤锅炉炉燃烧程流场温度场进行数值模拟研究通模拟结果分析出燃风速炉燃烧特性影响通数值研究出结：
（1）文600MW超界火电机组锅炉旋流煤粉锅炉流场速度场进行数值模拟设置边界类型入口条件合理建立燃煤锅炉炉膛模型正确选择数学模型计算方法合理数值模拟出结果实际情况相似达预期效果
（2）炉膛速度区域冷灰斗出口处燃烧器出口处速率较越炉膛中心方速度逐渐降低炉膛四周中心速度呈现降低趋势燃风口入口处风速速度燃风口炉膛中心呈逐渐降低趋势面整体速度明显低燃烧器出口燃风口折焰角区域速度着炉膛高度增加降低气流垂直入射壁面成定角度实际情况较吻合
（3）温度场炉呈称分布炉膛温度分布合理炉膛火焰充满度良锅炉炉膛中呈现炉膛中央部位温度高分布燃烧器面均温度较高高温集中炉膛中心炉膛中心四周温度逐渐降低说明燃烧反应发生炉膛中心方燃风口面高温区减少温度降低燃风口面接炉膛中心区域较高温度处未燃煤粉处继续燃烧反应炉膛高温区域位层燃烧器燃风区域燃烧器侧燃风区域温度着炉膛高度增加逐渐降低燃烧器区域温度呈缓慢降低趋势
（4）燃风口风速增时炉气流旋转强度增强燃风穿透程度加强相容易穿透炉膛中心烟气煤粉混合加剧利增加煤炭燃烧效率
（5）定条件着燃风速增加炉膛中心高温区域面积增加相集中着燃风速增加锅炉烟气出口温度降低
（6）综合分析出：燃风风速49ms时炉燃烧状况佳锅炉烟气出口温度较低炉气流旋转强度适燃风穿透程度适炉膛中心高温区域面积较相较集中
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致谢
文完成际想深深谢意予三月予指导帮助老师学长
首先感谢导师XX老师文XX老师悉心指导帮助完成文选题定稿渗透着老师心血汗水文选题设计撰写程中XX老师文提供量资料文提出许指导性意见拓宽思路XX老师渊博学识敏锐思维严谨治学态度受益匪浅
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