循环流化床锅炉宽负荷一体化脱硫建模研究
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Integrated Modeling Study of Desulfurization in Circulating Fluidized Bed Boilers Under Wide Load Conditions
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收稿日期: 2024-05-28 修回日期: 2024-09-01
| 基金资助: |
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Received: 2024-05-28 Revised: 2024-09-01
作者简介 About authors
目的 随着“双碳”目标的提出,我国清洁能源发电量占比不断提升,为促进新能源发电的消纳,火电机组频繁采用宽负荷调峰运行模式,因此,有必要建立能够适应宽负荷运行工况下的燃煤循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉SO2排放浓度模型,以实现CFB机组SO2超低排放。 方法 通过对SO2生成及脱除动态特性进行深度研究,采用机理分析方法结合质量守恒方程建立了炉膛出口SO2排放浓度动态集总参数模型;通过对模型输入量的合理简化,建立了从给煤给风到脱硫塔出口SO2排放的脱硫全过程一体化动态模型;并利用CFB锅炉实际测量数据中的稳态工况及动态工况数据段进行仿真验证。 结果 所建立的动态模型能够提前约240 s预测净烟气的排放动态趋势。 结论 该模型能够反映炉内脱硫过程的动态特性,在宽负荷工况下具有一定的适用性。
关键词:
Objectives With the proposal of the “carbon peaking and carbon neutrality” goal, the proportion of clean energy generation in China continues to increase. In order to promote the consumption of new energy generation, thermal power units frequently adopt the wide load peak shaving operation mode. Therefore, it is necessary to establish a SO2 emission concentration model for coal-fired circulating fluidized bed (CFB) boilers that can adapt to wide load operation conditions to achieve ultra-low SO2 emission of CFB units. Methods Through in-depth research on the dynamic characteristics of SO2 generation and removal, a dynamic lumped parameter model of SO2 emission concentration at the furnace outlet is established using mechanism analysis method combined with mass conservation equation. A comprehensive dynamic model for the entire desulfurization process from coal supply and air supply to SO2 emission at the outlet of the desulfurization tower is established by reasonably simplifying the input of the model. The simulation verification is carried out by using the steady-state and dynamic operating condition data segments from the actual measurement data of CFB boilers. Results The established dynamic model can predict the dynamic trend of net flue gas emissions approximately 240 seconds in advance. Conclusions The model can reflect the dynamic characteristics of the desulfurization process in the furnace, and has certain applicability under wide load conditions.
Keywords:
本文引用格式
张帅柠, 高明明, 王勇权, 王唯铧, 于浩洋, 黄中.
ZHANG Shuaining, GAO Mingming, WANG Yongquan, WANG Weihua, YU Haoyang, HUANG Zhong.
0 引言
我国燃煤发电机组分为煤粉炉机组和循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)机组[10]。循环流化床燃烧技术通过床料和燃料的流化实现连续循环的燃烧和传热过程,具有较强燃料适应性、高燃烧效率、低污染物排放和低成本炉内脱硫等优点[11-14]。然而,CFB机组灵活性运行工况下,燃烧状态发生较大变化,造成床温波动加剧、气体分布不均匀[15],直接影响SO2的生成和脱除。因此,建立一个包含CFB锅炉炉内脱硫与炉外脱硫全过程的宽负荷一体化SO2排放浓度动态预测模型,使其既能为现场人员提供运行指导,又能应用于各种污染物排放控制系统,成为克服SO2排放波动大、易超标以及脱硫能耗高等问题的重要手段。
在CFB机组SO2排放建模领域,国内外学者开展了大量研究工作,为SO2排放的控制策略设计与运行优化提供了重要理论依据[16-17]。炉内脱硫是CFB锅炉中广泛应用的SO2排放控制技术,相较于烟气湿法脱硫[18]和半干法脱硫等炉外排放控制技术,其具有低投资成本、低运行成本和高脱硫效率的优点。此前,相关研究工作主要集中于CFB机组炉膛出口SO2排放建模预测[19]与炉内脱硫特性分析[20]。在机理建模方面,李仕成等[21]建立了一维静态CFB锅炉SO2排放模型,利用该模型模拟分析了不同参数对炉膛内SO2生成及脱除的影响,研究结果能够为现场运行提供指导,但由于燃煤电厂在调峰过程中常常进行频繁变负荷,上述模型在动态过程中难以满足实时计算性能的要求。Zhang等人[22]建立了宽负荷下的炉膛出口SO2排放动态预测模型,经验证,该模型能够准确反映炉膛出口SO2浓度在大范围变负荷工况下的动态特性,但由于炉外脱硫过程涉及复杂的传热传质、液滴蒸发、化学反应、多相流动、液滴合并、破碎等过程,将炉外脱硫效率看作定值可能导致脱硫塔出口SO2排放预测值波动较大。
为实现CFB机组SO2超低排放,本文首先介绍了SO2生成及脱除过程,将SO2排放过程划分为原烟气SO2排放(脱硫塔入口SO2排放)和净烟气SO2排放(脱硫塔出口SO2排放)2个过程,并对每个过程进行单独建模研究。其次,由于循环流化床炉内燃烧具有大惯性、大迟延等特点,炉内存在大量未燃尽的碳(即燃碳),采用机理分析方法结合炉内即燃碳燃烧动态平衡过程建立了原烟气SO2排放动态集总参数模型;对于炉外脱硫部分,采用双膜理论与化学反应系数增强公式建立了净烟气SO2排放动态模型。最后,进行模型仿真实验,以验证所提模型的准确性和泛化能力。
1 脱硫系统简述
煤中硫元素在经过CFB锅炉燃烧后,无机硫中绝大部分可燃硫、所有有机硫和游离态硫都被氧化为SO2,且由于CFB锅炉中的特殊燃烧方式和较低的炉膛内设计温度(通常在850~950 ℃),通过向炉膛内部送入脱硫剂的炉内脱硫反应更容易发生[26]。石灰石被注入炉膛进行煅烧后发生分解反应,产生CaO和CO2,如
由于CFB锅炉中大量悬浮颗粒的相互碰撞及旋风分离器的作用,CaSO4产物层被破碎,CaO颗粒的停留时间延长,提高了石灰石利用率,从而使脱硫反应得以继续进行。
对于燃煤CFB机组,仅通过炉内脱硫很难达到超低排放标准,因此,大多数国内大型CFB发电机组主要应用组合脱硫系统,即同时采用炉内脱硫和尾部烟气脱硫技术。在烟气脱硫技术中,湿法烟气脱硫(wet flue gas desulfurization,WFGD)技术特别是石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术是目前最成熟、应用最广泛的脱硫工艺。WFGD采用石灰石作为吸收剂,将石灰石细粉和水混合搅拌后制成石灰石浆液,将该浆液送入脱硫塔中与原浆液混合,然后调整浆液的整体pH值,浆液在循环泵的作用下,不断与烟气接触混合,使烟气中的SO2与浆液中的CaCO3发生反应而被脱除,生成石膏(
CFB机组SO2排放过程简图如图1所示。
图1
2 SO2排放动态模型建立
本文采用机理建模方法对CFB机组脱硫系统运行过程中SO2生成过程、炉内脱硫过程及炉外脱硫过程等主要动态过程进行研究,通过对运行过程中关键影响参数进行建模,在保证模型精度的前提下减少运行参数输入量,建立了原烟气SO2浓度动态模型及净烟气SO2浓度动态模型,并进行了在稳态负荷工况及动态变负荷工况下的模型仿真验证。
2.1 原烟气SO2排放动态模型
SO2的原始生成速率取决于煤中有机硫及无机硫的释放速率,表达式如下:
式中:
根据质量守恒公式建立炉内SO2浓度模型[28]:
2.2 净烟气SO2排放动态模型
假设炉内原烟气SO2排放浓度等于吸收塔入口SO2浓度,则净烟气SO2排放浓度(即脱硫塔出口SO2浓度)
式中
石灰石浆液与SO2发生反应,假设脱硫塔内烟气温度等于脱硫塔入口处烟气温度,由物料平衡关系[30]可得到:
式中:
由于液相中存在的多种化学反应会影响SO2的吸收,通过对化学反应增强系数进行拟合,得到如下表达式:
式中:
假设吸收塔内部为均匀圆柱体结构,从吸收塔入口到出口处对SO2气体分压进行积分,结合
式中:
3 模型验证
3.1 机组介绍
为了验证本文所建立的动态模型性能,对某330 MW亚临界CFB机组进行了稳态负荷工况及动态变负荷工况的仿真验证。该机组采用东方锅炉厂设计制造的330 MW亚临界CFB锅炉(型号为DG1177/17.5-Ⅱ3),整体布置为单炉膛、单布风板、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、尾部双烟道结构[32]。SO2排放浓度控制采用了炉内脱硫和WFGD的组合脱硫工艺:炉内脱硫部分采用石灰石作为脱硫剂,通过调整钙硫比控制原烟气SO2排放浓度;WFGD采用以石灰石细粉和水混合搅拌制成的新鲜石灰石浆液作为脱硫剂,通过控制石灰石浆液流量及其pH值达到控制净烟气SO2排放浓度的目的,炉外脱硫塔中配置有3层喷淋层。
表1 煤质分析
Tab. 1
| 参数 | Car | Har | Oar | Nar | Sar | Aar | Mar | Qnet.ar | Vdaf |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 数值 | 48.65% | 2.92% | 8.25% | 0.57% | 2.19% | 13.62% | 23.8% | 17.73 MJ/kg | 41.11% |
表2 石灰石成分分析
Tab. 2
| 参数 | 烧失量 | W(CaO) | w(MgO) | w(Fe2O3) | w(SiO2) | w(Al2O3) | w(K2O) | w(SO3) | w(Na2O) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 数值/% | 43.20 | 42.05 | 9.24 | 0.42 | 3.86 | 0.40 | 0.07 | 0.01 | 0.006 |
3.2 仿真结果
根据该330 MW CFB机组分布式控制系统中的运行数据,选取该CFB机组在75%~100%典型稳态负荷工况下的1.5×104 s时间数据段作为模型输入,仿真得到的原烟气SO2排放浓度计算值及净烟气SO2排放浓度计算值如图2所示,误差统计结果如表3所示,其中采用的衡量模型精度指标有平均绝对误差(mean absolute error,MAE)、均方根误差(root mean squared error,RMSE)、平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)。由图2(a)可以看出,所建立的原烟气SO2排放浓度模型能够精确反映SO2浓度的动态变化。由表3可以看出,原烟气SO2排放浓度计算值与真实值误差较小,平均绝对误差为229.45 mg/m3。
图2
表3 稳态工况下的模型误差汇总
Tab. 3
| 误差指标 | 原烟气SO2排放浓度模型 | 净烟气SO2排放浓度模型 |
|---|---|---|
| MAE/(mg/m3) | 178.75 | 2.89 |
| RMSE/(mg/m3) | 229.45 | 4.04 |
| MAPE/% | 9.35 | 25.86 |
由于现场组合脱硫系统并未实现自动控制,运行人员通常需根据经验手动调整石灰石给料器频率、浆液阀门开度及浆液pH设定值以达到控制净烟气SO2排放不超标的目的。因此,在保证模型具有一定精度的前提下,对净烟气SO2排放浓度模型的输入量进行合理简化,使得最终净烟气SO2排放浓度模型中的输入变量只有给煤速率、总风量、石灰石给料速率、石灰石浆液流量、浆液pH值,大大简化了模型计算量,提高了关键运行数据信息获取的时效性。
由于CFB机组在参与调峰时炉内燃烧状态多变,床温变化大,气体容易分布不均,使得SO2生成、脱除特性改变;且由于机组在变负荷过程中,给煤量、送风量、石灰石浆液量等运行参数的波动增大,导致原烟气SO2排放浓度与净烟气SO2排放浓度的不稳定性急剧放大,动态特性更加多变,这对前文所建立的动态模型的预测性提出了更高的要求。因此,另取一段1.6×104 s的同机组连续升降负荷的运行数据段进行仿真验证,原烟气及净烟气SO2排放浓度计算结果如图3所示,该段运行工况包含270 MW至160 MW的连续降负荷过程及160 MW至270 MW的连续升负荷过程。由图3可以看出:原烟气SO2排放浓度模型具有较好的精确度及泛化能力,能够较准确地反映炉内原烟气生成及脱除的动态特性;净烟气SO2排放浓度模型在稳态负荷段及降负荷段中能够保持较高的精准度,而在升负荷段中仍能一定程度上反映未来净烟气SO2排放浓度的主体变化趋势。综上所述,本文所建立的动态模型能够实时预测原烟气及净烟气SO2排放浓度,模型预测结果可以适用于CFB机组灵活性运行下的超低排放控制。
图3
4 结论
1)利用机理建模方法描述即燃碳燃烧动态过程,建立了原烟气SO2排放动态模型,该模型在稳态和动态工况下的RMSE分别为229.45 mg/m3与317.01 mg/m3,模型精度可满足现场的工程实际需求。
2)利用双膜理论与化学反应系数增强公式建立了净烟气SO2排放动态模型,该模型在稳态和动态工况下均具有较好的预测性能,能够准确体现SO2排放浓度的动态趋势,具有良好的模型泛化能力。
3)结合原烟气SO2排放动态模型,通过合理简化净烟气SO2排放模型中的输入变量,建立了CFB机组宽负荷一体化脱硫模型,该模型的输入变量仅由炉膛入口处的给煤给风量及炉内外脱硫剂的给料量组成,能够为现场实施运行优化提供指导,更能为今后各种优化控制策略的实施提供模型基础和理论支撑。
4)所建立的宽负荷一体化SO2排放动态模型能够提前约240 s预测净烟气的排放动态趋势,模型预测结果能够适用于CFB机组灵活性运行下的超低排放控制,利用该模型可以保证工程现场实际SO2排放浓度不出现超标情况,也能避免因石灰石浆液给料过量而造成经济性损失。
参考文献
基于“双碳”目标的中国火力发电技术发展路径研究
[J].
Research on the development path of China’s thermal power generation technology based on the goal of “carbon peak and carbon neutralization”
[J].
“双碳”目标下燃煤电厂灵活性改造及政策建议
[J].
Research on technology and policy of flexibility renovation for coal-fired power plants under carbon peaking and carbon neutrality goal
[J].
新型电力系统下火电机组灵活性运行技术发展及挑战
[J].
Development and challenge of flexible operation technology of thermal power units under new power system
[J].
中国燃煤电厂大气污染物治理历程及展望
[J].
Processes and prospects of air pollutant control in coal-fired power plants in China
[J].
“双碳”目标下基于系统动力学的发电行业碳减排政策研究
[J].
Carbon emission reduction policy in the power generation sector based on system dynamics with “dual carbon” targets
[J].
电力系统碳排放核算综述与展望
[J].
Overview and prospect of carbon emission accounting in electric power systems
[J].
基于CEMS数据的超低排放燃煤机组大气污染物排放特性分析
[J].
Analysis of air pollutant emission characteristics of ultra-low emission coal-fired units based on CEMS data
[J].
《新时代的中国能源发展》白皮书
[EB/OL].(
White paper on energy development in China in the new era
[EB/OL].(
关于印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知
[EB/OL].(
Notice on issuing the work plan for fully implementing ultra low emission and energy conservation renovation of coal-fired power plants
[EB/OL].(
135 MW循环流化床锅炉纯燃准东煤改造策略与运行技术研究
[J].
Retrofitting strategy and operating technology of pure burning Zhundong coal in a 135 MW circulating fluidized bed boiler
[J].
From a CFB reactor to a CFB boiler:the review of R&D progress of CFB coal combustion technology in China
[J].
Development of a supercritical and an ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler
[J].
Development and application of the design principle of fluidization state specification in CFB coal combustion
[J].
大容量循环流化床锅炉技术发展应用现状
[J].
Application and development status of large-scale CFB boilers
[J].
330 MW循环流化床锅炉燃烧调整试验研究
[J].
Test study on combustion adjustment of 330 MW circulating fluidized bed boiler
[J].
燃煤机组超低排放智能调控系统研究及工业验证
[D].
Research and industrial verification of ultra-low emission intelligent control system for coal-fired units
[D].
燃煤机组SO3生成与控制技术路线分析
[J].
Analysis on SO3 generation,migration and control technology of coal-fired units
[J].
脱硫湿烟气喷淋冷凝过程中的参数优化研究
[J].
Study on parameter optimization of desulfurized wet flue gas in spray condensation process
[J].
One dimensional numerical simulation of small scale CFB combustors
[J].
The effect of steam on simultaneous calcination and sulfation of limestone in CFBB
[J].
300 MW循环流化床锅炉SO2生成与控制的建模研究
[J].
Model study on SO2 generation and control of 300 MW CFB boiler
[J].
Dynamic prediction of in-situ SO2 emission and operation optimization of combined desulfurization system of 300 MW CFB boiler
[J].
基于集成机器学习模型的短期光伏出力区间预测
[J].
Short term photovoltaic output interval prediction based on integrated machine learning model
[J].
Dynamic prediction of SO2 emission based on hybrid modeling method for coal-fired circulating fluidized bed
[J].
基于偏最小二乘回归的氨法烟气脱硫效率预测
[J].
Efficiency prediction of ammonia flue gas desulfurization based on partial least squares regression
[J].
300 MW循环流化床锅炉机组超低排放改造
[J].
Ultra-low emission modification of 300 MW circulating fluidized bed boilers unit
[J].
大型循环流化床锅炉燃烧状态监测研究
[D].
Research on combustion state monitoring of large circulating fluidized bed boiler
[D].
Dynamic model for subcritical circulating fluidized bed boiler-turbine units operated in a wide-load range
[J].
660 MW机组CFB锅炉设计煤种排放特性试验
[J].
Experimental study on emission characteristics of design coal for a 660 MW unit circulating fluidized bed boiler
[J].
燃煤电厂湿法脱硫系统关键过程建模及预测控制研究
[D].
Research on key process modeling and predictive control for wet desulfurization system in coal-fired unit
[D].
A concise algorithm for calculating absorption height in spray tower for wet limestone-gypsum flue gas desulfurization
[J].
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