CN106326562A - 一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电站锅炉性能运行状态分析的技术领域，涉及一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法。所述方法为：对超临界CFB锅炉机组蓄能建立模型，利用机组的历史数据确定超临界CFB锅炉蓄能模型中的蓄能参数，根据确定蓄能参数后的超临界CFB锅炉蓄能模型结合机组的实时数据对机组的蓄能进行观测。本发明提供一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，能够明确CFB锅炉机组的动态过程中蓄能变迁情况，提高机组控制水平。

Description

一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法

技术领域

本发明属于电站锅炉性能运行状态分析的技术领域，涉及一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法。

背景技术

循环流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)燃烧技术是洁净煤技术中最具商业化潜力、污染排放控制成本最低的技术。其煤种适应性强，是消纳大量煤矸石、煤泥的最有效手段。目前，我国CFB锅炉机组的装机总投运容量约91000MW，占火电装机总容量的12.1％。

火电机组运行优化控制的核心内容之一就是充分挖掘并综合利用机组中的蓄能。普通煤粉炉机组整个热力系统内部储存了大量的热量，例如管道和加热器的金属热量、工质能量等。改变工质的流量、温度或者工作压力等可以存储或释放系统的蓄能，进而影响机组运行。

为提高CFB机组供电效率，提升市场竞争力，大型化成为必然趋势。世界首台600MW超临界CFB锅炉于2013年在四川白马投运，与亚临界CFB锅炉相比，超临界CFB锅炉提升了供电效率，但负荷对燃料侧的响应更慢，主汽压力控制难度剧增。CFB锅炉中燃烧放热来自存在于床料中并不断循环的大量未燃烬碳，而不像煤粉炉，来自瞬时加入的燃料。CFB锅炉复杂的燃烧方式，增加了锅炉的惯性、迟延，但也提供了相当可观的燃料侧蓄能十分可观，若能深入分析、量化超临界CFB机组燃料侧及汽水侧的蓄能，可为超临界CFB锅炉机组优化运行指引方向，实时确定机组动态过程中的能量变迁情况，提升超临界CFB锅炉机组控制水平，进一步提高其市场竞争力。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，能够明确CFB锅炉机组的动态过程中蓄能变迁情况，提高机组控制水平，其特征在于，所述系统包括：

数据选取与预处理模块；

超临界CFB锅炉蓄能建模模块；

超临界CFB机组蓄能观测模块；

DCS系统与数据库。

所述DCS系统与数据库将机组运行的历史数据及实时数据传输给所述数据选取与预处理模块；所述数据选取与预处理模块对历史数据处理，选合适的计算支撑数据传输给所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块，选取对应的实时数据作为支撑数据传输给所述超临界CFB机组蓄能观测模块；所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块建立超临界CFB锅炉机组蓄能方程，并利用计算数据确定蓄能模型中相应的参数传输给与所述超临界CFB机组蓄能观测模块。

具体技术方案如下：

一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，所述方法为：对超临界CFB锅炉机组蓄能建立模型，利用机组的历史数据确定超临界CFB锅炉蓄能模型中的蓄能参数，根据确定蓄能参数后的超临界CFB锅炉蓄能模型结合机组的实时数据对机组的蓄能进行观测。

进一步地，所述方法中对超临界CFB锅炉机组蓄能建立模型由超临界CFB锅炉蓄能建模模块实现，机组的历史数据由数据选取与预处理模块从DCS系统与数据库中选取，对机组的蓄能进行观测由超临界CFB机组蓄能观测模块实现。

进一步地，所述DCS系统与数据库将机组与所述数据选取与预处理模块连接，所述数据选取与预处理模块与所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块、超临界CFB机组蓄能观测模块连接，所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块与超临界CFB机组蓄能观测模块连接；所述DCS系统与数据库将机组运行的历史数据传输给所述数据选取与预处理模块；所述DCS系统与数据库将机组的实时运行数据传输给所述超临界CFB机组蓄能观测模块；所述超临界CFB机组蓄能观测模块将超临界CFB锅炉蓄能建模模块的模型分析结果整合，结合机组实时运行数据对机组的蓄能进行观测。

进一步地，包括以下步骤：

步骤1)利用所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块建立CFB锅炉蓄能模型；

步骤2)利用所述数据选取与预处理模块，从DCS系统与数据库中选取不同负荷段下机组负荷动态变化较为频繁的历史运行数据；所述机组负荷动态变化较为频繁是指机组负荷的改变大于机组额定负荷的10％-15％；

步骤3)根据，利用步骤2)中选取的数据结合步骤1)建立的超临界CFB锅炉蓄能模型得到不同负荷段下蓄能模型中的参数，确定蓄能能力，得到确定蓄能参数后的蓄能模型；

步骤4)所述超临界CFB锅炉蓄能观测模块根据步骤3)中得到的确定蓄能参数后的蓄能模型，结合所述数据选取与预处理模块中选取的对应实时数据对超临界CFB机组蓄能进行量化观测。

进一步地，所述超临界CFB锅炉蓄能模型为：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}+C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{Fo}$

式中C_B为即燃碳蓄热系数，MJ/kg；B(t)为炉膛内未燃烧的残碳质量，kg；η_b为锅炉热效率，％；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s，Q_F＝FH_F；F(t)为给煤量，kg/s；H_F为煤的实时单位发热量值，MJ/kg；Q_o为锅炉的有效输出能量，MJ/s。

进一步地，所述超临界CFB锅炉蓄能模型为超临界CFB锅炉燃料侧蓄能模型和超临界CFB锅炉汽水侧蓄能模型的结合；所述超临界CFB锅炉燃料侧蓄能模型为：

$C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_{b}H\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_r={\mathrm{\ΔQ}}_{Fr}$

式中H为残碳单位发热量值，MJ/kg；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s。

进一步地，所述超临界CFB锅炉汽水侧蓄能模型为：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}=Q_r+q_f{h}_f-q_d{h}_d=Q_r-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{ro}$

式中C_h为焓增蓄热系数，单位为kg·s；h_m为超临界锅炉汽水系统中间点焓值，单位为kJ/kg；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s；q_f和q_d分别为给水流量和主蒸汽流量，kg/s；h_f和h_d分别为给水焓值和主蒸汽焓值，MJ/kg。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)针对超临界CFB锅炉独特的燃烧方式，对其炉膛内可观的燃料侧及汽水侧蓄能进行了系统建模和量化方法，客服了超临界CFB锅炉蓄热无法通过有效的实验仪器进行在线测量的难题。

(2)该方法适应于不同炉型、容量的超临界CFB机组，方便工程应用。

(3)完全通过机理分析进行超临界CFB锅炉蓄能能力和容量，没有增加任何硬件设备，为超临界CFB锅炉的运行优化提供了理论支撑和中间检测。

附图说明

图1是一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法原理图；

图2是实施例一机组运行过程中超临界循环流化床机组运行曲线一；

图3是实施例一机组运行过程中超临界循环流化床机组运行曲线二。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例一

一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，包括以下步骤：

S1利用所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块建立CFB锅炉燃料侧及汽水侧蓄能模型；

S2利用所述数据选取与预处理模块，从DCS系统与数据库中选取不同负荷段下机组负荷动态变化较为频繁的历史运行数据；

S3根据步骤S1建立超临界CFB锅炉燃料侧及汽水侧蓄能模型，利用

S2中选取的数据得到不同负荷段下蓄能模型中的参数，确定蓄能能力；

S4所述超临界CFB锅炉蓄能观测模块根据步骤S3中得到的蓄能参数等，结合所述数据选取与预处理模块中选取的对应实时数据对超临界CFB机组蓄能进行量化观测。

所述步骤S1中超临界CFB锅炉蓄能模型为：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}+C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{Fo}---\left(1\right)$

式中C_B为即燃碳蓄热系数，MJ/kg；B(t)为炉膛内未燃烧的残碳质量，kg；η_b为锅炉热效率，％；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s，Q_F＝FH_F；F(t)为给煤量，kg/s；H_F为煤的实时单位发热量值，MJ/kg；Q_o为锅炉的有效输出能量，MJ/s。

其中超临界CFB锅炉燃料侧蓄能模型为：

$C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_{b}H\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_r={\mathrm{\ΔQ}}_{Fr}---\left(2\right)$

式中H为残碳单位发热量值，MJ/kg；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s。

控制系统回路中用实发功率信号与实际给煤量来自动地校正燃料发热量：

$\frac{{\mathrm{dH}}_F\left(t\right)}{dt}=\frac{W\left(t\right)}{F\left(t\right)}---\left(3\right)$

$H_F\left(t_{k+1}\right)=H_F\left(t_k\right)+{\mathrm{\ΔH}}_F\≈H_F\left(t_k\right)+T_s\left(\frac{{\mathrm{dH}}_F\left(t\right)}{dt}\right)---\left(4\right)$

式中W(t)为t时刻机组的发电功率，MW。

根据质量守恒可计算得到炉膛内未燃烧的残碳质量：

$\frac{dB\left(t\right)}{dt}=F\left(t\right)\·C_{ar}-R_c---\left(5\right)$

式中C_ar为煤的收到基碳质量份额，％；R_C为碳总体燃烧反应速率，kg/s；根据工程经验，假设C_ar为常数，排渣含碳量及飞灰含碳量忽略不计。

炉膛内未燃烧残碳质量的燃烧速度R_c是流化床炉膛内未燃烧残碳的总质量、床温、氧气浓度的函数：

$R_c=B\left(t\right)\×\left(\frac{1}{m_p}\frac{{\mathrm{dm}}_p}{dt}\right)=\frac{6M_C{k}_c{C}_{o_2}B\left(t\right)}{d_c{\mathrm{\ρ}}_c}---\left(6\right)$

式中：M_C为碳的摩尔质量，单位为kg/kmol；k_c为碳颗粒的燃烧速率常数；C_O2为氧气浓度，单位为kmol/m³；d_c为碳颗粒平均直径，单位为m；ρ_c为碳颗粒的密度，单位为kg/m³；

循环流化床锅炉中碳颗粒燃烧速率常数k_c的表达式：

k_c＝0.513Texp(-9160/T) (7)

式中：T为炉膛床温，单位为K；

碳颗粒氧气浓度在控制系统中可以近似取平均值，由入炉总风量PM(t)决定，其表达式为：

$C_{o_2}\left(t\right)=k_{o_2}PM\left(t\right)---\left(8\right)$

式中：ko₂为总风量PM(t)与氧气浓度的相关系数，取值范围0.0035～0.0055，一般取0.0050；PM(t)为总风量，单位为Nm³/s。

其中超临界CFB锅炉汽水侧蓄能模型为：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}=Q_r+q_f{h}_f-q_d{h}_d=Q_r-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{ro}---\left(9\right)$

式中C_h为焓增蓄热系数，单位为kg·s；h_m为超临界锅炉汽水系统中间点焓值，单位为kJ/kg；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s；q_f和q_d分别为给水流量和主蒸汽流量，kg/s；h_f和h_d分别为给水焓值和主蒸汽焓值，MJ/kg。

所述步骤S3，对于超临界CFB机组蓄能模型中的参数，锅炉热效率η_b一般在90～94％；残碳的单位发热量H一般取值29.5～30MJ/kg；C_h为焓增蓄热系数可由机组稳态工况下的运行数据带入式(1)得到。

1、超临界循环流化床锅炉汽水侧蓄能模型

超临界煤粉炉的能量平衡方程为

d(M_wh_w+M_sh_s+M_mc_mT)/dt＝Q_r+q_fh_f-q_dh_d (2)

式中M_w和h_w分别为锅炉内水的有效质量，kg，水的比焓平均值MJ/kg；Ms和hs分别为锅炉内蒸汽的有效质量，kg，蒸汽比焓平均值MJ/kg；M_m、c_m、T分别为锅炉有效金属质量，kg、金属比热，MJ/(kg·K)，金属平均温度，K；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s；q_f和q_d分别为给水流量和主蒸汽流量，kg/s；h_f和h_d分别为给水焓值和主蒸汽焓值，MJ/kg。

式(2)左边项为超临界煤粉炉的锅炉蓄热，是工质和受热面金属中蓄热的总和。对于超临界锅炉汽水侧蓄能工程上一般采用中间点焓值h_m作为衡量锅炉能量平衡状况的信号。

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}=Q_r+q_f{h}_f-q_d{h}_d---\left(3\right)$

$-C_h=M_w\frac{\∂h_w}{\∂p_d}+M_s\frac{\∂h_s}{\∂p_d}+M_m{c}_m\frac{\∂T}{\∂p_d}---\left(4\right)$

C_h为焓增蓄热系数，单位为kg·s。

锅炉产生的蒸汽并不全部做功，一部分能量通过回热加热系统传递给水，锅炉的有效输出能量为

Q_o＝q_dh_d-q_fh_f (5)

式(2)等号右侧可表示为

ΔQ_ro＝Q_r+q_fh_f-q_dh_d＝Q_r-Q_o (6)

2、超临界循环流化床锅炉燃料侧蓄能模型

煤粉炉燃料瞬间燃烧，可认为在某一时刻有式(10)成立，锅炉蓄热仅体现在汽水侧，即单位压力变动时锅炉所释放或储存的能量。

Q_r＝η_bQ_F＝η_bFH_F (7)

式中η_b为锅炉热效率，％；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s；H_F为煤的实时单位发热量值，MJ/kg。

而CFB特殊的流态化燃烧方式使得燃料侧的蓄能十分可观，有式(8)成立：

$C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_{b}H\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_r={\mathrm{\ΔQ}}_{Fr}---\left(8\right)$

式中C_B为锅炉残碳蓄热系数，值为焦炭热值乘以锅炉效率，单位为MJ/kg，等式左边表示燃料侧蓄能。

根据质量守恒可计算得到炉膛内未燃烧的残碳质量：

$\frac{dB\left(t\right)}{dt}=F\left(t\right)\·C_{ar}-R_c---\left(9\right)$

式中C_ar为煤的收到基碳质量份额，％；R_C为碳总体燃烧反应速率，kg/s；根据工程经验，假设C_ar为常数，排渣含碳量及飞灰含碳量忽略不计。

炉膛内未燃烧残碳质量的燃烧速度R_c是流化床炉膛内未燃烧残碳的总质量、床温、氧气浓度的函数：

$R_c=B\left(t\right)\×\left(\frac{1}{m_p}\frac{{\mathrm{dm}}_p}{dt}\right)=\frac{6M_C{k}_c{C}_{o_2}B\left(t\right)}{d_c{\mathrm{\ρ}}_c}---\left(10\right)$

式中：M_C为碳的摩尔质量，单位为kg/kmol；k_c为碳颗粒的燃烧速率常数；C_O2为氧气浓度，单位为kmol/m³；d_c为碳颗粒平均直径，单位为m；ρ_c为碳颗粒的密度，单位为kg/m³；

循环流化床锅炉中碳颗粒燃烧速率常数k_c的表达式：

k_c＝0.513Texp(-9160/T) (11)

式中：T为炉膛床温，单位为K；

碳颗粒氧气浓度在控制系统中可以近似取平均值，由入炉总风量PM(t)决定，其表达式为：

$C_{o_2}\left(t\right)=k_{o_2}PM\left(t\right)---\left(12\right)$

式中：ko₂为总风量PM(t)与氧气浓度的相关系数，取值范围0.0035～0.0055，一般取0.0050；PM(t)为总风量，单位为Nm³/s。

由式(2)～(12)可推导出超临界CFB锅炉蓄能平衡方程：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}+C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{Fo}---\left(13\right)$

对于超临界CFB机组蓄能模型中的参数，锅炉热效率η_b一般在90～94％；残碳的单位发热量H一般取值29.5～30MJ/kg；C_h为焓增蓄热系数可由机组稳态工况下的运行数据带入式(13)得到。

3、实验验证

以某600MW超临界中间再热CFB机组为例，结合现场运行过程，量化分析该超临界CFB锅炉机组燃料侧及汽水侧蓄能。

将实际负荷跟踪到位且AGC基本不变的工况段称为平稳阶段，其余为动态阶段。如图2和图3所示，机组在450分钟内AGC指令升降频繁，各主要运行参数都在合理范围内。锅炉内残碳热值取30MJ/kg，锅炉效率为93％，残碳蓄热系数C_B为27.9MJ/kg。结合平稳状态运行数据，利用式(13)可计算出焓增蓄热系数C_h在负荷360MW至490MW之间从440000kg·s变动至400000kg·s。中间点焓值在平稳阶段变动较小，波动值为±3kJ/kg，变化速率一般在2～3kJ/(kg·min)；在动态阶段波动值为±60kJ/kg，升负荷变化速率可达10kJ/(kg·min)，降负荷变化速率可达7kJ/(kg·min)。平稳阶段，锅炉内残碳量波动范围为±800kg，变化速率一般在10～50kg/min。动态阶段，锅炉内残碳量波动值达到2200kg，升负荷变化速率最快为325kg/min，并能维持7.5min，降负荷变化速率稍慢。上述动态阶段，超临界CFB机组汽水侧蓄能变化速率约240MJ/min，汽水侧蓄能升负荷最大过程变化量为1440MJ；燃料侧蓄能变化速率约9068MJ/min，燃料侧蓄能最大过程变化量为68006MJ。

Claims (7)

1.一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，其特征在于，所述方法为：对超临界CFB锅炉机组蓄能建立模型，利用机组的历史数据确定超临界CFB锅炉蓄能模型中的蓄能参数，根据确定蓄能参数后的超临界CFB锅炉蓄能模型结合机组的实时数据对机组的蓄能进行观测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中对超临界CFB锅炉机组蓄能建立模型由超临界CFB锅炉蓄能建模模块实现，机组的历史数据由数据选取与预处理模块从DCS系统与数据库中选取，对机组的蓄能进行观测由超临界CFB机组蓄能观测模块实现。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述DCS系统与数据库将机组与所述数据选取与预处理模块连接，所述数据选取与预处理模块与所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块、超临界CFB机组蓄能观测模块连接，所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块与超临界CFB机组蓄能观测模块连接；所述DCS系统与数据库将机组运行的历史数据传输给所述数据选取与预处理模块；所述DCS系统与数据库将机组的实时运行数据传输给所述超临界CFB机组蓄能观测模块；所述超临界CFB机组蓄能观测模块将超临界CFB锅炉蓄能建模模块的模型分析结果整合，结合机组实时运行数据对机组的蓄能进行观测。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)利用所述超临界CFB锅炉蓄能建模模块建立CFB锅炉蓄能模型；

步骤2)利用所述数据选取与预处理模块，从DCS系统与数据库中选取不同负荷段下机组负荷动态变化较为频繁的历史运行数据；所述机组负荷动态变化较为频繁是指机组负荷的改变大于机组额定负荷的10％-15％；

步骤3)根据，利用步骤2)中选取的数据结合步骤1)建立的超临界CFB锅炉蓄能模型得到不同负荷段下蓄能模型中的参数，确定蓄能能力，得到确定蓄能参数后的蓄能模型；

步骤4)所述超临界CFB锅炉蓄能观测模块根据步骤3)中得到的确定蓄能参数后的蓄能模型，结合所述数据选取与预处理模块中选取的对应实时数据对超临界CFB机组蓄能进行量化观测。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，其特征在于，所述超临界CFB锅炉蓄能模型为：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}+C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{Fo}$

式中C_B为即燃碳蓄热系数，MJ/kg；B(t)为炉膛内未燃烧的残碳质量，kg；η_b为锅炉热效率，％；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s，Q_F＝FH_F；F(t)为给煤量，kg/s；H_F为煤的实时单位发热量值，MJ/kg；Q_o为锅炉的有效输出能量，MJ/s。

6.根据权利要求5所述的一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，其特征在于，所述超临界CFB锅炉蓄能模型为超临界CFB锅炉燃料侧蓄能模型和超临界CFB锅炉汽水侧蓄能模型的结合；所述超临界CFB锅炉燃料侧蓄能模型为：

$C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_{b}H\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_r={\mathrm{\ΔQ}}_{Fr}$

式中H为残碳单位发热量值，MJ/kg；Q_F为入炉给煤量热值，MJ/s；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s。

7.根据权利要求6任一所述的一种超临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，其特征在于，所述超临界CFB锅炉汽水侧蓄能模型为：

$-C_h\frac{{\mathrm{dh}}_m}{dt}=Q_r+q_f{h}_f-q_d{h}_d=Q_r-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{ro}$

式中C_h为焓增蓄热系数，单位为kg·s；h_m为超临界锅炉汽水系统中间点焓值，单位为kJ/kg；Q_r为锅炉吸热量，MJ/s；q_f和q_d分别为给水流量和主蒸汽流量，kg/s；h_f和h_d分别为给水焓值和主蒸汽焓值，MJ/kg。