循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)模型研究

張 悅，劉云飛，袁一丁

（河北省發(fā)電過(guò)程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

·發(fā)電技術(shù)·

循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)模型研究

張 悅，劉云飛，袁一丁

（河北省發(fā)電過(guò)程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

通過(guò)選取床溫、煙氣含氧量和爐膛殘?zhí)剂?個(gè)參考對(duì)象，以小室模型為基礎(chǔ)對(duì)流化床鍋爐內(nèi)的物料平衡、氧氣體積平衡和能量平衡做數(shù)學(xué)模型描述，用Matlab對(duì)其做階躍響應(yīng)仿真，通過(guò)仿真曲線和歷史趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了所建循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)機(jī)理模型的準(zhǔn)確性與合理性。

循環(huán)流化床；機(jī)理建模；床溫

0 引言

目前，由于對(duì)循環(huán)流化床（CFB）內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程不甚了解，循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的研究大都依靠歷史數(shù)據(jù)并通過(guò)試驗(yàn)建模方法完成。風(fēng)煤比是否合適對(duì)鍋爐乃至整個(gè)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及設(shè)備的壽命都有很大的影響。由于鍋爐的燃料性質(zhì)、設(shè)備狀況、工作人員的水平等因素都影響鍋爐的理想運(yùn)行工況，進(jìn)而影響其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。但在現(xiàn)有發(fā)電廠中，由于設(shè)備龐大而復(fù)雜，運(yùn)行中可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，試驗(yàn)不能應(yīng)對(duì)需要而隨時(shí)進(jìn)行，加之參數(shù)對(duì)與之有關(guān)的工況不能憑想象和經(jīng)驗(yàn)做出判斷，因此研究難度較大，無(wú)法在電廠現(xiàn)場(chǎng)獲得合適的風(fēng)煤比參數(shù)［1-2］。采用機(jī)理建模方法，在已有研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)，并以電廠CFB鍋爐為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的模型變量來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 建模變量選取

針對(duì)CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有些數(shù)據(jù)不能去現(xiàn)場(chǎng)采集，而采用機(jī)理建模能更詳細(xì)地對(duì)和風(fēng)煤比有關(guān)的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行描述，所以以機(jī)理建模法來(lái)研究CFB鍋爐的燃燒系統(tǒng)。

1.1 床溫

CFB鍋爐區(qū)別于煤粉爐的是燃燒控制的主要參數(shù)，是穩(wěn)定的床溫和主汽壓力［3］。床溫指由布置在燃燒室內(nèi)的熱電偶監(jiān)測(cè)到的爐膛中各區(qū)域內(nèi)固體物料層的床層溫度，一般取各測(cè)點(diǎn)熱電偶溫度的平均值，是CFB鍋爐最重要的一個(gè)運(yùn)行參數(shù)。床溫的高低能直接反應(yīng)爐膛內(nèi)的燃燒狀況和爐內(nèi)輸入輸出熱量的平衡關(guān)系，取決于各區(qū)域內(nèi)的能量平衡，包括燃煤釋放熱量，脫硫劑、循環(huán)物料、排渣帶走熱量和各受熱面的吸熱。如何維持床溫的穩(wěn)定是CFB鍋爐穩(wěn)定和安全運(yùn)行的關(guān)鍵［4］。

1.2 煙氣含氧量

煙氣含氧量決定著爐膛的燃燒效率，為了保證CFB鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒，通常通過(guò)不斷改變送風(fēng)量和給煤量使之達(dá)到一個(gè)較為匹配的比例，然后由過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)衡量經(jīng)濟(jì)燃燒的好壞，而煙氣含氧量能間接顯示爐膛的燃燒經(jīng)濟(jì)性。因此含氧量也是一個(gè)重要建模參數(shù)。

1.3 殘?zhí)剂?/p>

對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐來(lái)說(shuō)，由于燃煤顆粒比較大，剛送入爐膛的煤并沒(méi)有立刻完全燃燒，一部分會(huì)變成焦炭。鍋爐燃燒的熱量中，當(dāng)前給煤放出的熱量只占一小部分，大部分來(lái)自于爐膛內(nèi)不斷循環(huán)的焦炭。燃燒室內(nèi)循環(huán)燃燒的殘余焦炭稱為“殘?zhí)肌保?］。

總風(fēng)量和給煤量的變化，或者風(fēng)煤比的改變是殘?zhí)剂孔兓闹鲗?dǎo)因素，而爐膛床溫和煙氣含氧量能最直觀地體現(xiàn)出殘?zhí)即媪康淖兓?。在一定的風(fēng)煤比下，爐膛床層溫度升高以及煙氣含氧量下降可以反映出殘?zhí)伎偭肯陆担欢矞氐慕档秃秃趿康纳邉t體現(xiàn)出殘?zhí)即媪可?，所以?duì)殘?zhí)剂康慕Ｓ葹楸匾?］。

2 床溫、含氧量、殘?zhí)剂磕Ｐ?/h2>

2.1 物料平衡

物料平衡是指單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出小室的物料以及生成與消耗的物質(zhì)質(zhì)量?jī)舨畹扔谛∈覂?nèi)總物料量的變化。動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡方程反應(yīng)的是各區(qū)域內(nèi)物料的蓄積過(guò)程，物料平衡方程［6-7］

式中：M為物料總量；Wc為給煤量；Wr為再循環(huán)量；Wp為排渣量；Wf為爐膛飛灰量；We為燃料消耗量。

爐內(nèi)炭平衡方程

式中：Mc為總炭質(zhì)量；Car為煤的收到基炭質(zhì)量份額；Xcr為循環(huán)物料的平均炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Xcp為排渣的平均炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Xcf為爐膛飛灰的炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Rc為爐內(nèi)的炭燃燒率，與溫度、爐內(nèi)的氧濃度和床內(nèi)炭總量相關(guān)。

在本模型中

其中

式中：k為衰減系數(shù)；Mc為爐內(nèi)總炭量；Ma為爐膛給風(fēng)量。

可以看出，如果增加給煤量而不相應(yīng)增加給風(fēng)量，爐內(nèi)的燃燒率不是增加反而是降低。

2.2 氧氣體積平衡

爐膛內(nèi)參與燃燒的氧氣正比于燃燒產(chǎn)生的熱量，氧量模型為［8］

2.3 動(dòng)態(tài)能量平衡

在傳熱和燃燒的基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)能量方程［9-10］

式中：Q為總能量；Qc為給煤帶入的熱量；Qr為再循環(huán)物料帶入的熱量；Qg為送風(fēng)帶入的熱量；Qe為燃料產(chǎn)生的量；Qp為排渣帶出的熱量；Qf為爐膛飛灰?guī)С龅臒崃?；Qy為煙氣帶走的熱量；Qa為受熱面吸收的熱量。

3 基于機(jī)理模型的仿真驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

以整個(gè)爐膛區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，聯(lián)立上述子系統(tǒng)機(jī)理建模所得的多個(gè)平衡方程，形成一個(gè)閉合的整體。同時(shí)為了驗(yàn)證所建模型是否正確，把大連泰山135 MW循環(huán)流化床鍋爐的一些鍋爐參數(shù)和部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的歷史數(shù)據(jù)帶入整個(gè)模型。在此模型中，輸入變量包含給煤量、一次風(fēng)量、排渣量（固定此變量），輸出變量包含爐膛3個(gè)區(qū)域床層溫度、爐膛出口煙氣含氧量、爐內(nèi)殘?zhí)剂?、床料量。通過(guò)Matlab仿真軟件的Ode15s命令可以解上述微分方程組，并對(duì)其做相應(yīng)的仿真。大連泰山135MW CFB鍋爐參數(shù)如表1所示。

3.2 給煤量輸入下階躍響應(yīng)

圖1～3所示為在給煤量的擾動(dòng)下，爐膛區(qū)域1～3內(nèi)床溫、區(qū)域出口煙氣含氧量和爐膛殘?zhí)剂康捻憫?yīng)。

表1 大連泰山135 MW CFB鍋爐參數(shù)

圖1 給煤量擾動(dòng)下?tīng)t膛區(qū)域1～3床溫響應(yīng)曲線

圖2 給煤擾動(dòng)下?tīng)t膛區(qū)域1～3出口含氧量響應(yīng)曲線

圖3 給煤擾動(dòng)下?tīng)t膛區(qū)域1～3殘?zhí)剂宽憫?yīng)曲線

由圖1可知，在給煤量發(fā)生5%的階躍變化時(shí)，床溫先是較小幅度的下降，然后轉(zhuǎn)變成單調(diào)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)闋t膛內(nèi)突然增加的煤量會(huì)吸收少量爐膛內(nèi)的熱量來(lái)用于給煤的加熱和揮發(fā)分的析出。與此同時(shí)，由于爐膛內(nèi)部的床料溫度很高，將在相當(dāng)短的時(shí)間過(guò)程內(nèi)將新增加的煤炭加熱到著火溫度，這就會(huì)使床溫較快的升高。

由圖2可知，各區(qū)域出口煙氣含氧量先是快速減小而后慢慢趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榻o煤量的增加使?fàn)t膛內(nèi)含碳量迅速增加導(dǎo)致燃燒加劇，釋放更多熱量的同時(shí)迅速消耗更多的氧量，從而使各區(qū)域出口煙氣含氧量迅速下降，而床溫升高又會(huì)導(dǎo)致殘?zhí)嫉娜紵俾试龃?，這就導(dǎo)致含氧量變化趨勢(shì)變慢并趨于平穩(wěn)。

由圖3可知，殘?zhí)己繒?huì)由于給煤量的增加而迅速增加，但是由于床溫的升高會(huì)使得焦炭與O2和CO2的反應(yīng)速度增加，這就會(huì)消耗更多的殘?zhí)剂繌亩沟脷執(zhí)剂坑兴陆怠?/p>

采集大連泰山135 MW CFB鍋爐在變負(fù)荷（135～100 MW）運(yùn)行時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，其中2014-12-30T12∶45∶00—16∶55∶00在給煤量階躍變化的數(shù)據(jù)如圖4～6所示。通過(guò)與圖1～3進(jìn)行對(duì)比可得，所建模型仿真結(jié)果階躍變化趨勢(shì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本吻合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖4 給煤量歷史采樣數(shù)據(jù)

圖5 爐膛區(qū)域1～3床溫歷史采樣數(shù)據(jù)

圖6 煙氣含氧量歷史采樣數(shù)據(jù)

3.3 一次風(fēng)輸入下階躍響應(yīng)

圖7～9為在一次風(fēng)量的擾動(dòng)下，爐膛區(qū)域1～3內(nèi)床溫、區(qū)域出口煙氣含氧量和爐膛殘?zhí)剂康捻憫?yīng)。

圖7 一次風(fēng)擾動(dòng)下?tīng)t膛區(qū)域1～3床溫響應(yīng)曲線

圖8 一次風(fēng)動(dòng)下?tīng)t膛區(qū)域1～3出口含氧量響應(yīng)曲線

圖9 一次風(fēng)動(dòng)下?tīng)t膛區(qū)域1～3殘?zhí)剂宽憫?yīng)曲線

由圖7可知，當(dāng)一次風(fēng)量發(fā)生5%的階躍變化時(shí)，隨著一次風(fēng)量的增加，床溫出現(xiàn)逆向響應(yīng)特性，在階躍響應(yīng)初始階段有小幅度上升，隨后呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定于稍低于初始溫度的狀態(tài)。這是由于在擾動(dòng)初始階段隨著一次風(fēng)量的增加，使得爐膛內(nèi)部的氧氣充足，使得碳的燃燒效率增加，放出熱量增多，床溫快速升高。雖然一次風(fēng)量增加，但是作為燃燒介質(zhì)的煤量卻沒(méi)有增加，從而持續(xù)增加一次風(fēng)量最終會(huì)將爐內(nèi)的熱量帶走，使床溫維持在較初始值低的位置。

由圖8可知，各區(qū)域出口煙氣含氧量會(huì)由于一次風(fēng)量的階躍增加而短時(shí)間內(nèi)快速增加，同時(shí)區(qū)域殘?zhí)既紵俾恃杆僭龃?，從而?dǎo)致各區(qū)域殘?zhí)剂肯妊杆贉p少。然后各區(qū)域床層床料溫度的下降導(dǎo)致殘?zhí)剂坑猩叩内厔?shì)，這就使得各區(qū)域出口含氧量緩慢下降。

由圖9可知，殘?zhí)剂繒?huì)隨著一次風(fēng)量的增加使?fàn)t膛內(nèi)的氣固流動(dòng)狀態(tài)變化，固體顆粒的揚(yáng)析量增加，由于給煤量固定不變，而聚集在爐膛內(nèi)的煤炭顆粒會(huì)因?yàn)闋t膛床料溫度的升高而迅速燃燒，從而使得殘?zhí)剂考眲∠陆怠．?dāng)殘?zhí)剂肯陆档揭欢ǔ潭葧r(shí)，由于床溫的下降會(huì)略微上升，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖10～12是2014-11-27T05∶45∶00—09∶55∶00在一次風(fēng)量階躍變化工況下的歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)與圖7～9進(jìn)行對(duì)比可得，所建模型仿真結(jié)果階躍變化趨勢(shì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本吻合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖10 一次風(fēng)量歷史采樣數(shù)據(jù)

圖11 爐膛區(qū)域1-3床溫歷史采樣數(shù)據(jù)

圖12 煙氣含氧量歷史采樣數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題也隨之而來(lái)。循環(huán)流化床作為一種清潔燃燒技術(shù)，它的低污染、燃燒效率高和燃煤適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)在最近幾十年來(lái)快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)選取床溫、煙氣含氧量和爐膛殘?zhí)剂?個(gè)參考對(duì)象，以小室模型為基礎(chǔ)對(duì)流化床鍋爐內(nèi)的物料平衡、氧氣體積平衡和能量平衡做數(shù)學(xué)模型描述并用Matlab做階躍響應(yīng)仿真，通過(guò)仿真曲線和歷史趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者趨勢(shì)基本一致，這驗(yàn)證了所建機(jī)理模型的準(zhǔn)確性與合理性。

［1］岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論、設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［2］魯佳易.大型循環(huán)流化床鍋爐物料平衡與熱平衡研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［3］黃博南.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2008.

［4］張軒，常太華.大型循環(huán)流化床鍋爐床溫動(dòng)態(tài)模型的研究［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（2）：88-92.

［5］周星龍，謝建文，高勝斌，等.330 MW CFB鍋爐爐膛壁面顆粒流率分布測(cè)量［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2014，34（10）：753-758.

［6］田晨.爐膛結(jié)構(gòu)對(duì)循環(huán)流化床氣固流動(dòng)特性影響的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

［7］ZHOU W，ZHAO C S，DUAN L B，et al.Two-dimensional computational fluid dynamics simulation of coal combustion in a circulatingfluidizedbedcombustor［J］.ChemicalEngineeringJournal，2011，166（1）：306-314.

［8］段翠九.煤的循環(huán)流化床富氧燃燒及排放特性研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2012.

［9］KULASEKARAN S，LINJEWILE TM，AGARRWAL PK.Mathematical modeling of fluidized bed combustion 3.Simultaneous combustion of char and combustile gases［J］.Fuel，1999，78（4）：403-417.

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Study on Model of in Circulating Fluidized Bed Boiler Combustion System

ZHANG Yue，LIU Yunfei，YUAN Yiding
（Hebei Engineering Research Center of Simulation&Optimized Control for Power Generation（North China Electric Power University），Baoding 071003，China）

In this paper，the material balance，oxygen volume balance and energy balance in the fluidized bed boiler are described with mathematical model based on the cell model with the three selected reference objects of bed temperature，flue gas oxygen content and residual carbon.The step response simulation is conducted with Matlab.By comparing the simulation curve with the historical trend，it is found that the trend is basically consistent，which verifies the accuracy and rationality of the mechanism model.

circulating fluidized bed boiler；mechanism modeling；bed temperature

TP273.1

A

1007－9904（2017）01－0054－04

2016-12-15

張 悅（1980），男，博士，碩士生導(dǎo)師，從事循環(huán)流化床鍋爐建模與優(yōu)化控制研究；

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（MD2014－03－06－02）；國(guó)家自然科學(xué)基金（71471060）

劉云飛（1992），男，碩士研究生，從事循環(huán)流化床機(jī)組建模與仿真研究；

袁一?。?993），男，碩士研究生，從事火電機(jī)組軟件設(shè)計(jì)與研發(fā)。