生物质振动炉排锅炉的炉膛压力周期性波动分析.pdf

第 33 卷 第 14 期 电 网 技 术 Vol. 33 No. 14 2009 年 7 月 Power System Technology Jul. 2009 文章编号1000- 3673（2009）14- 0084- 05 中图分类号TK6 文献标志码A 学科代码4806060 生物质振动炉排锅炉的 炉膛压力周期性波动分析 王乐 1，杨秀媛2，王志凯1，宋洁1，赵碧光1 （1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2．北京信息科技大学 自动化学院，北京市 海淀区 100192） Analysis on Furnace Pressure Cyclical Fluctuations of Biomass Vibrating- Grate Boiler WANG Le1，YANG Xiu- yuan2，WANG Zhi- kai1，SONG Jie1，ZHAO Bi- guang1 （1．China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China； 2．School of Automation，Beijing Ination Science in the second stage, the fluctuation of furnance pressure is similar to the furnance pressure pulsation in coal- fired boilers, and it will not impact the steady operation of furnance while the feeding system operates steadily. Simulation results show that reasonably setting grate vibration time and its stopping vibration time can make the fluctuation in the first stage within a smaller secure range; and reasonable air volume allocation is favorable to stabilize furnance pressure, ameliorate combustion condition and improve boiler thermal efficiency. KEY WORDS biomass；combustion generation；vibrating grate；furnace pressure；periodical fluctuation 摘要 采用振动炉排高温高压锅炉的生物质直燃发电技术被 我国引进并推广。 炉排的周期性振动会导致炉膛压力的周期 性波动。 由该文的分析可知， 炉膛压力的波动可分为 2 个阶 段 第 1 阶段炉膛压力的剧烈波动是炉排上燃料和灰渣形成 的流动阻力随炉排振动产生周期性变化引起的； 第 2 阶段炉 膛压力的波动类似于燃煤锅炉的炉膛压力脉动， 在给料系统 稳定运行的前提下不会影响锅炉的稳定运行。仿真结果表 明 合理设置炉排振动的时间和停振时间可以将炉膛压力的 第 1 阶段波动控制在较小的安全范围内； 合理的风量分配有 利于稳定炉膛压力、改善燃烧情况、提高锅炉热效率。 基金项目北京市教委科技发展计划面上项目KM200811232005。 Scientific Research Common Program of Beijing Municipal Commission of EducationKM200811232005. 关键词生物质；直燃发电；振动炉排；炉膛压力；周期性 波动 0 引言 我国能源结构以煤炭为主，煤炭所占比重达 70左右。煤炭是不可再生的化石燃料，过度使用 化石燃料会带来温室效应、酸雨等环境问题，因此 改变能源利用结构是未来能源发展与利用的主要 方向。为了维护我国能源安全，保护环境，2006 年 1 月我国颁布实施的可再生能源法指出，发展 可再生能源成为我国解决能源问题的重要举措。生 物质发电作为清洁的可再生能源，对改善我国能源 结构，减少我国对化石燃料的依赖，进而减少我国 二氧化碳和二氧化硫等污染物的排放，最终缓解能 源消耗给环境造成的压力有重要意义[1]。 生物质大型直燃锅炉从燃烧方式上主要分为 流化床锅炉和层燃锅炉，其技术在欧美等发达国家 都已经趋于成熟[2]。而采用振动炉排高温高压锅炉 的生物质直燃发电技术是经过国外多年实践的成 熟先进技术，并被联合国列为全球推广项目。水冷 振动炉排是以振动方式周期性地加入燃料和排出 灰渣的炉排。燃料在炉排上由于振动而被抛起，边 燃烧边跳跃前进， 炉渣由炉排末端排入渣池[3- 4]。 振 动炉排技术十分适合燃用生物质燃料，它能够自动 匀料、拨火，改善预燃烧，这对于保证水分含量相 对较高的生物质燃料充分燃烧有重要意义。相比于 链条炉、往复炉排路，振动炉排活动部件少，金属 耗量低，比相同参数的链条炉所用的活动部件少 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第 33 卷 第 14 期 电 网 技 术 85 1/3[5]。振动炉排炉的锅炉采用高温高压参数，其热 效率高达 96，比同规模的中温中压锅炉高 8[6]。 近几年，我国生物质直燃发电技术发展较快，主要 就是引进了水冷振动炉排技术及设备。目前国内采 用该技术的电厂已经有 13 家，这些电厂相继投产 发电。 在锅炉运行过程中，炉排的周期性振动导致锅 炉运行状态随振动存在明显的周期性，主要体现在 炉膛压力的周期性波动和炉膛温度的周期性波动， 这给锅炉的自动化控制带来了周期性扰动。本文将 主要讨论炉膛压力随炉排振动的周期性变化情况。 1 锅炉风烟系统简介 炉膛压力是锅炉送引风量、燃料量和炉内燃烧 状态的综合体现。当炉内燃烧不稳或给料、配风系 统出现问题时，炉内的平衡瞬间被打破。由于风烟 系统的调节无法快速变化，炉膛压力在瞬间急剧变 化，这导致电厂易发生安全事故[7]，这正是炉膛压 力被引入锅炉安全保护系统的重要原因。炉排的振 动给控制、保护系统带来了周期性扰动，为控制系 统提出了更高的要求。在分析炉膛压力波动情况之 前，在此先介绍锅炉的风烟系统概况。 风烟系统主要由炉膛、炉排风室、烟道、各级 换热器、送风机、引风机及若干调节风门组成。送 风机控制入炉风量，以保证在某一负荷下为锅炉提 供充足的空气。引风机通过调节出炉烟气量控制炉 膛压力。空气经过加热后分配成三路炉排风、一路 播料风和四路二次风。三路炉排风分别进入各自风 室，透过炉排进入炉膛。炉膛前、后墙上二次风调 节风门控制二次风总管压力，其它路风则受各自风 室流量和压力的控制。根据进出炉膛的风量、炉膛 温度及炉膛容量设置炉膛压力，稳定控制各路风 量、 风压有利于实现炉膛内温度场、 压力场的调节， 从而保证锅炉燃烧的稳定和机组的安全运行。 2 炉膛压力的波动情况与分析 某大型直燃生物质能电厂锅炉在运行期间，送 引风机处于定速运行状态，各个风门挡板都在固定 位置。 炉膛压力随炉排振动的波动情况见图 1。 运行 人员通过手动控制将炉膛压力维持在−200 Pa 左右， 如图中黑色实线所示，炉排每隔 200 s 振动一次，振 动时间为 20 s，如图中点划线所示。由图 1 可知，炉 膛压力保持在−200 Pa运行设定值左右波动，波动 周期约为 220 s。该波动可分 2 个阶段第 1 个阶段 09.35 09.40 09.45 09.50 09.55 −400 −300 −200 −100 0 100 时刻 炉膛压力/Pa 图 1 炉膛压力随炉排振动的波动情况 Fig. 1 The fluctuations of furnace pressure with the grate vibration 是在每次炉排振动前后到振动 1 min 左右这段时间， 炉膛压力首先下降到−350 Pa 左右，然后炉排的振动 压力迅速提高到−50 Pa，再骤降到−150 Pa 左右；第 2 个阶段是每个周期的剩余时间， 在这个阶段， 炉膛 压力在趋势上由−150 Pa 缓慢下降到−200 Pa 左右， 此过程中有炉膛压力不规则的脉动。 本文认为第 1 阶段炉膛压力剧烈变化的原因 主要是炉排上燃料和灰渣形成的阻力对炉排风流 量产生的影响，这种影响使风量分配失去了平衡。 在炉排振动前，燃料和灰渣经过一个周期的下降， 沉积在炉排表面，风阻迅速增大，这导致炉排风 流量远小于正常水平，炉排风室的压力逐渐升高。 在引风量基本不变的情况下，炉膛压力骤降到 −350 Pa 左右。之后，炉排开始振动，燃料受力翻 滚，炉渣落入渣池，炉排风阻迅速减小，风室中 形成的高压瞬间得到释放，炉排风流量显著增大 并导致炉膛压力升高。同时，随着炉排的振动， 燃料被炉排风吹入炉膛呈悬浮状态，经受热快速 分解并释放大量可燃气体。部分生物质的工业分 析结果见表 1。由表 1 可知，生物质燃料的挥发分 含量高， 其值普遍在 70左右[8]。挥发份在受热后 容易从燃料中析出，分解为小分子气体。于是在 炉排风量增大和燃料快速分解这两种作用下，炉 膛压力迅速升高到−50 Pa 左右。 表 1 部分生物质的工业分析结果 Tab. 1 The industry analysis results of some biomass 种类 水分/ 灰分/ 挥发分/ 固定碳/ 豆秸 5.10 3.13 74.65 17.12 稻草 4.97 13.86 65.11 16.06 稻壳 4.70 15.8 69.30 10.20 玉米秸 4.87 5.93 71.95 17.75 高粱秸 4.71 8.91 68.90 17.48 谷草 5.33 8.95 66.93 18.79 麦秸 4.93 8.90 67.36 19.35 棉花秸 6.87 3.97 68.54 20.71 炉排的停振对炉排风阻的影响是缓慢的。随着 炉排风压、风量恢复到正常水平以及燃料受热分解 高峰的结束，炉膛压力恢复到−100 Pa 左右，炉膛 压力的波动进入第 2 阶段。由于新燃料被播撒在炉 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 86 王乐等生物质振动炉排锅炉的炉膛压力周期性波动分析 Vol. 33 No. 14 排，未燃烧充分的燃料和炉渣重新落到炉排，炉排 风阻因此而缓慢上升，炉排风流量维持在正常水平 并呈现缓慢下降的趋势，炉膛压力也逐渐变化到 −250 Pa。 对于在这个相对稳定的过程中炉膛压力发 生的不规则脉动，本文认为这与燃煤锅炉炉膛压力 的脉动情况类似。 文献[9]认为送入炉膛的燃料量或 燃料的热值在时域上存在波动，这使得燃料在炉膛 中放出的燃烧生成热会随之波动，这种热波动引起 了炉膛压力的波动。这种波动的发生虽然有一定随 机性，但是当锅炉的给料系统能够稳定运行时，此 波动能够在一定振幅内保持稳定，并不会给锅炉的 稳定运行带来过多伤害。第 1 阶段炉膛压力的变化 较剧烈，如果压力长时间冲高甚至会引起炉膛保护 系统动作。 3 炉膛压力波动的仿真结果与分析 本文以中国电力科学研究院 EPIA2000 系统为 平台[10]，借鉴机理模型的建模方法，参考文献[11- 20] 的建模方法和研究成果，通过模块化和网络化技 术，建立了图 2 所示的振动炉排锅炉全系统仿真模 型，利用相对独立的风烟系统模型对炉膛压力随炉 排振动而周期性波动的情况进行深入研究。 本文假设空气或烟气的流动阻力都存在于以 字母标识的设备中，而以数字标识的管道等设备中 并不存在流动阻力。 A B C D E G H 1 2 3 5 4 F A送风机；B空预器；C二次风门；D播料风门； E炉排风门；F炉排；G烟道受热面；H引风机； 1送风管道；2总风管；3风室；4炉膛；5引风管道。 图 2 风烟系统简图 Fig. 2 The sketch map of air and fluegas system 根据连续性方程、动量方程和工质状态方程对 图 2 的各个环节建立如下模型 1 2 1 d d / d d i jji iijji DDV PPD PT PT ρ τ ζρ ρρρ τττ  −   −   ∂∂∂∂  ∂∂∂∂ 式中DP、分别为设备的流量、压力； Tρ、分别 为介质密度、温度；V 为设备的容积；ζ 为设备的 阻力系数，下标 i 和 j 分别表示图 2 中数字和字母 标识的设备。 对于除去炉膛的一般环节，压力–流量通道的 动态变化远比焓温通道变化快，因此可以忽略温度 变化对介质密度的影响[11]，则有 1 d d ii jji i P DDV P ρ τ ∂ − ∂ 各个设备的压力、流量动态特性方程分别为 1 1 / / ijji jiij PDDc s DPPR − − 式中c 为设备的容量系数；R 为设备的动态流通 阻力；s 为拉普拉斯算子。 对于炉膛环节， 由于烟气温度在炉膛里变化剧烈 且对介质密度影响较大， 因此不能忽略烟气温度的影 响。 炉膛温度变化迅速， 因此在建模中未考虑其动态 变化过程，而采用了工程上常用的计算公式[12]。炉 膛环节的数学模型如下 2 45GG4 4 4airG airCDF 444 4 a 4 30.6 a4 / d d 1[/] PPD VDBD DDDD PR T T T M TBC ζρ ρ τ ρ − − 式中 air D为各路风量之和；B 为锅炉给料量； a T 为 燃料的绝热燃烧温度；M 为反应火焰中心位置参数； C 为烟气比热容。 风机是风烟系统介质流动的动力源。送、引风 机模型采用比例定律，根据风机的设计参数确定其 出、进口压力。风机全压为 2 s ss n PP n ρ ρ 式中ρ为介质密度；n 为转速；下标s 表示相应的 设计参数。 最终将各个环节连接成风烟系统模型，其结构 如图 3 所示。图中 为设备的阀门开度；R 为设 备的动态流通阻力。 综上分析，炉排风的阻力不仅出现在调节风门 环节，也出现在炉排环节。当调节风门时，流阻 E f 的变化会导致炉排风流量的变化，而炉排振 动时 RF随之发生变化，炉排风流量也会有变化， 因此炉排风阻 RF可以认为是炉排振动周期的周期 性函数。据此，本文模拟出了 2009 年 3 月 20 日某 时段炉膛压力随炉排振动的周期性变化情况，如图 4 所示。由图 4 可以看出，该仿真结果与现场情况 基本一致。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 第 33 卷 第 14 期 电 网 技 术 87 1/c2 s RB Σ Σ C Σ Σ Σ Σ 3 Σ Σ Σ G G Σ D E DB P1 _ P2 DC DD fC fD fE _ _ _ DE 1/c3 s P3 RF DF Dair P5 P4 _ 锅炉 燃烧率 RG DG _ 炉膛 压力 膜块 图 3 风烟系统的控制结构 Fig. 3 The control structure of air and fluegas system model 1333 −280 时刻 炉膛压力/Pa −360 −200 1342 1451 1400 −120 图 4 炉膛压力随炉排振动波动的仿真结果 Fig. 4 The fluctuation simulation results of furnace pressure with the grate vibration 4 炉膛压力控制系统的改进 炉膛压力大范围地波动对保持锅炉的安全稳定 运行十分不利。炉排的振动和炉排风流量显著增加 使燃料迅速分解并释放大量可燃气体。而炉排风流 量增加的同时，二次风总风管压力下降，这导致各 路二次风流量下降，尤其是上二次风流量下降，这 很可能导致燃料的二次燃烧不完全，存在烟道尾部 燃烧的隐患。文献[21]指出，炉排风流量过大还会 造成炉内气流流动阻力增大，这样与二次风的混合 区域会偏离中心，从而推迟着火时间，缩短炉内燃 料燃烧的停留时间，降低锅炉的燃烧效率。此外， 各路风流量、风压的频繁变化还会导致炉膛火焰中 心频繁波动、炉膛正压运行等不良情况。 针对这种情况，本文认为可以适当缩短炉排停 振时间，在炉排风阻还未显著上升而影响炉排风流 量时，及时令炉排再次振动，使炉排风阻保持在一 个相对稳定的水平，从而使炉膛压力也相对稳定。 基于此，2009 年 3 月 20 日本文对缩短炉排停振时 间的情况进行了仿真，结果如图 5 所示。由图 5 可 见，炉膛压力在−260 −200 Pa 范围内波动，波动范 围显著缩小。在炉排振动前，炉膛压力没有出现迅 速下降的情况。随着炉排的振动，炉膛压力仍会有 1418 −240 时刻 炉膛压力/Pa −200 −120 −160 1427 1436 1445 图 5 改进后炉膛压力随炉排振动波动的仿真结果 Fig. 5 The simulation of the fluctuations of furnace pressure with the grate vibration after adjusting 所上升并缓慢下降，这与炉排风阻先较快下降再缓 慢上升有关， 也与炉排振动加剧了燃料的分解有关。 可见，适当缩短炉排停振时间能够有效改善炉膛压 力大范围波动的情况。但增加炉排振动频率会增加 燃料的损失，减少燃料在炉排上的停留时间，增加 燃料燃烬的难度，还会增加全厂的厂用电量[22]，因 此需要运行人员统筹考虑锅炉效率、厂用电负荷、 全厂效率、机组的安全性经济性等因素，确定炉排 振动时间和停振时间。 针对随着炉排振动可能出现的炉排风过量、二 次风不足的情况，本文考虑可以通过自动控制逻辑 在炉排振动前预先降低炉排风压力，同时增加上二 次风压，以便在炉排振动时，部分抵消炉排振动的 作用，尽量满足燃料完全燃烧的条件。 5 结论 通过对生物质振动炉排锅炉炉膛压力的周期性 波动进行分析，并进行建模仿真试验研究，本文得 出了以下结论 1） 炉膛压力随炉排的振动发生周期性波动， 波 动分为 2 个阶段，其中第 1 阶段波动较剧烈，第 2 阶段波动范围较小，其脉动情况与燃料燃烧情况有 关，并不会对锅炉的安全运行造成影响。 2） 第 1 阶段炉膛压力的剧烈波动是由于炉排风 阻随振动的周期性变化引起的。 3） 通过适当缩短炉排停振时间， 可以降低炉膛 压力波动的程度， 使炉膛压力维持在可控的范围内。 运行人员需要统筹考虑多方面因素，确定炉排振动 时间和停振时间。 参考文献 [1] 阴秀丽，吴创之．生物质气化对减少 CO2排放的作用[J]．太阳能 学报，2000，21140- 44． Yin Xiuli，Wu Chuangzhi．The effect of biomass gasification on reducing CO2 emission[J]． Acta Energiae Solaris Sinica， 2000， 211 40- 44in Chinese． PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 88 王乐等生物质振动炉排锅炉的炉膛压力周期性波动分析 Vol. 33 No. 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