循環(huán)流化床鍋爐燃燒工況考評分析

孔垂茂，趙 斌，王 雨，王松嶺，路曉雯，邢 通

0 引言

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性好、燃燒效率高、污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到大力提倡、應(yīng)用與迅速發(fā)展。為提升CFB 鍋爐運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)水平，大量專家學(xué)者及工程技術(shù)人員進(jìn)行了理論研究與實(shí)踐探索。2004 年閻維平等提出了基于穩(wěn)態(tài)平衡的CFB 鍋爐密相區(qū)燃燒動態(tài)特性的數(shù)學(xué)算法，方便合理地考慮了原煤溫升造成的物理及化學(xué)反映遲滯，得出了給煤擾動工況下床溫的變化規(guī)律［1］。王超等利用Fluent 軟件對超超臨界CFB 鍋爐爐膛內(nèi)部氣固兩相流場進(jìn)行的數(shù)值模擬，得到了燃料顆粒在爐膛內(nèi)的分布規(guī)律［2］;徐志等在考慮了寬篩分燃料顆粒所經(jīng)歷的破碎、燃燒等過程基礎(chǔ)上，對300 MW 級CFB 鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了模擬并得到與測量值基本一致的結(jié)果［3］;張小輝等則通過對煤種、配風(fēng)和床溫等燃燒參數(shù)進(jìn)行分析并優(yōu)化控制，提高了CFB 鍋爐的運(yùn)行效率［4］;梁占偉等則針對CFB 鍋爐燃燒系統(tǒng)參數(shù)耦合特性進(jìn)行分析，得出了升負(fù)荷過程中各參數(shù)的耦合關(guān)系［5］;黃治坤等分析了風(fēng)量、床溫等參數(shù)對CFB 鍋爐運(yùn)行的影響，分析了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并優(yōu)化，降低了飛灰含碳量并提高了鍋爐熱效率［6］。本文針對CFB 鍋爐各運(yùn)行負(fù)荷參數(shù)，基于多項(xiàng)式解耦方法對燃燒控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，實(shí)時調(diào)整爐內(nèi)的燃燒狀況。

1 東方電廠CFB 鍋爐燃燒系統(tǒng)

東方電廠裝有2 臺上海鍋爐有限公司引進(jìn)ALSTOM 公司先進(jìn)技術(shù)設(shè)計和制造的SG －490/13.8 －M572 型超高壓參數(shù)、一次中間再熱、單鍋筒、自然循環(huán)CFB 鍋爐。鍋爐采用水冷布風(fēng)板、高溫絕熱旋風(fēng)分離器和自平衡“U”型返料器。鍋爐為全鋼架支吊結(jié)合的固定方式，半露天布置，平衡通風(fēng)，床上啟動，運(yùn)行時燃燒室處于正壓工況，固態(tài)機(jī)械除渣及氣力除灰。鍋爐采用兩級破碎技術(shù)，合格粒度的燃煤進(jìn)入爐前大煤斗，經(jīng)4臺帶式給煤機(jī)將煤粒送至落煤管上方，由播煤風(fēng)將落下的煤粒均勻地吹入爐膛里。由一次風(fēng)機(jī)送入的冷空氣經(jīng)暖風(fēng)器、空氣預(yù)熱器加熱后，第一路進(jìn)入爐膛底部水冷風(fēng)室，第二路從水冷風(fēng)室前引出一支風(fēng)道至爐前，該風(fēng)道分為4 根支管至落煤管以供應(yīng)播煤風(fēng)，第三路從一次風(fēng)機(jī)出口后的冷風(fēng)道上引出一股高壓冷風(fēng)作為爐前落煤管和給煤機(jī)的密封風(fēng)。二次風(fēng)經(jīng)暖風(fēng)器、空氣預(yù)熱器加熱后引至爐前的二次風(fēng)箱，再引出若干根支管分兩層從爐膛前后墻、密相區(qū)的上部進(jìn)入爐膛燃燒室助燃。

鍋爐整體呈左右對稱布置，鍋爐鋼架左右兩側(cè)布置副跨，副跨內(nèi)布置平臺通道、省煤器進(jìn)口管道、主蒸汽管道、再熱器進(jìn)口管道及再熱器出口管道;在尾部煙道包覆墻中間設(shè)置隔墻包覆過熱器，將尾部煙道分隔成前后兩個煙道，在前煙道內(nèi)布置再熱器，后煙道內(nèi)按煙氣流向依次布置高溫過熱器和二級省煤器;再熱器和二級省煤器出口設(shè)置煙氣調(diào)溫?fù)醢?，通過調(diào)節(jié)擋板開度改變流經(jīng)再熱器的煙氣量，從而控制再熱蒸汽出口溫度。燃燒系統(tǒng)流程如圖1 所示，燃料特性如表1 所示。

圖1 CFB 鍋爐燃燒系統(tǒng)流程Fig．1 CFB boiler combustion system diagram

表1 燃料特性Tab．1 Fuel characteristics

2 燃燒參數(shù)耦合及控制策略

CFB 鍋爐燃燒控制主要包括鍋爐負(fù)荷控制、燃料量控制和床溫控制等。其控制參數(shù)主要包括給煤量、床溫、床壓、煙氣含氧量、爐膛出口煙溫、一次風(fēng)量和二次風(fēng)量等。

2.1 變量參數(shù)耦合

床溫是保證爐膛內(nèi)安全穩(wěn)定燃燒的必要條件之一，提高床溫有利于縮短煤顆粒的燃燼時間。由于CFB 鍋爐需維持穩(wěn)定的流態(tài)化和滿足爐內(nèi)干法脫硫工藝的要求，可適當(dāng)控制床溫高于額定負(fù)荷時鍋爐床層溫度，CFB 鍋爐床溫界限應(yīng)控制在最佳脫硫溫度850 ～970 ℃范圍內(nèi)。

一次風(fēng)的作用是調(diào)整燃燒室內(nèi)物料流化狀態(tài)，從而影響物料濃度分布，因此，一次風(fēng)量是調(diào)整床溫、料層差壓、燃燒室內(nèi)溫度分布及返料量的主要手段。二次風(fēng)的作用是加強(qiáng)燃燒室內(nèi)燃燒介質(zhì)的擾動，補(bǔ)充氧量，平衡總風(fēng)量。

2.2 燃燒控制策略

東方電廠CFB 鍋爐的燃料采用原煤與煤矸石混合燃料，該燃料具有較低的含硫量且灰分軟化溫度低，可以適當(dāng)提高CFB 鍋爐運(yùn)行床溫以提高燃燒效率。但煤矸石燃燒相對困難，盡量減少過大、過小顆粒的份額，控制好入爐煤的顆粒度和質(zhì)量是必要的。CFB 鍋爐運(yùn)行調(diào)整關(guān)鍵在于保證其物料循環(huán)與正常流化基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)燃燒工況，維持熱平衡和灰平衡，以達(dá)到提高燃燒效率的目的。

控制適宜的風(fēng)量和一、二次風(fēng)的配比，及時調(diào)整引風(fēng)量并保持風(fēng)壓平衡對于CFB 鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行十分關(guān)鍵。滿負(fù)荷正常運(yùn)行時，一、二次風(fēng)配比約為6∶4，燃用煤質(zhì)較差的煤或高負(fù)荷運(yùn)行時，二次風(fēng)的配比可適當(dāng)加大。二次風(fēng)率降低時，稀相區(qū)與密相區(qū)分界線上移，床溫升高，而增加返料量可以起到降低床溫的作用。另外，配風(fēng)比例應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，一次風(fēng)的下限應(yīng)足以維持床層流化，上限應(yīng)保證二次風(fēng)具有壓制火焰并控制NOx排放量，同時注意控制合理的出口煙溫和飛灰含碳量。低負(fù)荷運(yùn)行時，適當(dāng)提高過量空氣系數(shù)，可以有效地維持爐膛內(nèi)的流化燃燒，推遲壓火或投油助燃的時間。

3 運(yùn)行參數(shù)解耦與優(yōu)化

通過對東方電廠CFB 鍋爐負(fù)荷、床層溫度、煙氣含氧量、爐膛出口煙溫、一、二次風(fēng)配比等運(yùn)行參數(shù)及復(fù)合參數(shù)單位負(fù)荷風(fēng)量的分析，建立鍋爐熱效率計算模型和控制參數(shù)多項(xiàng)式耦合模型。根據(jù)熱效率模型篩選出變負(fù)荷燃燒工況中效率較高的控制參數(shù)方案，再利用多項(xiàng)式模型耦合分析得出優(yōu)化曲線，以此指導(dǎo)東方電廠CFB 鍋爐的運(yùn)行參數(shù)調(diào)整。

3.1 熱效率計算模型

計算鍋爐機(jī)組熱效率的方法分為正平衡法和反平衡法兩種。其中反平衡法需要首先確定輸入鍋爐的熱量和各項(xiàng)損失，最終得到鍋爐機(jī)組熱效率;而正平衡法則僅需確定輸入鍋爐的熱量和有效利用熱，即可得到鍋爐機(jī)組熱效率。

(1)正平衡

鍋爐有效利用熱:

式中:D1為主蒸汽流量，kg/h;D2為再熱蒸汽流量，D2= 0.8 ～0.85D1，kg/h;hzq為主蒸汽焓，kJ/kg;hgs為給水焓，kJ/kg;hzc為再熱器出口蒸汽焓，kJ/kg;hzr為再熱器入口蒸汽焓，kJ/kg。

鍋爐熱效率:

式中:η 為熱效率，%;B 為給煤量，t/h;Qnet．a(chǎn)r為收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

(2)反平衡

鍋爐熱效率:

式中:q2為排煙熱損失，%;q3為化學(xué)未完全燃燒熱損失，%;q4為機(jī)械未完全燃燒熱損失，%;q5為散熱損失，%;q6為灰渣物理熱損失，%。

3.2 多項(xiàng)式優(yōu)化模型

針對循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)解耦困難問題，采用多項(xiàng)式擬合公式建模［7］。首先采集篩選CFB鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)，選取其中熱效率較高的數(shù)據(jù)作為參考目標(biāo)值。其次，根據(jù)篩選后的運(yùn)行參數(shù)，繪制鍋爐負(fù)荷與平均床溫、一、二次風(fēng)配比等參數(shù)的多項(xiàng)式特性曲線，并得出其解析式。最后，通過調(diào)整多項(xiàng)式最高次項(xiàng)的指數(shù)，對建立的多項(xiàng)式模型進(jìn)行修正。燃燒調(diào)整各參數(shù)解析關(guān)聯(lián)式模型如下:

機(jī)組負(fù)荷與給煤量為

機(jī)組負(fù)荷與平均床溫為

機(jī)組負(fù)荷與鍋爐煙氣含氧量為

機(jī)組負(fù)荷與一、二次風(fēng)配比為

單位負(fù)荷風(fēng)量G 是文獻(xiàn)［7］為估算CFB 鍋爐一次風(fēng)量和二次風(fēng)量的重要中間參數(shù)，滿足關(guān)系式G = Vk/P。機(jī)組負(fù)荷與單位負(fù)荷風(fēng)量關(guān)系式為

機(jī)組負(fù)荷與爐膛出口煙溫為

式中:P 為機(jī)組負(fù)荷，MW;B 為給煤量，t/h;T為平均床溫，℃;R 為鍋爐出口煙氣含氧量，%;Y為一、二次風(fēng)配比;G 為單位負(fù)荷風(fēng)量，kNm3·(h·MW)－1;為爐膛出口煙溫，℃。

3.3 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

(1)程序驗(yàn)證

基于數(shù)學(xué)模型及參數(shù)控制方案，獲得變工況多組高效運(yùn)行數(shù)據(jù)，擬合多項(xiàng)式曲線，求得模型中的未知系數(shù)(ai～fi)并編制程序，考評程序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可實(shí)時更新。在對隨機(jī)采集或預(yù)期運(yùn)行參數(shù)考評時，首先輸入程序?qū)υ捒蜃笊辖歉鲗?yīng)的現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，計算得出相應(yīng)負(fù)荷下的理論值;然后依次點(diǎn)擊“繪圖”、 “工況點(diǎn)”對應(yīng)的按鈕，生成理論運(yùn)行數(shù)據(jù)模型的圖線和對應(yīng)考核工況的理論參數(shù)，并與機(jī)組實(shí)際控制參數(shù)進(jìn)行對比。鍋爐在133.8 MW 負(fù)荷下，考評程序計算結(jié)果如圖2 所示。

從程序的界面顯示中，可以清晰地觀察到相應(yīng)考核工況下的給煤量、平均床溫和爐膛出口煙溫等控制參數(shù)。分析圖2，還可以得出CFB 鍋爐機(jī)組變負(fù)荷所需調(diào)整參數(shù)的變化趨勢和變化幅度，結(jié)合升降負(fù)荷的特點(diǎn)，對制定高效節(jié)能的升降負(fù)荷方案有一定的指導(dǎo)。CFB 鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行時，個別理論參數(shù)與實(shí)際控制參數(shù)會出現(xiàn)一些合理的誤差，例如，升負(fù)荷過程中給煤量偏低和一、二次風(fēng)配比偏低等。而誤差過大會影響CFB 鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，甚至導(dǎo)致停爐、停機(jī)事故的發(fā)生。

圖2 程序計算結(jié)果Fig．2 Calculation results

(2)考評分析

根據(jù)CFB 鍋爐機(jī)組133.8 MW 運(yùn)行工況的參數(shù)值及計算值，進(jìn)行鍋爐燃燒工況考核，相關(guān)數(shù)據(jù)及誤差分析見表2。在鍋爐機(jī)組負(fù)荷為133.8 MW 時，程序計算結(jié)果與鍋爐運(yùn)行參數(shù)的誤差在10%以內(nèi)，可滿足生產(chǎn)要求。

表2 程序計算結(jié)果與運(yùn)行參數(shù)對比Tab．2 Comparison of calculation results and operation parameters

從圖2 及表2 考評分析中可知，給煤量和煙氣含氧量等參數(shù)的誤差較大。CFB 鍋爐采用微機(jī)皮帶秤在線測量給煤量，是導(dǎo)致給煤量誤差大的主要原因，另CFB 鍋爐運(yùn)行的遲滯性導(dǎo)致給煤數(shù)據(jù)與燃燒參數(shù)不匹配也是重要原因之一。而CFB鍋爐運(yùn)行中豎井煙道及管式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)是導(dǎo)致爐膛出口煙氣含氧量偏高的主要原因。鍋爐運(yùn)行中，適當(dāng)降低一、二次風(fēng)配比，可以增強(qiáng)二次風(fēng)的穿透力，降低未完全燃燒熱損失，在鍋爐變工況燃燒調(diào)整中尤為重要，但偏差太大仍會導(dǎo)致爐膛總體溫度水平偏低，進(jìn)而降低鍋爐運(yùn)行效率。

因此，應(yīng)對工作環(huán)境較惡劣的在線測量設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，提高其測量精度。對于鍋爐變負(fù)荷過程中的風(fēng)量控制，需進(jìn)行分段高精度調(diào)節(jié)。降負(fù)荷過程中，先適當(dāng)降低給煤量，然后適當(dāng)增大一次風(fēng)量并降低二次風(fēng)量，進(jìn)行多次精細(xì)調(diào)節(jié)，直到控制參數(shù)較優(yōu);同理，在升負(fù)荷過程中，先適當(dāng)增加二次風(fēng)量，然后增加給煤量，再適當(dāng)增加一次風(fēng)量?；诔绦蛴嬎憬Y(jié)果，控制燃料各變量參數(shù)誤差允許范圍內(nèi)，使鍋爐各負(fù)荷燃燒工況調(diào)優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)針對CFB 鍋爐控制參數(shù)解耦困難，利用熱效率計算模型篩選東方電廠490 t/hCFB 鍋爐運(yùn)行參數(shù)，并采用多項(xiàng)式解耦方法，建立了機(jī)組負(fù)荷與CFB 鍋爐主要運(yùn)行控制參數(shù)的關(guān)系特性模型。應(yīng)用程序分析控制參數(shù)的優(yōu)劣和估計某運(yùn)行工況下的最佳控制參數(shù)，實(shí)時調(diào)整變工況的燃燒狀態(tài)。

(2)由于程序采用的多項(xiàng)式建模方法及程序語言都具有通用性，可應(yīng)用此考評方法，得到其他等級CFB 鍋爐機(jī)組的運(yùn)行考評程序，對推進(jìn)CFB 鍋爐燃燒系統(tǒng)自動控制的工業(yè)化具有一定的積極影響。

［1］閻維平，殷立寶，于希寧，等．循環(huán)流化床燃煤鍋爐爐內(nèi)密相區(qū)動態(tài)特性改進(jìn)模型［J］．電力科學(xué)與工程，2004，(2):4-8．Yan Weiping，Yin Libao，Yu Xining，et al．Improvements on dynamic combustion model of dense-phase zone in circulating fluidlized bed boiler furnace ［J］．Electric Power Science and Engineering，2004，(2):4-8 ．

［2］王超，程樂鳴，周星龍，等．600 MW 超臨界循環(huán)流化床鍋爐爐膛氣固流場的數(shù)值模擬［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31 (14):1-7．Wang Chao，Cheng Leming，Zhou Xinglong，et al．Numerical simulation of gas-solid hydrodynamics in a 600 MW supercritical circulating fluidized bed boiler furnace ［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31 (14):1-7 ．

［3］徐志，楊勤輝，駱仲泱，等．大型循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)數(shù)值模擬［J］．工程熱物理學(xué)報，2011，32 (4):711-714．Xu Zhi，Yang Qinhui，Luo Zhongyang，et al．Modeling on the combustion system of large-scale circulating fluidized bed boiler ［J］．Journal Engineering Thermophysics，2011，32 (4):711-714 ．

［4］張小輝，劉柏謙，劉棟，等．煤種對循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行特性影響的研究［J］．鍋爐技術(shù)，2011，42 (2):29-31．Zhang Xiaohui，Liu Boqian，Liu Dong，et al．Study on performance of circulating fluidized bed boiler by using different rank coals ［J］．Boiler Technology，2011，42 (2):29-31．

［5］梁占偉，趙斌，陳鴻偉，等．CFB 鍋爐燃燒調(diào)整參量耦合特性研究［J］．電站系統(tǒng)工程，2010，26 (3):23-25，27．Liang Zhanwei，Zhao Bin，Chen Hongwei，et al．Study on parameters coupling characteristics of combustion regulation for CFB boiler ［J］．Power System Engineering，2010，26(3):23-25，27．

［6］黃治坤，李永華，韓亮，等．220 t/h 循環(huán)流化床鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整［J］．電力科學(xué)與工程，2011，27 (5):35-38．Huang Zhikun，Li Yonghua，Han Liang，et al．Combustion optimizing adjustment of 220 t/h CFB boiler［J］．Electric Power Science and Engineering，2011，27 (5):35-38．

［7］孔垂茂，趙斌，王松嶺，等．循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系特性分析［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報，2011，38(3):78-82．Kong Chuimao，Zhao Bin，Wang Songling，et al．Study on parameters coupling characteristics of combustion regulation circulating fluidized bed boiler ［J］．Journal of North China Electric Power University，2011，38 (3):78-82．