循环流化床锅炉机组变负荷过程能量变迁研究

牟 犇， 高明明， 洪 烽， 刘吉臻， 乔金玉

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；2.大唐武安发电有限公司，河北武安 056300)

循环流化床锅炉机组变负荷过程能量变迁研究

牟 犇1， 高明明1， 洪 烽1， 刘吉臻1， 乔金玉2

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；2.大唐武安发电有限公司，河北武安 056300)

研究了循环流化床(CFB)锅炉机组能量变迁过程，在分析CFB锅炉蓄能动态特性的基础上，对动态过程中的能量转换进行了定量计算与比较，将经济给煤量与实际给煤量进行比较，得到经济给煤评价指标，并以此来考察锅炉动态过程的控制效果.利用主蒸汽压力波动来反映动态过程的能量平衡，并通过2个升负荷过程实例进行了工程验证.结果表明：研究CFB锅炉机组的能量变迁，采用经济给煤评价指标指导风煤配比，对动态过程中的CFB锅炉机组安全、稳定、经济运行具有重要意义，为变负荷控制提供了理论基础.

CFB锅炉； 变负荷； 能量变迁； 风煤配比

随着新能源时代的到来，能源转型需构建以新能源为主体的电力系统.风能和太阳能等新能源最大的特征是具有间歇性、波动性及随机性.2015年，全国平均弃风率达15%，有些地区甚至高达30%.电力系统不仅需要应对随机波动的负荷需求，还要接纳不确定的电源接入.以煤电为代表的传统能源可以转变为与新能源进行调节、匹配及互补的电源.因此，传统电源的弹性运行将是解决未来我国消纳大规模清洁能源的根本途径.目前已经有一批循环流化床(CFB)锅炉机组并网发电、参与电网深度调峰调频，发电企业不仅需要保证机组长期安全稳定运行，而且还需要有快速、经济变负荷运行的能力[1].而研究CFB锅炉机组在变负荷工况下的能量变迁，对动态过程中指导火电厂运行人员，优化操作，机组安全经济运行，实现节能降耗具有十分重要的意义.

与煤粉炉不同，CFB锅炉因其独特的燃烧方式，拥有大量的燃料侧蓄热[2]，因此在能量平衡上必须考虑燃料侧的能量变化.煤粉炉燃烧的主要是入炉的细煤粉，往往会忽略煤粉的燃烧惯性，在动态建模时将炉膛视为一个具有集总参数的整体处理[3]，因此锅炉输出热量可以直接根据给煤量计算获得.而CFB锅炉入炉燃料通常为大块煤粉并伴有煤矸石、煤泥的混合，从给煤到完全燃烧迟延较大，其主要燃烧的是炉膛内存储的大量碳颗粒，因此无法直接用给煤量来衡量锅炉输出热量，而是需要计算燃烧的碳颗粒放出的热量[4-7].

由于CFB锅炉的燃烧机理复杂，国内外大多数机理模型只能用于实验室仿真，变负荷工况下的给煤量和风量大多依靠运行人员的经验给定或是通过系统辨识得到的模型给定，基本没有一种确定的标准.马强[8]建立了床温-给煤量和主蒸汽压力-给煤量等模型，但都是在试验和实际运行数据的基础上进行研究的，没有从机理出发，模型泛化能力不强.焦嵩鸣等[9]和董泽等[10]分别采用基于模糊自适应的量子遗传算法和基于RBF神经网络的量子遗传算法对CFB锅炉燃烧过程进行建模，此模型也仅是辨识模型.

在机组运行时，一般要求主蒸汽参数和炉膛内碳颗粒质量在一定的可接受波动范围内.这是因为蒸汽压力、汽温的变化会使汽轮机热应力增加，从而降低汽轮机的使用寿命.而炉膛内碳颗粒质量变化过大则会引起床温的大幅波动，从而影响运行安全.

在变负荷过程中，如何调节总风量和给煤量，合理利用燃料侧蓄能和汽水侧蓄能，既能满足调峰调频的要求，又能使主蒸汽压力和炉膛内碳颗粒质量的波动维持在一个可接受范围内，这一直是一个重要的研究问题[11].因此，笔者构造了能量变迁模型，定量计算能量动态变化量，准确得到经济给煤量，并与实际给煤量进行比较,得到经济给煤评价指标，以此作为考察动态过程控制效果的参数，有利于对CFB锅炉燃料侧蓄能和汽水侧蓄能进行合理利用，为动态过程中给煤量和总风量的控制提供理论基础和指导.

1 锅炉能量变迁

根据CFB锅炉的燃烧方式，给煤的化学能在进入炉膛后大部分能量转变为燃料侧蓄能，只有少量能量直接燃烧作为锅炉输出热量.除了给煤直接提供的少量能量，锅炉输出热量中的另外一大部分能量是由燃料侧蓄能释放得到的.燃料侧蓄能根据炉膛内的碳颗粒质量来衡量，在稳态工况下给煤提供的碳颗粒质量等于燃烧消耗的碳颗粒质量，若给煤提供的碳颗粒质量大于燃烧消耗的碳颗粒质量，炉膛内碳颗粒质量增加，燃料侧蓄能也增加；反之，若燃烧消耗的碳颗粒质量大于给煤提供的碳颗粒质量，炉膛内碳颗粒质量减少，燃料侧蓄能也减少.

炉膛内碳颗粒质量变化为：

(1)

式中：ΔmB为炉膛内碳颗粒的质量变化，kg；∑F为给煤补充的碳颗粒质量，kg；∑R为燃烧消耗的碳颗粒质量，kg；f(t)为给煤量，kg；w(Car)为煤的含碳质量分数，%；Q为锅炉输出热量，kJ；H为碳的燃烧发热量，kJ/kg.

燃料侧蓄能变化量为：

ΔQB=ΔmBH

(2)

锅炉输出热量为：

Q=K·qV(t)mB(t)

(3)

式中：K为燃烧模型总系数；qV(t)为总风量，m3/s；mB(t)为炉膛内碳颗粒质量，kg.

模型中的系数参考文献[12]和文献[13].式(3) 说明锅炉输出热量是由总风量控制变化的，且锅炉输出热量与燃料侧蓄热有密切的关联.在稳态工况下，维持炉膛内碳颗粒质量不变，可以得到：

(4)

锅炉输出热量通过受热面传递到汽水侧蓄能，最终由汽水侧蓄能释放响应负荷需求.在稳态工况下，锅炉输出热量等于响应负荷消耗的能量，若锅炉输出热量大于响应负荷消耗的能量，汽水侧蓄能增加；反之，若响应负荷消耗的能量大于锅炉输出热量，汽水侧蓄能减少.

汽包锅炉主要通过控制锅炉输出热量来稳定汽包压力，给水流量稳定汽包水位，确保受热面不超温.而汽包压力与主蒸汽参数相关，主蒸汽压力也是反映能量平衡的主要参数和控制系统的主要调节参数之一.对于汽包锅炉的汽水系统而言，温度是一个分布型参数，不同点的温度相差很大，其变化规律也受各种因素影响;而压力传递很快，汽水系统内各处压力变化趋势基本一致，干扰因素相对较少，因此一般选择压力信号作为汽水侧蓄能变化的信号.选用汽包压力作为衡量汽水侧蓄能变化的信号[14]：

(5)

式中：ΔQw为汽水侧蓄能的改变量；Cb为汽水侧蓄能系数，J/kPa；pd为汽包压力，MPa.

在负荷需求保持不变的前提下，锅炉输出热量变化会附加到汽水侧蓄能上，引起汽包压力的变化，即

ΔQ=ΔQw

(6)

式中：ΔQ为锅炉输出热量的改变量，kJ.

图1为CFB锅炉机组能量变迁过程示意图.

图1 CFB锅炉机组能量变迁过程示意图

2 经济给煤评价指标

在机组动态过程中，根据能量守恒可以得到理论需要给煤提供的热量：

Qf=ΔQB+ΔQw+Q

(7)

式中：Qf为给煤提供的热量，kJ.

根据得到的Qf和煤的热值，可得到经济给煤量：

(8)

式中：fl为经济给煤量，kg；Qnet,ar为对应煤的低位发热量，kJ/kg.

经济给煤量是指CFB锅炉在动态过程中满足锅炉蓄能变化和负荷要求，无需进行能量补偿的最少给煤量.即在此给煤量下，该段动态过程的控制效果最佳.

对比该动态过程中的实际给煤量，可以得到经济给煤评价指标：

(9)

式中：b为经济给煤评价指标，%；f为实际给煤量，kg.

经济给煤评价指标是体现动态过程中风煤配比控制效果的参数.经济给煤评价指标的绝对值大小表示动态过程控制效果的好坏,其绝对值越大，说明动态过程控制效果越差，需要后续控制补偿才能进入稳定状态；反之，其绝对值越小，说明控制效果越好，机组会更快地进入稳定状态.这就要求对动态过程中各项能量变迁进行较为准确地计算，从而得到合理的经济给煤量，调整机组在较好的风煤配比下运行，维持机组在较为安全稳定的前提下升降负荷.

3 工程实例

在某300 MW DG1100/17.4-II3型亚临界参数国产化CFB锅炉上进行工程试验.锅炉为单汽包自然循环、单炉膛、一次中间再热、采用旋风气固分离器和高温分离器、平衡通风、半露天布置、燃煤、固态排渣、前墙给料CFB锅炉.采用高温汽冷式旋风分离器进行气固分离.锅炉主要由一个膜式水冷壁炉膛、3台高温汽冷式旋风分离器和一个尾部竖井3部分组成.

以该机组2个升负荷过程为例，分析动态过程中给煤量、总风量、炉膛内碳颗粒质量和主蒸汽压力的变化，然后通过各项能量计算和比较，说明经济给煤评价指标在实际工程中的意义.

图2给出了一段机组负荷由167 MW升到250 MW过程中各参数的变化情况，其中变负荷速率为5 MW/min，升负荷时间约为17 min.由图2可知,在升负荷阶段，增加给煤量和总风量，炉膛内碳颗粒质量也直线上升，说明给煤补充的碳颗粒质量要大于燃烧消耗的碳颗粒质量，初期风煤配比偏小；在升负荷中期随着风煤配比的不断增大，炉膛内碳颗粒质量开始波动.另一方面，主蒸汽压力快速上升，在升负荷后期仍以较快速度升高，主蒸汽压力未稳定在设定值附近，控制效果较差.

根据以上计算方法计算动态过程中各项能量变化，通过煤的热值将其能量转化为给煤量，结果见图3.

图2 升负荷过程1

图3 升负荷过程1的经济给煤量与经济给煤评价指标

图3中，ΔQwm为升负荷过程中最大汽包压力变化对应的能量，ΔQBm为升负荷过程中最大炉膛内碳颗粒质量变化对应的能量.整个升负荷过程中，实际给煤量小于经济给煤量，经济给煤评价指标为-4.64%，在整个升负荷过程中风煤配比偏大，应当在后一段时间减小风煤配比补偿动态过程不足的能量.达到负荷要求后，炉膛内的碳颗粒燃烧消耗速度大于给煤补充速度，碳颗粒的存储量减少，由于负荷不再升高，这部分的能量大部分加到了汽水侧，导致主蒸汽压力快速上升，最高时超过主蒸汽压力设定值1 MPa以上，主蒸汽压力控制强制切手动，调整风煤配比以回调主蒸汽压力.这样必然会造成大量能量损失，而且机组的不稳定性也将大大提高.

图4给出了一段机组负荷由225 MW升到280 MW过程中各参数的变化情况，其中变负荷速率为5 MW/min，变负荷总时间约为11 min.在升负荷初期，为了维持主蒸汽压力的稳定，总风量和给煤量同时增加，由于总风量的响应速度要远大于给煤量响应速度，炉膛内存储的碳颗粒消耗速度要大于给煤补充速度，因此炉膛内碳颗粒质量迅速减少；在升负荷中期，由于给煤量持续增加，炉膛内的碳颗粒质量回升.在升负荷过程中，主蒸汽压力波动较小，与设定值偏差较小，其控制效果较好.同理,可得到升负荷过程2的经济给煤量和经济给煤评价指标,如图5所示.

在升负荷过程2中，实际给煤量略大于经济给煤量，经济给煤评价指标为1.76%，说明变负荷过程中风煤配比相对适中，不需要进行过多的能量补偿.因此主蒸汽压力波动小于0.3 MPa，其控制效果良好.在达到要求负荷后，总风量和给煤量趋于稳定值，主蒸汽压力和炉膛内的碳颗粒质量均稳定在一定的范围内，机组很快进入稳态运行的状态.

图4 升负荷过程2

图5 升负荷过程2的经济给煤量与经济给煤评价指标

上述2个升负荷过程实例说明在变负荷过程中，经济给煤评价指标确实能够体现机组动态过程中风煤配比所导致的控制效果.在变工况过程计算基础上，及时调整风煤配比进行能量补偿，有利于维持主蒸汽压力的稳定，大大提升机组的控制品质.

4 结 论

(1) 基于CFB锅炉的特点，从燃料侧蓄能、汽水侧蓄能、锅炉输出热量和给煤提供的热量4个方面建立了锅炉能量变迁过程，从机理上分析和计算了动态过程中各项能量迁移.

(2) 提出了经济给煤量的计算方法，采用经济给煤评价指标作为体现机组动态过程中风煤配比控制效果的参数，能够以此作为能量补偿的依据，为主蒸汽压力的控制提供参考，并通过工程实例验证了该评价指标的合理性.

[1] 刘吉臻. 新能源电力系统中燃煤发电的功能定位[J].中国电力企业管理, 2013(8): 27-28.

LIU Jizhen. Functional orientation of coal-fired power generation in new energy power system[J].ChinaPowerEnterpriseManagement, 2013(8): 27-28.

[2] 吴玉平, 王永龙. 机跟炉协调控制在300 MW CFB锅炉煤质大幅波动时的应用[J].中国电力, 2008, 41(12): 42-45.

WU Yuping, WANG Yonglong. Application of turbine following boiler coordinated control in 300 MW CFB boiler against the great change in coal quality[J].ElectricPower, 2008, 41(12): 42-45.

[3] 李金晶, 李燕, 吕俊复, 等. 循环流化床锅炉热惯性分析[J].热能动力工程, 2009, 24(5): 609-613.

LI Jinjing, LI Yan, LÜ Junfu, et al. An analysis of thermal inertia of a CFB (circulating fluidized bed) boiler[J].JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower, 2009, 24(5): 609-613.

[4] 杨建华. 循环流化床锅炉设备及运行[M]. 2版. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[5] 岑可法, 倪明江, 骆仲泱, 等. 循环流化床锅炉理论设计与运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998.

[6] 卢啸风. 大型循环流化床锅炉设备与运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.

[7] 高明明, 岳光溪, 雷秀坚, 等. 600 MW超临界循环流化床锅炉控制系统研究[J].中国电机工程学报, 2014, 34(35): 6319-6328.

GAO Mingming, YUE Guangxi, LEI Xiujian, et al. Research on control system of 600 MW supercritical circulating fluidized bed boiler[J].ProceedingsoftheCSEE, 2014, 34(35): 6319-6328.

[8] 马强. 循环流化床锅炉燃烧系统建模与控制系统研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2009.

[9] 焦嵩鸣, 韩璞, 黄宇, 等. 模糊量子遗传算法及其在热工过程模型辨识中的应用[J].中国电机工程学报, 2007, 27(5): 87-92.

JIAO Songming, HAN Pu, HUANG Yu, et al. Fuzzy quantum genetic algorithm and its application research in thermal process identification[J].ProceedingsoftheCSEE, 2007, 27(5): 87-92.

[10] 董泽, 黄宇, 韩璞. 量子遗传算法优化RBF神经网络及其在热工辨识中的应用[J].中国电机工程学报, 2008, 28(17): 99-104.

DONG Ze, HUANG Yu, HAN Pu. Thermal process identification with radial basis function network based on quantum genetic algorithm[J].ProceedingsoftheCSEE, 2008, 28(17): 99-104.

[11] 程乐鸣, 岑可法, 倪明江, 等. 循环流化床锅炉炉膛热力计算[J].中国电机工程学报, 2002, 22(12): 146-151.

CHENG Leming, CEN Kefa, NI Mingjiang, et al. Thermal calculation of a circulating fluidized bed boiler furnace[J].ProceedingsoftheCSEE, 2002, 22(12): 146-151.

[12] 高明明. 大型循环流化床锅炉燃烧状态监测研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2013.

[13] 高明明, 岳光溪, 雷秀坚, 等. 超临界CFB锅炉主蒸汽压力控制系统研究[J].动力工程学报, 2015, 35(8): 625-631.

GAO Mingming, YUE Guangxi, LEI Xiujian, et al. Research on main steam pressure control of supercritical CFB boilers[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2015, 35(8): 625-631.

[14] 刘鑫屏, 田亮, 赵征, 等. 汽包锅炉蓄热系数的定量分析[J].动力工程, 2008, 28(2): 216-220.

LIU Xinping, TIAN Liang, ZHAO Zheng, et al. The quantitative analysis of the drum boiler heat storage coefficient[J].JournalofPowerEngineering, 2008, 28(2): 216-220.

ResearchonEnergyConversionofaCFDBoilerUnitDuringLoadChangeProcess

MOUBen1,GAOMingming1,HONGFeng1,LIUJizhen1,QIAOJinyu2
(1.State Key Lab of Alternate Electric Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Datang Wu'an Power Generation Co., Ltd., Wu'an 056300, Hebei Province, China)

The energy conversion in dynamic process of a CFB boiler unit was studied, calculated and compared quantitatively based on analysis of the energy storage features, so as to obtain the evaluation index of economical coal feed rate through comparison between the economical and actual coal feed rate, and to investigate the effects of dynamic process control. In addition, the fluctuation status of main steam pressure was used to reflect the dynamic energy balance, which was verified by two examples of load-up processes. Results show that both the study of energy conversion in the process of CFB boiler load changes and the application of evaluation index for economical coal feed rate in the control of air-coal ratio are conducive to the safe and economic operation of the CFB boiler. This may serve as a reference for the control of boiler load changes.

CFB boiler; load change; energy conversion; air-coal ratio

2016-12-19

2017-02-28

国家重大研发计划资助项目(2016YFB0600205)

牟 犇(1993-)，男，浙江宁波人，硕士研究生，研究方向为循环流化床锅炉性能计算及运行优化控制.电话(Tel．)：18810653191；E-mail：nbfhmb@ncepu.edu.cn.

1674-7607(2017)12-0945-05

TK223.7

A

470.30