循环流化床实时动态数学模型研究

1、第 19卷第 2期 1999年 4月动力工程 V o l . 19N o. 2A p r . 1999 33循环流化床实时动态数学模型研究李政倪维斗王哲张巍岳光溪(北京清华大学 摘要与常规煤粉燃烧相比 , 循环流化床的特点在于 :首先 , 床内存在大量并不断循环的物料 , 其质量 、 粒度分 布 、 循环程度 、 浓度分布 、 热容量等对动态特性有重大影响 ; 其次 , 床料内存在着大量的未燃尽残碳 , 其动态燃 烧及消耗过程以及燃烧放热位置对炉温及其分布影响很大 。 针对上述特点 , 建立了以给煤量 、 给风量 、 排渣量 为输入的动态数学模型 , 它由氧质量平衡 、 残碳动态燃烧过程的碳质

2、量平衡 、 挥发份燃烧及残碳燃烧的动态能 量平衡以及以排渣量为主动操作量的动态床料质量平衡 4个方程组成 。 计算结果表明 :该模型能够正确地反 映各种操作量变化时循环流化床的动态特性 , 而且计算速度满足实时要求 。 图 1参 2主题词 : 1998209201收到来稿 。该文系国家自然科学基金资助项目 。0引言床自动控制系统的迫切需求 , 本文从分析循环流 化床锅炉的特点出发 , 结合多年来研究循环流化 床精细数学模型的经验 , 力图建立一个能直接为 控制系统开发 、 测试以及将来培训仿真器开发服 务的实时动态数学模型 。1循环流化床锅炉特点及建模要求要建立能够正确反映循环流化床特性的动态

3、 数学模型 , 必须首先理解对象的物理过程和机制 。与煤粉锅炉相比 , 循环流化床锅炉的最大差 别在于燃烧机制的不同 。 在煤粉炉中 , 燃烧放热量 与给煤量是紧密 、 快速关联的 。 燃料进入炉膛后便 迅速燃烧并释放热量 , 燃烧产物和少量未燃尽碳 很快离开炉膛 , 而燃料供应一旦停止 , 燃烧便很快 终止 。 这就是说 , 煤粉炉的热源基本上就是瞬时进 入炉膛的给煤量 。 而对循环流化床而言 , 燃烧放热 与给煤量的直接关联要微弱而且缓慢得多 。 燃烧 放热更多 、 更直接地来自床料中存在的大量未燃 尽残碳 , 而不是瞬时加入的燃料量 。 这一点可以从 下述现象中证明 :在循环流化床锅炉运

4、行或调试 过程中 , 即使短时间内停止给煤 , 锅炉仍能运行而。 此外 , 在停机过程 , , 流化床的床温下降比煤 粉炉要慢得多 , 这也说明床料内残碳在流化床燃 烧过程中起着重要的作用 。由于燃烧机制的差异 , 建立循环床数学模型 时 , 若再照搬煤粉炉建模中采用的燃料一进炉膛 便立即完全燃烧的方式是完全不可取的 。 从实际 物理过程看 , 由于任意时刻流化床的放热有 2个 来源 :一是给煤带入并在炉膛内迅速释放并燃烧的挥发份 ; 二是炉膛内存在的全部可燃碳 (以下简 称残碳 。 因此 , 流化床动态数学模型中必须描述 残碳的动态累积和动力学燃烧过程 , 并且单独考 虑挥发份燃烧与放热 。

5、循环流化床与煤粉锅炉的另一主要差别在于 流化床中存在大量且不断循环的床料 , 而且运行 人员根据运行情况 , 需要主动控制底部排渣量 。 动 态数学模型应当能够反映排渣量作为主动操作量 变化时 , 炉膛内床存量及流动状态的变化 , 以及由 此导致传热效果的变化情况 。 当然 , 其它主动操作 参数 , 如给煤 、 给风等的变化影响同样需要正确反 映 。综合以上分析 , 可以归纳出正确反映循环流 化床特性的动态数学模型需要包含的基本机制 : 床内残碳动态积累以及动力学燃烧过程 ; 给煤带入的挥发份迅速释放及燃烧 ; 进出流化 床系统的固体物质在床内的动态积累过程 ; 给 煤 、 给风 、 给石灰

6、石 、 排渣等主动操作量对流动 、 传 热 、 燃烧及能量平衡的作用关系 ; 流化床内大 量床料的热容量及热惯性 ; 以上各种机制中包 含的流动 、 传热 、 燃烧 、 物质和能量平衡基本作用 关系 。2循环流化床实时动态数学模型 针对上述建模要求 , 同时为实现实时计算目 的 , 建立动态数学模型时 , 采用了如下的简化 : (1 采用平均直径代表实际流化床内的宽筛 分尺寸分布 , 鉴于循环灰占据了床内物料的主体 , 平均直径近似采用循环灰直径 ;(2 采用焦炭平均直径模拟循环床内焦炭燃 烧过程 , 而且假定碳氧化反应的产物全部为二氧 化碳 。 由于炉内一氧化碳的含量很少 , 这种假定是 合

7、适的 ;(3 鉴于流化床燃烧室内部温度及固体含碳 量基本均匀 ,; (4 , , 而是将炉膛 划分为 30个小室 , 分别计算固体浓度 、 压降型线 以及传热系数 。上述简化的效果是非常明显的 :与清华大学 原有精细数学模型相比 , 方程个数由原来的约 1300个减少为 4个 , 而精细模型所表达的物理实 质得到了很好的保留 , 因而前述对动态数学模型 的基本要求能够得到较好的满足 。在进行了上述卓有成效的模型简化后 , 动态 数学模型可以具体表示为 :(1 氧气质量平衡相对能量平衡及碳质量平衡过程而言 , 氧气 质量平衡是一个快过程 , 因而用代数方程表示 :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 出口烟气中氧气体积浓度 V g 出口烟气体积流量Q air 进入流化床总空气体积流量B 给煤量C ar , H ar , O ar , S ar , A ar 煤的收到基质 量份额S O 2 除硫效率R C 碳总体反应速率(2 动态碳质量平衡d t=B C ar -R C -D C式中 t 时间M C 流化床系统内包含的总碳质 量D C 飞灰和排渣中流失的碳质量 碳总体燃烧反应 R C 是流化床内总碳质量M C 、 床温 T b 、 平均氧气浓度 Y O2M 及焦炭反应速率 k C 的函数 ,

9、 其中 , k C 表达式为 :k C=k s+k dk s =0. 5k 0(T b +T c exp (-E R T C k d =d Ck sd0 表面反应速率常数T C 焦炭颗粒表面温度E 活化能R 气体常数S h Sher w ood 数D g 氧气扩散系数d C 焦炭直径 。由式 (2 可以看出 , 本模型中考虑的是流化床 系统内存在的所有可燃炭的燃烧反应 。 因此 , 它可 以模拟给煤暂时间断或完全跳闸时 , 流化床内部 的残碳燃烧直至燃尽的过程 。(3 动态能量平衡流化床内主要能量来源于给煤中挥发份燃烧 及残碳燃烧放出的能量 。 模型中假定煤中挥发份 进炉后立即燃烧并释放能量

10、, 而碳燃烧放出的能 量取决于总体碳反应速率 。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 流化床系统内总固体质量B V H V 煤中挥发份燃烧释放的热量 R C H C 碳燃烧反应放出的热量B f H f 燃料 、 石灰石及惰性床料添加带 入的物理焓Q air H air 给风带入的物理焓V g H g 离开炉膛的热烟气带走的焓43 动力工程 第 19卷 D H s 飞灰和排渣带走的物理焓 B K HK 石灰石分解反应吸热量Q 系统内受热面的总吸热量上式左边的导数项代表了流化床

11、内部大量床 料存在导致的热惯性 , 此项及右式中残碳燃烧项 的存在 , 使模型可以模拟给煤停止的极端情况下 , 流化床温度缓慢降低的动态过程 。在流化床启动及低负荷运行时 , 床下启动燃 烧室及床上油枪可能会投入运行 。 这时 , 能量平衡 方程中需加入燃油放热项 , 相应地氧气平衡中亦 应有所反映 。图 1连续脉冲改变给煤量的动态结果(4 动态固体质量平衡该平衡是指进出流化床系统的惰性固体的质 量平衡 。 床内固体总质量取决于进出系统的固体 物质净流率 。 当净流率为正时 , 床内固体总质量增 加 , 燃烧室内密相床的高度亦会增加 , 反之亦然 。 进入燃烧室的惰性固体包括随给煤带入的灰份

12、, 添加的石灰石 (反应生成的硫酸钙 , , 本文 笼统地以 B I 。 固体离开 系统通过飞灰 F L 及排渣 D out 2个渠道 。 因此 , 动 态质量平衡可以表示为 :d t=B I -D out -F L (4式中 B I 和 D out 运行人员主动操作量F L 给风量 、燃烧状况及床温的函数 在模型中 , 通过输入不同 D out 数值来模拟运行人员通过排渣控制床压降 (即系统内固体总量 的过程 , 模型内部通过计算不同操作及运行工况 下燃烧室内固体浓度的变化来反映其对锅炉负荷 的影响 。3动态模型测试及结果分析为考验所建模型 , 以某 420t h 循环流化床锅 炉设计方案为

13、对象 , 对模型在给煤 、 给风 、 给石灰 石 、 排渣等操作量的多种变化情况下进行了全面 测试 , 证明模型不仅能够响应这些操作量的变化 , 而且趋势基本正确 。 限于篇幅 , 本文仅将连续脉冲 改变给煤量的动态结果展示在图 (a 至 (f 中 , 需 指出的是 , 为清楚起见 , 有意将图 (a 的时间坐标 拉大了 。, 19. 5kg s 连续 0, 90s , 脉 90s , 如图 (a 所示 。此时 , 其余操作量 恒定不变 。 由图 (b 和图 (c 可以看出 , 床料含碳量 和总碳质量立即开始下降 , 在 2个脉冲间隔略有 回升 , 扰动结束后又恢复到原来水平 。 图 (d 和

14、图 (e 表示的是总碳反应速率 R c 与氧气浓度 Y O 2的 变化情况 :随着总碳质量的下降 , R c 呈下降趋势 , 而 Y O 2呈上升趋势 。 值得注意的是 , 每次脉冲起 始 , R c 都有一个短暂的上升 , 这是由于给煤带入53 第 2期 动力工程 的挥发份减少而使得氧气浓度升高 (图 (e 导致 的 , 这说明模型反映了挥发份燃烧机制 。 在 2个脉 冲之间 , R c 略有回升而 Y O 2则略有下降 , 这同总碳 质量的变化趋势是对应的 。从宏观上讲 , 由于给煤扰动期间 , 加入炉膛的 总燃料质量下降了 , 亦即加入的总能量少了 , 因此 不难预见炉膛温度会有所降低

15、, 但由于床料的巨 大热惯性 , 床温的变化要滞后于 R c 。图 (f 所示的 床温变化曲线很好地表现了这一趋势 :给煤量扰 动伊始 , 由于碳反应速率降低很小 , 甚至在起始阶 段略有上升 , 加上床料的巨大热惯性 , 床温在维持 一段时间后才开始连续下降 ; 同样 , 在给煤恢复 后 , 碳燃烧速率上升了一段时间后 , 床温才开始恢 复 。通过以上试验证明本文所建模型正确地描述 了下述机制和特性 :(1 碳质量动态积累和消耗 ;(2 总碳反应速率与总碳质量 , 温的动态作用关系 ( ;(3 ; (4 。实际上 , 碳质量的动态消耗还应当包括排渣和飞灰中损失的碳质量 , 其计算是在本模型的

16、固 体物质动态质量平衡中完成的 。 由于篇幅关系 , 有 关计算结果就不列出了 , 但模型建立的进出系统 的净固体质量流率与床料量动态作用关系 , 在有 关试验中的确得到了较好的验证 。另外 , 上述计算中时间步长约为 1s , 而每步 计算耗用时间远远低于 1s , 说明模型可以用于实 时计算 。4结论(1 本文从分析循环流化床特点出发 , 提出了建立其动态模型应满足的基本要求 ;(2 通过考虑固体物料动态质量平衡 、 碳动 态质量积累及动力学燃烧 、 固体物料动态能量平 衡 , 建立了能够正确反映循环流化床主要特性的 动态数学模型 ;(3 本文建立的动态数学模型主要由 4个主 要方程组成

17、, 因此可以满足实时计算要求 ;(4 由于启动和停炉过程与模型考虑的物理 过程本质相同 , 因此本模型可以进一步发展为全 , 。1, , 岳光溪 , 孙昕 , 张巍 . 循环流化床复合压降数学模型 . 动力工程 , 1997, 17(32李政 , 倪维斗 , 张巍 , 孙昕 . 循环流化床整体物料平衡通用动态数学模型 . 清华大学学报 , 1997, 37(2第一作者简介 李政 , 男 , 生于 1965年 , 1994年毕业于清 华大学热能系 , 现为清华大学热能工程系副教授 、 系副主任 。 主要 从事热动力系统 , 尤其着重于流化床设备数学模型与仿真研究工 作 。曾承担国家攀登计划 、

18、“ 九五” 攻关 、 自然科学基金项目多项 , 现正在研制循环流化床锅炉仿真培训器 。 发表学术论文 20多篇 , 专著 1本 。简讯世界最先进的核电站法国的寿兹核电站被科学家们公推为 “世界最先进的核电站” 。 该电站位于法国和比利时交界处默 滋河畔的寿兹村 , 拥有当今世界上最大功率的核反应堆 1450MW 2座 、 装机容量总共为 2900MW 。 寿兹核电站的 “核岛” 高 60m 以上 , 形同储油罐 , 内装核反应堆 。 “常规岛” 装有汽轮发电机组 , 整个车间 长达 100m 以上 , 冷却塔高 170m 以上 。史锋编 63 动力工程 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