劉吉臻， 張 報

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率計算模型

劉吉臻， 張 報

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

基于循環(huán)流化床(CFB)鍋爐熱平衡，并結(jié)合物料平衡關(guān)系，提出了一種“四平衡雙循環(huán)”迭代計算方法，該方法在計算出循環(huán)倍率的同時，也可以求出分離器、爐膛和密相區(qū)燃燒份額以及密相區(qū)過量空氣系數(shù)等重要參數(shù).根據(jù)某300 MW CFB鍋爐現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)建立模型進(jìn)行計算，并分析了煤質(zhì)和一次風(fēng)、二次風(fēng)配比對循環(huán)倍率的影響.結(jié)果表明：該計算模型能夠準(zhǔn)確計算出相關(guān)參數(shù)，且能合理反映以上因素對CFB鍋爐循環(huán)倍率的影響，為循環(huán)倍率的控制與優(yōu)化提供了一定的參考.

熱平衡； 循環(huán)倍率； 煤質(zhì)； 燃燒份額

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃燒技術(shù)是在鼓泡床基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)，具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放少和灰渣利用率高等優(yōu)點[1].

CFB鍋爐循環(huán)倍率定義為外循環(huán)灰量(即循環(huán)物料量)與單位時間給煤量(即給灰量)之比[2]，是CFB鍋爐運行的關(guān)鍵參數(shù)之一，對鍋爐設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義.目前，循環(huán)倍率的獲取大多依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗判斷，因而有些CFB鍋爐投運后出現(xiàn)諸多問題，循環(huán)倍率偏離設(shè)計值較遠(yuǎn)[3-4].而有的電廠則采用安裝測點的方法，通過測量技術(shù)來求取循環(huán)倍率，由于大型CFB鍋爐中測點的安裝困難性、磨耗嚴(yán)重性以及對鍋爐運行安全性的影響，測量方法往往受到很大限制.國內(nèi)外循環(huán)倍率的計算方法很多，馬素霞等[5]提出了一種分離效率及顆粒分檔飽和夾帶模型計算法，由于分離器的分離效率很難測量，故在計算時存在一定誤差.Thanh等[6]提出了雙循環(huán)生物質(zhì)氣化流化床模型，但該模型較復(fù)雜，實際應(yīng)用困難.田亮等[7]通過對爐內(nèi)化學(xué)過程和床內(nèi)物料循環(huán)過程進(jìn)行機(jī)理分析，提出了一種循環(huán)倍率軟測量方法,但該方法依賴于煙氣中軟測量數(shù)據(jù)、分離器分離效率和飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)，限制條件太多.

筆者提出了一種“四平衡雙循環(huán)”的迭代計算方法，該方法充分考慮了CFB鍋爐的外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)、整體與局部的熱平衡以及物料平衡關(guān)系，通過雙循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了迭代過程中參數(shù)自整定自校驗的功能.在現(xiàn)有測點的基礎(chǔ)上計算出循環(huán)倍率，同時能求出分離器、爐膛和密相區(qū)的燃燒份額以及密相區(qū)的過量空氣系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù).

1 熱平衡

四平衡是指外置床、分離器、爐膛及密相區(qū)的熱平衡，這也是該計算方法的基礎(chǔ)與核心；雙循環(huán)以熱灰量與冷灰量之比k和密相區(qū)過量空氣系數(shù)α為循環(huán)迭代參數(shù).

以某300 MW亞臨界CFB鍋爐為研究對象，該鍋爐是典型的單爐膛褲衩腿、四分離器、四外置床結(jié)構(gòu)，其中靠近爐膛前的1號、4號外置床均布置有高溫再熱器(HTR)和低溫過熱器(LTS)；靠近爐膛后的2號、3號外置床均布置有中溫過熱器1(ITS1)和中溫過熱器2(ITS2)[8].

根據(jù)能量守恒，分別列出外置床、爐膛、分離器及密相區(qū)的熱平衡方程[9-11].

外置床的熱平衡方程為：

Qw,rhj+Qw,lhfj+Qw,csfj=Qw,lhc+Qw,srm+

Qw,lhfc+Qw,csfc

(1)

爐膛的熱平衡方程為：

Qf,mscr+Qf,sscr+Qf,jfr+Qf,jhr=

Qf,chr+Qf,cyqr+Qf,pz+Qf,srm+Qf,sr

(2)

分離器的熱平衡方程為：

Qs,jhr+Qs,jyqr+Qs,hrr=Qs,chr+

Qs,fhr+Qs,cyqr+Qs,sr

(3)

密相區(qū)的熱平衡方程為：

Qden,wxhh+Qden,ycf+Qden,mscr+Qden,nxhh=

Qden,xwl+Qden,yq+Qden,pz+Qden,sr

(4)

式中：Qw,rhj為從分離器立管處下來的熱灰?guī)氲臒崃?；Qw,lhfj為外置床流化風(fēng)帶入的熱量；Qw,csfj為吹掃風(fēng)帶入的熱量；Qw,lhc為冷灰?guī)С鰺崃?；Qw,lhfc為流化風(fēng)帶出熱量；Qw,csfc為吹掃風(fēng)帶出熱量；Qw,srm為布置在外置床內(nèi)的受熱面吸收走的熱量；Qf,mscr為煤燃燒生成的熱量；Qf,sscr為石灰石反應(yīng)生成的熱量；Qf,jfr為進(jìn)入爐膛的風(fēng)帶入的熱量；Qf,jhr為進(jìn)入爐膛的灰?guī)氲臒崃?；Qf,chr為爐膛出口灰?guī)С龅臒崃浚籕f,cyqr為煙氣帶出的熱量；Qf,pz為排渣帶出的熱量；Qf,srm為水冷壁受熱面吸熱量；Qf,sr為爐膛散熱損失的熱量；Qs,jhr為進(jìn)入分離器的灰?guī)氲臒崃?；Qs,jyqr為分離器進(jìn)口煙氣帶入的熱量；Qs,hrr為分離器后燃產(chǎn)生的熱量；Qs,chr為分離器出口灰?guī)ё叩臒崃?；Qs,fhr為尾部煙道飛灰?guī)ё叩臒崃?；Qs,cyqr為分離器出口煙氣帶走的熱量；Qs,sr為分離器散熱損失的熱量；Qden,wxhh為外循環(huán)灰?guī)氲臒崃浚籕den,ycf為一次風(fēng)帶入的熱量；Qden,mscr為煤燃燒產(chǎn)生的熱量；Qden,nxhh為內(nèi)循環(huán)灰?guī)氲臒崃?；Qden,xwl為從密相區(qū)到稀相區(qū)的細(xì)物料帶出的熱量；Qden,yq為密相區(qū)煙氣帶出的熱量；Qden,pz為排渣帶走的熱量；Qden,sr為密相區(qū)散熱損失的熱量，以上所有熱量的單位均為kJ/h.

2 計算模型

2.1 外置床模型

式(1)中Qw,lhfj、Qw,csfj、Qw,lhfc和Qw,csfc可以通過測量外置床流化風(fēng)量、吹掃風(fēng)量Vi(i=1,2,3,4)和溫度Ti，并根據(jù)對應(yīng)風(fēng)焓值Hi計算得到.

Qi=ViHi

(5)

Qw,srm可以通過測量HTR、LTS、ITS1、ITS2內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量qm,i(i=1,2,3,4)以及工質(zhì)焓值變化Δhi計算得到.

Qw,srm=∑qm,iΔhi

(6)

假設(shè)外置床進(jìn)、出口灰量相等，則由式(1)可以求出冷灰量：

(7)

式中：hw,rhj、hw,lhc分別為外置床進(jìn)口、出口灰焓值，kJ/kg.

2.2 爐膛模型

式(2)中進(jìn)入爐膛的風(fēng)包括一次風(fēng)、二次風(fēng)和回料風(fēng)以及外置床流化風(fēng)和吹掃風(fēng)，一次風(fēng)、二次風(fēng)和回料風(fēng)帶入的熱量通過測量各處風(fēng)量Vf,ycf、Vf,ecf、Vf,hlf和焓值hf,ycf、hf,ecf、hf,hlf，采用式(5)計算；Qf,srm可以通過測量水冷壁工質(zhì)質(zhì)量流量qm,slb以及對應(yīng)焓值hslbc、hslbj，采用式(6)計算.

Qf,mscr、Qf,sscr和Qf,sr的計算公式為：

Qf,mscr=qmQdwδlt

(8)

Qf,sscr=(152ηtl-57.19KCa/Sβ)·qmwS

(9)

Qf,sr=q5Qdwqm

(10)

式中：qm為給煤質(zhì)量流量，kg/h；Qdw為低位發(fā)熱量，kJ/kg；ηtl為脫硫效率，%；δlt為爐膛的燃燒份額，%；wS為石灰石中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；q5為散熱損失，%；KCa/S為石灰石鈣硫比；β為石灰石分解率，%.

Qf,cyqr可以通過測量分析爐膛出口煙氣體積V，以及各煙氣成分體積分?jǐn)?shù)φi和焓值hi計算得到.

Qf,cyqr=V·∑φihi

(11)

由于熱灰量未知，無法求出Qf,jhr和Qf,chr的值，假設(shè)一個比例系數(shù)k=qm,rh/qm,lh，在此情況下得到熱灰熱量Qf,rh及爐膛出口灰?guī)С龅臒崃縌f,chr.由式(2)可得

δlt=

(12)

δflq=1-δlt-q3-q4

(13)

式中:δflq為分離器的燃燒份額，%；q3、q4為可燃性氣體、固體未完全燃燒熱損失，%.

2.3 分離器模型

式(3)中Qs,fhr可以通過測量尾部煙道飛灰量qm,f,fh及對應(yīng)溫度下的焓值hf,fh計算獲得，Qs,cyqr的計算方法與Qf,cyqr一樣.假設(shè)爐膛出口的飛灰和煙氣全部進(jìn)入分離器，分離器熱平衡方程如下：

Qs,jhr=Qf,chr

(14)

Qs,jyqr=Qf,cyqr

(15)

分離器后燃產(chǎn)生的熱量由上文得到的分離器燃燒份額計算：

Qs,hrr=δflqQdwqm

(16)

通常分離器散熱損失的熱量通用計算公式為：

Qs,sr=σ1Qf,sr

(17)

式中:σ1為分離器與爐膛表面積之比.

由式(3)可以計算出分離器出口總灰量，即熱灰量與冷灰量之和.

(18)

式中:hflq為分離器出口灰焓值，kJ/kg.

2.4 密相區(qū)模型

CFB爐膛中的密相區(qū)類似于鼓泡床，在流化風(fēng)的作用下，形成了氣固兩相流動的乳化相和氣泡相，避免涉及到密相區(qū)內(nèi)部復(fù)雜的燃燒特性和傳熱特性，從整體上分析可得到密相區(qū)灰平衡方程：

qm,den,xwl+qm,den,pz=qm,den,wxhh+

qm,den,nxhh+qm,den,rlh

(19)

式中：qm,den,wxhh為進(jìn)入密相區(qū)的外循環(huán)灰量；qm,den,nxhh為由稀相區(qū)返回到密相區(qū)的內(nèi)循環(huán)灰量；qm,den,rlh為燃料燃燒生成的灰量；qm,den,xwl為隨流化風(fēng)從密相區(qū)到稀相區(qū)的細(xì)物料量；qm,den,pz為排渣帶走的灰量.

式(4)中Qden,ycf可以通過測量各一次風(fēng)量和溫度，由式(5)計算得到.Qden,mscr、Qden,wxhh、Qden,sr和Qden,yq的計算公式為：

Qden,mscr=qmQdwδden

(20)

Qden,wxhh=n2qmhwxhh

(21)

Qden,sr=σ2Qf,sr

(22)

Qden,yq=(1-qden,3-qden,4)qmHyq

(23)

式中:σ2為密相區(qū)與爐膛表面積之比；hwxhh為外循環(huán)灰焓，kJ/m3；δden為密相區(qū)的燃燒份額，%；n2為循環(huán)倍率；Hyq為燃燒1 kg燃料理論產(chǎn)生煙氣焓,kJ/kg；qden,3、qden,4為密相區(qū)氣體、固體未完全燃燒熱損失,%.

Qden,nxhh、Qden,xwl和Qden,pz通過各處灰量和對應(yīng)溫度下的焓值乘積計算得到，實際運行過程中qm，den,nxhh、qm，den,xwl和qm，den,pz很難準(zhǔn)確測量，由于密相區(qū)物料強(qiáng)烈混合，上下出口溫度與床溫近似相等，可以認(rèn)為內(nèi)循環(huán)灰、從密相區(qū)到稀相區(qū)的細(xì)物料與排渣灰焓值相等，且等于床溫下的灰焓值hcw，即hden,xwl=hden,nxhh=hden,pz=hcw.

由此聯(lián)立密相區(qū)的熱平衡和灰平衡方程可計算出循環(huán)倍率：

(24)

式中：wA為燃料含灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

在密相區(qū)熱平衡方程中，關(guān)鍵是確定密相區(qū)的燃燒份額δden，根據(jù)定義，忽略可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失，則δden為：

(25)

密相區(qū)中可燃固體未完全燃燒熱損失qden,4需要滿足以下關(guān)系式：

(26)

式中：α0為密相區(qū)理論過量空氣系數(shù)，可查表獲得；α*為密相區(qū)實際過量空氣系數(shù).

密相區(qū)實際過量空氣系數(shù)可通過測量密相區(qū)出口煙氣成分計算得到，但往往測量誤差大、難度高，因而計算結(jié)果并不準(zhǔn)確.本文計算方法中先假設(shè)一個合理的α*值，再通過循環(huán)迭代實現(xiàn)α*的自校驗和自修正.

2.5 計算流程

采用以上計算模型，設(shè)計程序計算流程如圖1所示.

3 模型驗證

3.1 應(yīng)用實例

以某300 MW CFB鍋爐為例，取其B-ECR工況下的運行數(shù)據(jù)來驗證該計算模型，其原始數(shù)據(jù)如表1所示，其中hw,rhj、hw,lhc分別為熱灰、冷灰焓值.

在取初值k=3,α*=1.2的情況下，計算得出相關(guān)參數(shù).為了驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時采用國外實際工程應(yīng)用中CFB鍋爐循環(huán)灰量的計算方法進(jìn)行了計算，對比結(jié)果如表2所示.

圖1 計算流程圖

表1 300 MW CFB鍋爐運行參數(shù)

表2 本文方法與實際工程計算結(jié)果的對比

Tab.2 Comparison of results respectively obtained by the method proposed and by actual application

參數(shù)實際工程本文方法相對誤差qm,rh/(kg·h-1)5.80135.77630.43qm,lh/(kg·h-1)1.98121.96970.58δden/%0.5110.5080.59n31.875331.73840.42α1.431.420.69

從表2可以看出，本文方法與實際工程計算結(jié)果的相對誤差小于1%，說明了該方法的準(zhǔn)確性.由于實際工程中計算循環(huán)倍率需要安裝大量的測點，如需要測量密相區(qū)上部煙氣成分來求出過量空氣系數(shù)，在爐內(nèi)安裝測點不僅不利于鍋爐的安全運行，而且測點磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重.而本文計算模型中的數(shù)據(jù)都是根據(jù)現(xiàn)有測點提供的，不需要額外安裝其他測點.

3.2 模型分析

3.2.1k值選取對收斂性的影響

計算模型中熱灰量與冷灰量之比k的初始取值決定著各參數(shù)的迭代過程，通常情況下，300 MW CFB鍋爐的熱灰量比冷灰量多,即k≥1.分別取k=1、2、3、4、5，代入計算模型得到各參數(shù)迭代曲線，如圖2所示.

(a)灰量

(b)分離器燃燒份額

從圖2可以看出，雖然k的取值不同，計算模型最終的迭代計算結(jié)果卻是一致的，即收斂到實際值，尋優(yōu)結(jié)果是全局的最優(yōu)值，可見計算模型的準(zhǔn)確性較高.k的取值影響著迭代次數(shù)及收斂速度，當(dāng)k取2～3時，迭代計算過程只需要幾步就能完成，偏離越遠(yuǎn)迭代的次數(shù)越多，收斂性也越差.經(jīng)驗證當(dāng)k=2.9時，迭代一次就結(jié)束了，可以認(rèn)為此時的k值為最佳設(shè)定值.這與實際工程上300 MW CFB鍋爐熱灰量與冷灰量比例約為2∶1～3∶1是一致的[12].實際工程應(yīng)用中不妨取k值為2～3，可以滿足較高的快速性和實時性要求.

3.2.2 煤質(zhì)對循環(huán)倍率的影響

在爐膛燃燒份額不變的前提下，煤質(zhì)特性是影響循環(huán)倍率的主要因素之一.煤質(zhì)特性主要包含煤的低位發(fā)熱量以及灰分和揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中灰分和揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化最終反映在發(fā)熱量上.實際上煤的低位發(fā)熱量是爐膛燃燒溫度和燃燒份額的決定性因素，因此煤的低位發(fā)熱量對爐內(nèi)熱平衡影響較大[13].以煤的低位發(fā)熱量為變化參數(shù)，通過計算模型得到循環(huán)倍率的變化曲線，如圖3所示.

圖3 循環(huán)倍率與煤的低位發(fā)熱量的關(guān)系

從圖3可以看出，循環(huán)倍率隨著煤的低位發(fā)熱量的增大而升高，但當(dāng)煤的低位發(fā)熱量超過1.8×104kJ/kg時，循環(huán)倍率的上升趨勢逐漸變緩.這是由于燃燒劣質(zhì)煤時，燃料著火困難，需要保證燃燒室有足夠高的溫度使燃燒順利進(jìn)行，進(jìn)入爐膛的低溫循環(huán)灰相應(yīng)減少，循環(huán)倍率降低；而當(dāng)燃燒優(yōu)質(zhì)煤時，燃料熱值高，著火容易，為了避免爐膛內(nèi)溫度過高而結(jié)焦，需要增加進(jìn)灰量來調(diào)節(jié)床溫，循環(huán)倍率升高.當(dāng)煤的低位發(fā)熱量繼續(xù)增大時，鍋爐熱負(fù)荷上升，水冷壁吸熱量和爐膛散熱量增加，為了維持爐內(nèi)燃料燃燒的熱平衡，需合理調(diào)節(jié)回料閥閥門開度來控制進(jìn)入爐膛的低溫循環(huán)灰量，因此循環(huán)倍率的升高并不是很明顯.

實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)循環(huán)倍率與煤的低位發(fā)熱量的關(guān)系，選擇合適的煤種或改變煤泥的摻燒比例以得到燃料的不同發(fā)熱量，控制循環(huán)倍率在給定的范圍內(nèi).

3.2.3 一次風(fēng)、二次風(fēng)配比對循環(huán)倍率的影響

一次風(fēng)量、二次風(fēng)量比例(即一次風(fēng)、二次風(fēng)配比)是影響CFB鍋爐循環(huán)倍率的另外一個主要因素.取3種不同的一次風(fēng)量與二次風(fēng)量比例(分別為1∶1、6∶4、4∶6)，代入計算模型得到一次風(fēng)、二次風(fēng)配比與循環(huán)倍率的關(guān)系，如圖4所示.

從圖4可以看出，循環(huán)倍率隨一次風(fēng)量、二次風(fēng)量的增加而升高，但是受一次風(fēng)量的影響遠(yuǎn)大于二次風(fēng)量.這主要是由于受一次風(fēng)、二次風(fēng)作用的影響，一次風(fēng)將床料從密相區(qū)吹入稀相區(qū)進(jìn)一步燃燒，增大了煙氣流速，夾帶更多的物料進(jìn)入分離器，分離器的捕捉量與分離效率也會相應(yīng)提高，最終結(jié)果是使送回爐膛的循環(huán)灰量增加，循環(huán)倍率自然也提高.而二次風(fēng)則影響著稀相區(qū)的燃燒特性和傳熱特性，加大二次風(fēng)量會加劇物料的橫向流動和返混現(xiàn)象，一定程度上增加了內(nèi)循環(huán)灰量，但其對物料縱向流動的作用遠(yuǎn)不及一次風(fēng)，因此循環(huán)倍率受二次風(fēng)量影響較小.實際工程應(yīng)用中需要合理考慮鍋爐運行時的安全性與經(jīng)濟(jì)性，選擇最佳的一次風(fēng)、二次風(fēng)配比.

圖4 循環(huán)倍率與一次風(fēng)、二次風(fēng)配比的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)本文計算模型迭代速度快、收斂性強(qiáng)，在計算出循環(huán)倍率的同時能求出燃燒份額與過量空氣系數(shù)等關(guān)鍵性參數(shù).計算結(jié)果與實際工程相對誤差小于1%，說明該計算模型的準(zhǔn)確性高.

(2)本文計算模型能夠較真實地反映煤質(zhì)和一次風(fēng)、二次風(fēng)配比對循環(huán)倍率的影響，為電廠CFB鍋爐循環(huán)倍率的控制與優(yōu)化提供了一定的參考.

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Calculation Model for Circulation Ratio of Circulating Fluidized Bed Boilers

LIUJizhen,ZHANGBao

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

A "four-circle two-iteration" calculation model was proposed for circulating fluidized bed (CFB) boilers based on the heat balance and material balance in the furnace, with which, not only the circulation ratio, but also some other key parameters can be calculated simultaneously, such as the combustion fraction in the separator, furnace and dense phase region as well as the excess air coefficient in the dense phase region. According to the operation data of a 300 MW CFB boiler, the effects of coal quality and primary to secondary air ratio on the circulation ratio were analyzed. Results show that the model can accurately calculate related parameters and reasonably reflect how above factors influencing the circulation ratio of CFB boilers, which therefore may serve as a reference for control and optimization of the circulation ratio in CFB boilers.

heat balance; circulation ratio; coal quality; combustion fraction

1674-7607(2017)08-0597-06

TK314

A

470.30

2016-06-16

2016-08-24

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0600205)

劉吉臻(1951-)，男，山西嵐縣人，教授，博士，研究方向為復(fù)雜系統(tǒng)建?？刂啤⒐I(yè)過程測控理論與技術(shù). 張 報(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.):18810720972；E-mail：zhangbao1523@ncepu.edu.cn.