（化学工程专业论文）循环流化床锅炉动态特性研究.pdf

摘要 循环流化床锅炉动态特性研究 摘要 循环流化床锅炉( c f b b ) 以其燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放量低 等优点得到越来越广泛的应用，分析和研究其动态特性，对锅炉的设计改进、参 数优化等具有十分重要的现实意义。利用数学模型既可以对锅炉的动态特性进行 很好的研究又可以克服实物试验所带来的代价昂贵等缺点，因此，循环流化床锅 炉的建模和仿真研究就显得十分重要。 本文以济南某锅炉厂2 2 0 t h 1 工业锅炉为研究对象，对其进行建模和仿真研 究。所建模型包括两大部分：锅炉正常运行工况下的数学模型和锅炉启动( 开车) 过程的数学模型。 首先，锅炉正常运行工况下的数学模型分为燃烧系统和汽水系统模型，其 中燃烧系统又分为密相区和稀相区。密相区处于全混流状态，采用集中参数的建 模方法建立了关于氧气浓度、床料、残碳和相区总能量平衡的方程；稀相区近似 看作平推流，气体和固体颗粒沿炉膛高度方向呈活塞流运动状态，采用分布参数 的建模方法对氧气浓度、床料、残碳及相区总能量进行衡算，分别建立了密稀相 区的数学模型。对燃烧系统进行阶跃仿真和实时仿真，阶跃仿真的输入变量包括 给煤、一二次风，结果可以很好的反映输入变量发生阶跃变化时系统的动态响应 情况；实时仿真的结果与现场采集到的数据能很好的吻合。 汽水系统包括有蒸发区和过热器，蒸发区模型采用分环节集中化方法建模， 汽包和上升管作为一个集中环节，下降管单独作为一个集中环节。对两部分进行 质量和能量的衡算从而得到关于汽包压力和水位的动态方程。过热器则直接采用 集中参数法建立模型。通过对过热器内工质进行质量和能量的衡算得到关于过热 蒸汽的压力和温度的动态方程。然后对汽水系统做阶跃仿真验证，结果表明模型 可以很好的反映汽水系统输出变量随输入变量的变化趋势。 接下来，通过水冷壁及过热器传热公式将循环流化床锅炉燃烧系统和汽水系 统进行结合，形成了循环流化床锅炉整体动态模型，然后对模型进行了仿真研究。 锅炉的启动过程模型分为两个阶段，第一个阶段是投煤前( 由预燃室过来的) 热烟气对惰性床料的纯加热阶段，第二个阶段是投煤以后的反应阶段。对前一个 摘要 阶段从全床的热平衡角度考虑建立床温的动态模型，第二个阶段采用集中化的方 法建立关于氧浓度，床料，残碳和床料温度的动态方程。对两个阶段进行联合求 解，得到整个启动过程中床层温升曲线，该温升曲线和实际过程有较好的一致性， 从而表明模型的正确性。最后，用模型模拟并对比了不同操作条件下锅炉的温升 曲线，结果亦表明了模型的正确性。 关键词：循环流化床锅炉( c f b b ) ；动态特性：仿真 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e d b e db o i l e r a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) b e c o m e sm o r ea n dm o r ea t t r a c t i v et o i n d u s t r i e sd u et oi t sa d v a n t a g e sm a i n l yo fw i d ef u e la d a p t a b i l i t y , h i g hc o m b u s t i o n e f f i c i e n c ya n dl o wp o l l u t a n t se m i s s i o n s i ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oa n a l y s e a n di n v e s t i g a t ei t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o ri m p r o v i n gt h ed e s i g na n do p t i m i z i n g p a r a m e t e r so ft h eb o i l e r m o d e l i n gs o a st ot h es i m u l a t i o no fc f b bb e c o m e s i n d i s p e n s a b l e a s u t i l i z i n gm a t h e m a t i c a l m o d e lc a l l e a s i l ys t u d yt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f b o i l e rw i t h o u to rf e w e re x p e r i m e n t s ，w h i c ha r en o r m a l l yc o s t l y f o c u so nt h ei n d u s t r i a l2 2 0 t - h - lc f bb o i l e r , m o d e l sf o rn o r m a lo p e r a t i o n c o n d i t i o na n d p r o c e s ss t a r t u p w e r e d e v e l o p e da n ds i m u l a t i o n su n d e rt h e s e c i r c u m s t a n c e sw e r ec a r r i e do u ti nt h i sw o r k i nd e t a i l ，m o d e lf o rn o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o nw a sc o m p o s e do fac o m b u s t i o n s y s t e ma n das t e a m - w a t e rs y s t e m ，i nw h i c hd e n s ea n dd i l u t er e g i o n sw e r ec o n s i d e r e d i nt h ec o m b u s t i o ns y s t e ma n dt h ed e n s e r e g i o nw a sr e g a r d e d 硒as t i r r e dt a n kr e a c t o r e q u a t i o n sd e s c r i b i n go x y g e nc o n c e n t r a t i o n , t o t a ls o l i dp a r t i c l e si nt h eb e d , u n b u r n e d c a r b o na n dt o t a le n e r g yw e r ee s t a b l i s h e du s i n gt h el u m p e d p a r a m e t e rm e t h o d w h i l e t h eg a sa n ds o l i dp a r t i c l e si nt h ed i l u t er e g i o nw e r er e g a r da sa tt h et u b u l a rf l o w c o n d i t i o n ，a n de q u a t i o n sf o ro x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t o t a ls o l i dp a r t i c l e si nt h eb e d ， u n b u r n e dc a r b o na n dt o t a le n e r g yw e r eo b t a i n e db a s e do nd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s o l u t i o n a st h em o d e l sw e r eb u i l tu p ，t h es t e pc h a n g e sa n dt h er e a l - t i m es i m u l a t i o n f o rt h ec o m b u s t i o ns y s t e mw e r ea b l et ob ei m p l e m e n t e d t h er e s u l t sf o rs t e pc h a n g e s s i m u l a t i o nw i t ha m o u n to fc o a l ，p r i m a r ya n ds e c o n d a r ya i rq u a n t i t ya si n p u tv a r i a b l e s c o u l dr e f l e c tw e l lt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs y s t e r n a n dt h er e a l t i m es i m u l a t i o ni si na g o o da g r e e m e n tw i t ht h ei n d u s t r i a ld a t a t h es t e a m w a t e rs y s t e mi n c l u d e sa l le v a p o r a t i o nr e g i o na n das u p e r - h e a t e r i n t h i sw o r k ，t h ee v a p o r a t i o nr e g i o nw a sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s ：d r u ma n dr i s e r - t u b e ， a b s t r a e t a n dd o w n c o m e r f o re a c hs e c t i o n ，t h el u m p e d p a r a m e t e rm e t h o di sa p p l i e d ，a n dt h e d y n a m i ce q u a t i o n sa b o u td r u mp r e s s u r ea n dw a t e rl e v e lw e r ee s t a b l i s h e db ym a s sa n d e n e r g yb a l a n c e t h em o d e lo ft h es u p e r - h e a t e ri se s t a b l i s h e dd i r e c t l yb yt h e l u m p e d - p a r a m e t e rm e t h o d ，a n dt h ed y n a m i ce q u a t i o n so ft h es u p e r h e a t e ds t e a m p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ec a nb eg a i n e dt h r o u g ht h em a s sa n de n e r g yb a l a n c eo f w o r k i n gf l u i dw i t h i n t h es u p e r - h e a t e r u s i n gt h e s em o d e l s ，t h e s t e pc h a n g e s s i m u l a t i o nf o rt h es t e a m - w a t e rs y s t e mw a sp e r f o r m e d ，a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n r e f l e c tt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs y s t e mf a i r l yw e l l b r i d g i n gt h ec o m b u s t i o na n dt h es t e a m w a t e rs y s t e mo ft h ec f b bv i at h eh e a t e x c h a n g ef o r m u l a so ft h ew a t e r - c o o l e dw a l la n ds u p e r - h e a t e r , t h ec o m p r e h e n s i v e d y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e lw a sf i n a l l yb u i l d u pf o rt h ew h o l ec f b bs y s t e m , b y w h i c hd y n a m i cb e h a v i o u r sf o rc f b b o p e r a t i o n sc a nb es i m u l a t e d t h em o d e lo fs t a r t u pp r o c e s sw a sc o m p o s e do ft w op h a s e s ：t h eh e a t i n gb yt h e g a sf r o mp r e h e a tc h a m b e rf o rs o l i dp a r t i c l e sb e f o r ea d d i n gc o a l ；a n dt h er e a c t i o na f t e r c o a lw a sf e d t h em o d e lf o rt h ef o r m e ri so b t a i n e db a s e do nt h ee n e r g yb a l a n c eo ft h e w h o l eb e d ，w h i l ef o rt h el a t t e rt h em o d e lc o n s i s t so fd y n a m i ce q u a t i o n so fo x y g e n c o n c e n t r a t i o n , t o t a lb e dm a t e r i a li nt h eb e d ，u n b u r n e dc a r b o nm a s sa n dt o t a le n e r g y t h ec u r v e sf o rt e m p e r a t u r ei n c r e a s ei nt h ew h o l es t a r t u pp r o c e s sc a l lb es i m u l a t e db y s o l v i n gt h e s et w om o d e l sc o o p e r a t i v e l y t h em o d e ls y s t e mw e r ev a l i d a t e db y c o m p a r i n gt h ep r e d i c t i o nw i t ha c t u a lp e r f o r m a n c e so ft h ec f b b f i n a l l y , t h e v a l i d a t e dm o d e ls y s t e mw a su s e dt os i m u l a t et h ec u r v e sf o rt e m p e r a t u r ei n c r e a s eo f c f b bi nd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h em o d e li s f i g h t k e y w o r d s ：c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ； s i m u l a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导f ，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 弘青荫曙为凯) 课题( 组) 的研究成果，获得( 弘前茵觐、凯) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 步焉裼磁乒多年) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：苑方明 二彤年7 月? 中日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦f - j ；k 学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：龙矛：朗 加8 年1 只气e t 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 我国是世界上最大的煤炭生产国，也是目前世界上少数几个以煤为主要能源 的国家之一。我国每年煤炭的消费量约1 3 7 5 亿吨，其中8 0 通过燃烧被利用， 而全国燃煤发电的用煤量占燃煤总产量的3 0 以上。研究表明，到2 1 世纪中期， 煤炭都将是我国主要的一次能源。然而，我国煤炭的特点是难选煤多，高灰、高 硫煤比重大，原煤中含硫量超过2 的高硫煤占2 0 ，原煤入选比例低。有资料 表明2 0 0 6 年一年因煤燃烧有超过2 5 0 0 多万吨的s 0 2 排向大气，造成了严重的环 境污染n 圳。节约能源与保护环境已成为现有燃煤技术所需解决的主要问题。因 此，寻求一种高效、低污染燃烧技术，开发新的燃烧设备成为当务之急。 循环流化床锅炉技术是上世纪8 0 年代发展起来的新技术，其燃烧是处于煤 的层燃燃烧和煤粉燃烧之间的一种燃烧方式，该技术因其低温动力控制燃烧、高 速度高浓度通量的固体物料流态化循环过程、高强度的热量、质量和动量传递过 程及炉内直接脱硫脱硝等特点而成为一种低污染燃烧技术。总体来说，循环流化 床锅炉技术具有燃料适应性广，特别适合中低硫煤；燃烧效率高，可达9 5 - 9 9 ；氮氧化物排放低，n o x 可减少5 0 ；负荷调节比大和负荷调节快、综合利 用效果好等优点瞳引。近年来，世界各国对循环流化床锅炉的研究十分活跃，也 使得其发展尤为迅速，已经成为公认的清洁燃煤技术领域的研究重点和热点。 目前，循环流化床锅炉在电站锅炉、工业锅炉、废弃物处理利用、石油、化 工、冶金、能源和环保等工业领域得到广泛的应用。在我国目前环保要求日益严 格、电厂负荷调节范围较大、煤种多变、原煤直接燃烧比例高、国民经济发展不 平衡、燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下，循环流化床锅炉已成为首选的高效 低污染燃烧设备h 1 。 当然，循环流化床也存在一定的问题或缺点，如其对燃煤的粒径有一定的要 求，否则难以保证其设计效率，还有诸如锅炉系统的烟风阻力较大，需要采用高 压鼓风机，耗电量大、另外锅炉受热面的磨损严重等问题都需要进一步的研究来 加以解决。 第一章绪论 1 2 循环流化床锅炉( c f b b ) 结构及工艺简介 循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展而来的，两者之间既有联系， 也有区别。两者结构上最明显的区别是流化床锅炉在炉膛出口安装了气固分离 器，可以将烟气中的固体颗粒收集起来，送回炉膛燃烧，一次未燃尽而飞出炉膛 的颗粒可以再次参与燃烧，大大提高了燃尽率。 循环流化床锅炉通常由炉膛、气固分离器、灰回送系统、尾部受热面、汽包、 上升、下降管和辅助设备组成。一些循环流化床还有外置热交换器( e h e ) 。图 卜1 为一典型的循环流化床锅炉系统示意图。其工作原理简述如下：破碎至合适 粒度的燃料及石灰石脱硫剂由给煤机和给料机从流化床布风板上部给入，燃烧室 底部引入一次风，使给入的燃料在炽热的床料中被迅速加热并呈流态化燃烧，石 灰石则与燃料燃烧生成的s 0 2 反应生成c a s 0 4 ，从而起到脱硫的目的。在燃烧室 图1 - 1 典型循环流化床锅炉系统示意图 上部引入二次风，从而提高锅炉的燃烧效率并有效地控制n o ，的生成量。燃烧 室温度控制在8 5 0 左右。在较高气速下，燃烧充满整个炉膛，并有大量固体颗 粒被携带出燃烧室，经布置在炉膛出口或过热器后部的高温旋风分离器分离后通 过飞灰回送装置再送入炉膛继续燃烧。经旋风分离器导出的高温烟气，在尾部烟 道与对流受热面换热后，通过布袋除尘器或静电除尘器由烟囱排除。炉膛密相区 第一章绪论 的粗灰经自动或手动排渣机排出。 汽水系统中，给水经给水母管一次分两路，一路直接进入给水集箱去省煤器； 另一路进减温器调节主蒸汽温度，经过热交换以后的水汇入给水集箱去省煤器。 经过省煤器热交换预热的水去汽包。主蒸汽从汽包出来后，经高温过热器、低温 过热器热交换后成为成品蒸汽去汽轮机或下级用汽( 热) 单位。 1 3 循环流化床锅炉的发展概况 流态化技术于上世纪2 0 年代初在德国首先应用于工业。至4 0 年代，流态化 技术几乎在各工业部门中都得到了广泛的应用。而流态化技术真正用于煤的燃烧 是上世纪6 0 年代的事情悖1 。由于对能源的需求量不断增加，人们开始研究流化 床燃烧技术，特别是积极从事燃煤流化床锅炉的研究与开发。 我国对鼓泡流化床锅炉的研究较早，1 9 6 5 年第一台流化床锅炉在广东茂名投 产，此后在全国得到迅速发展。但鼓泡流化床锅炉存在一些问题制约了其进一步 的发展，诸如飞灰可燃物大、大型化困难等。为了解决上述问题，8 0 年代循环 流化床锅炉应运而生。 1 3 1 国外循环流化床锅炉技术的发展 为了开发和完善循环流化床锅炉技术，各国都投入了大量的人力、物力和财 力。目前国外开发循环流化床锅炉的公司主要有德国鲁奇( l u r g i ) 公司、芬兰的 奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司、美国巴特尔( b a t t e l l e ) 研究中心、美国福斯特惠勒( f o s t e r 矾e e l 神公司、德国巴布利克公司( b a b c o c k 毗) 公司、斯坦缪勒( s t e i n m u e l l e r ) 公司、瑞典斯图雅克( s t u d s v i k ) 公司等。目前，国际市场上主要有以下几种典型 的商业化循环流化床锅炉h ，睁埘。 1 3 1 1 德国鲁奇公司的c f b 锅炉 鲁奇公司在8 0 年代初将流化床技术用于锅炉燃烧获得了巨大的成功，其循环 流化床锅炉的特点主要有： 循环系统内设主床燃烧室和外置泡床换热器，在主床上部稚置少数屏式受热 面；再热器和过热器受热面布置在外置换热器和对流烟道之中； 根据燃料特性差异，循环速度在4 9 - - , 9 m 之间变化，炉膛出口烟气中的固体 3 第一章绪论 物料含量在5 - 3 0 k g m 一，相应循环倍率在3 0 - - 4 0 以上； 采用分段送风燃烧方式，一次风从布风板下部送入燃烧室，二次风从布风板 上部的一定高度送入炉膛中；在二次风口上部为富氧燃烧； 炉膛出口布置高温旋风分离器，分离效率可达9 9 。 该型锅炉的缺点是锅炉系统结构复杂，用电高，存在磨损问题。 1 3 1 2 芬兰奥斯龙公司开发的p y r o f l o w 锅炉 芬兰奥斯龙公司是目前世界上生产循环流化床锅炉最多的一家跨国公司，各 种容量的锅炉遍布世界各地。1 9 8 0 年该公司生产出p y r o f l o w 型c f b 锅炉。该型 锅炉的特点是： 燃烧室分为上下两部分，下部由水冷壁延伸部分、钢板外壳及耐火砖衬里组 成；上部炉膛四周为膜式水冷壁，过热器一、三级布置在炉膛顶部或尾部烟 道上方，二级过热器用钢管制成，布置在炉膛中部； 不设外置热交换器；采用高温旋风分离方式，该分离器布置方式灵活；多采 用高循环倍率； 一、二次风基本各占5 0 ，燃料可以在整个炉膛内燃烧，沿水冷壁高度烟气 温度比较均匀； 该型锅炉的缺点是：管造二级过热器工艺难度高；对于小容量机组，采用高 温旋风分离器成本高。 1 3 1 3 美国福斯特惠勒公司开发的循环流化床锅炉 福斯特惠勒公司开发循环流化床技术稍晚，但其跨步较大。该炉型特点如下： 在炉膛内设有内置床，可多布置受热面； 采用汽冷或水冷旋风分离器，这种分离器即是加热部件，又起到分离作用。 分离器壁面用膜式鳍片管制成，涂有耐热防磨衬里； 整个分离器在结构和热膨胀方面与锅炉为一体，构成外壳的水冷壁或汽冷壁 与锅炉水循环系统或过热器系统相连，结构紧凑； 回料系统采用一个工作速度很低的流化床密闭缸，用溢流量来调节循环物料 量。这种系统具有自平衡功能； 除此之外，还有一些其他的炉型，如： 1 ) 德巴( 德国巴高克) c i r c o f l u i d 炉型 4 第章绪论 这是德巴在欧共体资助下开发的种低速循环流化床锅炉，其特点是采用低 的循环倍率和中温( 4 0 0 - - 5 0 0 ) 旋风分离器。 2 ) 巴特利型循环流化床锅炉 这是美国巴特利实验室开发的一种多固体循环流化床锅炉，其特点是采用专 门的惰性固体作床料，且其密相区下部不布置受热面，因而对煤的粒度要求不高。 目前采用这种炉型的用户较少。 3 ) 美国巴威的内循环炉型 这种锅炉采用高速床和两级分离器。炉膛出口前后的高温区装有两组槽型 ( 惯性) 分离器作为第一级分离，分离下来的飞灰将在炉膛上部形成内部循环。 这种锅炉的结构相对简单，其布置更接近传统的煤粉锅炉。 1 3 2 国内循环流化床锅炉技术的发展 我国对鼓泡流化床锅炉的研究起步较早，但对循环流化床锅炉技术的研究和 开发却起步较晚，直到上世纪8 0 年代末第一台3 5 t h 一锅炉才在山东明水电厂投 入运行。此后，国内的科研院所和锅炉制造厂合作研制开发了多种不同容量和技 术特征的循环流化床锅炉。目前我国采用不同的分离器及循环模式，开发了具有 中国特色的循环流化床锅炉，形成了3 5 、7 5 、2 2 0 、4 4 0 t h 1 系列的循环流化床锅 炉产品 1 5 1 。概括来说，我国自行研制或生产的循环流化床锅炉主要有以下几种： 1 3 2 1 两级分离c f b 锅炉 中科院工程热物理研究所开发的两级分离c f b 锅炉，其最初设计采用简单 的高温百叶窗分离器，经多次改进，包括在尾部加装旋风分离器，较好的解决了 分离效率不高，出力不足和受热面磨损等问题。目前已有大量这种锅炉在运行中， 绝大部分为7 5 t h 1 中压锅炉，较大型的有与武汉锅炉厂联合开发的2 2 0 t h “c f b 锅炉，与上海锅炉厂联合攻关的1 3 5 m w 级超高压再热循环流化床锅炉已经投入 运行，并开始了2 0 0 m w 3 0 0 m w 等级循环流化床锅炉的研发工作。 1 3 2 2 炉内分离c f b 锅炉 清华大学开发的炉内分离c f b 锅炉，采用炉内分离，其最初设计采用简单 的平面流分离器。为了解决分离效率不高，受热面磨损等问题，经多次改进和试 验，以炉内异型水冷分离器取代平面流分离器，获得良好的效果。目前运行中的 5 第一章绪论 这种c f b 锅炉多为7 5 t 1 1 - 1 级中压锅炉。 此外，还有哈尔滨工业大学与一些厂家联合开发的低倍率c f b 锅炉，华中 科技大学与锅炉制造厂联合开发的下排气旋风分离器c f b 锅炉，西安热工研究 院与一些工厂联合研发的锅炉等。 目前，我国已经建成和在建的大容量( 2 2 0 t h j 以上) 循环流化床锅炉数量已 经超过一百台，总容量达2 0 ，0 0 0 m w e 以上。2 0 0 2 年以来，我国大型c f b 锅炉发 展迅速，每年以超过1 0 0 0 m w e 以上的投运容量在迅速增加。我国已成为世界上 循环流化床锅炉台数最多和总蒸发量最大的国家，总运行台数已超过世界其他地 区所有循环流化床锅炉的总和n 引。随着我国环境政策的日趋严格，地方小火电厂 中的层燃炉、煤粉炉都将被淘汰，取而代之的将是循环流化床锅炉。可以预见， 未来的循环流化床锅炉在电力生产中的应用将会越来越多。 1 4 循环流化床锅炉数学模型简介 1 4 1 循环流化床锅炉建模的目的及意义 目前，对循环流化床锅炉机理的研究主要通过以下途径：( 1 ) 借助物理模型进 行实验研究，研究人员依据相似理论，建立循环流化床的冷态或热态试验台，通 过对大量试验数据的分析和综合，认识其工作机理。( 2 ) 建立循环流化床锅炉示 范性工程，研究和检验锅炉机组和整套系统的工作性能。( 3 ) 建立循环流化床锅 炉的数学模型，通过计算机模拟，分析和预测锅炉的运行特性。 前两种方法由于试验条件和实际过程的复杂性，在实际机组上进行全面的系 统试验研究不仅要花费昂贵的费用，而且还受到各种条件的限制。故采用建立数 学模型的方法来研究锅炉的动态特性不仅可以省去大笔的试验费用，节省大量时 间，同时又可以满足工程技术人员对锅炉动态特性的了解与掌握。 具体说来， 建立循环流化床锅炉数学模型可以 1 ) 模拟各种工况下锅炉运行的状况及其变化规律； 2 ) 对锅炉各种设计参数进行选择和优化； 3 ) 同时可以指导锅炉实际运行及故障的诊断分析； 4 ) 给锅炉的控制提供指导。 第一章绪论 1 4 2 数学模型的分类 基于不同的分类方法，数学模型的分类结果是不相同的。根据所建模型中输 出变量是否是时间的函数，可以将模型分为静态模型和动态模型引。静态模型中 输出变量不随时间变化，是系统在稳定状态下所建立的系统输入变量与输出变量 之问关系的数学模型，主要用于工艺过程的设计和分析以及静态优化。动态模型 中输出变量是时间的函数，是系统在还未达到稳定状态时，所建立反映系统参数 随时间变化关系的数学模型，它可以预测系统的动态特性。静态模型和动态模型 在应用范围、模型形式和求解方法上都有很大不同。 根据所建模型的机理，可以分为经验模型和机理模型。由物理模型或对象行 为的实际观测数据，经过统计分析、处理、拟和确定方程系数的方法得到的数学 模型即为经验模型，模型针对特定的对象精度高，但通用性不强。机理模型是通 过理论分析，应用一定的物理学、数学规律来得到过程的数学描述。模型的通用 性强，能反映所研究对象的性质和行为规律，具有先验性、预估性，对于控制系 统的设计具有重要作用。但建立这种模型要求具有较广阔的相关学科的基础知 识，所得结果通常为一组( 偏) 微分方程n 引。 此外，数学模型还可以依据应用目的不同而分为集中参数模型和分布参数模 型。集中参数模型忽略了参数的空间分布特性，模型重点反映系统参数的宏观或 整体运动特性。而分布参数模型则能反应输出变量随位置的变化规律，其进一步 又可以分为一维模型、二维模型等。 1 4 3 循环流化床锅炉建模方法介绍 循环流化床锅炉系统数学模型包括有燃烧系统数学模型和汽水系统数学模 型。两个模型通过布置在炉膛四周的水冷壁传热来相互连接。因为两个系统结构 及功能的不同，建模方法也相差较大，下面对两个系统的建模方法分别予以介绍。 1 4 3 1 燃烧系统建模方法介绍 按照流动模型的不同可以将循环流化床锅炉燃烧系统数学模型分为鼓泡床模 型啪1 、环核模型让、气固浓一淡模型幢2 1 、小室模型心3 “1 、颗粒轨道模型陀5 和多维模 型等嘲；下面主要介绍环核模型和气固浓一淡模型。 第一章绪论 环核模型 环核模型假设炉膛任何一高度处有一明显的环核分界面，即中间是稀疏的 核相区，靠壁面处是浓密的环相区，核相区内颗粒和气体均向上流动，而环相区 内颗粒向下流动，气体向上流动，不仅从整体上考虑颗粒的轴向分布，颗粒粒径 的变化，而且考虑径向颗粒浓度的分布，所以说环核模型是一个准二维模型。 这个模型的理论分析可用两相流动机制来解释，颗粒的动力学理论认为：由 于颗粒的密度大于气体，在气固两相流动时，动量传递主要是由固体来完成，在 循环流化床锅炉炉膛中，气体与固体颗粒同时向上运动，由于核心部分的颗粒的 运动能量大，碰撞的可能行较大，而且更加剧烈，他们的这种随机的碰撞将产生 一些颗粒的水平方向的动量，使的这部分颗粒向速度比较缓和的边壁运动并与之 接触，由于边壁的摩擦力和剪切力，颗粒将发生旋转或者朝离开边壁的方向即向 床中心运动，因此边壁的存在使得具有随机的水平方向运动分量的颗粒只能朝中 心方向运动，但同时床中心区的气体速度太快，是个能量较高的区域，由边壁返 回的颗粒的水平方向的能量不足以使它进入中心区，于是颗粒就在边壁区域聚 集，形成高浓环形区域。 气固浓一淡模型 气固浓一淡模型是将循环流化床锅炉炉膛上部稀相区内下降的颗粒团物料流 定义为浓相( d e n s ep h a s e ) ，颗粒团周围向上运动的稀疏物料定义为淡相，床内任 一位置处浓相和淡相共存，下降的浓相存在于上升的淡相周围。淡相内气体和固 体均向上运动，浓相内颗粒向下运动，气体流动方向取决于浓相区内颗粒向下运 动的速度大小，忽略两相内气体颗粒的轴向扩散过程，不考虑浓相区和淡相区内 颗粒浓度沿径向的变化。沿垂直方向分成若干个小室，每个小室又分为浓相区和 淡相区，相邻小室之浏存在着气体、固体质量交换和能量交换，小室内浓相区和 淡相区存在着气体交换，燃烧采用缩核模型描述，这也是一种在一维小室模型基 础上发展起来的准二维模型。 1 4 3 2 汽水系统建模方法介绍 汽水系统包括蒸发区和过热器等。对蒸发区一般采用集中参数的建模方法n ， 常用锅筒中的压力代表整个系统中的压力来建立统一的集中参数模型。最简单的 锅筒系统模型室将整个系统视作一个统一的集中容积，此时汽液两相共存，分别 8 第一章绪论 对其建立物质和能量平衡方程。对过热器的建模方法分为集中参数建模和分布参 数建模两种。不管是那种方法，对过热器进行建模时一般都用一根受热管来对过 热器进行简化。集中参数建模时常采用过热器出口处的蒸汽状态参数或者进出 口处状态参数的平均值代替整个过热器内的蒸汽的状态参数。而分布参数建模方 法则是采用微元法对微元列质量、能量以及动量守恒方程从而建立过热器内蒸汽 的压力和温度方程。 1 4 4 循环流化床锅炉燃烧系统数学模型介绍 自循环流化床锅炉问世以来，研究人员就没有停止过对其数学模型的研究。 然而由于锅炉本身的复杂性及其各物理化学过程之间错综复杂的关系，使得到目 前为止人们对燃烧过程中的某些过程仍没有充分了解，也没有合理的数学模型来 加以描述，这些都给循环流化床锅炉燃烧系统的建模带来很大困难。尽管如此， 国内外的研究者还是取得了一定的成果。 1 4 4 1 国外循环流化床锅炉燃烧系统数学模型研究情况 目前，国外研究机构所开发的典型的循环流化床锅炉燃烧系统数学模型主要 有国际能源署所开发的i e a c f b c 模型1 、德国济根大学( u n i v e r s i t yo fs i e g e n ) 所开发的c f b c 模型啪1 、法国电力公司( e d f ) 所开发的数学模型1 。下面着重对 三种数学模型的特点加以介绍。 1 4 4 1 1 国际能源署开发的燃烧系统数学模型 为了有效地进行流化床领域的研究，国际能源署( i n t e r n a t i o n a le n e r g y a g e n c y ) 组织了大约1 5 个国家的研究人员组成一个数学模型研究组，其主要目 的是建立一个循环流化床锅炉燃烧系统数学模型来模拟循环流化床锅炉发电厂 的稳态特性，预测和诊断循环流化床锅炉的运行，模型最后被编制成计算机软件， 其程序结构的基本要求是模块化结构，各个子模型块可以容易增加或替换。该模 型的主要特点是： 炉膛分为密相区和稀相区，密相区当作鼓泡流化床来处理，而稀相区则分为 颗粒上升的核心区和颗粒沿边壁下降的边壁区； 核心区的颗粒浓度分布依据w e n 和c h e n ( 1 9 8 2 年) 给出的指数递减经验公 式来得到，而径向的浓度分布及边壁区份额则依据经验数据； 9 第一章绪论 稀相区气相流动也分为核心区和边壁区，两相区之间存在气体交换； 煤燃烧模型考虑挥发份的析出，一次爆裂、磨损和焦炭燃烧； 气体组分考虑了c 0 2 、0 2 、c o 、n 2 、n h 3 、n o x 、s 0 2 、c h 4 、h 2 等多种气 体； 炉内传热系数计算采用m a r t i n ( 1 9 8 4 ) 所提出的方法； 求解时沿着炉膛高度方向分为多个小区，每个小区包含核心区和边壁区； 一维稳态模型。 1 4 4 1 2 德国济根大学( i j n i v e r s i t yo fs i e g e n ) 的燃烧系统数学模型 德国济根大学动力工程研究所在f e t t 教授的领导下，以r a j a h ( 1 9 8 0 年) 所 建的鼓泡流化床锅炉的数学模型为基础，h a r t l r b e n 在1 9 8 3 年建立了一个鼓泡流 化床锅炉数学模型，并开发了牛顿一拉普森数值算法来求解该模型。w e ib ( 1 9 8 7 年) 在此基础上建立了一个循环流化床锅炉动态数学模型，而b u e r k l d ( 1 9 9 1 年) 增加了自然循环蒸发器系统的数学模型。s c h o e l e r 在w e i1 3 基础上建立了循环流 化床直流锅炉的动态数学模型。h e i n b o c k e l ( 1 9 9 5 年) 则在此基础上建立了增压 循环流化床锅炉数学模型。清华大学李政( 1 9 9 4 年) 等在w e i1 3 模型的基础上， 参考b u e r k e l 、s c h o e l e r 和e d e l m a n 等人的工作，考虑宽筛分给煤，发展该流派 的循环流化床锅炉数学模型，该流派的数学模型主要特点为： 炉膛分为密相区和稀相区，炉膛沿截面浓度分布均匀，沿高度固体颗粒浓度 由扬析率计算； 早期模型没有考虑颗粒的粒径分布，后期才引入粗、细及磨损颗粒，或宽筛 分给煤： 考虑煤爆裂、磨损、扬析、焦炭燃烧和挥发分析出； 气体成分考虑0 2 、c i - 1 4 、c o 、c 0 2 、s c h 、n 2 、n h 3 、n o 、h 2 0 等多种； 炉内传热系数的计算采用m a r t i n ( 1 9 8 4 ) 所提出的方法： 建立了蒸汽发生器系统的数学模型： 同时建立了静态和动态过程的数学模型； 沿锅炉系统各个部件分为多个小室，并采用牛顿一拉普森方法求解数学模型。 1 4 4 1 3 法国电力公司( e o v ) 开发的燃烧系统数学模型 为了预测和分析电站循环流化床锅炉的运行及设计放大，法国电力公司成立 1 0 第一章绪论 了一个开发循环流化床锅炉一维、二维及三维数学模型的研究小组，其中较典型 的是一维两相( i dt w o p h a s e ) 模型，其主要特点为： 以e h u c h e t ( 1 2 5 m w ) 和p r o v e n c e ( 2 5 0 m w e ) 两电站的循环流化床锅炉为基 础，根据实际运行条件下的在线测量结果来确定模型关系式及参数，如床内 压力降、颗粒浓度分布、局部传热系数等； 沿炉膛高度由下至上分为浓相区、飞溅区、扬析区和出口区。在扬析区，炉 截面分为两相：核心的浓相和边壁的稀相； 每个区内分为许多的小区，分别考虑其流动结构和质量平衡； 大量采用由试验获得的经验关联式； 以上模型各有特点和侧重点，国际能源署所开发的模型采用模块化建模方 式，模型的通用型较好。德国济根大学的模型虽然在描述具体过程上简单了些， 但其在系统动态数学模型和蒸汽发生器系统模型的研究方向取得较大进展。至于 法国电力公司的模型，其模型较为简单，但因其大量采用经验关联式，使得模型 扩展性不好。 1 4 4 2 国内循环流化床锅炉燃烧系统数学模型研究情况 国内所开发的循环流化床锅炉数学模型主要有清华大学的实时全工况动态 数学模型b 卜3 引、浙江大学开发的锅炉总体数学模型陆3 5 1 、中科院工程热物理研究 所m 1 开发的总体数学模型以及重庆大学旧引所开发的大型循环流化床锅炉整体动 态模型等。 1 4 4 2 1 清华大学的燃烧系统数学模型 清华大学早期模型依德国济根大学的循环流化床锅炉建模思想为指导，考虑 煤的宽筛分特性，采用小室法建立了循环流化床锅炉动静态精细数学模型。模型 考虑了密相区高度会随工况变化，而且模型还涉及排渣的动态过程。模型求解比 较复杂。后来，李政采用集中参数的建模方法，将锅炉燃烧的主导动态过程归结 为动态残碳，动态床料的积累过程，动态能量的蓄积过程以及压降和进风量的耦 合过程。建立了关于氧浓度、动态残碳、动态能量以及动态固体质量的平衡方程。 所建