循环流化床锅炉燃烧工况考评分析

孔垂茂，赵 斌，王 雨，王松岭，路晓雯，邢 通

0 引言

循环流化床燃烧技术具有燃料适应性好、燃烧效率高、污染物排放少等优点，近年来得到大力提倡、应用与迅速发展。为提升CFB 锅炉运行的安全经济水平，大量专家学者及工程技术人员进行了理论研究与实践探索。2004 年阎维平等提出了基于稳态平衡的CFB 锅炉密相区燃烧动态特性的数学算法，方便合理地考虑了原煤温升造成的物理及化学反映迟滞，得出了给煤扰动工况下床温的变化规律［1］。王超等利用Fluent 软件对超超临界CFB 锅炉炉膛内部气固两相流场进行的数值模拟，得到了燃料颗粒在炉膛内的分布规律［2］;徐志等在考虑了宽筛分燃料颗粒所经历的破碎、燃烧等过程基础上，对300 MW 级CFB 锅炉燃烧系统进行了模拟并得到与测量值基本一致的结果［3］;张小辉等则通过对煤种、配风和床温等燃烧参数进行分析并优化控制，提高了CFB 锅炉的运行效率［4］;梁占伟等则针对CFB 锅炉燃烧系统参数耦合特性进行分析，得出了升负荷过程中各参数的耦合关系［5］;黄治坤等分析了风量、床温等参数对CFB 锅炉运行的影响，分析了大量实验数据并优化，降低了飞灰含碳量并提高了锅炉热效率［6］。本文针对CFB 锅炉各运行负荷参数，基于多项式解耦方法对燃烧控制参数进行优化分析，实时调整炉内的燃烧状况。

1 东方电厂CFB 锅炉燃烧系统

东方电厂装有2 台上海锅炉有限公司引进ALSTOM 公司先进技术设计和制造的SG －490/13.8 －M572 型超高压参数、一次中间再热、单锅筒、自然循环CFB 锅炉。锅炉采用水冷布风板、高温绝热旋风分离器和自平衡“U”型返料器。锅炉为全钢架支吊结合的固定方式，半露天布置，平衡通风，床上启动，运行时燃烧室处于正压工况，固态机械除渣及气力除灰。锅炉采用两级破碎技术，合格粒度的燃煤进入炉前大煤斗，经4台带式给煤机将煤粒送至落煤管上方，由播煤风将落下的煤粒均匀地吹入炉膛里。由一次风机送入的冷空气经暖风器、空气预热器加热后，第一路进入炉膛底部水冷风室，第二路从水冷风室前引出一支风道至炉前，该风道分为4 根支管至落煤管以供应播煤风，第三路从一次风机出口后的冷风道上引出一股高压冷风作为炉前落煤管和给煤机的密封风。二次风经暖风器、空气预热器加热后引至炉前的二次风箱，再引出若干根支管分两层从炉膛前后墙、密相区的上部进入炉膛燃烧室助燃。

锅炉整体呈左右对称布置，锅炉钢架左右两侧布置副跨，副跨内布置平台通道、省煤器进口管道、主蒸汽管道、再热器进口管道及再热器出口管道;在尾部烟道包覆墙中间设置隔墙包覆过热器，将尾部烟道分隔成前后两个烟道，在前烟道内布置再热器，后烟道内按烟气流向依次布置高温过热器和二级省煤器;再热器和二级省煤器出口设置烟气调温挡板，通过调节挡板开度改变流经再热器的烟气量，从而控制再热蒸汽出口温度。燃烧系统流程如图1 所示，燃料特性如表1 所示。

图1 CFB 锅炉燃烧系统流程Fig．1 CFB boiler combustion system diagram

表1 燃料特性Tab．1 Fuel characteristics

2 燃烧参数耦合及控制策略

CFB 锅炉燃烧控制主要包括锅炉负荷控制、燃料量控制和床温控制等。其控制参数主要包括给煤量、床温、床压、烟气含氧量、炉膛出口烟温、一次风量和二次风量等。

2.1 变量参数耦合

床温是保证炉膛内安全稳定燃烧的必要条件之一，提高床温有利于缩短煤颗粒的燃烬时间。由于CFB 锅炉需维持稳定的流态化和满足炉内干法脱硫工艺的要求，可适当控制床温高于额定负荷时锅炉床层温度，CFB 锅炉床温界限应控制在最佳脱硫温度850 ～970 ℃范围内。

一次风的作用是调整燃烧室内物料流化状态，从而影响物料浓度分布，因此，一次风量是调整床温、料层差压、燃烧室内温度分布及返料量的主要手段。二次风的作用是加强燃烧室内燃烧介质的扰动，补充氧量，平衡总风量。

2.2 燃烧控制策略

东方电厂CFB 锅炉的燃料采用原煤与煤矸石混合燃料，该燃料具有较低的含硫量且灰分软化温度低，可以适当提高CFB 锅炉运行床温以提高燃烧效率。但煤矸石燃烧相对困难，尽量减少过大、过小颗粒的份额，控制好入炉煤的颗粒度和质量是必要的。CFB 锅炉运行调整关键在于保证其物料循环与正常流化基础上调节燃烧工况，维持热平衡和灰平衡，以达到提高燃烧效率的目的。

控制适宜的风量和一、二次风的配比，及时调整引风量并保持风压平衡对于CFB 锅炉的安全经济运行十分关键。满负荷正常运行时，一、二次风配比约为6∶4，燃用煤质较差的煤或高负荷运行时，二次风的配比可适当加大。二次风率降低时，稀相区与密相区分界线上移，床温升高，而增加返料量可以起到降低床温的作用。另外，配风比例应控制在合理的范围内，一次风的下限应足以维持床层流化，上限应保证二次风具有压制火焰并控制NOx排放量，同时注意控制合理的出口烟温和飞灰含碳量。低负荷运行时，适当提高过量空气系数，可以有效地维持炉膛内的流化燃烧，推迟压火或投油助燃的时间。

3 运行参数解耦与优化

通过对东方电厂CFB 锅炉负荷、床层温度、烟气含氧量、炉膛出口烟温、一、二次风配比等运行参数及复合参数单位负荷风量的分析，建立锅炉热效率计算模型和控制参数多项式耦合模型。根据热效率模型筛选出变负荷燃烧工况中效率较高的控制参数方案，再利用多项式模型耦合分析得出优化曲线，以此指导东方电厂CFB 锅炉的运行参数调整。

3.1 热效率计算模型

计算锅炉机组热效率的方法分为正平衡法和反平衡法两种。其中反平衡法需要首先确定输入锅炉的热量和各项损失，最终得到锅炉机组热效率;而正平衡法则仅需确定输入锅炉的热量和有效利用热，即可得到锅炉机组热效率。

(1)正平衡

锅炉有效利用热:

式中:D1为主蒸汽流量，kg/h;D2为再热蒸汽流量，D2= 0.8 ～0.85D1，kg/h;hzq为主蒸汽焓，kJ/kg;hgs为给水焓，kJ/kg;hzc为再热器出口蒸汽焓，kJ/kg;hzr为再热器入口蒸汽焓，kJ/kg。

锅炉热效率:

式中:η 为热效率，%;B 为给煤量，t/h;Qnet．ar为收到基低位发热量，kJ/kg。

(2)反平衡

锅炉热效率:

式中:q2为排烟热损失，%;q3为化学未完全燃烧热损失，%;q4为机械未完全燃烧热损失，%;q5为散热损失，%;q6为灰渣物理热损失，%。

3.2 多项式优化模型

针对循环流化床锅炉运行参数解耦困难问题，采用多项式拟合公式建模［7］。首先采集筛选CFB锅炉变负荷运行参数，选取其中热效率较高的数据作为参考目标值。其次，根据筛选后的运行参数，绘制锅炉负荷与平均床温、一、二次风配比等参数的多项式特性曲线，并得出其解析式。最后，通过调整多项式最高次项的指数，对建立的多项式模型进行修正。燃烧调整各参数解析关联式模型如下:

机组负荷与给煤量为

机组负荷与平均床温为

机组负荷与锅炉烟气含氧量为

机组负荷与一、二次风配比为

单位负荷风量G 是文献［7］为估算CFB 锅炉一次风量和二次风量的重要中间参数，满足关系式G = Vk/P。机组负荷与单位负荷风量关系式为

机组负荷与炉膛出口烟温为

式中:P 为机组负荷，MW;B 为给煤量，t/h;T为平均床温，℃;R 为锅炉出口烟气含氧量，%;Y为一、二次风配比;G 为单位负荷风量，kNm3·(h·MW)－1;为炉膛出口烟温，℃。

3.3 运行参数优化

(1)程序验证

基于数学模型及参数控制方案，获得变工况多组高效运行数据，拟合多项式曲线，求得模型中的未知系数(ai～fi)并编制程序，考评程序基础数据可实时更新。在对随机采集或预期运行参数考评时，首先输入程序对话框左上角各对应的现场运行数据，计算得出相应负荷下的理论值;然后依次点击“绘图”、 “工况点”对应的按钮，生成理论运行数据模型的图线和对应考核工况的理论参数，并与机组实际控制参数进行对比。锅炉在133.8 MW 负荷下，考评程序计算结果如图2 所示。

从程序的界面显示中，可以清晰地观察到相应考核工况下的给煤量、平均床温和炉膛出口烟温等控制参数。分析图2，还可以得出CFB 锅炉机组变负荷所需调整参数的变化趋势和变化幅度，结合升降负荷的特点，对制定高效节能的升降负荷方案有一定的指导。CFB 锅炉变负荷运行时，个别理论参数与实际控制参数会出现一些合理的误差，例如，升负荷过程中给煤量偏低和一、二次风配比偏低等。而误差过大会影响CFB 锅炉的经济运行，甚至导致停炉、停机事故的发生。

图2 程序计算结果Fig．2 Calculation results

(2)考评分析

根据CFB 锅炉机组133.8 MW 运行工况的参数值及计算值，进行锅炉燃烧工况考核，相关数据及误差分析见表2。在锅炉机组负荷为133.8 MW 时，程序计算结果与锅炉运行参数的误差在10%以内，可满足生产要求。

表2 程序计算结果与运行参数对比Tab．2 Comparison of calculation results and operation parameters

从图2 及表2 考评分析中可知，给煤量和烟气含氧量等参数的误差较大。CFB 锅炉采用微机皮带秤在线测量给煤量，是导致给煤量误差大的主要原因，另CFB 锅炉运行的迟滞性导致给煤数据与燃烧参数不匹配也是重要原因之一。而CFB锅炉运行中竖井烟道及管式空气预热器漏风是导致炉膛出口烟气含氧量偏高的主要原因。锅炉运行中，适当降低一、二次风配比，可以增强二次风的穿透力，降低未完全燃烧热损失，在锅炉变工况燃烧调整中尤为重要，但偏差太大仍会导致炉膛总体温度水平偏低，进而降低锅炉运行效率。

因此，应对工作环境较恶劣的在线测量设备进行校验，提高其测量精度。对于锅炉变负荷过程中的风量控制，需进行分段高精度调节。降负荷过程中，先适当降低给煤量，然后适当增大一次风量并降低二次风量，进行多次精细调节，直到控制参数较优;同理，在升负荷过程中，先适当增加二次风量，然后增加给煤量，再适当增加一次风量。基于程序计算结果，控制燃料各变量参数误差允许范围内，使锅炉各负荷燃烧工况调优。

4 结论

(1)针对CFB 锅炉控制参数解耦困难，利用热效率计算模型筛选东方电厂490 t/hCFB 锅炉运行参数，并采用多项式解耦方法，建立了机组负荷与CFB 锅炉主要运行控制参数的关系特性模型。应用程序分析控制参数的优劣和估计某运行工况下的最佳控制参数，实时调整变工况的燃烧状态。

(2)由于程序采用的多项式建模方法及程序语言都具有通用性，可应用此考评方法，得到其他等级CFB 锅炉机组的运行考评程序，对推进CFB 锅炉燃烧系统自动控制的工业化具有一定的积极影响。

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