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1 前言
循環(huán)流化床鍋爐具有高效、低污染和大型化的特點，是一種在國內(nèi)外得到迅速推廣的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，近期在我國電力行業(yè)中的發(fā)展勢頭尤為強勁。但是，其控制系統(tǒng)的設(shè)計和運行調(diào)節(jié)方面的資料卻很少，遠不能適應(yīng)電站鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計和機組運行的需要。循環(huán)流化床鍋爐在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)煤粉鍋爐有著顯著的差異，因此，在控制調(diào)節(jié)上存在許多不同之處，其中最主要的是燃燒室內(nèi)的床溫控制，它為循環(huán)流化床鍋爐所特有，而煤粉爐沒有床溫控制的要求。維持正常的床溫是循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，在爐內(nèi)過程中，幾乎所有的控制和調(diào)節(jié)均是圍繞維持穩(wěn)定床溫進行的。影響床溫的因素很多，其中床溫對一次風(fēng)變化的反應(yīng)最為迅速。目前，國內(nèi)外對床溫控制模型的研究主要從實驗著手，很少從理論上進行推導(dǎo)分析。本文從流化床燃燒機理上進行分析，從理論得到了一次風(fēng)―床溫控制模型，為循環(huán)流化床鍋爐運行時調(diào)整一次風(fēng)提供可靠的理論依據(jù)。
2 模型的建立[1] [2] [3] [4] [6]
在循環(huán)流化床鍋爐中一次風(fēng)的概念與煤粉爐完全不同。一次風(fēng)通過布風(fēng)板送入燃燒室下部密相區(qū)，其送風(fēng)量占總風(fēng)量的40%～70%。一次風(fēng)的作用一方面為滿足設(shè)計的密相區(qū)燃燒份額的需要，另一方面是保持床料處于流化狀態(tài)，加強床料與加入的新燃料的混合。循環(huán)流化床鍋爐的床溫一般是指燃燒室密相區(qū)內(nèi)物料的溫度，床溫由在距離布風(fēng)板以上200mm～500mm的密相區(qū)內(nèi)布置若干支熱電偶測定。所以要對流化床床溫研究，只需對密相區(qū)的流化特性、傳熱特性與燃燒特性進行研究。
在建模之前，先進行一系列的假設(shè)：
(1) 在循環(huán)流化床鍋爐的密相區(qū)內(nèi)都是均質(zhì)對象，即各點的溫度與密度是相同的。
(2) 鍋爐機組無漏風(fēng)，且是絕熱的，揮發(fā)份在密相區(qū)內(nèi)燃燒完全。
(3) 按照國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐運行的現(xiàn)狀，返料系統(tǒng)為高溫返料。
(4) 床料、燃料與空氣，煙氣的比熱視為常數(shù)，即不隨溫度變化，不考慮脫硫反應(yīng)。
(5) 密相區(qū)內(nèi)只發(fā)生碳與氧氣的一次反應(yīng)即：碳＋氧氣 二氧化碳。
(6) 稀相區(qū)與密相區(qū)除了傳質(zhì)外沒有其它形式的熱交換。
圖1 循環(huán)流化床密相區(qū)物質(zhì)能量平衡示意圖
根據(jù)上面的假設(shè)可寫出流化床內(nèi)密相區(qū)的物質(zhì)平衡與能量平衡方程。
物質(zhì)平衡方程：
物質(zhì)平衡的意義是單位時間內(nèi)，流化床密相區(qū)的進出以及生成消耗物質(zhì)的質(zhì)量凈差等于總床料質(zhì)量的變化，其數(shù)學(xué)表達式為：
(1)
能量平衡方程：
能量平衡方程的物理意義是單位時間內(nèi)，流化床內(nèi)固體床料的蓄熱量的變化等于進出流化床密相區(qū)能量的凈差，數(shù)學(xué)表達式為：
(2)
方程中：
Mb為循環(huán)流化床鍋爐床層質(zhì)量；
Fc為單位時間內(nèi)加入鍋爐內(nèi)的燃料量；
Fcc為單位時間的返料量；
Flime為單位時間內(nèi)投入的石灰量；
Fa1為單位時間內(nèi)的一次風(fēng)量；
Fd為單位時間內(nèi)的排渣量；
Mc為單位時間內(nèi)燃燒的碳量；
Fash為單位時間內(nèi)進入稀相區(qū)的床料質(zhì)量；
Fa2為單位時間內(nèi)進入稀相區(qū)的風(fēng)量；
C為床料的比熱；
T為床料的溫度；
τ為時間；
Qc為單位時間內(nèi)碳燃燒產(chǎn)生的熱量；
Qa1為單位時間內(nèi)一次風(fēng)帶入的熱量；
Qcc為單位時間內(nèi)返料帶入的熱量；
Qm為單位時間內(nèi)燃料帶入的熱量；
Qv為單位時間內(nèi)揮發(fā)份燃燒產(chǎn)生的熱量；
Qash為單位時間內(nèi)飛灰?guī)ё叩臒崃浚?BR>Qa2為單位時間內(nèi)煙氣帶走的熱量；
Qd為單位時間排渣帶走的熱量；
Q為單位時間傳給受熱面的熱量；對于質(zhì)量平衡方程可以利用調(diào)整排渣量來保證床層厚度基本保持不變。所以可以認為
。
對于能量平平衡方程，
，其中Hc為碳的熱值，Rc是碳的反應(yīng)速率，流化床密相區(qū)內(nèi)碳的總質(zhì)量，床層溫度，汽流中氧氣的濃度的函數(shù)，一般以密相區(qū)單位時間內(nèi)消耗的氧量來計算，氧從周圍向單位碳表面擴散的氧氣量可由下式計算：
(3)
為擴散速率常數(shù)；
為氣流中氧的濃度；
為碳表面氧的濃度；
其中，
(4)
將(4)代入(3)式得：
(5)
為碳燃燒的反應(yīng)表觀速度常數(shù)，對其取倒數(shù)得：
(6)
為碳燃燒過程中的阻力；
為氧氣的擴散阻力；
為碳的燃燒化學(xué)阻力。
由Arrhenenious定律：
(7)
可知，當(dāng)流化床鍋爐內(nèi)溫度很高時（超過800℃）碳的燃燒化學(xué)阻力很小，其阻力主要來源主要來自氧氣的擴散阻力，Rc可以認為與床溫?zé)o關(guān)，主要取決于氧的濃度，當(dāng)給煤量不變，氣流中氧的濃度變化不大，Rc可以近似為常數(shù)。(7)式中 為反應(yīng)頻率因子；E為活化能；R為氣體常數(shù)。
是一次風(fēng)量的函數(shù)，其中Ca1為氣休的比熱，Ta1為一次風(fēng)溫；
，由于現(xiàn)在大部分循環(huán)流化床鍋爐采用高溫返料，返料溫度與床溫接近，所以不能起到調(diào)節(jié)床溫的作用，Qcc可近似為常數(shù)，F(xiàn)cc為單位時間的返料量；
、
是燃料量的函數(shù)，不受一次風(fēng)變化影響；Hm是煤的焓值；Hv揮發(fā)份的發(fā)熱量； 是揮發(fā)份占煤中的份額。
(8)
其中k1為比例系數(shù)，A為流化床的橫截面積，Vcr為臨界流化風(fēng)速，可見Qash為一次風(fēng)量與床溫的函數(shù)；
，由于流化床內(nèi)主要的燃燒反應(yīng)是碳＋氧氣→二氧化碳，所以反應(yīng)前后氣體的體積變化不大，可以近似的認為
，故 為一次風(fēng)與床溫的函數(shù)，Ca2為煙氣的比熱；
，為床溫的函數(shù)；
，A1為受熱面的面積，Tw為受熱面的溫度，傳熱系數(shù)
，k2為比例系數(shù)， 是床溫的變化量，可見Q是溫度的二次函數(shù)；
所以能量平衡方程(2)可以化為(9)式：
(9)
方程(9)為一個非線性方程，對其在工作點線性化得到：
(10)
有零下標(biāo)的是工作點的參數(shù)。
對(10)進行拉普拉斯變換得(11)式：
→
← 
(11)
則有 
(12)
3 仿真實驗研究
圖2一次風(fēng)量階躍增加時的仿真曲線
圖3一次風(fēng)量階躍減少時的仿真曲線
為了驗證模型的正確性，取一中型循環(huán)流化床鍋爐的額定負荷下的參數(shù)，進行仿真，主要參數(shù)為：
計算得到：
aM=6647.0；aT=297.7；aF=4763.9
代入(12)得到：
(13)
整理得到：
(14)
由(14)式可以看出：循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)到床溫的傳遞函數(shù)為負的一階慣性函數(shù)。
其階躍響應(yīng)曲線如圖2、圖3所示，為了進一步驗證模型的合理性，在杭州開發(fā)區(qū)熱電廠130t/h循環(huán)流化床鍋爐作現(xiàn)場測試，增加減少一次風(fēng)，來觀察床溫的變化風(fēng)圖4、圖5，圖中兩條曲線是床層內(nèi)不同位置的溫度，它們的變化與模型描述的基本一致。
圖4一次風(fēng)量階躍增加時的現(xiàn)場曲線
圖5一次風(fēng)量階躍減少時的現(xiàn)場曲線
4 結(jié)論
由仿真結(jié)果來看，當(dāng)風(fēng)量階躍增加時，床溫降低并過渡到一穩(wěn)定值，這是由于一次風(fēng)量的加大，一次風(fēng)帶走的熱量增加，夾帶到稀相區(qū)的床料也同時增加，床料帶走的熱量隨之加大，在給煤量不便的情況下，使密相區(qū)的燃燒份額減少，床溫降低；相反風(fēng)量階躍減小時床溫增加，與實際的運行時觀察相符，證明了循環(huán)流化床鍋爐床溫控制模型的正確性。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號