中圖分類號：TK227.7 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）07-094-10

Dynamic simulation of a ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler during main fuel trip and boiler trip

LI Guo13，TAO Xiangyu2， ZHANG Zonglong2， YANG Chen2，DENG Qigang ^1，3 ，NIE Li^1，3 HE Wei3，LI Weichen'3，LU Jiayi'3，GONG Liming13 Clean Combustion and Flue Gas Purification Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu 611731， ： R.China; 2.School of Energy and Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 40044，P.R. China; 3. Dongfang Electric Corporation， Dongfang Boiler Group Co.，Ltd.， Zigong， Sichuan 6430o1，P.R. China）

Abstract：To investigate the dynamic characteristics ofan ultra-supercritical circulating fluidized bed （CFB）boiler during main fuel trip （MFT） and boiler trip （BT） events， a mathematical model of a 660MW ultra-supercritical CFB boiler was established using the Apros simulation platform.The model dynamically simulates MFT and BT scenarios under coal conbustion conditions at 100% BMCR （boiler maximum continuous rating）， 75% THA （turbine heat acceptance） and 50% THA operating loads. Numerical results show that under 50% THA operating conditions，the steam-water separator rapidly transitions from dry to wet operation folowing MFT and BT activationand gradually returns to dry operation after system reset.These frequent dry-wet transitions increase thermal stress on the steam-water separator， potentially reducing its service life and compromising equipment safety.Therefore，triggering MFT and BT under low-load conditions should be avoided to ensure system reliability.

Keywords： ultra-supercritical; circulating fluidized bed boiler; main fuel trip; boiler trip; dynamic simulation

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)得益于良好的燃料適應(yīng)性和環(huán)保性能，在國內(nèi)得到了快速發(fā)展，容量更大、參數(shù)更高、環(huán)保性能更好是循環(huán)流化床鍋爐的主要發(fā)展方向[]。2019年國家能源局正式批復(fù)貴州威赫電廠660MW 超超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范項目[4]，2020年貴州威赫 660MW 超超臨界CFB（circulating fluidizedbed，CFB）鍋爐發(fā)電機組進入建造階段，貴州威赫 660WM 超超臨界CFB鍋爐是目前世界上循環(huán)流化床單機容量最大、參數(shù)等級最高、機組整體性能最先進的鍋爐，解決了高硫無煙煤高效、清潔利用的世界難題。

國內(nèi)針對清潔高效的超超臨界循環(huán)流化床鍋爐已有多項研究[5-8]，對于 660MW 超超臨界CFB鍋爐的子系統(tǒng)的研究也有報道[]，但對 660MW 超超臨界CFB鍋爐的整體系統(tǒng)特性，尤其是系統(tǒng)動態(tài)特性的研究則較少。現(xiàn)有研究主要關(guān)注鍋爐的子系統(tǒng)，如汽水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、灰循環(huán)系統(tǒng)等，而針對 660MW 超超臨界CFB鍋爐系統(tǒng)級的仿真研究少有報道。研究鍋爐整體的動態(tài)特性，特別是事故工況下鍋爐的動態(tài)響應(yīng)，對CFB鍋爐的安全有效運行具有重要意義。文中利用APROS仿真支撐軟件建立了 660MW 超超臨界CFB鍋爐整體動態(tài)仿真模型，研究了 660MW 超超臨界CFB鍋爐運行時的動態(tài)特性，包括主燃料跳閘（masterfueltrip，MFT）和鍋爐跳閘（boilertrip，BT）。

1系統(tǒng)模型

1.1 鍋爐本體

文中建立數(shù)學(xué)模型的對象為貴州威赫 660MW 超超臨界循環(huán)流化床鍋爐，布置圖如圖1所示，該鍋爐采用單爐膛，褲叉腿結(jié)構(gòu)。一次風(fēng)由底部的布風(fēng)板進人爐膛，使爐膛底部的床層處于流化態(tài)。在一次風(fēng)作用下，床料從底部爐膛向上運動。隨著爐膛升高，固體向上運動速度逐漸減小，在爐膛壁面附近向下運動，形成爐膛內(nèi)的物料循環(huán)過程。爐膛出口的顆粒物被旋風(fēng)分離器捕獲進入外置床并從返料器返回爐膛，形成物料的外部循環(huán)。

圖1循環(huán)流化床鍋爐布置示意圖 Fig.1 Layout of circulating fluidizedbed boiler

1.2CFB爐膛的氣固兩相流動與傳熱模型

1.2.1 氣固兩相流動模型

CFB爐膛氣固兩相流動基于“核心-環(huán)\"模型，由于爐膛內(nèi)顆粒物濃度的分布不均勻，中心核心區(qū)固體顆粒濃度較低向上運動，壁面附近固體顆粒濃度較高圍繞核心區(qū)向下運動形成環(huán)狀區(qū)，構(gòu)成“核心-環(huán)\"流動結(jié)構(gòu)，如圖2所示[12]。

圖2CFB中“核心-環(huán)”流動結(jié)構(gòu)示意圖

在APROS仿真模型中，CFB爐膛沿爐膛高度方向劃分為若干個節(jié)點，每個節(jié)點包含1對“核心-環(huán)”，按照固體顆粒的濃度分布，將爐膛分為底部密相區(qū)和上部稀相區(qū)，如圖3所示[13-14]。

Fig.2Schematicdiagramofthe\"core-ring\"flowstructure inCFB

圖3APROS中CFB的\"核心-環(huán)\"模型 Fig.3The \"core-ring\"model of CFB in APROS

1）稀相區(qū)：每一個氣相節(jié)點包含2個固相節(jié)點（“核心-環(huán)\"對），用分流系數(shù)調(diào)節(jié)“核心-環(huán)\"對之間的固體質(zhì)量輸運，最上部節(jié)點與旋風(fēng)分離器相連。在核心區(qū)，固體顆粒向下運動，在環(huán)狀區(qū)向下運動。

2）界面層（interfacelayer）：提供稀相區(qū)求解的邊界條件，是一個虛擬的界面。

3）底部床層（high-densitybed）：只有一個節(jié)點，假定固體顆?；旌暇鶆颉?/p>

1.2.2 傳熱模型

爐膛內(nèi)的傳熱發(fā)生在爐內(nèi)氣固兩相流與各受熱面之間，如圖4所示[14]。

圖4APROS中CFB的傳熱模型

Fig.4HeattransfermodelofCFBinAPROS

傳熱模型簡化為：

1）爐膛內(nèi)氣固兩相之間充分換熱，氣固兩相溫度相等；

2）“核心-環(huán)”之間只有通過質(zhì)量輸運產(chǎn)生的能量交換，忽略熱擴散；

3）將氣-固兩相與水冷壁之間的傳熱簡化為只有氣相與水冷壁進行傳熱。

努塞爾數(shù) Nu_s，g^[15]

式中： ε_s，mf 表示最小流化速度下的固相體積分數(shù)； ρ_g，ρ_s 分別為氣相和固相密度； ΔL 為節(jié)點高度； g 為重力加速度； Re 為雷諾數(shù)； Pr 為普朗特數(shù)。

節(jié)點壓損 Δp 計算式為

式中： A_b 為節(jié)點面積； m_s 為節(jié)點內(nèi)質(zhì)量。壓力損失系數(shù)計算為

式中， u_g 為氣相速度。床層和燃料的熱擴散采用以下公式計算。用2個相鄰節(jié)點 i 和 （i+1） 計算由于顆粒運動產(chǎn)生的熱擴散[15]：

式中： 為定壓比熱容； D_th 是熱擴散系數(shù)； m_i 為節(jié)點 i 中質(zhì)量; T_i 和 T_i+1 分別為節(jié)點 i 和 （i+1） 的平均溫度。

燃料擴散的擴散速度為

式中： m_i，fuel 和 m_{i+1，fuel} 分別為節(jié)點 i 和 i+1 中的燃料。

平均床溫為

式中： V_i 為節(jié)點 i 的體積； V_tot，bed 為床層總體積。

1.4 煙風(fēng)系統(tǒng)

1.4.1一次風(fēng)系統(tǒng)

一次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后，作為一次燃燒用風(fēng)和流化風(fēng)進入爐膛底部的水冷風(fēng)室，通過布置在布風(fēng)板上的風(fēng)帽使床料流化，形成向上流動的氣固兩相流。

1.4.2 二次風(fēng)系統(tǒng)

二次風(fēng)經(jīng)暖風(fēng)器，空氣預(yù)熱器加熱后分為2層，進入爐膛下部內(nèi)側(cè)及外側(cè)，作為燃燒以及燃燒調(diào)整用風(fēng)。

1.4.3 煙氣系統(tǒng)

燃料燃燒產(chǎn)生的熱煙氣將熱量傳遞給爐膛水冷壁，然后流經(jīng)旋風(fēng)分離器，進入后豎井包墻，墻內(nèi)布置有低溫過熱器、低溫再熱器和省煤器。煙氣再進入煙氣給水加熱器和空氣預(yù)熱器，最后進入除塵器，流向煙肉，排向大氣。

圖5CFB的煙-風(fēng)系統(tǒng)示意圖

Fig.5Schematic diagram of the air-flu gas system

1.5 汽水系統(tǒng)

1.5.1 氣液兩相流動模型

為了精確地模擬汽水系統(tǒng)“氣-液\"兩相流動的動態(tài)特性，采用氣液兩相流動的“六方程\"模型。氣液兩相流模型分別針對氣相以及液相建立質(zhì)量守恒、能量守恒以及動量守恒方程。汽水側(cè)氣液兩相流數(shù)學(xué)模型如下所示[1]：

質(zhì)量守恒：

動量守恒：

能量守恒：

式中：下標 k 表示氣體和液體中任意一種；下標 i 和 w 分別表示兩相與壁面接觸面； T 表示兩相之間質(zhì)量交換率； F 表示摩擦力； 表示熱量；動量方程后3項分別表示閥門摩擦力、沿程摩擦和泵的壓頭，能量方程中 h 表示考慮了動能在內(nèi)的總焓。

1.5.2 過熱蒸汽系統(tǒng)

鍋爐給水從給水泵出口進入煙氣給水加熱器，吸收煙氣熱量后進入省煤器，由省煤器出口集箱經(jīng)連接管進入水冷壁入口集箱，從水冷壁出口的蒸汽（或汽水混合物）進入汽水分離器。在鍋爐低負荷運行時，水冷壁出口為汽水混合物，經(jīng)汽水分離器后疏水進入儲水罐，蒸汽則依次流經(jīng)旋風(fēng)分離器入口煙道、后豎井包墻、吊掛管、低溫過熱器，再流經(jīng)爐膛內(nèi)的中溫過熱器，最后流經(jīng)外置床中的高溫過熱器。過熱蒸汽溫度是由水-煤比和三級噴水減溫來控制。第一級減溫器布置在低溫過熱器（low temperature superheater，LTS）出口和一級中溫過熱器（intermediate temperature superheater1，ITS1）之間;第二級減溫器布置在二級中溫過熱器（ITS2）出口和一級高溫過熱器（high temperature superheater1，HTS1）之間;第三級減溫器布置在一級高溫過熱器和二級高溫過熱器（HTS2）之間，減溫水來自省煤器出口。

圖6過熱蒸汽系統(tǒng)示意圖

Fig.6Schematicdiagramof thesuperheatedsteamsystem

1.5.3 再熱蒸汽系統(tǒng)

從汽輪機高壓缸抽取的再熱蒸汽依次流經(jīng)尾部煙道中的低溫再熱器（low temperature reheater，LTR）和外置床中的高溫再熱器（high temperature reeater，HTR），最后引人汽輪機中壓缸。再熱蒸汽汽溫主要通過調(diào)節(jié)外置床中高溫再熱器的灰流量實現(xiàn)，在低溫再熱器出口管道上布置有事故減溫水，作為事故狀態(tài)下的調(diào)節(jié)手段。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 模型的穩(wěn)態(tài)校核

研究主要在 100% BMCR、 75% THA和 50% THA工況下進行，分別以上述3種的穩(wěn)態(tài)工況進行穩(wěn)態(tài)校核驗證。 100%BMCR、75%THA 和 50% THA工況下主要參數(shù)的設(shè)計值和仿真值如表1所示?？梢钥闯?，3種工況下的主要參數(shù)的相對誤差均在 1% 以內(nèi)，個別參數(shù)誤差在 5% 以內(nèi)，說明該模型在上述3種工況下均有良好的仿真精度，能夠滿足仿真要求。

圖7給出了不同工況下，爐膛內(nèi)溫度以及固體顆粒物濃度分布。可以看出，隨著爐膛高度升高，爐膛內(nèi)溫度逐漸降低。顆粒物濃度隨著爐膛高度升高而降低，底部床層密度明顯高于上部稀相區(qū)。

'able1Steadystatesimulationresultsof 100% BMCR/75%THA/50%THA

2.2 主燃料跳閘（MFT）仿真分析

主燃料跳閘是指鍋爐的安全運行條件得不到滿足、需要緊急停爐而發(fā)出指令快速切斷所有通往爐膛的燃料并引發(fā)必要的連鎖動作，避免對鍋爐的潛在危害，以保護鍋爐爐膛、其它設(shè)備及運行人員的安全。鍋爐發(fā)出MFT后，將伴隨以下動作：

1）給煤、油切除；

2）石灰石切除；

3）外置床跳閘；

4）減溫水總門關(guān)閉；

5）所有風(fēng)量控制改為手動方式，并保持最后位置；

6）冷渣器切除。

在 100% BMCR、 75% THA和 50% THA工況下，鍋爐觸發(fā)MFT，此時給煤量快速降為0。由于循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)有大量高溫床料，具有極強的蓄熱能力，給煤量降為0后，蒸汽依然從爐膛吸熱維持一定的過熱度。在觸發(fā)MFT后，由于主燃料切除，鍋爐給水快速降低，從而維持床溫以及主蒸汽、再熱蒸汽溫度的相對穩(wěn)定。 5min 后MFT復(fù)位，鍋爐進入熱態(tài)啟動，此時給煤量升高，外置床換熱器灰流量逐漸升高。 100% BMCR工況下約 60min 后，主蒸汽和再熱蒸汽溫度、流量恢復(fù)到設(shè)定值； 75% THA工況下 40min 后，主蒸汽和再熱蒸汽溫度、流量恢復(fù)到設(shè)定值。 50% THA工況下 30min 后，分離器由濕態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為干態(tài)運行，約50min 后，主蒸汽和再熱蒸汽溫度、流量恢復(fù)到設(shè)定值。鍋爐各參數(shù)變化示意圖，如圖8所示。

圖8不同工況下MFT過程中各參數(shù)變化示意圖Fig.8Parametersof CFBboilerduringtheMFT process

從 100% BMCR、 75% THA、 50% THA工況下MTF結(jié)果可以看出，在 50% THA工況下觸發(fā)MFT后，由于50% THA工況時負荷較低，觸發(fā)MFT后汽水分離器由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)運行，當MFT復(fù)位后，又逐漸由濕態(tài)轉(zhuǎn)為干態(tài)。頻繁干濕態(tài)轉(zhuǎn)換會使汽水分離器產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，影響設(shè)備安全，應(yīng)避免在低負荷下觸發(fā)MFT。

2.3 鍋爐跳閘（BT）仿真分析

當觸發(fā)鍋爐跳閘（BT）時，爐膛內(nèi)仍有大量未燃盡燃料，為了保護鍋爐安全，必須切斷所有通人爐膛的物料。與鍋爐MFT相比，當鍋爐觸發(fā)BT后，除了需要切斷煤、石灰石外，還需要切斷通往爐膛的一次風(fēng)以及二次風(fēng)，盡可能降低爐膛的燃燒，保證爐膛的安全。鍋爐觸發(fā)BT后，鍋爐側(cè)將伴隨以下動作：

1）給煤、油切除；

2）石灰石切除；

3）外置床跳閘；

4）減溫水總門關(guān)閉；

5）所有風(fēng)量控制改為手動方式，并保持最后位置；

6）冷渣器切除；

7）一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機跳閘。

在 100% BMCR、 75% THA和 50% THA工況下，觸發(fā)鍋爐BT?？梢钥闯?，和鍋爐MFT相比，由于BT時一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機均跳閘，煙氣無法將熱量從爐膛內(nèi)帶走，因此爐膛溫度比MFT后溫度要高。觸發(fā)BT后 5min ，鍋爐開始極熱態(tài)啟動，在 100% BMCR工況下，約 60min 后主蒸汽、再熱蒸汽溫度、流量達到額定值；在 75% THA工況下，約 55min 后主蒸汽、再熱蒸汽溫度、流量達到額定值；在 50% THA工況下鍋爐觸發(fā)BT后，約 8min ，分離器由干態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為濕態(tài)，液位控制在 6.5m 。此后，鍋爐BT復(fù)位，給煤量、風(fēng)量、給水量逐漸增加，約 25min 后分離器由濕態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為干態(tài)，蒸汽溫度、床溫、外置床灰溫不斷升高， 40min 后各參數(shù)逐漸恢復(fù)到 50% THA。鍋爐各參數(shù)變化示意圖，如圖9所示。

從 100% BMCR、 75% THA、 50% THA工況下BT結(jié)果可以看出，與MFT結(jié)果類似，在 50% THA工況下觸發(fā)BT后，由于 50%THA 工況時負荷較低，觸發(fā)BT后汽水分離器由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)運行，當BT復(fù)位后，又逐漸由濕態(tài)轉(zhuǎn)為干態(tài)。頻繁干濕態(tài)轉(zhuǎn)換會使汽水分離器產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，影響設(shè)備安全，應(yīng)避免在低負荷下觸發(fā)BT。

圖9不同工況下BT過程中各參數(shù)變化示意圖

Fig. 9 ParametersofCFBboilerduring the BTprocess

3結(jié)論

文中以貴州威赫 660MW 超超臨界循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，通過仿真軟件APROS建立了CFB鍋爐的動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，分別在 100%BMCR 、 75% THA和 50%THA 工況下，進行模型穩(wěn)態(tài)驗證和動態(tài)仿真試驗，研究CFB鍋爐觸發(fā)MFT和BT時的動態(tài)變化特性，得到如下結(jié)論。

1）模型穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果表明，文中所建模型在 100% BMCR、 75% BMCR以及 50% BMCR工況下，主要參數(shù)誤差均小于 1% ，展示了良好的仿真精度。同時，爐膛內(nèi)溫度以及顆粒物濃度的分布表明，所建模型能準確反映爐膛內(nèi)-固兩相流動的特性。

2）不同工況下的MFT仿真結(jié)果顯示，當觸發(fā)MFT后，盡管主燃料切除，但由于爐膛內(nèi)仍有大量未燃盡床料在繼續(xù)燃燒，蒸汽依然可以從爐膛吸熱并維持一定過熱度。隨著爐膛內(nèi)殘余燃料燃盡，爐膛發(fā)熱量逐漸降低，床層溫度以及主蒸汽、再熱蒸汽溫度均逐漸降低。在 50% BMCR工況下，鍋爐觸發(fā)MFT后汽水分離器由干態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為濕態(tài)運行。MFT復(fù)位后，鍋爐進人熱態(tài)啟動，給煤量逐漸升高，床層溫度、主蒸汽溫度以及再熱蒸汽溫度均逐漸升高恢復(fù)至設(shè)定值。

3）與鍋爐MFT相比，鍋爐觸發(fā)BT后由于一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機均跳閘，煙氣無法將熱量從爐膛內(nèi)帶走，鍋爐觸發(fā)BT后床層溫度比MFT后高。與MFT類似，在 50% BMCR工況下，鍋爐觸發(fā)BT后汽水分離器逐漸由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)運行。BT復(fù)位后，床層溫度、主蒸汽、再熱蒸汽溫度均不斷升高恢復(fù)至設(shè)定值，50% BMCR工況下，汽水分離器逐漸從濕態(tài)轉(zhuǎn)為十態(tài)運行。

4）結(jié)合鍋爐MFT、BT工況可以發(fā)現(xiàn)，在 50% BMCR工況下，汽水分離器均會經(jīng)歷干態(tài)-濕態(tài)-干態(tài)的變化，干濕態(tài)轉(zhuǎn)換會增大汽水分離器的熱應(yīng)力，應(yīng)避免在低負荷下觸發(fā)鍋爐MFT和BT，以保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運行。

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（編輯 陳移峰）