面向锅炉燃烧优化的炉膛动态建模.pdf

第４５卷第５期２０１５年９月东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ．２０１５ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１５．０５．０１５面向锅炉燃烧优化的炉膛动态建模林博群沈炯李益国刘西陲吴啸（东南大学能源与环境学院，南京２１００９６）摘要为了设计炉膛燃烧动态优化控制器，提出了一种结合ＮＯｘ产生机理的锅炉炉膛一维建模方法．通过将锅炉炉膛沿高度方向进行分层，并采用集总参数法分别描述锅炉各层内的流动、燃烧、传热和ＮＯｘ生成过程，建立了能够表征锅炉燃烧特性的一维动态模型．通过对某ＨＧ２２０／１００  １０燃煤锅炉的建模仿真表明，所提出的模型能够正确反映出炉膛沿高度方向的一维温度分布及ＮＯｘ分布，并能够准确反映不同配风方式对ＮＯｘ排放的影响，以及各层风煤变化时炉膛出口处烟气温度、飞灰含碳量及ＮＯｘ浓度的动态响应特性．相比传统三维模型，所建模型形式简单、计算量小，对于锅炉燃烧优化控制的设计能够起到关键的支撑作用．关键词集总参数法；炉膛一维模型；ＮＯｘ产生机理；燃烧优化中图分类号ＴＫ１７５文献标志码Ａ文章编号１００１－０５０５（２０１５）０５  ０９０３  ０７Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌ  ｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｆｕｒｎａｃｅＬｉｎＢｏｑｕｎＳｈｅｎＪｉｏｎｇＬｉＹｉｇｕｏＬｉｕＸｉｃｈｕｉＷｕＸｉａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｄｙｎａｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ａｏｎｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｃｏａｌ  ｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｆｕｒｎａｃｅｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＮＯｘｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｉｓｆｉｒｓｔｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｅｖｅｒａｌｌｅｖｅｌｓａｌｏｎｇｔｈｅｈｅｉｇｈｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎｔｈｅｌｕｍｐｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄｉｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｆｌｏｗｉｎｇ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄＮＯｘｒｅａｃｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｗｉｔｈｉｎｅａｃｈｌｅｖｅｌ，ａｎｄａｏｎｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｃａｎｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｃｏａｌ  ｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｆｕｒｎａｃｅｃｏｒｒｅｃｔｌｙｉｓｂｕｉｌｔ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｎａＨＧ２２０／１００  １０ｃｏａｌ  ｆｉｒｅｄｆｕｒ  ｎａｃｅｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌｃａｎｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｏｎｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＮＯｘａｌｏｎｇｔｈｅｈｅｉｇｈｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｆｕｒｎａｃｅａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆａｉｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｏｄｅｓｏｎｔｈｅＮＯｘｅｘｈａｕｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｕｎｂｕｒｎｅｄｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＮＯｘａｔｆｕｒｎａｃｅｏｕｔｌｅｔｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｗｈｅｎｔｈｅｆｌｏｗｓｏｆｃｏａｌａｎｄａｉｒｃｈａｎｇｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｒｅｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｓ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌｈａｓａｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｓｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎｄｃａｎｂｅｕｔｉｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅ  ｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｏｉｌｅｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌｕｍｐｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄ；ｏｎｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｆｕｒｎａｃｅ；ｒｅａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＮＯｘ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ收稿日期２０１５  ０３  ２７．作者简介林博群（１９９１），男，硕士生；沈炯（联系人），男，博士，教授，博士生导师，ｓｈｅｎｊ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目国家自然科学基金资助项目（５１３０６０８２，５１４７６０２７）、江苏省产学研前瞻性联合研究资助项目（ＢＹ２０１３０７３  ０７）．引用本文林博群，沈炯，李益国，等．面向锅炉燃烧优化的炉膛动态建模［Ｊ］．东南大学学报自然科学版，２０１５，４５（５）９０３９０９．［ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１５．０５．０１５］随着电力需求的迅速增长以及环境问题的日益严峻，提高电站锅炉效率并降低其ＮＯｘ排放是实现国家节能减排目标的目标之一．目前锅炉燃烧优化主要采用２类方法 ① 在不同工况下，利用Ｆｌｕｅｎｔ等计算流体力学（ｃｏｍｐｕ  ｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）软件或机理建模方法ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ对炉内燃烧、流动和气体成分进行数值模拟，通过比较选择符合锅炉效率和排放要求的结构和运行参数，如Ｂｅｌｏｓｅｖｉｃ等［１］利用燃烧模型和ＮＯｘ生成模型对某３５０ＭＷ切圆燃烧锅炉进行了数值模拟，并在模型验证的基础上进一步研究了通过调整运行参数，降低ＮＯｘ排放的方法．Ｒｅｎ等［２］研究了燃尽风比率变化对ＮＯｘ减排和飞灰含碳的影响． ② 把基于数据的非线性建模方法与智能优化算法相结合，先建立锅炉燃烧特性模型，然后以锅炉效率和排放最优为性能指标，对运行参数进行优化，如文献［３５］采用支持向量机来建模，并采用遗传算法等人工智能算法来进行寻优．但是这２种方法本质上都属于稳态优化，未能对动态运行过程中的燃烧系统进行控制优化，难以消除建模误差对优化结果的影响．目前多数火电机组都承担电网调峰的任务．由于ＡＧＣ指令变化非常频繁，机组经常处于动态变化的状态，因此有必要研究锅炉燃烧的动态优化方法．而建立能够准确反映锅炉内温度分布及ＮＯｘ排放浓度和锅炉效率的动态模型，对于研究锅炉燃烧特性及后续动态优化控制策略的设计和验证都具有重要作用．由于锅炉内燃烧、流动和传热过程本身极为复杂，同时火电厂负荷和煤种多变，使得炉膛燃烧的动态建模工作具有很大难度．通常情况下，锅炉炉膛机理建模可以分为零维模型、一维模型与三维模型．零维模型把炉膛作为一个整体来考虑，将绝热燃烧温度和炉膛出口烟温作为烟气侧的代表温度，用经验公式来计算炉内传热．零维模型计算简单，能快速得到结果，并能反映锅炉运行过程中的基本参数，目前仍是锅炉设计中采用的主要方法［６］．但是零维模型无法反应炉内温度及热负荷的分布，无法体现出不同工况时炉内燃烧对锅炉效率和污染排放的影响．三维模型一般利用Ｆｌｕｅｎｔ等计算流体力学软件，通过网格划分，把炉膛在三维方向上分割成若干单元，并建立每个单元的质量、能量、动量方程［７９］．三维模型能够很好地反映出炉膛运行工况的实际情况，然而其机理建模过程计算负担巨大，模型形式复杂，难以满足控制器设计的需求．一维模型较好地弥补了零维模型和三维模型的不足，相比于三维模型，其计算效率高，而相比于零维模型，又具备更好反映炉膛内温度和燃烧状况的能力．基于此类方法，文献［１０１１］建立了炉膛辐射传热一维模型，得到了炉内沿高度方向的温度和热负荷分布，并反映出过量空气系数、灰污热阻、煤粉粒径对温度场的影响，然而其所得模型为静态模型，不能反映出工况变化时炉膛一维温度场的变化，难以满足动态优化的需要．就目前的国内外研究工作来看，尚缺乏面向控制的、结合低氮燃烧机理的炉膛动态模型．为此，本文采用了徐成威［１２］用焦炭未燃尽率来表示燃烧程度的方法，并结合傅维标等［１３］提出的煤种燃烧通用模型，将煤质参数引入燃烧计算过程，通过利用ｄｅＳｏｅｔｅ［１４］提出的ＮＯｘ反应速率模型，建立了较为准确的炉膛沿高度方向的一维温度分布和ＮＯｘ分布模型．该模型结构简单、易于实现，所得飞灰含碳量、ＮＯｘ排放可以作为优化指标，为锅炉燃烧动态优化方法的研究打下基础．１炉膛一维模型炉膛一维模型只在沿炉膛高度方向上考虑燃料浓度、温度、热负荷、烟气成分等参数的变化，而忽略各个参数在水平方向上的分布差异．模型的最主要任务是求解沿高度方向变化的烟气温度，在解得温度分布的基础上，可以进一步得到烟气成分沿高度方向的分布，本文主要关注的是ＮＯｘ浓度的分布情况．１．１温度模型为方便计算，在建立模型前对炉膛的燃烧、流动及传热进行如下假设１）煤粉从燃烧器进入炉膛内时，其挥发分瞬间燃尽，放出热量；２）挥发分析出后，焦炭在燃烧过程中粒径不发生变化；３）炉膛内的气体和固体全部为由下向上流动，且忽略气体与固体间的相对流动；４）炉内对流传热量很小，忽略不计，只考虑辐射换热；５）每层烟气对外上下层烟气的辐射传热量全部被相邻层吸收．如图１所示，沿高度方向对炉膛进行分层，认图１炉膛沿高度分层示意图４０９东南大学学报（自然科学版）第４５卷ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ为每层内介质状态参数相同，并选择出口参数作为该层的集总参数，建立集总参数模型．对各层采用集总参数法建模的基本方程如下１）能量平衡方程Ｖｄ（ ρ ２ｃｐＴ）ｄ τ ＝Ｄ１Ｈ１－Ｄ２Ｈ２＋Ｑ（１）２）质量平衡方程Ｖｄ ρ ２ｄ τ ＝Ｄ１－Ｄ２＋Ｂ＋Ｗ１＋Ｗ２（２）３）动量平衡方程ｐ１－ｐ２＝ ζ Ｄ２１ ρ １（３）４）热力学状态参数方程Ｈ２＝ｆＨ（ｐ２，Ｔ）（４） ρ ２＝ｆρ（ｐ２，Ｔ）（５）式中，Ｄ１，Ｄ２为该层进、出口烟气流量，ｋｇ／ｓ；Ｈ１，Ｈ２为该层进、出口烟气焓值，ｋＪ／ｋｇ； ρ１， ρ２为该层进、出口烟气密度，ｋｇ／（ｍ３）；ｐ１，ｐ２为该层进、出口烟气压力，Ｐａ；ｃｐ为该层烟气比热，ｋＪ／（ｋｇＫ）；Ｖ为该层烟气体积，ｍ３；Ｂ为该层进煤量，ｋｇ／ｓ；Ｗ１，Ｗ２为该层一、二次风量，ｋｇ／ｓ； ζ 为阻力系数； τ 为时间，ｓ；Ｑ为该层得到的热量，ｋＪ／ｓ；Ｔ为该层温度，Ｋ．炉膛各层建模都以式（１）～（５）为基础，其主要区别在于每层得到的热量Ｑ不同．主燃区中第ｉ层的燃料主要来源于该层燃烧器喷入的煤粉和由ｉ－１层烟气流入带来的未燃尽焦炭．对这２部分进行折算，得到的折算煤量和折算未燃尽率为Ｂｉ＝Ｂｉ－１＋Ｂ（６）ＢｉＵ ′ｉ－１＝Ｂ＋Ｂｉ－１Ｕｉ－１ｉ＝１，２，，Ｎ（７）式中，Ｂｉ为该层折算煤量，ｋｇ／ｓ；Ｂｉ－１为下层折算煤量，ｋｇ／ｓ；Ｕ ′ ｉ－１为该层入口处折算后的未燃尽率；Ｕｉ－１为下层出口处的未燃尽率．Ｑ＝ｈ１＋ｈ２＋ｈＢ＋ＱＢ＋Ｑｆ（８）ＱＢ＝ＢｉＦＣ，ａｒ（Ｕ ′ｉ－１－Ｕｉ）Ｑｔ＋ＢＱｈｆ（９）Ｑｆ＝ｋ１Ｆ（Ｔ４ｉ＋１＋Ｔ４ｉ－１－２Ｔ４）＋ｋ０Ｆ０（Ｔ４０－Ｔ４）（１０）ｈ１＝Ｗ１ｉ１（１１）ｈ２＝Ｗ２ｉ２（１２）ｈＢ＝ＢｉＢ（１３）式中，ｈ１，ｈ２为一、二次风带入的热量，ｋＪ／ｓ；ｈＢ为煤粉带入的热量，ｋＪ／ｓ；ＱＢ为煤粉燃烧产生的热量，ｋＪ／ｓ；Ｑｆ为辐射吸热量，ｋＪ／ｓ；Ｑｔ为焦炭的发热量，取３２７００ｋＪ／ｋｇ；Ｑｈｆ为挥发分的发热量，ｋＪ／ｋｇ；ＦＣ，ａｒ为煤的收到基固定碳；Ｔｉ＋１为上层温度，Ｋ；Ｔｉ－１为下层温度，Ｋ；Ｔ０为水冷壁温度，Ｋ；ｋ１为相邻层烟气之间的换热系数，与烟气黑度有关，ｋＷ／（ｍ２Ｋ４）；Ｆ为相邻层之间的截面面积，ｍ２；ｋ０为水冷壁之间的换热系数，ｋＷ／（ｍ２Ｋ４）；Ｆ０为该层与水冷壁的换热面积，ｍ２；ｉ１，ｉ２为单位质量一、二次风的焓值，ｋＪ／ｋｇ；ｉＢ为单位质量煤粉的热量，与煤种及温度有关，ｋＪ／ｋｇ．燃尽区与主燃区的区别主要在于燃尽区内没有煤粉及一、二次风进入．在燃尽区各层内，未燃尽的煤焦继续燃烧放出热量，即Ｑ＝ＱＢ＋Ｑｆ（１４）ＱＢ＝ＢｉＦＣ，ａｒ（Ｕｉ－１－Ｕｉ）（１５）由式（９）和（１５）可以发现，燃料在第ｉ层放出的热量主要取决于该层煤焦在燃烧过程中的未燃尽率．因此，还需建立各层中焦炭的质量守恒方程，即ｄ（ＢＦＣ，ａｒＵｉｔ）ｄ τ ＝ＢＦＣ，ａｒ－ＢＦＣ，ａｒＵｉ－ｓｇ（１６）ｔ＝ α ＶＤ２／ ρ ２（１７）式中，ｓ为该层中焦炭的表面积之和，ｍ２；ｇ为焦炭的燃烧速率，ｋｇ／（ｍ２ｓ）；ｔ为停留时间； α为炉膛充满因子，用于修正炉膛内死区的影响．燃烧速率ｇ采用傅维标等［１３］提出的煤颗粒燃烧速率公式求得，即ｇ＝ｋ ρ ｓγｓｅｘｐ－ＥＲＴ（１８）式中，ｋ为煤焦颗粒的反应频率因子，ｍ／ｓ； ρ ｓ为烟气密度，ｋｇ／ｍ３； γ ｓ为煤焦颗粒表面氧浓度，ｋｇ／ｋｇ；Ｅ为煤焦的表面反应活化能，ｋＪ／ｍｏｌ；Ｒ为通用气体常数，ｋＪ／（ｍｏｌＫ）；反应频率因子ｋ可以通过下式计算ｋ＝４．０１８（Ｆｚ＋２７）１８．９８１０－２２ Φ（Ｆｂ）（１９）式中，Ｆｚ为煤质因子参数，用于反映煤粉燃烧难易程度，其计算公式为Ｆｚ＝１００－２（Ｖａｄ＋Ｍａｄ）２ＦＣ，ａｄ（２０）式中，Ｖａｄ，Ｍａｄ，ＦＣ，ａｄ为空气干燥基煤质参数，％．Ｆｂ为燃烧状态无因次数，用以反映影响煤焦燃烧的因素，如煤焦颗粒直径、炉膛温度、氧浓度、氧气扩散系数等．Ｆｂ的计算式为Ｆｂ＝ｌｎ２．７５ｋｄｐＤｓＮｕ珔Ｙ ∞ｅｘｐ－Ｅ[] ＲＴ（２１）式中，ｄｐ为煤颗粒的粒径， μ ｍ；珔Ｙ ∞为炉膛平均氧浓度，％；Ｄｓ为煤焦表面处的气体扩散系数，ｍ２／ｓ；Ｎｕ为努赛尔数． Φ（Ｆｂ）为分段函数，可通过实验数据拟合得５０９第５期林博群，等面向锅炉燃烧优化的炉膛动态建模ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ到，其表达式为 Φ （Ｆｂ）＝０．１６３７＋０．８６ｅｘｐ０．５１Ｆｂ＋１．５９Ｆｂ≤ －２（２２） Φ（Ｆｂ）＝１－（０．８３６３＋０．７０８２Ｆｂ＋０．２１５Ｆ２ｂ＋０．０２６７Ｆ３ｂ＋０．００１０７Ｆ４ｂ）ｅｘｐ（－Ｆｂ）Ｆｂ＞－２（２３）联立式（１９）～（２３），可以求解得到频率反应因子ｋ，然后将其代入式（１８），即可得到反应燃烧速率ｇ．１．２ＮＯｘ模型燃料在燃烧过程中生成的氮氧化合物ＮＯｘ主要由ＮＯ，ＮＯ２，Ｎ２Ｏ构成，其中，ＮＯ占９０％以上，因此，为方便计算，本文只考虑ＮＯ的生成．根据燃料和燃烧条件的不同，ＮＯｘ的生成机制又可分为热力型ＮＯｘ、快速型ＮＯｘ和燃料型ＮＯｘ．由于快速型ＮＯｘ生成量很少，只占ＮＯｘ生成总量的５％以下，本文忽略快速型ＮＯｘ的生成．有关燃料型ＮＯｘ，ｄｅＳｏｅｔｅ等［１４］认为燃料Ｎ高温分解主要生成ＨＣＮ，ＨＣＮ氧化后生成ＮＯ，同时ＮＯ又被ＨＣＮ还原生成Ｎ２．本文假设ＮＯｘ生成过程中，所有中间组分都为ＨＣＮ，煤中氮的释放速率Ｖｃｏａｌ，ＨＣＮ正比于煤焦燃烧时的质量衰减速率ｇ，即Ｖｃｏａｌ，ＨＣＮ＝２ｇｆＮＭＨＣＮＭＮ２（２４）式中，ｆＮ为煤中氮的质量分数；Ｍｉ为分子量，ｉ为ＨＣＮ和Ｎ２．ＨＣＮ氧化后生成ＮＯ，其反应速率为ＶＨＣＮ，ＮＯ＝１０１１ ρ ｇＹＨＣＮ（ＹＯ２）ｂｅｘｐ－３３７００Ｔ（２５）式中， ρ ｇ为混合气密度，ｋｇ／ｍ３；Ｙｉ为组分ｉ的质量分数，ｉ为ＨＣＮ，Ｏ２，％；ｂ为氧的反应级数，由ｄｅＳｏｅｔｅ模型给定．同时，所生成的ＮＯ被ＨＣＮ还原生成Ｎ２，其反应速率为ＶＮＯ，Ｎ２＝３１０１２ ρ ｇＹＨＣＮＹＮＯｅｘｐ－３３７００Ｔ（２６）对热力型ＮＯｘ可采用Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ机理计算，其反应速率为ＶＮ２，ＮＯ＝３１０１４ ρ １．５ｇＹＮ２Ｙ２Ｏ２ｅｘｐ－６５３００ＴＭＮＯＭＮ２Ｍ０．５Ｏ２（２７）为了得到燃烧过程中ＮＯｘ的浓度，需建立Ｏ２，Ｎ２，ＨＣＮ，ＮＯ的质量守恒方程．由于ＮＯ反应和生成过程对Ｏ２和Ｎ２浓度的影响很小，因此假设Ｏ２和Ｎ２的浓度不受ＮＯｘ生成和还原反应的影响，即Ｖｄ（ ρ ｏｕｔＣＯ，ｏｕｔ）ｄ τ ＝ＤｉｎＣＯ，ｉｎ－ＤｏｕｔＣＯ，ｏｕｔ＋０．２３（Ｗ１＋Ｗ２）－ＢＶｏｈｆρＯ２－ＦＣ，ａｒＢｉ（Ｕ ′ｉ－１－Ｕｉ）ＭＯ２ＭＣ（２８）Ｖｄ（ ρ ｏｕｔＣＮ，ｏｕｔ）ｄ τ ＝ＤｉｎＣＮ，ｉｎ－ＤｏｕｔＣＮ，ｏｕｔ＋０．７６（Ｗ１＋Ｗ２）（２９）Ｖｄ（ ρ ｏｕｔＣＨＣＮ，ｏｕｔ）ｄ τ ＝ＤｉｎＣＨＣＮ，ｉｎ－ＤｏｕｔＣＨＣＮ，ｏｕｔ＋Ｖ ρ ｏｕｔ（Ｖｃｏａｌ，ＨＣＮ－ＶＨＣＮ，ＮＯ－ＶＮＯ，Ｎ２）（３０）Ｖｄ（ ρ ｏｕｔＣＮＯ，ｏｕｔ）ｄ τ ＝ＤｉｎＣＮＯ，ｉｎ－ＤｏｕｔＣＮＯ，ｏｕｔ＋Ｖ ρ ｏｕｔ（ＶＨＣＮ，ＮＯ＋ＶＮ２，ＮＯ－ＶＮＯ，Ｎ２）（３１）式中，ＣＯ，ｉｎ，ＣＯ，ｏｕｔ分别为该层进、出口氧浓度，ｋｇ／ｋｇ；ＶＯｈｆ为单位质量的煤粉挥发分完全燃烧消耗的氧气体积，ｍ３／ｋｇ；ＣＮ，ｉｎ，ＣＮ，ｏｕｔ分别为该层进出口氮气浓度，ｋｇ／ｋｇ；ＣＨＣＮ，ｉｎ，ＣＨＣＮ，ｏｕｔ分别为该层进、出ＨＣＮ浓度，ｋｇ／ｋｇ；ＣＮＯ，ｉｎ，ＣＮＯ，ｏｕｔ分别为该层进、出口ＮＯ浓度，ｋｇ／ｋｇ； ρ ｏｕｔ为该层出口处烟气密度，ｋｇ／ｍ３．结合上述方程，可得到ＮＯｘ一维分布模型．２仿真结果及分析以扬子石化热电厂的ＨＧ２２０／１００  １０型自然循环汽包炉为例验证本文炉膛一维动态建模方法，该锅炉具有２层一次风和３层二次风．首先测试所建模型的准确性，接着基于模型分析不同配风方式下炉内一维ＮＯｘ的分布状况，最后考察不同风煤量时锅炉效率及ＮＯｘ排放量．２．１稳态工况下炉膛一维温度和ＮＯｘ浓度分布锅炉一维建模参数取该机组ＢＭＣＲ工况时的设计参数，过量空气系数为１．２，一次风风温６５℃，二次风风温３２７℃，一次风率取２８．２８％，二次风率取７１．７２％．该锅炉有２层燃烧器和２层一次风、６层二次风．结合锅炉实际结构，在建模时将炉膛分成１０层，其中将燃烧器下部区域作为１层；燃烧器区域为主燃区，分为４层；燃烧器上部区域为燃尽区，分为５层，分层结构如图２所示．利用Ｄｙｍｏｌａ软件平台搭建炉膛模型，采用均等配风方式，得到一维温度分布和ＮＯｘ分布，如图３所示．６０９东南大学学报（自然科学版）第４５卷ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ图２炉膛燃烧器区域分层结构示意图（ａ）炉膛温度（ｂ）ＮＯｘ浓度图３基于一维炉膛模型的温度和ＮＯｘ浓度曲线通过电站锅炉所安装的声学测温系统测量得到图３（ａ）中的实测温度，该测温系统运行可靠，测量结果符合实际情况．仿真结果显示，烟气温度在主燃区较高，并呈现出２个峰，这是由于该锅炉有２层燃烧器导致．在顶层燃烧器附近烟气温度达到最大值１５６０Ｋ左右，在燃尽区烟气温度沿高度方向逐渐下降，炉膛出口烟气温度为１３００Ｋ，这与炉膛出口烟温实测值基本吻合．图３（ｂ）为仿真实验所得的ＮＯｘ浓度沿高度分布曲线．由于燃料型ＮＯｘ占总ＮＯｘ生成量的７５％左右，因此影响主燃区（２～５层）ＮＯｘ浓度的主要原因是燃料型ＮＯｘ的生成反应．第２层处，由于该层过量空气系数较小，抑制了燃料型ＮＯｘ的生成；在第３层，由于该层只有二次风口，二次风的进入使得煤粉能够进一步燃烧，因此该层燃料型ＮＯｘ急剧增加；第４层中，由于一次风带入煤粉，该层属于欠氧燃烧环境，抑制了燃料型ＮＯｘ的生成；第５层中，由于二次风进入，煤粉进一步燃烧，生成燃料型ＮＯｘ，使ＮＯｘ浓度升高．在烟气进入燃尽区后，随着温度降低，ＮＯｘ被还原，其浓度将会稍有下降并趋于稳定．虽然缺乏机组运行时炉膛内ＮＯｘ实际分布数据，但仿真结果与理论分析在趋势上是一致的．与实际情况相比，本文模型所得的最高温度点更靠近燃烧器区域，但是在趋势上两者是一致的．在燃烧器下部区域，本文模型得到的烟气温度为１１１２Ｋ，相比于实际的１２５７Ｋ左右的烟气温度偏低．这是由于在建模时将整个燃烧器下部区域作为一层，导致在燃烧器下部区域模型精度偏低．然而，从炉膛燃烧控制优化的角度来看，炉膛出口处的温度和ＮＯｘ浓度最为重要，直接影响锅炉效率和污染物排放，而燃烧器下部区域的模型精度对炉膛出口烟气参数影响有限．因此，为简化模型、提高计算效率，本文将燃烧器下部区域作为１层处理．若需要提高该区域建模精度，可通过增加分层数实现．２．２不同配风方式对炉膛温度场和ＮＯｘ分布的影响为了研究不同配风方式对炉膛温度场和ＮＯｘ分布的影响，本文基于所得模型，对均等配风、缩腰配风、正宝塔配风、倒宝塔配风４种配风方式进行仿真，采用各种配风方式时主燃区各层的二次风量如表１所示，仿真结果如图４所示．表１不同配风方式下主燃区各层二次风风量ｋｇ／ｓ配风方式下层中层上层均等配风１２．９８１２．９８１２．９８缩腰配风１６．９８４．９８１６．９８倒宝塔配风６．９８１２．９８１８．９８正宝塔配风１８．９８１２．９８６．９８图４各配风方式炉膛出口ＮＯｘ浓度仿真结果显示，采用倒宝塔配风时，整个炉膛内ＮＯｘ浓度水平较低，炉膛出口ＮＯｘ浓度相比于其他配风方式也最低．这是由于倒宝塔配风形成了局部欠氧环境，实现了低氧燃烧，抑制了ＮＯｘ的生成．因此，采用空气分级燃烧方法可以有效减少７０９第５期林博群，等面向锅炉燃烧优化的炉膛动态建模ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎＮＯｘ浓度，这一点可作为后续炉膛优化控制设计的依据．２．３基于一维模型的阶跃响应试验为了进一步观察各层煤量及风量对炉膛出口温度和ＮＯｘ浓度的影响，本文基于所建一维模型，进行阶跃响应试验．当下层煤量和上层煤量分别在０时刻发生阶跃时，炉膛出口处烟温、飞灰含碳量及ＮＯｘ浓度的变化曲线见图５，其中给煤量阶跃为＋５％（０．３７５ｋｇ／ｓ）．（ａ）炉膛出口烟温的变化（ｂ）炉膛出口飞灰含碳量的变化（ｃ）炉膛出口ＮＯｘ浓度的变化图５煤量发生阶跃时的响应曲线下层煤量或上层煤量阶跃时，进入炉膛的给煤量增加，导致炉膛出口烟温上升（见图５（ａ））．由于风量没有变化，因此过量空气系数降低，煤粉燃烧不充分，使飞灰含碳上升（见图５（ｂ））．另外，炉膛整体过量空气系数降低会导致氧浓度下降，抑制了ＮＯｘ生成，使炉膛出口ＮＯｘ浓度下降（见图５（ｃ））．由于离炉膛出口更近，上层煤量阶跃时，出口温度、出口飞灰含碳量和出口ＮＯｘ浓度的变化更快．同时，靠近炉膛出口意味着煤粉在炉膛内停留时间短，燃烧不完全，因此上层煤量阶跃的稳态烟气温度较低，飞灰含碳量较高．图６是下、中、上３层二次风分别在０时刻发生阶跃时，炉膛出口处烟气温度、飞灰含碳量及ＮＯｘ浓度的变化曲线，其中，风量阶跃为＋５％（１．９４７ｋｇ／ｓ）．（ａ）炉膛出口烟温的变化（ｂ）炉膛出口飞灰含碳量的变化（ｃ）炉膛出口ＮＯｘ浓度的变化图６二次风量发生阶跃时的响应曲线仿真结果显示，当风量上升时，一方面由于炉８０９东南大学学报（自然科学版）第４５卷ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ内氧气浓度上升，飞灰含碳量减小（见图６（ｂ）），燃烧放出的热量增加，炉膛出口烟温度上升；另一方面，由于烟气流量增大，炉膛出口烟温下降．综合这２种因素，最终炉膛出口温度呈现先上升后下降的趋势，最终温度低于初始温度（见图６（ａ））．同时，由于炉膛内氧浓度上升，促进了ＮＯｘ的生成，使炉膛出口ＮＯｘ浓度上升（见图６（ｃ））．同样地，由于距离炉膛出口越近，上层风量变化对炉膛出口烟温、飞灰含碳量及ＮＯｘ浓度的影响越快，与实际情况相符．结合图５和图６可以发现，上、中、下层风量分别发生阶跃后，对炉膛出口烟气温度、飞灰含碳量及ＮＯｘ浓度的影响差异较大，有利于进行控制系统设计．从控制角度来看，控制量的增加会使控制难度增大，不利于稳定控制．因此，考虑采用分层配风的方式来控制效率和排放能得到更好的控制效果．３结语本文提出了一种结合ＮＯｘ反应机理的炉膛一维动态建模方法．该建模方法在将锅炉沿高度方向分层的基础上，采用集总参数法描述各层内热量传递、物质传递、煤粉燃烧和ＮＯｘ生成过程．本文模型用未燃尽率表示煤粉燃烧程度，进一步得到温度分布状况；用ＮＯｘ反应速率模型反映ＮＯｘ生成和还原过程，从而得到ＮＯｘ分布状况．仿真实验表明，本文模型能够准确描述静态时炉膛内温度和ＮＯｘ分布的状况．此外，该模型还可以反映出不同配风方式对ＮＯｘ排放的影响，以及风量、煤量变化时炉膛出口烟温、飞灰含碳量和ＮＯｘ浓度的动态变化，从而为锅炉燃烧动态优化控制策略的研究和验证打下基础．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ＢｅｌｏｓｅｖｉｃＳ，ＢｅｌｊａｎｓｋｉＶ，ＴｏｍａｎｏｖｉｃＩ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉ  ｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆＮＯｘｃｏｎｔｒｏｌｂｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｕｔｉｌｉｔｙｂｏｉｌｅｒ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｆｕｅｌｓ，２０１２，２６（１）４２５４４２．［２］ＲｅｎＦ，ＬｉＺ，ＺｅｎｇＬ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄＮＯｘｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎａ３００ＭＷｄｏｗｎ  ｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＯＦＡｒａｔｉｏｓ［Ｊ］．Ｎ

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