1、第 19卷第 2期 1999年 4月動力工程 V o l . 19N o. 2A p r . 1999 33循環(huán)流化床實時動態(tài)數(shù)學模型研究李政倪維斗王哲張巍岳光溪(北京清華大學 摘要與常規(guī)煤粉燃燒相比 , 循環(huán)流化床的特點在于 :首先 , 床內存在大量并不斷循環(huán)的物料 , 其質量 、 粒度分 布 、 循環(huán)程度 、 濃度分布 、 熱容量等對動態(tài)特性有重大影響 ; 其次 , 床料內存在著大量的未燃盡殘?zhí)?, 其動態(tài)燃 燒及消耗過程以及燃燒放熱位置對爐溫及其分布影響很大 。 針對上述特點 , 建立了以給煤量 、 給風量 、 排渣量 為輸入的動態(tài)數(shù)學模型 , 它由氧質量平衡 、 殘?zhí)紕討B(tài)燃燒過程的碳質

2、量平衡 、 揮發(fā)份燃燒及殘?zhí)既紵膭討B(tài)能 量平衡以及以排渣量為主動操作量的動態(tài)床料質量平衡 4個方程組成 。 計算結果表明 :該模型能夠正確地反 映各種操作量變化時循環(huán)流化床的動態(tài)特性 , 而且計算速度滿足實時要求 。 圖 1參 2主題詞 : 1998209201收到來稿 。該文系國家自然科學基金資助項目 。0引言床自動控制系統(tǒng)的迫切需求 , 本文從分析循環(huán)流 化床鍋爐的特點出發(fā) , 結合多年來研究循環(huán)流化 床精細數(shù)學模型的經驗 , 力圖建立一個能直接為 控制系統(tǒng)開發(fā) 、 測試以及將來培訓仿真器開發(fā)服 務的實時動態(tài)數(shù)學模型 。1循環(huán)流化床鍋爐特點及建模要求要建立能夠正確反映循環(huán)流化床特性的動態(tài)

3、 數(shù)學模型 , 必須首先理解對象的物理過程和機制 。與煤粉鍋爐相比 , 循環(huán)流化床鍋爐的最大差 別在于燃燒機制的不同 。 在煤粉爐中 , 燃燒放熱量 與給煤量是緊密 、 快速關聯(lián)的 。 燃料進入爐膛后便 迅速燃燒并釋放熱量 , 燃燒產物和少量未燃盡碳 很快離開爐膛 , 而燃料供應一旦停止 , 燃燒便很快 終止 。 這就是說 , 煤粉爐的熱源基本上就是瞬時進 入爐膛的給煤量 。 而對循環(huán)流化床而言 , 燃燒放熱 與給煤量的直接關聯(lián)要微弱而且緩慢得多 。 燃燒 放熱更多 、 更直接地來自床料中存在的大量未燃 盡殘?zhí)?, 而不是瞬時加入的燃料量 。 這一點可以從 下述現(xiàn)象中證明 :在循環(huán)流化床鍋爐運

4、行或調試 過程中 , 即使短時間內停止給煤 , 鍋爐仍能運行而。 此外 , 在停機過程 , , 流化床的床溫下降比煤 粉爐要慢得多 , 這也說明床料內殘?zhí)荚诹骰踩?燒過程中起著重要的作用 。由于燃燒機制的差異 , 建立循環(huán)床數(shù)學模型 時 , 若再照搬煤粉爐建模中采用的燃料一進爐膛 便立即完全燃燒的方式是完全不可取的 。 從實際 物理過程看 , 由于任意時刻流化床的放熱有 2個 來源 :一是給煤帶入并在爐膛內迅速釋放并燃燒的揮發(fā)份 ; 二是爐膛內存在的全部可燃碳 (以下簡 稱殘?zhí)?。 因此 , 流化床動態(tài)數(shù)學模型中必須描述 殘?zhí)嫉膭討B(tài)累積和動力學燃燒過程 , 并且單獨考 慮揮發(fā)份燃燒與放熱 。

5、循環(huán)流化床與煤粉鍋爐的另一主要差別在于 流化床中存在大量且不斷循環(huán)的床料 , 而且運行 人員根據(jù)運行情況 , 需要主動控制底部排渣量 。 動 態(tài)數(shù)學模型應當能夠反映排渣量作為主動操作量 變化時 , 爐膛內床存量及流動狀態(tài)的變化 , 以及由 此導致傳熱效果的變化情況 。 當然 , 其它主動操作 參數(shù) , 如給煤 、 給風等的變化影響同樣需要正確反 映 。綜合以上分析 , 可以歸納出正確反映循環(huán)流 化床特性的動態(tài)數(shù)學模型需要包含的基本機制 : 床內殘?zhí)紕討B(tài)積累以及動力學燃燒過程 ; 給煤帶入的揮發(fā)份迅速釋放及燃燒 ; 進出流化 床系統(tǒng)的固體物質在床內的動態(tài)積累過程 ; 給 煤 、 給風 、 給石灰

6、石 、 排渣等主動操作量對流動 、 傳 熱 、 燃燒及能量平衡的作用關系 ; 流化床內大 量床料的熱容量及熱慣性 ; 以上各種機制中包 含的流動 、 傳熱 、 燃燒 、 物質和能量平衡基本作用 關系 。2循環(huán)流化床實時動態(tài)數(shù)學模型 針對上述建模要求 , 同時為實現(xiàn)實時計算目 的 , 建立動態(tài)數(shù)學模型時 , 采用了如下的簡化 : (1 采用平均直徑代表實際流化床內的寬篩 分尺寸分布 , 鑒于循環(huán)灰占據(jù)了床內物料的主體 , 平均直徑近似采用循環(huán)灰直徑 ;(2 采用焦炭平均直徑模擬循環(huán)床內焦炭燃 燒過程 , 而且假定碳氧化反應的產物全部為二氧 化碳 。 由于爐內一氧化碳的含量很少 , 這種假定是 合

7、適的 ;(3 鑒于流化床燃燒室內部溫度及固體含碳 量基本均勻 ,; (4 , , 而是將爐膛 劃分為 30個小室 , 分別計算固體濃度 、 壓降型線 以及傳熱系數(shù) 。上述簡化的效果是非常明顯的 :與清華大學 原有精細數(shù)學模型相比 , 方程個數(shù)由原來的約 1300個減少為 4個 , 而精細模型所表達的物理實 質得到了很好的保留 , 因而前述對動態(tài)數(shù)學模型 的基本要求能夠得到較好的滿足 。在進行了上述卓有成效的模型簡化后 , 動態(tài) 數(shù)學模型可以具體表示為 :(1 氧氣質量平衡相對能量平衡及碳質量平衡過程而言 , 氧氣 質量平衡是一個快過程 , 因而用代數(shù)方程表示 :Y O 2 =12V g(0.

8、21Q air 22. 4+B (32-4 -32(1+0. 5S O2-R C (1式中 Y O2 出口煙氣中氧氣體積濃度 V g 出口煙氣體積流量Q air 進入流化床總空氣體積流量B 給煤量C ar , H ar , O ar , S ar , A ar 煤的收到基質 量份額S O 2 除硫效率R C 碳總體反應速率(2 動態(tài)碳質量平衡d t=B C ar -R C -D C式中 t 時間M C 流化床系統(tǒng)內包含的總碳質 量D C 飛灰和排渣中流失的碳質量 碳總體燃燒反應 R C 是流化床內總碳質量M C 、 床溫 T b 、 平均氧氣濃度 Y O2M 及焦炭反應速率 k C 的函數(shù) ,

9、 其中 , k C 表達式為 :k C=k s+k dk s =0. 5k 0(T b +T c exp (-E R T C k d =d Ck sd0 表面反應速率常數(shù)T C 焦炭顆粒表面溫度E 活化能R 氣體常數(shù)S h Sher w ood 數(shù)D g 氧氣擴散系數(shù)d C 焦炭直徑 。由式 (2 可以看出 , 本模型中考慮的是流化床 系統(tǒng)內存在的所有可燃炭的燃燒反應 。 因此 , 它可 以模擬給煤暫時間斷或完全跳閘時 , 流化床內部 的殘?zhí)既紵敝寥急M的過程 。(3 動態(tài)能量平衡流化床內主要能量來源于給煤中揮發(fā)份燃燒 及殘?zhí)既紵懦龅哪芰?。 模型中假定煤中揮發(fā)份 進爐后立即燃燒并釋放能量

10、, 而碳燃燒放出的能 量取決于總體碳反應速率 。d t=B V H V +R C H C +B f H f + Q air H air -V g H g -D H s -B K H K -Q (3 式中 M 流化床系統(tǒng)內總固體質量B V H V 煤中揮發(fā)份燃燒釋放的熱量 R C H C 碳燃燒反應放出的熱量B f H f 燃料 、 石灰石及惰性床料添加帶 入的物理焓Q air H air 給風帶入的物理焓V g H g 離開爐膛的熱煙氣帶走的焓43 動力工程 第 19卷 D H s 飛灰和排渣帶走的物理焓 B K HK 石灰石分解反應吸熱量Q 系統(tǒng)內受熱面的總吸熱量上式左邊的導數(shù)項代表了流化床

11、內部大量床 料存在導致的熱慣性 , 此項及右式中殘?zhí)既紵?的存在 , 使模型可以模擬給煤停止的極端情況下 , 流化床溫度緩慢降低的動態(tài)過程 。在流化床啟動及低負荷運行時 , 床下啟動燃 燒室及床上油槍可能會投入運行 。 這時 , 能量平衡 方程中需加入燃油放熱項 , 相應地氧氣平衡中亦 應有所反映 。圖 1連續(xù)脈沖改變給煤量的動態(tài)結果(4 動態(tài)固體質量平衡該平衡是指進出流化床系統(tǒng)的惰性固體的質 量平衡 。 床內固體總質量取決于進出系統(tǒng)的固體 物質凈流率 。 當凈流率為正時 , 床內固體總質量增 加 , 燃燒室內密相床的高度亦會增加 , 反之亦然 。 進入燃燒室的惰性固體包括隨給煤帶入的灰份

12、, 添加的石灰石 (反應生成的硫酸鈣 , , 本文 籠統(tǒng)地以 B I 。 固體離開 系統(tǒng)通過飛灰 F L 及排渣 D out 2個渠道 。 因此 , 動 態(tài)質量平衡可以表示為 :d t=B I -D out -F L (4式中 B I 和 D out 運行人員主動操作量F L 給風量 、燃燒狀況及床溫的函數(shù) 在模型中 , 通過輸入不同 D out 數(shù)值來模擬運行人員通過排渣控制床壓降 (即系統(tǒng)內固體總量 的過程 , 模型內部通過計算不同操作及運行工況 下燃燒室內固體濃度的變化來反映其對鍋爐負荷 的影響 。3動態(tài)模型測試及結果分析為考驗所建模型 , 以某 420t h 循環(huán)流化床鍋 爐設計方案為

13、對象 , 對模型在給煤 、 給風 、 給石灰 石 、 排渣等操作量的多種變化情況下進行了全面 測試 , 證明模型不僅能夠響應這些操作量的變化 , 而且趨勢基本正確 。 限于篇幅 , 本文僅將連續(xù)脈沖 改變給煤量的動態(tài)結果展示在圖 (a 至 (f 中 , 需 指出的是 , 為清楚起見 , 有意將圖 (a 的時間坐標 拉大了 。, 19. 5kg s 連續(xù) 0, 90s , 脈 90s , 如圖 (a 所示 。此時 , 其余操作量 恒定不變 。 由圖 (b 和圖 (c 可以看出 , 床料含碳量 和總碳質量立即開始下降 , 在 2個脈沖間隔略有 回升 , 擾動結束后又恢復到原來水平 。 圖 (d 和

14、圖 (e 表示的是總碳反應速率 R c 與氧氣濃度 Y O 2的 變化情況 :隨著總碳質量的下降 , R c 呈下降趨勢 , 而 Y O 2呈上升趨勢 。 值得注意的是 , 每次脈沖起 始 , R c 都有一個短暫的上升 , 這是由于給煤帶入53 第 2期 動力工程 的揮發(fā)份減少而使得氧氣濃度升高 (圖 (e 導致 的 , 這說明模型反映了揮發(fā)份燃燒機制 。 在 2個脈 沖之間 , R c 略有回升而 Y O 2則略有下降 , 這同總碳 質量的變化趨勢是對應的 。從宏觀上講 , 由于給煤擾動期間 , 加入爐膛的 總燃料質量下降了 , 亦即加入的總能量少了 , 因此 不難預見爐膛溫度會有所降低

15、, 但由于床料的巨 大熱慣性 , 床溫的變化要滯后于 R c 。圖 (f 所示的 床溫變化曲線很好地表現(xiàn)了這一趨勢 :給煤量擾 動伊始 , 由于碳反應速率降低很小 , 甚至在起始階 段略有上升 , 加上床料的巨大熱慣性 , 床溫在維持 一段時間后才開始連續(xù)下降 ; 同樣 , 在給煤恢復 后 , 碳燃燒速率上升了一段時間后 , 床溫才開始恢 復 。通過以上試驗證明本文所建模型正確地描述 了下述機制和特性 :(1 碳質量動態(tài)積累和消耗 ;(2 總碳反應速率與總碳質量 , 溫的動態(tài)作用關系 ( ;(3 ; (4 。實際上 , 碳質量的動態(tài)消耗還應當包括排渣和飛灰中損失的碳質量 , 其計算是在本模型的

16、固 體物質動態(tài)質量平衡中完成的 。 由于篇幅關系 , 有 關計算結果就不列出了 , 但模型建立的進出系統(tǒng) 的凈固體質量流率與床料量動態(tài)作用關系 , 在有 關試驗中的確得到了較好的驗證 。另外 , 上述計算中時間步長約為 1s , 而每步 計算耗用時間遠遠低于 1s , 說明模型可以用于實 時計算 。4結論(1 本文從分析循環(huán)流化床特點出發(fā) , 提出了建立其動態(tài)模型應滿足的基本要求 ;(2 通過考慮固體物料動態(tài)質量平衡 、 碳動 態(tài)質量積累及動力學燃燒 、 固體物料動態(tài)能量平 衡 , 建立了能夠正確反映循環(huán)流化床主要特性的 動態(tài)數(shù)學模型 ;(3 本文建立的動態(tài)數(shù)學模型主要由 4個主 要方程組成

17、, 因此可以滿足實時計算要求 ;(4 由于啟動和停爐過程與模型考慮的物理 過程本質相同 , 因此本模型可以進一步發(fā)展為全 , 。1, , 岳光溪 , 孫昕 , 張巍 . 循環(huán)流化床復合壓降數(shù)學模型 . 動力工程 , 1997, 17(32李政 , 倪維斗 , 張巍 , 孫昕 . 循環(huán)流化床整體物料平衡通用動態(tài)數(shù)學模型 . 清華大學學報 , 1997, 37(2第一作者簡介 李政 , 男 , 生于 1965年 , 1994年畢業(yè)于清 華大學熱能系 , 現(xiàn)為清華大學熱能工程系副教授 、 系副主任 。 主要 從事熱動力系統(tǒng) , 尤其著重于流化床設備數(shù)學模型與仿真研究工 作 。曾承擔國家攀登計劃 、

18、“ 九五” 攻關 、 自然科學基金項目多項 , 現(xiàn)正在研制循環(huán)流化床鍋爐仿真培訓器 。 發(fā)表學術論文 20多篇 , 專著 1本 。簡訊世界最先進的核電站法國的壽茲核電站被科學家們公推為 “世界最先進的核電站” 。 該電站位于法國和比利時交界處默 滋河畔的壽茲村 , 擁有當今世界上最大功率的核反應堆 1450MW 2座 、 裝機容量總共為 2900MW 。 壽茲核電站的 “核島” 高 60m 以上 , 形同儲油罐 , 內裝核反應堆 。 “常規(guī)島” 裝有汽輪發(fā)電機組 , 整個車間 長達 100m 以上 , 冷卻塔高 170m 以上 。史鋒編 63 動力工程 第 19卷 detail on the

19、basis of structu re p aram eters and air distribu to r of loop seal as w ell as ex ternal aerati on rate and p ressu re . T he design m ethod w ill p rovide reference fo r design and retrofit of CFB bo ilers . F igs 3and refs 7.Y uan Y i -chao (Shangha i , Shangha i Unv iersity of Sc ience and Techn

20、ology , Chen Zh i -hang , Sh i Bao -zhen . Research on Sen sitiv ity of Steam Te m pera ture D ev i a tion to Flue Ga s Te m pera ture D ev i a tion i nConvection Superhea ter and Rehea ter . Power Eng i neer i ng , 1999, 19(2 :2932T he flue gas tem p eratu re deviati on is one of the m ain facto rs

21、 affecting the steam tem peratu re de 2viati on of sup erheater and reheater system in large cap acity u tilities , therefo re its p aid a good deal of atten ti on du ring design and op erati on . T he theo retical co rrelati on betw een the ou tlet steam tem pera 2tu re deviati on and the in let fl

22、ue gas tem peratu re deviati on of convecti on superheater and reheater is es 2tab lished in th is p aper . O n the basis of th is , the sen sitivity of steam tem peratu re deviati on to flue gas tem p eratu re deviati on and the m easu res reducing the steam tem p eratu re deviati on of sup er heat

23、er and reheater system are analyzed . F ig 1and refs 4.L i Zheng (Be ij i ng , Qi nghua Un iversity , N iW e i -dou , W ang Zhe , Y ue Guang -x i . ARea l T i m e D ynam ic M a the m tica l M odel of CFBC . i (3336Com pared to conven ti pu e distingu ished featu re . In CFBC , the bed its , distribu

24、 ti on , circu lating rate , concen trati on dis 2tribu ti on and great influence on dynam ic behavi o r . Fu rther m o re , there is large am oun t of unbu rned carbon in bed inven to ry , w h ich k inetic com bu sti on and con sum p ti on p rocess and locati on have great influence on the tem pera

25、tu re level and distribu ti on in com bu sti on cham ber . Con 2sidering above featu res , th is paper estab lished a dynam ic m odel by tak ing the rates of coal feed , air feed and bo ttom ash rem oval as inp u ts . T he m odel m ain ly con sists of fou r balance equati on s . T hey are sep aratel

26、y the m ass balance of oxygen , dynam ic carbon m ass balance con sidering the k inetic reac 2ti on s of all unbu rned carbon , dynam ic m ass balance of to tal bed inven to ry by tak ing ash rem oval as operato r m ain i pu lating variab le and a to tal energy balance w ith con siderati on of the c

27、om bu sti on of vo latile and unbu rned carbon . A series of m odel tests are m ade fo r differen t op erati on conditi on s . T he calcu lati on resu lts show that the m odel can co rrectly reflect the dynam ic p rocesses w hen changing the above m en ti oned op erati on inpu ts and the com pu ting speed m eets the requ irem en t of real ti