循環流化床鍋爐燃燒系統模型研究

張 悅，劉云飛，袁一丁

（河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心（華北電力大學），河北 保定 071003）

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循環流化床鍋爐燃燒系統模型研究

張 悅，劉云飛，袁一丁

（河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心（華北電力大學），河北 保定 071003）

通過選取床溫、煙氣含氧量和爐膛殘碳量3個參考對象，以小室模型為基礎對流化床鍋爐內的物料平衡、氧氣體積平衡和能量平衡做數學模型描述，用Matlab對其做階躍響應仿真，通過仿真曲線和歷史趨勢進行對比發現二者趨勢基本一致，驗證了所建循環流化床燃燒系統機理模型的準確性與合理性。

循環流化床；機理建模；床溫

0 引言

目前，由于對循環流化床（CFB）內部復雜的反應過程不甚了解，循環流化床鍋爐燃燒系統的研究大都依靠歷史數據并通過試驗建模方法完成。風煤比是否合適對鍋爐乃至整個電廠運行的經濟性、安全性以及設備的壽命都有很大的影響。由于鍋爐的燃料性質、設備狀況、工作人員的水平等因素都影響鍋爐的理想運行工況，進而影響其運行經濟性和安全性。但在現有發電廠中，由于設備龐大而復雜，運行中可調節的參數較多，試驗不能應對需要而隨時進行，加之參數對與之有關的工況不能憑想象和經驗做出判斷，因此研究難度較大，無法在電廠現場獲得合適的風煤比參數［1-2］。采用機理建模方法，在已有研究基礎上，繼續研究循環流化床鍋爐燃燒系統，并以電廠CFB鍋爐為研究對象，通過設置相應的模型變量來驗證模型的準確性。

1 建模變量選取

針對CFB鍋爐燃燒系統來說，有些數據不能去現場采集，而采用機理建模能更詳細地對和風煤比有關的反應過程進行描述，所以以機理建模法來研究CFB鍋爐的燃燒系統。

1.1 床溫

CFB鍋爐區別于煤粉爐的是燃燒控制的主要參數，是穩定的床溫和主汽壓力［3］。床溫指由布置在燃燒室內的熱電偶監測到的爐膛中各區域內固體物料層的床層溫度，一般取各測點熱電偶溫度的平均值，是CFB鍋爐最重要的一個運行參數。床溫的高低能直接反應爐膛內的燃燒狀況和爐內輸入輸出熱量的平衡關系，取決于各區域內的能量平衡，包括燃煤釋放熱量，脫硫劑、循環物料、排渣帶走熱量和各受熱面的吸熱。如何維持床溫的穩定是CFB鍋爐穩定和安全運行的關鍵［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鍋爐經濟燃燒，通常通過不斷改變送風量和給煤量使之達到一個較為匹配的比例，然后由過量空氣系數來衡量經濟燃燒的好壞，而煙氣含氧量能間接顯示爐膛的燃燒經濟性。因此含氧量也是一個重要建模參數。

1.3 殘碳量

對于循環流化床鍋爐來說，由于燃煤顆粒比較大，剛送入爐膛的煤并沒有立刻完全燃燒，一部分會變成焦炭。鍋爐燃燒的熱量中，當前給煤放出的熱量只占一小部分，大部分來自于爐膛內不斷循環的焦炭。燃燒室內循環燃燒的殘余焦炭稱為“殘碳”［1］。

總風量和給煤量的變化，或者風煤比的改變是殘碳量變化的主導因素，而爐膛床溫和煙氣含氧量能最直觀地體現出殘碳存量的變化。在一定的風煤比下，爐膛床層溫度升高以及煙氣含氧量下降可以反映出殘碳總量下降；而床溫的降低和含氧量的升高則體現出殘碳存量升高，所以對殘碳量的建模尤為必要［5］。

2 床溫、含氧量、殘碳量模型

2.1 物料平衡

物料平衡是指單位時間內進出小室的物料以及生成與消耗的物質質量凈差等于小室內總物料量的變化。動態質量平衡方程反應的是各區域內物料的蓄積過程，物料平衡方程［6-7］

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

爐內炭平衡方程

式中：Mc為總炭質量；Car為煤的收到基炭質量份額；Xcr為循環物料的平均炭質量分數；Xcp為排渣的平均炭質量分數；Xcf為爐膛飛灰的炭質量分數；Rc為爐內的炭燃燒率，與溫度、爐內的氧濃度和床內炭總量相關。

在本模型中

其中

式中：k為衰減系數；Mc為爐內總炭量；Ma為爐膛給風量。

可以看出，如果增加給煤量而不相應增加給風量，爐內的燃燒率不是增加反而是降低。

2.2 氧氣體積平衡

爐膛內參與燃燒的氧氣正比于燃燒產生的熱量，氧量模型為［8］

2.3 動態能量平衡

在傳熱和燃燒的基礎上建立動態能量方程［9-10］

式中：Q為總能量；Qc為給煤帶入的熱量；Qr為再循環物料帶入的熱量；Qg為送風帶入的熱量；Qe為燃料產生的量；Qp為排渣帶出的熱量；Qf為爐膛飛灰帶出的熱量；Qy為煙氣帶走的熱量；Qa為受熱面吸收的熱量。

3 基于機理模型的仿真驗證

3.1 仿真參數設置

以整個爐膛區域為研究對象，聯立上述子系統機理建模所得的多個平衡方程，形成一個閉合的整體。同時為了驗證所建模型是否正確，把大連泰山135 MW循環流化床鍋爐的一些鍋爐參數和部分現場實際的歷史數據帶入整個模型。在此模型中，輸入變量包含給煤量、一次風量、排渣量（固定此變量），輸出變量包含爐膛3個區域床層溫度、爐膛出口煙氣含氧量、爐內殘碳量、床料量。通過Matlab仿真軟件的Ode15s命令可以解上述微分方程組，并對其做相應的仿真。大連泰山135MW CFB鍋爐參數如表1所示。

3.2 給煤量輸入下階躍響應

圖1～3所示為在給煤量的擾動下，爐膛區域1～3內床溫、區域出口煙氣含氧量和爐膛殘碳量的響應。

表1 大連泰山135 MW CFB鍋爐參數

圖1 給煤量擾動下爐膛區域1～3床溫響應曲線

圖2 給煤擾動下爐膛區域1～3出口含氧量響應曲線

圖3 給煤擾動下爐膛區域1～3殘碳量響應曲線

由圖1可知，在給煤量發生5%的階躍變化時，床溫先是較小幅度的下降，然后轉變成單調上升趨勢，這是因為爐膛內突然增加的煤量會吸收少量爐膛內的熱量來用于給煤的加熱和揮發分的析出。與此同時，由于爐膛內部的床料溫度很高，將在相當短的時間過程內將新增加的煤炭加熱到著火溫度，這就會使床溫較快的升高。

由圖2可知，各區域出口煙氣含氧量先是快速減小而后慢慢趨于平穩。這是因為給煤量的增加使爐膛內含碳量迅速增加導致燃燒加劇，釋放更多熱量的同時迅速消耗更多的氧量，從而使各區域出口煙氣含氧量迅速下降，而床溫升高又會導致殘碳的燃燒速率增大，這就導致含氧量變化趨勢變慢并趨于平穩。

由圖3可知，殘碳含量會由于給煤量的增加而迅速增加，但是由于床溫的升高會使得焦炭與O2和CO2的反應速度增加，這就會消耗更多的殘碳量從而使得殘碳量有所下降。

采集大連泰山135 MW CFB鍋爐在變負荷（135～100 MW）運行時的歷史數據，其中2014-12-30T12∶45∶00—16∶55∶00在給煤量階躍變化的數據如圖4～6所示。通過與圖1～3進行對比可得，所建模型仿真結果階躍變化趨勢和運行數據趨勢基本吻合，驗證了模型的準確性。

圖4 給煤量歷史采樣數據

圖5 爐膛區域1～3床溫歷史采樣數據

圖6 煙氣含氧量歷史采樣數據

3.3 一次風輸入下階躍響應

圖7～9為在一次風量的擾動下，爐膛區域1～3內床溫、區域出口煙氣含氧量和爐膛殘碳量的響應。

圖7 一次風擾動下爐膛區域1～3床溫響應曲線

圖8 一次風動下爐膛區域1～3出口含氧量響應曲線

圖9 一次風動下爐膛區域1～3殘碳量響應曲線

由圖7可知，當一次風量發生5%的階躍變化時，隨著一次風量的增加，床溫出現逆向響應特性，在階躍響應初始階段有小幅度上升，隨后呈現出單調下降的趨勢，最終穩定于稍低于初始溫度的狀態。這是由于在擾動初始階段隨著一次風量的增加，使得爐膛內部的氧氣充足，使得碳的燃燒效率增加，放出熱量增多，床溫快速升高。雖然一次風量增加，但是作為燃燒介質的煤量卻沒有增加，從而持續增加一次風量最終會將爐內的熱量帶走，使床溫維持在較初始值低的位置。

由圖8可知，各區域出口煙氣含氧量會由于一次風量的階躍增加而短時間內快速增加，同時區域殘碳燃燒速率迅速增大，從而導致各區域殘碳量先迅速減少。然后各區域床層床料溫度的下降導致殘碳量有升高的趨勢，這就使得各區域出口含氧量緩慢下降。

由圖9可知，殘碳量會隨著一次風量的增加使爐膛內的氣固流動狀態變化，固體顆粒的揚析量增加，由于給煤量固定不變，而聚集在爐膛內的煤炭顆粒會因為爐膛床料溫度的升高而迅速燃燒，從而使得殘碳量急劇下降。當殘碳量下降到一定程度時，由于床溫的下降會略微上升，最終達到平衡狀態。

圖10～12是2014-11-27T05∶45∶00—09∶55∶00在一次風量階躍變化工況下的歷史數據。通過與圖7～9進行對比可得，所建模型仿真結果階躍變化趨勢和運行數據趨勢基本吻合，驗證了模型的準確性。

圖10 一次風量歷史采樣數據

圖11 爐膛區域1-3床溫歷史采樣數據

圖12 煙氣含氧量歷史采樣數據

4 結語

在我國經濟快速發展的同時，能源短缺與環境污染問題也隨之而來。循環流化床作為一種清潔燃燒技術，它的低污染、燃燒效率高和燃煤適應性廣等優點在最近幾十年來快速發展并得到廣泛應用。通過選取床溫、煙氣含氧量和爐膛殘碳量3個參考對象，以小室模型為基礎對流化床鍋爐內的物料平衡、氧氣體積平衡和能量平衡做數學模型描述并用Matlab做階躍響應仿真，通過仿真曲線和歷史趨勢進行對比發現二者趨勢基本一致，這驗證了所建機理模型的準確性與合理性。

［1］岑可法.循環流化床鍋爐理論、設計與運行［M］.北京：中國電力出版社，1998.

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［6］田晨.爐膛結構對循環流化床氣固流動特性影響的研究［D］.杭州：浙江大學，2011.

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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，碩士生導師，從事循環流化床鍋爐建模與優化控制研究；

山西省煤基重點科技攻關項目（MD2014－03－06－02）；國家自然科學基金（71471060）

劉云飛（1992），男，碩士研究生，從事循環流化床機組建模與仿真研究；

袁一丁（1993），男，碩士研究生，從事火電機組軟件設計與研發。