4 t/h燃煤工業(yè)鏈條爐模型及仿真調(diào)節(jié)

洪巧巧, 馬 舜, 趙 輝, 吳學(xué)成

(1. 浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點實驗室,浙江 杭州 310027;2. 杭州市特種設(shè)備檢測研究院,浙江 杭州 310000)

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4 t/h燃煤工業(yè)鏈條爐模型及仿真調(diào)節(jié)

洪巧巧1, 馬 舜2, 趙 輝2, 吳學(xué)成1

(1. 浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點實驗室,浙江 杭州 310027;2. 杭州市特種設(shè)備檢測研究院,浙江 杭州 310000)

為了選擇最優(yōu)的調(diào)節(jié)方式,實現(xiàn)鏈條爐在變工況條件下的高效、安全運行,開發(fā)VC平臺鏈條爐仿真軟件.以4 t/h燃煤工業(yè)鏈條爐為研究對象,基于能量、質(zhì)量守恒定律和傳熱理論建立數(shù)學(xué)模型,包括煤種模型、燃燒模型以及爐膛煙溫模型等11個子模型.利用模型分析典型工況條件下鏈條爐的運行參數(shù),模擬結(jié)果與鏈條爐熱力計算得到的數(shù)據(jù)基本吻合.預(yù)測負荷、煤種以及送風(fēng)方式變化后鍋爐的各種調(diào)節(jié)方式,得出的最優(yōu)調(diào)節(jié)方式與經(jīng)驗結(jié)果一致.該軟件已成功在仿真平臺上實現(xiàn)示范應(yīng)用,可以用于指導(dǎo)、培訓(xùn)和考察司爐人員的節(jié)能操作.

鏈條爐;仿真軟件；仿真調(diào)節(jié)

截至2011年,我國有各種容量的在用工業(yè)鍋爐61.06萬臺,其中燃煤工業(yè)鍋爐約52.7萬臺,占總量的86%左右[1].同年,工業(yè)鍋爐煤耗量達到了7.2億噸,占全國煤炭消費的21%,排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物分別為160.1、718.5和271.0萬噸,占工業(yè)總排放的16%～38%[1].為了有效減少以燃煤為主的工業(yè)鍋爐的污染物排放,緩解環(huán)境壓力,必須調(diào)整工業(yè)鍋爐的運行和管理水平.

我國工業(yè)鍋爐以鏈條爐為主,因其具有煤種適應(yīng)性強、運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟以及建設(shè)成本較低等優(yōu)點[2-4].但是,鏈條爐燃燒效率較低,實際平均運行效率在65%左右,仍有10%～15%的提高空間[4-9].低燃燒效率的原因之一是司爐人員操作水平低[7,10-12].據(jù)測試,在爐型、煤種、用氣等條件相同的情況下,操作水平的差異可使運行效率相差3%～10%[13]. 另外,鍋爐在改變工況時,采用不同的調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)順序,其能量利用效率、安全性以及穩(wěn)定性也存在區(qū)別.選擇合理的調(diào)節(jié)方式有利于鍋爐高效、安全地運行.本研究旨在建立鏈條爐模型,分析不同調(diào)節(jié)方式對鍋爐運行的影響,為司爐人員提供指導(dǎo).以4 t/h燃煤工業(yè)鏈條爐為對象,編寫鏈條爐運行仿真軟件,首先對典型工況下鍋爐運行參數(shù)進行計算,通過與熱力計算書的理論參數(shù)值比較,驗證模型的適用性；然后利用該模型分別對負荷變化、煤種變化以及送風(fēng)段調(diào)整等變工況條件下的不同調(diào)節(jié)方式進行比較,提供最優(yōu)調(diào)節(jié)方式；最后,將模擬軟件應(yīng)用于集成式培訓(xùn)示范平臺.

1 數(shù)學(xué)模型

對4 t/h燃煤工業(yè)鏈條爐進行建模仿真,工藝流程如圖1所示.燃煤工業(yè)鏈條爐同時進行著燃料燃燒、煙氣流動、傳熱過程和鍋內(nèi)過程.由于其復(fù)雜性,本研究采用模塊化建模,根據(jù)鍋爐的實際物理結(jié)構(gòu),將其分成11個子模型(如圖2所示),分別為煤種模型、燃燒模型(包括水分析出模型、揮發(fā)分析出燃燒模型、焦炭燃燒模型和灰分模型4個子模型)、爐膛煙溫模型、第一對流管束模型、第二對流管束模型、省煤器模型、鍋爐負壓模型以及汽包模型.煤種決定了煤在燃燒過程中依次經(jīng)歷的水分析出、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒、灰分遺留等過程,直接影響爐膛煙溫.煙氣在對流管束、省煤器等熱交換器中將熱量傳給水和蒸汽,并經(jīng)汽包分離,產(chǎn)生所需的蒸汽.

為了建立準確的數(shù)學(xué)模型,進行必要合理的假設(shè)和簡化處理：1) 每一模型內(nèi)的工質(zhì)溫度、密度相同；2) 將爐膛內(nèi)的水冷壁、前拱以及后拱均視為灰體；3) 進入爐膛的煤水分完全析出，揮發(fā)分完全析出并燃燒；4) 爐膛煙氣在流動過程中不計算流量的損失.

1.1 煤種模型

鏈條爐適應(yīng)的煤種廣泛,為保證模型的實用性和準確性,本研究建立煤種模型,考慮煤的成分、低位發(fā)熱量以及煤粒直徑等因素對運行的影響.

1.2 燃燒模型

在鏈條爐中,沿爐排長度方向的煤分階段燃燒,各階段所需的空氣量不同,燃燒速度不同[13].為了在模型中反映出這些特點,根據(jù)煤的燃燒過程將燃燒模型分成4個子模型(包括水分析出模型、揮發(fā)分析出燃燒模型、焦炭燃燒模型以及灰分模型),分別與4個風(fēng)室一一對應(yīng).燃燒模型的主要目的是計算出機械未完全燃燒的熱損失,并對爐膛出口煙溫進行校正.每個子模型建模方法相似,其中焦炭燃燒模型比較復(fù)雜.本研究重點介紹焦炭燃燒模型.該模型的主要目的是計算出經(jīng)過該模型后煤的能量、燃燒掉的煤的質(zhì)量等.利用迭代法,考慮焦炭的燃燒速率,根據(jù)質(zhì)量和能量守恒建立模型，模型簡圖如圖3所示.

圖1 燃煤工業(yè)鏈條爐的工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of coal industrial chain boiler

圖2 鏈條爐數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical models of chain boiler

圖3 焦炭燃燒模型：質(zhì)量守恒模型、能量守恒模型Fig.3 Coke combustion model：conservation of mass model and conservation of energy model

質(zhì)量平衡方程為

m0-m1=m2.

(1)

式中：m0為進入模型的煤的質(zhì)量;m1為燃燒掉的焦炭的質(zhì)量,m2為經(jīng)過模型后煤的質(zhì)量.

能量平衡方程為

Qc1-Qc0=Q1+Q2+Q3+Q4-Q5-Q6.

(2)

式中：Qc0為原來煤的能量,Qc1為經(jīng)過該模型后煤的能量,Q1為爐膛煙氣對煤的輻射,Q2為后拱對煤的輻射,Q3為水冷壁對煤的輻射,Q4為焦炭燃燒放熱,Q5為風(fēng)室進風(fēng)對煤的影響,Q6為煤的對外輻射.

此外,本研究在文獻[15]的基礎(chǔ)上,加入了單位體積床層的焦炭燃燒速度與煤閘門高度的關(guān)系.

1.3 爐膛煙溫模型

爐膛煙溫模型根據(jù)迭代法建立.先假設(shè)爐膛出口煙溫T″l,計算玻爾茲曼準則數(shù)B,進而計算得到無因次出口溫度Θ,從而求得計算爐膛出口煙溫T0.

(3)

式中：φ為保熱系數(shù),Bcal為計算燃料消耗量,Vcav為煙氣平均熱容量,δ0為絕對黑體輻射常數(shù),Sr為爐膛輻射受熱面積,Tadv為理論燃燒溫度.

(4)

式中：al為爐膛系統(tǒng)黑度,k=0.671 1,m=0.143,p=0.214 4[16-17].

Th=(Tjr+273)0.3(T0+273)0.7-273.

(5)

式中：Th為爐膛煙溫,Tjr為理論燃燒溫度.

1.4 鍋爐負壓模型

鍋爐負壓模型的建立相對獨立.鍋爐煙氣通道的總壓降是總流動阻力和總自生通風(fēng)力的差[18].爐膛負壓由下式確定：

(6)

1.5 汽包模型

汽包模型的目的是求得鍋爐蒸汽的溫度、壓力和水位變化.當(dāng)燃燒情況不同時,傳熱情況也不同,汽包內(nèi)蒸汽吸收的熱量發(fā)生相應(yīng)的變化.根據(jù)蒸汽焓值求得蒸汽溫度和壓力.

汽包水位的控制直接關(guān)系到鍋爐的安全性,反映了汽包內(nèi)鍋爐蒸汽負荷和給水量之間的質(zhì)量守恒關(guān)系[19].在典型狀況下,汽包的進口水量和出口蒸汽量均為4 t/h.當(dāng)負荷發(fā)生變化時,進口水量需要根據(jù)汽包蒸汽量做出相應(yīng)的調(diào)節(jié).由于調(diào)節(jié)需要一定的時間,調(diào)節(jié)過程會導(dǎo)致水位的變化.假設(shè)典型工況的水位為0, 則高于該水位時稱為汽包水位上升,低于該水位時稱為汽包水位下降.

在傳統(tǒng)的物理教學(xué)中，實驗多以教師“說實驗”的方式呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，一方面，教師考慮課時的安排，認為實驗操作太過于耗時，更多的選擇教師“說實驗”，學(xué)生“記實驗”的方式，雖見效快，但是嚴重抑制學(xué)生思維的發(fā)展和動手能力的提升；另一方面，教師實驗教學(xué)的能力欠缺，缺少有效的實驗教學(xué)策略，實驗資源的開發(fā)能力等，導(dǎo)致實驗教學(xué)效率低。具體表現(xiàn)如下：

1.6 其他模型

第一對流管束、第二對流管束和省煤器的工作過程相似,建模過程如下.根據(jù)式(7)、(8)運用迭代法計算各自的出口煙溫[15]：

(7)

(8)

式中：Qcr為受熱面的吸熱量；β為修正系數(shù),β=1.0[16]；K為傳熱系數(shù)；S為蒸發(fā)受熱面積；Δt為溫壓.省煤器出口煙溫就是鍋爐的排煙溫度.

2 結(jié)果與分析

2.1 典型工況驗證

本模型輸入量包括煤參數(shù)、爐排轉(zhuǎn)速v、送風(fēng)機開度Ksf、煤閘門高度hmz、主汽閥開度Kzq、引風(fēng)機開度Kyf和4個風(fēng)室所占比(Fs1、Fs2、Fs3、Fs4).其中，爐排轉(zhuǎn)速、送風(fēng)機開度、煤閘門高度與引風(fēng)機開度可以在0～120%變化.主汽閥開度、4個風(fēng)室所占比可以在0～100%變化,且4個風(fēng)室所占比總和為100%.爐排的具體含義相似：當(dāng)v=0時,爐排移動速度即為0；當(dāng)v=100%時,移動速度即為1.94×10-3m/s.典型工況輸入量如表1和2所示.其中：Car、Har、Oar、Sar、Mar和Aar分別表示收到基碳含量、收到基氫含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量、收到基水含量和收到基灰含量，Vd為干燥基揮發(fā)分含量，αfh為飛灰份額，d為煤粒直徑，Qar,net為低位發(fā)熱量.

模型的輸出量共有9個,分別是鍋爐效率η、爐膛煙溫Th、爐膛負壓h″l、蒸汽壓力Ps、蒸汽溫度Ts、排煙溫度Tpy、排煙含氧量O2、焦炭轉(zhuǎn)化率ηc以及汽

表1 典型工況煤的元素分析和工業(yè)分析

Tab.1 Element analysis and technical analysis of coal in typical conditions

名稱數(shù)值名稱數(shù)值Car/%46.55Sar/%1.94Har/%3.06Mar/%9Oar/%6.11Aar/%32.48Nar/%0.86Vd/%38.5αfh0.15Qar,net/(kJ·kg-1)17694.262d/m0.02--

*元素分析和工業(yè)分析涉及的參數(shù),詳見文獻[17]

表2 模型中的鍋爐運行輸入?yún)?shù)

包水位變化ΔHq.

本模型模擬得到的結(jié)果與熱力計算書的相應(yīng)參數(shù)比較如表3所示(Tgs1、Tgs2分別表示第一、第二對流管束的出口煙溫),可以看出本模型的模擬結(jié)果與熱力計算書上的設(shè)計標準數(shù)值基本上保持一致.

2.2 鍋爐調(diào)節(jié)案例分析

一個良好的燃燒工況不僅可以保證鍋爐運行的經(jīng)濟安全性,還具有顯著的環(huán)境效益，而燃燒工況的好壞與運行操作技術(shù)存在很大的關(guān)系[20-21].當(dāng)鍋爐負荷、煤種發(fā)生變化時,應(yīng)該及時調(diào)節(jié)煤層厚度、爐排轉(zhuǎn)速、送風(fēng)機和引風(fēng)機開度,確保良好的燃燒工況.本文采用仿真軟件對上述情況進行模擬,通過對比不同的調(diào)節(jié)方式得到最優(yōu)調(diào)節(jié)方式.

2.2.1 調(diào)節(jié)案例1 當(dāng)負荷增大時,調(diào)整鍋爐運行以維持較高的熱效率和汽壓穩(wěn)定的.調(diào)節(jié)前、后的參數(shù)變化如表4所示.按照如圖4所示的3種不同的調(diào)節(jié)方式進行調(diào)節(jié).其中調(diào)節(jié)方式1為先增大引風(fēng)機開度,再增大送風(fēng)機開度,最后增大爐排轉(zhuǎn)速.調(diào)節(jié)方式2為先增大送風(fēng)機開度,再增大引風(fēng)機開度,最后增大爐排轉(zhuǎn)速.調(diào)節(jié)方式3為先增大爐排轉(zhuǎn)速,再增大引風(fēng)機開度,最后增大送風(fēng)機開度.如圖4所示,在調(diào)節(jié)過程中,調(diào)節(jié)方式1可以保持最大的鍋爐效率和焦炭轉(zhuǎn)化效率,其經(jīng)濟性最優(yōu)；同時，調(diào)節(jié)方式1可以始終維持爐膛負壓和較小的蒸汽壓力,其安全性較好.通過觀察調(diào)節(jié)過程中的鍋爐效率、蒸汽壓力、焦炭轉(zhuǎn)化率以及爐膛負壓的變化,發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)方式1是最優(yōu)的.因此,當(dāng)負荷增大時,應(yīng)該按照調(diào)節(jié)方式1進行操作.

表3 模型計算結(jié)果的驗證情況

* 熱力計算書由杭州市特種設(shè)備檢測研究院提供,尚未發(fā)表.

表4 負荷增大時的工況調(diào)節(jié)表

圖4 負荷增大時不同調(diào)節(jié)方式下各參數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Change rule of parameters under different adjustment methods when load increases

2.2.2 調(diào)節(jié)案例2 在負荷不變的情況下,煤種變化后,調(diào)節(jié)鍋爐運行以維持汽壓汽溫的穩(wěn)定，典型煤種和新煤種的各參數(shù)如表5所示. 如圖4所示為煤種變化后采用不同調(diào)節(jié)方式得到的結(jié)果.當(dāng)煤種變化時,蒸汽壓力下降,達不到原來的蒸汽品質(zhì).采用以下2種不同的方式進行調(diào)節(jié).

表5 不同典型煤種的參數(shù)對比

Tab.5 Comparison of parameters of different typical coal types

參數(shù)典型煤種新煤種參數(shù)典型煤種新煤種Car/%46.5543.92Aar/%32.4830.64Har/%3.062.89Vd/%38.5036.32Oar/%6.115.76αfh0.150.15Nar/%0.860.81Qar,net/(kJ·kg-1)17694.2616716.00Sar/%1.941.83d/m0.020.02Mar/%9.014.2---

1)方式1：先增大引風(fēng)(100.00%～105.30%),再增大煤閘門高度(100.00%～113.10%)；

2)方式2：先增大引風(fēng)(100.00%～105.73%),再增大爐排轉(zhuǎn)速(100.00%～114.98%).最后蒸汽壓力都達到1.24 MPa.

由圖5可以發(fā)現(xiàn),按方式1調(diào)節(jié)得到的鍋爐效率為75.09%,按方式2調(diào)節(jié)得到的鍋爐效率為73.89%.因此,當(dāng)煤種水分變大時,應(yīng)該適當(dāng)增大煤閘門的高度.

圖5 改變煤種后的調(diào)節(jié)過程Fig.5 Regulatory processes after change of coal type

圖6 改變風(fēng)室比例時鍋爐的調(diào)節(jié)情況Fig.6 Boilder’s adjustment situation as proportion of wind chamber changes

2.2.3 調(diào)節(jié)案例3 分段送風(fēng)的調(diào)整.根據(jù)鏈條爐排上煤的燃燒特點,前后端和中間段的風(fēng)門開度不同.如圖6所示為典型工況下,只改變風(fēng)室比例時鍋爐運行參數(shù)的變化規(guī)律.由圖6可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)室比例從Fs1到Fs2再變化到Fs3的過程中,鍋爐效率、蒸汽溫度以及蒸汽壓力逐漸增大,爐膛負壓逐漸減小.因此,風(fēng)室開度比較合理的設(shè)置方式為“兩端小,中間大”.鏈條爐仿真軟件得出的最優(yōu)調(diào)節(jié)方式與經(jīng)驗方法一致,說明仿真軟件具有實用性.

3 模型在仿真示范平臺上的應(yīng)用

本鏈條爐仿真軟件基于VC平臺開發(fā),用于模擬鍋爐的不同運行工況,設(shè)置參數(shù)包括燃料參數(shù)、爐排轉(zhuǎn)速、煤閘門高度、鍋爐負荷、送風(fēng)機以及引風(fēng)機開度等.仿真軟件實時計算顯示鍋爐效率、爐膛負壓、蒸汽壓力和溫度、排煙溫度以及汽包水位等參數(shù).結(jié)合仿真示范平臺,該軟件通過模擬爐排轉(zhuǎn)速、煤閘門高度、鍋爐負荷、送風(fēng)機和引風(fēng)機開度的變化情形,給出輸出參數(shù)變化的曲線圖,有利于司爐人員理解各參數(shù)之間的關(guān)系和變化情況,掌握調(diào)節(jié)方法.如圖7所示,本仿真軟件已經(jīng)成功集成到培訓(xùn)示范平臺.在指導(dǎo)、培訓(xùn)和考察司爐人員的節(jié)能操作方面,取得了較好的效果.

圖7 鏈條爐調(diào)節(jié)仿真示范臺照片F(xiàn)ig.7 Pictures of simulation demonstration platform of chain boller adjustment

4 結(jié) 論

(1) 以4 t/h燃煤工業(yè)鏈條爐為研究對象,根據(jù)能量、質(zhì)量守恒和傳熱理論,采用模塊化建模的方法建立了模型,模擬結(jié)果與理論計算數(shù)據(jù)基本一致,說明模型是正確且可行的.

(2) 得出的最優(yōu)調(diào)節(jié)方式與經(jīng)驗結(jié)果一致,說明仿真軟件是實用的.當(dāng)鍋爐負荷增大時,應(yīng)按照先增大引風(fēng)機開度,再增大送風(fēng)機開度,最后增大爐排轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式,保證維持較高的熱效率和穩(wěn)定的汽壓;當(dāng)煤種水分增大時,應(yīng)該適當(dāng)增大煤閘門高度來維持汽壓和汽溫的穩(wěn)定;風(fēng)室開度比較合理的設(shè)置方式是“兩端小,中間大”.

(3) 本研究建立的數(shù)學(xué)模型和開發(fā)的仿真軟件對考察和提升司爐人員的操作技能具有重要意義,集成式培訓(xùn)示范平臺為智能化調(diào)節(jié)鍋爐工況作出了很好的嘗試.

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4 t/h coal-fired industrial chain boiler model and simulation adjustment

HONG Qiao-qiao1, MA Shun2, ZHAO Hui2, WU Xue-cheng1

(1.StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.HangzhouSpecialEquipmentInspectionInstitute,Hangzhou310000,China)

A chain boiler simulation software was developed with VC platform in order to choose the best adjust way to achieve efficient and safe operation of chain boiler under different working conditions. Focused on a 4 t/h coal-fired industrial chain boiler, mathematical models were established based on the mass conservation law, the energy conservation law and the heat transmission theory. The models consisted of 11 submodels, such as coal model, combustion model and furnace smoke temperature model. The models were used to analyze the operation parameters of chain boiler under typical working conditions. Results generally coincided with the data obtained by chain boiler thermodynamic calculation. Various boiler adjustment methods were forecasted after the changes of loads, coal types and air supply methods. As a result, the optimal adjustment method agrees well with the experience results. This software has been successfully applied in simulation platform as a demonstration, and it also can be used to guide, train and inspect the energy-saving operation of stoker personnels.

chain boiler; simulation software; simulation adjustment

2014-03-27.

洪巧巧(1989—)，女，碩士，從事燃煤鏈條爐仿真研究. E-mail: 21227113@zju.edu.cn 通信聯(lián)系人：吳學(xué)成，男，教授.E-mail: wuxch@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.010

TK 22

A

1008-973X(2016)12-2312-07