當前我國電力工業發展迅速，伴隨著大量超臨界、超超臨界機組的相繼投運，及“以大代小”等政策的實施，節能效果明顯，全國平均供電煤耗從2005年的370g/kWh降為2008的349g/kWh。但是我國動力用煤多年以來“煤質差，而且煤質多變”的特點仍然突出，乃至一些超臨界機組也存在燃煤偏離設計煤種的情況，導致滅火頻繁、出力下降、可靠性降低等問題。
針對某600MW超臨界鍋爐運行中存在的實際問題開展研究。由于地理位置、運輸成本及煤炭市場供求關系影響，該爐燃煤嚴重偏離設計煤種，制粉出力不足。同時還表現出再熱汽溫偏低、飛灰可燃物高的現象。針對該爐這些現場實際問題，經研究提出了對該爐進行衛燃帶改造的技術方案，目的在于強化著火、燃盡的同時，提高爐膛出口煙溫，增加再熱器的吸熱比例。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
爐內燃燒過程的數值模擬技術近年來發展較快，不乏用來指導工程應用的實例。利用其指導鍋爐改造的實施，可有效降低改造風險、控制改造費用及提高改造的成功率。本文對該爐衛燃帶改造前后的爐內燃燒狀況進行了數值預報，并結合實際改造情況進行了分析。
1、研究對象及存在問題
1.1研究對象
本文研究對象為600MW超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Ⅱ型布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構。設計煤種為貴州煙煤。
燃燒系統由24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角。制粉系統采用正壓冷一次風直吹式系統設計，配6臺MPS中速磨。
過熱蒸汽系統：由汽水分離器引出后，經爐頂引至后煙井包覆，然后送回爐膛上部的分隔屏，其后為后屏、高過。從總體布置及傳熱特點來看，呈輻射式汽溫特性。
再熱蒸汽系統：有布置于鍋爐尾部的低溫再熱器水平段(10683m2)和低溫再熱器垂直段(1518m2)，還有布置于爐膛出口處的末級再熱器(2443m2)。總體呈對流特性。
再熱蒸汽調溫主要采用擺動燃燒器噴嘴角度來改變火焰中心高度，從而改變爐膛出口煙溫。噴嘴上下擺動角度為30°。過熱蒸汽調溫除受燃燒器噴嘴擺動影響外，主要靠噴水和調節煤水比來調溫。
表1中列出實際煤種的成份為統計平均值，實際燃煤來源復雜，有無煙煤，也有褐煤，所以對煤粉氣流的著火和燃盡有很大影響。
1.2存在問題
由于實際燃煤中包含大量無煙煤，而制粉系統配備的是MPS中速磨，該磨不適于磨制無煙煤，致使磨煤機出力、煤粉細度均達不到要求，同時磨的磨損嚴重。
再者為燃盡程度差，2008年8月運行數據統計表明，飛灰可燃物達8%～16%，灰渣可燃物達10%～27%。
同時還表現出再熱汽溫偏低，額定工況高，再出口汽溫設計值為569℃，實際只能達到546℃左右。
2、改造方案介紹
分析表明，導致該爐出現上述問題的主要原因是實際煙煤來源雜而且差，尤其是大量無煙煤的存在。從鍋爐設計及改造技術來看，敷設衛燃帶是強化無煙煤著火和燃盡的主要措施，同時可使爐膛出口及尾部煙道煙溫升高，從而改變過熱系統與再汽系統的吸熱比例，促進再熱汽溫升高，有助于解決現場存在的問題。
本文針對該爐實際情況，設計了水冷壁衛燃帶敷設方案。在燃燒器區域四墻水冷壁均敷設，各墻衛燃帶設計面積見表2，總計為237. 2mz。圖1所示為前墻衛燃帶設計方案。
3、數值模擬
為了考察敷設衛燃帶的實施效果，本文對改造前后的爐內燃燒及換熱狀況進行了數值預報。
3.1計算區域與網格生成
圖2所示為數值求解區域，將其延伸至尾部煙道，以考察此處煙溫的變化。共劃分52萬個網格，全部采用六面體結構，其中在燃燒器區域速度梯度最大處，即噴口入口處，采用了與射流入射角夾角較小網格生成技術，以減小偽擴散。
3.2計算工況及入口邊界條件
計算了衛燃帶改造前后的爐內燃燒工況（如表3所示）。兩工況下的入口邊界相同，僅是衛燃帶所在區域的壁面條件設置不同，原始工況下，壁面定義為定溫條件，改造工況設定為絕熱壁面。
3.3數學模型
采用標準雙方程模型來模擬四角切圓燃燒鍋爐的爐內氣相湍流流動。三維笛卡爾坐標系下控制方程的統一形式如下：
爐內燃燒過程的其它模型分別是：湍流燃燒模型采用概率密度函數法；輻射模型為求解速度較快的P-l模型；顆粒相的模擬采用拉格朗日隨機軌道法；煤的熱解和燃燒模型分別采用雙匹配競爭反應模型和動力擴散模型。
采用SIMPLE算法求解壓力與速度的耦合問題。為提高計算精度，動量、湍動能及能量采用二階迎風格式。
4、結果與分析
4.1爐內燃燒過程總體情況
圖4為敷設衛燃帶工況下的爐膛縱截面溫度場。從中可看出四角切圓燃燒方式的特點，在燃燒器區域存在環狀高溫區，向著冷灰斗及爐膛出口方向，煙溫逐漸降低，至爐膛出口處煙溫約1200K。
兩個模擬工況的主要差別體現在爐膛溫度水平的變化，為此，將沿爐高不同截面的截面平均溫度繪于圖5。
由圖5可知，受敷設衛燃帶影響，整個爐內溫度水平均有提高，其中燃燒器區域的溫度差別較大，在26. 544m標高處溫差最大達70℃，而到55. 051m標高溫差約15℃。
4.2敷設衛燃帶對著火的影響
圖5所示燃燒器區域平均溫度得到較大的提升，對促進煤粉氣流的著火作用明顯。再者，本文設計衛燃帶的布置方案時，重點在噴口的兩側品字形布置，下層多、上層少，這種布置方法不僅考慮了強化著火，同時也為了盡可能地減輕結渣。如圖6所示，在衛燃帶區域，最高溫度達1600K。
4.3敷設衛燃帶對爐內換熱的影響
表5為模擬結果中對爐膛各區域水冷壁吸熱量的統計。可以看出，由于敷設衛燃帶后整個爐內的溫度水平上升，無衛燃帶各區段水冷壁的吸熱量明顯增加，但由于237. 2m2的衛燃帶的絕熱效果，整個爐內水冷壁的吸熱量有所降低，爐膛出口煙溫升高，這對總體呈對流特性的再熱系統的汽溫升高是有幫助的。
4.4敷設衛燃帶對燃盡的影響
對各角燃燒器噴口煤粉氣流的軌道跟蹤表明，原始工況下煤粉氣流碳的轉化率平均值為92. 3%，敷設衛燃帶后達到93.0%，其原因在于敷設衛燃帶后，著火條件改善，著火提前，燃盡時間延長，加之爐膛溫度水平整體上升，所以燃盡率提高效果顯著。
5、現場鍋爐改造情況
該爐在隨后的大修中進行了衛燃帶改造及制粉系統、燃燒系統的調整。大修后運行數據表明，同負荷下再熱汽溫提高了約10℃，飛灰含碳量約5%左右。再熱汽溫的升高及燃盡率的提高均比較明顯。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
6、結論
通過本次數值模擬研究，可以看出本文提出的衛燃帶改造方案對解決該鍋爐現場存在的問題有顯著效果，總結如下：
①敷設衛燃帶后，整個爐膛的溫度水平明顯升高，截面平均溫度最高可提高約70℃，這對促進該爐著火穩定和提高燃盡率均有顯著效果；
②衛燃帶的遮蓋減少了爐膛水冷壁的吸熱，但由于爐內煙溫的升高，水冷壁的總吸熱量減少不明顯，這是增設衛燃帶卻沒有大幅提升再熱汽溫的一個原因；
③要想進一步解決該爐現場存在的問題，不能單純依靠敷設衛燃帶的方法，尚需燃燒系統及受熱面結構等方面的研究和改造來實現。
