陳寶明，段鈺鋒，耿新澤，許一凡，趙士林，黃天放

(東南大學 能源與環(huán)境學院 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃燒技術具有燃料適應性廣、燃燒效率高、污染物排放低以及負荷調節(jié)方便等優(yōu)點，被廣泛應用于電站鍋爐，成為劣質煤商業(yè)化最成功的潔凈煤燃燒技術[1-2]。但常規(guī)CFB電站存在部分爐型可靠性差、熱利用率低、供電效率不足等缺點[3-4]，因此，CFB鍋爐熱力性能測試對了解鍋爐的實際運行狀況、優(yōu)化燃燒、提高鍋爐熱效率具有重要意義。目前，電站鍋爐熱效率計算標準有2種：DL/T 964—2018《循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》和美國機械工程師協(xié)會頒布的ASME-PTC4—1998《鍋爐性能試驗規(guī)程》[5]。二者按照計算的標準分為輸入-輸出熱量法(正平衡法)和熱損失法(反平衡法)。反平衡法簡單易行，數(shù)據(jù)可靠，測試結果可為鍋爐的運行參數(shù)優(yōu)化和提高鍋爐效率提供有效參考[6-7]。

針對鍋爐性能測試的常規(guī)熱平衡法具有周期較長、成本較大、諸多參數(shù)不易獲取、核算繁瑣且無法實時掌握鍋爐熱效率等缺點，采用相關軟件對CFB鍋爐進行流程模擬，可快捷獲得鍋爐工業(yè)試驗條件下的運行參數(shù)?；贏spen Plus強大的物性數(shù)據(jù)庫和靈活且便于計算的單元模塊，可方便靈活地模擬煤轉化過程中的物料能量變化[8]，近年來被廣泛應用于燃燒領域。白慧峰等[9]借助Aspen Plus對某超超臨界機組熱力系統(tǒng)進行建模，并對其性能進行預測分析；Ravikiran等[10]基于Aspen Plus中Gibbs自由能小化原理模擬煤氣化過程，研究了加入H/C和O/C比對氣化爐產出氣的組成、氣化爐內溫度及有效氣(CO+H2)產率的影響。段倫博[11]利用Aspen Plus建立氣固流動、揮發(fā)分析出和燃燒、焦炭燃燒、NOx生成和脫硫子模型的循環(huán)流化床O2/CO2燃燒綜合模型，研究表明Aspen Plus可較為準確地模擬出煤顆粒在O2/CO2氣氛下的燃燒情況。趙偉剛等[12]利用Aspen Plus從熱力學角度對循環(huán)流化床煤氣化制取合成氣進行了模擬及計算分析，根據(jù)實測數(shù)據(jù)驗證了模型的準確性。Wayne Doherty等[13]使用Aspen Plus建立一個CFB生物質氣化爐的計算模型，基于吉布斯自由能最小化原理，用限制平衡法對試驗數(shù)據(jù)進行了校正，很好地預測了合成氣的組分、轉換率及熱值，模型與數(shù)據(jù)結果契合良好。王龍飛等[14]利用Aspen Plus對350 MW超臨界循環(huán)流化床進行建模，并通過該模型分析了循環(huán)流化床鍋爐的分布特性和損失的影響因素，有效揭示了各種損失及其發(fā)生的部位。

目前基于Aspen Plus對CFB的研究大多是關于煤氣化爐或污染物排放控制的模擬，而對鍋爐能耗診斷與熱力性能研究較少。本文以75 t/h CFB鍋爐為對象，基于Aspen Plus軟件平臺建立CFB鍋爐模型，預測鍋爐在滿負荷工況條件下熱損失及熱效率，通過模擬結果與試驗結果對比，驗證了模型算法的準確性與Aspen Plus模擬計算鍋爐熱效率的可行性，為CFB鍋爐熱效率的模擬預測提供了新方法，可用于鍋爐運行參數(shù)的實時計算及優(yōu)化。

1 鍋爐系統(tǒng)及試驗方法

1.1 CFB鍋爐概述

以一臺額定蒸發(fā)量為75 t/h的CFB鍋爐為測試對象，該鍋爐采用混合動力煤為燃料，鍋爐全流程系統(tǒng)如圖1所示，主要包含煤和石灰石供給系統(tǒng)、CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)、尾部煙道、布袋除塵裝置(FF)系統(tǒng)、濕法煙氣脫硫(WFGD)系統(tǒng)、煙囪等。該系統(tǒng)具備完善的DCS控制系統(tǒng)，可實時調節(jié)、控制、記錄鍋爐運行數(shù)據(jù)。

該鍋爐型號為TG-75/5.3-M41，系單鍋筒、自然循環(huán)水管鍋爐，爐膛下部為密相區(qū)，上部為稀相區(qū)，四周為膜式水冷壁，爐膛出口布置2只蝸殼式絕熱旋風分離器，尾部煙道布置有高、低溫過熱器，省煤器及空預器。采用床下熱煙氣點火技術，一次風經水冷風室及布風板送入爐膛，約占60%，二次風經空預器加熱至138 ℃后進入爐膛。爐膛煙氣經旋風分離器分離飛灰顆粒后，依次經過高、低溫過熱器、省煤器、空預器、布袋除塵器、濕法脫硫裝置后，由引風機排入煙囪。

圖1 75 t/h CFB鍋爐系統(tǒng)及取樣點布置Fig.1 Systematic diagram of 75 t/h CFB boiler and sampling point

1.2 試驗工況參數(shù)

本試驗進行了3種鍋爐不同負荷對CFB鍋爐效率的影響，分別為高(112.68% BMCR，工況1)、滿(100.87% BMCR，工況2)、低(84.65%BMCR，工況3)3個負荷。測試期間鍋爐負荷穩(wěn)定，測試工況及鍋爐主要參數(shù)見表1。經測量大氣壓力平均值為103.437 kPa，大氣平均溫度為12 ℃。

1.3 測試內容

爐膛溫度(A點)、燃煤量、空氣流量等直接選用鍋爐DCS數(shù)據(jù)，煙氣組分及排煙溫度的測點位于一級空預器出口的B點，入爐煤樣取樣位于C點，燃燒空氣壓力及溫度測點鼓風機出口的D點，如圖1所示。試驗期間各主要參數(shù)維持穩(wěn)定。

表1 測試工況及鍋爐主要參數(shù)

1.3.1煙氣組分、流量和排煙溫度

在空預器出口煙道取樣點B，按網格法設置煙氣取樣點，使用高精度M-9000便攜式煙氣分析儀測量煙氣組分。測試過程中采用金屬過濾網及濾膜對煙氣進行除灰過濾，取樣管線全程伴熱以防止水汽冷凝對煙氣組分造成影響。為防止水蒸氣進入煙氣分析儀產生凝結對設備造成損壞，在煙氣分析儀前放置干燥劑去除水分，由于硅膠對SO2、NO濃度有較大影響[15]，CaCl2在200 ℃下與SO2、NOx等氣體不發(fā)生反應且具有良好的除水特性[16]，因此選用CaCl2顆粒做除水劑。測試期間每隔15～20 min進行一次煙氣成分分析取樣測量，排煙溫度由取樣管上的熱電偶直接測得。煙氣流量(流速)測定采用等截面積標準畢托管法[17]，S型畢托管孔徑較大，不易堵塞，適用于煙塵含量較高的煙道煙氣流速檢測[18]。本文利用S型畢托管和U型差壓計測量動壓計算煙氣流速，由測點截面面積計算煙氣量。

1.3.2入爐煤、飛灰、爐渣取樣

對煙氣進行取樣測速時，為保證取樣測試的同時性和準確性，同時對入爐煤、爐渣、飛灰進行取樣。按照DL/T 567.5—1995《火電廠燃料試驗方法灰及渣中硫的測定和燃煤可燃硫的計算》對上述固樣進行含碳量分析。目前，爐渣、飛灰中可燃物含量(UBC)的測定方法主要有元素分析法、灼燒減量法、工業(yè)分析法和灼燒減量校正法(IDM)測定[19-20]。為提高測試精度，保證試驗結果的準確性、有效性，UBC的測定采用IDM法[21]。

2 基于Aspen Plus的模型構建

2.1 物性方法選擇

在燃煤鍋爐Aspen Plus建模中，由于煤裂解燃燒過程涉及煙氣組分的轉換，因此選用適合CFB鍋爐燃燒的PR-BM法作為建模輸入的物性方法。常規(guī)組分包括H2O、N2、O2、CO2等，非常規(guī)組分包括Coal及Ash，只需對其進行密度和焓的計算，焓計算模型采用HCOALGEN，密度計算模型采用DCOALIGT。

2.2 建模假設

由于CFB鍋爐實際燃燒過程及運行工況較為復雜，若全面考慮各因素將使建模復雜化，可能增大誤差影響模型精度。因此，本文對建模系統(tǒng)做如下假設：① 煤的燃燒和裂解過程為瞬時發(fā)生，認為整個過程由化學反應平衡控制；② 非常規(guī)組分中僅含有Coal與Ash；③ 過程為穩(wěn)態(tài)模擬，所有變量不隨時間變化；不計算流程的壓力及壓力降，二者作為單元模塊的設定輸入條件；④ 鍋爐實際運行中，未燃燒充分的煤顆粒通過旋風分離回料器與返料灰一起送回爐膛，這里簡化為直接接入RYIELD模塊，再作為RGIBBS模塊的輸入流參與燃燒反應；⑤ 煤燃燒顆粒及氣體溫度恒定且等于床溫。

2.3 CFB鍋爐建模流程

根據(jù)以上假設，針對CFB鍋爐實際運行過程，建立Aspen Plus模擬流程如圖2所示。將循環(huán)流化床鍋爐爐膛處理為一個收率反應器(RYIELD)和一個吉布斯自由能反應器(RGIBBS)，用于模擬燃料的燃燒。煤作為非常規(guī)組分，先進入RYIELD反應器發(fā)生熱解反應，該模塊將非常規(guī)固體物質按照元素質量平衡裂解為常規(guī)組分：C、H2、O2、N2、S、H2O及非常規(guī)組分灰分，裂解熱DE-COMP傳遞至反應單元，裂解組分的收率通過Aspen Plus內嵌模塊Calculator控制。裂解后各組分產生的混合煙氣通過M1流股進入RGIBBS模塊中進行燃燒反應，該模塊基于Gibbs自由能最小化原理可對產物煙氣的組成和溫度進行預測[22]。產物通過流股M2進入氣固分離模塊SSplit分離后，輸出的2股物流：一股是全部氣體成分及少量固體灰分顆粒的煙氣流FULEGAS，另一股是分離下來的絕大部分灰分顆粒流Ash，在其后設置一個HEATER換熱模塊“Q6”來計算分離灰分從排渣溫度冷卻至室溫過程中的焓變，即為灰渣物理熱損失；煙氣流FULEGAS進入后續(xù)尾部煙道中與各換熱模塊HEATER表示的換熱設備進行換熱。CFB鍋爐系統(tǒng)模型所用模塊與設備對應關系見表2。注意在尾部煙道出口，用2個HEATER模塊“Q4”、“Q2”分別計算固體不完全燃燒熱損失和排煙物理熱損失的熱量，各換熱器的數(shù)據(jù)均來源于現(xiàn)場實測值。

圖2 CFB鍋爐Aspen Plus模擬流程Fig.2 Simulation flow chart of Aspen Plus for CFB boiler

表2 模型所用模塊

在模擬煤熱解過程中，需對加入的RYIELD模塊定義各裂解產物的收率，本文利用Aspen Plus的COMPUST模型(Calculator模塊)編寫Fortran語句來規(guī)定裂解產物的收率[23]。

3 結果與分析

對75 t/h CFB鍋爐進行了3個不同負荷的試驗工況，每個工況進行2組平行測試，結果取算術平均值。根據(jù)GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》要求，為保證測試結果的可靠性、有效性，每組工況2次反平衡試驗所得效率之差不大于4%。試驗在鍋爐系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工況下運行，期間鍋爐燃燒穩(wěn)定，設備運行正常，各主要參數(shù)維持穩(wěn)定。

3.1 入爐煤樣分析

3種工況下的煤樣工業(yè)分析和元素分析見表3，該數(shù)據(jù)作為計算鍋爐燃料有效利用熱的依據(jù)。由表3可知，Mar=21.25%～22.92%，Vdaf=42.13%～45.48%，遠高于鍋爐用煤分級標準的37%[24]，屬高水分高揮發(fā)分煤；Ad=21.12%～23.25%，Qgr,d=21.85～23.01 MJ/kg，屬中灰中熱值煤[25]。

3.2 爐渣、飛灰未燃盡碳含量

由灼燒減量校正法(IDM)測得3種負荷下飛灰、爐渣及總灰中的UBC含量如圖3所示。CFB燃燒條件下，UBC主要富集于飛灰中，含量在13.28%～16.40%；相比飛灰，爐渣中UBC含量較少，僅為2.92%～3.39%。3種負荷下，總灰中的UBC(為飛灰、爐渣按照2∶1混合后計算的含碳量)與飛灰中UBC含量變化趨勢一致，即高負荷、低負荷工況的UBC均高于滿負荷。通過運行中DCS實時數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該電廠在調節(jié)負荷變化時，雖然一次風壓較穩(wěn)定維持在7.3～7.6 kPa，但二次風則隨負荷變化且風壓變化幅度較大，高負荷時二次風壓高達6.29 kPa，低負荷時二次風壓低至2.1 kPa。風壓變化導致流化風速變化，造成爐膛一、二次風混合不均勻，燃燒效果較差，導致入爐煤燃燒不充分。該結果與文獻[26]對切圓燃燒鍋爐爐渣UBC的分析結果一致。

表3 3種工況下入爐煤樣工業(yè)分析及元素分析

圖3 飛灰、爐渣及總灰中的UBC含量Fig.3 UBC content in fly ash,slag and total ash

3.3 鍋爐熱損失及熱效率

利用反平衡法得出3種工況(超負荷、滿負荷、低負荷)下鍋爐的實際熱效率，并與滿負荷設計工況進行對比。實際計算獲得的3種工況下平行測試熱效率之差皆小于4%，其平均值見表4。由測試結果可知，實際各項熱損失值與滿負荷工況下熱損失值基本相近，滿足GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》要求。

該鍋爐在3個工況下的平均效率為86.83%，略低于滿負荷狀況下的熱效率，誤差為3.5%。由于熱效率測試是動態(tài)過程，鍋爐運行參數(shù)的變化造成耗煤量、汽水參數(shù)等波動以及不可避免的人為誤差等因素，認為誤差在0～±4%內可信[27]。因此，3種工況測試的熱效率均在許可范圍內，說明試驗結果準確、可靠。

表4 各工況下鍋爐效率及各項熱損失

由表4可知，q2在7.64%～7.93%，高于設計值6.09%，主要是由于排煙溫度較高所致，實測中3個工況下的排煙溫度皆遠超于設計值140 ℃，而排煙溫度過大可能是由于換熱器積灰老化等原因導致?lián)Q熱效率降低，且入爐煤種的高水分無疑增加了排煙容積，使q2增大[28]。q4在3.72%～4.69%，比設計值2.96%略高。主要原因在于飛灰中可燃物含量較高，另外，飛灰及爐渣粒度較大，灰分較高，也導致q4高于設計值。散熱損失q5在0.60%～0.80%，與設計值相近，主要與爐膛及煙風汽水管道的保溫有關?；以鼰嵛锢頁p失q6在0.37%～0.40%，是設計值(0.12%)的3倍左右。對比工況1與工況3，煤種灰分越高，發(fā)熱量越低，q6越大，同時由于排渣溫度較高，也導致q6增大?；以剂俊⑴旁鼫囟?、煤種灰分及發(fā)熱量都是q6的主要影響因素。

不同工況下的熱效率及熱損失分布、不同鍋爐負荷對各項熱損失比率的影響如圖4、5所示。

圖4 不同工況下的熱效率及熱損失分布Fig.4 Thermal efficiency and heat loss distribution under different boiler load

圖5 不同鍋爐負荷對各項熱損失比率的影響Fig.5 Effect of different boiler loads on heat loss ratios

隨著鍋爐負荷由超負荷向低負荷變化，鍋爐整體熱效率先升后降，滿負荷運行時達到極大值，相應地鍋爐熱損失在滿負荷運行時達到極小值點。在各項熱損失中，排煙熱損失q2占比最大，其次是機械不完全燃燒熱損失q4，二者占總熱損失的91%，成為影響熱效率的最主要因素。隨鍋爐負荷從低到高，q2、q4、∑q的3條曲線變化趨于一致，且呈很強的正相關性。散熱損失q5及灰渣物理熱損失q6相對較小，其中q5變化與負荷呈線性相關，隨鍋爐負荷的升高而上升，q6的變化趨勢與q4相同?；瘜W不完全燃燒熱損失q3為熱損失中的最小項，其變化趨勢與負荷呈負相關，隨鍋爐負荷降低，q3略增大?？赡苁怯捎跔t膛溫度降低使燃燒不充分，且入爐煤揮發(fā)分越高，這部分熱損失越大。

3.4 模型驗證

利用Aspen Plus對CFB鍋爐進行全流程建模，選用滿負荷條件下(工況2)的初始工況參數(shù)得到預測的模擬計算結果。模擬煙氣組分與CFB鍋爐測試結果對比見表5。

由于試驗期間，鍋爐未加入CaCO3進行爐內煙氣脫硫，煙氣脫硫在后續(xù)的濕法煙氣脫硫裝置中進行，因此建模物流輸入也未考慮CFB爐內脫硫部分。

由表5可知，O2、CO2、N2、H2O、SO2的模擬結果與實測數(shù)據(jù)接近，各組分體積分數(shù)的實測值與模擬值誤差在0.08%～0.26%，驗證了建模的準確性、可靠性，因此可利用Aspen Plus合理預測煤燃燒過程。

表5 模擬煙氣組分與實測值對比

3.5 模型法與實測法鍋爐熱效率對比

基于Aspen Plus建立的CFB鍋爐全流程模型可預測鍋爐各項熱損失和熱效率。鍋爐各項熱損失與熱效率的模擬與實測結果對比見表6。

表6 Aspen Plus模型法與實測法得到的鍋爐各項熱損失及熱效率對比

由表6可知，實測法和模型法對熱效率及各項熱損失的計算結果極為接近，q2實測結果為7.75%，模型結果為6.48%；q4的實測結果為3.72%，模型結果為3.17%；二者的相對誤差較小，說明利用Aspen Plus建模可以對排煙熱損失及固體不完全燃燒熱損失進行較為精準的預測。q3和q6的相對誤差較大，可能是由于這2部分占比極小，對鍋爐熱效率影響較小。散熱損失部分未采用Aspen Plus模塊計算，而是查取電廠性能測試鍋爐外部冷卻曲線圖所得。基于以上模擬結果，模擬計算得到的鍋爐熱效率為88.66%，與實測法87.426%極為接近，相對誤差僅為1.41%，驗證了建模思路及方法的準確性和可靠性，說明基于Aspen Plus對CFB鍋爐建模進行鍋爐熱力計算可行、可靠。

4 結 論

1)根據(jù)75 t/h CFB鍋爐實際運行情況，采用反平衡法對鍋爐熱效率進行性能測試，并基于Aspen Plus流程模擬軟件對鍋爐熱力系統(tǒng)進行模擬計算。在CFB鍋爐超負荷、滿負荷和低負荷運行條件下，UBC主要富集于飛灰中，含量在13.28%～16.40%；爐渣中UBC含量較少，僅為2.92%～3.39%。3種負荷下，總灰中UBC含量與飛灰中的變化趨勢一致，即高負荷、低負荷工況的UBC均高于滿負荷。

2)在CFB鍋爐超負荷、滿負荷和低負荷運行條件下，各項熱損失中，排煙熱損失q2占比最大，為7.64%～7.93%，高于設計值6.09%；其次為機械不完全燃燒熱損失q4，占比3.72%～4.69%，比設計值2.96%略高；散熱損失q5及灰渣物理熱損失q6相對較小，二者占比約1%；氣體不完全燃燒熱損失q3最小，不足0.1%。

3)3個工況下鍋爐的平均熱效率為86.835%，低于設計值90%。隨著鍋爐負荷由低到高，鍋爐整體熱效率先升后降，滿負荷時最高，高負荷和低負荷時較低。鍋爐負荷從低到高時，q2、q4、∑q(總熱損失)變化趨勢一致，呈現(xiàn)很強的正相關性。

4)基于Aspen Plus建立的75 t/h CFB鍋爐全流程熱力系統(tǒng)模型，其煙氣組分的模擬結果與實際測試結果基本吻合，誤差在0.08%～0.26%。模擬計算得到的鍋爐熱效率為88.66%，與實測法87.426%極為接近，相對誤差僅為1.41%。驗證了建模思路及方法的準確性和可靠性，說明基于Aspen Plus對CFB鍋爐建模進行鍋爐熱力計算可行、可靠。