循環(huán)流化床機(jī)組床溫控制模型研究

劉浩，高飛，張宇

（1.武鄉(xiāng)西山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西長治046300；2.國網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，山西太原030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

循環(huán)流化床機(jī)組床溫控制模型研究

劉浩1，高飛2，張宇3

（1.武鄉(xiāng)西山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西長治046300；2.國網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，山西太原030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

闡述了循環(huán)流化床鍋爐的原理和床溫控制在循環(huán)流化床鍋爐控制的重要性，分析了影響床溫控制的各種因素及其原因，就影響床溫的兩個(gè)重要參數(shù)（給煤量和一次風(fēng)量）進(jìn)行了建模研究，并通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)，得出了給煤量-床溫和一次風(fēng)量-床溫兩個(gè)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)這兩個(gè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了其正確性。

循環(huán)流化床鍋爐；床溫控制；建模

0 引言

循環(huán)流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)燃燒技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。由于CFB鍋爐可以燃燒煤矸石、無煙煤等發(fā)熱量低、揮發(fā)分低、不易燃燒的劣質(zhì)煤種，已成為當(dāng)前國內(nèi)新建火力機(jī)組鍋爐采用的主要方式。

1 循環(huán)流化床CFB特性研究

1.1 結(jié)構(gòu)原理

CFB鍋爐在燃燒機(jī)理和結(jié)構(gòu)布置上與常規(guī)的懸浮燃燒鍋爐相比有很大的不同。從結(jié)構(gòu)上來說CFB鍋爐可分為兩個(gè)部分，第一部分由爐膛、布風(fēng)裝置（床體）、分離設(shè)備、固體物料再循環(huán)設(shè)備、外置換熱設(shè)備等組成，這些部件構(gòu)成CFB鍋爐的燃燒和物料循環(huán)回路。第二部分為煙氣對(duì)流部分，布置有過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，此部分與常規(guī)懸浮燃燒鍋爐比較接近。CFB鍋爐之所以具備上述優(yōu)點(diǎn)，主要在于其特殊的燃燒機(jī)理（以流態(tài)化形式燃燒），且比普通煤粉爐新增了固體物料再循環(huán)設(shè)備，從而大大降低了其對(duì)煤質(zhì)的要求。

1.2 控制特性

由于CFB鍋爐采用的是流態(tài)化的燃燒形式，而流態(tài)化是一個(gè)極為復(fù)雜的現(xiàn)象，尤其是氣固流態(tài)化。而對(duì)鍋爐流態(tài)化的影響因素很多，主要有氣體流動(dòng)速度、流化速度或空氣截面速度、固體顆粒特性密度、流體特性密度等[1]幾方面的因素。所以，流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)存在很強(qiáng)的非線性、時(shí)變、大時(shí)延、多變量緊密耦合等特性。

在CFB鍋爐的控制系統(tǒng)的眾多參數(shù)中，床溫的控制直接影響鍋爐能否安全連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)也對(duì)脫硫效率及NOx產(chǎn)生有很大的影響。在300MW的CFB鍋爐控制系統(tǒng)中（參考山西昱光發(fā)電有限責(zé)任公司），床溫大多控制在850℃左右，這個(gè)溫度是爐內(nèi)脫硫的最佳溫度，同時(shí)NOx的產(chǎn)生量也比較小。如果床溫過低，不但會(huì)使鍋爐效率下降，而且會(huì)造成鍋爐運(yùn)行的不穩(wěn)定，發(fā)生爆燃、滅火等危險(xiǎn)事故。而如果溫度過高則會(huì)使?fàn)t內(nèi)脫硫效率下降，NOx的產(chǎn)生量大大增加，造成爐膛料床結(jié)焦，使CFB鍋爐無法循環(huán)流化燃燒。若發(fā)生爐膛料床結(jié)焦的情況，則必須停爐。由此可見，床體溫度是極為重要的控制參數(shù)。

2 床溫控制模型分析

一般來說，鍋爐床溫的影響因素有很多，包括給煤量、一次風(fēng)量、料層厚度、煤質(zhì)、物料循環(huán)量等，另外，負(fù)荷的變化也會(huì)引起床溫的波動(dòng)，但在這些因素當(dāng)中，對(duì)床溫影響較大的是給煤量和一次風(fēng)量的波動(dòng)。因此，本文參考山西昱光發(fā)電有限責(zé)任公司運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)給煤量和一次風(fēng)量擾動(dòng)下鍋爐床溫響應(yīng)進(jìn)行了分析研究。

2.1 給煤量擾動(dòng)下的床溫響應(yīng)特性

在機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行過程中，加入給煤量波動(dòng)10 t/h，得到床溫的響應(yīng)情況如表1所示。

表1 床溫受擾響應(yīng)

響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 給煤量擾動(dòng)下床溫響應(yīng)

從圖1可知，給煤量是床溫響應(yīng)的一個(gè)重要影響參數(shù)。假設(shè)其他條件不變，流化床的床溫也會(huì)相應(yīng)地升高或降低，但是由于爐內(nèi)煤的燃燒有個(gè)預(yù)熱、加熱、燃燒的過程，爐內(nèi)床料的熱容量也很大。因此，給煤量的擾動(dòng)下，床溫的響應(yīng)變化會(huì)存在一定的滯后時(shí)間。因此，整個(gè)過程可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似等效，將滯后時(shí)間用純滯后環(huán)節(jié)表示，表達(dá)式近似為式（1）。

式中：Gtm（S）——給煤量擾動(dòng)下床溫的時(shí)域特性。

2.2 一次風(fēng)擾動(dòng)下床溫的響應(yīng)特性

循環(huán)流化床鍋爐的床溫與空氣量的變化成反比關(guān)系。當(dāng)增加爐內(nèi)的空氣量時(shí)，床層溫度降低，反之則上升。爐內(nèi)的空氣量主要是指一次風(fēng)和二次風(fēng)，一次風(fēng)從燃燒室的底部送入，而二次風(fēng)是從燃燒室的側(cè)面被送入，因此，一次風(fēng)和二次風(fēng)對(duì)流化床鍋爐內(nèi)的溫度影響是不同的。

一次風(fēng)的下限應(yīng)滿足能夠使床料在爐膛內(nèi)保持流化狀態(tài)，同時(shí)要提供燃料燃燒的部分氧氣，這樣才能產(chǎn)生充足的熱量來維持床溫在一定的溫度范圍內(nèi)（850～950℃）。一次風(fēng)對(duì)流化床鍋爐的床溫影響相對(duì)比較復(fù)雜，文獻(xiàn)[2]模擬計(jì)算了一次風(fēng)率分別為70%、60%和50%時(shí)的床溫分布曲線圖，如圖2所示。

圖2 一次風(fēng)率對(duì)床層溫度分布的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)一次風(fēng)率為70%時(shí)，爐膛密相區(qū)的溫度高于一次風(fēng)率為60%的密相區(qū)溫度，低于一次風(fēng)率為50%的密相區(qū)溫度，但是爐膛頂部的溫度卻隨著一次風(fēng)率的加大而下降。通過閱讀大量的相關(guān)文獻(xiàn)，可以將出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)為：密相區(qū)、稀相區(qū)的溫度分布與一次風(fēng)的關(guān)系和爐內(nèi)燃燒速度與床料的冷卻速度密切相關(guān)。當(dāng)一次風(fēng)增加，其氧量對(duì)爐內(nèi)床料的燃燒速度大于床料的冷卻作用時(shí)，爐膛密相區(qū)的溫度就會(huì)升高，反之則會(huì)降低。

二次風(fēng)從燃燒室的側(cè)面被送入，主要是為了降低空氣污染物的排放量，同時(shí)提供充足的氧氣使在稀相區(qū)燃燒不完全的燃料充分燃燒。它主要是對(duì)爐膛的出口溫度影響比較大，當(dāng)爐膛出口溫度太大時(shí)，容易造成爐膛內(nèi)部和離心分離器結(jié)焦。因此，主要是通過控制二次風(fēng)量來控制爐膛的出口溫度，這樣既提高了鍋爐的燃燒效率又保證了其安全可靠性。

綜上所述，一次風(fēng)量與床溫直接相關(guān)。一次風(fēng)擾動(dòng)下，床溫的實(shí)際響應(yīng)如表2所示。

一次風(fēng)擾動(dòng)下床溫響應(yīng)曲線表示見圖3。

表2 床溫受擾響應(yīng)

圖3 一次風(fēng)擾動(dòng)下床溫響應(yīng)

當(dāng)增加一次風(fēng)量的階躍擾動(dòng)時(shí)，鍋爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)速率加快，從而導(dǎo)致稀相區(qū)和密相區(qū)的含碳量減少。雖然與此同時(shí)爐膛內(nèi)碳燃燒所釋放的熱量會(huì)有所增加，但是從爐膛底部進(jìn)去的一次風(fēng)是冷風(fēng)，冷風(fēng)的氣流在爐膛內(nèi)不但會(huì)吸收熱量，而且也會(huì)從爐膛內(nèi)帶走部分熱量，這樣就會(huì)造成密相區(qū)和稀相區(qū)的溫度相應(yīng)程度地下降，導(dǎo)致循環(huán)流化床鍋爐的床溫逐漸降低。整個(gè)過程也會(huì)有一定的延遲時(shí)間。

表達(dá)式可近似為式（2）。式中：Gtv（S）——一次風(fēng)量擾動(dòng)下床溫的時(shí)域特性。

3 被控對(duì)象模型驗(yàn)證

在獲得了這兩種數(shù)學(xué)模型后，需用通過實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真效果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的正確與否。

3.1 給煤量-床溫模型

對(duì)式（1）疊加5 t/h煤量擾動(dòng)，得到的趨勢(shì)與實(shí)際的床溫響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，見圖4曲線所示。

從圖4中可以看出，在給煤量發(fā)生擾動(dòng)的情況下，式（1）所代表的給煤量-床溫模型與實(shí)際的床溫變化趨勢(shì)方向符合，在峰值上有＜1%的幅值偏差，證明該模型可以在實(shí)際的控制中使用。

圖4 給煤量-床溫模型比較圖

3.2 一次風(fēng)-床溫模型

對(duì)式（2）疊加10%的風(fēng)量擾動(dòng)，得到的趨勢(shì)與實(shí)際的床溫響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，見圖5曲線。

圖5 一次風(fēng)-床溫模型比較圖

從圖5中可以看出，在一次風(fēng)量發(fā)生擾動(dòng)的情況下，式（2）所代表的一次風(fēng)量-床溫模型與實(shí)際的床溫變化趨勢(shì)方向符合，且幅值變化的最大偏差＜1%，證明該模型可以在實(shí)際的控制中使用。

［1］岳中石.大型循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2009.

［2］王塑，黃琪.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)分析［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（3）：76-79.

M odeling on Bed Temperature Control System of Circulating Fluidized Bed Boiler

LIU Hao1，GAO Fei2，ZHANG Yu3
（1.W uxiang Xishan Power Generation Co.，Ltd.，Changzhi，Shanxi 046300,China；2.State Grid M etering Center of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China; 3.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Aboveall，the paper introduced theworkingprincipleofcirculating fluidized bed boiler,and then explained the importance ofbed temperature control system.The facts influencing the bed temperature control system are analyzed，andmodeling researcheswere doneon coal feedingquantity and primary air flow.On analysing the dateofa powerplantin Shanxi，themathematicmodelsofcoal feedingbed temperatureand primaryair flow-bed temperaturewerebuilt，and the correctnessof themodelswereconfirmed.

circulating fluidized bed boiler；bed temperature control；modeling

TK223.7；TK323

B

1671-0320（2014）02-0058-03

2013-12-02，

2014-01-12

劉浩（1980-），男，山西陽泉人，2004年畢業(yè)于山西大學(xué)工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事熱控專業(yè)工作；

高飛（1982-），男，山西交城人，2004年畢業(yè)于太原理工大學(xué)信息自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事電力計(jì)量工作；

張宇（1982-），男，山西河曲人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)控制工程專業(yè)，碩士，工程師，從事信息安全工作。