大型循環(huán)流化床鍋爐床溫動(dòng)態(tài)模型的研究

張 軒， 常太華

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，工業(yè)過程測(cè)控新技術(shù)與系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

循環(huán)流化床鍋爐（CFBB）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種燃燒效率高、污染少、燃料適應(yīng)性廣的新型清潔煤粉燃燒設(shè)備.

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于循環(huán)流化床鍋爐床溫動(dòng)態(tài)模型的研究［1－5］很多，在借鑒前人模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合300MW循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)，筆者將循環(huán)流化床鍋爐分為稀相區(qū)、密相區(qū)、旋風(fēng)分離器和外置床4部分，針對(duì)各部分分別建立氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程、動(dòng)態(tài)床料量平衡方程、動(dòng)態(tài)殘?zhí)剂科胶夥匠毯蛣?dòng)態(tài)能量平衡方程，給出了輸入變量為給煤量、一次風(fēng)風(fēng)量、二次風(fēng)風(fēng)量和排渣量的動(dòng)態(tài)模型.

1 模型的建立

超臨界循環(huán)流化床鍋爐通常由爐膛、旋風(fēng)分離器、返料倉(cāng)和外置床4部分組成，如圖1所示.其中，燃燒過程主要集中在爐膛內(nèi)，然而由旋風(fēng)分離器進(jìn)、出口煙氣溫度的分析可知，旋風(fēng)分離器中也存在一定的燃燒份額［6］.外置床是一個(gè)外置換熱器，起調(diào)節(jié)床溫的作用.針對(duì)爐膛內(nèi)燃燒的動(dòng)態(tài)模型，佘文武等將循環(huán)流化床鍋爐分為稀相區(qū)和密相區(qū)2部分，分別建立氧量平衡過程、動(dòng)態(tài)物料量平衡過程、殘?zhí)嫉膭?dòng)態(tài)蓄積過程、動(dòng)態(tài)能量蓄積過程和顆粒能量的動(dòng)態(tài)過程［7］.筆者忽略碳反應(yīng)速率與焦炭顆粒表面溫度的耦合關(guān)系，采用文獻(xiàn)［8］中的模型計(jì)算碳顆粒燃燒速率，并進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化.

圖1 循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of the CFBB

1.1 模型仿真對(duì)象

以四川白馬電廠300MW循環(huán)流化床鍋爐為仿真對(duì)象，該鍋爐采用引進(jìn)的Alstom技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)的亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐，鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)［9］和煤質(zhì)分析結(jié)果分別如表1和表2所示.

1.2 模型中的假設(shè)

根據(jù)300MW循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化假設(shè)：（1）鍋爐與外界完全隔熱且無(wú)漏風(fēng)；（2）各區(qū)內(nèi)碳燃燒的產(chǎn)物只有CO2；（3）忽略石灰石的反應(yīng)；（4）忽略密相區(qū)和稀相區(qū)交界面上顆粒的返混；（5）認(rèn)為殘?zhí)季鶆蚍植加诖擦现?；?）認(rèn)為揮發(fā)分按一定比例在稀相區(qū)和密相區(qū)析出，且之后立即燃燒；（7）忽略密相區(qū)和稀相區(qū)交界面上輻射能量的交換；（8）忽略耐火層和受熱管壁本身的吸熱.

表1 鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Major design parameters of the boiler

表2 煤質(zhì)分析Tab.2 Analysis of coal quality

1.3 流化床鍋爐爐膛的動(dòng)態(tài)模型

1.3.1 氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程

氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程包括密相區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程和稀相區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程.

（a）密相區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程

（b）稀相區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)平衡方程

相比于床料量和殘?zhí)剂康膭?dòng)態(tài)平衡過程，流化床爐膛內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)平衡過程非常快，可以認(rèn)為這一過程是在瞬間完成的，則有

式（1）和式（2）可改寫為

爐膛內(nèi)碳顆粒的燃燒速度與其直徑及周圍氧氣的濃度有關(guān)，在宏觀上爐膛內(nèi)碳的總消耗量與碳顆粒的密度分布及氣體的流化速度有關(guān).宏觀統(tǒng)計(jì)表達(dá)式［8］如下：

式（1）～（7）中：φ1（O2）和φ2（O2）分別為密相區(qū)和稀相區(qū)中氧氣的體積分?jǐn)?shù)；φ0（O2）為空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)；Fg1為一次風(fēng)風(fēng)量；Fg2為二次風(fēng)風(fēng)量；Fg3為流化風(fēng)風(fēng)量；UC1，O2和UC2，O2分別為密相區(qū)和稀相區(qū)內(nèi)碳燃燒消耗的氧氣量；UV1，O2和UV2，O2分別為密相區(qū)和稀相區(qū)內(nèi)揮發(fā)分燃燒消耗的氧氣量；Fout1為密相區(qū)流向稀相區(qū)煙氣中的含氧量；Fout2為稀相區(qū)出口煙氣的含氧量；hB和hS分別為流化床密相區(qū)和稀相區(qū)的高度；VB和VS分別為流化床密相區(qū)和稀相區(qū)的體積；KC1和KC2分別為流化床密相區(qū)和稀相區(qū)內(nèi)碳燃燒的反應(yīng)速度；vO1和vO2分別為流化床密相區(qū)的流化速度和稀相區(qū)煙氣的上升速度.

1.3.2 床料質(zhì)量平衡方程

循環(huán)流化床鍋爐存在灰渣進(jìn)、出的總體平衡，即灰渣被煤粉和石灰石帶入爐膛后，一部分作為排渣和飛灰被帶出爐膛，而絕大部分則由旋風(fēng)分離器收集后經(jīng)返料裝置送回爐膛進(jìn)行循環(huán)燃燒，這也是循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高的主要原因.

床料的循環(huán)流動(dòng)實(shí)質(zhì)上是傳遞質(zhì)量和能量及再分配鍋爐內(nèi)熱量的過程，改變鍋爐各受熱面的吸熱負(fù)荷和各區(qū)的燃燒份額都會(huì)影響脫硫效果和鍋爐的磨損程度.

密相區(qū)床料的質(zhì)量平衡方程

稀相區(qū)床料的質(zhì)量平衡方程

式（8）～式（9）中：mB1和mB2分別為密相區(qū)和稀相區(qū)的床料量；FC為給煤量；Fd為排渣量；FU1為離開流化床密相區(qū)進(jìn)入稀相區(qū)的床料量；FU2為爐膛出口的床料量；MC為碳的相對(duì)分子質(zhì)量；w1為密相區(qū)揮發(fā)分的燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wCH為給煤中揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；FCC為循環(huán)物料量，由熱灰和冷灰的物料量組成.

1.3.3 殘?zhí)假|(zhì)量平衡方程

與普通煤粉爐相比，循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程的最大特點(diǎn)是送入爐膛的煤粉能夠進(jìn)行循環(huán)燃燒.對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，燃燒釋放熱量的主要來(lái)源并不是瞬時(shí)加入的給煤，而是鍋爐循環(huán)灰中大量未燃盡的殘?zhí)?因此，殘?zhí)嫉膭?dòng)態(tài)特性對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐床溫的動(dòng)態(tài)特性有著至關(guān)重要的影響.

密相區(qū)殘?zhí)嫉馁|(zhì)量平衡方程

稀相區(qū)殘?zhí)嫉馁|(zhì)量平衡方程

式（11）～式（12）中：mC1和mC2分別為密相區(qū)和稀相區(qū)殘?zhí)嫉馁|(zhì)量；wC為給煤中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.3.4 能量平衡方程

在宏觀上，各區(qū)的床溫因受到碳的燃燒、進(jìn)入相區(qū)內(nèi)固體和氣體的溫度及各受熱面吸熱的影響而變化.由于循環(huán)流化床鍋爐的床料量較多，床溫不易受到外界干擾的影響，而與床料相比，煙氣與耐火材料的熱量可以忽略不計(jì)，因此在建模中進(jìn)行了簡(jiǎn)化.

密相區(qū)的能量平衡方程

稀相區(qū)的能量平衡方程

式（13）～式（14）中：TB1和TB2分別為密相區(qū)和稀相區(qū)的床溫；cp，U、cp，C、cp，A和cp，g分別為床料、給煤、空氣和煙氣的比定壓熱容；TCI為給煤初溫；TAI為給風(fēng)初溫；QC為碳的熱值；QCH為揮發(fā)分的熱值；QFCC為循環(huán)物料帶入爐膛的熱量；QFg3為流化風(fēng)帶入爐膛的熱量；QWCW為水冷壁的吸熱量；Fgcc為爐膛出口煙氣量，可近似為

1.4 流化床鍋爐旋風(fēng)分離器的動(dòng)態(tài)模型

在旋風(fēng)分離器中，由于氣體流動(dòng)過程較為復(fù)雜，很難求取vO1、vO2與臨界流化速度vmj，因此引入旋風(fēng)分離器燃燒份額η來(lái)表示分離器內(nèi)碳的消耗量.

在循環(huán)流化床的運(yùn)行過程中，旋風(fēng)分離器起分離床料和煙氣的作用.假設(shè)在某一時(shí)刻，旋風(fēng)分離器內(nèi)的床料質(zhì)量為mB3，這部分床料被分為3部分，一部分作為循環(huán)灰進(jìn)入回料裝置，一部分作為飛灰隨煙氣排出，剩余部分在分離器內(nèi)進(jìn)行燃燒被消耗掉，而且燃燒在瞬間完成，下一時(shí)刻的床料量由從密相區(qū)到稀相區(qū)的床料量進(jìn)行補(bǔ)充.以旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象，建立物料量平衡方程

式中：mfh為飛灰質(zhì)量.

令FCC＝αmB3，其中α為旋風(fēng)分離器的分離效率，可得

床料質(zhì)量平衡方程

殘?zhí)假|(zhì)量平衡方程

能量平衡方程

式（16）～（20）中：TB3為旋風(fēng)分離器內(nèi)床料的溫度；mB3和mC3分別為床料和殘?zhí)嫉馁|(zhì)量.

1.5 流化床鍋爐外置床的動(dòng)態(tài)模型

隨著鍋爐容量的增大和參數(shù)的提高，爐內(nèi)需要更多的過熱和再熱受熱面，但是在爐內(nèi)布置大量的受熱面會(huì)增加磨損風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)于大容量循環(huán)流化床鍋爐，外置床必不可少［10－11］.

外置床作為外置換熱器，能使分離器分離出來(lái)的物料部分或全部通過其內(nèi)部布置的受熱面，從而達(dá)到通過改變循環(huán)灰的溫度來(lái)調(diào)節(jié)床溫的目的.對(duì)于物料而言，外置床是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，僅存在能量的交換，所以在建模中只需考慮能量平衡方程：

式中：TCC為外置床出口溫度；Gi為各換熱器工質(zhì)流量；Δhi為各換熱器工質(zhì)焓差；Tflu為流化風(fēng)初溫.

2 求解及仿真

聯(lián)合上述稀相區(qū)、密相區(qū)、旋風(fēng)分離器和外置床各平衡方程，便構(gòu)成了循環(huán)流化床鍋爐床溫模型的微分方程組.該模型以給煤量、一次風(fēng)風(fēng)量、二次風(fēng)風(fēng)量、排渣量和飛灰量作為輸入，以床料質(zhì)量、殘?zhí)假|(zhì)量和床溫作為輸出.為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，筆者基于四川白馬電廠300MW循環(huán)流化床鍋爐的參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件對(duì)該微分方程組進(jìn)行求解和仿真.

（1）連續(xù)脈沖動(dòng)態(tài)仿真

通過連續(xù)階躍脈沖動(dòng)態(tài)仿真可以觀察到給煤量和一次風(fēng)風(fēng)量單獨(dú)發(fā)生變化時(shí)各個(gè)區(qū)域溫度的響應(yīng)情況.

一次風(fēng)風(fēng)量階躍擾動(dòng)下床溫的響應(yīng)情況如圖2所示.當(dāng)一次風(fēng)風(fēng)量從t＝100s開始增加時(shí)，密相區(qū)的溫度呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)風(fēng)量的增加使得密相區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)瞬間升高，燃燒變得劇烈，床溫急劇上升，然而給煤量并沒有隨一次風(fēng)風(fēng)量的增加而增大，之后燃燒速率會(huì)由于殘?zhí)嫉臏p少而減小，同時(shí)由于一次風(fēng)的初溫較低以及給風(fēng)量增加造成更多的熱量被煙氣帶走，因此床溫會(huì)下降，并穩(wěn)定在一個(gè)較低的溫度值.當(dāng)一次風(fēng)風(fēng)量階躍減少（t＝3 100s）時(shí)，床溫的變化情況與一次風(fēng)風(fēng)量階躍增加時(shí)的變化相反.當(dāng)一次風(fēng)風(fēng)量變?yōu)樵瓉?lái)的大?。╰＝6 100s）時(shí)，密相區(qū)的床溫也回到原來(lái)的溫度.

圖2 一次風(fēng)風(fēng)量階躍擾動(dòng)下床溫的響應(yīng)情況Fig.2 Bed temperature response under step disturbance of primary air flow

在給煤量階躍擾動(dòng)下，各個(gè)區(qū)域溫度變化較為平緩（見圖3）.當(dāng)給煤量階躍增加時(shí)，一方面密相區(qū)內(nèi)殘?zhí)假|(zhì)量在一定程度上有所增加，增大了燃燒速率，床溫升高；另一方面可以認(rèn)為煤中的揮發(fā)分在短時(shí)間內(nèi)迅速燃燒，釋放的熱量在很大程度上補(bǔ)償了由于給煤與床體之間的巨大溫差對(duì)床溫所造成的影響.因此床溫總體呈上升趨勢(shì).與之相對(duì)應(yīng)，當(dāng)給煤量減小時(shí)，床溫總體呈下降趨勢(shì).

稀相區(qū)和旋風(fēng)分離器受到密相區(qū)的影響，兩者的溫度變化趨勢(shì)與密相區(qū)基本一致.

圖3 給煤量階躍擾動(dòng)下床溫的響應(yīng)情況Fig.3 Bed temperature response under step disturbance of coal supply

（2）實(shí)時(shí)仿真

采集四川白馬電廠300MW循環(huán)流化床鍋爐一次變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將給煤量和風(fēng)量等輸入量帶入模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出，仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性.

3 結(jié) 論

圖4 密相區(qū)床溫的仿真結(jié)果以及與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較Fig.4 Comparison of bed temperature in dense phase region between simulated results and actual operation data

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)物質(zhì)與能量的流動(dòng)和傳遞過程，建立了循環(huán)流化床鍋爐床溫的動(dòng)態(tài)模型.結(jié)合大型循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到旋風(fēng)分離器內(nèi)的燃燒及外置床對(duì)床溫的影響，對(duì)模型進(jìn)行了擴(kuò)充，模型的仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性.

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