微油点火燃烧器数值结果精度判断准则与分析_丁历威

收稿日期：2010-08-13；修回日期：2010-10-18

作者简介：丁历威（1979—），男，浙江长兴人，硕士，工程师，从事锅炉方面的数值计算和生产服务试验,以及科研工作。

E -mail ：ding_liwei@

随着越来越多的机组参与调峰，致使火电厂点火和稳燃用油大幅度增加。面对如此严峻的形势，研发节油点火和低负荷稳燃新技术，降低点火助燃用油，具有重要意义。目前微油点火技术已被列为国家发改委“十大节能工程”的推广技术之一［3］。

文中通过计算机模拟技术对微油点火燃烧器进行数值计算，提出了数值计算结果精度的判断准则，分析了其煤粉、油雾混合气流燃烧、传热的过程，以期提高微油点火燃烧器的设计质量和设计效率，减少实验台试验次数，节省大量人力物力和财力。

1微油点火技术原理

微油点火技术是采用微油―点燃微量煤粉―点

燃少量煤粉―点燃大量煤粉的逐级引燃原理，从而使得能级逐步放大，实现微量油点燃大量煤粉的目的［4-5］。目前微油点火燃烧器分为直流和旋流2种类粉燃烧器内直接点燃煤粉。一级燃烧室中的浓相煤粉遇到高温火核时，煤粉颗粒温度急剧升高，大量的挥发分析出并迅速着火燃烧。已燃烧的浓相煤粉在二级燃烧室内点燃更多的煤粉，然后继续向前流动点燃三级燃烧室中的煤粉，最终实现煤粉的分级燃烧，燃烧能量逐步放大，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大减少煤粉燃烧所需的引燃能量。

微油点火技术的特点：（1）在锅炉启动停止、低负荷稳燃运行状态下可节约大量燃油，节油率在90％以上。（2）投资少，见效快，回报周期短，1a 左右即可收回投资。（3）系统简单、维护量小、操作方便，对于风速、煤粉质量浓度、煤质等参数变化适应能力强。（4）运行初期可投入电除尘，有利于环保，有气膜风保护，燃烧器无结焦现象。（5）设备和系统可靠、自动化程度高，并与BMS （燃烧器管理系统）进行通信，经历多次长时间连续运行考验，故障较少。

丁历威等：微油点火燃烧器数值结果精度判断准则与分析

第1期发电技术

2微油点火燃烧器的数值模拟计算

马莲台发电厂1号锅炉由武汉锅炉有限公司设计制造，为引进型亚临界自然循环汽包锅炉，中速磨直吹式制粉系统，蜗壳式带中心风的双旋流燃烧器，对冲布置，尾部双烟道，烟气挡板调节再热汽温，喷水减温调节过热汽温，一次再热，平衡通风，三分仓容克式空气预热器，刮板捞渣机连续固态排渣，全钢构架，悬吊结构，锅炉运转层以上为紧身封闭岛式布置，燃用灵武地区烟煤。炉膛前墙分3层布置15只双调风轴向旋流燃烧器，自下而上依次与D、C、B磨煤机相对应，后墙分2层布置10只双调风轴向旋流燃烧器，自下而上依次与E、A磨煤机相对应。每只燃烧器配有一高能点火的机械雾化轻油枪。

为了使数值计算结果与实际结果更加相似，文中同时对5个微油点火燃烧器（D层）进行数值模拟计算。物理模型用PRO-E（建模软件）构体，用Gambit（画网格软件）画网格，最后用Fluent（数值计算软件）计算（见图1）。为了使计算更加准确，在能够画结构化网格的地方全部画六面体，如炉膛部分和一次风进口部分。其他地方用四面体网格，四面体网格画得较密。另外对温度、速度变化较大的地方，网格局部加密，以较精确地计算出温度、速度梯度的较小变化，本构体总共有560多万网格。

油燃烧的一个突出特点是，油表面没有化学反应，燃烧只发生在气相中［6］。因为油表面的温度总是比沸点低，而沸点又比着火条件所要求的温度低得多，此外油蒸发的潜热比起反应的活化能要小得多。因此油燃烧总是先蒸发后燃烧，而且油燃烧常常是扩散控制的燃烧。所以油燃烧过程，其本质是气体燃烧过程。

文中气相湍流计算采用标准κ-ε（湍动能-扩散率）模型，多组分模型采用概率密度分布PrePDF（非预混燃烧）模型，焦炭燃烧选取扩散－动力模型［7］，煤粉颗粒热解采用单速率反应模型，辐射模型采用P1模型，煤粉颗粒和油粒子的轨迹场采用基于拉格朗日的随机颗粒跟踪方法［8］，数值计算采用非耦合求解方式，压力方程使用标准格式，速度与压力的耦合采用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation，压力耦合方程的半隐式法）算法［9］，颗粒相的求解采用PSIC（Particle Source in Cell，计算单元内颗粒源项算法）。

文中模拟锅炉冷态启动的点火过程，每个燃烧器计算的边界条件是一次风量10t/h，一次风温338K，给煤量1.6t/h，给油量56kg/h，油压3MPa，助燃风量0.5168t/h，二次风量25.4t/h，二次风温328K，炉膛负压-50Pa。计算煤质数据如表1所示：

3数值结果精度判断准则

目前国内没有一种真正有效的判断数值计算结果精度的方法，更多的是靠加入有限个温度或速度测点来验证，这种方法缺乏全局性和宏观性，在工程应用上不太理想；还有一种是用目测法，目测法主要是凭经验大致评估一下数值计算结果中温度场、速度场是否正确，火焰形状是否合理，这种方法没有量化的比较，更多的是凭感觉判断，因此缺乏科学性。本项目研究并提出一种更加直观、方便，也更加能够反映问题的火焰形状相似度对比法。

火焰形状相似度对比法：将其数值结果的火焰形状与实际燃烧火焰形状进行对比，即采用微油点火燃烧器点火过程中的照片和录像与数值计算结果进行对比，通过火焰形状来判断二者的相似度，从而使数据对比更加可视化、更加合理化。

具体原理：以燃烧器喷嘴作为起点，分别选取有限个特征点，这些特征点是以喷嘴半径作为长度单位。然后在这些特征点的位置计算出火焰宽度，最后进行对比。这里我们设定：BL1为照片中的火焰宽度/照片中的喷嘴半径；BL2为数值计算图的火焰宽度/数值计算图的喷嘴半径。

不管火焰照片和数值模拟结果图片尺寸如何不同，照片中和数值结果中喷嘴半径对应的实际长度都是一致的。以喷嘴半径作为长度基础，

表1煤质分析数据

Tab.1Analysis data of coal quality