循环流化床机组床温控制模型研究

刘浩，高飞，张宇

（1.武乡西山发电有限责任公司，山西长治046300；2.国网山西省电力公司计量中心，山西太原030001；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

循环流化床机组床温控制模型研究

刘浩1，高飞2，张宇3

（1.武乡西山发电有限责任公司，山西长治046300；2.国网山西省电力公司计量中心，山西太原030001；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

阐述了循环流化床锅炉的原理和床温控制在循环流化床锅炉控制的重要性，分析了影响床温控制的各种因素及其原因，就影响床温的两个重要参数（给煤量和一次风量）进行了建模研究，并通过对现场得到的数据进行推导，得出了给煤量-床温和一次风量-床温两个数学模型，并对这两个模型进行了验证，证明了其正确性。

循环流化床锅炉；床温控制；建模

0 引言

循环流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)燃烧技术是近几年发展起来的一种新型高效、低污染清洁燃烧技术。由于CFB锅炉可以燃烧煤矸石、无烟煤等发热量低、挥发分低、不易燃烧的劣质煤种，已成为当前国内新建火力机组锅炉采用的主要方式。

1 循环流化床CFB特性研究

1.1 结构原理

CFB锅炉在燃烧机理和结构布置上与常规的悬浮燃烧锅炉相比有很大的不同。从结构上来说CFB锅炉可分为两个部分，第一部分由炉膛、布风装置（床体）、分离设备、固体物料再循环设备、外置换热设备等组成，这些部件构成CFB锅炉的燃烧和物料循环回路。第二部分为烟气对流部分，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，此部分与常规悬浮燃烧锅炉比较接近。CFB锅炉之所以具备上述优点，主要在于其特殊的燃烧机理（以流态化形式燃烧），且比普通煤粉炉新增了固体物料再循环设备，从而大大降低了其对煤质的要求。

1.2 控制特性

由于CFB锅炉采用的是流态化的燃烧形式，而流态化是一个极为复杂的现象，尤其是气固流态化。而对锅炉流态化的影响因素很多，主要有气体流动速度、流化速度或空气截面速度、固体颗粒特性密度、流体特性密度等[1]几方面的因素。所以，流化床锅炉燃烧系统存在很强的非线性、时变、大时延、多变量紧密耦合等特性。

在CFB锅炉的控制系统的众多参数中，床温的控制直接影响锅炉能否安全连续运行，同时也对脱硫效率及NOx产生有很大的影响。在300MW的CFB锅炉控制系统中（参考山西昱光发电有限责任公司），床温大多控制在850℃左右，这个温度是炉内脱硫的最佳温度，同时NOx的产生量也比较小。如果床温过低，不但会使锅炉效率下降，而且会造成锅炉运行的不稳定，发生爆燃、灭火等危险事故。而如果温度过高则会使炉内脱硫效率下降，NOx的产生量大大增加，造成炉膛料床结焦，使CFB锅炉无法循环流化燃烧。若发生炉膛料床结焦的情况，则必须停炉。由此可见，床体温度是极为重要的控制参数。

2 床温控制模型分析

一般来说，锅炉床温的影响因素有很多，包括给煤量、一次风量、料层厚度、煤质、物料循环量等，另外，负荷的变化也会引起床温的波动，但在这些因素当中，对床温影响较大的是给煤量和一次风量的波动。因此，本文参考山西昱光发电有限责任公司运行数据，对给煤量和一次风量扰动下锅炉床温响应进行了分析研究。

2.1 给煤量扰动下的床温响应特性

在机组平稳运行过程中，加入给煤量波动10 t/h，得到床温的响应情况如表1所示。

表1 床温受扰响应

响应曲线如图1所示。

图1 给煤量扰动下床温响应

从图1可知，给煤量是床温响应的一个重要影响参数。假设其他条件不变，流化床的床温也会相应地升高或降低，但是由于炉内煤的燃烧有个预热、加热、燃烧的过程，炉内床料的热容量也很大。因此，给煤量的扰动下，床温的响应变化会存在一定的滞后时间。因此，整个过程可以用一阶惯性环节近似等效，将滞后时间用纯滞后环节表示，表达式近似为式（1）。

式中：Gtm（S）——给煤量扰动下床温的时域特性。

2.2 一次风扰动下床温的响应特性

循环流化床锅炉的床温与空气量的变化成反比关系。当增加炉内的空气量时，床层温度降低，反之则上升。炉内的空气量主要是指一次风和二次风，一次风从燃烧室的底部送入，而二次风是从燃烧室的侧面被送入，因此，一次风和二次风对流化床锅炉内的温度影响是不同的。

一次风的下限应满足能够使床料在炉膛内保持流化状态，同时要提供燃料燃烧的部分氧气，这样才能产生充足的热量来维持床温在一定的温度范围内（850～950℃）。一次风对流化床锅炉的床温影响相对比较复杂，文献[2]模拟计算了一次风率分别为70%、60%和50%时的床温分布曲线图，如图2所示。

图2 一次风率对床层温度分布的影响

从图2中可以看出，当一次风率为70%时，炉膛密相区的温度高于一次风率为60%的密相区温度，低于一次风率为50%的密相区温度，但是炉膛顶部的温度却随着一次风率的加大而下降。通过阅读大量的相关文献，可以将出现这种现象的原因归结为：密相区、稀相区的温度分布与一次风的关系和炉内燃烧速度与床料的冷却速度密切相关。当一次风增加，其氧量对炉内床料的燃烧速度大于床料的冷却作用时，炉膛密相区的温度就会升高，反之则会降低。

二次风从燃烧室的侧面被送入，主要是为了降低空气污染物的排放量，同时提供充足的氧气使在稀相区燃烧不完全的燃料充分燃烧。它主要是对炉膛的出口温度影响比较大，当炉膛出口温度太大时，容易造成炉膛内部和离心分离器结焦。因此，主要是通过控制二次风量来控制炉膛的出口温度，这样既提高了锅炉的燃烧效率又保证了其安全可靠性。

综上所述，一次风量与床温直接相关。一次风扰动下，床温的实际响应如表2所示。

一次风扰动下床温响应曲线表示见图3。

表2 床温受扰响应

图3 一次风扰动下床温响应

当增加一次风量的阶跃扰动时，锅炉内的燃烧反应速率加快，从而导致稀相区和密相区的含碳量减少。虽然与此同时炉膛内碳燃烧所释放的热量会有所增加，但是从炉膛底部进去的一次风是冷风，冷风的气流在炉膛内不但会吸收热量，而且也会从炉膛内带走部分热量，这样就会造成密相区和稀相区的温度相应程度地下降，导致循环流化床锅炉的床温逐渐降低。整个过程也会有一定的延迟时间。

表达式可近似为式（2）。式中：Gtv（S）——一次风量扰动下床温的时域特性。

3 被控对象模型验证

在获得了这两种数学模型后，需用通过实际数据与仿真效果进行对比，以验证模型的正确与否。

3.1 给煤量-床温模型

对式（1）叠加5 t/h煤量扰动，得到的趋势与实际的床温响应曲线进行对比，见图4曲线所示。

从图4中可以看出，在给煤量发生扰动的情况下，式（1）所代表的给煤量-床温模型与实际的床温变化趋势方向符合，在峰值上有＜1%的幅值偏差，证明该模型可以在实际的控制中使用。

图4 给煤量-床温模型比较图

3.2 一次风-床温模型

对式（2）叠加10%的风量扰动，得到的趋势与实际的床温响应曲线进行对比，见图5曲线。

图5 一次风-床温模型比较图

从图5中可以看出，在一次风量发生扰动的情况下，式（2）所代表的一次风量-床温模型与实际的床温变化趋势方向符合，且幅值变化的最大偏差＜1%，证明该模型可以在实际的控制中使用。

［1］岳中石.大型循环流化床锅炉控制系统研究［D］.保定：华北电力大学，2009.

［2］王塑，黄琪.循环流化床锅炉燃烧系统分析［J］.重庆科技学院学报，2009，11（3）：76-79.

M odeling on Bed Temperature Control System of Circulating Fluidized Bed Boiler

LIU Hao1，GAO Fei2，ZHANG Yu3
（1.W uxiang Xishan Power Generation Co.，Ltd.，Changzhi，Shanxi 046300,China；2.State Grid M etering Center of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China; 3.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Aboveall，the paper introduced theworkingprincipleofcirculating fluidized bed boiler,and then explained the importance ofbed temperature control system.The facts influencing the bed temperature control system are analyzed，andmodeling researcheswere doneon coal feedingquantity and primary air flow.On analysing the dateofa powerplantin Shanxi，themathematicmodelsofcoal feedingbed temperatureand primaryair flow-bed temperaturewerebuilt，and the correctnessof themodelswereconfirmed.

circulating fluidized bed boiler；bed temperature control；modeling

TK223.7；TK323

B

1671-0320（2014）02-0058-03

2013-12-02，

2014-01-12

刘浩（1980-），男，山西阳泉人，2004年毕业于山西大学工程学院电气工程及其自动化专业，工程师，从事热控专业工作；

高飞（1982-），男，山西交城人，2004年毕业于太原理工大学信息自动化专业，工程师，从事电力计量工作；

张宇（1982-），男，山西河曲人，2011年毕业于太原理工大学控制工程专业，硕士，工程师，从事信息安全工作。