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循環流化床鍋爐具有燃料適應範圍廣、汙染物控制成本相對較低等特點，在我國應用廣泛。通常，大型循環流化床鍋爐會設置外置換熱器，以擴大換熱面積來滿足鍋爐的換熱需求。由於外置換熱器的調節作用，循環流化床鍋爐能夠在低負荷區域穩定高效運行，具有寬負荷運行特性。
本課題組多年來一直從事循環流化床鍋爐的建模工作，之前研究所建外置換熱器模型比較簡單，未考慮外置換熱器內物料的動態變化。
為了研究CFB鍋爐外置換熱器的啟動過程特性， 清華大學李政教授團隊建立了詳細的外置換熱器動態數學模型，與原有模型組成循環流化床鍋爐機理動態實時仿真模型，以某660 MW超超臨界CFB鍋爐為對象，模擬分析其外置換熱器的冷態啟動過程和熱態啟動過程，以便為CFB寬負荷運行和靈活性調峰提供依據。
01
循環流化床鍋爐物理模型
由於本文所建模型對計算速度（即實時性）有較高要求，模型不宜過於複雜，因此針對循環流化床鍋爐特點建立了兩段式集總參數模型。模型的模塊包括爐膛、分離器和外置換熱器3部分。
圖1 兩段式集總參數CFB模型
02
循環流化床鍋爐動態數學模型
整個循環流化床鍋爐由4個部件構成：底部均勻區、虛擬換熱器、分離器和外置換熱器，需分別建立各部件動態模型。
2.1 外置換熱器動態模型
通常，外置換熱器外殼由碳鋼材料製成，內襯絕熱材料和耐磨耐火材料。本文所用的外置換熱器由2個室組成，第1室為空室，第2室內布置受熱面，兩室之間的隔牆為水冷隔牆。
圖2 外置式換熱器結構
圖3 外置換熱器物理模型
2.2 底部均勻區動態模型
1）均勻區焦炭質量平衡方程
圖4 焦炭質量平衡
2）均勻區氧氣質量平衡方程
圖5 氧氣質量平衡
3）均勻區固體物質質量平衡方程
圖6 固體床料的質量平衡
4）均勻區能量平衡方程
圖7 均勻區的能量平衡
2.3 虛擬換熱器模型
虛擬換熱器(VHE)是為了反映循環流化床爐膛內爐膛底部和爐膛出口處之間的溫度差而引入的模型部件，在實際設備中不存在。虛擬換熱器中不發生燃燒反應，只進行換熱，換熱快速並且處於熱平衡。
圖8虛擬換熱器能量平衡
2.4 分離器模型
分離器內沒有布置受熱面，僅考慮物質平衡即可。
03
動態仿真及結果分析
圖9 外置換熱器冷態啟動過程
圖10 外置換熱器熱態啟動過程
04
結論
1）本文建立了超超臨界CFB鍋爐系統動態模型，並以某660 MW超超臨界 CFB鍋爐為研究對象，模擬其外置換熱器的啟動過程。模擬結果符合超超臨界CFB鍋爐運行規律。CFB鍋爐外置換熱器流化後，其換熱能力會快速提升。
2）冷態啟動時中溫過熱蒸汽由於向外置換熱器放熱而導致降溫冷凝，熱態啟動時中溫過熱蒸汽因為吸收外置換熱器熱量而升溫，所以啟動前必須保證中溫過熱器的蒸汽流量在設定值及以上，蒸汽流量過低會存在幹燒爆管的危險。
3）冷態啟動時，為避免外置換熱器內換熱面管壁溫升過快，一般採用小錐形閥開度（5%左右）。
該研究成果得到了國家重點研發計劃（2016YFB0600205）資助，將於2020年第3期「超超臨界循環流化床鍋爐發電技術」專刊發表，現以《超超臨界CFB鍋爐外置換熱器啟動過程模擬分析》為題在《潔淨煤技術》進行了網絡首發。
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END
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