循环流化床电厂仿真系统
300MW循环流化床的仿真建模
李金晶 , 等 : 300 M W 循环流化床的仿真 建模
1815
域。 上部快速床区域内 , 随着高度的增加物料浓度降 低。 对物料浓度随高度衰减规律的数学描述 , 有指数 衰减规律( 式 ( 1) ) 和 S 型分布规律两类 ( 式( 2) ) 。 ( h) =
∞
2. 1. 4 裤衩腿型炉膛的复合压降特性 基于 单 炉 膛复 合 压 降 模型 , 针 对 300 M W CF B 也可建立裤衩腿结构炉膛的复合压降模型。图 3 为裤衩腿结构炉膛的风烟系统图。U 为表观流化 风速 , p 0 为空气预热器出口压力, p 为炉膛上部的 引风负压。 按照产 - 1 和 - 2 分别代表左右两侧炉膛。 生压降的类型和所处位置不同 , 将风门、 风箱和布风 板统一视为节流件, 产生的摩擦阻力记为 p f ( p f ∝U ) ; 将裤腿和对应一侧的上部炉膛视为床压件 , 物料质量产生的床压降为 p Ms 。则有恒等式 p f- 1 + p M s- 1 = p f- 2 + p Ms - 2 = p 0 - p .
300 M W 循环流化床 ( CFB ) 锅炉是目前国际上 投入运行的最大容量的循环流化床锅炉, 至今我国 已有 8 台运行, 还有数十台在建。其中典型的 Al -
1814
清 华 大 学 学 报 49( 11)
图 1 Alstom 300 MW 循环 流化床锅炉示意图
从两支腿内侧布置的二次风相当于直接从炉膛截面 的中心处给入 , 从而增强了炉膛内燃料与氧气的混 合。 实践表明, 该结构是非常奏效的。 即使燃用难燃 的低挥发分无烟煤, 飞灰含碳量也能低于 5% 。 但是 相对于以往的单炉膛形式的循环流化床, 这一结构 形式的变化也给锅炉的运行控制增加了难度。因为 裤衩腿炉膛两侧流动不可能做到完全对称, 流动差 异的存在导致了炉膛上部的横向物料转移, 如果不 加入自动控制 , 将出现一侧炉膛内的物料被吹空而 另一侧被堆积的床料压塌, 即“ 翻床” 事故。 外置式换热床具有良好的床温调节特性和受热 面无结焦的优点 , 同时由于外置换热床中储存有大 量的循环物料 , 4 个外置床的总存料量要大于炉膛 内存料量, 其热惯性也较大 , 在启动中也需要花费很 长的时间 ( 2～ 3 h ) 来加热外置床中的冷床料。运行 中 , 通过控制回料阀流向外置床的循环灰流率, 能方 便地控制过热蒸汽和再热蒸汽的温度 , 也是调节蒸 汽温度的重要手段之一。
热电仿真操作步骤
150MW热电仿真操作
1、锅炉点火、升压操作步骤
进入150MW循环流化床锅炉DCS界面找到机组点击右键
star 90 点启动、快速启动初始条件6、点运行检
查汽包、凝汽器液位，将两处进水阀投入自动启动水环真空
泵、轴加风机进主再热蒸汽系统，开启高（20%）、低（40%）
压蒸汽旁路开轴封蒸汽阀门10-15%，汽封母管减温水阀3-5% 打开MFT，准备点火先打开回油（8-10%），再开进油阀门（全
开）点火，油枪顺启（自动模式）除氧给水系统，打开
辅汽加热阀主汽温升至接近150℃，主汽压1.0MPa，准备汽
机冲转。
2、汽轮机冲转、并网操作步骤
主蒸汽压力缓慢升至1MPa，主汽温150℃，准备汽机冲转
关DCS系统，开就地系统点汽机，出现汽机就地操作站
点EH油系统，按ETS复位按钮，点退出EXIT. 返回DCS
操作系统回1#汽机 ETS 汽机冲转条件具备，由总
目录打开汽机DEH系统点自动限制，压力限制值100
设定汽轮机升速率和目标转速汽轮机挂闸、定速
发变组保护各柜、起备变开关复位投入励磁装置
发变组系统同期装置并网成功，机组带初负荷。
3、锅炉机组升负荷操作步骤
给煤投入冷渣投入油枪顺停
高低加投入辅加蒸汽切换汽轮机侧升负荷锅炉侧升负荷厂用电切换升负荷至150±5MW。
循环流化床CFBC锅炉系统仿真演示器的研制
循环流化床(CFBC)锅炉系统仿真演示器的研制3清华大学,北京 100084 倪维斗 李 政 孙 苟建兵 岳光溪达实自动化工程公司,深圳 518001 邓欣 程鹏胜摘 要 以某75t h循环流化床锅炉为对象,开发了包括流化床数学模型,硬件接口与Honeyw ell模块自动控制系统在内的仿真演示器。
它应用了清华大学在流化床模型,动态物料平衡及风烟流体网络方面研究的长期研究成果,能够比较正确地反映和演示流化床锅炉的实际运行及控制情况。
该系统的研制成功也为进一步研究燃烧控制策略打下了基础。
关键词 循环流化床 仿真 控制引言循环流化床锅炉是近二十年来发展起来的新型高效低污染燃烧设备,是解决我国燃煤污染的重要途径之一。
经过三个五年计划的研究和开发,国产循环流化床燃烧技术得到了较大的发展,正日益趋向成熟。
在这种形势下,提高流化床锅炉的自动化控制水平已成为现实的迫切需要。
循环流化床锅炉的控制尤其是燃烧控制,同常规煤粉锅炉相比具有较大的差异。
为了深入研究循环床锅炉的控制策略,清华大学热能工程系针对某75t h循环流化床锅炉,开发了循环流化床锅炉及其辅助系统仿真数学模型,并通过硬件接口与实际控制系统连接,构成了循环流化床锅炉及其控制系统的仿真演示器(CFB-D E M O)。
其主要目的在于直观演示控制系统对循环床锅炉的有效控制能力,同时也为研究流化床锅炉的控制策略与规律提供有用的工具。
实际上,该项工作也为今后开发循环流化床锅炉仿真培训器打下了基础。
11 仿真演示器的构成如图1所示。
21 循环流化床锅炉动态数学模型如图2示,循环流化床锅炉数学模型包括流化床本体,蒸汽发生器系统,送、引风系统的数学模型,以及模型内置的汽包水位及流化床排渣自动控制系统。
内置控制系统的存在,使得模型不仅可以脱离外部硬件控制系统单独运行,而且也有助于控制系统的无扰投入。
下面简要介绍主要的数学模型。
3本课题由国家攀登B项目资助本文收稿日期:1996-09-20图1 循环流化床锅炉及其控制系统仿真演示器构成示意图图2 循环流化床锅炉系统仿真模型图形化程序211 循环流化床数学模型此模型为演示器系统的核心。
440t／h循环流化床锅炉整体动态模型及仿真
型［ 的基 础上 ， 循 环 流 化 床 锅 炉 沿 着炉膛 高度 方 向 ３ 将 分为密 相 区和稀 相 区两 个部 分 ， 各个部 分集 中参数 化 ， 分 别对两 个 部分 的 氧气浓 度 、 床料 质量 、 残炭质 量 以及 相 区总能 量进 行衡 算 ， 立 了 以 给煤 、 、 给风 和排 建 一 二
难点 ． 数学模 型方 法 是研 究循 环 流 化 床 锅 炉 动 态 特 性
的一 个重要 手段 ； 建立 能用 于分 析 和 研 究 锅 炉 动 态 特
性， 并能够 预测其 静 态 和动 态特 性 的循 环 流 化 床 锅 炉 的整 体动态 模型 已成 为现 实 的迫 切需要 ． 国 内外 已有不 少关 于循 环 流化 床锅 炉 机理模 型 的 研 究 ， 包括 了燃 烧模 型和 汽 水 模 型 的整 体 模 型 还较 但 少． 文献 Ｅ － Ｉ］ 利用小 室 法 建 立 Ｃ Ｂ Ｆ Ｂ燃 烧 总体 模 型 ； 但 模 型方 程数庞 大 ， 必影 响 到模 型 的求解 速度 ， 利于 势 不
高度 方 向分 为密 相 区和 稀 相 区两 个 部 分 ， 用 集 中参 应
数 化 方法 ， 立 Ｃ Ｂ 的 燃 烧 动 态 模 型 ； 该 模 型 中 建 ＦＢ 但
本模 型 中 ， 、 相 区传 热系数 采用 程乐鸣 提 出的 密 稀
循环流化床锅炉主蒸汽温度控制系统及仿真
关键词:循环流化床锅炉;主汽温度;PID;控制系统引言传统循环流化床锅炉主蒸汽温度控制采用串级PID控制系统，难以对锅炉主蒸汽温度进行精确控制。
串级PID控制系统的主回路主要包括主调节器(PID控制器)、调节死区和主蒸汽温度变送器。
为了解决控制模型与参数不匹配问题，采用了可变参数PID控制器，该控制器根据控制量和目标量之间的差异实时调整参数比例微分积分的值，并且当受控模型发生变化时，提高系统的控制质量。
然而，PID调节器的参数仍然是偏差或时间线性函数，主蒸汽温度无法达到设定值，由于上述原因，AntonioNevado开发了一种自适应预测控制系统，称为蒸汽温度优化器(STO)，该自适应预测控制系统大大提高了控制精度和稳定性。
项杰和董文博针对系统控制模型的不确定性和非线性串级PID温度控制系统的控制对象，提出了一种基于BP神经网络算法的非线性预测模糊变量控制系统，实验和仿真结果验证了该方法比线性控制算法对蒸汽温度的控制效果更好。
ＲayTK通过对具有实时运行参数的两级SH调温器进行火用分析，确定了优化路径。
但是，目前研究的控制方法主要是基于运行参数的估算计算量，本文将研究基于热力学计算的控制程序以提高循环流化床锅炉主蒸汽温度的控制精度。
1主蒸汽换热系统的设计计算基于Matlab对循环流化床锅炉主蒸汽换热系统进行了模块化设计。
整个模块分为计算模块、换热单元和辅助模块，计算模块分为物理参数、放热计算、炉膛计算，换热单元分为对流受热面、半辐射受热面和减温水计算。
在模型分析的基础上，采用模块化编程方法完成计算系统的编程。
最后，将各模块进行组合，并按计算顺序将各换热单元模块进行连接，形成锅炉主蒸汽换热计算系统。
换热计算方法为:在已知循环流化床锅炉过热器主蒸汽入口温度的情况下，将过热器的出口主蒸汽温度作为高温过热器的入口温度，其传热计算分为热段和冷段———高温过热器部分和过热水的冷部分，通过计算过热器出口主蒸汽温度和过热器入口主蒸汽温度差，结合不同负荷条件下所对应的传热系数，计算得出控制主蒸汽出口温度所需的减温水量，并且在锅炉工况变化的条件下，保证过热器出口主蒸汽温度恒定不变。
热力发电厂应用化学专业实践教学模拟仿真体系的构建
热力发电厂应用化学专业实践教学模拟仿真体系的构建
热力发电厂是利用燃料的热能转化为电能的装置，是实践教学中常见的实验对象。
化学专业是与电力工程紧密相关的学科，因此在热力发电厂的实践教学中，应用化学专业的知识和实践技能非常重要。
为了更好地进行热力发电厂的实践教学，可以建立一个仿真体系来模拟实际的工厂运行情况。
该仿真体系应包含以下几个方面的内容。
仿真体系应包括燃料的燃烧过程。
燃料的燃烧是热力发电厂能量转化的核心过程，也是化学专业知识的重要部分。
通过模拟燃料的燃烧过程，学生可以了解燃料的性质、燃烧的原理和热量的转化过程。
仿真体系还应包括蒸汽轮机和发电机的工作原理。
蒸汽轮机是将高压高温的水蒸汽转化为机械能的装置，而发电机是将机械能转化为电能的装置。
通过模拟蒸汽轮机和发电机的工作原理，学生可以了解机械能和电能的转化过程。
仿真体系还应包括一些实际操作环节的模拟。
学生可以模拟锅炉的燃料供给过程、水循环系统的运行过程和电力传输系统的工作过程。
这些实际操作的模拟可以让学生更加深入地了解热力发电厂的运行原理和实际操作步骤。
热力发电厂的应用化学专业实践教学模拟仿真体系的构建可以帮助学生更加全面地了解热力发电厂的运行原理和实际操作步骤，提高学生的实践能力和综合素质。
这种仿真体系可以在实验室或虚拟实验室中进行，使学生能够在安全、环保的环境中进行实践教学。
该仿真体系还可以与实际的电力工程实践相结合，提高学生的实际应用能力。
循环流化床锅炉模拟仿真设计
循环流化床锅炉模拟仿真设计孙晓晴【摘要】Coal resources in burning will produce a lot of carbon dioxide, sulfur dioxide, etc., which will seriously impede the sustainable development of China's social environment. Therefore, in the protection of coal energy and social environment for the sustainable development of the basic requirements, the clean coal energy becomes the main trend of the current society, and the circulating fluidized bed boiler become the main equipment of coal energy clean. In this paper, takes the Xinxiang HG-440 type circulating fluidized bed boiler as an example to simulate the design, constructs a circulating fluidized bed boiler combustion simulation system,and analyzes the simulation system.%我国在一定时期内仍将会以煤炭为主要能源,煤炭资源在烧烧时会产生大量二氧化碳、硫化气体等,这些污染气体将会严重阻碍我国社会环境的可持续发展.因此,在保障煤炭能源和社会环境可持续发展的基本要求下,煤炭能源的清洁成为当前社会的主要潮流,而循环流化床锅炉成为当前煤炭能源清洁的主要设备.以新乡HG-440型循环流化床锅炉为例进行模拟仿真设计,构建一个循环流化床锅炉燃烧仿真系统,并对最后的模拟仿真系统进行分析.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2015(044)012【总页数】3页(P93-95)【关键词】循环流化床锅炉;燃烧系统;模拟仿真【作者】孙晓晴【作者单位】山西省农业科学院畜牧兽医研究所,山西太原 030032【正文语种】中文【中图分类】TP391.72我国作为全世界的能源大国，我国经济的高速增长离不开能源的支持，能源是我国经济增长的基础。
330MW循环流化床锅炉的建模与仿真的开题报告
330MW循环流化床锅炉的建模与仿真的开题报告
一. 开题背景
循环流化床锅炉是一种以循环流化床作为燃烧器的新型锅炉，具有
燃烧效率高、污染物排放小、燃料适应性强等优点。
目前，循环流化床
锅炉已经在工业生产中得到了广泛应用，而对其进行建模和仿真分析可
以更好地了解其内部工作原理和优化控制方法。
二. 研究内容
本研究旨在对一台330MW循环流化床锅炉进行建模和仿真分析，具体内容包括：
1. 锅炉系统建模，包括燃烧室、床层、再生器、换热器等部分。
2. 锅炉燃烧过程、温度分布、气固流动场等方面的数值模拟。
3. 锅炉热力性能分析，包括燃料热值、热效率、排放物浓度等指标。
4. 锅炉控制系统建模和仿真分析，探索最佳控制策略。
三. 研究方法
本研究采用计算机仿真方法，通过建立数学模型和计算流体力学分
析等技术手段，模拟锅炉的运行情况，从而实现优化控制和性能分析。
四. 研究意义
本研究对循环流化床锅炉的建模与仿真进行了探索，将为今后的锅
炉设计和优化提供参考和支持。
同时，对于锅炉运行维护和操作控制也
具有一定指导意义，为锅炉能够更加高效节能地运行提供保障。
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循环流化床电厂仿真系统
一、前言
二、仿真软件开发过程
2.1 仿真对象
2.2 循环流化床锅炉燃烧系统的模型构建
2.3 数学模型的求解
三、循环流化床锅炉燃烧系统仿真软件简介
四、小结
一、前言
循环流化床燃烧技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术。
我们迫切需要加大对该型锅炉的研究力度，加快对此技术的消化和吸收。
鉴于试验研究往往代价昂贵，有时甚至是不可能的，因此数学模型与仿真研究的优点就显得格外突出。
循环流化床锅炉的建模与仿真研究就是应用基本理论定律，结合有关流动、燃烧、化学反应、传热等方面的经验模型和理论建立循环流化床锅炉的数学模型，然后借助计算机对其性能进行仿真计算。
相对试验而言，建模与仿真的投资要小得多，然而其通用性、灵活性和快速性却可以使技术人员对各种可能的设计、运行等方案进行充分比较、筛选和优化，其好处和经济效益是显而易见的。
另外，仿真建模可以为循环流化床锅炉培训用仿真机的开发奠定基础。
随着循环流化床锅炉的大量建设，大批运行人员急需培训，尤其是对仿真培训的需求更迫切，所以需要加快循环流化床锅炉仿真机的开发。
传统电站煤粉锅炉的仿真机开发技术已很成熟，循环流化床锅炉和传统电站锅炉的最大区别在于燃烧系统的不同，而汽水系统基本相同，所以循环流化床锅炉燃烧系统仿真软件的开发显得尤为重要。
二、仿真软件开发过程
2.1 仿真对象
本软件以HG-440/13.7-L.PM4型循环流化床锅炉作为仿真对象。
该型锅炉为目前国内最大发电容量的超高压再热循环流化床锅炉，由哈尔滨锅炉厂采用德国EVT技术制造。
目前河南的循环流化床锅炉以此型最多，选其作为仿真对象有一定的代表性。
2.2 循环流化床锅炉燃烧系统的模型构建
循环流化床燃烧系统的模型是建立在物质质量守恒和能量守恒的基础上的，所建方程包括各种气体和固体组分的质量守恒以及所有物质的能量守恒，这些守恒方程就构成了循环流化床数学模型的主体。
为了确定模型主体中各项的系数和内容，例如某气体生成或消耗的速率等，还需根据特定原理或经验理论建立相应的计算模型，这些计算模型就称为“子模型”。
本文中采用“小室模型”作为建立燃烧系统内守恒方程的手段。
所谓“小室”就是沿着炉内固体和气体的主要流动方向，把炉膛划分成的一系列的空间。
对每个小室建立的守恒方程，包括气体和固体成分的质量守恒和一个总体能量守恒方程方程。
质量守恒方程针对每个固体颗粒组的总体质量及其内包含的碳的质量建立。
由于小室可以按照实际设备的形状和尺寸任意划分，因此很容易实现与实际设备的几何一致性，使得人们有可能较为准确地描述炉膛内的物理、化学过程，从而使小室模型成为流化床锅炉仿真的一个有效方法。
子模型包括：
（1）固体的动态质量平衡
（2）焦碳颗粒的动态质量平衡
（3）气体平衡方程
（4）小室的总体动态能量平衡
（5）煤的燃烧模型
（6）炉内传热模型
其中前4种模型是建立在物质质量守恒和能量守恒的基础上的。
此外还需根据特定原理或经验理论建立相应的计算模型，这里主要介绍燃烧模型和传热模型。
2.2.1 煤的燃烧模型
煤的燃烧是一个包括化学反应及传热和传质效应相互作用的复杂过程。
在流化床中，流动的复杂性使得煤燃烧的过程更加复杂。
目前，对煤得燃烧过程得认识可简单归纳为：在煤被加入炉膛后，它将经历干燥、挥发分释放及燃烧、剩余焦炭燃烧等一系列的过程。
任取第个直径档的焦炭颗粒为例，对单个焦炭粒子，其反应速率为
（2-1）
其中，为第个直径档的焦碳粒子直径；为当地氧量；为碳的燃烧反应速率。
在流化床燃烧模型中，固体颗粒（包括灰颗粒和炭颗粒）按尺寸分为了10个直径档。
显然，某个小室内各个颗粒档内焦炭的燃烧反应速率，应当等于单个焦炭颗粒的反应速率乘以小室内该种焦炭颗粒的总数目。
假定小室中颗粒组的含碳量用表示，颗粒组在小室中的体积分额用
表示，则小室中的第个固体颗粒档内的焦炭颗粒的数目为
（2-2）
此处，是第个小室的体积。
2.2.2炉内传热模型
炉内传热采用清华大学公布的模型。
循环流化床锅炉燃烧室受热面、传热系数、受热面的材料、布置形式、工质温度、床温的影响,并与流化速度、近壁区物料浓度、物料粒径有关。
在实验研究和不同容量循环流化床锅炉运行数据的基础上,清华大学开发出循环流化床锅炉燃烧室受热面传热系数计算方法,其计算结果与实际运行值相比吻合较好,误差在4%之内,用于工程计算是可靠的,已用于130t/h、220t/h和420t/h循环流化床锅炉设计。
该模型认为，床与壁面的换热由床中心上升流动的烟气及其夹带的物料向壁区物料的热交换、物质交换以及近壁区气固两相流向壁面对流和辐射两步完成。
燃烧室烟气-物料两相混和物向壁面的换热包括对流和辐射两部分,按二者线性叠加处理,则有
(2-3)
式中: 为辐射换热系数,W.m-2.K-1; 为对流换热系数, W.m-2.K-1；为床与壁面之间的系统黑度；为Boltzmann常数; 为烟气对流换热系数, W.m-2.K-1;为颗粒对流换热系数, W.m-2.K-1。
近壁区下降流与壁面之间存在着5～10mm的边界层,辐射换热几乎全部发生在近壁区内,辐射换热面积即可近似为受热面的外表全面积Ht,对流是发生在烟气侧全面积Ht上,故循环流化床锅炉燃烧室受热面的传热面积是曲面全面积Ht,这是与煤粉炉的重要差别。
2.3 数学模型的求解
燃烧系统数学模型的求解采用牛顿—拉普森算法。
炉膛沿高度分为4个室，每个小室有10个固体颗粒组的含碳量、1个温度和1个氧量共12个未知变量，4个小室共48个未知量。
则描述炉膛燃烧系统的平衡方程是一个48阶的偏微分方程组。
改写方程左侧的时间导数项为差分形式，并将其移到等式右侧，则得到一个非线性代数方程组。
定义小室i中的未知变量和上述非线性方程组的右函数分别为变量矢量和函数矢量如下：
（k=1,2…..10,i=1,…4）
采用牛顿——拉普森方法求解上述方程组，则第次迭代的牛顿修正因子为
,
其中，, , 称为雅可比矩阵。
实际计算时，给定0时刻的初始条件，求得雅可比矩阵后，采用全选主元法求逆，反复进行迭代计算，直至满足收敛条件，即完成一个时间步长的数学求解过程。
以新条件作为初始条件，进入下一个时间步长的数学求解，如此下去，即得到按时间序列的燃烧系统的各个参数，所以此软件可以研究燃烧系统动态特性。
图1 循环流化床锅炉燃烧系统仿真界面
三、循环流化床锅炉燃烧系统仿真软件简介
根据前述仿真建模理论，本次燃烧系统仿真软件开发建立了炉膛系统、物料循环系统、给煤系统、燃烧系统、炉内传热等数学模型，并用高级语言开发了计算与显示程序，模拟演示炉内流动、物料平衡关系、点火升温过程、煤粒燃烧、炉温控制、升降负荷、主汽温度控制、再热汽温控制等过程，可以定量观察上述过程的变化速度、变化方向、动态过程等。
画面美观，操作交互性强，仿真结果直接显示在画面上，且配以适当的动画效果，生动直观，对科研提供了方便的手段，对教学、培训能起到很大作用。
四、小结
本文以HG-440/13.7-L.PM4型循环流化床锅炉为对象，描述了以小室模型为基础的宽筛分固体颗粒的燃烧系统模型构建，包括固体颗粒和碳颗粒的质量平衡方程、氧气质量平衡方程、能量平衡方程、煤粒燃烧方程、炉内传热方程，简介了模型的求解方法和软件功能。
它
对开展循环流化床锅炉的仿真研究提供了有力的工具，为开发循环流化床锅炉培训仿真机奠定了基础。