循环流化床全工况实时动态数学模型的研究

第20卷　第1期　2000年2月 动　力　工　程POW ER EN G I N EER I N G　V o l .20N o.1　Feb .2000・511・　 文章编号:100026761(2000)0120511204循环流化床全工况实时动态数学模型的研究李　政　王　哲　倪维斗(清华大学热能工程系,北京100084)摘　要:在详细分析影响循环流化床动态特性的主导过程—动态物料平衡,进风量与炉膛压降耦合,动态碳质量平衡和动态能量平衡的基础上,建立了以一套机理动态方程描述循环流化床启动、停机、事故和正常运行全工况过程的数学模型。

提炼了流化床关键参数的主导因素,并确立了这些主导因素与负荷工况的作用关系,从而解决了培训仿真机研制中模型运算速度以及多工况数据的精确吻合问题。

该模型在我国第一台全工况循环流化床锅炉电站培训仿真机中得到成功应用。

参2主题词:循环流化床;动态数学模型;全工况;培训仿真机中图分类号:T K 229.6+6 文献标识码:A收稿日期:1999206210基金项目:国家攀登B 计划项目作者简介:李　政(1965～),男,1994年毕业于清华大学热能系,获博士学位,现任清华大学热能系副教授。

主要从事热动力系统、流化床设备数学模型与仿真研究工作。

0　引言随着循环流化床锅炉在国内的大量应用,安全、经济运行的问题日益突出。

在实际运行中,由于许多运行人员更倾向于用原来操作煤粉炉的方式和经验操作循环流化床锅炉,结果往往导致经济性降低甚至出现事故。

因此,加强运行人员培训已成为迫切需要。

电力工业的长期实践表明,应用仿真机培训运行操作人员是提高常规电厂经济、安全运行的有效途径。

因此,为提高流化床电站的运行水平,研制和应用培训仿真机是必由之路。

由于循环流化床锅炉是各种清洁煤利用技术中的相对比较成熟和廉价的技术,在未来的10～20年里将得到广泛应用。

因此,开展其仿真机研究是十分重要的,有十分广阔的研究和市场前景。

目前,在国内外文献中,关于循环流化床动态模型和仿真的文献相对较少,尚未发现有关循环流化床电站培训仿真机研制和应用的报导。

由于常规电站培训仿真机技术已相对成熟,因此,研制循环流化床锅炉电站培训仿真机的核心技术难点是流化床燃烧系统全工况动态数学模型。

1997年,结合承担的宁波镇海炼化公司引进220t h 烧石油焦循环流化床锅炉电站培训仿真机的任务,清华大学开发了国内第一个循环流化床燃烧系统全工况实时动态仿真数学模型。

该仿真机已于1998年11月投入正式人员培训,填补了我国在循环流化床全工况实时培训仿真机领域的空白。

1　影响循环流化床动态特性的主导过程 要建立循环流化床的动态数学模型,首先要摸清影响循环流化床动态特性的主要特征过程,亦即主导动态过程。

经分析,笔者认为,循环流化床的主导动态过程有以下4个:(1)动态物料平衡过程:典型的循环流化床是一个“一进二出”系统,一进是指燃料(煤及脱硫剂)添加,二出是指流化床内的固体物料通过飞灰和排渣两个途径离开锅炉。

其中,飞灰流量是锅炉运行状态和部件性能的函数,不能直接、主动控制;而排渣流量则是运行人员(或自动控制系统)的主动操作量,需要按照运行要求的床内物料总量情况随时调节。

动态物料平衡是指因进、出流化床的固体物质质量不一致,从而导致得固体物质在炉膛内的动态蓄积。

例如,在进多出少时,床内物料量增加,导致密相床高度增加,炉膛内固体浓度分布变化,离开炉膛的固体夹带量变化,进而导致传热、燃烧、炉膛温度水平和分布发生一系列的变化。

由于任何主动操作(给煤、给风、排渣等)变化都会导致进出物料出现新的不平衡因素,并进而导致一系列变化,因此,动态物料平衡是流化床动态变化过程中的特殊和重要现象,是建模中必须描述的主导动态过程。

(2)压降与进风量耦合过程:在由送风机开始至引风机和烟囱的风烟回路上,循环流化床是其中的一个阻力部件,其炉膛部分的压降与炉膛内的固体物料质量成正比。

由于上面(1)中描述的各种导致炉膛内物料质量变化的因素存在,在动态过程中,由于炉膛压降(亦即风烟回路上的阻力部件的阻力)在不断变化,进入炉膛的风量会自发地发生变化。

因此,要准确地描述流化床动态过程,必须计及压降与进风量的耦合关系。

(3)残碳的动态蓄积过程:在煤粉锅炉中,一旦燃料供应停止,燃烧将立即停止;而循环流化床锅炉中,短时间停止给煤,燃烧状况不会立刻发生很大变化。

这是因为流化床就好比一个正在充电的“蓄电池”,床料内存在着大量未燃尽残碳如同已蓄积在电池内的电量。

一方面,给煤相当于“外接电源”在不断地向“蓄电池”补充电量;另一方面,残碳通过燃烧,自身质量减少、对外释放热量,相当于“蓄电池”在不断地向用户释放功率,减少自身储电量。

在这一过程中,残碳总质量的大小决定了燃烧放热的速率;同时,给煤对残碳质量的补充和残碳燃烧引起自身质量的消耗的净差值决定了炉膛内总碳质量的变化方向和速率。

这种残碳质量动态蓄积的机制代表了循环流化床燃烧的本质机制而且贯穿于流化床运行过程的始终,因此,是动态建模中必须考虑的主导动态过程。

(4)动态能量蓄积过程:众所周知,循环流化床的热惯性较大,表现在炉膛温度跟随扰动变化的速度较慢。

究其原因,是由于流化床内巨大的床料量(以及众多的耐磨涂层及管壁金属)具有巨大的热容量,它代表了流化床的能量蓄积能力,并决定了动态变化过程的快慢程度。

2　在正常运行工况下的动态数学模型 正常运行工况是指循环流化床在完成启动后到正常停机之间的所有工况。

在正常运行工况下,流化床以固体煤或石油焦为唯一燃料(即不投油作为辅助燃料),任何时候均保持正常流化。

此时,动态数学模型可用如下主要动态方程式表示[1]:(1)动态物料质量平衡如前所述,动态物料质量平衡的物理意义是:单位时间内,流化床系统的进、出以及生成和消耗的固体质量净差值等于总床料质量的变化量,写成数学表达式为:d MdΣ=B coal+0.56B li m e-D out-FL+0.588W CaS O4-R C(1)其中:M为总床料质量,Σ为时间,B coal和B li m e分别代表添加的燃料量和石灰石量,D out是排渣量(外界主动操作量),FL是飞灰量,W CaS O4代表脱硫反应生成硫酸钙的速率,R C代表碳的总体反应速率。

B coal,B li m e和D out是外界主动操作量,FL是与给风量相关的因变量。

上式反映的物理过程是:当任一外界操作量发生变化时,都会产生新的不平衡作用,从而导致床料量发生变化。

(2)残碳动态质量平衡d M CdΣ=B coal C ar-R C-(D out+F l) ς(2)式中　M C——总碳质量C ar——煤的收到基碳质量份额R C——碳总体燃烧反应速率ς——床料平均含碳量在上式中,碳总量燃烧反应速率R C是流化床内总碳质量、床温、氧气浓度等反应条件的函数。

它反映的物理事实是,流化床内碳的消耗是床内全部残碳燃烧的结果,其计算是通过考虑碳的化学动力燃烧而来的。

(3)动态能量平衡动态能量平衡的物理意义是:在单位时间内,流化床内固体的蓄热量的变化量等于进出流化床燃烧系统能量的净差值,数学表达为:(M+M y x)c p d TdΣ=Q H u+H air+H g t-H D-H y q-Q(3) 其中,M是床内总物料质量,M y x是耐火衬层及受热面金属管壁的折合质量,T是流化床温度, c p是固体物料比热,Q H u是燃料(包括焦碳和挥发份)瞬时燃烧放热量,H air和H g t分别是给风和添加固体的物理焓,H D是高温飞灰和排渣带走的物理焓,H y q是炉膛出口烟气的物理焓,Q是流化床通过布置在燃烧系统内的各种受热面放出的总热量。

(M+M y x)c p代表床料和管壁金属等的热容・215・ 动　力　工　程第20卷　量,由于其数值很大,因此,流化床温度T变化的惯性很大,这同实际物理现象是一致的。

(4)进风量与炉膛内压降的耦合特性循环流化床是烟风流体回路上的一个阻力部件,当其操作条件变化时,炉膛压降会发生变化,从而导致回路流量变化。

进风量与压降的耦合计算原理比较简单,但数学表达较烦琐,这里就不再详述了。

3　特殊工况建模的考虑除了正常工况外,全工况还包括启动、停机、可能的事故等过程。

由于正常工况模型是从机理角度建立的,这就使得我们有可能使用同一套数学模型来描述这些特殊过程。

下面,以启动过程为例,来说明特殊工况数学模型建立的原理和方法。

3.1　启动过程描述循环流化床的冷态启动过程大致分为如下几个阶段[2]:(1)加床料及流化:依次启动各种风机,将一定数量的床料逐渐投入炉膛,形成流化;(2)加热床料:点燃启动燃烧器(油枪),利用热烟气将床料加热到一定温度;(3)“脉冲”给煤:开启一台给煤机,以脉冲方式向炉内添加一定的固体燃料,通过床温和氧气浓度变化来确定固体燃料是否开始燃烧;(4)确定固体燃料已经着火后,逐渐增加投煤,同时减少启动燃烧器燃油量,直至完全靠固体燃料维持燃烧时,启动过程结束,流化床进入正常运行工况。

3.2　启动过程建模分析分析上述过程,不难发现,启动过程各个阶段的本质物理机理和正常运行过程完全一致,可以用基本相同的方程形式表达,具体分析如下:(1)床料添加过程本质上还是固体物料在流化床内的动态积累过程,可以看作是式(1)的一个特例。

此时,加入炉膛的不是燃料,而是不含碳的固体床料;由于不排渣,D out=0;由于流化风速较小,飞灰损失也较小;另外,石灰石添加量、脱硫产生硫酸钙的量以及碳燃烧反应速率均为零。

设B I 代表固体物料添加的速率,床料添加过程的数学表达为:d MdΣ=B I-FL(4) (2)不难发现,只要在式(3)右侧添加一项燃油发热量,就可描述出热烟气加热床料使其升温的过程,此时,固体燃料的发热量为零。

具体方程就不列出了。

(3)“脉冲”给煤的模拟是流化床燃烧建模中最困难的问题之一。

由于方程(2)描述的流化床内残碳动态积累和动力学燃烧的本质特性,而“脉冲”与否,不过是影响床料中总碳质量的补充而已,因此方程(2)完全适用于脉冲给煤过程的描述。

(4)显然,启动过程的第4阶段是上述几种情况的叠加,完全可以用方程(1)～(3)描述。

3.3　停机和事故工况正常停机过程是在保持流化的条件下,逐步减少固体燃料添加量,增加启动燃烧器的燃油量,直至固体燃料量为零时,再逐步将燃油量减为零。

停机过程模拟的难点在于描述在给煤停止后,床料内的残碳逐渐燃尽、床料温度和锅炉负荷缓慢降低的过程。

由于本模型建立了残碳动力学燃烧和动态积累机制以及动态物料和能量平衡机制,停机过程的模拟没有超出模型的适用范围。

同样道理,诸如“塌床”、“水冷壁爆管”等事故过程也可以使用同一套动态方程组来描述,只需改动方程的边界条件并增减某些物质和能量流即可。