大型循环流化床锅炉床温动态模型的研究

张 轩， 常太华

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室，北京102206）

循环流化床锅炉（CFBB）是20世纪80年代发展起来的一种燃烧效率高、污染少、燃料适应性广的新型清洁煤粉燃烧设备.

目前，国内外关于循环流化床锅炉床温动态模型的研究［1－5］很多，在借鉴前人模型的基础上，结合300MW循环流化床锅炉的结构，笔者将循环流化床锅炉分为稀相区、密相区、旋风分离器和外置床4部分，针对各部分分别建立氧气体积分数平衡方程、动态床料量平衡方程、动态残碳量平衡方程和动态能量平衡方程，给出了输入变量为给煤量、一次风风量、二次风风量和排渣量的动态模型.

1 模型的建立

超临界循环流化床锅炉通常由炉膛、旋风分离器、返料仓和外置床4部分组成，如图1所示.其中，燃烧过程主要集中在炉膛内，然而由旋风分离器进、出口烟气温度的分析可知，旋风分离器中也存在一定的燃烧份额［6］.外置床是一个外置换热器，起调节床温的作用.针对炉膛内燃烧的动态模型，佘文武等将循环流化床锅炉分为稀相区和密相区2部分，分别建立氧量平衡过程、动态物料量平衡过程、残碳的动态蓄积过程、动态能量蓄积过程和颗粒能量的动态过程［7］.笔者忽略碳反应速率与焦炭颗粒表面温度的耦合关系，采用文献［8］中的模型计算碳颗粒燃烧速率，并进行了合理简化.

图1 循环流化床锅炉结构Fig.1 Structural diagram of the CFBB

1.1 模型仿真对象

以四川白马电厂300MW循环流化床锅炉为仿真对象，该锅炉采用引进的Alstom技术进行设计，为单炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天布置、全钢架悬吊结构的亚临界自然循环汽包锅炉，锅炉的主要设计参数［9］和煤质分析结果分别如表1和表2所示.

1.2 模型中的假设

根据300MW循环流化床锅炉的实际运行情况，进行如下简化假设：（1）锅炉与外界完全隔热且无漏风；（2）各区内碳燃烧的产物只有CO2；（3）忽略石灰石的反应；（4）忽略密相区和稀相区交界面上颗粒的返混；（5）认为残碳均匀分布于床料中；（6）认为挥发分按一定比例在稀相区和密相区析出，且之后立即燃烧；（7）忽略密相区和稀相区交界面上辐射能量的交换；（8）忽略耐火层和受热管壁本身的吸热.

表1 锅炉的主要设计参数Tab.1 Major design parameters of the boiler

表2 煤质分析Tab.2 Analysis of coal quality

1.3 流化床锅炉炉膛的动态模型

1.3.1 氧气体积分数平衡方程

氧气体积分数平衡方程包括密相区的氧气体积分数平衡方程和稀相区的氧气体积分数平衡方程.

（a）密相区的氧气体积分数平衡方程

（b）稀相区的氧气体积分数平衡方程

相比于床料量和残碳量的动态平衡过程，流化床炉膛内氧气体积分数的动态平衡过程非常快，可以认为这一过程是在瞬间完成的，则有

式（1）和式（2）可改写为

炉膛内碳颗粒的燃烧速度与其直径及周围氧气的浓度有关，在宏观上炉膛内碳的总消耗量与碳颗粒的密度分布及气体的流化速度有关.宏观统计表达式［8］如下：

式（1）～（7）中：φ1（O2）和φ2（O2）分别为密相区和稀相区中氧气的体积分数；φ0（O2）为空气中氧气的体积分数；Fg1为一次风风量；Fg2为二次风风量；Fg3为流化风风量；UC1，O2和UC2，O2分别为密相区和稀相区内碳燃烧消耗的氧气量；UV1，O2和UV2，O2分别为密相区和稀相区内挥发分燃烧消耗的氧气量；Fout1为密相区流向稀相区烟气中的含氧量；Fout2为稀相区出口烟气的含氧量；hB和hS分别为流化床密相区和稀相区的高度；VB和VS分别为流化床密相区和稀相区的体积；KC1和KC2分别为流化床密相区和稀相区内碳燃烧的反应速度；vO1和vO2分别为流化床密相区的流化速度和稀相区烟气的上升速度.

1.3.2 床料质量平衡方程

循环流化床锅炉存在灰渣进、出的总体平衡，即灰渣被煤粉和石灰石带入炉膛后，一部分作为排渣和飞灰被带出炉膛，而绝大部分则由旋风分离器收集后经返料装置送回炉膛进行循环燃烧，这也是循环流化床锅炉燃烧效率高的主要原因.

床料的循环流动实质上是传递质量和能量及再分配锅炉内热量的过程，改变锅炉各受热面的吸热负荷和各区的燃烧份额都会影响脱硫效果和锅炉的磨损程度.

密相区床料的质量平衡方程

稀相区床料的质量平衡方程

式（8）～式（9）中：mB1和mB2分别为密相区和稀相区的床料量；FC为给煤量；Fd为排渣量；FU1为离开流化床密相区进入稀相区的床料量；FU2为炉膛出口的床料量；MC为碳的相对分子质量；w1为密相区挥发分的燃烧质量分数；wCH为给煤中挥发分的质量分数；FCC为循环物料量，由热灰和冷灰的物料量组成.

1.3.3 残碳质量平衡方程

与普通煤粉炉相比，循环流化床锅炉燃烧过程的最大特点是送入炉膛的煤粉能够进行循环燃烧.对于循环流化床锅炉，燃烧释放热量的主要来源并不是瞬时加入的给煤，而是锅炉循环灰中大量未燃尽的残碳.因此，残碳的动态特性对于循环流化床锅炉床温的动态特性有着至关重要的影响.

密相区残碳的质量平衡方程

稀相区残碳的质量平衡方程

式（11）～式（12）中：mC1和mC2分别为密相区和稀相区残碳的质量；wC为给煤中碳的质量分数.

1.3.4 能量平衡方程

在宏观上，各区的床温因受到碳的燃烧、进入相区内固体和气体的温度及各受热面吸热的影响而变化.由于循环流化床锅炉的床料量较多，床温不易受到外界干扰的影响，而与床料相比，烟气与耐火材料的热量可以忽略不计，因此在建模中进行了简化.

密相区的能量平衡方程

稀相区的能量平衡方程

式（13）～式（14）中：TB1和TB2分别为密相区和稀相区的床温；cp，U、cp，C、cp，A和cp，g分别为床料、给煤、空气和烟气的比定压热容；TCI为给煤初温；TAI为给风初温；QC为碳的热值；QCH为挥发分的热值；QFCC为循环物料带入炉膛的热量；QFg3为流化风带入炉膛的热量；QWCW为水冷壁的吸热量；Fgcc为炉膛出口烟气量，可近似为

1.4 流化床锅炉旋风分离器的动态模型

在旋风分离器中，由于气体流动过程较为复杂，很难求取vO1、vO2与临界流化速度vmj，因此引入旋风分离器燃烧份额η来表示分离器内碳的消耗量.

在循环流化床的运行过程中，旋风分离器起分离床料和烟气的作用.假设在某一时刻，旋风分离器内的床料质量为mB3，这部分床料被分为3部分，一部分作为循环灰进入回料装置，一部分作为飞灰随烟气排出，剩余部分在分离器内进行燃烧被消耗掉，而且燃烧在瞬间完成，下一时刻的床料量由从密相区到稀相区的床料量进行补充.以旋风分离器为研究对象，建立物料量平衡方程

式中：mfh为飞灰质量.

令FCC＝αmB3，其中α为旋风分离器的分离效率，可得

床料质量平衡方程

残碳质量平衡方程

能量平衡方程

式（16）～（20）中：TB3为旋风分离器内床料的温度；mB3和mC3分别为床料和残碳的质量.

1.5 流化床锅炉外置床的动态模型

随着锅炉容量的增大和参数的提高，炉内需要更多的过热和再热受热面，但是在炉内布置大量的受热面会增加磨损风险，因此对于大容量循环流化床锅炉，外置床必不可少［10－11］.

外置床作为外置换热器，能使分离器分离出来的物料部分或全部通过其内部布置的受热面，从而达到通过改变循环灰的温度来调节床温的目的.对于物料而言，外置床是一个封闭的系统，仅存在能量的交换，所以在建模中只需考虑能量平衡方程：

式中：TCC为外置床出口温度；Gi为各换热器工质流量；Δhi为各换热器工质焓差；Tflu为流化风初温.

2 求解及仿真

联合上述稀相区、密相区、旋风分离器和外置床各平衡方程，便构成了循环流化床锅炉床温模型的微分方程组.该模型以给煤量、一次风风量、二次风风量、排渣量和飞灰量作为输入，以床料质量、残碳质量和床温作为输出.为了进一步验证模型的可靠性，笔者基于四川白马电厂300MW循环流化床锅炉的参数及现场运行数据，利用Matlab软件对该微分方程组进行求解和仿真.

（1）连续脉冲动态仿真

通过连续阶跃脉冲动态仿真可以观察到给煤量和一次风风量单独发生变化时各个区域温度的响应情况.

一次风风量阶跃扰动下床温的响应情况如图2所示.当一次风风量从t＝100s开始增加时，密相区的温度呈先上升后下降的变化趋势，这是因为一次风风量的增加使得密相区的氧气体积分数瞬间升高，燃烧变得剧烈，床温急剧上升，然而给煤量并没有随一次风风量的增加而增大，之后燃烧速率会由于残碳的减少而减小，同时由于一次风的初温较低以及给风量增加造成更多的热量被烟气带走，因此床温会下降，并稳定在一个较低的温度值.当一次风风量阶跃减少（t＝3 100s）时，床温的变化情况与一次风风量阶跃增加时的变化相反.当一次风风量变为原来的大小（t＝6 100s）时，密相区的床温也回到原来的温度.

图2 一次风风量阶跃扰动下床温的响应情况Fig.2 Bed temperature response under step disturbance of primary air flow

在给煤量阶跃扰动下，各个区域温度变化较为平缓（见图3）.当给煤量阶跃增加时，一方面密相区内残碳质量在一定程度上有所增加，增大了燃烧速率，床温升高；另一方面可以认为煤中的挥发分在短时间内迅速燃烧，释放的热量在很大程度上补偿了由于给煤与床体之间的巨大温差对床温所造成的影响.因此床温总体呈上升趋势.与之相对应，当给煤量减小时，床温总体呈下降趋势.

稀相区和旋风分离器受到密相区的影响，两者的温度变化趋势与密相区基本一致.

图3 给煤量阶跃扰动下床温的响应情况Fig.3 Bed temperature response under step disturbance of coal supply

（2）实时仿真

采集四川白马电厂300MW循环流化床锅炉一次变负荷运行时的现场数据，并将给煤量和风量等输入量带入模型进行仿真，仿真结果如图4所示.由图4可以看出，仿真结果与现场运行数据较吻合，进一步验证了模型的正确性.

3 结 论

图4 密相区床温的仿真结果以及与实际运行数据的比较Fig.4 Comparison of bed temperature in dense phase region between simulated results and actual operation data

根据循环流化床锅炉内物质与能量的流动和传递过程，建立了循环流化床锅炉床温的动态模型.结合大型循环流化床锅炉的结构特点，考虑到旋风分离器内的燃烧及外置床对床温的影响，对模型进行了扩充，模型的仿真结果与实际运行数据较吻合，进一步验证了模型的正确性.

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