1 引言
随着燃烧理论、相关测量方法和计算机技术的发展，燃烧过程的模拟预示技术得以实现和完善，并正朝着适用化的方向快速推进。但由于物理模型和计算方法本身的局限，以及实际工况的测量困难，目前用数值模拟方法对实际煤燃烧设备的运行工况进行准确的预报，并与大型燃烧装置的实际运行工况进行有效比较的报道较为鲜见。
针对现有模型和计算方法上的不足，本文提出和发展了一些新的描述方法和计算格式。主要贡献在于：①提出了有关弥散介质辐射传热特性的新描述方法。依照实测和计算得到的炭和灰的光学常数，采用单颗粒辐射特性模型，更为准确地描述了炉内的辐射传热过程。②发展了一种新的数值计算格式（27点算法）。为减少和消除数值计算中出现的伪扩散，解决长期困扰数值模拟计算精度提高的问题，开辟了一条新的途径。③对大型电站燃煤锅炉（300 MW机组锅炉）的多种实际运行工况（各种配风方式）进行了模拟预报，并与实测结果进行了较为全面的对比，其相符性是十分令人鼓舞的。
对大型燃煤锅炉燃烧过程所进行的总体模拟，不仅在理论和方法上有所推进和突破，有助于深化对基本燃烧现象和实际燃烧过程的认识，而且计算结果显示了数值计算在燃烧装置设计和运行优化中所具有的潜在价值，表明计算模拟已经成为一种重要的辅助手段。
2 计算模型
煤粉炉内燃烧过程的数值模型应至少包括气体湍流、颗粒弥散、热解、气相燃烧、焦炭燃烧、辐射传热等子过程。
2．1 流动模型
锅炉内的流动为三维两相湍流反应流，其气相的通用守恒方程可统一表达为
xi（ρuiΦ）＝xi（ΓΦΦi）＋SΦ＋SpΦ（1）
式中 Φ代表所有的气相变量，如速度的3个分量（u、v、w）、压力P、湍流动能k及其耗散率ε、混合分数f及其脉动均方值g和比焓h等；SΦ为气体的源项或汇项；SpΦ为由固体颗粒引起的源项。
采用随机轨道模型来描述煤粉颗粒的运动，它是通过对速度概率密度函数的随机选择来确定湍流速率的，从拉格朗日坐标系中的颗粒瞬时方程组出发，考虑流体湍流对颗粒的作用，计算颗粒的随机轨道及沿轨迹的变化经历。
2．2 挥发分释放、燃烧及焦炭的燃烧
采用双平行反应模型来模拟煤的热解过程，用混合分数模型描述气相混合燃烧，煤焦燃烧的总体速率系数kt由化学反应速率系数kch和扩散速率系数kph共同确定。
2．3 辐射传热
采用离散传播法（DT），以计算辐射传热。该方法以热通量为基础，兼具有区域法、Monte－Carlo法的优点，因而有较高的计算效率，并能够得到较好的结果。
认为颗粒的吸收系数、散射系数是各向同性的，我们用实验测得的炭和灰的光学常数，采用自己提出的单颗粒辐射特性模型，根据网格内颗粒的直径、燃尽度、温度和颗粒浓度等参数计算得到粒子云的吸收系数和散射系数。该方法能够真实地给出炉内弥散介质辐射特性的空间不均匀分布［1］。
3 数值方法
3．1 计算流程
程序主要分为两部分：①Eulerian计算，包括气相的u、v、w、k、ε、P、h、f、g及辐射传热的计算；②Lagrangian计算，包括煤粉颗粒的轨道、温度及燃烧过程的计算。
3．2 计算格式
数值计算中，通常处理对流项的差分格式有，上风差分格式、混合格式及乘方格式等，这些计算格式都各有其自身的优势。但就造成伪扩散而言，还存在着严重的缺陷。
3．2．1 伪扩散
伪扩散不是数值计算中的截断误差，而是由流动和网格面法线方向不一致而引起的数值扩散。当流动方向和所划分的网格界面成一倾斜角，并在与流动相垂直的方向上存在有非零的因变量梯度时，就会有伪扩散出现。产生伪扩散的根本原因在于将流过每一控制容积面的多维流动处理成局部一维流动。计算实践表明，这种由于计算方法的近似性所引起的伪扩散有时会远远大于真实的物理扩散，会给数值计算带来很大的误差，以致往往会掩盖由数学模型的改进而提高的计算精度。对四角切圆燃烧锅炉的炉内流场进行数值计算时，由于采用Cartesian直角坐标，安排的矩形网格刚好与四个角上的喷口射流成一较大的夹角（接近于45°），因此，极易发生严重的伪扩散。
目前，虽曾出现过的几种改进算法，如斜上风差分格式（skew－upwind）和quick格式，对提高计算精度都有一些作用，但从流动本质上并未消除伪扩散的产生根源。
3．2．2 27点差分格式［2］
由此可知，产生伪扩散的根本原因在于：将流过某一控制容积面的多维流动处理成局部一维流动的做法。我们曾发展过一种27点差分格式，它是根据控制体界面的多维流动特性来判断插值点，按照多维流动的本质来处理计算格式的，因而它能在理论上消除伪扩散的存在。
4 300MW电站锅炉运行工况的模拟及优化
结合湘潭电厂300 MW机组大型电站锅炉的运行调试，我们进行了大量的测试和配风工况的优化工作，得到了许多有用的试验数据。与此同时，还对实际燃烧过程进行了总体模拟计算，对不同的运行工况进行了数值预报和优化。这种系统、直接的比较不仅是一次难得的应用验证机会，而且所得到的结果也是令人鼓舞的。
4．1 冷态模拟
首先模拟计算几种典型配风方式（包括缩腰配风、均匀配风和倒宝塔配风等）下的炉内冷态空气动力场，计算中将计算区间离散为57×45×122的正交非均匀网格（其中炉膛部分为45×45×122）。为减小因数值伪扩散而造成的模拟误差，计算中使用27点差分格式，实践证明，该差分格式可显著改善空气动力场的模拟精度。另外，为了更精确的预报炉膛出口处的速度偏差，增长了炉膛出口外的计算区域。
图1给出的是不同配风方式下，燃烧器A中心 剖面的速度分布。由图可见，实测值和计算值吻合程度是十分令人满意的。另外，与其它计算格式相比，采用本程序提供的27点格式确实能够显著地改善炉内空气动力场模拟中的伪扩散问题。
4．2 热态模拟
针对300 MW锅炉的几种不同配风方式下的实际燃烧运行工况，包括缩腰配风、均匀配风、顺宝塔配风和倒宝塔配风等方式，进行三维流动、传热和燃烧的总体数值模拟，比较配风方式对炉内的热态空气动力场、温度场、氧量场、辐射热流场及燃烧效率、炉膛出口烟温偏差、屏式受热面吸热量等的影响，并与运行的实测结果相对照，最后推荐最佳的配风方式。
4．2．1 计算工况
各模拟工况下的煤样、各喷口的风速等均按热态实验测得值给定。
4．2．2 计算结果分析
（1）速度场
计算给出了不同配风工况时的热态速度分布。与冷态工况时有显著差异的是，在着火燃烧区域，射流体积骤然膨胀，主气流的速度将有显著增大。与以往的计算模拟相比，其结果更确切地反映了实际火焰的扩张过程，证明了我们对颗粒辐射传热特性模拟的精确性。
（2）温度场
图2给出的是不同配风方式下的炉膛中心剖面烟气温度分布，由图可见，采用缩腰配风、均匀配风和正宝塔配风方式时，在煤粉火炬的下方两侧有高温区域存在（对应于燃烧器A的位置），且其底部有向下延伸的高温火炬，这对炉内整体火焰的稳定性有利；采用缩腰配风和正宝塔配风方式时，炉内整体温度水平较低，这是由于投入三套制粉系统，三次风占总风量的份额较大，对火炬的冷却作用显著；采用倒宝塔配风方式时，火炬的中心上移，且火炬长度较长，对燃尽不利，并可因炉膛出口温度过高而导致对流受热面超温，影响锅炉运行的安全性和经济性。
通过计算还得到了炉膛出口断面（末级过热器后）的烟气温度分布，采用缩腰配风（三套制粉系统）、均匀配风（两套制粉系统）和正宝塔配风（三套制粉系统）方式时，炉膛出口断面的烟气温度偏差均不大，温度分布也较均匀；采用倒宝塔配风（两套制粉系统）方式时，炉膛出口整体温度水平偏高，且存在较明显的左右偏差。
（3）炉渣分析
图3给出的是模拟得到的各配风工况下灰斗区域的颗粒运动轨迹（仅包含源自燃烧器A的下喷口的颗粒）。比较各图可知，下二次风的动量较小时（如倒宝塔配风时），被下层二次风卷吸的颗粒量虽较少，但有更多的颗粒穿过炉膛下方的回流区落入灰斗区域。热态实验测得炉渣可燃物含量和炉渣损失关系如下
炉渣可燃物：倒宝塔＞矩形＞缩腰＞正宝塔
炉渣损失：倒宝塔＞矩形＞缩腰＞正宝塔
这与数值模拟的结果相吻合。这说明下二次风对煤粉主要表现为托举作用。
模拟计算得到的各配风方式下的计算燃尽率，与锅炉调试过程中的实测值的相符程度是相当令人满意的。
5 结论
（1）美国NASA曾经预言：“对大多数的热力设备，计算机模拟将成为与试验同样可靠、且更为有效的手段。”本文对有关计算模型和计算技术的探讨和发展，对燃烧装置中的实际运行工况进行的总体模拟，以及与真实测量数据的系统比较所得到的较为满意结果，都反映了这种手段的发展和潜力是令人鼓舞的。燃烧过程数值模拟的应用价值在其自身的发展过程中，不断显示出来，应该引起学术界和工程界的共同关注。
（2）对于本文所研究的湘潭电厂300 MW机组锅炉的运行工况，数值模拟和实际运行的结果均表明，缩腰配风（三台磨运行）方式既可减少灰渣损失，又可获得高的燃尽率和低的烟温偏差，因而推荐使用。
参考文献：
［1］ 柳朝晖，邢华伟，等．煤粉炉内弥散介质辐射传热的综合模拟［J］．工程热物理学报，1999，20（3）：383～387．
［2］ Zhou Xiangyang，Zheng Chuguan．Co mparison of several discrete arith metic sche mes for simulating a constrained jet and a lab－scale tangential fired furnace［J］．Co mputer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1996，130：279-288.
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