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火电机组锅炉炉膛负压优化策略研究

文档作者：孙灵芳宫远洋文档来源：东北电力大学自动化工程学院		点击数：	更新时间： 2024年08月08日
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第34卷第2期计算机仿真2017年02月
文章编号：1006—9348(2017)02—0170—05
火电机组锅炉炉膛负压优化策略研究
孙灵芳．宫远洋
(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)
摘要：为研究火电机组锅炉炉膛负压控制技术，利用机理方法建立锅炉烟气压力数学模型，建模过程中采用分块建模方法，
对锅炉内不同区域进行建模。由于快速甩负荷(FCB)过程属于火电机组运行的极端工况，炉膛压力控制如果对此工况适应
即适应所有工况，所以采用FCB工况对所建模型进行仿真。仿真结果表明：随着燃料量的骤减，炉膛压力成先降后升的趋
势，水平烟道和尾部烟道压力变化趋势与之类似；切磨时间间隔大，甩负荷过程中炉膛负压下降的最低点就越小。对于机组
旁路容量大、机组负荷适应性强的机组，可适当增加甩负荷过程切磨时间间隔来减小炉膛压力的下降值，对于汽水系统热惯
性小的机组，可以少切一台磨而选择减小给煤量的控制策略，上述方法可以减小炉膛压力波动，有利于炉内燃烧稳定。
关键词：快速甩负荷；建模；炉膛负压；机理
中图分类号：TP391．9 文献标识码：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
火电机组炉膛压力与炉内燃烧稳定性息息相关，其决定
了进入炉膛的风量与流出炉膛的烟气量的平衡关系¨’2。。火
电机组采用平衡的通风方式，即在风烟系统中同时装设送风
机和引风机，利用送风机克服送风管道和燃烧器的阻力，利
用引风机克服炉膛、受热面等阻力’3j。炉膛负压是否在规定
收稿日期：2016—04—25修回日期：2016—05-07
．--——170---——
的范围内关系到锅炉的稳定安全经济的运行，如炉膛负压过
低，会有大量冷空气从炉膛不严密处漏入，既增加了锅炉排
烟热损失，又会增加引风机电耗；炉膛处于正压运行，会造成
烟气从炉膛不严密处漏出，既会污染锅炉厂房的环境，又会
增加热损失。4 o。
火电机组FCB过程是指当电厂内部或电网发生故障，发
电机组与电网解列瞬间甩掉全部对外负荷，并保持锅炉低负
荷带厂用电运行一’6J。由于FCB过程中，发电机组瞬间甩掉
全部对外负荷将导致主蒸汽压力的飞升，旁路、安全门及pcv
万方数据
的快开可有效的控制主蒸汽压力，但主蒸汽压力飞升的根本
原因在于燃料量和机组负荷不匹配，通常在FCB发生时机组
采用快速切除几台磨的方式来降低燃料量。由于锅炉的燃
料量的快速减少，燃烧率的迅速降低，将导致机组风煤配比
不合适，引起炉膛压力大幅度波动，导致炉内燃烧不稳，严重
的将导致炉膛灭火甚至炉膛“内爆”。
刘鑫屏等利用机理建模方法得到煤量对炉膛压力的传
递函数，并进行了频域分析，得出了在低负荷工况下炉膛压
力波动是由对象自身非线性特性造成的。71。田亮等借鉴小
波分析思想对不同信号的各个分量之间进行相关分析，结果
表明炉膛压力与燃烧率之间具有带通滤波特性，炉膛压力能
够反映锅炉燃烧强度的变化旧J。于国强等为提高能源利用
率在机组上装设三台引风机，并解决了原有双引风机控制策
略不适用于三引风机的控制策略，提高了炉膛压力调节回路
自适应能力。⋯。程星星等对不同结构、负荷、容量的锅炉进
行了内爆模拟，结果表明内爆强度随锅炉负荷、容量的增大
而增大。1 0I。
对于快速甩负荷(FCB)这种机组极端工况，由于磨煤机
的切除，燃料量的骤减，将对炉膛压力造成极大的影响⋯’”1。
现阶段对于炉膛压力研究还处于常规工况，对于FCB这种机
组极端工况炉膛压力研究的很少。本文采用机理方法建立
锅炉烟气压力数学模型，建立过程中采用分块建模方法，对
锅炉内不同区域进行建模，由此引入锅炉炉膛压力变化对水
平烟道及尾部烟道烟气压力的影响。利用Matlab／Simulink
仿真平台对所建数学模型进行二次建模，并对模型进行FCB
工况仿真。利用建模方式进行炉膛压力研究避免了现场试
验的危险性，并且对模型调整即可适用于其它类型机组。
2模型对象描述
根据炉内结构及炉内各个受热面的布置，采用分块建模
方式，将锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道分为七个区域进行
建模，如图1所示，第一区域为锅炉炉膛，其中受热面包括水
冷壁、壁式再热器和分隔屏；第二、三、四、五区域分别为水平
烟道中的屏式过热器、屏式再热器、高温再热器；第六、七区
域为尾部烟道中的低温过热器和省煤器。
3数学模型的建立
锅炉烟气压力数学模型包括：炉膛数学模型、水平烟道
数学模型和尾部烟道数学模型。
3．1炉膛数学模型¨引
由磨煤机磨制的煤粉及一、二次风经燃烧器进入炉膛，
在炉膛内充分燃烧放热形成高温烟气。高温烟气对水冷壁
及炉膛上方水冷壁上布置的壁式再热器和炉膛上方布置的
分隔屏进行辐射换热。
建立仿真模型时，作出如下假设：
1)假设进人炉膛的燃料燃烧反应瞬间完成且充分
燃烧。
注：l燃烧器，2．水冷壁，3壁式再热器，4分隔屏，5屏式过热器．
6．屏式再热器．7．高温再热器．8高温过热器．9低温过热器，10省煤器
图l锅炉结构总图
2)假设分隔屏过热器只存在辐射换热。
3)假设进入炉膛的风量只随燃料量变化而变化。
质量守恒方程
阱+矾一Wr Vr
dⅡpfa
(1)
其中，盯为进入炉膛的燃料量；WA为进入炉膛的空气量；
％为流出炉膛的烟气量；Vr为炉膛容积．p。为烟气密度。
能量守恒方程
∽，“耽一Q扩Qk一％吨W。=y，警(2)
其中，Q，为燃料低位发热量；h。为空气焓；Q。。，Qk，Q伽分别
为水冷壁，壁式再热器，分隔屏的辐射吸热量；^。为烟气焓。
动量守恒方程
WG=k√PF—Ppz 031
其中，k为经验系数；P，为炉膛压力；尸。为屏式过热器区域
压力。
由理想气体方程得炉膛压力
PG=尺cpGTc (4)
其中，尺。为烟气理想气体常数；Tc为烟气温度。
辐射换热方程
Q=oro吼吼F砭(5)
其中，盯。为玻耳兹曼常数；s。为炉膛黑度；s。为火焰黑度；F
为受热面面积。
3．2水平烟道及尾部烟道数学模型
由炉膛流出的高温烟气分别流过水平烟道和尾部烟道，
依此流经的受热面是屏式过热器、屏式再热器、高温再热器、
高温过热器、低温过热器、省煤器。将每个受热面划分为一
个区域进行建模。
建立仿真模型时，作出如下假设：
1)假设每个区域中的换热只存在于换热面和烟气之
间，无其它热量损失。
一171—
万方数据
2)假设锅炉烟道无漏风量。
因为水平烟道及尾部烟道的六个模型类似，所以只对屏
式过热器进行描述。
质量守恒方程
耽一％=k鲁(6)
其中，％为屏式过热器处烟气流量；Lg为屏式过热器处容
积；p。为屏式过热器处烟气密度。
能量守恒
Wch。一％k—Q。以警(7)
其中，hpg为屏式过热器处烟气焓；Qpg为屏式过热器对流吸
热量。
动量守恒
W。=xpE、／P Pg—Pp： 081
其中，A。为经验系数；PP2为屏式再热器区域压力。
对流传热方程‘1 3]
Q"=KAtFt,g (9)
其中，K为传热系数；&amp;amp;为传热温压；吆为传热面积。
传热温压At=—：±—半一 (10)
其中，出；。为顺流的平均温压；At一为逆流的传热平均温压。
顺流的传热平均温压觚，=等笄(11) m而
逆流的传热平均温压
觚，=等m而等孚 (12)
其中秽’，毋”分别为屏式过热器进出端口烟气温度；t 7，，分别
为屏式过热器内工质进出口处温度。
4模型正确性验证
利用Matlab／Simulink仿真平台对以上数学模型进行二
次建模，如图2所示。
本文选用武汉锅炉股份有限公司的WGZ一1025／18．44
一lO型锅炉，额定蒸发量1025t／h亚临界自然循环锅炉。锅
炉为单炉膛“兀”型布置，采用四角切向燃烧、摆动燃烧器调
温，固态除渣、平衡通风。炉膛截面为14212×14212mm的正
方形，配有正四角切向燃烧器，为炉膛四围热负荷均匀提供
了良好条件。炉室净高57．5m，炉膛截面积为202m2，炉膛容
积9549．37m3，上排一次风喷口中心线至屏底距离20．02m，
下排一次风喷口中心线至灰斗拐角为4．15m。炉膛截面热
负荷为3．83MW／m2，容积热负荷为80．96kW／m3。
对simulink所建模型进行100％ECR减负荷仿真，仿真
结果如图3所示，随着燃料量的减少，炉膛负压先减小后增
一】72一
图2锅炉仿真框图
加，通过与文献[15，16]对比，证明该锅炉压力模型能够正确
分析炉内压力变化情况。
图3减负荷过程炉膛压力变化
5 FCB过程炉膛压力仿真
由于机组运行过程中对炉膛压力波动影响最大的是燃
料量的变化，所以这里选用机组燃料变化的极端情况，即机
组快速甩负荷(FCB)过程来对炉膛压力进行仿真。
当电厂或电网发生故障触发机组FCB后，机组会选择切
磨的方式进行减负荷，同时快开高压旁路、压力调节阀门
(PCV)等进行主蒸汽泄压。．燃料量的骤降会对炉内燃烧产
生较大影响，进而导致炉膛压力产生较大波动。
5．1 FCB过程锅炉不同区域压力仿真
本文选用与珠海电厂FCB停磨策略相同的时间间隔进
行仿真，即每隔l s切一台磨Ⅲ1。FCB仿真从第500s开始切
除第一台磨，然后每隔1 S切一台，FCB过程燃料量变化如图
4所示。
图4 FCB过程燃料量变化
万方数据
如图5一11为FCB发生后炉内各个区域压力的变化，图
5为炉膛压力，图6—9为水平烟道区域压力，图10，ll为尾
部烟道区域压力。
图5炉膛压力
通过观察图5可以发现，机组在第500s发生FCB，炉膛
负压瞬间减小至一500Pa左右，随后回升至稳定的一25Pa
左右。
图6屏式过热器区域压力
图7屏式再热器区域压力
图8高温再热器区域压力
图9所示，水平烟道的烟气压力变化趋势跟炉膛压力变
化趋势大致相同，但各个区域的压力稳态值都要高于100％
ECR时候各个区的压力值，并且随着烟气的流向，越往后压
力的稳态值与100％ECR时压力稳态值差值越大。
图9高温过热器区域压力
如图10，11所示，尾部烟道区域压力变化，与水平烟道
类似，压力的变化趋势基本和炉膛压力大致相同，压力的稳
态值都高于100％ECR时此区域压力的稳态值，且随着烟气
的流向，越靠近引风机区域，发生FCB和100％ECR工况烟
气压力稳态值的差值越大。
图10低温过热器区域压力
图11省煤器区域压力
由以上对FCB过程锅炉内各个区域烟气压力的分析可
知，随之燃料量的骤减，炉膛压力会先减后增，其余各个区域
的烟气压力变化与之类似，考虑到炉膛负压稳态值可在机组
自身条件符合范围内上下变化，对于不同机组可适当调节引
风风量使各个区域压力在适当范围内。
5．2 FCB炉膛压力与切磨时间间隔仿真
在众多FCB现场试验中，FCB过程都要进行磨煤机的切
除以及维持炉内燃烧的稳定，炉膛负压变化可以快速反映出
炉内的燃烧情况，文献[17]中提到广东珠海电厂FCB发生
后每隔1 S切一台磨煤机，最后保留中间两台磨煤机运行；文
献[18]中提到印尼Indramayu电厂在FCB发生后延时5s切
一台上层磨，8s后切除另一台上层磨；文献[11]中提到内蒙
古布连电厂在FCB发生后切上层D(或B)磨煤机，调整给煤
一173—
万方数据
量至42～43t／h，10s后停E磨煤机。
如图12所示，利用上述文献中的停磨策略，对本文所建
模型进行FCB炉膛压力仿真，珠海电厂方式切磨时间间隔最
短，炉膛负压波动最大，且炉膛负压达到最低值也最大；In．
dramayu电厂切磨时间间隔是5s和8s，相对于珠海电厂模式
炉膛负压波动有所减小，但在第5s到第17s左右有上下波
动；布连电厂两台磨的切磨时间间隔是10s，在这10s之内通
过调整给煤量进行减负荷，由曲线可以看出第3秒到第lOs
左右炉膛负压维持在一270Pa左右，第13s后炉膛负压开始
回升。
O
，一200
g
型一l(】o
500 520 540 560 5舳
时间k
图12 FCB不同切磨策略炉膛压力变化
由以上对三种不同切磨控制策略仿真可以看出，切磨时
间间隔越短炉膛负压降的最低值就越大，适当增加切磨的时
间间隔可以减小炉膛负压的下降值，有利于炉内燃烧环境的
稳定；同时，如果机组可以少切一台磨而选择减煤量的方式
甩负荷，可以减小FCB过程中炉膛压力的波动，有利于炉膛
燃烧。
6结论
利用机理方法建立锅炉烟气压力数学模型，进行了机组
极端工况FCB过程炉膛及水平烟道和尾部烟道烟气压力分
析，以及FCB过程不同燃料控制策略的仿真。
1)切磨时间间隔越大，甩负荷过程中炉膛负压下降的
就越小。
2)对于可以选择少切一台磨而选择减小给煤量的方式
实现FCB的机组，即汽水系统热惯性小的机组，可以少切一
台磨而选择减小给煤量的控制策略。
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【作者简介]
孙灵芳(1970一)，男(汉族)，山东省巨野人，教授，
硕士研究生导师，主要研究领域为热工过程先进控
制、先进控制理论、换热设备污垢与预测。
宫远洋(1989一)，男(汉族)，吉林省吉林市人，硕
士研究生，主要研究领域为热工过程先进控制。^酗

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