一种亚临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法与流程

本发明属于工业锅炉性能运行状态分析的技术领域，涉及一种亚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。同时，CFB燃烧技术煤种适应性强，是消纳大量煤矸石、煤泥的最有效手段。目前，我国CFB锅炉机组的装机约3000台，总投运容量约91000MW，占火电装机总容量的12.1％，超过了其他所有国家的CFB锅炉装备容量总和，其中亚临界机组占了99％以上。

随着大容量机组的不断增加和电网调度自动化程度的日益提高，要求大容量机组须按自动发电控制(Automatic Generation Control；AGC)方式运行，这就对电厂机组快速变负荷系统提出了新的要求。当前电网对CFB锅炉机组的负荷变化速率考核指标仅为1％，但仍有较多机组达不到这个标准，甚至很难投入协调控制系统。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。

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，不但增加了锅炉的惯性、迟延，也对运行控制带来了巨大的挑战。但另一方面，CFB锅炉特殊的流态化燃烧方式使得燃料侧的蓄能十分可观，若能深入分析、量化CFB机组燃料侧及汽水侧的蓄能，可为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CFB锅炉机组控制水平。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种亚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；

CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块；

CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块；

CFB锅炉蓄能观测模块；

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CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块、CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块；所述CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块、CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块建立蓄能方程，并利用计算数据计算机组蓄能传输给与所述CFB锅炉蓄能观测模块。

具体技术方案如下：

一种亚临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法，所述方法为：分别对CFB锅炉燃料侧和汽水侧蓄能建立模型，利用机组的历史数据确定燃料侧蓄能模型和汽水侧蓄能模型中的蓄能参数，根据确定蓄能参数后的燃料侧蓄能模型和汽水侧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CFB锅炉燃料侧和汽水侧蓄能建立模型分别由CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块、CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块实现，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CFB锅炉蓄能观测模块实现。

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同时与所述CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块和CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块连接，所述CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块、CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块与所述CFB锅炉蓄能观测模块连接，所述CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块与所述CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块双向连接；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实时运行数据传输给所述CFB锅炉蓄能观测模块；所述CFB锅炉蓄能观测模块将CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块、CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块中的结果整合，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CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块建立CFB锅炉燃料侧蓄能模型；

步骤2)利用所述CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块建立CFB锅炉汽水侧蓄能模型；

步骤3)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％‐20％；

步骤4)，将步骤3)中选取的数据与根据步骤1)、步骤2)建立CFB锅炉燃料侧及汽水侧蓄能模型结合确定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燃料侧蓄能模型和汽水侧蓄能模型；

步骤5)所述CFB锅炉蓄能观测模块根据步骤4)中得到的确定蓄能参数后的燃料侧蓄能模型和汽水侧蓄能模型，结合实时数据对机组的蓄能进行观测。

进一步地，所述CFB锅炉燃料侧蓄能模型为：

$C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_{b}H\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_r={\mathrm{\ΔQ}}_{Fr}---\left(1\right)$

式中C_B为即燃碳蓄热系数，MJ/kg；B为炉膛内未燃烧的残碳质量，kg；η_b为锅炉热效率，％；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。

构建的CFB锅炉燃料侧蓄能模型中

Q_F＝FH_F (2)

式中F为给煤量，kg/s；H_F为煤的实时单位发热量值，MJ/kg。

进一步地，所述CFB锅炉汽水侧蓄能模型为：

$C_b\frac{{\mathrm{dp}}_d}{dt}=Q_r+q_f{h}_f-q_d{h}_d=Q_r-Q_o={\mathrm{\ΔQ}}_{ro}---\left(3\right)$

式中C_b定义为汽包蓄热系数，MJ/Mpa；p_d为锅炉汽包压力，Mpa；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CFB锅炉独特的燃烧方式，对其炉膛内可观的燃料侧蓄能进行了系统建模和量化方法，客服了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、容量的亚临界CFB机组，方便工程应用。

(3)完全通过机理分析进行控制策略优化完成，没有增加任何硬件设备，在节约成本的同时达到了良好的效果，为亚临界CFB锅炉的运行优化提供了基础。

附图说明

图1、一种亚临界循环流化床锅炉机组蓄能量化方法框架图；

图2、实施例一机组运行过程中亚临界循环流化床机组运行曲线。

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

一种亚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CFB锅炉燃料侧蓄能量化模块建立CFB锅炉燃料侧蓄能模型；

S2利用所述CFB锅炉汽水侧蓄能量化模块建立CFB锅炉汽水侧蓄能模型；

S3利用所述数据选取与预处理模块，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；

S4根据步骤S1、S2建立CFB锅炉燃料侧及汽水侧蓄能模型，利用步骤S3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；

S5所述CFB锅炉蓄能观测模块根据步骤S4中得到的蓄能参数等，结合实时数据对机组的蓄能进行观测。

所述步骤S1中CFB锅炉燃料侧蓄能模型为：

$C_B\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_{b}H\frac{dB}{dt}={\mathrm{\η}}_b{Q}_F-Q_r={\mathrm{\ΔQ}}_{Fr}---\left(1\right)$

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，％；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。

其中

Q_F＝FH_F (2)

式中F(t)为给煤量，kg/s；H_F为煤的实时单位发热量值，MJ/kg。

在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：

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

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

式中W(t)为t时刻机组的发电功率，MW。

循环流化床锅炉燃烧过程中，送入炉膛的燃料，一部分通过燃烧释放热量，一部分累计在锅炉内未燃烧保存在炉膛，一部分随着排渣、飞灰排放不参与燃烧。根据质量守恒可计算得到炉膛内未燃烧的残碳质量：

$\frac{dB\left(t\right)}{dt}=F\left(t\right)\·C_{ar}-R_c-D\left(t\right)\·C_{ar1}---\left(5\right)$

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；D(t)为炉膛排渣量，kg/s；C_ar1为排渣平均含碳量，％；根据工程经验，假设C_ar、C_ar1为常数，飞灰含碳量忽略不计。

循环流化床锅炉燃烧过程释放的热量与参与燃烧的燃料量成正比，参与燃烧的燃料量与炉膛内未燃烧残碳质量的燃烧速度R_c相关，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；

La Nauze综合实际情况，重点考虑温度对碳颗粒燃烧速度的影响，根据实践总结得到了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0.0040～0.0060，一般取0.0050；PM(t)为总风量，单位为Nm³/s。

所述步骤S2中CFB锅炉汽水侧蓄能模型为：

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

式中C_b为汽包蓄热系数，MJ/Mpa；p_d为锅炉汽包压力，Mpa；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S4，对于蓄能方程中的参数，锅炉热效率η_b一般在90～92％；残碳的单位发热量H一般取值29.5～30MJ/kg；汽包蓄热系数C_b可由机组稳态工况下的运行数据带入式(9)得到，300MW亚临界CFB机组中低负荷阶段150MW～200MW为3200～3000MJ/Mpa，在高负荷阶段200MW～300MW为3000～2800MJ/Mpa。

以大唐某300MW亚临界中间再热CFB机组为例，结合现场运行过程，量化分析该亚临界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所示，机组在100分钟内AGC指令升降频繁，各主要运行参数都在合理范围内。汽包蓄能系数C_b特性和计算方法如式(9)所示，可得图2运行负荷下C_b为2800MJ/MPa，汽包压力波动范围±1Mpa，汽包压力变化速率最快为0.12MPa/min，平稳阶段与动态阶段差异较小，汽水侧蓄能最大变化速率约336MJ/min，汽水侧蓄能最大过程变化量为2800MJ。炉内残碳热值取30MJ/kg，锅炉效率为91％，蓄热系数C_B为27.3MJ/kg。动态阶段相同负荷下，炉内残碳量波动值达到1600kg，变化速率最快为315kg/min，并能维持4min；平稳阶段，炉内残碳量波动值为±400kg，变化速率一般在10～50kg/min。上述动态阶段，燃料侧蓄能变化速率约8600MJ/min，燃料侧蓄能最大过程变化量为43680MJ。上述平稳阶段，燃料侧蓄能变化速率约273～1365MJ/min，燃料侧蓄能最大过程变化量为10920MJ。