循环流化床电厂仿真系统

循环流化床电厂仿真系统

一、前言

二、仿真软件开发过程

2.1 仿真对象

2.2 循环流化床锅炉燃烧系统的模型构建

2.3 数学模型的求解

三、循环流化床锅炉燃烧系统仿真软件简介

四、小结

一、前言

循环流化床燃烧技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术。我们迫切需要加大对该型锅炉的研究力度，加快对此技术的消化和吸收。鉴于试验研究往往代价昂贵，有时甚至是不可能的，因此数学模型与仿真研究的优点就显得格外突出。

循环流化床锅炉的建模与仿真研究就是应用基本理论定律，结合有关流动、燃烧、化学反应、传热等方面的经验模型和理论建立循环流化床锅炉的数学模型，然后借助计算机对其性能进行仿真计算。相对试验而言，建模与仿真的投资要小得多，然而其通用性、灵活性和快速性却可以使技术人员对各种可能的设计、运行等方案进行充分比较、筛选和优化，其好处和经济效益是显而易见的。

另外，仿真建模可以为循环流化床锅炉培训用仿真机的开发奠定基础。随着循环流化床锅炉的大量建设，大批运行人员急需培训，尤其是对仿真培训的需求更迫切，所以需要加快循环流化床锅炉仿真机的开发。传统电站煤粉锅炉的仿真机开发技术已很成熟，循环流化床锅炉和传统电站锅炉的最大区别在于燃烧系统的不同，而汽水系统基本相同，所以循环流化床锅炉燃烧系统仿真软件的开发显得尤为重要。

二、仿真软件开发过程

2.1 仿真对象

本软件以HG-440/13.7-L.PM4型循环流化床锅炉作为仿真对象。该型锅炉为目前国内最大发电容量的超高压再热循环流化床锅炉，由哈尔滨锅炉厂采用德国EVT技术制造。目前河南的循环流化床锅炉以此型最多，选其作为仿真对象有一定的代表性。

2.2 循环流化床锅炉燃烧系统的模型构建

循环流化床燃烧系统的模型是建立在物质质量守恒和能量守恒的基础上的，所建方程包括各种气体和固体组分的质量守恒以及所有物质的能量守恒，这些守恒方程就构成了循环流化床数学模型的主体。为了确定模型主体中各项的系数和内容，例如某气体生成或消耗的速率等，还需根据特定原理或经验理论建立相应的计算模型，这些计算模型就称为“子模型”。

本文中采用“小室模型”作为建立燃烧系统内守恒方程的手段。所谓“小室”就是沿着炉内固体和气体的主要流动方向，把炉膛划分成的一系列的空间。对每个小室建立的守恒方程，包括气体和固体成分的质量守恒和一个总体能量守恒方程方程。质量守恒方程针对每个固体颗粒组的总体质量及其内包含的碳的质量建立。

由于小室可以按照实际设备的形状和尺寸任意划分，因此很容易实现与实际设备的几何一致性，使得人们有可能较为准确地描述炉膛内的物理、化学过程，从而使小室模型成为流化床锅炉仿真的一个有效方法。

子模型包括：

（1）固体的动态质量平衡

（2）焦碳颗粒的动态质量平衡

（3）气体平衡方程

（4）小室的总体动态能量平衡

（5）煤的燃烧模型

（6）炉内传热模型

其中前4种模型是建立在物质质量守恒和能量守恒的基础上的。此外还需根据特定原理或经验理论建立相应的计算模型，这里主要介绍燃烧模型和传热模型。

2.2.1 煤的燃烧模型

煤的燃烧是一个包括化学反应及传热和传质效应相互作用的复杂过程。在流化床中，流动的复杂性使得煤燃烧的过程更加复杂。目前，对煤得燃烧过程得认识可简单归纳为：在煤被加入炉膛后，它将经历干燥、挥发分释放及燃烧、剩余焦炭燃烧等一系列的过程。

任取第个直径档的焦炭颗粒为例，对单个焦炭粒子，其反应速率为

（2-1）

其中，为第个直径档的焦碳粒子直径；为当地氧量；为碳的燃烧反应速率。

在流化床燃烧模型中，固体颗粒（包括灰颗粒和炭颗粒）按尺寸分为了10个直径档。显然，某个小室内各个颗粒档内焦炭的燃烧反应速率，应当等于单个焦炭颗粒的反应速率乘以小室内该种焦炭颗粒的总数目。

假定小室中颗粒组的含碳量用表示，颗粒组在小室中的体积分额用

表示，则小室中的第个固体颗粒档内的焦炭颗粒的数目为

（2-2）

此处，是第个小室的体积。

2.2.2炉内传热模型

炉内传热采用清华大学公布的模型。循环流化床锅炉燃烧室受热面、传热系数、受热面的材料、布置形式、工质温度、床温的影响,并与流化速度、近壁区物料浓度、物料粒径有关。在实验研究和不同容量循环流化床锅炉运行数据的基础上,清华大学开发出循环流化床锅炉燃烧室受热面传热系数计算方法,其计算结果与实际运行值相比吻合较好,误差在4%之内,用于工程计算是可靠的,已用于130t/h、220t/h和420t/h循环流化床锅炉设计。

该模型认为，床与壁面的换热由床中心上升流动的烟气及其夹带的物料向壁区物料的热交换、物质交换以及近壁区气固两相流向壁面对流和辐射两步完成。燃烧室烟气-物料两相混和物向壁面的换热包括对流和辐射两部分,按二者线性叠加处理,则有

(2-3)

式中: 为辐射换热系数,W.m-2.K-1; 为对流换热系数, W.m-2.K-1；为床与壁面之间的系统黑度；为Boltzmann常数; 为烟气对流换热系数, W.m-2.K-1;为颗粒对流换热系数, W.m-2.K-1。

近壁区下降流与壁面之间存在着5～10mm的边界层,辐射换热几乎全部发生在近壁区内,辐射换热面积即可近似为受热面的外表全面积Ht,对流是发生在烟气侧全面积Ht上,故循环流化床锅炉燃烧室受热面的传热面积是曲面全面积Ht,这是与煤粉炉的重要差别。

2.3 数学模型的求解

燃烧系统数学模型的求解采用牛顿—拉普森算法。炉膛沿高度分为4个室，每个小室有10个固体颗粒组的含碳量、1个温度和1个氧量共12个未知变量，4个小室共48个未知量。则描述炉膛燃烧系统的平衡方程是一个48阶的偏微分方程组。

改写方程左侧的时间导数项为差分形式，并将其移到等式右侧，则得到一个非线性代数方程组。定义小室i中的未知变量和上述非线性方程组的右函数分别为变量矢量和函数矢量如下：

（k=1,2…..10,i=1,…4）

采用牛顿——拉普森方法求解上述方程组，则第次迭代的牛顿修正因子为

,

其中，, , 称为雅可比矩阵。

实际计算时，给定0时刻的初始条件，求得雅可比矩阵后，采用全选主元法求逆，反复进行迭代计算，直至满足收敛条件，即完成一个时间步长的数学求解过程。以新条件作为初始条件，进入下一个时间步长的数学求解，如此下去，即得到按时间序列的燃烧系统的各个参数，所以此软件可以研究燃烧系统动态特性。