300 MW循環流化床鍋爐建模與動態仿真

潘清波，于保國，崔 馨，曾 陽

（1.兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠，山東 鄆城 274705；2.杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018）

300 MW循環流化床鍋爐建模與動態仿真

潘清波1，于保國1，崔 馨2，曾 陽1

（1.兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠，山東 鄆城 274705；2.杭州和利時自動化有限公司，杭州 310018）

通過數學建模，基于多學科仿真平臺（MSP），開發300 MW循環流化床機組全范圍、全工況仿真機。在典型負荷穩定運行時，仿真機計算結果與實際機組運行參數之間的誤差滿足大型火電機組仿真培訓裝置技術規范仿真精度的要求。在仿真平臺上進行了循環流化床鍋爐冷態流化試驗、啟動過程中的投煤、給煤不均和揮發分燃燒份額變化時床溫的動態特性試驗，試驗結果符合實際鍋爐的運行規律。

循環流化床鍋爐；燃燒系統；數學模型；動態仿真

0 引言

近年來大型循環流化床燃燒技術因其高效、低污染性能而倍受重視。其優勢在于：煤種適應性廣、燃料制備系統簡單、低溫燃燒爐內SO2、NOx排放低、負荷調節性能好等。運行中不僅要根據生產的需求調整主蒸汽壓力、流量和溫度，還要控制床層溫度、料層差壓、氧量，以防止結焦或滅火。除給煤量外，送風對物料流態化、床溫、傳熱和燃燒效率也有直接影響。目前，大型循環流化床鍋爐建模與仿真的投資，相對其工作原理和運行調整技術的試驗臺而言要小得多，其通用性、靈活性和快速性可使技術人員、操作人員對各種可能的設計、運行、事故應急處理等方案進行充分比較、篩選和優化，其優點和經濟效益是顯而易見的［1］。

循環流化床鍋爐的建模與動態仿真研究是應用基本理論定律，結合有關流動、燃燒、化學反應、傳熱等方面的經驗模型和理論建立循環流化床鍋爐的數學模型，然后借助MSP多學科仿真平臺對其性能進行動態仿真［2］。目前，火電機組仿真系統已成為電站建設與運行中必須配套的裝備，仿真范圍覆蓋火電機組的全部內容、全工況范圍。仿真機的應用也愈來愈廣，不僅用于運行人員的操作培訓、機組設備和系統的工程設計、機組邏輯保護和控制系統的設計、調試，而且也為確定機組運行方式、制訂操作規程提供依據，還可進行機組設備和系統改造的仿真試驗［3-4］。

以兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠300 MW循環流化床鍋爐火電機組為對象，通過數學建模、借助多學科仿真平臺（MSP）開發出了全范圍、全工況仿真機。對比了典型負荷下仿真計算結果與實際運行數據，并在仿真平臺上進行了鍋爐冷態流化試驗、啟動過程中的投煤、給煤不均和揮發分燃燒份額變化時床溫的動態特性試驗。該仿真機已成功用于現場集控崗位人員運行操作培訓。

1 仿真系統的建模

鍋爐系統分為燃燒系統和汽水系統，循環流化床鍋爐與煤粉爐的汽水系統基本相同，二者最大的區別是爐內的燃燒和傳熱過程。由于煤粉鍋爐的仿真機開發技術已很成熟，汽水系統的建模也已完善，其建模技術可以直接應用于循環流化床鍋爐，所以循環流化床鍋爐仿真系統的建模主要集中在燃燒系統。

1.1 仿真對象

以兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠300 MW循環流化床鍋爐火電機組為仿真對象，通過建模開發出全工況爐膛模型。目前國內大型循環流化床鍋爐以此爐型最多，選其作為仿真對象有一定的代表性。

鍋爐是采用某公司DG1025／17.5－Ⅱ2型亞臨界循環流化床鍋爐，單汽包、自然循環、單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風分離器、平衡通風（壓力平衡點位于爐膛出口）、半露天布置、燃劣質煤、固態排渣的循環流化床鍋爐。汽輪機配套某公司N300—16.7／538／538凝汽式汽輪機，運行采用定壓或定—滑—定運行方式。

1.2 循環流化床鍋爐燃燒系統建模

循環流化床鍋爐燃燒系統包括爐膛、分離器和回料裝置，爐膛作為主燃燒室，其內部發生著燃料的燃燒、物料的流動和爐向壁面的傳熱等過程，這些過程遵循質量守恒和能量守恒。因此，循環流化床鍋爐燃燒系統的建模就是建立爐內各種組分的質量守恒方程和所有物質的能量守恒方程。這些方程直接求解十分困難。通常將主燃燒室沿高度劃分為若干個小室，忽略小室內物理量的變化，將微分方程轉變為代數方程，以便求解。

小室的劃分考慮了主燃燒室密相區和稀相區流動特性的差異。在密相區表面附近，由于固體的夾帶和揚析，物料濃度衰減很快，隨著高度的增加，固體揚析量逐漸減少，物料濃度的衰減也逐漸變緩。為了減小使用的平均物料濃度計算換熱和床層壓降時引起的誤差，小室劃分時遵循“上疏下密”的原則，把爐膛內實際運行是密相區的高度空間，小室劃分得比較密，實際運行是稀相區的高度空間，小室劃分得比較稀疏。模型計算時密相區高度隨著循環流化床鍋爐運行工況變化自動調整。

對主燃燒室劃分的每個小室建立的質量守恒方程和能量守恒方程就構成循環流化床鍋爐燃燒系統數學模型的主體。在求解時，為了確定主體模型中的各項參數，例如某小室中物料濃度、燃燒放熱量、傳熱量等，還需建立相應的計算模型，這些計算模型稱為“子模型”。

1.3 爐內流動子模型

循環流化床內物料濃度分布決定了爐內各小室的溫度、壓降、燃燒放熱量和傳熱量。理論和實踐表明：循環流化床內密相區的物料濃度分布均勻，密相區表面至夾帶分離高度（TDH）之間的稀相區，濃度逐漸減小，TDH高度以上，物料濃度不在放生變化，其物料質量流率等于飽和夾帶量。循環流化床鍋爐的爐膛出口距密相區表面的高度均小于TDH高度，即循環流化床鍋爐稀相區的物料濃度逐漸減小，其物料濃度分布可根據密相床表面以上的固體夾帶速率計算得到。TRhodes和Geldart認為密相床表面以上的固體夾帶速率遵循指數規律衰減，對于寬篩分物料，把固體顆粒按直徑分為N檔，固體顆粒的夾帶速率為［5］

式中：E（h）為距離密相區表面之上高度h處顆粒的總夾帶速率；E0、E0（i）分別為密相區表面處顆粒的總夾帶速率和第i檔顆粒的夾帶速率；E∞、E∞（i）分別為TDH高度處顆粒的總夾帶速率和第i檔顆粒的夾帶速率；αi為第i檔顆粒的夾帶速率衰減常數，與顆粒的性質和氣流速度有關；h為距離密相區表面之上的高度；Bed（i）為密相區內第i檔顆粒的質量份額。

密相床區各檔顆粒的質量份額Bed（i）由循環流化床系統總質量平衡方程確定，即

式中：Min（i）為第i檔顆粒的添加流率；Fout（i）為第 i檔顆粒從分離器逃逸的流率；Dout（i）為第i檔顆粒排渣流率。

通過變換上述方程并輔以其他約束條件，就可以得到Bed（i）。

1.4 煤燃燒子模型

煤進入循環流化床爐內，經歷干燥、揮發分析出和燃燒、焦炭的燃燒等過程。某小室煤燃燒的放熱量等于該小室內揮發分燃燒放熱量與焦炭燃燒放熱量之和。目前，認為揮發分在密相區全部釋放，并沿爐膛高度均勻燃燒。焦炭燃燒放熱量取決于小室內焦炭顆粒的數目及焦炭粒子的反應速率，對于單個焦炭粒子，其反應速率為［2］

式中：γc，i為第 i檔焦炭粒子的反應速率；dc，i為第 i檔焦炭粒子的直徑；kc，i為碳的燃燒反應速率；YO2為焦炭粒子表面氧量濃度。

小室內焦炭顆粒數目按下述公式計算：

式中：Zk，i為i小室內第k檔焦炭顆粒的數目；εk，i為i小室內第k檔顆粒的體積份額；xk，i為i小室內第k檔顆粒的含碳量；Vi為i小室的體積；ρs為顆粒的密度；ρc為焦炭的密度；dp，i為第 k檔焦炭顆粒的直徑。

1.5 爐內傳熱子模型

循環流化床鍋爐爐內傳熱方式包括輻射傳熱、氣體對流傳熱和顆粒對流傳熱，爐向壁面的總傳熱系數為各傳熱分量的疊加［6］，即

式中：hb為爐向壁面的總傳熱系數；hp為顆粒對流傳熱系數；hg為氣體對流傳熱系數；hr為輻射傳熱系數；ft為壁面被顆粒團覆蓋的平均時間份額；ε為床與壁面之間的系統黑度；σ為玻爾茲曼常數；Tb為顆粒表面溫度；TW為壁面溫度。

2 仿真結果與實際機組運行數據對比

根據仿真建模理論，基于多學科仿真平臺（MSP），開發了300 MW循環流化床鍋爐火電機機組全范圍、全工況仿真機。圖1是兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠300 MW循環流化床鍋爐仿真機煙風系統總圖。

實際機組和仿真機都采用表1給出的燃料及脫硫劑，在典型負荷（100%、80%及50%）穩定運行時，仿真機計算結果與實際機組運行參數如表2所示。

圖1 300 MW循環流化床鍋爐仿真機煙風系統總圖

表1 燃料及脫硫劑特性表

表2 仿真計算結果與機組運行數據

由表2可以看出：仿真計算結果與實際運行參數之間的誤差，關鍵參數不超過±0.5%，重要參數不超過±1%，一般參數不超過±2%，該誤差滿足《大型火電機組仿真培訓裝置技術規范》仿真精度的技術要求。兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠已經利用該仿真機進行了人員培訓和相關試驗。

3 仿真試驗

為了進一步了解鍋爐的運行特性，指導實際機組的運行和調整，在仿真機上進行了冷態流化試驗、啟動過程中的投煤、給煤不均和揮發分燃燒份額變化時床溫的動態特性試驗。試驗結果見圖2～5。

圖2是床層空隙隨冷態流化風速的變化曲線。從圖中可以看出：當冷態流化風速大于1 m／s時，床層開始流化。隨著流化風速的增大，密相區（布風板至下二次風口）空隙率急劇增大，過渡區（下二次風口至上二次風口）空隙率急劇減小，稀相區（上二次風口至爐膛頂部）空隙率稍有降低。當流化風速增大至1.3 m／s時，各區域孔隙率基本穩定，說明此時進入完全流化狀態。當流化風速增大至1.9 m／s時，密相區、過渡區孔隙率開始逐步增大，稀相區孔隙率稍有降低，說明此時進入快速床狀態，要想維持穩定的床層狀態，需要不斷補充床料。

圖3是啟動過程中，當床溫達到投煤溫度時，投煤時床溫隨時間的變化曲線。可以看出：投煤時，床溫先降低后升高。這是因為：煤入爐后，要經歷干燥、揮發分釋放及燃燒、剩余焦炭燃燒等幾個階段，在煤著火前，煤要吸收床層熱量，使床溫降低，這個階段持續時間與投煤量和煤種水分含量有關，投煤量越大且水分含量越高，床溫降低越多且持續時間也越長；在煤著火后，燃燒釋放出熱量，當放熱量大于向受熱面的傳熱量時，床溫開始逐步升高，直至燃燒放熱量等于受熱面吸熱量時為止。因此，在投煤初期，盡量采用脈沖式小量給煤，避免因床溫降低過多而造成煤不能著火。

圖2 床層空隙率隨流化風速的變化

圖3 投煤時床溫隨時間的變化

圖4是機組負荷150 MW，前墻8臺給煤機給煤量為10.8 t／h，當左側兩臺給煤機給煤量突然增加到13 t／h時，密相區左側床溫與右側床溫隨時間的變化曲線。從圖中看出：隨著左側兩臺給煤機給煤量增大，左右兩側床溫均呈先減小后增大的趨勢，但左側床溫始終高于右側床溫。說明給煤不均會造成床溫分布不均。因此，在實際運行中，增減煤量時應盡量保持均勻給煤，避免造成局部超溫現象發生。

圖5是密相區揮發分燃燒份額從50%降至20%時，不同區域床溫隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，當密相區揮發分燃燒份額降低30%時，密相區和過渡區床溫幾乎不變，而稀相區床溫快速升高，且升高幅度較大。這是因為：密相區揮發分燃燒份額降低時，更多的揮發分在稀相區燃燒，使燃料燃燒在密相區的放熱量減少，稀相區放熱量增多，但密相區和過渡區床料濃度大，熱容量大，且揮發分釋熱減少有限，故床溫變化不明顯，稀相區床料濃度低，熱容量小，揮發分燃燒份額增大引起床溫變化較大。

圖4 給煤不均對床溫的影響

圖5 揮發分燃燒份額變化對床溫的影響

4 結語

通過數學建模，基于MSP多學科平臺，開發了300 MW循環流化床鍋爐火電機機組全范圍、全工況仿真機。在典型負荷穩定運行時，仿真機計算結果與實際機組運行參數之間的誤差滿足大型火電機組仿真培訓裝置技術規范仿真精度的技術要求，為電廠人員培訓和試驗研究提供了可靠的平臺。

在仿真平臺上進行了循環流化床鍋爐冷態流化試驗、啟動過程中的投煤、給煤不均和揮發分燃燒份額變化時床溫的動態特性試驗，試驗結果符合實際循環流化床鍋爐的運行規律。該平臺為鍋爐的運行操作調整、反事故措施演練提供現場實操環境。

［1］楊建華，屈衛東，楊義波，等.新鄉火電廠440 t／h循環流化床鍋爐技術特點［J］.中國電力，2002，35（10）：25-28.

［2］楊建華，屈衛東，楊義波.大型電站循環流化床鍋爐燃燒系統仿真軟件開發［C］∥2004年中國生物質能技術與可持續發展研討會論文集，鄭州，2004：119-122.

［3］劉奮群.我國火電機組仿真技術的發展［J］.寧夏電力，2007（2）：49-51，66.

［4］冷偉，房德山，徐治皋.火電機組仿真技術的應用與發展［J］.電力系統自動化，1999，23（23）：7-10.

［5］倪維斗，李政.220t／h清華循環流化床鍋爐的建模與仿真［J］.燃燒科學與技術，1995，1（3）：219-225.

［6］呂俊復，張建勝，岳光溪，等.循環流化床鍋爐燃燒室受熱面傳熱系數計算方法［J］.清華大學學報，2000，40（2）：94-97.

Modeling and Dynamic Simulation of 300 MW Circulating Fluidized Bed Boiler

PAN Qingbo1，YU Baoguo1，CUI Xin2，ZENG Yang1
（1.Yancoal Comprehensive Utilization Power Plant in Zhaolou Heze，Yuncheng 274705，China；2.Hangzhou Hollysys Automation Co.，Ltd.，Hangzhou 310018，China）

Through mathematical modeling，the full range and the whole working condition of 300 MW circulating fluidized bed unit simulation machine are developed based on the multidisciplinary simulation platform （MSP）.In the typical load and stable operation conditions，the error between calculated results and actual unit operating parameters can meet requirements of simulation accuracy of large thermal power unit simulation training device.Using the simulation platform，dynamic characteristics test of the bed temperature of the circulating fluidized bed boiler in the cold state fluidization test，the coal feeding during the start-up process，the uneven distribution of the coal and the change of volatile combustion share are carried out.Test results are in line with the actual operation of the boiler.

circulating fluidized bed boiler；combustion system；mathematical model；dynamic simulation

TM621；TP391.9

A

1007－9904（2017）00－0062－05

2016-07-06

潘清波（1968），男，高級工程師，從事煤炭綜合利用循環流化床技術工作；

于保國（1978），男，從事循環流化床鍋爐運行、檢修技術工作；

崔 馨（1986），女，工程師，從事仿真機技術工作；

曾 陽（1988），男，從事熱工控制技術工作。