目前，循环流化床（CFB）锅炉点火启动主要采 用风道燃烧器^[1]。风道燃烧器在运行中燃油着火和 燃尽性能不是很理想，其原因是现有测量技术对点 火系统内实际燃烧状态不能全面准确地进行测量 与分析^[2]，而锅炉在运行状态下都处于高温状态^{[3, 4]}， 因此应用数值模拟的方法对CFB锅炉点火系统进 行模拟计算具有重要意义。 1 选取的软件特点

本次数值模拟选用FLUENT商业软件。该软件 包含丰富的、经过工程确认的物理模型，可以模拟 高超音速流场、传热与相变、化学反应与燃烧、多相 流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂 机理的流动问题^{[5, 6, 7]}。

针对内蒙古某电厂CFB锅炉风道燃烧器实际 燃烧工况，选用非结构化有限元体积网格模型。该 模型采用非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐 式算法，可以精确地模拟湍流、液态至气态燃烧 场。燃油在燃烧器内雾化后变为湍流状态，点火后 瞬间气化辐射放热，然后依次经过Spalart-Allmaras 状态、k-ω状态、k-ε状态、雷诺应力状态（RSM）、大 涡模拟状态（LES）及分离涡模拟（DES）和V2F 状 态。非结构化有限元体积网格模型采用基于压力 的分离求解器和耦合求解器、基于密度的隐式求解 器和显式求解器，可以直观、精确地模拟燃油在风 道燃烧器内的燃烧状况，因此非常适用于CFB锅炉 风道燃烧器燃烧状况的数值模拟。 2 计算模型中结构参数的选择

风道燃烧器的工作原理如下：柴油经喷嘴机械 雾化，后经混风孔与空气混合点燃后生成高温烟气 进入布风室，高温烟气通过布风室中的风帽进入锅 炉。图 1a为内蒙古某电厂CFB锅炉风道燃烧器的 实物图，图 1b为对应实物建立的非结构化有限元体 积网格模型图。该电厂共有4个风道燃烧器与风室 相连，考虑到计算机的实际计算承载能力，只对其 中1个风道燃烧器进行建模及数值模拟。

采用FLUENT软件对模型进行分块网格生成。 分块网格生成技术的核心是将1个整体分解成若干 个小的子项，再分别对每1子项进行数值模拟，从而 达到对整体量化的计算模拟。

图 1(Figure 1)

图 1 风道燃烧器

在生成网格时，对风帽、混风孔和喷嘴进行了 网格加密，局部网格如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 局部网格加密后的效果图

图 3为根据风道燃烧器实物图按照1∶1比例建 立的模型。

图 3(Figure 3)

图 3 风道燃烧器模型图

图 4为风道燃烧器壁面温度分布图。锅炉实际 运行时，风道燃烧器壁面温度分布是否均匀，对电 厂的安全生产至关重要，若某处温度明显高或低， 会使耐火保温材料局部膨胀或结焦；时间过长，则会造成风道燃烧器塌陷，迫使锅炉停运，对电厂的 安全生产造成极大的危害。从图 4可以看出，壁面 温度为600~100 K，温度分布均匀；旋流器至混风室 间壁面温度略高，是由于其间发生燃烧。高温烟气 经过混风室后，由于冷却风的作用，烟气温度明显 降低，温度过渡比较平缓且分布均匀，达到耐火保 温材料对温度分布的要求。

图 4(Figure 4)

图 4 风道燃烧器壁面温度分布图

为了更清晰、直观地观察风道燃烧器内部情 况，分别对风道燃烧器内部做了4个切片图，见图 5 所示。从图 5可以直观地看到风道燃烧器内的燃烧 状态及混合风冷却后的状态，在风道燃烧器根部温 度最低，因为此时柴油还未燃烧。当高温烟气到达 混风室后，与300 K左右的混合风相混合，温度降至 1000 K左右（见图 5c）。随后，混合后的烟气直接吹 入风室，此时烟气温度达到1050 K左右，符合电厂 正常运行的要求。

图 5(Figure 5)

图 5 风道燃烧器内部切片图

图 6a为风道燃烧器轴面温度云图，从图中可以 看出中心回流区温度最高，这是因为回流高温烟气 逐渐加热柴油气体使之燃烧造成的。混风室前、后 高温烟气温度分布相差很大，说明混风室起到了降 低高温烟气的作用。高温烟气经混风室后温度分 布较为均匀，过渡较为缓和。为了更直观地体现轴 面温度的分布，本文对图 6a进行修改，将表示对应 温度的颜色去掉，如图 6b所示。在图 6b中可以清 晰地看到，烟气温度的分布有1个明显的分界线，在 此分界线前，温度很高，而在此分界线后温度较低， 而这个分界线便是混风室。

图 6(Figure 6)

图 6 风道燃烧器轴面温度分布图

为了验证数值模拟的准确性，数值模拟结果将 与电厂DCS实测数据进行对比分析。

风道燃烧器热电偶测温装置布置如图 7所示。 CFB锅炉点火系统共有8处热电偶测温装置，分别 位于风道燃烧器5445 mm处及风室1970 mm处。

图 7(Figure 7)

图 7 热电偶分布示意图

该电厂控制系统采用新华DCS系统，热电偶测 量的温度和压力在DCS上均有显示。CFB锅炉点火 启动一般需要6 h左右，冷态启动点火3 h后达到稳 定状态。本文选取的实测数据为冷态点火启动后 3~6 h的数据，此时，点火系统已经达到稳定状态，即 混风室混风温度、风道燃烧器出口高温烟气温度、 风室温度及压力均恒定。数值模拟计算结果是点 火启动稳定后的结果，因此，实测数据应选用冷态 点火启动后3~6 h的数据与数值模拟计算结果进行 比较分析。每隔1 min 选出1 组数据，共180 组数 据；然后算出平均值，以便与模拟结果进行比较分 析。图 8为风道燃烧器出口温度曲线，平均温度为 972.93 K，图 9 为相应风室温度曲线，平均温度为 899.28 K，图 10 为风室压力曲线，平均压力为 7487.03 Pa。

图 8(Figure 8)

图 8 风道燃烧器出口实测温度曲线

图 9(Figure 9)

图 9 风室温度实测曲线

图 10(Figure 10)

图 10 风室压力实测曲线

DCS控制系统实测示均值、数值模拟值及相对 误差见表 1。从表 1可以看出，数值模拟值的相对误差在10%以下，差值在工程数值模拟计算允许范围 内（工程数值模拟计算允许误差为15%^[4]）。

表 1(Table 1)

表 1 实测示均值、数值模拟值及相对误差

表 1 实测示均值、数值模拟值及相对误差

分析误差存在的具体原因如下：

（1） 理论上风道燃烧器及风室保温材料保温 效果应达到100%，但在实际运行中达不到，因此，会 出现实际温度比数值模拟温度偏低的情况。

（2） 机械压力离心式喷嘴中必然会有极少量 的油滴未被雾化，所以会产生实测示均值比数值模 拟值偏低的情况。

（3） 锅炉正常运行时，风机输出风量有少量损 失，会造成实测示均值比数值模拟值偏低的情况。

（4） 由于模型的结构参数不同，网格划分也就 不同。因此在理论模拟过程中，计算结果残差收敛 的程度不同，造成理论模拟数据有一定的误差。 从上面分析可知，各种原因造成了实测数据和 模拟数据之间存在一定的误差。但是整体上，应用 本文所建立的物理模型和边界条件对内蒙古某电 厂CFB锅炉点火系统进行模拟的结果还是比较理 想的。 5 结语

通过对风道燃烧器温度、风室温度及压力的数 值模拟值与实测数据进行比较分析，验证了针对内 蒙古某电厂CFB锅炉点火系统进行理论模拟所设 置的物理模型和边界条件是符合实际的，模拟结果 较为理想。因此利用FLUENT软件对点火系统内温 度场及压力场的情况进行模拟分析是可行的。这 种方法将为指导CFB锅炉点火系统的试验研究起 到较好的指导作用，从而为CFB锅炉点火系统的进 一步优化和改进提供了一定的借鉴作用。