引言目前，水泥窑余热技术在施工、安装调试、运行等方面相当成熟[1]。但是在已投运项目中，由于工艺设计、设备选型、燃料选择不合理等方面的问题，一部分水泥余热电站存在余热锅炉低负荷情况下排烟温度过高的情况。文章从锅炉热量平衡和数值模拟等两个方面分析排烟温度过高的原因，并将现场测试结果和数值模拟计算结果进行对比，验证锅炉热量平衡计算结果的正确性。1设计基本情况1.1设计参数设计初期，厂家分别对篦冷机排气尾部（篦冷机出口），篦冷机煤磨取窑头（煤磨取风）及窑尾出口的烟气温度、流量提出了要求，具体数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.T001表1窑头、窑尾的烟气温度及流量项目窑头（篦冷机出口）窑头（煤磨取风）窑尾烟气平均温度/℃250350315烟气密度/（kg/m3）1.291.291.34烟气平均流速/（m/s）17.012.519.6烟气流量/（m3/h）589 90078 900886 000烟气标干流量/（m3/h）269 43029 750330 300烟气标况流量/（m3/h）271 28030 550359 700根据要求，该水泥窑余热锅炉采用窑头AQC炉和窑尾SP锅炉，窑头AQC锅炉的入口烟气设计温度为330 ℃，窑尾SP锅炉的入口烟气设计温度为320 ℃。1.2余热锅炉系统1.2.1余热锅炉烟气系统该余热锅炉的烟风系统如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.F001图1余热锅炉烟风系统图来自篦冷机出口的烟气首先经过中温旋风沉降室，分别进入AQC锅炉和ASH锅炉，经ASH锅炉的烟气通过高温旋风沉降室后排出，经AQC锅炉的烟气通过收尘器后排出，窑尾烟气经SP锅炉后通过增湿管道排出。1.2.2余热锅炉热力系统该余热锅炉热力系统如图2所示，由除氧器产生的次中压给水进入SP锅炉的低压锅筒，在其中的过热器中产生过热蒸汽作为补汽进入汽轮机；由除氧器产生的中压给水首先进入设置于余热锅炉尾部烟道的公共省煤器中，然后进入SP锅炉的中压锅筒和AQC锅炉的锅筒，分别在其中的过热器中产生过热蒸汽，再通过ASH锅炉升温升压后进入主蒸汽管道。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.F002图2余热锅炉热力系统由图1及图2可知，余热锅炉的排烟来源于SP锅炉，余热锅炉的排烟温度过高在于SP锅炉运行存在问题，SP锅炉入口烟温主要由水泥窑C1级的出口温度决定。2余热锅炉现场测试结果计算与数值模拟计算2.1现场测试结果及计算结果分析2.1.1现场测试结果为了解窑尾锅炉的运行情况，测试机构对窑尾锅炉的烟气温度，烟气流速进行了记录，在窑尾SP锅炉进口烟道设置了两个1#、2#呈90°的检测孔，测试结果如表2、表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.T002表2窑尾SP锅炉1#点测试结果入口温度/K入口速度/(m/s）实际烟气量/(m3/h)标准烟气量/(m3/h)设计标准烟气量/(m3/h)炉膛截面积/m2实际炉膛计算流速/(m/s)303.0013.50610 965227 745370 00067.272.52302.0018.60840 512314 096370 00067.273.47313.0018.00815 238298 367370 00067.273.37313.0016.30737 007269 885370 00067.273.04307.0020.20913 626336 893370 00067.273.77282.0015.50700 418270 829370 00067.272.89303.3317.02769 628286 303370 00067.273.1810.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.T003表3窑尾SP锅炉2#点测试结果项目入口温度/K入口速度/(m/s）实际烟气量/(m3/h)标准烟气量/(m3/h)设计标准烟气量/(m3/h)炉膛截面积/(m2)实际炉膛计算流速/(m/s)1307.0018.60841 393310 955370 00067.273.472310.0018.30829 754305 294370 00067.273.433311.0018.00812 509298 421370 00067.273.364302.0017.40787 242293 521370 00067.273.255282.0017.80803 715310 660370 00067.273.326275.0017.80770 968302 027370 00067.273.18平均值297.8317.98807 597303 480370 00067.273.33由表2及表3可知，窑尾SP锅炉1#点的入口平均温度为303.33 K，窑尾2#点的入口平均温度为297.83 K，考虑到篦冷机的运行变化和回转窑中的投煤量变化，窑尾SP锅炉的入口平均温度变化是合理的。窑尾SP锅炉1#点的实际烟气量为769 628 m3/h，标准烟气量为286 303 m3/h，设计标准烟气量为370 000 m3/h；2#点的实际烟气量为807 597 m3/h，标准烟气量为303 480 m3/h，设计标准烟气量为370 000 m3/h。经计算，窑尾SP锅炉1#点的标准烟气量为设计标准烟气量的77%，窑尾SP锅炉2#点的标准烟气量为设计标准烟气量的82%，窑尾SP锅炉的烟气量明显小于设计烟气量，这是由于水泥窑的运行负荷低于设计负荷。同时，根据现场运行数据，窑尾SP锅炉的出口平均温度为479 K,锅炉设计出口平均温度为449 K,比实际出口平均温度低30 K,即低负荷情况下的实际排烟温度高于设计排烟温度。2.1.2计算结果分析由表2可知，窑尾SP锅炉1#点的实际炉膛计算流速为3.18 m/s。由表3可知，2#点的实际炉膛计算流速为3.33 m/s，而锅炉设计烟气平均速度为7.45 m/s，实际烟气流速为设计烟气流速的43.7%。随着烟气流速的降低，锅炉内换热系数降低，换热下降。F=Q/(K×B×△Tm)(1)式中：F——换热面积，m2；Q——换热量，W；B——水垢系数，取值为0.85～0.90；K——换热系数，W/(m2 K)；△Tm——对数平均温度差，K。设计工况下，烟气进口温度为320 ℃，烟气出口温度为176 ℃，介质进口温度为136 ℃，介质出口温度为295 ℃,其对数平均温度为31.7 ℃。实际运行工况下，烟气进口温度为300 ℃，烟气出口温度为206 ℃，介质进口温度为136 ℃，介质出口温度为295 ℃,其对数平均温度为24.46 ℃。窑尾SP锅炉设计工况与实际工况的计算比较如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.T004表4窑尾SP锅炉设计工况与实际工况的计算比较项目换热面积/m2烟气进口温度/℃烟气出口温度/℃介质进口温度/℃介质出口温度/℃对数平均温差/℃烟气进口焓值/(kJ/m3)烟气出口焓值/(kJ/m3)烟气量/m3设计工况13 36932017613629531.70499.80273.00370 000实际工况13 36930020613629524.46452.94290.43294 890根据设计资料，余热锅炉的设计换热面积为13 369 m2，设计工况下的烟气量为370 000 m3/h，实际工况下的平均烟气量为294 890 m3/h，实际运行工况下的烟气量为设计工况下的79%。同时经过计算，实际运行时的换热系数为设计工况下的74%，换热系数的变化与烟气量的变化一致。说明随着烟气量的减小，烟气平均流速降低，使得换热系数减小。2.2数值模拟计算及分析2.2.1物理模型和网格划分余热SP锅炉入口通道直径为4 m，高为3 m，矩形炉膛截面长为11 m，宽为6 m，高为23 m，炉膛下部漏斗段长为11 m，宽为6 m，高为8 m，出口段长3.4 m，宽为3 m，高为2 m。计算网格示意图如图3所示，坐标原点为入口截面中心点。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.F003图3计算网格示意图2.2.2数学模型文中采用Standard k-ε湍流模型，数学模型包括连续性方程、动量方程、能量方程[2]。用SIMPLE算法求解压力速度耦合方程、湍流耗散率方程、湍流脉动能方程，采用一阶迎风格式。动量方程、能量方程以及连续性方程采用二阶迎风格式。烟气进出口边界条件为：采用速度进口，流速为17.5 m/s，温度为300 ℃；采用自由流出口；壁面条件采用固定壁面的无滑移边界条件[3-4]。采用多孔介质模型，将SP锅炉内的对流管束视为多孔介质区域[5]。2.2.3计算结果验证及分析根据SP余热锅炉设计参数，其设计阻力＜750 Pa，而数值模拟计算结果，锅炉模型进出口的压力损失为720 Pa，与设计参数相符。SP余热锅炉X=0截面处的速度云图见图4（a），速度流线分布见图4（b）。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.F004图4X=0截面处的速度云图及速度流线分布烟气沿竖直方向进入炉膛，当流体由竖直管段进入转弯管段时，流体外侧压力增大，内侧压力降低，外侧流体速度降低，内侧流体速度增大，造成流体压力和速度的不均匀，流动发生紊乱，流体外侧产生涡流区。3热量平衡计算与数值模拟计算结果比较炉膛各截面上烟气平均流速如表5所示。考虑到锅炉炉膛内进口效应和出口效应对速度的影响，在计算炉膛截面平均速度时仅考虑除y=-1.5和y=-33的各截面，经计算，炉膛的平均速度为3.81 m/s。通过现场测试，可得到表2中的窑尾SP锅炉1#点的实际炉膛计算流速为3.18 m/s。表3中的2#点的实际炉膛计算流速为3.33 m/s，数值模拟计算结果与现场测试计算结果相符。热量平衡计算以现场测试计算结果为依据。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.019.T005表5炉膛各截面平均速度截面平均速度/（m/s）截面平均速度/（m/s）y=-1.56.79y=-20.53.61y=-33.88y=-233.52y=-5.54.19y=-25.53.49y=-84.36y=-283.67y=-134.20y=-30.53.29y=-15.53.98y=-331.24y=-183.774结语运用测试机构的测试数据、余热锅炉烟风系统图、热力系统图、余热锅炉建模和数值模拟计算结果，通过锅炉热量平衡计算，发现当实际运行工况下的烟气量为设计工况下的79%，实际运行时的换热系数为设计工况下的74%，换热系数的变化与烟气量的变化一致，即水泥余热锅炉低负荷情况下排烟温度过高的原因在于随着烟气量的减小，烟气平均流速降低，使得换热系数减小。同时运用数值模拟方法，验证现场测试结果的准确性，确保了热量平衡计算的正确性。