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火電機(jī)組鍋爐爐膛負(fù)壓優(yōu)化策略研究

文檔作者：孫靈芳宮遠(yuǎn)洋文檔來(lái)源：東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年08月08日
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第34卷第2期計(jì)算機(jī)仿真2017年02月
文章編號(hào)：1006—9348(2017)02—0170—05
火電機(jī)組鍋爐爐膛負(fù)壓優(yōu)化策略研究
孫靈芳．宮遠(yuǎn)洋
(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)
摘要：為研究火電機(jī)組鍋爐爐膛負(fù)壓控制技術(shù)，利用機(jī)理方法建立鍋爐煙氣壓力數(shù)學(xué)模型，建模過(guò)程中采用分塊建模方法，
對(duì)鍋爐內(nèi)不同區(qū)域進(jìn)行建模。由于快速甩負(fù)荷(FCB)過(guò)程屬于火電機(jī)組運(yùn)行的極端工況，爐膛壓力控制如果對(duì)此工況適應(yīng)
即適應(yīng)所有工況，所以采用FCB工況對(duì)所建模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：隨著燃料量的驟減，爐膛壓力成先降后升的趨
勢(shì)，水平煙道和尾部煙道壓力變化趨勢(shì)與之類似；切磨時(shí)間間隔大，甩負(fù)荷過(guò)程中爐膛負(fù)壓下降的最低點(diǎn)就越小。對(duì)于機(jī)組
旁路容量大、機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)組，可適當(dāng)增加甩負(fù)荷過(guò)程切磨時(shí)間間隔來(lái)減小爐膛壓力的下降值，對(duì)于汽水系統(tǒng)熱慣
性小的機(jī)組，可以少切一臺(tái)磨而選擇減小給煤量的控制策略，上述方法可以減小爐膛壓力波動(dòng)，有利于爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：快速甩負(fù)荷；建模；爐膛負(fù)壓；機(jī)理
中圖分類號(hào)：TP391．9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
Research on Optimization Strategy
of Boiler Combustion Chamber Draft of Thermal Power Unit
SUN Ling—fang，GONG Yuan—yang
(School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 1 320 1 2，China)
ABSTRACT：The author built a model of boiler flue gas pressure based on mechanism analysis，besides，the author
built models of different regions using block modeling method in the process of boiler modeling，for the study of ther—
mal power boiler furnace pressure control technology．The process of FCB belongs to extreme conditions of thermal
power units to run，therefore，the furnace pressure control which can adapt to this condition means will adapt to all
conditions．The author carried out some simulation based on FCB conditions．The simulation results show that with
the amount of fuel plummeting，furnace pressure presents the trend of increasing first and then decreasing，and the
horizontal flue and flue at the rear have similar pressure．The smaller the cutting time interval is，the less the
pressure
drop in combustion chamber is in the
process
of FCB．For units that have high capacity for bypass and have strong a—
daptability to unit load，it may
be appropriate to increase the FCB cutting time interval to reduce the decline in the
value of the fumace pressure．For the unit that has smalI thennalinertia．we can choose to reduce the amount of coal
rather than to reduce a mill．which can reduce the combustion chamber draft fluctuations and is conducive to the con—
bustion stability．
KEYWORDS：Fast cut back：Modeling；Combustion chamber draft；Mechanism
1 引言
火電機(jī)組爐膛壓力與爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性息息相關(guān)，其決定
了進(jìn)入爐膛的風(fēng)量與流出爐膛的煙氣量的平衡關(guān)系¨’2。?；?
電機(jī)組采用平衡的通風(fēng)方式，即在風(fēng)煙系統(tǒng)中同時(shí)裝設(shè)送風(fēng)
機(jī)和引風(fēng)機(jī)，利用送風(fēng)機(jī)克服送風(fēng)管道和燃燒器的阻力，利
用引風(fēng)機(jī)克服爐膛、受熱面等阻力’3j。爐膛負(fù)壓是否在規(guī)定
收稿日期：2016—04—25修回日期：2016—05-07
．--——170---——
的范圍內(nèi)關(guān)系到鍋爐的穩(wěn)定安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，如爐膛負(fù)壓過(guò)
低，會(huì)有大量冷空氣從爐膛不嚴(yán)密處漏入，既增加了鍋爐排
煙熱損失，又會(huì)增加引風(fēng)機(jī)電耗；爐膛處于正壓運(yùn)行，會(huì)造成
煙氣從爐膛不嚴(yán)密處漏出，既會(huì)污染鍋爐廠房的環(huán)境，又會(huì)
增加熱損失。4 o。
火電機(jī)組FCB過(guò)程是指當(dāng)電廠內(nèi)部或電網(wǎng)發(fā)生故障，發(fā)
電機(jī)組與電網(wǎng)解列瞬間甩掉全部對(duì)外負(fù)荷，并保持鍋爐低負(fù)
荷帶廠用電運(yùn)行一’6J。由于FCB過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組瞬間甩掉
全部對(duì)外負(fù)荷將導(dǎo)致主蒸汽壓力的飛升，旁路、安全門及pcv
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
的快開(kāi)可有效的控制主蒸汽壓力，但主蒸汽壓力飛升的根本
原因在于燃料量和機(jī)組負(fù)荷不匹配，通常在FCB發(fā)生時(shí)機(jī)組
采用快速切除幾臺(tái)磨的方式來(lái)降低燃料量。由于鍋爐的燃
料量的快速減少，燃燒率的迅速降低，將導(dǎo)致機(jī)組風(fēng)煤配比
不合適，引起爐膛壓力大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒不穩(wěn)，嚴(yán)重
的將導(dǎo)致?tīng)t膛滅火甚至爐膛“內(nèi)爆”。
劉鑫屏等利用機(jī)理建模方法得到煤量對(duì)爐膛壓力的傳
遞函數(shù)，并進(jìn)行了頻域分析，得出了在低負(fù)荷工況下?tīng)t膛壓
力波動(dòng)是由對(duì)象自身非線性特性造成的。71。田亮等借鑒小
波分析思想對(duì)不同信號(hào)的各個(gè)分量之間進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果
表明爐膛壓力與燃燒率之間具有帶通濾波特性，爐膛壓力能
夠反映鍋爐燃燒強(qiáng)度的變化舊J。于國(guó)強(qiáng)等為提高能源利用
率在機(jī)組上裝設(shè)三臺(tái)引風(fēng)機(jī)，并解決了原有雙引風(fēng)機(jī)控制策
略不適用于三引風(fēng)機(jī)的控制策略，提高了爐膛壓力調(diào)節(jié)回路
自適應(yīng)能力。?。程星星等對(duì)不同結(jié)構(gòu)、負(fù)荷、容量的鍋爐進(jìn)
行了內(nèi)爆模擬，結(jié)果表明內(nèi)爆強(qiáng)度隨鍋爐負(fù)荷、容量的增大
而增大。1 0I。
對(duì)于快速甩負(fù)荷(FCB)這種機(jī)組極端工況，由于磨煤機(jī)
的切除，燃料量的驟減，將對(duì)爐膛壓力造成極大的影響?’”1。
現(xiàn)階段對(duì)于爐膛壓力研究還處于常規(guī)工況，對(duì)于FCB這種機(jī)
組極端工況爐膛壓力研究的很少。本文采用機(jī)理方法建立
鍋爐煙氣壓力數(shù)學(xué)模型，建立過(guò)程中采用分塊建模方法，對(duì)
鍋爐內(nèi)不同區(qū)域進(jìn)行建模，由此引入鍋爐爐膛壓力變化對(duì)水
平煙道及尾部煙道煙氣壓力的影響。利用Matlab／Simulink
仿真平臺(tái)對(duì)所建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行二次建模，并對(duì)模型進(jìn)行FCB
工況仿真。利用建模方式進(jìn)行爐膛壓力研究避免了現(xiàn)場(chǎng)試
驗(yàn)的危險(xiǎn)性，并且對(duì)模型調(diào)整即可適用于其它類型機(jī)組。
2模型對(duì)象描述
根據(jù)爐內(nèi)結(jié)構(gòu)及爐內(nèi)各個(gè)受熱面的布置，采用分塊建模
方式，將鍋爐爐膛、水平煙道和尾部煙道分為七個(gè)區(qū)域進(jìn)行
建模，如圖1所示，第一區(qū)域?yàn)殄仩t爐膛，其中受熱面包括水
冷壁、壁式再熱器和分隔屏；第二、三、四、五區(qū)域分別為水平
煙道中的屏式過(guò)熱器、屏式再熱器、高溫再熱器；第六、七區(qū)
域?yàn)槲膊繜煹乐械牡蜏剡^(guò)熱器和省煤器。
3數(shù)學(xué)模型的建立
鍋爐煙氣壓力數(shù)學(xué)模型包括：爐膛數(shù)學(xué)模型、水平煙道
數(shù)學(xué)模型和尾部煙道數(shù)學(xué)模型。
3．1爐膛數(shù)學(xué)模型¨引
由磨煤機(jī)磨制的煤粉及一、二次風(fēng)經(jīng)燃燒器進(jìn)入爐膛，
在爐膛內(nèi)充分燃燒放熱形成高溫?zé)煔狻８邷責(zé)煔鈱?duì)水冷壁
及爐膛上方水冷壁上布置的壁式再熱器和爐膛上方布置的
分隔屏進(jìn)行輻射換熱。
建立仿真模型時(shí)，作出如下假設(shè)：
1)假設(shè)進(jìn)人爐膛的燃料燃燒反應(yīng)瞬間完成且充分
燃燒。
注：l燃燒器，2．水冷壁，3壁式再熱器，4分隔屏，5屏式過(guò)熱器．
6．屏式再熱器．7．高溫再熱器．8高溫過(guò)熱器．9低溫過(guò)熱器，10省煤器
圖l鍋爐結(jié)構(gòu)總圖
2)假設(shè)分隔屏過(guò)熱器只存在輻射換熱。
3)假設(shè)進(jìn)入爐膛的風(fēng)量只隨燃料量變化而變化。
質(zhì)量守恒方程
阱+礬一Wr Vr
dⅡpfa
(1)
其中，盯為進(jìn)入爐膛的燃料量；WA為進(jìn)入爐膛的空氣量；
％為流出爐膛的煙氣量；Vr為爐膛容積．p。為煙氣密度。
能量守恒方程
∽，“耽一Q擴(kuò)Qk一％噸W。=y，警(2)
其中，Q，為燃料低位發(fā)熱量；h。為空氣焓；Q。。，Qk，Q伽分別
為水冷壁，壁式再熱器，分隔屏的輻射吸熱量；^。為煙氣焓。
動(dòng)量守恒方程
WG=k√PF—Ppz 031
其中，k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；P，為爐膛壓力；尸。為屏式過(guò)熱器區(qū)域
壓力。
由理想氣體方程得爐膛壓力
PG=尺cpGTc (4)
其中，尺。為煙氣理想氣體常數(shù)；Tc為煙氣溫度。
輻射換熱方程
Q=oro吼吼F砭(5)
其中，盯。為玻耳茲曼常數(shù)；s。為爐膛黑度；s。為火焰黑度；F
為受熱面面積。
3．2水平煙道及尾部煙道數(shù)學(xué)模型
由爐膛流出的高溫?zé)煔夥謩e流過(guò)水平煙道和尾部煙道，
依此流經(jīng)的受熱面是屏式過(guò)熱器、屏式再熱器、高溫再熱器、
高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、省煤器。將每個(gè)受熱面劃分為一
個(gè)區(qū)域進(jìn)行建模。
建立仿真模型時(shí)，作出如下假設(shè)：
1)假設(shè)每個(gè)區(qū)域中的換熱只存在于換熱面和煙氣之
間，無(wú)其它熱量損失。
一171—
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2)假設(shè)鍋爐煙道無(wú)漏風(fēng)量。
因?yàn)樗綗煹兰拔膊繜煹赖牧鶄€(gè)模型類似，所以只對(duì)屏
式過(guò)熱器進(jìn)行描述。
質(zhì)量守恒方程
耽一％=k魯(6)
其中，％為屏式過(guò)熱器處煙氣流量；Lg為屏式過(guò)熱器處容
積；p。為屏式過(guò)熱器處煙氣密度。
能量守恒
Wch。一％k—Q。以警(7)
其中，hpg為屏式過(guò)熱器處煙氣焓；Qpg為屏式過(guò)熱器對(duì)流吸
熱量。
動(dòng)量守恒
W。=xpE、／P Pg—Pp： 081
其中，A。為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；PP2為屏式再熱器區(qū)域壓力。
對(duì)流傳熱方程‘1 3]
Q"=KAtFt,g (9)
其中，K為傳熱系數(shù)；&amp;amp;為傳熱溫壓；吆為傳熱面積。
傳熱溫壓At=—：±—半一 (10)
其中，出；。為順流的平均溫壓；At一為逆流的傳熱平均溫壓。
順流的傳熱平均溫壓觚，=等笄(11) m而
逆流的傳熱平均溫壓
觚，=等m而等孚 (12)
其中穢’，毋”分別為屏式過(guò)熱器進(jìn)出端口煙氣溫度；t 7，，分別
為屏式過(guò)熱器內(nèi)工質(zhì)進(jìn)出口處溫度。
4模型正確性驗(yàn)證
利用Matlab／Simulink仿真平臺(tái)對(duì)以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行二
次建模，如圖2所示。
本文選用武漢鍋爐股份有限公司的WGZ一1025／18．44
一lO型鍋爐，額定蒸發(fā)量1025t／h亞臨界自然循環(huán)鍋爐。鍋
爐為單爐膛“?！毙筒贾?，采用四角切向燃燒、擺動(dòng)燃燒器調(diào)
溫，固態(tài)除渣、平衡通風(fēng)。爐膛截面為14212×14212mm的正
方形，配有正四角切向燃燒器，為爐膛四圍熱負(fù)荷均勻提供
了良好條件。爐室凈高57．5m，爐膛截面積為202m2，爐膛容
積9549．37m3，上排一次風(fēng)噴口中心線至屏底距離20．02m，
下排一次風(fēng)噴口中心線至灰斗拐角為4．15m。爐膛截面熱
負(fù)荷為3．83MW／m2，容積熱負(fù)荷為80．96kW／m3。
對(duì)simulink所建模型進(jìn)行100％ECR減負(fù)荷仿真，仿真
結(jié)果如圖3所示，隨著燃料量的減少，爐膛負(fù)壓先減小后增
一】72一
圖2鍋爐仿真框圖
加，通過(guò)與文獻(xiàn)[15，16]對(duì)比，證明該鍋爐壓力模型能夠正確
分析爐內(nèi)壓力變化情況。
圖3減負(fù)荷過(guò)程爐膛壓力變化
5 FCB過(guò)程爐膛壓力仿真
由于機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中對(duì)爐膛壓力波動(dòng)影響最大的是燃
料量的變化，所以這里選用機(jī)組燃料變化的極端情況，即機(jī)
組快速甩負(fù)荷(FCB)過(guò)程來(lái)對(duì)爐膛壓力進(jìn)行仿真。
當(dāng)電廠或電網(wǎng)發(fā)生故障觸發(fā)機(jī)組FCB后，機(jī)組會(huì)選擇切
磨的方式進(jìn)行減負(fù)荷，同時(shí)快開(kāi)高壓旁路、壓力調(diào)節(jié)閥門
(PCV)等進(jìn)行主蒸汽泄壓。．燃料量的驟降會(huì)對(duì)爐內(nèi)燃燒產(chǎn)
生較大影響，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)t膛壓力產(chǎn)生較大波動(dòng)。
5．1 FCB過(guò)程鍋爐不同區(qū)域壓力仿真
本文選用與珠海電廠FCB停磨策略相同的時(shí)間間隔進(jìn)
行仿真，即每隔l s切一臺(tái)磨Ⅲ1。FCB仿真從第500s開(kāi)始切
除第一臺(tái)磨，然后每隔1 S切一臺(tái)，F(xiàn)CB過(guò)程燃料量變化如圖
4所示。
圖4 FCB過(guò)程燃料量變化
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
如圖5一11為FCB發(fā)生后爐內(nèi)各個(gè)區(qū)域壓力的變化，圖
5為爐膛壓力，圖6—9為水平煙道區(qū)域壓力，圖10，ll為尾
部煙道區(qū)域壓力。
圖5爐膛壓力
通過(guò)觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在第500s發(fā)生FCB，爐膛
負(fù)壓瞬間減小至一500Pa左右，隨后回升至穩(wěn)定的一25Pa
左右。
圖6屏式過(guò)熱器區(qū)域壓力
圖7屏式再熱器區(qū)域壓力
圖8高溫再熱器區(qū)域壓力
圖9所示，水平煙道的煙氣壓力變化趨勢(shì)跟爐膛壓力變
化趨勢(shì)大致相同，但各個(gè)區(qū)域的壓力穩(wěn)態(tài)值都要高于100％
ECR時(shí)候各個(gè)區(qū)的壓力值，并且隨著煙氣的流向，越往后壓
力的穩(wěn)態(tài)值與100％ECR時(shí)壓力穩(wěn)態(tài)值差值越大。
圖9高溫過(guò)熱器區(qū)域壓力
如圖10，11所示，尾部煙道區(qū)域壓力變化，與水平煙道
類似，壓力的變化趨勢(shì)基本和爐膛壓力大致相同，壓力的穩(wěn)
態(tài)值都高于100％ECR時(shí)此區(qū)域壓力的穩(wěn)態(tài)值，且隨著煙氣
的流向，越靠近引風(fēng)機(jī)區(qū)域，發(fā)生FCB和100％ECR工況煙
氣壓力穩(wěn)態(tài)值的差值越大。
圖10低溫過(guò)熱器區(qū)域壓力
圖11省煤器區(qū)域壓力
由以上對(duì)FCB過(guò)程鍋爐內(nèi)各個(gè)區(qū)域煙氣壓力的分析可
知，隨之燃料量的驟減，爐膛壓力會(huì)先減后增，其余各個(gè)區(qū)域
的煙氣壓力變化與之類似，考慮到爐膛負(fù)壓穩(wěn)態(tài)值可在機(jī)組
自身?xiàng)l件符合范圍內(nèi)上下變化，對(duì)于不同機(jī)組可適當(dāng)調(diào)節(jié)引
風(fēng)風(fēng)量使各個(gè)區(qū)域壓力在適當(dāng)范圍內(nèi)。
5．2 FCB爐膛壓力與切磨時(shí)間間隔仿真
在眾多FCB現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，F(xiàn)CB過(guò)程都要進(jìn)行磨煤機(jī)的切
除以及維持爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓變化可以快速反映出
爐內(nèi)的燃燒情況，文獻(xiàn)[17]中提到廣東珠海電廠FCB發(fā)生
后每隔1 S切一臺(tái)磨煤機(jī)，最后保留中間兩臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行；文
獻(xiàn)[18]中提到印尼Indramayu電廠在FCB發(fā)生后延時(shí)5s切
一臺(tái)上層磨，8s后切除另一臺(tái)上層磨；文獻(xiàn)[11]中提到內(nèi)蒙
古布連電廠在FCB發(fā)生后切上層D(或B)磨煤機(jī)，調(diào)整給煤
一173—
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
量至42～43t／h，10s后停E磨煤機(jī)。
如圖12所示，利用上述文獻(xiàn)中的停磨策略，對(duì)本文所建
模型進(jìn)行FCB爐膛壓力仿真，珠海電廠方式切磨時(shí)間間隔最
短，爐膛負(fù)壓波動(dòng)最大，且爐膛負(fù)壓達(dá)到最低值也最大；In．
dramayu電廠切磨時(shí)間間隔是5s和8s，相對(duì)于珠海電廠模式
爐膛負(fù)壓波動(dòng)有所減小，但在第5s到第17s左右有上下波
動(dòng)；布連電廠兩臺(tái)磨的切磨時(shí)間間隔是10s，在這10s之內(nèi)通
過(guò)調(diào)整給煤量進(jìn)行減負(fù)荷，由曲線可以看出第3秒到第lOs
左右爐膛負(fù)壓維持在一270Pa左右，第13s后爐膛負(fù)壓開(kāi)始
回升。
O
，一200
g
型一l(】o
500 520 540 560 5舳
時(shí)間k
圖12 FCB不同切磨策略爐膛壓力變化
由以上對(duì)三種不同切磨控制策略仿真可以看出，切磨時(shí)
間間隔越短爐膛負(fù)壓降的最低值就越大，適當(dāng)增加切磨的時(shí)
間間隔可以減小爐膛負(fù)壓的下降值，有利于爐內(nèi)燃燒環(huán)境的
穩(wěn)定；同時(shí)，如果機(jī)組可以少切一臺(tái)磨而選擇減煤量的方式
甩負(fù)荷，可以減小FCB過(guò)程中爐膛壓力的波動(dòng)，有利于爐膛
燃燒。
6結(jié)論
利用機(jī)理方法建立鍋爐煙氣壓力數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了機(jī)組
極端工況FCB過(guò)程爐膛及水平煙道和尾部煙道煙氣壓力分
析，以及FCB過(guò)程不同燃料控制策略的仿真。
1)切磨時(shí)間間隔越大，甩負(fù)荷過(guò)程中爐膛負(fù)壓下降的
就越小。
2)對(duì)于可以選擇少切一臺(tái)磨而選擇減小給煤量的方式
實(shí)現(xiàn)FCB的機(jī)組，即汽水系統(tǒng)熱慣性小的機(jī)組，可以少切一
臺(tái)磨而選擇減小給煤量的控制策略。
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【作者簡(jiǎn)介]
孫靈芳(1970一)，男(漢族)，山東省巨野人，教授，
碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊峁み^(guò)程先進(jìn)控
制、先進(jìn)控制理論、換熱設(shè)備污垢與預(yù)測(cè)。
宮遠(yuǎn)洋(1989一)，男(漢族)，吉林省吉林市人，碩
士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊峁み^(guò)程先進(jìn)控制。^酗

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