循環流化床鍋爐燃燒工況考評分析

孔垂茂，趙 斌，王 雨，王松嶺，路曉雯，邢 通

0 引言

循環流化床燃燒技術具有燃料適應性好、燃燒效率高、污染物排放少等優點，近年來得到大力提倡、應用與迅速發展。為提升CFB 鍋爐運行的安全經濟水平，大量專家學者及工程技術人員進行了理論研究與實踐探索。2004 年閻維平等提出了基于穩態平衡的CFB 鍋爐密相區燃燒動態特性的數學算法，方便合理地考慮了原煤溫升造成的物理及化學反映遲滯，得出了給煤擾動工況下床溫的變化規律［1］。王超等利用Fluent 軟件對超超臨界CFB 鍋爐爐膛內部氣固兩相流場進行的數值模擬，得到了燃料顆粒在爐膛內的分布規律［2］;徐志等在考慮了寬篩分燃料顆粒所經歷的破碎、燃燒等過程基礎上，對300 MW 級CFB 鍋爐燃燒系統進行了模擬并得到與測量值基本一致的結果［3］;張小輝等則通過對煤種、配風和床溫等燃燒參數進行分析并優化控制，提高了CFB 鍋爐的運行效率［4］;梁占偉等則針對CFB 鍋爐燃燒系統參數耦合特性進行分析，得出了升負荷過程中各參數的耦合關系［5］;黃治坤等分析了風量、床溫等參數對CFB 鍋爐運行的影響，分析了大量實驗數據并優化，降低了飛灰含碳量并提高了鍋爐熱效率［6］。本文針對CFB 鍋爐各運行負荷參數，基于多項式解耦方法對燃燒控制參數進行優化分析，實時調整爐內的燃燒狀況。

1 東方電廠CFB 鍋爐燃燒系統

東方電廠裝有2 臺上海鍋爐有限公司引進ALSTOM 公司先進技術設計和制造的SG －490/13.8 －M572 型超高壓參數、一次中間再熱、單鍋筒、自然循環CFB 鍋爐。鍋爐采用水冷布風板、高溫絕熱旋風分離器和自平衡“U”型返料器。鍋爐為全鋼架支吊結合的固定方式，半露天布置，平衡通風，床上啟動，運行時燃燒室處于正壓工況，固態機械除渣及氣力除灰。鍋爐采用兩級破碎技術，合格粒度的燃煤進入爐前大煤斗，經4臺帶式給煤機將煤粒送至落煤管上方，由播煤風將落下的煤粒均勻地吹入爐膛里。由一次風機送入的冷空氣經暖風器、空氣預熱器加熱后，第一路進入爐膛底部水冷風室，第二路從水冷風室前引出一支風道至爐前，該風道分為4 根支管至落煤管以供應播煤風，第三路從一次風機出口后的冷風道上引出一股高壓冷風作為爐前落煤管和給煤機的密封風。二次風經暖風器、空氣預熱器加熱后引至爐前的二次風箱，再引出若干根支管分兩層從爐膛前后墻、密相區的上部進入爐膛燃燒室助燃。

鍋爐整體呈左右對稱布置，鍋爐鋼架左右兩側布置副跨，副跨內布置平臺通道、省煤器進口管道、主蒸汽管道、再熱器進口管道及再熱器出口管道;在尾部煙道包覆墻中間設置隔墻包覆過熱器，將尾部煙道分隔成前后兩個煙道，在前煙道內布置再熱器，后煙道內按煙氣流向依次布置高溫過熱器和二級省煤器;再熱器和二級省煤器出口設置煙氣調溫擋板，通過調節擋板開度改變流經再熱器的煙氣量，從而控制再熱蒸汽出口溫度。燃燒系統流程如圖1 所示，燃料特性如表1 所示。

圖1 CFB 鍋爐燃燒系統流程Fig．1 CFB boiler combustion system diagram

表1 燃料特性Tab．1 Fuel characteristics

2 燃燒參數耦合及控制策略

CFB 鍋爐燃燒控制主要包括鍋爐負荷控制、燃料量控制和床溫控制等。其控制參數主要包括給煤量、床溫、床壓、煙氣含氧量、爐膛出口煙溫、一次風量和二次風量等。

2.1 變量參數耦合

床溫是保證爐膛內安全穩定燃燒的必要條件之一，提高床溫有利于縮短煤顆粒的燃燼時間。由于CFB 鍋爐需維持穩定的流態化和滿足爐內干法脫硫工藝的要求，可適當控制床溫高于額定負荷時鍋爐床層溫度，CFB 鍋爐床溫界限應控制在最佳脫硫溫度850 ～970 ℃范圍內。

一次風的作用是調整燃燒室內物料流化狀態，從而影響物料濃度分布，因此，一次風量是調整床溫、料層差壓、燃燒室內溫度分布及返料量的主要手段。二次風的作用是加強燃燒室內燃燒介質的擾動，補充氧量，平衡總風量。

2.2 燃燒控制策略

東方電廠CFB 鍋爐的燃料采用原煤與煤矸石混合燃料，該燃料具有較低的含硫量且灰分軟化溫度低，可以適當提高CFB 鍋爐運行床溫以提高燃燒效率。但煤矸石燃燒相對困難，盡量減少過大、過小顆粒的份額，控制好入爐煤的顆粒度和質量是必要的。CFB 鍋爐運行調整關鍵在于保證其物料循環與正常流化基礎上調節燃燒工況，維持熱平衡和灰平衡，以達到提高燃燒效率的目的。

控制適宜的風量和一、二次風的配比，及時調整引風量并保持風壓平衡對于CFB 鍋爐的安全經濟運行十分關鍵。滿負荷正常運行時，一、二次風配比約為6∶4，燃用煤質較差的煤或高負荷運行時，二次風的配比可適當加大。二次風率降低時，稀相區與密相區分界線上移，床溫升高，而增加返料量可以起到降低床溫的作用。另外，配風比例應控制在合理的范圍內，一次風的下限應足以維持床層流化，上限應保證二次風具有壓制火焰并控制NOx排放量，同時注意控制合理的出口煙溫和飛灰含碳量。低負荷運行時，適當提高過量空氣系數，可以有效地維持爐膛內的流化燃燒，推遲壓火或投油助燃的時間。

3 運行參數解耦與優化

通過對東方電廠CFB 鍋爐負荷、床層溫度、煙氣含氧量、爐膛出口煙溫、一、二次風配比等運行參數及復合參數單位負荷風量的分析，建立鍋爐熱效率計算模型和控制參數多項式耦合模型。根據熱效率模型篩選出變負荷燃燒工況中效率較高的控制參數方案，再利用多項式模型耦合分析得出優化曲線，以此指導東方電廠CFB 鍋爐的運行參數調整。

3.1 熱效率計算模型

計算鍋爐機組熱效率的方法分為正平衡法和反平衡法兩種。其中反平衡法需要首先確定輸入鍋爐的熱量和各項損失，最終得到鍋爐機組熱效率;而正平衡法則僅需確定輸入鍋爐的熱量和有效利用熱，即可得到鍋爐機組熱效率。

(1)正平衡

鍋爐有效利用熱:

式中:D1為主蒸汽流量，kg/h;D2為再熱蒸汽流量，D2= 0.8 ～0.85D1，kg/h;hzq為主蒸汽焓，kJ/kg;hgs為給水焓，kJ/kg;hzc為再熱器出口蒸汽焓，kJ/kg;hzr為再熱器入口蒸汽焓，kJ/kg。

鍋爐熱效率:

式中:η 為熱效率，%;B 為給煤量，t/h;Qnet．ar為收到基低位發熱量，kJ/kg。

(2)反平衡

鍋爐熱效率:

式中:q2為排煙熱損失，%;q3為化學未完全燃燒熱損失，%;q4為機械未完全燃燒熱損失，%;q5為散熱損失，%;q6為灰渣物理熱損失，%。

3.2 多項式優化模型

針對循環流化床鍋爐運行參數解耦困難問題，采用多項式擬合公式建模［7］。首先采集篩選CFB鍋爐變負荷運行參數，選取其中熱效率較高的數據作為參考目標值。其次，根據篩選后的運行參數，繪制鍋爐負荷與平均床溫、一、二次風配比等參數的多項式特性曲線，并得出其解析式。最后，通過調整多項式最高次項的指數，對建立的多項式模型進行修正。燃燒調整各參數解析關聯式模型如下:

機組負荷與給煤量為

機組負荷與平均床溫為

機組負荷與鍋爐煙氣含氧量為

機組負荷與一、二次風配比為

單位負荷風量G 是文獻［7］為估算CFB 鍋爐一次風量和二次風量的重要中間參數，滿足關系式G = Vk/P。機組負荷與單位負荷風量關系式為

機組負荷與爐膛出口煙溫為

式中:P 為機組負荷，MW;B 為給煤量，t/h;T為平均床溫，℃;R 為鍋爐出口煙氣含氧量，%;Y為一、二次風配比;G 為單位負荷風量，kNm3·(h·MW)－1;為爐膛出口煙溫，℃。

3.3 運行參數優化

(1)程序驗證

基于數學模型及參數控制方案，獲得變工況多組高效運行數據，擬合多項式曲線，求得模型中的未知系數(ai～fi)并編制程序，考評程序基礎數據可實時更新。在對隨機采集或預期運行參數考評時，首先輸入程序對話框左上角各對應的現場運行數據，計算得出相應負荷下的理論值;然后依次點擊“繪圖”、 “工況點”對應的按鈕，生成理論運行數據模型的圖線和對應考核工況的理論參數，并與機組實際控制參數進行對比。鍋爐在133.8 MW 負荷下，考評程序計算結果如圖2 所示。

從程序的界面顯示中，可以清晰地觀察到相應考核工況下的給煤量、平均床溫和爐膛出口煙溫等控制參數。分析圖2，還可以得出CFB 鍋爐機組變負荷所需調整參數的變化趨勢和變化幅度，結合升降負荷的特點，對制定高效節能的升降負荷方案有一定的指導。CFB 鍋爐變負荷運行時，個別理論參數與實際控制參數會出現一些合理的誤差，例如，升負荷過程中給煤量偏低和一、二次風配比偏低等。而誤差過大會影響CFB 鍋爐的經濟運行，甚至導致停爐、停機事故的發生。

圖2 程序計算結果Fig．2 Calculation results

(2)考評分析

根據CFB 鍋爐機組133.8 MW 運行工況的參數值及計算值，進行鍋爐燃燒工況考核，相關數據及誤差分析見表2。在鍋爐機組負荷為133.8 MW 時，程序計算結果與鍋爐運行參數的誤差在10%以內，可滿足生產要求。

表2 程序計算結果與運行參數對比Tab．2 Comparison of calculation results and operation parameters

從圖2 及表2 考評分析中可知，給煤量和煙氣含氧量等參數的誤差較大。CFB 鍋爐采用微機皮帶秤在線測量給煤量，是導致給煤量誤差大的主要原因，另CFB 鍋爐運行的遲滯性導致給煤數據與燃燒參數不匹配也是重要原因之一。而CFB鍋爐運行中豎井煙道及管式空氣預熱器漏風是導致爐膛出口煙氣含氧量偏高的主要原因。鍋爐運行中，適當降低一、二次風配比，可以增強二次風的穿透力，降低未完全燃燒熱損失，在鍋爐變工況燃燒調整中尤為重要，但偏差太大仍會導致爐膛總體溫度水平偏低，進而降低鍋爐運行效率。

因此，應對工作環境較惡劣的在線測量設備進行校驗，提高其測量精度。對于鍋爐變負荷過程中的風量控制，需進行分段高精度調節。降負荷過程中，先適當降低給煤量，然后適當增大一次風量并降低二次風量，進行多次精細調節，直到控制參數較優;同理，在升負荷過程中，先適當增加二次風量，然后增加給煤量，再適當增加一次風量。基于程序計算結果，控制燃料各變量參數誤差允許范圍內，使鍋爐各負荷燃燒工況調優。

4 結論

(1)針對CFB 鍋爐控制參數解耦困難，利用熱效率計算模型篩選東方電廠490 t/hCFB 鍋爐運行參數，并采用多項式解耦方法，建立了機組負荷與CFB 鍋爐主要運行控制參數的關系特性模型。應用程序分析控制參數的優劣和估計某運行工況下的最佳控制參數，實時調整變工況的燃燒狀態。

(2)由于程序采用的多項式建模方法及程序語言都具有通用性，可應用此考評方法，得到其他等級CFB 鍋爐機組的運行考評程序，對推進CFB 鍋爐燃燒系統自動控制的工業化具有一定的積極影響。

［1］閻維平，殷立寶，于希寧，等．循環流化床燃煤鍋爐爐內密相區動態特性改進模型［J］．電力科學與工程，2004，(2):4-8．Yan Weiping，Yin Libao，Yu Xining，et al．Improvements on dynamic combustion model of dense-phase zone in circulating fluidlized bed boiler furnace ［J］．Electric Power Science and Engineering，2004，(2):4-8 ．

［2］王超，程樂鳴，周星龍，等．600 MW 超臨界循環流化床鍋爐爐膛氣固流場的數值模擬［J］．中國電機工程學報，2011，31 (14):1-7．Wang Chao，Cheng Leming，Zhou Xinglong，et al．Numerical simulation of gas-solid hydrodynamics in a 600 MW supercritical circulating fluidized bed boiler furnace ［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31 (14):1-7 ．

［3］徐志，楊勤輝，駱仲泱，等．大型循環流化床鍋爐燃燒系統數值模擬［J］．工程熱物理學報，2011，32 (4):711-714．Xu Zhi，Yang Qinhui，Luo Zhongyang，et al．Modeling on the combustion system of large-scale circulating fluidized bed boiler ［J］．Journal Engineering Thermophysics，2011，32 (4):711-714 ．

［4］張小輝，劉柏謙，劉棟，等．煤種對循環流化床鍋爐運行特性影響的研究［J］．鍋爐技術，2011，42 (2):29-31．Zhang Xiaohui，Liu Boqian，Liu Dong，et al．Study on performance of circulating fluidized bed boiler by using different rank coals ［J］．Boiler Technology，2011，42 (2):29-31．

［5］梁占偉，趙斌，陳鴻偉，等．CFB 鍋爐燃燒調整參量耦合特性研究［J］．電站系統工程，2010，26 (3):23-25，27．Liang Zhanwei，Zhao Bin，Chen Hongwei，et al．Study on parameters coupling characteristics of combustion regulation for CFB boiler ［J］．Power System Engineering，2010，26(3):23-25，27．

［6］黃治坤，李永華，韓亮，等．220 t/h 循環流化床鍋爐燃燒優化調整［J］．電力科學與工程，2011，27 (5):35-38．Huang Zhikun，Li Yonghua，Han Liang，et al．Combustion optimizing adjustment of 220 t/h CFB boiler［J］．Electric Power Science and Engineering，2011，27 (5):35-38．

［7］孔垂茂，趙斌，王松嶺，等．循環流化床鍋爐燃燒系統參數關系特性分析［J］．華北電力大學學報，2011，38(3):78-82．Kong Chuimao，Zhao Bin，Wang Songling，et al．Study on parameters coupling characteristics of combustion regulation circulating fluidized bed boiler ［J］．Journal of North China Electric Power University，2011，38 (3):78-82．