張 軒， 常太華

（華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，工業(yè)過程測控新技術(shù)與系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京102206）

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

目前，國內(nèi)外關(guān)于循環(huán)流化床鍋爐床溫動態(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，針對各部分分別建立氧氣體積分數(shù)平衡方程、動態(tài)床料量平衡方程、動態(tài)殘?zhí)剂科胶夥匠毯蛣討B(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、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］.外置床是一個外置換熱器，起調(diào)節(jié)床溫的作用.針對爐膛內(nèi)燃燒的動態(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、動態(tài)物料量平衡過程、殘?zhí)嫉膭討B(tài)蓄積過程、動態(tài)能量蓄積過程和顆粒能量的動態(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［8］中的模型計算碳顆粒燃燒速率，并進行了合理簡化.

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

1.1 模型仿真對象

以四川白馬電廠300MW循環(huán)流化床鍋爐為仿真對象，該鍋爐采用引進的Alstom技術(shù)進行設(shè)計，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)流化床鍋爐的實際運行情況，進行如下簡化假設(shè)：（1）鍋爐與外界完全隔熱且無漏風(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）認為殘?zhí)季鶆蚍植加诖擦现?；?）認為揮發(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態(tài)模型

1.3.1 氧氣體積分數(shù)平衡方程

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

（a）密相區(qū)的氧氣體積分數(shù)平衡方程

（b）稀相區(qū)的氧氣體積分數(shù)平衡方程

相比于床料量和殘?zhí)剂康膭討B(tài)平衡過程，流化床爐膛內(nèi)氧氣體積分數(shù)的動態(tài)平衡過程非?？?，可以認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)計表達式［8］如下：

式（1）～（7）中：φ1（O2）和φ2（O2）分別為密相區(qū)和稀相區(qū)中氧氣的體積分數(shù)；φ0（O2）為空氣中氧氣的體積分數(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、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)流動實質(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荷和各區(qū)的燃燒份額都會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為碳的相對分子質(zhì)量；w1為密相區(qū)揮發(fā)分的燃燒質(zhì)量分數(shù)；wCH為給煤中揮發(fā)分的質(zhì)量分數(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是送入爐膛的煤粉能夠進行循環(huán)燃燒.對于循環(huán)流化床鍋爐，燃燒釋放熱量的主要來源并不是瞬時加入的給煤，而是鍋爐循環(huán)灰中大量未燃盡的殘?zhí)?因此，殘?zhí)嫉膭討B(tài)特性對于循環(huán)流化床鍋爐床溫的動態(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)量分數(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，因此在建模中進行了簡化.

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)分離器的動態(tài)模型

在旋風(fēng)分離器中，由于氣體流動過程較為復(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來表示分離器內(nèi)碳的消耗量.

在循環(huán)流化床的運行過程中，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)進行燃燒被消耗掉，而且燃燒在瞬間完成，下一時刻的床料量由從密相區(qū)到稀相區(qū)的床料量進行補充.以旋風(fēng)分離器為研究對象，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增加磨損風(fēng)險，因此對于大容量循環(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的物料部分或全部通過其內(nèi)部布置的受熱面，從而達到通過改變循環(huán)灰的溫度來調(diào)節(jié)床溫的目的.對于物料而言，外置床是一個封閉的系統(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.為了進一步驗證模型的可靠性，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)場運行數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件對該微分方程組進行求解和仿真.

（1）連續(xù)脈沖動態(tài)仿真

通過連續(xù)階躍脈沖動態(tài)仿真可以觀察到給煤量和一次風(fēng)風(fēng)量單獨發(fā)生變化時各個區(qū)域溫度的響應(yīng)情況.

一次風(fēng)風(fēng)量階躍擾動下床溫的響應(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，密相區(qū)的溫度呈先上升后下降的變化趨勢，這是因為一次風(fēng)風(fēng)量的增加使得密相區(qū)的氧氣體積分數(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，之后燃燒速率會由于殘?zhí)嫉臏p少而減小，同時由于一次風(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，因此床溫會下降，并穩(wěn)定在一個較低的溫度值.當(dāng)一次風(fēng)風(fēng)量階躍減少（t＝3 100s）時，床溫的變化情況與一次風(fēng)風(fēng)量階躍增加時的變化相反.當(dāng)一次風(fēng)風(fēng)量變?yōu)樵瓉淼拇笮。╰＝6 100s）時，密相區(qū)的床溫也回到原來的溫度.

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

在給煤量階躍擾動下，各個區(qū)域溫度變化較為平緩（見圖3）.當(dāng)給煤量階躍增加時，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；另一方面可以認為煤中的揮發(fā)分在短時間內(nèi)迅速燃燒，釋放的熱量在很大程度上補償了由于給煤與床體之間的巨大溫差對床溫所造成的影響.因此床溫總體呈上升趨勢.與之相對應(yīng)，當(dāng)給煤量減小時，床溫總體呈下降趨勢.

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與密相區(qū)基本一致.

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

（2）實時仿真

采集四川白馬電廠300MW循環(huán)流化床鍋爐一次變負荷運行時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將給煤量和風(fēng)量等輸入量帶入模型進行仿真，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)場運行數(shù)據(jù)較吻合，進一步驗證了模型的正確性.

3 結(jié) 論

圖4 密相區(qū)床溫的仿真結(jié)果以及與實際運行數(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)與能量的流動和傳遞過程，建立了循環(huán)流化床鍋爐床溫的動態(tài)模型.結(jié)合大型循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點，考慮到旋風(fēng)分離器內(nèi)的燃燒及外置床對床溫的影響，對模型進行了擴充，模型的仿真結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)較吻合，進一步驗證了模型的正確性.

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