循环流化床锅炉燃烧系统模型研究

张 悦，刘云飞，袁一丁

（河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心（华北电力大学），河北 保定 071003）

·发电技术·

循环流化床锅炉燃烧系统模型研究

张 悦，刘云飞，袁一丁

（河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心（华北电力大学），河北 保定 071003）

通过选取床温、烟气含氧量和炉膛残碳量3个参考对象，以小室模型为基础对流化床锅炉内的物料平衡、氧气体积平衡和能量平衡做数学模型描述，用Matlab对其做阶跃响应仿真，通过仿真曲线和历史趋势进行对比发现二者趋势基本一致，验证了所建循环流化床燃烧系统机理模型的准确性与合理性。

循环流化床；机理建模；床温

0 引言

目前，由于对循环流化床（CFB）内部复杂的反应过程不甚了解，循环流化床锅炉燃烧系统的研究大都依靠历史数据并通过试验建模方法完成。风煤比是否合适对锅炉乃至整个电厂运行的经济性、安全性以及设备的寿命都有很大的影响。由于锅炉的燃料性质、设备状况、工作人员的水平等因素都影响锅炉的理想运行工况，进而影响其运行经济性和安全性。但在现有发电厂中，由于设备庞大而复杂，运行中可调节的参数较多，试验不能应对需要而随时进行，加之参数对与之有关的工况不能凭想象和经验做出判断，因此研究难度较大，无法在电厂现场获得合适的风煤比参数［1-2］。采用机理建模方法，在已有研究基础上，继续研究循环流化床锅炉燃烧系统，并以电厂CFB锅炉为研究对象，通过设置相应的模型变量来验证模型的准确性。

1 建模变量选取

针对CFB锅炉燃烧系统来说，有些数据不能去现场采集，而采用机理建模能更详细地对和风煤比有关的反应过程进行描述，所以以机理建模法来研究CFB锅炉的燃烧系统。

1.1 床温

CFB锅炉区别于煤粉炉的是燃烧控制的主要参数，是稳定的床温和主汽压力［3］。床温指由布置在燃烧室内的热电偶监测到的炉膛中各区域内固体物料层的床层温度，一般取各测点热电偶温度的平均值，是CFB锅炉最重要的一个运行参数。床温的高低能直接反应炉膛内的燃烧状况和炉内输入输出热量的平衡关系，取决于各区域内的能量平衡，包括燃煤释放热量，脱硫剂、循环物料、排渣带走热量和各受热面的吸热。如何维持床温的稳定是CFB锅炉稳定和安全运行的关键［4］。

1.2 烟气含氧量

烟气含氧量决定着炉膛的燃烧效率，为了保证CFB锅炉经济燃烧，通常通过不断改变送风量和给煤量使之达到一个较为匹配的比例，然后由过量空气系数来衡量经济燃烧的好坏，而烟气含氧量能间接显示炉膛的燃烧经济性。因此含氧量也是一个重要建模参数。

1.3 残碳量

对于循环流化床锅炉来说，由于燃煤颗粒比较大，刚送入炉膛的煤并没有立刻完全燃烧，一部分会变成焦炭。锅炉燃烧的热量中，当前给煤放出的热量只占一小部分，大部分来自于炉膛内不断循环的焦炭。燃烧室内循环燃烧的残余焦炭称为“残碳”［1］。

总风量和给煤量的变化，或者风煤比的改变是残碳量变化的主导因素，而炉膛床温和烟气含氧量能最直观地体现出残碳存量的变化。在一定的风煤比下，炉膛床层温度升高以及烟气含氧量下降可以反映出残碳总量下降；而床温的降低和含氧量的升高则体现出残碳存量升高，所以对残碳量的建模尤为必要［5］。

2 床温、含氧量、残碳量模型

2.1 物料平衡

物料平衡是指单位时间内进出小室的物料以及生成与消耗的物质质量净差等于小室内总物料量的变化。动态质量平衡方程反应的是各区域内物料的蓄积过程，物料平衡方程［6-7］

式中：M为物料总量；Wc为给煤量；Wr为再循环量；Wp为排渣量；Wf为炉膛飞灰量；We为燃料消耗量。

炉内炭平衡方程

式中：Mc为总炭质量；Car为煤的收到基炭质量份额；Xcr为循环物料的平均炭质量分数；Xcp为排渣的平均炭质量分数；Xcf为炉膛飞灰的炭质量分数；Rc为炉内的炭燃烧率，与温度、炉内的氧浓度和床内炭总量相关。

在本模型中

其中

式中：k为衰减系数；Mc为炉内总炭量；Ma为炉膛给风量。

可以看出，如果增加给煤量而不相应增加给风量，炉内的燃烧率不是增加反而是降低。

2.2 氧气体积平衡

炉膛内参与燃烧的氧气正比于燃烧产生的热量，氧量模型为［8］

2.3 动态能量平衡

在传热和燃烧的基础上建立动态能量方程［9-10］

式中：Q为总能量；Qc为给煤带入的热量；Qr为再循环物料带入的热量；Qg为送风带入的热量；Qe为燃料产生的量；Qp为排渣带出的热量；Qf为炉膛飞灰带出的热量；Qy为烟气带走的热量；Qa为受热面吸收的热量。

3 基于机理模型的仿真验证

3.1 仿真参数设置

以整个炉膛区域为研究对象，联立上述子系统机理建模所得的多个平衡方程，形成一个闭合的整体。同时为了验证所建模型是否正确，把大连泰山135 MW循环流化床锅炉的一些锅炉参数和部分现场实际的历史数据带入整个模型。在此模型中，输入变量包含给煤量、一次风量、排渣量（固定此变量），输出变量包含炉膛3个区域床层温度、炉膛出口烟气含氧量、炉内残碳量、床料量。通过Matlab仿真软件的Ode15s命令可以解上述微分方程组，并对其做相应的仿真。大连泰山135MW CFB锅炉参数如表1所示。

3.2 给煤量输入下阶跃响应

图1～3所示为在给煤量的扰动下，炉膛区域1～3内床温、区域出口烟气含氧量和炉膛残碳量的响应。

表1 大连泰山135 MW CFB锅炉参数

图1 给煤量扰动下炉膛区域1～3床温响应曲线

图2 给煤扰动下炉膛区域1～3出口含氧量响应曲线

图3 给煤扰动下炉膛区域1～3残碳量响应曲线

由图1可知，在给煤量发生5%的阶跃变化时，床温先是较小幅度的下降，然后转变成单调上升趋势，这是因为炉膛内突然增加的煤量会吸收少量炉膛内的热量来用于给煤的加热和挥发分的析出。与此同时，由于炉膛内部的床料温度很高，将在相当短的时间过程内将新增加的煤炭加热到着火温度，这就会使床温较快的升高。

由图2可知，各区域出口烟气含氧量先是快速减小而后慢慢趋于平稳。这是因为给煤量的增加使炉膛内含碳量迅速增加导致燃烧加剧，释放更多热量的同时迅速消耗更多的氧量，从而使各区域出口烟气含氧量迅速下降，而床温升高又会导致残碳的燃烧速率增大，这就导致含氧量变化趋势变慢并趋于平稳。

由图3可知，残碳含量会由于给煤量的增加而迅速增加，但是由于床温的升高会使得焦炭与O2和CO2的反应速度增加，这就会消耗更多的残碳量从而使得残碳量有所下降。

采集大连泰山135 MW CFB锅炉在变负荷（135～100 MW）运行时的历史数据，其中2014-12-30T12∶45∶00—16∶55∶00在给煤量阶跃变化的数据如图4～6所示。通过与图1～3进行对比可得，所建模型仿真结果阶跃变化趋势和运行数据趋势基本吻合，验证了模型的准确性。

图4 给煤量历史采样数据

图5 炉膛区域1～3床温历史采样数据

图6 烟气含氧量历史采样数据

3.3 一次风输入下阶跃响应

图7～9为在一次风量的扰动下，炉膛区域1～3内床温、区域出口烟气含氧量和炉膛残碳量的响应。

图7 一次风扰动下炉膛区域1～3床温响应曲线

图8 一次风动下炉膛区域1～3出口含氧量响应曲线

图9 一次风动下炉膛区域1～3残碳量响应曲线

由图7可知，当一次风量发生5%的阶跃变化时，随着一次风量的增加，床温出现逆向响应特性，在阶跃响应初始阶段有小幅度上升，随后呈现出单调下降的趋势，最终稳定于稍低于初始温度的状态。这是由于在扰动初始阶段随着一次风量的增加，使得炉膛内部的氧气充足，使得碳的燃烧效率增加，放出热量增多，床温快速升高。虽然一次风量增加，但是作为燃烧介质的煤量却没有增加，从而持续增加一次风量最终会将炉内的热量带走，使床温维持在较初始值低的位置。

由图8可知，各区域出口烟气含氧量会由于一次风量的阶跃增加而短时间内快速增加，同时区域残碳燃烧速率迅速增大，从而导致各区域残碳量先迅速减少。然后各区域床层床料温度的下降导致残碳量有升高的趋势，这就使得各区域出口含氧量缓慢下降。

由图9可知，残碳量会随着一次风量的增加使炉膛内的气固流动状态变化，固体颗粒的扬析量增加，由于给煤量固定不变，而聚集在炉膛内的煤炭颗粒会因为炉膛床料温度的升高而迅速燃烧，从而使得残碳量急剧下降。当残碳量下降到一定程度时，由于床温的下降会略微上升，最终达到平衡状态。

图10～12是2014-11-27T05∶45∶00—09∶55∶00在一次风量阶跃变化工况下的历史数据。通过与图7～9进行对比可得，所建模型仿真结果阶跃变化趋势和运行数据趋势基本吻合，验证了模型的准确性。

图10 一次风量历史采样数据

图11 炉膛区域1-3床温历史采样数据

图12 烟气含氧量历史采样数据

4 结语

在我国经济快速发展的同时，能源短缺与环境污染问题也随之而来。循环流化床作为一种清洁燃烧技术，它的低污染、燃烧效率高和燃煤适应性广等优点在最近几十年来快速发展并得到广泛应用。通过选取床温、烟气含氧量和炉膛残碳量3个参考对象，以小室模型为基础对流化床锅炉内的物料平衡、氧气体积平衡和能量平衡做数学模型描述并用Matlab做阶跃响应仿真，通过仿真曲线和历史趋势进行对比发现二者趋势基本一致，这验证了所建机理模型的准确性与合理性。

［1］岑可法.循环流化床锅炉理论、设计与运行［M］.北京：中国电力出版社，1998.

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［4］张轩，常太华.大型循环流化床锅炉床温动态模型的研究［J］.动力工程学报，2013，33（2）：88-92.

［5］周星龙，谢建文，高胜斌，等.330 MW CFB锅炉炉膛壁面颗粒流率分布测量［J］.动力工程学报，2014，34（10）：753-758.

［6］田晨.炉膛结构对循环流化床气固流动特性影响的研究［D］.杭州：浙江大学，2011.

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［10］钟亮民.大型循环流化床锅炉床温建模与优化控制研究［D］.北京：华北电力大学，2014.

Study on Model of in Circulating Fluidized Bed Boiler Combustion System

ZHANG Yue，LIU Yunfei，YUAN Yiding
（Hebei Engineering Research Center of Simulation&Optimized Control for Power Generation（North China Electric Power University），Baoding 071003，China）

In this paper，the material balance，oxygen volume balance and energy balance in the fluidized bed boiler are described with mathematical model based on the cell model with the three selected reference objects of bed temperature，flue gas oxygen content and residual carbon.The step response simulation is conducted with Matlab.By comparing the simulation curve with the historical trend，it is found that the trend is basically consistent，which verifies the accuracy and rationality of the mechanism model.

circulating fluidized bed boiler；mechanism modeling；bed temperature

TP273.1

A

1007－9904（2017）01－0054－04

2016-12-15

张 悦（1980），男，博士，硕士生导师，从事循环流化床锅炉建模与优化控制研究；

山西省煤基重点科技攻关项目（MD2014－03－06－02）；国家自然科学基金（71471060）

刘云飞（1992），男，硕士研究生，从事循环流化床机组建模与仿真研究；

袁一丁（1993），男，硕士研究生，从事火电机组软件设计与研发。