潘清波，于保國(guó)，崔 馨，曾 陽(yáng)

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

300 MW循環(huán)流化床鍋爐建模與動(dòng)態(tài)仿真

潘清波1，于保國(guó)1，崔 馨2，曾 陽(yáng)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(shí)自動(dòng)化有限公司，杭州 310018）

通過(guò)數(shù)學(xué)建模，基于多學(xué)科仿真平臺(tái)（MSP），開(kāi)發(fā)300 MW循環(huán)流化床機(jī)組全范圍、全工況仿真機(jī)。在典型負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，仿真機(jī)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行參數(shù)之間的誤差滿足大型火電機(jī)組仿真培訓(xùn)裝置技術(shù)規(guī)范仿真精度的要求。在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)流化試驗(yàn)、啟動(dòng)過(guò)程中的投煤、給煤不均和揮發(fā)分燃燒份額變化時(shí)床溫的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際鍋爐的運(yùn)行規(guī)律。

循環(huán)流化床鍋爐；燃燒系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；動(dòng)態(tài)仿真

0 引言

近年來(lái)大型循環(huán)流化床燃燒技術(shù)因其高效、低污染性能而倍受重視。其優(yōu)勢(shì)在于：煤種適應(yīng)性廣、燃料制備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、低溫燃燒爐內(nèi)SO2、NOx排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等。運(yùn)行中不僅要根據(jù)生產(chǎn)的需求調(diào)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(jié)焦或滅火。除給煤量外，送風(fēng)對(duì)物料流態(tài)化、床溫、傳熱和燃燒效率也有直接影響。目前，大型循環(huán)流化床鍋爐建模與仿真的投資，相對(duì)其工作原理和運(yùn)行調(diào)整技術(shù)的試驗(yàn)臺(tái)而言要小得多，其通用性、靈活性和快速性可使技術(shù)人員、操作人員對(duì)各種可能的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、事故應(yīng)急處理等方案進(jìn)行充分比較、篩選和優(yōu)化，其優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的［1］。

循環(huán)流化床鍋爐的建模與動(dòng)態(tài)仿真研究是應(yīng)用基本理論定律，結(jié)合有關(guān)流動(dòng)、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、傳熱等方面的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚摻⒀h(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型，然后借助MSP多學(xué)科仿真平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真［2］。目前，火電機(jī)組仿真系統(tǒng)已成為電站建設(shè)與運(yùn)行中必須配套的裝備，仿真范圍覆蓋火電機(jī)組的全部?jī)?nèi)容、全工況范圍。仿真機(jī)的應(yīng)用也愈來(lái)愈廣，不僅用于運(yùn)行人員的操作培訓(xùn)、機(jī)組設(shè)備和系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、機(jī)組邏輯保護(hù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試，而且也為確定機(jī)組運(yùn)行方式、制訂操作規(guī)程提供依據(jù)，還可進(jìn)行機(jī)組設(shè)備和系統(tǒng)改造的仿真試驗(yàn)［3-4］。

以兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐火電機(jī)組為對(duì)象，通過(guò)數(shù)學(xué)建模、借助多學(xué)科仿真平臺(tái)（MSP）開(kāi)發(fā)出了全范圍、全工況仿真機(jī)。對(duì)比了典型負(fù)荷下仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了鍋爐冷態(tài)流化試驗(yàn)、啟動(dòng)過(guò)程中的投煤、給煤不均和揮發(fā)分燃燒份額變化時(shí)床溫的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。該仿真機(jī)已成功用于現(xiàn)場(chǎng)集控崗位人員運(yùn)行操作培訓(xùn)。

1 仿真系統(tǒng)的建模

鍋爐系統(tǒng)分為燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)，循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐的汽水系統(tǒng)基本相同，二者最大的區(qū)別是爐內(nèi)的燃燒和傳熱過(guò)程。由于煤粉鍋爐的仿真機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)已很成熟，汽水系統(tǒng)的建模也已完善，其建模技術(shù)可以直接應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐，所以循環(huán)流化床鍋爐仿真系統(tǒng)的建模主要集中在燃燒系統(tǒng)。

1.1 仿真對(duì)象

以兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐火電機(jī)組為仿真對(duì)象，通過(guò)建模開(kāi)發(fā)出全工況爐膛模型。目前國(guó)內(nèi)大型循環(huán)流化床鍋爐以此爐型最多，選其作為仿真對(duì)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(huán)流化床鍋爐，單汽包、自然循環(huán)、單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器、平衡通風(fēng)（壓力平衡點(diǎn)位于爐膛出口）、半露天布置、燃劣質(zhì)煤、固態(tài)排渣的循環(huán)流化床鍋爐。汽輪機(jī)配套某公司N300—16.7／538／538凝汽式汽輪機(jī)，運(yùn)行采用定壓或定—滑—定運(yùn)行方式。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)建模

循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)包括爐膛、分離器和回料裝置，爐膛作為主燃燒室，其內(nèi)部發(fā)生著燃料的燃燒、物料的流動(dòng)和爐向壁面的傳熱等過(guò)程，這些過(guò)程遵循質(zhì)量守恒和能量守恒。因此，循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的建模就是建立爐內(nèi)各種組分的質(zhì)量守恒方程和所有物質(zhì)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(gè)小室，忽略小室內(nèi)物理量的變化，將微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程，以便求解。

小室的劃分考慮了主燃燒室密相區(qū)和稀相區(qū)流動(dòng)特性的差異。在密相區(qū)表面附近，由于固體的夾帶和揚(yáng)析，物料濃度衰減很快，隨著高度的增加，固體揚(yáng)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(jì)算換熱和床層壓降時(shí)引起的誤差，小室劃分時(shí)遵循“上疏下密”的原則，把爐膛內(nèi)實(shí)際運(yùn)行是密相區(qū)的高度空間，小室劃分得比較密，實(shí)際運(yùn)行是稀相區(qū)的高度空間，小室劃分得比較稀疏。模型計(jì)算時(shí)密相區(qū)高度隨著循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行工況變化自動(dòng)調(diào)整。

對(duì)主燃燒室劃分的每個(gè)小室建立的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程就構(gòu)成循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主體。在求解時(shí)，為了確定主體模型中的各項(xiàng)參數(shù)，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(yīng)的計(jì)算模型，這些計(jì)算模型稱為“子模型”。

1.3 爐內(nèi)流動(dòng)子模型

循環(huán)流化床內(nèi)物料濃度分布決定了爐內(nèi)各小室的溫度、壓降、燃燒放熱量和傳熱量。理論和實(shí)踐表明：循環(huán)流化床內(nèi)密相區(qū)的物料濃度分布均勻，密相區(qū)表面至夾帶分離高度（TDH）之間的稀相區(qū)，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(zhì)量流率等于飽和夾帶量。循環(huán)流化床鍋爐的爐膛出口距密相區(qū)表面的高度均小于TDH高度，即循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)的物料濃度逐漸減小，其物料濃度分布可根據(jù)密相床表面以上的固體夾帶速率計(jì)算得到。TRhodes和Geldart認(rèn)為密相床表面以上的固體夾帶速率遵循指數(shù)規(guī)律衰減，對(duì)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(qū)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(qū)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(shù)，與顆粒的性質(zhì)和氣流速度有關(guān)；h為距離密相區(qū)表面之上的高度；Bed（i）為密相區(qū)內(nèi)第i檔顆粒的質(zhì)量份額。

密相床區(qū)各檔顆粒的質(zhì)量份額Bed（i）由循環(huán)流化床系統(tǒng)總質(zhì)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(guò)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(jìn)入循環(huán)流化床爐內(nèi)，經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分析出和燃燒、焦炭的燃燒等過(guò)程。某小室煤燃燒的放熱量等于該小室內(nèi)揮發(fā)分燃燒放熱量與焦炭燃燒放熱量之和。目前，認(rèn)為揮發(fā)分在密相區(qū)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(nèi)焦炭顆粒的數(shù)目及焦炭粒子的反應(yīng)速率，對(duì)于單個(gè)焦炭粒子，其反應(yīng)速率為［2］

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

小室內(nèi)焦炭顆粒數(shù)目按下述公式計(jì)算：

式中：Zk，i為i小室內(nèi)第k檔焦炭顆粒的數(shù)目；εk，i為i小室內(nèi)第k檔顆粒的體積份額；xk，i為i小室內(nèi)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(nèi)傳熱子模型

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱方式包括輻射傳熱、氣體對(duì)流傳熱和顆粒對(duì)流傳熱，爐向壁面的總傳熱系數(shù)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(shù)；hp為顆粒對(duì)流傳熱系數(shù)；hg為氣體對(duì)流傳熱系數(shù)；hr為輻射傳熱系數(shù)；ft為壁面被顆粒團(tuán)覆蓋的平均時(shí)間份額；ε為床與壁面之間的系統(tǒng)黑度；σ為玻爾茲曼常數(shù)；Tb為顆粒表面溫度；TW為壁面溫度。

2 仿真結(jié)果與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)仿真建模理論，基于多學(xué)科仿真平臺(tái)（MSP），開(kāi)發(fā)了300 MW循環(huán)流化床鍋爐火電機(jī)機(jī)組全范圍、全工況仿真機(jī)。圖1是兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐仿真機(jī)煙風(fēng)系統(tǒng)總圖。

實(shí)際機(jī)組和仿真機(jī)都采用表1給出的燃料及脫硫劑，在典型負(fù)荷（100%、80%及50%）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，仿真機(jī)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

圖1 300 MW循環(huán)流化床鍋爐仿真機(jī)煙風(fēng)系統(tǒng)總圖

表1 燃料及脫硫劑特性表

表2 仿真計(jì)算結(jié)果與機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

由表2可以看出：仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)之間的誤差，關(guān)鍵參數(shù)不超過(guò)±0.5%，重要參數(shù)不超過(guò)±1%，一般參數(shù)不超過(guò)±2%，該誤差滿足《大型火電機(jī)組仿真培訓(xùn)裝置技術(shù)規(guī)范》仿真精度的技術(shù)要求。兗煤菏澤趙樓綜合利用電廠已經(jīng)利用該仿真機(jī)進(jìn)行了人員培訓(xùn)和相關(guān)試驗(yàn)。

3 仿真試驗(yàn)

為了進(jìn)一步了解鍋爐的運(yùn)行特性，指導(dǎo)實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行和調(diào)整，在仿真機(jī)上進(jìn)行了冷態(tài)流化試驗(yàn)、啟動(dòng)過(guò)程中的投煤、給煤不均和揮發(fā)分燃燒份額變化時(shí)床溫的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～5。

圖2是床層空隙隨冷態(tài)流化風(fēng)速的變化曲線。從圖中可以看出：當(dāng)冷態(tài)流化風(fēng)速大于1 m／s時(shí)，床層開(kāi)始流化。隨著流化風(fēng)速的增大，密相區(qū)（布風(fēng)板至下二次風(fēng)口）空隙率急劇增大，過(guò)渡區(qū)（下二次風(fēng)口至上二次風(fēng)口）空隙率急劇減小，稀相區(qū)（上二次風(fēng)口至爐膛頂部）空隙率稍有降低。當(dāng)流化風(fēng)速增大至1.3 m／s時(shí)，各區(qū)域孔隙率基本穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)進(jìn)入完全流化狀態(tài)。當(dāng)流化風(fēng)速增大至1.9 m／s時(shí)，密相區(qū)、過(guò)渡區(qū)孔隙率開(kāi)始逐步增大，稀相區(qū)孔隙率稍有降低，說(shuō)明此時(shí)進(jìn)入快速床狀態(tài)，要想維持穩(wěn)定的床層狀態(tài)，需要不斷補(bǔ)充床料。

圖3是啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)床溫達(dá)到投煤溫度時(shí)，投煤時(shí)床溫隨時(shí)間的變化曲線。可以看出：投煤時(shí)，床溫先降低后升高。這是因?yàn)椋好喝霠t后，要經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分釋放及燃燒、剩余焦炭燃燒等幾個(gè)階段，在煤著火前，煤要吸收床層熱量，使床溫降低，這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間與投煤量和煤種水分含量有關(guān)，投煤量越大且水分含量越高，床溫降低越多且持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)；在煤著火后，燃燒釋放出熱量，當(dāng)放熱量大于向受熱面的傳熱量時(shí)，床溫開(kāi)始逐步升高，直至燃燒放熱量等于受熱面吸熱量時(shí)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(guò)多而造成煤不能著火。

圖2 床層空隙率隨流化風(fēng)速的變化

圖3 投煤時(shí)床溫隨時(shí)間的變化

圖4是機(jī)組負(fù)荷150 MW，前墻8臺(tái)給煤機(jī)給煤量為10.8 t／h，當(dāng)左側(cè)兩臺(tái)給煤機(jī)給煤量突然增加到13 t／h時(shí)，密相區(qū)左側(cè)床溫與右側(cè)床溫隨時(shí)間的變化曲線。從圖中看出：隨著左側(cè)兩臺(tái)給煤機(jī)給煤量增大，左右兩側(cè)床溫均呈先減小后增大的趨勢(shì)，但左側(cè)床溫始終高于右側(cè)床溫。說(shuō)明給煤不均會(huì)造成床溫分布不均。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，增減煤量時(shí)應(yīng)盡量保持均勻給煤，避免造成局部超溫現(xiàn)象發(fā)生。

圖5是密相區(qū)揮發(fā)分燃燒份額從50%降至20%時(shí)，不同區(qū)域床溫隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)密相區(qū)揮發(fā)分燃燒份額降低30%時(shí)，密相區(qū)和過(guò)渡區(qū)床溫幾乎不變，而稀相區(qū)床溫快速升高，且升高幅度較大。這是因?yàn)椋好芟鄥^(qū)揮發(fā)分燃燒份額降低時(shí)，更多的揮發(fā)分在稀相區(qū)燃燒，使燃料燃燒在密相區(qū)的放熱量減少，稀相區(qū)放熱量增多，但密相區(qū)和過(guò)渡區(qū)床料濃度大，熱容量大，且揮發(fā)分釋熱減少有限，故床溫變化不明顯，稀相區(qū)床料濃度低，熱容量小，揮發(fā)分燃燒份額增大引起床溫變化較大。

圖4 給煤不均對(duì)床溫的影響

圖5 揮發(fā)分燃燒份額變化對(duì)床溫的影響

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)學(xué)建模，基于MSP多學(xué)科平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了300 MW循環(huán)流化床鍋爐火電機(jī)機(jī)組全范圍、全工況仿真機(jī)。在典型負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，仿真機(jī)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際機(jī)組運(yùn)行參數(shù)之間的誤差滿足大型火電機(jī)組仿真培訓(xùn)裝置技術(shù)規(guī)范仿真精度的技術(shù)要求，為電廠人員培訓(xùn)和試驗(yàn)研究提供了可靠的平臺(tái)。

在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)流化試驗(yàn)、啟動(dòng)過(guò)程中的投煤、給煤不均和揮發(fā)分燃燒份額變化時(shí)床溫的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行規(guī)律。該平臺(tái)為鍋爐的運(yùn)行操作調(diào)整、反事故措施演練提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操環(huán)境。

［1］楊建華，屈衛(wèi)東，楊義波，等.新鄉(xiāng)火電廠440 t／h循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)特點(diǎn)［J］.中國(guó)電力，2002，35（10）：25-28.

［2］楊建華，屈衛(wèi)東，楊義波.大型電站循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)［C］∥2004年中國(guó)生物質(zhì)能技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研討會(huì)論文集，鄭州，2004：119-122.

［3］劉奮群.我國(guó)火電機(jī)組仿真技術(shù)的發(fā)展［J］.寧夏電力，2007（2）：49-51，66.

［4］冷偉，房德山，徐治皋.火電機(jī)組仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（23）：7-10.

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

［6］呂俊復(fù)，張建勝，岳光溪，等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒室受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jí)工程師，從事煤炭綜合利用循環(huán)流化床技術(shù)工作；

于保國(guó)（1978），男，從事循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行、檢修技術(shù)工作；

崔 馨（1986），女，工程師，從事仿真機(jī)技術(shù)工作；

曾 陽(yáng)（1988），男，從事熱工控制技術(shù)工作。