4 t/h燃煤工业链条炉模型及仿真调节

洪巧巧, 马 舜, 赵 辉, 吴学成

(1. 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027;2. 杭州市特种设备检测研究院,浙江 杭州 310000)



4 t/h燃煤工业链条炉模型及仿真调节

洪巧巧1, 马 舜2, 赵 辉2, 吴学成1

(1. 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027;2. 杭州市特种设备检测研究院,浙江 杭州 310000)

为了选择最优的调节方式,实现链条炉在变工况条件下的高效、安全运行,开发VC平台链条炉仿真软件.以4 t/h燃煤工业链条炉为研究对象,基于能量、质量守恒定律和传热理论建立数学模型,包括煤种模型、燃烧模型以及炉膛烟温模型等11个子模型.利用模型分析典型工况条件下链条炉的运行参数,模拟结果与链条炉热力计算得到的数据基本吻合.预测负荷、煤种以及送风方式变化后锅炉的各种调节方式,得出的最优调节方式与经验结果一致.该软件已成功在仿真平台上实现示范应用,可以用于指导、培训和考察司炉人员的节能操作.

链条炉;仿真软件；仿真调节

截至2011年,我国有各种容量的在用工业锅炉61.06万台,其中燃煤工业锅炉约52.7万台,占总量的86%左右[1].同年,工业锅炉煤耗量达到了7.2亿吨,占全国煤炭消费的21%,排放的烟尘、二氧化硫和氮氧化物分别为160.1、718.5和271.0万吨,占工业总排放的16%～38%[1].为了有效减少以燃煤为主的工业锅炉的污染物排放,缓解环境压力,必须调整工业锅炉的运行和管理水平.

我国工业锅炉以链条炉为主,因其具有煤种适应性强、运行稳定、结构简单、技术成熟以及建设成本较低等优点[2-4].但是,链条炉燃烧效率较低,实际平均运行效率在65%左右,仍有10%～15%的提高空间[4-9].低燃烧效率的原因之一是司炉人员操作水平低[7,10-12].据测试,在炉型、煤种、用气等条件相同的情况下,操作水平的差异可使运行效率相差3%～10%[13]. 另外,锅炉在改变工况时,采用不同的调节方式和调节顺序,其能量利用效率、安全性以及稳定性也存在区别.选择合理的调节方式有利于锅炉高效、安全地运行.本研究旨在建立链条炉模型,分析不同调节方式对锅炉运行的影响,为司炉人员提供指导.以4 t/h燃煤工业链条炉为对象,编写链条炉运行仿真软件,首先对典型工况下锅炉运行参数进行计算,通过与热力计算书的理论参数值比较,验证模型的适用性；然后利用该模型分别对负荷变化、煤种变化以及送风段调整等变工况条件下的不同调节方式进行比较,提供最优调节方式；最后,将模拟软件应用于集成式培训示范平台.

1 数学模型

对4 t/h燃煤工业链条炉进行建模仿真,工艺流程如图1所示.燃煤工业链条炉同时进行着燃料燃烧、烟气流动、传热过程和锅内过程.由于其复杂性,本研究采用模块化建模,根据锅炉的实际物理结构,将其分成11个子模型(如图2所示),分别为煤种模型、燃烧模型(包括水分析出模型、挥发分析出燃烧模型、焦炭燃烧模型和灰分模型4个子模型)、炉膛烟温模型、第一对流管束模型、第二对流管束模型、省煤器模型、锅炉负压模型以及汽包模型.煤种决定了煤在燃烧过程中依次经历的水分析出、挥发分析出、焦炭燃烧、灰分遗留等过程,直接影响炉膛烟温.烟气在对流管束、省煤器等热交换器中将热量传给水和蒸汽,并经汽包分离,产生所需的蒸汽.

为了建立准确的数学模型,进行必要合理的假设和简化处理：1) 每一模型内的工质温度、密度相同；2) 将炉膛内的水冷壁、前拱以及后拱均视为灰体；3) 进入炉膛的煤水分完全析出，挥发分完全析出并燃烧；4) 炉膛烟气在流动过程中不计算流量的损失.

1.1 煤种模型

链条炉适应的煤种广泛,为保证模型的实用性和准确性,本研究建立煤种模型,考虑煤的成分、低位发热量以及煤粒直径等因素对运行的影响.

1.2 燃烧模型

在链条炉中,沿炉排长度方向的煤分阶段燃烧,各阶段所需的空气量不同,燃烧速度不同[13].为了在模型中反映出这些特点,根据煤的燃烧过程将燃烧模型分成4个子模型(包括水分析出模型、挥发分析出燃烧模型、焦炭燃烧模型以及灰分模型),分别与4个风室一一对应.燃烧模型的主要目的是计算出机械未完全燃烧的热损失,并对炉膛出口烟温进行校正.每个子模型建模方法相似,其中焦炭燃烧模型比较复杂.本研究重点介绍焦炭燃烧模型.该模型的主要目的是计算出经过该模型后煤的能量、燃烧掉的煤的质量等.利用迭代法,考虑焦炭的燃烧速率,根据质量和能量守恒建立模型，模型简图如图3所示.

图1 燃煤工业链条炉的工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of coal industrial chain boiler

图2 链条炉数学模型Fig.2 Mathematical models of chain boiler

图3 焦炭燃烧模型：质量守恒模型、能量守恒模型Fig.3 Coke combustion model：conservation of mass model and conservation of energy model

质量平衡方程为

m0-m1=m2.

(1)

式中：m0为进入模型的煤的质量;m1为燃烧掉的焦炭的质量,m2为经过模型后煤的质量.

能量平衡方程为

Qc1-Qc0=Q1+Q2+Q3+Q4-Q5-Q6.

(2)

式中：Qc0为原来煤的能量,Qc1为经过该模型后煤的能量,Q1为炉膛烟气对煤的辐射,Q2为后拱对煤的辐射,Q3为水冷壁对煤的辐射,Q4为焦炭燃烧放热,Q5为风室进风对煤的影响,Q6为煤的对外辐射.

此外,本研究在文献[15]的基础上,加入了单位体积床层的焦炭燃烧速度与煤闸门高度的关系.

1.3 炉膛烟温模型

炉膛烟温模型根据迭代法建立.先假设炉膛出口烟温T″l,计算玻尔兹曼准则数B,进而计算得到无因次出口温度Θ,从而求得计算炉膛出口烟温T0.

(3)

式中：φ为保热系数,Bcal为计算燃料消耗量,Vcav为烟气平均热容量,δ0为绝对黑体辐射常数,Sr为炉膛辐射受热面积,Tadv为理论燃烧温度.

(4)

式中：al为炉膛系统黑度,k=0.671 1,m=0.143,p=0.214 4[16-17].

Th=(Tjr+273)0.3(T0+273)0.7-273.

(5)

式中：Th为炉膛烟温,Tjr为理论燃烧温度.

1.4 锅炉负压模型

锅炉负压模型的建立相对独立.锅炉烟气通道的总压降是总流动阻力和总自生通风力的差[18].炉膛负压由下式确定：

(6)

1.5 汽包模型

汽包模型的目的是求得锅炉蒸汽的温度、压力和水位变化.当燃烧情况不同时,传热情况也不同,汽包内蒸汽吸收的热量发生相应的变化.根据蒸汽焓值求得蒸汽温度和压力.

汽包水位的控制直接关系到锅炉的安全性,反映了汽包内锅炉蒸汽负荷和给水量之间的质量守恒关系[19].在典型状况下,汽包的进口水量和出口蒸汽量均为4 t/h.当负荷发生变化时,进口水量需要根据汽包蒸汽量做出相应的调节.由于调节需要一定的时间,调节过程会导致水位的变化.假设典型工况的水位为0, 则高于该水位时称为汽包水位上升,低于该水位时称为汽包水位下降.

在传统的物理教学中，实验多以教师“说实验”的方式呈现在学生的面前，一方面，教师考虑课时的安排，认为实验操作太过于耗时，更多的选择教师“说实验”，学生“记实验”的方式，虽见效快，但是严重抑制学生思维的发展和动手能力的提升；另一方面，教师实验教学的能力欠缺，缺少有效的实验教学策略，实验资源的开发能力等，导致实验教学效率低。具体表现如下：

1.6 其他模型

第一对流管束、第二对流管束和省煤器的工作过程相似,建模过程如下.根据式(7)、(8)运用迭代法计算各自的出口烟温[15]：

(7)

(8)

式中：Qcr为受热面的吸热量；β为修正系数,β=1.0[16]；K为传热系数；S为蒸发受热面积；Δt为温压.省煤器出口烟温就是锅炉的排烟温度.

2 结果与分析

2.1 典型工况验证

本模型输入量包括煤参数、炉排转速v、送风机开度Ksf、煤闸门高度hmz、主汽阀开度Kzq、引风机开度Kyf和4个风室所占比(Fs1、Fs2、Fs3、Fs4).其中，炉排转速、送风机开度、煤闸门高度与引风机开度可以在0～120%变化.主汽阀开度、4个风室所占比可以在0～100%变化,且4个风室所占比总和为100%.炉排的具体含义相似：当v=0时,炉排移动速度即为0；当v=100%时,移动速度即为1.94×10-3m/s.典型工况输入量如表1和2所示.其中：Car、Har、Oar、Sar、Mar和Aar分别表示收到基碳含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量、收到基水含量和收到基灰含量，Vd为干燥基挥发分含量，αfh为飞灰份额，d为煤粒直径，Qar,net为低位发热量.

模型的输出量共有9个,分别是锅炉效率η、炉膛烟温Th、炉膛负压h″l、蒸汽压力Ps、蒸汽温度Ts、排烟温度Tpy、排烟含氧量O2、焦炭转化率ηc以及汽

表1 典型工况煤的元素分析和工业分析

Tab.1 Element analysis and technical analysis of coal in typical conditions

名称数值名称数值Car/%46.55Sar/%1.94Har/%3.06Mar/%9Oar/%6.11Aar/%32.48Nar/%0.86Vd/%38.5αfh0.15Qar,net/(kJ·kg-1)17694.262d/m0.02--

*元素分析和工业分析涉及的参数,详见文献[17]

表2 模型中的锅炉运行输入参数

包水位变化ΔHq.

本模型模拟得到的结果与热力计算书的相应参数比较如表3所示(Tgs1、Tgs2分别表示第一、第二对流管束的出口烟温),可以看出本模型的模拟结果与热力计算书上的设计标准数值基本上保持一致.

2.2 锅炉调节案例分析

一个良好的燃烧工况不仅可以保证锅炉运行的经济安全性,还具有显著的环境效益，而燃烧工况的好坏与运行操作技术存在很大的关系[20-21].当锅炉负荷、煤种发生变化时,应该及时调节煤层厚度、炉排转速、送风机和引风机开度,确保良好的燃烧工况.本文采用仿真软件对上述情况进行模拟,通过对比不同的调节方式得到最优调节方式.

2.2.1 调节案例1 当负荷增大时,调整锅炉运行以维持较高的热效率和汽压稳定的.调节前、后的参数变化如表4所示.按照如图4所示的3种不同的调节方式进行调节.其中调节方式1为先增大引风机开度,再增大送风机开度,最后增大炉排转速.调节方式2为先增大送风机开度,再增大引风机开度,最后增大炉排转速.调节方式3为先增大炉排转速,再增大引风机开度,最后增大送风机开度.如图4所示,在调节过程中,调节方式1可以保持最大的锅炉效率和焦炭转化效率,其经济性最优；同时，调节方式1可以始终维持炉膛负压和较小的蒸汽压力,其安全性较好.通过观察调节过程中的锅炉效率、蒸汽压力、焦炭转化率以及炉膛负压的变化,发现调节方式1是最优的.因此,当负荷增大时,应该按照调节方式1进行操作.

表3 模型计算结果的验证情况

* 热力计算书由杭州市特种设备检测研究院提供,尚未发表.

表4 负荷增大时的工况调节表

图4 负荷增大时不同调节方式下各参数的变化规律Fig.4 Change rule of parameters under different adjustment methods when load increases

2.2.2 调节案例2 在负荷不变的情况下,煤种变化后,调节锅炉运行以维持汽压汽温的稳定，典型煤种和新煤种的各参数如表5所示. 如图4所示为煤种变化后采用不同调节方式得到的结果.当煤种变化时,蒸汽压力下降,达不到原来的蒸汽品质.采用以下2种不同的方式进行调节.

表5 不同典型煤种的参数对比

Tab.5 Comparison of parameters of different typical coal types

参数典型煤种新煤种参数典型煤种新煤种Car/%46.5543.92Aar/%32.4830.64Har/%3.062.89Vd/%38.5036.32Oar/%6.115.76αfh0.150.15Nar/%0.860.81Qar,net/(kJ·kg-1)17694.2616716.00Sar/%1.941.83d/m0.020.02Mar/%9.014.2---

1)方式1：先增大引风(100.00%～105.30%),再增大煤闸门高度(100.00%～113.10%)；

2)方式2：先增大引风(100.00%～105.73%),再增大炉排转速(100.00%～114.98%).最后蒸汽压力都达到1.24 MPa.

由图5可以发现,按方式1调节得到的锅炉效率为75.09%,按方式2调节得到的锅炉效率为73.89%.因此,当煤种水分变大时,应该适当增大煤闸门的高度.

图5 改变煤种后的调节过程Fig.5 Regulatory processes after change of coal type

图6 改变风室比例时锅炉的调节情况Fig.6 Boilder’s adjustment situation as proportion of wind chamber changes

2.2.3 调节案例3 分段送风的调整.根据链条炉排上煤的燃烧特点,前后端和中间段的风门开度不同.如图6所示为典型工况下,只改变风室比例时锅炉运行参数的变化规律.由图6可以发现，风室比例从Fs1到Fs2再变化到Fs3的过程中,锅炉效率、蒸汽温度以及蒸汽压力逐渐增大,炉膛负压逐渐减小.因此,风室开度比较合理的设置方式为“两端小,中间大”.链条炉仿真软件得出的最优调节方式与经验方法一致,说明仿真软件具有实用性.

3 模型在仿真示范平台上的应用

本链条炉仿真软件基于VC平台开发,用于模拟锅炉的不同运行工况,设置参数包括燃料参数、炉排转速、煤闸门高度、锅炉负荷、送风机以及引风机开度等.仿真软件实时计算显示锅炉效率、炉膛负压、蒸汽压力和温度、排烟温度以及汽包水位等参数.结合仿真示范平台,该软件通过模拟炉排转速、煤闸门高度、锅炉负荷、送风机和引风机开度的变化情形,给出输出参数变化的曲线图,有利于司炉人员理解各参数之间的关系和变化情况,掌握调节方法.如图7所示,本仿真软件已经成功集成到培训示范平台.在指导、培训和考察司炉人员的节能操作方面,取得了较好的效果.

图7 链条炉调节仿真示范台照片Fig.7 Pictures of simulation demonstration platform of chain boller adjustment

4 结 论

(1) 以4 t/h燃煤工业链条炉为研究对象,根据能量、质量守恒和传热理论,采用模块化建模的方法建立了模型,模拟结果与理论计算数据基本一致,说明模型是正确且可行的.

(2) 得出的最优调节方式与经验结果一致,说明仿真软件是实用的.当锅炉负荷增大时,应按照先增大引风机开度,再增大送风机开度,最后增大炉排转速的调节方式,保证维持较高的热效率和稳定的汽压;当煤种水分增大时,应该适当增大煤闸门高度来维持汽压和汽温的稳定;风室开度比较合理的设置方式是“两端小,中间大”.

(3) 本研究建立的数学模型和开发的仿真软件对考察和提升司炉人员的操作技能具有重要意义,集成式培训示范平台为智能化调节锅炉工况作出了很好的尝试.

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4 t/h coal-fired industrial chain boiler model and simulation adjustment

HONG Qiao-qiao1, MA Shun2, ZHAO Hui2, WU Xue-cheng1

(1.StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.HangzhouSpecialEquipmentInspectionInstitute,Hangzhou310000,China)

A chain boiler simulation software was developed with VC platform in order to choose the best adjust way to achieve efficient and safe operation of chain boiler under different working conditions. Focused on a 4 t/h coal-fired industrial chain boiler, mathematical models were established based on the mass conservation law, the energy conservation law and the heat transmission theory. The models consisted of 11 submodels, such as coal model, combustion model and furnace smoke temperature model. The models were used to analyze the operation parameters of chain boiler under typical working conditions. Results generally coincided with the data obtained by chain boiler thermodynamic calculation. Various boiler adjustment methods were forecasted after the changes of loads, coal types and air supply methods. As a result, the optimal adjustment method agrees well with the experience results. This software has been successfully applied in simulation platform as a demonstration, and it also can be used to guide, train and inspect the energy-saving operation of stoker personnels.

chain boiler; simulation software; simulation adjustment

2014-03-27.

洪巧巧(1989—)，女，硕士，从事燃煤链条炉仿真研究. E-mail: 21227113@zju.edu.cn 通信联系人：吴学成，男，教授.E-mail: wuxch@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.010

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A

1008-973X(2016)12-2312-07