本發(fā)明屬于工業(yè)鍋爐性能運(yùn)行狀態(tài)分析的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種亞臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組蓄能量化方法。

背景技術(shù)：

循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)燃燒技術(shù)是潔凈煤技術(shù)中最具商業(yè)化潛力、污染排放控制成本最低的技術(shù)。同時(shí)，CFB燃燒技術(shù)煤種適應(yīng)性強(qiáng)，是消納大量煤矸石、煤泥的最有效手段。目前，我國(guó)CFB鍋爐機(jī)組的裝機(jī)約3000臺(tái)，總投運(yùn)容量約91000MW，占火電裝機(jī)總?cè)萘康?2.1％，超過(guò)了其他所有國(guó)家的CFB鍋爐裝備容量總和，其中亞臨界機(jī)組占了99％以上。

隨著大容量機(jī)組的不斷增加和電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化程度的日益提高，要求大容量機(jī)組須按自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control；AGC)方式運(yùn)行，這就對(duì)電廠機(jī)組快速變負(fù)荷系統(tǒng)提出了新的要求。當(dāng)前電網(wǎng)對(duì)CFB鍋爐機(jī)組的負(fù)荷變化速率考核指標(biāo)僅為1％，但仍有較多機(jī)組達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至很難投入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)?；痣姍C(jī)組運(yùn)行優(yōu)化控制的核心內(nèi)容之一就是充分挖掘并綜合利用機(jī)組中的蓄能。普通煤粉爐機(jī)組整個(gè)熱力系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存了大量的熱量，例如管道和加熱器的金屬熱量、工質(zhì)能量等。改變工質(zhì)的流量、溫度或者工作壓力等可以存儲(chǔ)或釋放系統(tǒng)的蓄能，進(jìn)而影響機(jī)組運(yùn)行。

CFB鍋爐中燃燒放熱來(lái)自存在于床料中并不斷循環(huán)的大量未燃燼碳，而不像煤粉爐，來(lái)自瞬時(shí)加入的燃料。CFB鍋爐復(fù)雜的燃燒方式，不但增加了鍋爐的慣性、遲延，也對(duì)運(yùn)行控制帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。但另一方面，CFB鍋爐特殊的流態(tài)化燃燒方式使得燃料側(cè)的蓄能十分可觀，若能深入分析、量化CFB機(jī)組燃料側(cè)及汽水側(cè)的蓄能，可為CFB鍋爐機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行指引方向，實(shí)時(shí)確定機(jī)組動(dòng)態(tài)過(guò)程中的能量變遷情況，提升CFB鍋爐機(jī)組控制水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種亞臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組蓄能量化方法，能夠明確CFB鍋爐機(jī)組的動(dòng)態(tài)過(guò)程中蓄能變遷情況，提高機(jī)組控制水平，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊；

CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊；

CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊；

CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊；

DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)。

所述DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)將機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)傳輸給所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊對(duì)歷史數(shù)據(jù)處理，選合適的計(jì)算支撐數(shù)據(jù)傳輸給所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊、CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊；所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊、CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊建立蓄能方程，并利用計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組蓄能傳輸給與所述CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊。

具體技術(shù)方案如下：

一種亞臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組蓄能量化方法，所述方法為：分別對(duì)CFB鍋爐燃料側(cè)和汽水側(cè)蓄能建立模型，利用機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)確定燃料側(cè)蓄能模型和汽水側(cè)蓄能模型中的蓄能參數(shù)，根據(jù)確定蓄能參數(shù)后的燃料側(cè)蓄能模型和汽水側(cè)蓄能模型結(jié)合機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組的蓄能進(jìn)行觀測(cè)。

進(jìn)一步地，所述方法中對(duì)CFB鍋爐燃料側(cè)和汽水側(cè)蓄能建立模型分別由CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊、CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊實(shí)現(xiàn)，機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊從DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)中選取，對(duì)機(jī)組的蓄能進(jìn)行觀測(cè)由CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)將機(jī)組與所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊連接，所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊同時(shí)與所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊和CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊連接，所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊、CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊與所述CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊連接，所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊與所述CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊雙向連接；所述DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)將機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)傳輸給所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊；所述DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)將機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸給所述CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊；所述CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊將CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊、CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊中的結(jié)果整合，結(jié)合機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組的蓄能進(jìn)行觀測(cè)。

進(jìn)一步地，包括以下步驟：

步驟1)利用所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊建立CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能模型；

步驟2)利用所述CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊建立CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能模型；

步驟3)利用所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊從DCS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)中選取不同負(fù)荷段下機(jī)組負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化較為頻繁的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)；所述機(jī)組負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化較為頻繁是指機(jī)組負(fù)荷的改變大于機(jī)組額定負(fù)荷的10％‐20％；

步驟4)，將步驟3)中選取的數(shù)據(jù)與根據(jù)步驟1)、步驟2)建立CFB鍋爐燃料側(cè)及汽水側(cè)蓄能模型結(jié)合確定不同負(fù)荷段下蓄能模型中的參數(shù)，確定蓄能能力得到確定蓄能參數(shù)后的燃料側(cè)蓄能模型和汽水側(cè)蓄能模型；

步驟5)所述CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊根據(jù)步驟4)中得到的確定蓄能參數(shù)后的燃料側(cè)蓄能模型和汽水側(cè)蓄能模型，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組的蓄能進(jìn)行觀測(cè)。

進(jìn)一步地，所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能模型為：

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

式中C_B為即燃碳蓄熱系數(shù)，MJ/kg；B為爐膛內(nèi)未燃燒的殘?zhí)假|(zhì)量，kg；η_b為鍋爐熱效率，％；H為殘?zhí)紗挝话l(fā)熱量值，MJ/kg；Q_F為入爐給煤量熱值，MJ/s；Q_r為鍋爐吸熱量，MJ/s。

構(gòu)建的CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能模型中

Q_F＝FH_F (2)

式中F為給煤量，kg/s；H_F為煤的實(shí)時(shí)單位發(fā)熱量值，MJ/kg。

進(jìn)一步地，所述CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能模型為：

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

式中C_b定義為汽包蓄熱系數(shù)，MJ/Mpa；p_d為鍋爐汽包壓力，Mpa；Q_r為鍋爐吸熱量，MJ/s；q_f和q_d分別為給水流量和主蒸汽流量，kg/s；h_f和h_d分別為給水焓值和主蒸汽焓值，MJ/kg。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)針對(duì)CFB鍋爐獨(dú)特的燃燒方式，對(duì)其爐膛內(nèi)可觀的燃料側(cè)蓄能進(jìn)行了系統(tǒng)建模和量化方法，客服了CFB鍋爐蓄熱無(wú)法通過(guò)有效的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行在線測(cè)量的難題。

(2)該方法適應(yīng)于不同爐型、容量的亞臨界CFB機(jī)組，方便工程應(yīng)用。

(3)完全通過(guò)機(jī)理分析進(jìn)行控制策略?xún)?yōu)化完成，沒(méi)有增加任何硬件設(shè)備，在節(jié)約成本的同時(shí)達(dá)到了良好的效果，為亞臨界CFB鍋爐的運(yùn)行優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1、一種亞臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組蓄能量化方法框架圖；

圖2、實(shí)施例一機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中亞臨界循環(huán)流化床機(jī)組運(yùn)行曲線。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種亞臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組蓄能量化方法，包括以下步驟：

S1利用所述CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能量化模塊建立CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能模型；

S2利用所述CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能量化模塊建立CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能模型；

S3利用所述數(shù)據(jù)選取與預(yù)處理模塊，選取不同負(fù)荷段下機(jī)組負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化較為頻繁的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)；

S4根據(jù)步驟S1、S2建立CFB鍋爐燃料側(cè)及汽水側(cè)蓄能模型，利用步驟S3中選取的數(shù)據(jù)得到不同負(fù)荷段下蓄能模型中的參數(shù)，確定蓄能能力；

S5所述CFB鍋爐蓄能觀測(cè)模塊根據(jù)步驟S4中得到的蓄能參數(shù)等，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組的蓄能進(jìn)行觀測(cè)。

所述步驟S1中CFB鍋爐燃料側(cè)蓄能模型為：

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

式中C_B為即燃碳蓄熱系數(shù)，MJ/kg；B(t)為爐膛內(nèi)未燃燒的殘?zhí)假|(zhì)量，kg；η_b為鍋爐熱效率，％；H為殘?zhí)紗挝话l(fā)熱量值，MJ/kg；Q_F為入爐給煤量熱值，MJ/s；Q_r為鍋爐吸熱量，MJ/s。

其中

Q_F＝FH_F (2)

式中F(t)為給煤量，kg/s；H_F為煤的實(shí)時(shí)單位發(fā)熱量值，MJ/kg。

在控制系統(tǒng)回路中用實(shí)發(fā)功率信號(hào)與實(shí)際給煤量來(lái)自動(dòng)地校正燃料發(fā)熱量：

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

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

式中W(t)為t時(shí)刻機(jī)組的發(fā)電功率，MW。

循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中，送入爐膛的燃料，一部分通過(guò)燃燒釋放熱量，一部分累計(jì)在鍋爐內(nèi)未燃燒保存在爐膛，一部分隨著排渣、飛灰排放不參與燃燒。根據(jù)質(zhì)量守恒可計(jì)算得到爐膛內(nèi)未燃燒的殘?zhí)假|(zhì)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為煤的收到基碳質(zhì)量份額，％；R_C為碳總體燃燒反應(yīng)速率，kg/s；D(t)為爐膛排渣量，kg/s；C_ar1為排渣平均含碳量，％；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)C_ar、C_ar1為常數(shù)，飛灰含碳量忽略不計(jì)。

循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程釋放的熱量與參與燃燒的燃料量成正比，參與燃燒的燃料量與爐膛內(nèi)未燃燒殘?zhí)假|(zhì)量的燃燒速度R_c相關(guān)，是流化床爐膛內(nèi)未燃燒殘?zhí)嫉目傎|(zhì)量、床溫、氧氣濃度的函數(shù)：

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

式中：M_C為碳的摩爾質(zhì)量，單位為kg/kmol；k_c為碳顆粒的燃燒速率常數(shù)；C_O2為氧氣濃度，單位為kmol/m³；d_c為碳顆粒平均直徑，單位為m；ρ_c為碳顆粒的密度，單位為kg/m³；

La Nauze綜合實(shí)際情況，重點(diǎn)考慮溫度對(duì)碳顆粒燃燒速度的影響，根據(jù)實(shí)踐總結(jié)得到了循環(huán)流化床鍋爐中碳顆粒燃燒速率常數(shù)k_c的表達(dá)式：

k_c＝0.513Texp(-9160/T)

(7)

式中：T為爐膛床溫，單位為K；

碳顆粒氧氣濃度在控制系統(tǒng)中可以近似取平均值，由入爐總風(fēng)量PM(t)決定，其表達(dá)式為：

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

式中：ko₂為總風(fēng)量PM(t)與氧氣濃度的相關(guān)系數(shù)，取值范圍0.0040～0.0060，一般取0.0050；PM(t)為總風(fēng)量，單位為Nm³/s。

所述步驟S2中CFB鍋爐汽水側(cè)蓄能模型為：

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

式中C_b為汽包蓄熱系數(shù)，MJ/Mpa；p_d為鍋爐汽包壓力，Mpa；Q_r為鍋爐吸熱量，MJ/s；q_f和q_d分別為給水流量和主蒸汽流量，kg/s；h_f和h_d分別為給水焓值和主蒸汽焓值，MJ/kg。

所述步驟S4，對(duì)于蓄能方程中的參數(shù)，鍋爐熱效率η_b一般在90～92％；殘?zhí)嫉膯挝话l(fā)熱量H一般取值29.5～30MJ/kg；汽包蓄熱系數(shù)C_b可由機(jī)組穩(wěn)態(tài)工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)帶入式(9)得到，300MW亞臨界CFB機(jī)組中低負(fù)荷階段150MW～200MW為3200～3000MJ/Mpa，在高負(fù)荷階段200MW～300MW為3000～2800MJ/Mpa。

以大唐某300MW亞臨界中間再熱CFB機(jī)組為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程，量化分析該亞臨界CFB鍋爐機(jī)組燃料側(cè)及汽水側(cè)蓄能。

將實(shí)際負(fù)荷跟蹤到位且AGC基本不變的工況段稱(chēng)為平穩(wěn)階段，其余為動(dòng)態(tài)階段。如圖2所示，機(jī)組在100分鐘內(nèi)AGC指令升降頻繁，各主要運(yùn)行參數(shù)都在合理范圍內(nèi)。汽包蓄能系數(shù)C_b特性和計(jì)算方法如式(9)所示，可得圖2運(yùn)行負(fù)荷下C_b為2800MJ/MPa，汽包壓力波動(dòng)范圍±1Mpa，汽包壓力變化速率最快為0.12MPa/min，平穩(wěn)階段與動(dòng)態(tài)階段差異較小，汽水側(cè)蓄能最大變化速率約336MJ/min，汽水側(cè)蓄能最大過(guò)程變化量為2800MJ。爐內(nèi)殘?zhí)紵嶂等?0MJ/kg，鍋爐效率為91％，蓄熱系數(shù)C_B為27.3MJ/kg。動(dòng)態(tài)階段相同負(fù)荷下，爐內(nèi)殘?zhí)剂坎▌?dòng)值達(dá)到1600kg，變化速率最快為315kg/min，并能維持4min；平穩(wěn)階段，爐內(nèi)殘?zhí)剂坎▌?dòng)值為±400kg，變化速率一般在10～50kg/min。上述動(dòng)態(tài)階段，燃料側(cè)蓄能變化速率約8600MJ/min，燃料側(cè)蓄能最大過(guò)程變化量為43680MJ。上述平穩(wěn)階段，燃料側(cè)蓄能變化速率約273～1365MJ/min，燃料側(cè)蓄能最大過(guò)程變化量為10920MJ。