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案例详细
标题循环流化床锅炉一次风―床温控制模型研究
技术领域
行业纺织印刷
简介文章介绍了循环流化床锅炉一次风―床温控制模型。
内容



1  前言

    循环流化床锅炉具有高效、低污染和大型化的特点，是一种在国内外得到迅速推广的洁净煤发电技术，近期在我国电力行业中的发展势头尤为强劲。但是，其控制系统的设计和运行调节方面的资料却很少，远不能适应电站锅炉控制系统的设计和机组运行的需要。循环流化床锅炉在结构上与常规煤粉锅炉有着显著的差异，因此，在控制调节上存在许多不同之处，其中最主要的是燃烧室内的床温控制，它为循环流化床锅炉所特有，而煤粉炉没有床温控制的要求。维持正常的床温是循环流化床锅炉稳定运行的关键，在炉内过程中，几乎所有的控制和调节均是围绕维持稳定床温进行的。影响床温的因素很多，其中床温对一次风变化的反应最为迅速。目前，国内外对床温控制模型的研究主要从实验着手，很少从理论上进行推导分析。本文从流化床燃烧机理上进行分析，从理论得到了一次风―床温控制模型，为循环流化床锅炉运行时调整一次风提供可靠的理论依据。

2  模型的建立[1] [2] [3] [4] [6]

    在循环流化床锅炉中一次风的概念与煤粉炉完全不同。一次风通过布风板送入燃烧室下部密相区，其送风量占总风量的40%～70%。一次风的作用一方面为满足设计的密相区燃烧份额的需要，另一方面是保持床料处于流化状态，加强床料与加入的新燃料的混合。循环流化床锅炉的床温一般是指燃烧室密相区内物料的温度，床温由在距离布风板以上200mm～500mm的密相区内布置若干支热电偶测定。所以要对流化床床温研究，只需对密相区的流化特性、传热特性与燃烧特性进行研究。

在建模之前，先进行一系列的假设：
(1)  在循环流化床锅炉的密相区内都是均质对象，即各点的温度与密度是相同的。
(2)  锅炉机组无漏风，且是绝热的，挥发份在密相区内燃烧完全。
(3)  按照国内循环流化床锅炉运行的现状，返料系统为高温返料。
(4)  床料、燃料与空气，烟气的比热视为常数，即不随温度变化，不考虑脱硫反应。
(5)  密相区内只发生碳与氧气的一次反应即：碳＋氧气 二氧化碳。
(6)  稀相区与密相区除了传质外没有其它形式的热交换。



图1  循环流化床密相区物质能量平衡示意图

根据上面的假设可写出流化床内密相区的物质平衡与能量平衡方程。
物质平衡方程：
    物质平衡的意义是单位时间内，流化床密相区的进出以及生成消耗物质的质量净差等于总床料质量的变化，其数学表达式为：

(1)


能量平衡方程：
    能量平衡方程的物理意义是单位时间内，流化床内固体床料的蓄热量的变化等于进出流化床密相区能量的净差，数学表达式为：

(2)

方程中：
Mb为循环流化床锅炉床层质量；
Fc为单位时间内加入锅炉内的燃料量；
Fcc为单位时间的返料量；
Flime为单位时间内投入的石灰量；
Fa1为单位时间内的一次风量；
Fd为单位时间内的排渣量；
Mc为单位时间内燃烧的碳量；
Fash为单位时间内进入稀相区的床料质量；
Fa2为单位时间内进入稀相区的风量；
C为床料的比热；
T为床料的温度；
τ为时间；
Qc为单位时间内碳燃烧产生的热量；
Qa1为单位时间内一次风带入的热量；
Qcc为单位时间内返料带入的热量；
Qm为单位时间内燃料带入的热量；
Qv为单位时间内挥发份燃烧产生的热量；
Qash为单位时间内飞灰带走的热量；
Qa2为单位时间内烟气带走的热量；
Qd为单位时间排渣带走的热量；
Q为单位时间传给受热面的热量；对于质量平衡方程可以利用调整排渣量来保证床层厚度基本保持不变。所以可以认为 。

    对于能量平平衡方程，，其中Hc为碳的热值，Rc是碳的反应速率，流化床密相区内碳的总质量，床层温度，汽流中氧气的浓度的函数，一般以密相区单位时间内消耗的氧量来计算，氧从周围向单位碳表面扩散的氧气量可由下式计算：
(3)
为扩散速率常数；
为气流中氧的浓度；
为碳表面氧的浓度；
其中，                   (4)
将(4)代入(3)式得：
                    (5)
 为碳燃烧的反应表观速度常数，对其取倒数得：
                                (6)
为碳燃烧过程中的阻力；
为氧气的扩散阻力；
为碳的燃烧化学阻力。
由Arrhenenious定律：        (7)

    可知，当流化床锅炉内温度很高时（超过800℃）碳的燃烧化学阻力很小，其阻力主要来源主要来自氧气的扩散阻力，Rc可以认为与床温无关，主要取决于氧的浓度，当给煤量不变，气流中氧的浓度变化不大，Rc可以近似为常数。(7)式中 为反应频率因子；E为活化能；R为气体常数。
是一次风量的函数，其中Ca1为气休的比热，Ta1为一次风温；
，由于现在大部分循环流化床锅炉采用高温返料，返料温度与床温接近，所以不能起到调节床温的作用，Qcc可近似为常数，Fcc为单位时间的返料量；
 、 是燃料量的函数，不受一次风变化影响；Hm是煤的焓值；Hv挥发份的发热量； 是挥发份占煤中的份额。
 (8)                              
其中k1为比例系数，A为流化床的横截面积，Vcr为临界流化风速，可见Qash为一次风量与床温的函数；
 ，由于流化床内主要的燃烧反应是碳＋氧气→二氧化碳，所以反应前后气体的体积变化不大，可以近似的认为，故 为一次风与床温的函数，Ca2为烟气的比热；
，为床温的函数；
，A1为受热面的面积，Tw为受热面的温度，传热系数，k2为比例系数， 是床温的变化量，可见Q是温度的二次函数；
所以能量平衡方程(2)可以化为(9)式：
(9)
方程(9)为一个非线性方程，对其在工作点线性化得到：
(10)
有零下标的是工作点的参数。
对(10)进行拉普拉斯变换得(11)式：
 →
←    
  (11)

 
 
则有 (12)

3  仿真实验研究



图2一次风量阶跃增加时的仿真曲线

  



图3一次风量阶跃减少时的仿真曲线

    为了验证模型的正确性，取一中型循环流化床锅炉的额定负荷下的参数，进行仿真，主要参数为：

计算得到：
aM=6647.0；aT=297.7；aF=4763.9
代入(12)得到：
(13)
整理得到：
(14)
由(14)式可以看出：循环流化床锅炉一次风到床温的传递函数为负的一阶惯性函数。
    其阶跃响应曲线如图2、图3所示，为了进一步验证模型的合理性，在杭州开发区热电厂130t/h循环流化床锅炉作现场测试，增加减少一次风，来观察床温的变化风图4、图5，图中两条曲线是床层内不同位置的温度，它们的变化与模型描述的基本一致。



图4一次风量阶跃增加时的现场曲线



 



图5一次风量阶跃减少时的现场曲线


4  结论
 
    由仿真结果来看，当风量阶跃增加时，床温降低并过渡到一稳定值，这是由于一次风量的加大，一次风带走的热量增加，夹带到稀相区的床料也同时增加，床料带走的热量随之加大，在给煤量不便的情况下，使密相区的燃烧份额减少，床温降低；相反风量阶跃减小时床温增加，与实际的运行时观察相符，证明了循环流化床锅炉床温控制模型的正确性。