煤循环流化床锅炉的数学模拟与设计.pdf

浙江大学 硕士学位论文 大型燃煤循环流化床锅炉的数学模拟与设计 姓名：刘静 申请学位级别：硕士 专业：工程热物理 指导教师：骆仲泱;倪明江 20030601 浙江大学顾士学位论文摘要 摘要 根据我国的能源政策，在相当长时期内，以煤炭为主要一次能源的状况不会发生大的 变化。为了使能源生产和利用与环境相协调，实现可持续发展，我们必须发展清洁煤利用 技术，而循环流化床燃煤技术将是清洁煤利用技术的主要形式和发展的重点。本文主要针 对循环流化床锅炉的大型化以及建模仿真等问题进行了研究。 本文概述了循环流化床锅炉的优点以及发展现状和发展方向介绍了国内外循环流化 床锅炉大型化研究的现状以及循环流化床锅炉仿真的必要性，并分类评述了各国研究者目 前所开发的循环流化床燃烧系统的数学模型。 在原有循环流化床锅炉数学模型的基础上，本文针对大型循环流化床锅炉的特点对模 型进行改进，建立起一个大型循环流化床锅炉燃烧系统数学模型。为了提高模型的运算速 度而同时又不影响模型的计算精度，本文采用矩阵解法和因子正割更新有限差分近似雅 可比法求解模型中的线性和非线性方程组。然后，利用该模型，在m s e 2 0 0 0 仿真平台上对 一台1 3 5 m w e 循环流化床锅炉的额定负荷工况、变负荷工况、变过量空气系数和变二次风 率等工况进行仿真，并对仿真结果进行了分析。 最后，本文在分析研究了循环流化床燃烧技术和超临界参数锅炉的特点之后，提出一 种超临界循环流化床锅炉的设计方案。并指出由于大容量、高参数的超临界循环流化床锅 炉所具有的优势，将是清洁煤技术的发展方向。 关键词：循环流化床超临界模型仿真 浙江大学硕士擘位奄文a b s t r a ( 、t a b s t r a c t a c c o r d i n gt o c h i n e s ee n e r g yp o l i c y , c o a li st h ep r i m a r ye n e r g ys o ) m ；c eo fc h i n a ，w h i c h w o n tc h a n g ef o ral o n gt i m e l o wc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n ds e r i o u sp o l l u t i o np r o b l e m sc o m e w i t ht h eb e h i n d h a n df a c i l i t i e sa n dt e c h n o l o g yo fc o a lc o m b u s t i o n i no r d e rt or e a c ht h e c o n c o r d a n c eo ft h ee n e r g yu t i l i z a t i o na n dt h ee n v i r o n m e n t , w es h o u l dd e v e l o pt h ec l e a nc o a l t e c h n o l o g y i nt h ef u t u r e ，t h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) t e c h n o l o g y w i l lb et h em a i n t y p eo f t h ec l e a nc o a lt e c h n o l o g ya n dw i l lb et h ee m p h a s e so fd e v e l o p m e n t t b i st h e s i sf o c u s e do n i n v e s t i g a t i o ni n t ot h es c a l i n g u po fc f b b o i l e ra n dt h es m i l es t a t es i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o n s y s t e m o f a l a r g ec f b b o i l e r o nt h eb a s eo f a n a l y s i so f t h ee n e r g yu t i l i z a t i o na n dt h ee n v i r o n m e n to fo u rc o u n t r y ，a s u m m a r yw a sm a d e t od e s c r i b et h ea d v a n t a g eo f c f bb o i l e ra n di t sd e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，a n d t h e n ，w ei n t r o d u c e dt h es t a t u so f s c a l i n g - u ps t a t u so fc f b b o i l e ri nt h ew o r l d m a d ea n e m p h a s i s o nt h ep r o b l e m sb r o u g h tb yt h es c a l i n g - u po fc f bb o i l e ra n ds o m ea c h i e v e m e n t st h a th a db e e n g o a e nd u r i n gc o n q u e r i n gt h e s ep r o b l e m s i n t r o d u c e ds o m el a r g ec f b b o i l e r st h a tw e r eb e i n g b u i l to rh a db e e nb u i l t a tt h es a m et i m e ，m a n ym a t h e m a t i c a lm o d e l so fc f bb o i l e rc o m b u s t i o n s y s t e mw e r ed i s c u s s e d t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o m b u s t i o n s y s t e mi n c f bb o i l e r d i s c u s s e dt h es o l v em e t h o do f 血i sm o d e l a n dt h e nm a d es i m u l a t i o no ft h e1 3 5 m w ec f b b o i l e ro fx i n x i a n gp o w e rp l a n tw i m m s c 2 0 0 0a n da n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t a tl a s t w ep u tf o r w a r dap r i m a r yd e s i g no fa6 0 0m w e s u p e r c r i t i c a lc f b b o i l e r t h em a i n a r e a so ff o c u si nt h ed e s i g no ft h i sl a r g ec f bb o i l e rw i 也a d v a n c e ds t e a mc o n d i t i o n sw e r e d e s c r i b e d i na d d i t i o n s o m eg e n e r a lp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h ef u r n a c es t r u c t u r ea n dh e a t e x c h a n g e ra r r a n g e m e n tw e r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h e r n a o - d y n a m i cc a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u tt o p r e d i c tt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h e b o i l e r k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e ds u p e r c r i t i c a l m o d e ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获褥澎鎏盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 刘莆 签字日期： 旦。哆年3 - 月2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘生有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部r 丁或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查罚和 借阕。本人授权塑盛盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关敷据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：旁l 静 签字日期；如口3 年5 月2 f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：妒刁1 1 签字日期：沙田年r 月7 日 电话 邮编 浙江大学乓士擘位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 中国是目前世界上经济发展最快的国家之。在过去2 0 年里，我国经济一直保持9 7 的年平均增长率。未来几十年内，我国经济仍将保持上升的势头，而我国的能源需求，尤 其是优质能源的需求量也将持续上升：而随着人们对因能源使用而导致的局部地区乃至全 球环境问题认识程度的逐渐加深，我国面临的环境压力也越来越大。 能源消耗带来的环境问题主要是由于燃煤造成的。中国是世界上最大的产煤国，也是 最大的煤消耗国。我国的煤炭资源十分丰富，再加上历史、经济等方面的条件，形成了我 国能源结构中以煤为主的格局。煤炭占中国一次能源构成的比例约为7 5 。并且在今后相 当长的时间内，这种以煤为主的能源结构不会有大的改变。我国煤炭的一个重要特点是高 硫煤占相当比例，含硫量大于】的高硫煤占2 5 以上。全国燃煤发电的用煤量占煤炭总产 量的3 0 以上，燃用高硫煤不可避免，2 0 以上的发电用煤是高硫煤。燃烧高硫煤可导致 大量的s 0 2 排放，近年来，燃煤电厂s 0 2 的年排放量以1 5 - - - 1 7 的幅度增长，其排放量占 全国总排放量的1 ，4 以上1 1 3 】。而s 0 。是形成酸雨的重要组成部分。在联合国系统中期环境 方案中，酸雨被列为“最重大攸关问题”之一。随着人类生态环境的日益恶化，环境问题 对燃煤电站提出了新的、更高的要求。它要求不仅要效率高、投资少、可靠性好、燃料适 应性广，更重要的是要求低排放。 为了使能源生产和利用与环境相协调，实现可持续发展，我们必须发展清洁煤利用技 术。世界各国对清洁煤利用技术都非常重视。8 0 年代以来，发达国家投入了大量人力和物 力，开发和研究洁净煤发电技术，包括循环流化床燃烧( c f b c ) 、增压流化床燃烧联合循环 ( p f b c - c c ) 、整体煤气化联合循环( r a c e ) 、大型常规锅炉脱硫脱氮等先进的燃煤发电技术 其宗旨都是一方面提高发电效率，另一方面满足低污染排放的要求。 据美国能源部最新报告，在1 9 9 0 2 0 1 0 年间，全世界用煤将增j 1 口2 3 ，世界各国在清 洁煤燃烧技术设备上的投资将达2 7 0 0 7 5 0 0 亿美元年的销售份额。美国已制订了一系列 的清洁煤技术计划( c c t i c c t s ) 。整个计划准备投资7 6 亿美圆，其中政府投入为3 0 亿， 工业界投入4 6 亿。计划共五轮，共有4 8 个项目，目前己建成和在建若干个示范装置。此外， 其他发达国家也都在致力于清洁煤利用技术的开发。因此煤的清洁利用是世界能源利用 的发展趋势1 ”。 浙江大学硕士学位奄文第一章绪论 1 2 循环流化床( c f b ) 燃烧技术 尽管现在出现多种洁净煤燃烧技术，而且有些已经发展到示范电厂阶段，但离真正商 业化乃至大规模推广，还有较大的距离。一份对2 0 3 0 年以前各种燃煤技术占有美国市场份 额的情况预测显示：l 、目前大量应用的有烟气除硫装置的常规煤粉锅炉及燃用天然气的 联合循环的市场份额在逐渐下降：2 、i g c c 和p f b c 呈逐渐增长趋势，但只是在本世纪第二 个十年以后，才能形成较大的规模；3 、在本世纪的前2 0 年里面，常规循环流化床锅炉将 迅速发展并大量使用。因此，在当前及今后较长的时间内循环流化床( c f b ) 燃煤技术将 是清洁煤利用技术的主要形式和发展的重点。 流化床燃烧技术是一种新型的煤炭洁净燃烧技术，它在上个世纪初源于化学工业，上 个世纪五十年代开始应用于锅炉燃烧领域。经过长期发展，目前流化床锅炉可分为鼓泡流 化床锅炉、循环流化床锅炉、旋涡流化床锅炉和增压流化床锅炉等。其中循环流化床锅炉 是目前发展最快、应用最广的一种流化床燃烧技术。 循环流化床燃烧技术是8 0 年代发展起来的项新型燃烧技术，是在第一代沸腾炉的基 础上克服其飞灰含量高、燃烧效率低、埋管受热面磨损严重、脱硫剂利用率低等固有缺点 而开发的。这种燃烧方式使炉内物质运行在一特殊的流动特性状态下，炉内部分较细颗粒 被烟气携带通过炉膛，部分固体颗粒产生回流，被携带出的颗粒经气固分离器再送回炉内 反复燃烧多次循环。由于循环流化床中燃料及脱硫剂多次循环，反复地燃烧和反应，且 炉内紊流运动强烈，因而能达到理想的脱硫效率和燃烧效率。 循环流化床锅炉的优点可归纳如下 1 , 3 1 ： 1 ) 燃烧效率高：由于灰及燃料的多次循环，虽床内温度不是很高，但在燃用不同煤种， 在不同负荷下，燃烧效率却比较高，可达9 8 9 9 以上。完全可以和煤粉锅炉相比。 2 ) 对煤种适应性广：由于循环床炉内燃料着火、燃烧条件好，因而可以燃烧高灰、高 硫、高水分、低热值、低挥发份的烟煤、无烟煤、褐煤、煤泥、煤矸石、油页岩、树干直 至锅炉排渣等劣质燃料。且煤种多变和各种燃料混合物均能适应。 3 ) 脱硫效率高：由于炉内温度对脱硫有利，且脱硫剂多次循环，炉内扰动很大，与烟 气接触时间长，故可以在较低的c a s 比下，达到较高的脱硫效率。 4 ) 氮氧化物( n o 。) 生成与排放较小：按现在对脱氮氧化物的研究，循环流化床锅炉可以 使n o 。排放控制在较小。 5 1 负荷调节比太运行操作灵活方便：实际运行表明，可以在2 5 的负荷下稳定运行。 调节负荷变化速度也可以很快。 6 ) 有利于灰渣综合利用：其灰渣可以作水泥混合料或其他建筑材料。 7 1 投资与运行费用适中：循环流化床的投资费用略高于煤粉炉但比配脱硫装置的煤 粉低15 2 0 。 浙江大学项士学位谁文第一章绪论 8 ) 与鼓泡床锅炉相比，循环流化床锅炉更易于实现大型化。 由于循环流化床这些特点，能有效利用煤炭资源，并能有效地、经济地解决环保问题， 从而使得循环流化床技术被认为是煤炭燃烧技术的重大革新，在国际上也越来越得到推 广。 1 3 发展大型循环流化床锅炉的意义 随着人类生态环境的日益恶化，环境问题对燃煤电站提出了新的、更高的要求。它要 求不仅要效率高、投资少、可靠性好、燃料适应性广，更重要的是要求低排放。而流化床 锅炉能有效燃烧多种高灰份、高硫、高水分劣质煤，负荷调节性能好；只要混浇少量石灰 石就朗高效脱硫，采用低温分段燃烧，n o 。排放量低：被公认为一种最具发展前景的“洁 净”煤燃烧技术，一些发达国家竞相开发应用。目前，建设高效、高参数、大容量发电机 组是火电技术发展的趋势。因而流化床锅炉也正向高参数，大容量目标挺进。 建设大型c f b 锅炉具有如下优点i l o 】： 1 节约投资：( 1 ) 锅炉本体投资以6 0 0 m w e 发电规模电厂比较，两台“w ”煤粉 炉需要2 8 亿元，四台c f b 锅炉约2 4 亿元，煤粉炉需配套磨煤机而c f b 锅炉只需破碎 机即可。( 2 ) 脱硫脱硝设备投资四台c f b 锅炉只需0 1 5 0 2 亿元的石灰石破碎设备和 石灰石输送设备，而煤粉炉需要投资的脱硫脱硝设备两项达4 8 5 6 亿万，且需要的占地面 积大。 2 节约能源：由于大型c f b 锅炉可以充分燃烧无烟煤，锅炉的燃烧效率可达9 0 0 , 4 ， 与现在运行的同容量煤粉锅炉相比，效率可提高约5 ，按6 0 0 m w e 规模年运行5 0 0 0 小时 电站耗煤计算，年可节约煤炭约6 万吨，节能效果是相当显著的。 3 燃料适应性广：循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气、固和固固混合非常好， 因此燃料进入炉膛后很快与大量床料混合燃料被迅速加热至高于着火温度，而同时床层 温度没有明显降低。因此只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度 所需的热量循环流化床锅炉就可以不需辅助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉可燃 用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、 炉渣、树皮、废木料、垃圾等。 4 污染排放处理成本低：以发电厂处理n o x 圾s 0 2 为例，煤粉炉处理s 0 2 费用达o 0 3 元k w h ，处理n o ，达0 0 1f r , k w h ，而c f b 锅炉排放的n o 。无需处理，可实现炉内脱硫， 只需用石灰石费用和及输送破碎石灰石的电能。按6 0 0 m w e 电站年运行5 0 0 0 小时，发出 电量2 8 亿度，如用煤粉锅炉处理费用高达1 1 2 8 亿元。而c f b 锅炉按2 0 t h 耗石灰石量， 单价8 0 元吨计算，输送及破碎电费按5 0 0 k w ，电价按0 4 元瓜w h ，则年处理费用约1 0 0 0 万元。c f b 锅炉处理费用远比煤粉炉经济。 新江太学硕士学拉论文 第一章姥论 5 更适合与超临界循环结合：超临界循环流化床锅炉是把循环流化床燃烧技术与超临 界蒸汽参数循环相结合的一种大型c f b 锅炉。本文第五章的研究表明，循环流化床燃烧 技术更适合与超临界循环相结合，亦即超临界循环床技术实现难度低于超临界煤粉炉。 超临界蒸汽参数循环具有如下优点1 5 , 6 , 7 1 ： 1 ) 节约煤耗：对于现代化的大型电站锅炉，提高蒸汽参数是提高发电效率的最有效 的途径，其潜力也最大。目前国际上运行的超临界机组实际运行供电煤耗大体在 3 1 0 3 2 9 9 ( k w h ) ，超超临界机组的实际供电煤耗暂按2 9 0g ( k w h ) 计算。而我国1 9 9 8 年火电机组的平均煤耗为4 0 4g “k w h ) ，比超临界机组高7 0 - - - 8 0g ( k w h ) ，比超超临界机 组高1 0 4g ( k w h ) ，1 9 9 8 年火电发电量9 3 8 8 t w h ，比超临界机组多用煤6 5 0 0 , - 。7 5 0 0 万吨( 标准煤) ，比超超临界机组多用煤9 7 0 0 万吨【”。可见如果用超临界机组代替，其节 能效果相当可观。 2 ) 减少污染物的排放：超临界机组随着机组效率的提高，机组的燃煤量相应减少，从 而导致c 0 2 的排放量减少。 3 ) 调峰性能好：现代超临界机组具有较好的热机动性，通常采用复合变压运行方式， 再低负荷下机组仍能保持较高的效率，对于两班制运行的机组，深夜停机后从点火到满负 荷的启动时间为三小时左右：负荷变化速度在4 0 - , 1 0 0 负荷之间为，5 c d m i n 左右，调峰 性能好。 4 ) 钢材耗用量较少：超临界参数蒸汽的比容较小，因此蒸汽管径相对较小。由于超 临界锅炉通常采用直流锅炉，对于相同的蒸发量，因没有汽包等原因，直流锅炉耗用钢材 比汽包自然循环锅炉少l ，3 ，体积比汽包自然循环锅炉小。 1 4 大型循环流化床锅炉的数学建模与仿真 随着科学技术的发展，系统及设备的大型化和复杂化是必然趋势。燃煤循环流化床锅 炉就是一个具有复杂内部过程的系统。大型化的c f b 更来了一系列新的工程课题，其中 最重要的一个就是如何准确而有效地预测整个系统地性能。然而性能的试验研究往往代价 昂贵，甚至是不可能的，在这种条件下，建模与仿真研究的优点就显得格外突出。循环流 化床锅炉的建模与仿真研究就是应用物理化学基本定律，结合流动、燃烧、化学反应、传 热等方面的经验模型建立数学模型，然后借助计算机对其性能进行仿真计算的过程。 大型锅炉系统的仿真建模主要有以下几个方面的作用： 1 ) 在火电厂运行监测系统方面的运用： 随着火电机组不断向高参数大容量方向发展，在线实时监测手段已成为现代火电机纽 浙江大荦项士学位谁文第一章绪论 发展的必需。对热力系统进行在线监测和实时分析是提高火电厂运行水平的有效方法。借 助文献 1 9 】介绍的热力系统在线监测系统，一般工程技术人员能对大型火电机组的热力系 统，从结构设计、运行方式、热力设备完好程度及运行参数等方面进行实时在线分析与诊 断，从而指导机组的运行和设备、系统的改造，提高机组运行经济性。使用新规律优化单 元机组的热力参数，例如，用矩阵规则多面体的最优规律进行热力系统的计算，只要基于 热平衡规律，特别适用于计算机计算，经过对6 0 0 m w 超临界机组的优化计算，采用了最 优的新参数，使单元机组的循环熟效率从设计的4 7 4 9 9 增加到4 8 0 0 3 。按照6 0 0 m w e 单元机组年运行7 0 0 0 h 计算，每年可节约标准煤10 7 0 0 吨。 2 1 仿真和建模在电厂培训中的运用： 安全生产在电力系统中占有极其重要的地位，安全中的7 0 8 0 依赖于运行人员。 采用仿真培训机对运行人员进行培训是一项提高安全性的重要措施。仿真机上可以做到与 实际现场在视觉、听觉及操作上基本一致，内容丰富，培训方便。现在国内外有很多仿真 支撑软件，仿真机的开发周期、成本和质量受仿真支撑软件的影响很大。同时，随计算机 图形技术的飞速发展，仿真大多采用图形用户接口的技术，图形用户的接口解决了仿真控 制的中心点，多水平进程的观点，使仿真发生了巨大的变化。 3 ) 仿真在故障诊断方面的运用： 在故障诊断方面的运用是建模和仿真技术的重要研究方向。比如，通过仿真机研究大 型机组中锅炉的动态特性，锅炉的全部模型是由相关的亚模型组成，通过误差控制并经真 实的运行数据进行校验修改，仿真得到的动态特性分析的准确性得到了保证。因而通过仿 真机可以验证锅炉的子系统和辅助设备模型动态特性的准确性。用于单元机组故障检测和 诊断方面的数学模型很多，通过对一个3 2 0 m w e 机组各部分定义精确的非线性模型，在此 全部框架内对机组晟常见的故障进行模拟，该模型支持系统处于正常或某个故障模拟时的 非正常工况下进行仿真，仿真模型可以和机组自动控制系统结成一体并用于实时仿真，从 而给机组的特性提供了重要的信息，同时给故障检测和诊断技术的实现提出了一种依据自 然法则的方法。 4 ) 仿真和建模在设计方面的运用： 在规划设计诸如9 3 0 m w e 的大型单元机组时，在汽水系统和燃烧系统如何设计时面临 着很大的挑战。从燃烧的观点出发，必须解决如此巨大尺寸的锅炉对煤质的适应性，减少 在燃烧过程中必然产生的n o x 的排放量增加及优化燃烧系统的安全性。在实验室进行了这 一系列像镶拼马赛克般的琐碎的研究和试验工作，依靠动态特性研究对单元机组进行了物 理和数学方面的运行模拟。文献【2 0 ，2 1 ，2 2 】也提到数值模拟分析对设计和改进的作用，由此 浙江太学嘎士学位论文第一章绪论 可见动态特性的研究对机组设计的可靠性作用也很大。 5 ) 商业竞争采用c f d 模拟进行仿真，模拟改造投资经过运行回收的年限 以c f d ( 计算流体动力学语言) 作为数学模型可以检验动力设备中任意一点的状态，其中 最强的是该模型是基于撮佳三维流体动态特性的计算。在文献【2 3 】中提出c f d 模型的锅炉 数字仿真可以提供大量的信息，并被用来优化或提高燃烧效率，减少排放物和腐蚀的危害， 提出设备设计及改造的建议。 6 1 环保监测： 建立估计燃煤锅炉使用的煤在燃烧过程中有毒、易挥发的重金属挥发的仿真模型。对 所选择的设备进行环境噪音规律估计的仿真建模和噪音控制测量的仿真。 由于循环流化床锅炉机组正在向大容量、高参数、集中控制方向发展，技术日益复杂， 对安全、经济运行的要求很高对运行人员也提出了更高要求。沿用旧的培训方法已经无 法满足大机组运行人员的培训要求。当今国内外已普遍采用实时仿真培训系统来培训新的 运行人员和轮n t 考核在职人员取得了很好的效果。 正如常规煤粉炉电站发展的历程一样，循环流化床电站培训仿真机的研制和应用也将 进入高潮期。相应地，作为仿真机基础的循环流化床动态数学模型研究也必须适应新时期的 更高要求。一个理想的循环流化床锅炉模型应当能够对系统各种可能的运行方式进行模拟 仿真，并可用作以下用途 3 , 1 3 l ： 加深对循环流化床锅炉的特性及内在规律的理解； 设计参数的选择和优化及大型化设计： 额定工况及变工况运行时，锅炉主要参数( 入功率、温度、排放等) 的预测及优惠运 行参数的确定； 非正常运行的原因分析及对策研究； 减少现场调试时间和人力、物力花费： 运行人员培训及运行指导： 控制系统方案和控制规律的构思； 控制器参数及控制回路给定值的研究； 系统的不同配置方案的动、静态特性的比较： 故障诊断专家系统及在线故障诊断数学模型的开发。 浙江大学嘎士学位砖文第一章绪论 图1 - 1 给出了循环流化床锅炉整体性能模型的概念框架结构。从图上可以看出，这样 一个模型包括许多部件、子部件及各种现象的模型，这些模型通过因果关系相联结，并通 过数值方法求解。模型的输入、输出使得整个模型可以同其它系统( 如泵、热交换器等) 的模型块相连，使其成为更大系统的个子模块。从数学的角度看，整体模型中的各个子 模型由相互耦台的非线性，( 通常是) 一阶的常微分方程及辅助的代数约束组成。 i 输入r圈l 刖 数 r 1 值 兰!l 解 匠 法 冈弋 l 堡堕型f 图卜1循环流化床锅炉性能模型概念框架结构嘲 1 5 本文选题背景和研究内容 浙江大学多年来一直进行流化床领域尤其循环流化床锅炉领域的研究，进行了大量的 试验研究和理论研究，并取得大量的研究成果。浙江大学直接与多个生产厂家合作t 开发 各种不同形式燃用中国煤的循环流化床锅炉，以及把燃油高压锅炉改造为燃煤循环流化床 锅炉。并且对多台已投运的循环流化床锅炉进行详细的性能测试。 近年来，循环流化床锅炉技术逐渐成熟并迅速向大型化发展。浙大大学已经展开这方 面的研究，并将逐步深入地进行超临界以及超超临界循环流化床锅炉的开发研究。 本文的主要研究内容为： 1 本文在原有的循环流化床锅炉数学模型的基础上，针对大型循环流化床锅炉的特点 对其中的炉内传热模型、颗粒磨损模型等子模型进行改进，使循环流化床锅炉的数 学模型能够更为准确地模拟大型循环流化床锅炉的稳态运行情况。 2 在m s c 2 0 0 0 仿真支撑系统上应用该模型对大型循环流化床锅炉进行仿真研究，模拟 仿真了锅炉的额定负荷工况、变负荷工况以及其他些运行参数例如过量空气系 数、二次风率等变化的工况，并通过对仿真结果的分析，讨论了这些参数变化对锅 浙江太学嘎士学位番文 第一章绪论 炉运行的影响。 3 在对超i 临界循环流化床锅炉的可行性以及经济性进行了充分的论证之后，本文对循 环流化床燃烧技术与超临界循环相结合中的关键问题提出解决方案，并在此基础上 给出了一台6 0 0 m w e 超临界循环流化床锅炉的设计方案。 新江大学项士学往论文第二章国内外大型循环流化床锅炉及循环流化床锅炉数学模型的发展现状 第二章国内外大型循环流化床锅炉及 循环流化床锅炉数学模型的发展现状 循环流化床锅炉自8 0 年代初进入燃煤锅炉的商业市场以来，表现出了旺盛的生命力， 在技术日益成熟的同时，正迅速向大型燃煤锅炉的市场迈进。目前国外大型循环流化床锅 炉技术已经趋于成熟，而我国也通过技术引进和合作开发加快了国产循环流化床技术的发 展。随着循环流化床技术的发展，循环流化床锅炉的数学模型也日趋完善。由于不断加深 了对炉内流体动力学及炉内传热的研究，国内外学者相继开发出许多较为精确和实用的循 环流化床锅炉数学模型。 2 1 大型循环流化床锅炉的发展现状 循环流化床锅炉作为一项新近发展并迅速成熟起来的先进的洁净煤燃烧技术，在成功 地应用于中小型锅炉之后，正迅速向大型燃煤锅炉的方向发展。同时超临界技术的日趋完 善以及世界上多台成功运行的超临界机组积累的足够多的超临界机组的设计和运行方面 的经验，使得发展高参数、大容量的超临界循环流化床锅炉成为未来清洁煤技术发展的主 要方向。 现在，美国a b b c e 公司、福斯特惠勒( f o s t e r w h e e l e r ) 公司等主要循环流化床锅炉 制造商都在进行3 0 0 3 5 0 m w 等级的产品开发，并开始了更大容量( 4 0 0 “0 0 m w e ) 、甚 至超临界压力参数的超大型循环流化床锅炉的研究和前期产品开发p 0 1 。 1 9 9 5 年1 1 月，采用德国l u r g i 循环流化床工艺，有法国通用电气阿尔斯登斯坦囡工业 公司( g a s i ) 设计、制造的法国p r o v e n c e 电站2 5 0 m w e 循环流化床锅炉投入商业运行。 p r o v e n c e 电站的成功投运成为大型循环流化床锅炉发展史上的一个里程碑。当前国外约有 6 0 台1 0 0 m w e 以上容量的循环流化床锅炉，其中已经投运的有4 0 余台。循环流化床锅炉检 验规程和安全规则已经列入美国a s m e 标准，这是其技术成熟和标准化的重要标志。目前， 世界上最大规模的循环流化床锅炉是座落于美国佛罗里达州的j a c k s o n v i l l e 电厂的 3 0 0 m w e 循环流化床锅炉。 循环流化床技术在我国也得到了快速发展，并逐渐向大型化方向迈进。哈尔滨锅炉厂 1 9 9 2 年与美国p p c 公司( 奥斯龙技术) 合作设计和生产国内首台2 2 0 t h 循环流化床锅炉。 1 9 9 9 年与a h l s t o m 能源系统g m b h ( 原德国e v t 公司) 签订2 2 0 4 1 0 t h 循环流化床 锅炉技术引进合同。东方锅炉厂1 9 9 2 年起参与电力工业部内江高坝电厂4 1 0 t h 循环流化 澌江太学舞士学磕论文第二章国内井大型循环流化床锅炉及循环流化床锅炉数学模型的发展现状 床锅炉示范项目的引进工作，其技术为原芬兰a h l s t o m 公司的。该项目1 9 9 6 年进入商 业运行，1 9 9 8 完成验收工作。1 9 9 4 年东方锅炉厂与美国f o s t e rw h e e l e r 公司签定了 5 0 m w e 1 0 0 m w e 容量等级的循环流化床锅炉许可证技术转让合同，技术引进依托工程的 首台2 2 0 t h 锅炉于1 9 9 7 年投运。这些不同形式的技术引进工作提高了我国大型锅炉厂循 环流化床锅炉的制造能力与技术水平，为与国内研究机构合作开发大型循环流化床锅炉打 下了一定的基础。在2 0 0 0 年底，我国第一台拥有全部知识产权的4 1 0 t h 循环化床锅炉落 户分宜发电厂。经过两年的建设，该厂1 0 万千瓦等级的循环流化床机组在2 0 0 2 年底成功 并网发电，该工程是目前我国第一台拥有全部知识产权、容量最大的国产化清洁发电工程。 目前，我国国内投资额达2 0 亿元的内江3 0 0 m w e 的四川省内江市白马循环流化床示范电 站正在积极筹建当中。2 0 0 3 年初，阿尔斯通公司同中国签署了一份价值6 5 0 0 万欧元的合 同，为该范电站提供一台3 0 0 m w e 的循环流化床锅炉。这是目前国内正在筹建的最大规模 的循环流化床锅炉。标致着我国建设太型循环流化床锅炉的飞越。 由上可见，目前大型化的循环流化床技术已经出现了长足的进步，循环流化床锅炉的 设计和制造技术也日趋成熟，主要表现在以下几点： 1 ) 采用高温返料，提高运行效率： 在大型c f b 锅炉设计上，为降低q 4 值和减少炉膛内受热面的磨损和节省钢耗量，采 用高温返料技术，由于高温分离及返料的温度与床温相近返料对床温的影响减少，物料 能够全部返回得到多次循环燃烧，提高物料的燃尽度，降低飞灰含碳量，提高锅炉运行效 率。 2 ) 采用汽冷或水冷分离器： 采用汽冷分离器后，分离器出口温度可比进e l 温度降低1 5 3 0 。c ，这其中水冷或汽冷分 离器不仅吸收了烟气的气温，还有效地吸收了物料再燃的热量，使得物料在分离器内燃烧 “暂停下来”，在物料分离下来落八分离器锥部进入料腿的过程中，物料得到进一步的冷 却，使得返料温度离灰熔点的“距离”加大，避免在循环回路结焦。该技术对二次燃烧较 强的燃用无烟煤的c f b 锅炉来说是十分必要的【驯。 为了克服汽冷式旋风筒制造工艺复杂、成本较高的问题，目前出现了水冷方形分离器， 其分离机理与圆形旋风筒在本质上并无差别，但在结构布置上十分紧凑，减小了锅炉体积 并降低了制造成本。近年国外对该技术不断发展完善，分离效率不断提高，已接近圆形旋 风筒的分离效率，目前已应用到4 1 0 t h 锅炉上并进行更高容量机组的尝试。国内清华大学 也进行了试验研究，并在7 5 t h c t b 锅炉上设计采用。 3 ) 合理地设计炉膛流化速度： 浙江大学| 垂士学位论文第二章国内外大型循环流化床锅炉及循环流化床锅炉数学摸型的发展现状 c f b 锅炉炉膛流化风速过低不利于保持炉膛内温度的均匀性，而过高又将对炉内受热 面产生磨损。大型c f b 锅炉由于炉床面积的扩大及炉膛高度的提高，为保证炉内温度的 均匀性，须提高流化速度，一般选取约5 5 5 m s ，这样的流化速度不仅有利减少炉内受 热面的磨损，同时也使分离器无法捕捉的细粒子在炉内停留较长时问( 约7 s ) ，提高了一次 燃尽度。 4 ) 采用先进的布风技术： 很多公司对传统的风帽进行了优化设计，如f o s t e rw h e e l e r 公司采用的定向风帽设计， 使得床上产生定向的气流引导床料颗粒流向出渣1 3 i 而l i m c e 公司则采用其专利技术 t 型风帽，采用大口径设计减少堵塞；芬兰a h l s t r o m 公司“猪尾型”的喷嘴设计，由于 采用了弯管型喷嘴结构，具有防止固体颗粒落人风箱的优点。 5 ) 采用先进技术使炉内布风及物科分布更加均匀： c f b 锅炉大型化后，布风板面积大大增大，如4 2 0 4 6 5 t h 级c f b 锅炉布风板达4 0 多m 2 ，为达到布风扳均匀配风，各锅炉精心设计捧列风帽型式、选择合理布风板阻力。采 用加大布风板阻力、风帽加节流圈等措施，目前已能实现对布风板的均匀布风设计。给煤 系统采用气力播煤或返料口给煤技术均可实现对炉床的均化给煤；应用。j ”型返料阀或“双 路返料阀”实现均匀返料，通过返料给煤及布风板的精心“均化”设计，炉膛内物料浓度 能达到较均匀的状态，从而保证物料的稳定燃烧。 在太容量的c f b 锅炉中，经常采用分叉回料管的设计型式，循环物料在进入炉膛前被 分为两股或多股，可降低局部的钧料负荷。不仅解决了回料口堵塞问题，而且由于增加了 返料点，避免了大型炉膛中循环物料负荷分布不均而形成的流化不均匀的问题。 有的锅炉还采用裤权型分体炉膛设计，布风板被分成两部分，相应地减小每块布风板 的面积。采用普通的风帽设计，克服了由于床层面积增大而带来二次风穿透深度有限的难 题。有的锅炉采用了全分割墙技术缓解了由于大截面造成布风不均匀的问题。 n 采用改进的外置式换热器： 为了维持循环流化床锅炉低污染排放和较高燃烧效率所需的炉温，必须布置足够的受 熟面来吸收燃料燃烧产生的热量。在容量相对较小的锅炉中，可以布置下足够多的受热面 来达到理想的炉温。然而，随着锅炉容量增大炉膛容积的增加比炉膛四壁表面积的增加 要快得多，从而需要额外增加受热面，这些额外所需的受热面可以由内置受热面如翼形墙、 隔墙、0 管屏或者流化床换热器( f b h e ) 提供，流化床换热器( 阳珊) 可以在循环物料返回 炉膛之前把它们冷却到一个相当低的温度。福斯特一惠勒公司开发了一种独特的流化床换 热- - i n t r e x 。它通过以非机械方式控制流过其中的循环灰量，来调节c f b 锅炉的床温 浙江大学项士学位论文第二章国内外太型循环流化床锅炉及循环流化床锅炉数学模型的发展现状 和控制通过蛇形管束的蒸汽温度。这种设计的技术特点和结构设计性能增强了锅炉的性能 和运行灵活性。 2 2 循环流化床锅炉数学模型的发展现状 为了给循环流化床锅炉特别是大型循环流化床锅炉的设计、运行提供全面的理论依据， 建立循环流化床燃烧的总体数学模型，以研究和预测循环流化床锅炉的整体特性己成对于 基础研究和工程应用两方面都意义重大。近二十年来，不少研究者在循环流化床数学模型 上做了许多工作，使模型得到了一定的发展。 从目前已有的数学模型上看，各燃烧数学模型问的主要差别在于对上升管流体动力学 模型( 即两相流动模型) 及与之对应的总物料平衡的描述上 3 2 。一个合适的流体动力学模型 是循环流化床模型成功的关键。目前对于循环流化床锅炉中的流动、传熟及反应等方面的 了解还不透彻，因此这方面的模型多是基于表象的宏观解释。随着对认识的不断深入，循 环流化床的模拟也必然从宏观的、经验性的模型逐渐走向基于微观守恒方程的模型。其中 的机理性工作主要是指多相流体力学中气固两相流领域的基础研究。时至今日，虽然两相 流的模型已经有了较大的进展，但仍处于发展完善阶段。本文根据所引用的流体动力学模 型的不同，将燃烧模型分为两大类，即连续介质模型和颗粒轨道模型。 2 2 1 连续介质模型 连续介质模型是基于欧拉方法的流动模型，它把气相和固相都当作相互渗透的连续介 质处理。这种模型可用于预测固体颗粒的流动特性，并且所需要的计算工作量与拉格朗日 模型相比要小得多【6 ”。连续介质模型分为四种：零维模型、一维模型、准二维模型和三维 模型。 1 ) 零维集中参数模型 d i m a g g i o 等【4 9 】采用集中参数的零维稳态模型对s t e i n - l u r g i 合作开发的位于e m i l e h u c h e t 的1 2 5 m w e 锅炉及位于p r o v e n c e 的2 5 0 m w e 锅炉进行了仿真、预测。模型中将锅 炉分成一系列模块，并通过一个图形化界面将不同的模块按需要组合，组合后的整体用牛 顿一拉普森算法联立求解。模型中不考虑各变量的空间分布，而是用平均值代替，这会带 来一定偏差。但模型形式简单，计算量相对较小。 2 ) 一维模型 鼓泡床模型： 这类模型基本上是鼓泡流化床和飞灰回送模型的组合，将因飞灰回送而增加的停留时 浙江太学硕士学位论文 第二章国内外太型循环流化床锅炉及循环流化床锅炉数学模型的发展现状 间和粒度分布的变化考虑到鼓泡床的模型中去。模型分为浓相段和稀相段：流化床由两相 组成，即气泡相呈平推流，乳化相呈全混；固体颗粒在床内的停留时问服从正态随机分布 规律。金保异等【5 0 j 的模型认为颗粒在床内作随机运动，被鼓泡流化床停留时间分布计算出 颗粒在浓相区的平均停留时间，认为颗粒在稀相区作变速运动，运动方程为 等= 警三4 巴辔d u0 d 蚓( i t 协， 幽 p ， 1 p ；，。ll ” 式中：u s 一颗粒流动速度；u ，一颗粒相对气流的滑移速度：h 一床高；p ；一颗粒密度；p 。 一气体密度；g 一重力加速度；c 广曳力系数；d 一床直径。按双表面收缩模型求得燃烧的 关系。这类模型在处理循环流化床时过于简单，只能得到一些总体的特性，且模型的结果 与循环流化床的差别比较大，但求解比较容易，适用于循环倍率较低的循环流化床的初步 设计计算。 小室模型 所谓“小室”是指沿气体和固体的主要流动方向将流化床燃烧系统划分成一系列的小 空间。小室内参数均一，考虑每个小室内的反应及与其它小室之间的交换，在每个小室内 建立所有物质的质量和能量平衡总的平衡方程用迭代方法求解。从燃烧室上任意选取典 型小室i 的物质流和能量流进出情况如下图所示： q “- ， r 。t i t 合 r j t 图2 - 1小室i 的物质流和能量流的进出情况 进、出典型小室i 的物质流包括： a 由下部小室i + l 流入的气体流量f i + 1 ( k m o l s ) ： b 由小室i 流入i 1 小室的气体流量f ，( k m o l s ) ： c 由非相邻小室流入的再循环气体流量f r 。( k m o l s ) - d 送入小室i 的风量f f 。( k a n o l s ) ； e 由下部小室i + l 流入的固体流量w m ，i ( k g s ) ： 浙江大学乓士学位论文第二章国内外大型循环流化床锅炉及循环流化床锅炉致学模型的发展现状 f 由小室i 流入i i 小室的固体流量w m ，j ( k g s ) ； g 由小室i 流入i + l 小室的返混固体流量w e ( k s ) ； h 由小室i 1 流入小室i 的返混固体流量w m 。- l 体s ) ； i 送入小室i 的燃料( 煤及石灰石等) 流量w f ，i ( k s ) ； j - 由非相邻小室回送入小室i 的再循环固体流量w 融，i 俅s ) ： k 由小室i 排到系统外部的固体流量w d ，i (