本发明涉及的领域是能源与动力工程以及热工系统建模，尤其是涉及到带外置床循环流化床锅炉的运行特性分析和循环倍率计算方法上的研究。
背景技术：
循环流化床锅炉是在鼓泡床基础上发展起来的一种洁净煤发电技术，它具有燃料适应性广，燃烧效率高，污染物排放少，灰渣利用率高等优点。
循环流化床锅炉循环倍率定义为外循环流率——循环物料与单位时间给煤量之比，它是循环流化床锅炉运行的关键参数之一，对锅炉设计具有重要的指导意义。目前循环倍率的获取大多依赖于设计者的经验判断，因而有些循环流化床锅炉投运后出现诸多问题，偏离设计值较远；而有的电厂是采用安装测点的方法，通过测量技术来求取循环倍率，由于大型循环流化床锅炉中很多测点安装的困难性、磨耗严重性和对锅炉运行安全性的影响，测量的方法往往受到了很大的限制。因此，依据现有的测点及机组运行数据建立一种精度高、速度快、稳定性高的循环倍率计算模型对指导循环流化床锅炉安全稳定高效的运行具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对目前获取带外置床循环流化床锅炉循环倍率以及循环灰量等问题，提供了一种新型的计算锅炉循环倍率等重要参数的计算方法，通过分析循环流化床锅炉能量平衡以及物料平衡的关系，分别建立了锅炉炉膛、密相区、分离器以及外置床的能量守恒和质量守恒方程，通过迭代计算的方法求出循环倍率、冷灰量、热灰量等多个重要参数，对机组安全、环保运行和控制系统的优化具有重要意义。
本发明所采用的技术方案如下：
一种带外置床循环流化床锅炉循环倍率的计算方法，所述方法包括：
步骤1：锅炉热损失分析，得到气体未完全燃烧热损失q3，固体未完全燃烧热损失q4，以及散热损失q5；
步骤2：根据电厂运行数据进行参数初始化，由外置床热平衡方程计算出冷循环灰量glh；
步骤3：假定初始迭代参数热循环灰量与冷循环灰量之比k1，计算出在当前k1值下的热循环灰量grh1，k1初始值取值范围为1～5；
步骤4：由炉膛热平衡方程计算出炉膛燃烧份额；
步骤5：由炉膛燃烧份额计算得出分离器燃烧份额，由分离器热平衡方程计算得到热循环灰量grh2，确定热循环灰量与冷循环灰量之比k2
步骤6：计算得出密相区燃烧份额，由密相区热平衡方程计算得到循环倍率n2；
步骤7：判断k2与k1之差的绝对值是否在允许误差a1内，如果否，则重新设置初始迭代参数，转到步骤3；如果是，则确定出循环倍率n1。
所述方法具体包括：
步骤1：锅炉热损失分析，得到气体未完全燃烧热损失q3，固体未完全燃烧热损失q4，以及散热损失q5；
步骤2：根据电厂运行数据进行参数初始化，由外置床热平衡方程:qwrhj+qwlhfj+qwcsfj＝qwlhc+qwsrm+qwlhfc+qwcsfc,计算出冷循环灰量glh；式中qwrhj表示从分离器立管处下来的热灰带入的热量,qwlhfj表示外置床流化风带入的热量，qwcsfj表示吹扫风带入的热量；qwlhc表示冷灰带出热量，qwlhfc表示流化风带出热量，qwcsfc表示吹扫风带出热量，qwsrm表示布置在外置床内的受热面吸收走的热量；
步骤3：假定初始迭代参数热循环灰量与冷循环灰量之比k1，计算出在当前k1值下的热循环灰量grh1，k1初始值取值范围为1～5；
步骤4：由炉膛热平衡方程qlmrs+qlshsr+qlfj+qlhj+qlhlfj+qllhfj＝qlhc+qlyqc+qlpzc+qlsrm+qlsr计算出炉膛燃烧份额；式中：qlmrs表示煤燃烧生成热，qlshsr表示石灰石生成热，qlfj表示进入炉膛风带入的热量，qlhj表示循环灰带入的热量，qlhlfj表示回料风带入热量，qllhfj表示外置床流化风和吹扫风带入的热量；qlhc表示炉膛出口灰带出的热量，qlyqc表示烟气带出的热量，qlpzc表示炉膛底部排渣带出热量，qlsrm表示水冷壁吸热，qlsr表示炉膛散热损失的热量；
步骤5：由炉膛燃烧份额计算得出分离器燃烧份额，由分离器热平衡方程qfhj+qfyqj+qfhr＝qfhc+qffhc+qfyqc+qfsr计算得到热循环灰量grh2，确定热循环灰量与冷循环灰量之比k2；式中：qfhj表示由炉膛出口处随着高温烟气进入分离器的灰带入的热量，qfyqj表示分离器进口烟气带入的热量，qfhr表示分离器后燃产生的热量；qfhc表示分离器出口灰带走的热量，qffhc表示尾部烟道飞灰带走的热量，qfyqc表示尾部烟气带走的热量，qfsr表示分离器散热损失的热量；
步骤6：计算得出密相区燃烧份额，由密相区热平衡方程qden,wxhh+qden,yecf+qden,mscr+qden,nxhh＝qden,xwl+qden,yq+qden,pz+qden,sr计算得到循环倍率n2；式中：qden,wxhh表示外循环灰带入的热量，qden,yecf表示一二次风带入的热量，qden,mscr表示煤燃烧生成的热量，qden,nxhh表示内循环灰带入的热量；qden,xwl表示从密相区扬析到稀相区的细物料带出的热量，qden,yq表示密相区烟气带出的热量，qden,pz表示排渣带走的热量，qden,sr表示散热损失；步骤7：判断k2与k1之差的绝对值是否在允许误差a1内，a1的取值为0～0.01如果否，则重新设置初始迭代参数，转到步骤3；如果是，则确定出循环倍率n1。
所述计算方法进一步包括：
步骤8：判断n2与n1之差的绝对值是否在允许误差a2内，a2的取值为0～0.1，如果否，则重新设置密相区内过量空气系数，计算得出密相区内固体不完全燃烧损失，然后转到步骤6；如果是，则计算结束。
附图说明
图1为一种带外置床循环流化床锅炉循环倍率计算流程图；
表1为300mw循环流化床锅炉运行参数表；
表2为本文方法与实际工程结果对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明。
一种带外置床循环流化床锅炉循环倍率的计算方法，通过分析锅炉构造以及运行特性，建立炉膛、密相区、分离器和外置床的能量平衡和物料平衡方程，充分考虑了炉膛局部与整体的关系，以及分离器的燃烧对循环灰流量的影响。所述的计算方法只依据现有的测点及机组运行数据，不用增加测点，实用有效，包含以下四个子模型。
炉膛模型
将循环流化床锅炉炉膛看作单独的系统，可以列出进入系统的热量以及离开系统的热量，忽略掉煤和石灰石物理显热以及冷渣器流化带入的热量，那么进入系统的热量主要包括：煤燃烧生成热qlmrs，石灰石生成热qlshsr，进入炉膛风带入的热量qlfj，循环灰带入的热量qlhj，回料风带入热量qlhlfj以及外置床流化风和吹扫风带入的热量qllhfj；离开系统的热量主要包括：炉膛出口灰带出的热量qlhc和烟气带出的热量qlyqc，炉膛底部排渣带出热量qlpzc，水冷壁吸热qlsrm以及一小部分由于炉膛散热损失的热量qlsr。下面给出每一部分热量的具体计算方法。(1)炉膛的进入热量
煤燃烧生成热：qlmrs＝qarnet×b0×(1-η-q3-q4)
石灰石生成热：qlshsr＝(152ηs-57.19kca/s×β)×b0×sar
式中：ηs—脱硫效率，％；β—石灰石分解率，％；kca/s—钙硫摩尔比；sar—石灰石收到基硫质量含量百分比，％。
一二次风带入热：
●一次风带入的热量：qlycfj＝vlycfj×hlycfj
●二次风带入的热量：qlecfj＝vlecfj×hlecfj
式中：vlycfj、vlecfj—炉膛一、二次风流量，nm3/s；hlycfj、hlecfj—炉膛一、二次风比焓，kj/nm3；
所以，一二次风带入炉膛的总热量为：qlfj＝qlycfj+qlecfj
循环灰带入热:
●热灰带入的热量:qlrhj＝glrhj×hlrhj
●冷灰带入的热量:qllhj＝gllhj×hllhj
式中：glrhj、gllhj—进入炉膛热灰、冷灰流量，kg/s；hlrhj、hllhj—进入热灰、冷灰比焓，kj/kg；
所以，循环灰带入炉膛的总热量为：qlhj＝qlrhj+qllhj
回料风带入热:qlhlfj＝vlhlfj×hlhlfj
式中：vlhlfj—进入炉膛回料风流量，nm3/s；hlhlfj—进入炉膛回料风比焓，kj/nm3。
外置床流化风和吹扫风带入热:qllhfj＝vllhfj×hllhfj
式中：vllhfj—进入炉膛的流化风流量，nm3/s；hllhfj—进入炉膛的流化风比焓，kj/nm3。
(2)炉膛的出去热量
出口灰带出热:qlhc＝glhc×hlhc
式中：glhc—炉膛出口的灰总流量，kg/s；hlhc—炉膛出口灰比焓，kj/kg。
烟气带出热:qlyqc＝vlyqc×hlyqc
式中：vlyqc—炉膛出口烟气总流量，nm3/s；hlyqc—炉膛出口烟气比焓，kj/nm3。
底部排渣带出热:qlpzc＝glpzc×hlpzc
式中：glpzc—炉膛排渣量，kg/s；hlpzc—炉膛排渣比焓，kj/kg；
受热面吸收热:qlsrm＝gslb×(hslbc-hslbr)
式中：gslb—水冷壁中工质流量，kg/s；hslbr、hslbc—水冷壁进、出口工质比焓，kj/kg；
炉膛散热损失热:qlsr＝q5×qarnet×b0
由能量守恒可以得出炉膛的热平衡方程为：
qlmrs+qlshsr+qlfj+qlhj+qlhlfj+qllhfj＝qlhc+qlyqc+qlpzc+qlsrm+qlsr
外置床模型
将循环流化床外置式换热器系统作为单独的系统，可以列出进入系统的热量以及离开系统的热量，其中进入系统热量主要包括：从分离器立管处下来的热灰带入的热量qwrhj,外置床流化风带入的热量qwlhfj以及吹扫风带入的热量qwcsfj；离开系统热量主要包括:冷灰带出热量qwlhc，流化风带出热量qwlhfc和吹扫风带出热量qwcsfc以及布置在外置床内的受热面吸收走的热量qwsrm。下面给出每一部分热量的具体计算方法。
(1)外置床的进入热量
热灰带进的热量:qwrhj＝gwrhj×hwrhj
式中：gwrhj—外置床进口热灰流量，kg/s；hwrhj—外置床进口热灰比焓，kj/kg。
流化风带入热量:qwlhfj＝vwlhfj×hwlhfj
式中：vwlhfj—外置床进口流化风量，nm3/s；hwlhfj—外置床进口流化风比焓，kj/nm3。
吹扫风带入热量:qwcsfj＝vwcsfj×hwcsfj
式中：vwcsfj—外置床进口吹扫风量，nm3/s；hwcsfj—外置床进口吹扫风比焓，kj/nm3。
(2)外置床的出去热量
冷灰带出的热量:qwlhc＝gwlhc×hwlhc
式中：gwlhc—外置床出口冷灰流量，kg/s；hwlhc—外置床出口冷灰比焓，kj/kg。
(3)受热面吸收热量
一般带外置床循环流化床锅炉设计有4个外置床，设1,4号外置床布置的是高温再热器和低温过热器，2,3号外置床布置的是中温过热器，通过检测受热面的每一级流量以及温度可以计算出工质相应吸收的热量。
●外置床1+外置床4：第一级是高温再热器，第二级是低温过热器：
qwsrm14＝g1,14×(h2,14-h1,14)+g2,14×(h4,14-h3,14)
式中：g1,14—高温再热器中工质流量，kg/s；g2,14—低温过热器中工质流量，kg/s；h2,14、h1,14—高温再热器工质出口、进口比焓，kj/kg；h4,14、h3,14—低温过热器工质出口、进口比焓，kj/kg；
●外置床2+外置床3：第一级是中温过热器1，第二级是中温过热器2：
qwsrm23＝g1,23×(h2,23-h1,23)+g2,23×(h4,23-h3,23)
式中：g1,23、g2,23—中温过热器1、2中工质流量，kg/s；h2,23、h1,23—高温再热器工质出口、进口比焓，kj/kg；h4,23、h3,23—高温再热器工质出口、进口比焓，kj/kg；
循环流化床锅炉外置床中布置的受热面吸收的总热量为：
qwsrm＝qwsrm14+qwsrm23
流化风带出热量:qwcsfc＝vwcsfc×hwcsfc
式中：vwlhfc—外置床出口流化风流量，nm3/s；hwlhfc—外置床出口流化风比焓，kj/nm3。
吹扫风带出热量:qwcsfc＝vwcsfc×hwcsfc
式中：vwcsfc—外置床出口吹扫风流量，nm3/s；hwcsfc—外置床出口吹扫风比焓，kj/nm3。
由能量守恒可以很容易的得出外置床的热平衡方程如下：
qwrhj+qwlhfj+qwcsfj＝qwlhc+qwsrm+qwlhfc+qwcsfc
分离器模型
同理，将循环流化床锅炉分离器看作单独的系统，同样可以列出进入系统的热量以及离开系统的热量，其中进入系统的热量主要包括：由炉膛出口处随着高温烟气进入分离器的灰带入的热量qfhj，分离器进口烟气带入的热量qfyqj，分离器后燃产生的热量qfhr；离开系统的热量主要包括：分离器出口灰带走的热量qfhc，尾部烟道飞灰带走的热量qffhc，尾部烟气带走的热量qfyqc以及一小部分由于分离器散热损失的热量qfsr。下面给出每一部分热量的具体计算方法。
(1)分离器的进入热量
进口灰带入的热量:qfhj＝qlhc
可以近似认为炉膛出口灰全部进入分离器进口烟道，即分离器进口灰带入的热量等于炉膛出口飞灰带出的热量。
烟气带入的热量:qfyqj＝qlyqc
同理，进入分离器的烟气带入的热量可以近似认为等于炉膛出口烟气带出的热量。
后燃生成热:qfhr＝η×qarnet×b0
式中：η—分离器中的燃烧份额，％；qarnet—煤的低位发热量，kj/kg；b0—进入炉膛的煤量，kg/s。
(2)分离器的出去热量
出口灰带出的热量:qfhc＝gfhc×hfhc
式中：gfhc—分离器出口灰流量，kg/s；hfhc—分离器出口灰比焓，kj/kg
飞灰带出的热量:qffhc＝gffhc×hffhc
式中：gffh—分离器飞灰量，hffh—分离器飞灰比焓，
尾部烟气带出的热量:qfyqc＝vfyqc×hfyqc
式中：vfyqc—分离器出口烟气流量，nm3/s；hfyqc—分离器出口烟气比焓kj/nm3
散热损失热量:qfsr＝σ×qarnet×b0×q5
式中：σ—分离器表面积与炉膛表面积之比。
由能量守恒可以得出分离器的热平衡方程为：
qfhj+qfyqj+qfhr＝qfhc+qffhc+qfyqc+qfsr
密相区模型：
循环流化床炉膛中的密相区类似于鼓泡床，在流化风的作用下，形成了气固两相流动的乳化相和气泡相，密相区的燃烧特性和传热特性一直以来都是研究的重点，它关系到锅炉床温、床压等众多关键参数。同样可以将密相区看作一个单独的系统，列出进入系统的热量以及离开系统的热量。忽略燃煤和石灰石的物理显热，进入系统热量主要包括：外循环灰带入的热量qden,wxhh，一二次风带入的热量qden,yecf，煤燃烧生成的热量qden,mscr，内循环灰带入的热量qden,nxhh；离开系统的热量主要包括：从密相区扬析到稀相区的细物料带出的热量qden,xwl，密相区烟气带出的热量qden,yq，排渣带走的热量qden,pz，散热损失qden,sr。
由能量守恒关系可以得到密相区的热平衡方程为：
qden,wxhh+qden,yecf+qden,mscr+qden,nxhh＝qden,xwl+qden,yq+qden,pz+qden,sr
同时，可以列出密相区的物料平衡方程式：
gden,xwl+gden,pz＝gden,wxhh+gden,nxhh+gden,rlh
gden,rlh＝b0×am
式中：gden,rlh—煤燃烧生成的灰量，kg/s；am—原煤中灰分含量，％；
(1)密相区的进来热量
外循环灰量带入的热量：qden,wxhh＝n2×b0×hwxhh
式中：hwxhh—外循环灰比焓，kj/kg；n2—循环倍率，由计算得到。
一次风带入的热量：qden,yecf＝qlycfj
煤燃烧生成的热量：qden,mscr＝b0×qarnet×δ
式中：δ—密相区的燃烧份额。
内循环灰带入的热量：qden,nxhh＝gden,nxhh×hden,nxhh
式中：gden,nxhh—内循环灰量，kg/s；hden,nxhh—内循环灰比焓，kj/kg；
(2)密相区的出去热量
由密相区到稀相区的细物料带走的热量：qden,xwl＝gden,xwl×hden,xwl
式中:gden,xwl—从密相区到稀相区的细物料量，kg/s；hden,xwl—细物料比焓，kj/kg；
密相区出口烟气带走的热量：
qden,yq＝b0×(1-qden,3-qden,4)×hyq
式中：hyq—燃烧1kg燃料实际生成的烟气焓，kj/kg，由计算得到；
排渣带走的热量：qden,pz＝gden,pz×hden,pz
散热损失：
式中：fden、ff—分别为密相区和炉膛表面积，m2；q5—炉膛散热损失，％。
在现有测点的基础上，本发明的具体计算步骤如附图1所示：
步骤1：锅炉热损失分析，得到气体未完全燃烧热损失q3，固体未完全燃烧热损失q4，以及散热损失q5；
步骤2：参数初始化后，由外置床热平衡方程计算出冷循环灰量glh；
步骤3：假定初始迭代参数热循环灰量与冷循环灰量之比k1，计算出在当前k1值下的热循环灰量grh1；
步骤4：由炉膛热平衡方程计算出炉膛燃烧份额；
步骤5：计算得出分离器燃烧份额，由分离器热平衡方程计算得到热循环灰量grh2，确定热循环灰量与冷循环灰量之比k2；
步骤6：计算得出密相区燃烧份额，由密相区热平衡方程计算得到循环倍率n2；
步骤7：判断k2与k1之差的绝对值是否在允许误差a1内，如果否，则重新设置初始迭代参数，转到步骤3；如果是，则确定出循环倍率n1。
所述计算方法还可以进一步包括：
步骤8：判断n2与n1之差的绝对值是否在允许误差a2内，如果否，则重新设置密相区内过量空气系数，计算得出密相区内固体不完全燃烧损失，然后转到步骤6；如果是，则计算结束。
本发明以四川白马300mw循环流化床锅炉为例，取其b-ecr工况下的运行数据来验证该计算模型，其原始数据如表1。
表1
在取初值k＝3,α*＝1.2的情况下，本发明计算结果和锅炉设计值进行比较，得出相关参数如表2。
表2
从表1，2中可以看出，采用本发明的计算方法和锅炉设计值的误差不到1％，说明了该计算方法的准确性。由于实际工程中计算循环倍率需要安装大量的测点，例如需要测量密相区上部烟气成分求出过量空气系数，在炉内安装测点不仅不利于锅炉的安全运行，同时测点磨损现象较为严重。而本模型中的数据都是根据现有测点提供，不需要额外安装其他测点。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。