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火電機組鍋爐爐膛負壓優(yōu)化策略研究

文檔作者：孫靈芳宮遠洋文檔來源：東北電力大學自動化工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年08月08日
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第34卷第2期計算機仿真2017年02月
文章編號：1006—9348(2017)02—0170—05
火電機組鍋爐爐膛負壓優(yōu)化策略研究
孫靈芳．宮遠洋
(東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012)
摘要：為研究火電機組鍋爐爐膛負壓控制技術(shù)，利用機理方法建立鍋爐煙氣壓力數(shù)學模型，建模過程中采用分塊建模方法，
對鍋爐內(nèi)不同區(qū)域進行建模。由于快速甩負荷(FCB)過程屬于火電機組運行的極端工況，爐膛壓力控制如果對此工況適應(yīng)
即適應(yīng)所有工況，所以采用FCB工況對所建模型進行仿真。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，水平煙道和尾部煙道壓力變化趨勢與之類似；切磨時間間隔大，甩負荷過程中爐膛負壓下降的最低點就越小。對于機組
旁路容量大、機組負荷適應(yīng)性強的機組，可適當增加甩負荷過程切磨時間間隔來減小爐膛壓力的下降值，對于汽水系統(tǒng)熱慣
性小的機組，可以少切一臺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，有利于爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：快速甩負荷；建模；爐膛負壓；機理
中圖分類號：TP391．9 文獻標識碼：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
了進入爐膛的風量與流出爐膛的煙氣量的平衡關(guān)系¨’2。。火
電機組采用平衡的通風方式，即在風煙系統(tǒng)中同時裝設(shè)送風
機和引風機，利用送風機克服送風管道和燃燒器的阻力，利
用引風機克服爐膛、受熱面等阻力’3j。爐膛負壓是否在規(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)濟的運行，如爐膛負壓過
低，會有大量冷空氣從爐膛不嚴密處漏入，既增加了鍋爐排
煙熱損失，又會增加引風機電耗；爐膛處于正壓運行，會造成
煙氣從爐膛不嚴密處漏出，既會污染鍋爐廠房的環(huán)境，又會
增加熱損失。4 o。
火電機組FCB過程是指當電廠內(nèi)部或電網(wǎng)發(fā)生故障，發(fā)
電機組與電網(wǎng)解列瞬間甩掉全部對外負荷，并保持鍋爐低負
荷帶廠用電運行一’6J。由于FCB過程中，發(fā)電機組瞬間甩掉
全部對外負荷將導致主蒸汽壓力的飛升，旁路、安全門及pcv
萬方數(shù)據(jù)
的快開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組負荷不匹配，通常在FCB發(fā)生時機組
采用快速切除幾臺磨的方式來降低燃料量。由于鍋爐的燃
料量的快速減少，燃燒率的迅速降低，將導致機組風煤配比
不合適，引起爐膛壓力大幅度波動，導致爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)，嚴重
的將導致爐膛滅火甚至爐膛“內(nèi)爆”。
劉鑫屏等利用機理建模方法得到煤量對爐膛壓力的傳
遞函數(shù)，并進行了頻域分析，得出了在低負荷工況下爐膛壓
力波動是由對象自身非線性特性造成的。71。田亮等借鑒小
波分析思想對不同信號的各個分量之間進行相關(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
夠反映鍋爐燃燒強度的變化舊J。于國強等為提高能源利用
率在機組上裝設(shè)三臺引風機，并解決了原有雙引風機控制策
略不適用于三引風機的控制策略，提高了爐膛壓力調(diào)節(jié)回路
自適應(yīng)能力。?。程星星等對不同結(jié)構(gòu)、負荷、容量的鍋爐進
行了內(nèi)爆模擬，結(jié)果表明內(nèi)爆強度隨鍋爐負荷、容量的增大
而增大。1 0I。
對于快速甩負荷(FCB)這種機組極端工況，由于磨煤機
的切除，燃料量的驟減，將對爐膛壓力造成極大的影響?’”1。
現(xiàn)階段對于爐膛壓力研究還處于常規(guī)工況，對于FCB這種機
組極端工況爐膛壓力研究的很少。本文采用機理方法建立
鍋爐煙氣壓力數(shù)學模型，建立過程中采用分塊建模方法，對
鍋爐內(nèi)不同區(qū)域進行建模，由此引入鍋爐爐膛壓力變化對水
平煙道及尾部煙道煙氣壓力的影響。利用Matlab／Simulink
仿真平臺對所建數(shù)學模型進行二次建模，并對模型進行FCB
工況仿真。利用建模方式進行爐膛壓力研究避免了現(xiàn)場試
驗的危險性，并且對模型調(diào)整即可適用于其它類型機組。
2模型對象描述
根據(jù)爐內(nèi)結(jié)構(gòu)及爐內(nèi)各個受熱面的布置，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區(qū)域進行
建模，如圖1所示，第一區(qū)域為鍋爐爐膛，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
煙道中的屏式過熱器、屏式再熱器、高溫再熱器；第六、七區(qū)
域為尾部煙道中的低溫過熱器和省煤器。
3數(shù)學模型的建立
鍋爐煙氣壓力數(shù)學模型包括：爐膛數(shù)學模型、水平煙道
數(shù)學模型和尾部煙道數(shù)學模型。
3．1爐膛數(shù)學模型¨引
由磨煤機磨制的煤粉及一、二次風經(jīng)燃燒器進入爐膛，
在爐膛內(nèi)充分燃燒放熱形成高溫煙氣。高溫煙氣對水冷壁
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
分隔屏進行輻射換熱。
建立仿真模型時，作出如下假設(shè)：
1)假設(shè)進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屏式過熱器．
6．屏式再熱器．7．高溫再熱器．8高溫過熱器．9低溫過熱器，10省煤器
圖l鍋爐結(jié)構(gòu)總圖
2)假設(shè)分隔屏過熱器只存在輻射換熱。
3)假設(shè)進入爐膛的風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，盯為進入爐膛的燃料量；WA為進入爐膛的空氣量；
％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。
動量守恒方程
WG=k√PF—Ppz 031
其中，k為經(jīng)驗系數(shù)；P，為爐膛壓力；尸。為屏式過熱器區(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)學模型
由爐膛流出的高溫煙氣分別流過水平煙道和尾部煙道，
依此流經(jīng)的受熱面是屏式過熱器、屏式再熱器、高溫再熱器、
高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器。將每個受熱面劃分為一
個區(qū)域進行建模。
建立仿真模型時，作出如下假設(shè)：
1)假設(shè)每個區(qū)域中的換熱只存在于換熱面和煙氣之
間，無其它熱量損失。
一171—
萬方數(shù)據(jù)
2)假設(shè)鍋爐煙道無漏風量。
因為水平煙道及尾部煙道的六個模型類似，所以只對屏
式過熱器進行描述。
質(zhì)量守恒方程
耽一％=k魯(6)
其中，％為屏式過熱器處煙氣流量；Lg為屏式過熱器處容
積；p。為屏式過熱器處煙氣密度。
能量守恒
Wch。一％k—Q。以警(7)
其中，hpg為屏式過熱器處煙氣焓；Qpg為屏式過熱器對流吸
熱量。
動量守恒
W。=xpE、／P Pg—Pp： 081
其中，A。為經(jīng)驗系數(shù)；PP2為屏式再熱器區(qū)域壓力。
對流傳熱方程‘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”分別為屏式過熱器進出端口煙氣溫度；t 7，，分別
為屏式過熱器內(nèi)工質(zhì)進出口處溫度。
4模型正確性驗證
利用Matlab／Simulink仿真平臺對以上數(shù)學模型進行二
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、擺動燃燒器調(diào)
溫，固態(tài)除渣、平衡通風。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，上排一次風噴口中心線至屏底距離20．02m，
下排一次風噴口中心線至灰斗拐角為4．15m。爐膛截面熱
負荷為3．83MW／m2，容積熱負荷為80．96kW／m3。
對simulink所建模型進行100％ECR減負荷仿真，仿真
結(jié)果如圖3所示，隨著燃料量的減少，爐膛負壓先減小后增
一】72一
圖2鍋爐仿真框圖
加，通過與文獻[15，16]對比，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減負荷過程爐膛壓力變化
5 FCB過程爐膛壓力仿真
由于機組運行過程中對爐膛壓力波動影響最大的是燃
料量的變化，所以這里選用機組燃料變化的極端情況，即機
組快速甩負荷(FCB)過程來對爐膛壓力進行仿真。
當電廠或電網(wǎng)發(fā)生故障觸發(fā)機組FCB后，機組會選擇切
磨的方式進行減負荷，同時快開高壓旁路、壓力調(diào)節(jié)閥門
(PCV)等進行主蒸汽泄壓。．燃料量的驟降會對爐內(nèi)燃燒產(chǎn)
生較大影響，進而導致爐膛壓力產(chǎn)生較大波動。
5．1 FCB過程鍋爐不同區(qū)域壓力仿真
本文選用與珠海電廠FCB停磨策略相同的時間間隔進
行仿真，即每隔l s切一臺磨Ⅲ1。FCB仿真從第500s開始切
除第一臺磨，然后每隔1 S切一臺，F(xiàn)CB過程燃料量變化如圖
4所示。
圖4 FCB過程燃料量變化
萬方數(shù)據(jù)
如圖5一11為FCB發(fā)生后爐內(nèi)各個區(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
通過觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，機組在第500s發(fā)生FCB，爐膛
負壓瞬間減小至一500Pa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跟爐膛壓力變
化趨勢大致相同，但各個區(qū)域的壓力穩(wěn)態(tài)值都要高于100％
ECR時候各個區(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時壓力穩(wěn)態(tài)值差值越大。
圖9高溫過熱器區(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，越靠近引風機區(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低溫過熱器區(qū)域壓力
圖11省煤器區(qū)域壓力
由以上對FCB過程鍋爐內(nèi)各個區(qū)域煙氣壓力的分析可
知，隨之燃料量的驟減，爐膛壓力會先減后增，其余各個區(qū)域
的煙氣壓力變化與之類似，考慮到爐膛負壓穩(wěn)態(tài)值可在機組
自身條件符合范圍內(nèi)上下變化，對于不同機組可適當調(diào)節(jié)引
風風量使各個區(qū)域壓力在適當范圍內(nèi)。
5．2 FCB爐膛壓力與切磨時間間隔仿真
在眾多FCB現(xiàn)場試驗中，F(xiàn)CB過程都要進行磨煤機的切
除以及維持爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定，爐膛負壓變化可以快速反映出
爐內(nèi)的燃燒情況，文獻[17]中提到廣東珠海電廠FCB發(fā)生
后每隔1 S切一臺磨煤機，最后保留中間兩臺磨煤機運行；文
獻[18]中提到印尼Indramayu電廠在FCB發(fā)生后延時5s切
一臺上層磨，8s后切除另一臺上層磨；文獻[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，調(diào)整給煤
一173—
萬方數(shù)據(jù)
量至42～43t／h，10s后停E磨煤機。
如圖12所示，利用上述文獻中的停磨策略，對本文所建
模型進行FCB爐膛壓力仿真，珠海電廠方式切磨時間間隔最
短，爐膛負壓波動最大，且爐膛負壓達到最低值也最大；In．
dramayu電廠切磨時間間隔是5s和8s，相對于珠海電廠模式
爐膛負壓波動有所減小，但在第5s到第17s左右有上下波
動；布連電廠兩臺磨的切磨時間間隔是10s，在這10s之內(nèi)通
過調(diào)整給煤量進行減負荷，由曲線可以看出第3秒到第lOs
左右爐膛負壓維持在一270Pa左右，第13s后爐膛負壓開始
回升。
O
，一200
g
型一l(】o
500 520 540 560 5舳
時間k
圖12 FCB不同切磨策略爐膛壓力變化
由以上對三種不同切磨控制策略仿真可以看出，切磨時
間間隔越短爐膛負壓降的最低值就越大，適當增加切磨的時
間間隔可以減小爐膛負壓的下降值，有利于爐內(nèi)燃燒環(huán)境的
穩(wěn)定；同時，如果機組可以少切一臺磨而選擇減煤量的方式
甩負荷，可以減小FCB過程中爐膛壓力的波動，有利于爐膛
燃燒。
6結(jié)論
利用機理方法建立鍋爐煙氣壓力數(shù)學模型，進行了機組
極端工況FCB過程爐膛及水平煙道和尾部煙道煙氣壓力分
析，以及FCB過程不同燃料控制策略的仿真。
1)切磨時間間隔越大，甩負荷過程中爐膛負壓下降的
就越小。
2)對于可以選擇少切一臺磨而選擇減小給煤量的方式
實現(xiàn)FCB的機組，即汽水系統(tǒng)熱慣性小的機組，可以少切一
臺磨而選擇減小給煤量的控制策略。
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【作者簡介]
孫靈芳(1970一)，男(漢族)，山東省巨野人，教授，
碩士研究生導師，主要研究領(lǐng)域為熱工過程先進控
制、先進控制理論、換熱設(shè)備污垢與預(yù)測。
宮遠洋(1989一)，男(漢族)，吉林省吉林市人，碩
士研究生，主要研究領(lǐng)域為熱工過程先進控制。^酗

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