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电站锅炉煤粉燃烧过程及结渣的数值模拟

作　者: 李文艳
导　师: 宋之平
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 热能工程
关键词: 燃烧数值模拟结渣模糊评判烟气偏差
分类号: TK227
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

煤粉炉结渣问题普遍存在，是目前危机锅炉安全经济运行的一大难题。在我国，电站锅炉燃用煤质较差，且煤质多变，由于结渣而降低出力和热效率达20％和2．5％，如果计及结渣引起的锅炉停运、维修、改造费用的话，经济损失是惊人的。结渣过程是个十分复杂的物理化学过程，其中涉及燃烧、气固多相流、传热与传质等多门学科。锅炉运行过程中，影响结渣的因素错综复杂，既和燃料特性有关，也和锅炉结构、运行条件有关。但归根结底，结渣是在燃烧过程中形成的，灰渣的形成和沉积与燃料的燃烧过程密不可分，因而本论文由两大部分组成，一部分为改进和完善燃烧过程数值模拟，另一部分是在燃烧过程模拟的基础上，利用模糊数学理论，建立结渣的综合模糊评判数学模型，预报受热面上结渣的分布情况。与其它通用的CFD软件相比，经论文作者所改进的燃烧过程数值模拟软件的特点在于：(1)能够结合炉子结构、运行参数及燃料等，调整模型中相应的参数及处理方法；(2)可以灵活的安排网格节点，对某些节点进行特殊处理；(3)在边界(水冷壁)条件的处理上，温度选用了第三类边界条件，把炉内燃烧过程和水冷壁内工质的流动和换热联系了起来，使得水冷壁内的吸热情况对炉内的燃烧和结渣的影响充分体现出来。用此软件已对多台锅炉进行了燃烧模拟计算；定量分析了四角切圆燃烧锅炉炉膛出口左右偏差问题；研究了受热面结渣的分布情况，为锅炉的设计、运行优化、改造方案确定等提供理论依据。本文分析了煤粉燃烧过程中灰渣沉积的机理，利用模糊数学的理论建立了结渣的模糊综合评判的数学模型。模型中既考虑了燃料特性(包括灰成分和灰熔点)、也考虑了运行条件(空气动力场、气氛、温度)对结渣的影响，克服了其它结渣诊断方法的片面性。本文的结渣模糊判断，能够给出受热面上结渣的分布，对受热面任一部位的结渣情况作出判断。因为，与其它结渣评判方法不同的是，本文的模型中，影响结渣的各变量全部用数值计算结果得到的当地值(其它判断方法所用的参数，对一台炉子只用一个标志值)，这样给出的是受热面上任一网格节点的结渣情况，以便运行过程中及时有效地采取措施。结渣模糊判断与燃烧过程数值模拟相结合，给出受热面上结渣的分布情况，在国内外的文献中，未见有报导。华北电力大学博士学位论文切圆燃烧煤粉炉，在世界范围内都占有很大市场。从我国的电厂现状来看，直流燃烧器四角切国燃烧方式约占80％。切圆燃烧锅炉水平烟道中存在着不同程度的烟温、烟速偏差；而且容量越大，偏差越大。这是造成高温过热器和再热器超温爆管的直接原因。本文用数值模拟的方法，对大唐公司托克托电厂的600MW机组锅炉、下花园电厂200MW机组锅炉的燃烧过程进行了多个工况的计算分析，在此基础上，定量分析了四角切圆燃烧炉炉膛出口的左右偏差的分布情况，并通过不同运行条件下的计算结果的对比分析，提出了减小和控制偏差的具体措施，以期对锅炉的优化设计和运行提供有益的指导。为了研究因左右偏差引起的高温对流过热器的超温爆管问题，对下花园电厂的200MW机组锅炉进行了热态测试，并和同样工况下的数值计算结果进行了对比，误差小于 100℃。说明本文所做的数值计算，可以满足工程应用上的精度要求。本文对元宝山电厂600MW机组锅炉、大唐公司托克托电厂的600MW机组锅炉、下花园电厂200MW机组锅炉等三台炉子进行了多个工况的计算和研究，并给出了炉膛四面墙上结渣的分布情况。东北电力试验研究院曾对元宝山电厂600MW机组锅炉进行过测试，测试结果与数值模拟结果吻合。

全文目录

中文摘要  2-4
英文摘要  4-10
主要符号表  10-12
第一章绪论  12-24
  1．1 现代电站锅炉存在的主要问题及课题的提出  12-14
    1．1．1 着火和稳燃问题  12
    1．1．2 受热面结渣问题  12-13
    1．1．3 四管爆漏（大部分为过热器、再热器超温爆管）问题  13
    1．1．4 燃烧效率低问题  13
    1．1．5 燃烧产物对环境的污染问题  13-14
  1．2 电站锅炉燃烧数值模拟的研究现状综述  14-20
    1．2．1 研究气固两相流的两大经典方法  14-15
    1．2．2 气相湍流模型  15-16
    1．2．3 多相流动模型  16
    1．2．4 辐射换热模型  16-17
    1．2．5 燃烧模型  17-18
    1．2．6 求解方法  18-20
  1．3 锅炉结渣诊断和预报研究现状的综述  20-22
    1．3．1 结渣过程完全数值模拟的研究现状  20
    1．3．2 结渣的工程判别  20-22
  1．4 论文的主要工作  22-24
第二章燃烧室气固多相流动、燃烧和传热过程的数值模拟  24-43
  2．1 有煤粉燃烧的三维湍流两相流动的控制方程组  24-26
  2．2 气相的湍流流动模型  26-27
  2．3 颗粒相的湍流流动模型  27-28
  2．4 气相燃烧模型  28-30
  2．5 固相燃烧模型  30-31
  2．6 辐射换热模型  31
  2．7 控制方程的通用形式  31-34
  2．8 定解条件  34-36
  2．9 数值求解方法  36-41
    2．9．1 区域的离散化  36-37
    2．9．2 差分方程的建立  37-39
    2．9．3 代数方程的求解  39-41
  2．10 计算程序的流程框图  41-42
  2．11 本章小结  42-43
第三章四角切圆锅炉煤粉燃烧过程的数值模拟实例及热态试验  43-78
  3．1 计算的条件  43-45
    3．1．1 托克托电厂600MW机组锅炉概况  43-44
    3．1．2 下花园电厂200MW机组锅炉概况  44-45
  3．2 计算的区域、网格的划分及定解条件  45-47
  3．3 计算结果及分析  47-50
    3．3．1 托克托600MW机组锅炉的数值模拟结果及分析  47-49
    3．3．2 下花园200MW机组锅炉的数值模拟结果及分析  49-50
  3．4 下花园电厂200MW机组锅炉热态试验  50-51
  3．5 本章小结  51-78
第四章四角切圆燃烧锅炉烟气偏差及控制技术的研究  78-90
  4．1 四角切圆燃烧锅炉的运行现状  78-79
  4．2 四角切圆燃烧锅炉炉膛出口烟气偏差的成因及危害  79-80
    4．2．1 水平烟道烟气偏差的成因  79
    4．2．2 水平烟道烟温和烟速偏差的危害  79-80
  4．3 炉膛出口烟气偏差的定量分析  80-88
  4．4 减小和控制偏差的措施  88-89
  4．5 本章小结  89-90
第五章煤粉炉结渣的模糊综合评判数学模型的建立  90-105
  5．1 灰渣沉积的机理  90-92
  5．2 结渣的工程判别  92-98
    5．2．1 对燃煤的结渣特性的判断  92-97
    5．2．2 对锅炉受热面总体的结渣性能作出诊断  97-98
    5．2．3 锅炉受热面结渣的综合评判  98
  5．3 中国动力用煤结渣指数的最优分割  98-100
  5．4 空气动力工况结渣指标  100-101
  5．5 温度场结渣指标  101
  5．6 局部气氛条件结渣指标  101-102
  5．7 结渣模糊综合评判模型的的建立  102-104
  5．8 本章小结  104-105
第六章四角切园燃烧煤粉炉结渣诊断实例  105-115
  6．1 确定影响结渣特性的因素集  105-107
  6．2 建立映射函数  107-108
  6．3 计算权重集和评判集，并作出判断  108-109
    6．3．1 评判机组整体结渣情况  108-109
    6．3．2 计算机组结渣分布情况  109
  6．4 托克托电厂锅炉结渣评判  109
  6．5 下花园电厂锅炉结渣评判  109-115
第七章八角燃烧煤粉炉的燃烧和结渣的数值模拟  115-130
  7．1 锅炉概况  115-117
  7．2 计算的区域及网格的划分  117
  7．3 燃烧模拟计算结果  117-118
  7．4 元宝山电厂锅炉结渣评判  118-119
    7．4．1 锅炉整体结渣情况的评判  118-119
    7．4．2 炉墙上结渣的分布情况计算  119
  7．5 元宝山电厂锅炉燃烧和结渣情况的分析及结论  119-130
第八章结束语  130-132
  8．1 本文有特色的工作及得到的主要结论  130-131
  8．2 有待进一步研究的问题  131-132
参考文献  132-139
致谢  139-140
攻读博士学位期间发表的学术论文  140-141
攻读博士学位期间参加的科研工作  141

电站锅炉煤粉燃烧过程及结渣的数值模拟

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