我國電站鍋爐熱力計算方法應(yīng)用的現(xiàn)狀

1、第 37卷第 3期 2006年 5月鍋 爐 技 術(shù)BOIL ER T ECH NO L OGYVol. 37, No. 3M ay. , 2006收稿日期 :20050613; 修回日期 :20050804作者簡介 :李振全 (1982, 男 , 江蘇鹽城人 , 碩士研究生 , 主要從事電廠熱力系統(tǒng)診斷及優(yōu)化和節(jié)能方向的研究。文章編號 : CN311508(2006 03004104我國電站鍋爐熱力計算方法應(yīng)用的現(xiàn)狀李振全 , 尹艷山 , 張國妮 , 林曉芬 , 張 軍 , 撒應(yīng)祿(東南大學(xué) 潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點實驗室 , 江蘇 南京 210096關(guān)鍵詞 : 鍋爐 ; 熱力計算 ;

2、標(biāo)準(zhǔn) ; 方法 ; 計算機應(yīng)用摘 要 : 在簡單分析了原蘇聯(lián)鍋爐熱力計算標(biāo) 準(zhǔn)與美國 CE 標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別 之后 , 提 出應(yīng)對積灰 系數(shù) 、 熱 有效 系數(shù) 和利用系數(shù) 等 3個系數(shù)有準(zhǔn)確理解 , 指出 系數(shù)的選 取對鍋 爐熱力 計算準(zhǔn) 確程度 的重要 性及鍋爐 性 能及 安全性的重要影響 , 并介紹了傳統(tǒng)的熱力計算方法及 多種改進方法 , 分析比較 了各種計算 方法的優(yōu) 點及 不足 之處 ; 接著闡述了計算機在鍋爐 熱力計 算中 發(fā)揮 的作用 和重 要性 , 計算 機技 術(shù)在鍋 爐熱 力計 算中的 應(yīng) 用 ; 最后指出了目前存在的問題及將來的發(fā)展方 向。 中圖分類號 : T K 222 文獻標(biāo)

3、識碼 : A1 前 言近十多年 , 我 國的電 力事 業(yè)取得 很大 的發(fā) 展 , 自行設(shè)計生產(chǎn)的火電機組單機出力由建國初 期 6M W 提高到現(xiàn)今 300M W600M W 和設(shè)計 更高的 900MW 1000M W, 參數(shù)由 4M Pa 增 加到 17. 0MPa 和設(shè)計 25. 0M Pa27. 0M Pa 的 超臨界與超超臨界。但應(yīng)看到 , 包括引進的國外 300M W600MW 在內(nèi)的燃煤火電機組 , 其鍋 爐安全可靠的工作和經(jīng)濟運行 , 至今還有著相當(dāng) 部分的不盡人意。主要原因之一是 , 現(xiàn)今采用的 鍋爐熱力計算方法存在不足。鍋爐熱力計算是鍋爐整體計算的核心 , 是鍋 爐設(shè)計、 校核

4、、 運行的 基本依據(jù)。鍋 爐水動力計 算、 受壓元件強度計算、 通風(fēng)阻力計算、 爐墻熱力 計算、 管壁溫度計算、 制粉系統(tǒng)熱力計算、 空氣動 力計算等都要在鍋爐熱力計算 的基礎(chǔ)上才能進 行 , 對鍋爐的安全和性能有著直接的影響。為提 高鍋爐熱力計算的準(zhǔn)確性 , 近些年來國內(nèi)一些單 位開展了一些研究工作 , 這里將對這些工作進行 介紹和討論。2 熱力計算標(biāo)準(zhǔn)目前世界各國的鍋爐熱力計算有很多的方 法 (標(biāo)準(zhǔn) 。方 法基本 為半 經(jīng)驗性 質(zhì) , 其精 確程度 , 往往影響到排煙 溫度、 過熱汽溫 及再熱汽溫 和熱空氣溫度的 設(shè)計值的準(zhǔn)確。各 種方法的選 用 , 決定于鍋爐制造廠家的歷史與經(jīng)驗。50年

5、來 , 我國發(fā)電鍋爐設(shè)計所用的方法普遍 采用的是前蘇聯(lián) 1957年 (包括 2個修正 和 1973年兩個聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)方法。近年來 , 隨著歐美大機組 的引進 , 也引進了一 些歐美的計算方法 , 如美國 燃燒公司 (CE 、 福斯特 惠勒公司 (FW 、 巴威公 司 (B&W 的熱力計算標(biāo)準(zhǔn)等。李偉和王雅勤1對原蘇聯(lián) 1957年熱力計算標(biāo)準(zhǔn)、 1973年熱力計 算標(biāo)準(zhǔn)和美國 CE 鍋 爐性能設(shè) 計標(biāo)準(zhǔn) 進行了比 較。 CE 標(biāo)準(zhǔn)的 計算精度要求較高 , 但在傳熱計 算中 , 其傳熱系數(shù)僅為對流放熱系數(shù)和三原子氣 體輻射放熱系數(shù)的簡單相加 , 沒有沾污 系數(shù)、 沾 污壁溫的概念。而實際燃煤鍋

6、爐受 熱面的積灰 總是不可避免存在 , 特別是我國燃煤中 , 灰含量 普遍較高 ; CE 標(biāo)準(zhǔn)的漏風(fēng)值較小 , 而我國鍋爐的 實際漏風(fēng)普遍偏大。美國 CE 公司的爐膛分為下 部和上部爐膛 2部分計算 , 下部爐膛是根據(jù)美國 優(yōu)質(zhì)煙煤試驗為基礎(chǔ)而制定初基本曲線 , 并經(jīng)其 它因素修正得出爐膛尺寸和相應(yīng)熱力參數(shù) ; 上部 爐膛分為許多相互關(guān)聯(lián)的小 區(qū)域按傳熱理論和 數(shù)學(xué)模型以及微積分求出上 部爐膛各處的受熱 面和煙溫 2。 CE 下爐 膛計算方法用 在我國時 , 由于煤質(zhì)明顯劣于美國煤質(zhì) , 且缺乏足夠的中國鍋 爐 技 術(shù) 第 37卷動力用煤的工業(yè)試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ) , 機械地套用美國 煤的計算曲線是不

7、科學(xué)的 , 對于有些煤 種、 特別 是結(jié)渣性較強的煤種 , 往往產(chǎn)生較大的 偏差 , 容 易加劇壁面結(jié)渣的傾向 ; CE 上爐膛計算方法對 屏區(qū)用沿高度方向熱負荷不均勻系數(shù) Y 值計算 各部吸熱量的方法相對于原蘇 聯(lián)的方法更加準(zhǔn) 確。因此 , 我國鍋爐按 CE 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時 , 鍋爐熱力 計算結(jié)果與實際運行結(jié)果仍會有一定誤差。 實際上鍋爐各種 熱力計算標(biāo)準(zhǔn) 方法總會有 一定精確度和誤差 , 但能反映精確程度的并不決 定于計算方法程序的繁簡和理論概念 , 而主要看 對提出的積灰系數(shù) 、 熱有效系數(shù) 和利用系數(shù) 等 3個系數(shù) (亦有提出 1個或 2個系數(shù)的方法 的 準(zhǔn)確理解和設(shè)計人員掌握的經(jīng)驗。理由

8、是 : 、 、 是試驗數(shù)據(jù) , 由試驗研究和最后的工程試驗整理 而得。如 , 在計算對流傳熱時 , K =Q/H ! t, K =f ( 、 。其物理概念均以受熱面積灰為主 (管 式空氣預(yù)熱器 除外 的綜合修正系數(shù)。它包含 算式的誤差、 演算的誤差和試驗測量誤差等多方 面的誤差。對此 , 對于 、 、 與鍋爐設(shè)計的熱力計算方 法之間關(guān)系的正確理解應(yīng)為 :(1 各種熱力計算方法的準(zhǔn)確程度 , 關(guān)鍵決 定于它所提供的 、 、 的準(zhǔn)確程度 ;(2 各種熱力計算方法中提供的 、 、 是對 Q 、 H 、 K 、 ! t 等相互對應(yīng)的方法 , 不能與其它熱力 計算方法相互套用 ;(3 各種熱力計算方法中

9、 , 提供的 、 、 是 有一定應(yīng)用條件和范圍的。如 , 燃燒煤質(zhì)不同和 灰成分的不同 ; 鍋爐負 荷和燃煤量的不 同 ; 爐膛 及對流受熱面煙溫、 壁溫、 煙速和熱負荷的不同 ; 受熱面布置與結(jié)構(gòu)的不同等 , 它們的 、 、 是不 同的 , 應(yīng)該正確地判斷和靈活地選用。受熱面的積灰 與煙氣流速、 煙氣溫度、 受熱 面管子直徑、 管 子布置方式 (錯列或順列 、 管子 排列緊密程度、 灰分顆粒尺寸等因素有關(guān)。對于 燃用固體燃料的順列光管管束 , 在計算傳熱系數(shù) 時 , 均采 用熱 有效 系數(shù)來 考慮 灰污 的影 響。此 外 , 在計算鍋爐的凝渣管和小型鍋爐的對流管束 時 , 均按熱有效系數(shù)進行

10、傳熱計算。利用系數(shù) 是綜合考慮管壁污染 , 氣流沖刷不完全和管板泄 漏等影響的系數(shù) , 表示氣流對受熱面沖刷不均勻 等因素的影響。這些影響因素導(dǎo)致 空氣預(yù)熱器 式組成 :=K ! t式中 :K ! t 分別考慮傳熱系數(shù)和溫壓降低的 局部利用系數(shù)。應(yīng)該看到 , 經(jīng)驗系數(shù)往往總是通過試驗才能 取得 , 從而勢必使 包 含測量誤差和 演算誤差。 因而 , 的真實含量是以 K 、 ! t 因素為特征的 , 包 含算式簡化處理、 經(jīng) 驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)、 測量和 演算誤差等影響 的綜合試驗修正值。當(dāng)積灰系 數(shù) 、 熱有效系數(shù) 和利用系數(shù) 選用不當(dāng) , 均導(dǎo) 致爐膛出口煙溫及對流各段煙溫 , 以及各受熱面

11、吸熱量和蒸汽溫度、 熱空氣溫度等改變和帶來影 響。嚴(yán)重時 , 會發(fā)生爐膛結(jié)渣、 燃燒性能變差、 金 屬超溫以及排煙熱損失過大等等不良現(xiàn)象。3 鍋爐熱力計算方法鍋爐熱力計算分為設(shè)計計算和校核計算 , 設(shè) 計計算一般是在設(shè)計新鍋爐時運用的方法 , 而校 核計算是在鍋爐結(jié)構(gòu)已定 , 燃料變更時進行的計 算。在鍋爐熱力計算 , 首先以燃料完全燃燒得出 理論空氣量、 煙氣成 分和煙氣的焓等 , 然后考慮 燃料的化學(xué)不完全燃燒熱損 失和機械不完全燃 燒熱損失 , 在上述 煙氣焓 中查 出理論 燃燒 溫度 等。計算的結(jié)果有 2種燃料量 , 即實際燃料消耗 量和不考慮機械不完全燃燒 熱損失的計算燃料 消耗量。

12、整個鍋爐的計算中 , 都以燃料完全燃燒 后的產(chǎn)物來 計算爐 內(nèi)的輻 射傳 熱和 對流 放熱。 熱力計算過程主要分為鍋爐的輔助計算、 燃燒室 設(shè)計和傳熱計算以及對流受熱面的換熱計算 3。 根據(jù)鍋爐本體中傳熱的特點 , 其熱力計算又 可主要分為爐膛熱力計算和 對流受熱面熱力計 算。對流受熱面由于以對流換熱為主 , 其傳熱計 算容易進行 , 而難點在于沾污系數(shù)的選取。鍋爐 爐膛內(nèi)的過程是異常復(fù)雜的 , 在其內(nèi)部同時進行 著流動、 混合、 燃燒、 傳 熱等過程 , 而 且這些過程 相互作用、 相 互影 響。爐 膛由 于以輻 射換 熱為 主 , 且溫度分布不均勻 , 準(zhǔn)確的傳熱計算難度大。 原蘇聯(lián) 19

13、57年和 1973年鍋爐熱力計算標(biāo)準(zhǔn)的差 別也主要表現(xiàn)在爐膛輻射傳熱計算方法的不同。 為此 , 對爐 膛輻射 傳熱的 計算 一直是 研究 的方 向 , 也提出 了不少計算方 法 4, 但在 我國目前鍋 爐熱力計算中仍主要采用原蘇聯(lián) 1957年或 1973年標(biāo)準(zhǔn)中輻射傳 熱的計算方法。如 何將最新的42第 3期 李振全 , 等 :我國電站鍋爐熱力計算方法應(yīng)用的現(xiàn)狀是今后鍋爐設(shè)計應(yīng)重視的問題。在原蘇聯(lián) 1973年標(biāo)準(zhǔn) 5中 , 實際上給出了 2種爐膛熱力計算方法 :A. M 古爾維奇 全爐膛 計算方法和米多爾分 區(qū)段計算方法。目前在工 程設(shè)計和運行校核中 , 主要還是按 A. M 古爾維 奇零維模

14、型 進行。其計 算過 程簡 單 , 但在 大型 鍋爐爐膛換 熱計算 中 , 零維模 型計算 存在 較大 誤差 , 以及大屏區(qū)段從屬零維全爐膛計算 時 , 與 實際情況相悖。分區(qū)段計算法所設(shè) 立的一維假 想模型 雖然 考 慮了 溫 度分 布 沿 爐膛 高 度的 不 同 , 但仍未考慮到軸向截面上溫度場、 速度場和 物質(zhì)成分場 的不均 勻性 , 而建 模和經(jīng) 驗公 式中 有關(guān)計算參 量的取 用 , 都有待 于進一 步討 論商 榷 , 且其計 算過程 復(fù)雜。鑒 于上 述 2種不 同的 爐膛換熱計 算方 法的 優(yōu)點 和不 足 , 關(guān)金 峰等 6提出了對大容量鍋爐爐膛換熱分為 ! 兩大塊 進 行計算的方

15、 案 , 以減 少分區(qū) 計算 的工 作量。隨 著計算機技 術(shù)的發(fā) 展 , 計算工 作量已 不再 是影 響分區(qū)數(shù)量的因素 , 為此 , 樊泉桂 7采用了將燃 燒器區(qū)分成 4個區(qū) 段的更 細的分 區(qū)計 算方 法 , 這些做法對提高鍋爐爐膛傳熱 計算精度是有益 的。但如前述 , 鍋爐 熱力 計算 的準(zhǔn)確 程度 在很 大程度上取決于積灰系數(shù) 、 熱有效系數(shù) 和利 用系數(shù) 的選取 , 因此深入認識 、 和 等變化 對鍋爐 熱力 計 算結(jié) 果 的影 響 程 度是 十 分必 要 的。但目前相關(guān)的研究工作很少。針對實 際 上 燃 料 在 爐內(nèi) 燃 燒 屬 不 完全 燃 燒 , 李佛金等 8指出 鍋爐 的熱 力

16、計算 應(yīng)按 不完 全燃燒理 論進行 計算 才合理。在 燃煤 鍋爐 中 , 飛灰含碳量 有時很 高 , 若用燃 料完全 燃燒 方法 進行設(shè)計或校核計算 則有較大誤差。而用不完 全燃燒理論 來進行 鍋爐熱 力計算 , 并 且在 燃燒 計算中就考 慮了未 完全燃 燒的物 質(zhì) , 使得 計算 的結(jié)果與爐內(nèi)的煙氣 成分一致。整 個鍋爐熱力 計算都以不完全燃燒來進 行 , 因此煙氣成 分、 煙 氣的焓、 燃燒所需的空氣量、 鍋爐中的傳熱等都 與完全燃燒時的計算 結(jié)果有差別。但燃料的燃 盡度除與燃 料本身 性質(zhì)有 關(guān)外 , 還取 決于 燃燒 器的布置、 熱風(fēng)溫 度、 爐膛形 狀、 爐內(nèi) 空氣 動力 場等多種

17、因素 , 而難以確定 , 因此實際設(shè)計采用 這種方法很難實現(xiàn)。4 計算機在鍋爐熱力計算中的應(yīng)用 一項重要計算 , 該計算的繁瑣程度也是鍋爐專業(yè) 工作者所共知的。隨著計算機應(yīng)用的普及 , 近十 幾年來多數(shù)鍋爐廠家及科研 人員開始采用計算 機程序來實施該計算 , 使其變得簡單化和更加精 確化。在鍋爐校核熱力計算中 , 大量的前后相關(guān) 的數(shù)據(jù)傳遞以及重復(fù)迭代的計算方法 , 完全適合 計算機的運算。使用計算機可以對 各種設(shè)計方 案進行比較 , 得到最 佳的設(shè)計方案 ; 可以對各種 影響因素進行預(yù)測 ; 可以對鍋爐負荷變 化、 燃料 變化以及減溫水量、 旁路煙氣量、 再 循環(huán)煙氣量 等調(diào)節(jié)因素進行計算分

18、析 , 以預(yù)先了解鍋爐的各 種靜態(tài)的運行調(diào)節(jié)特性 9。以往 的鍋 爐 熱 力 計 算計 算 機 程 序 大都 由 FORT RAN 、 BASIC 或 C 語 言編制 , 這些語言具 有強大的計算 功能 , 編制 的程 序具有 所需 內(nèi)存 少、 計算速度快等特點。但其最大缺點是程序中 的計算模塊和一些系數(shù)的選 取只能由程序設(shè)計 者進行修改 , 一 般使用者不能了解其 計算過程 , 只能盲目使用。此外輸入和輸出界面較為單調(diào) , 若需將計算結(jié)果匯編成熱力計算書時 , 則必須將 計算結(jié)果在文字處理程序中 重新編輯 , 費時、 費 力。因此為了解決上述問題 , 使熱力計算的計算 機程序能夠直 接面 向

19、一般 工程 技術(shù)人 員 , 利用 Excel 編制的手算結(jié)構(gòu)的計算機程序 , 它容易適 應(yīng)鍋爐的各種結(jié)構(gòu) , 但只能實現(xiàn)熱力計算的半自 動化。然而 , 目前上述軟件多為針對具體 爐型、 爐 種的專用程序 , 為 適應(yīng)鍋 爐設(shè) 計靈活 多變 的特 點。鐘崴等 10提出了鍋爐傳熱的抽象認知模型 , 應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù) , 以統(tǒng)一建模語言 U ML 設(shè)計 了通用熱力計算 軟件的系統(tǒng)模型。該軟件通用 于室燃爐、 流化床、 層燃爐、 余熱爐等爐型的熱力 計算 , 特別能夠解算 存在再熱蒸汽流程、 二次風(fēng) 流程和多壓余熱爐等流程邏輯復(fù)雜的問題 , 并給 出了求解全流程傳熱平衡的 整體迭代算法和計 算控制策略

20、 , 形 成了一套通用的熱力 計算算法 , 得到了工程實踐的檢驗。它具有優(yōu)良的準(zhǔn)確性、 收斂性、 穩(wěn)定性和高 效性 , 且對用戶 經(jīng)驗的依賴 性也大大下降 , 具 有重要 的工 程意義 和應(yīng) 用價 值。同時指出 , 鍋爐熱力計算的實質(zhì)是求解一組 復(fù)雜串并聯(lián)傳熱部件的傳熱平衡問題 , 算法的核 心是沿介質(zhì)流經(jīng)傳熱部件的 順序依次對傳熱部 件的傳熱計算服務(wù)進行反復(fù)迭代調(diào)用。43鍋 爐 技 術(shù) 第 37卷有限的 , 另外 , 隨著考慮情況的增多 , 程序的復(fù)雜 程度也急劇上升 , 所謂通用化的鍋爐計算程序總 是相對的 , 不存在完全 通用化的程序 , 因此十分 有必要繼續(xù)開展計算機技術(shù)在 鍋爐熱力計

21、算中 應(yīng)用的研究工作。5 結(jié)束語鍋爐熱力計算是鍋爐設(shè)計計算中一個十分 重要而又繁瑣的環(huán) 節(jié)。目前我國現(xiàn) 用的各種熱 力計算方法都在不同程度上存在著不完善之處 , 因此非常迫切并很有必要制定 符合我國實際情 況的熱力計算方法。我國現(xiàn)用的熱 力計算方法 采用的仍是經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗的零維模型 , 只能 給出爐膛內(nèi)的平均特性 , 無法反映爐內(nèi)各斷面的 真實情況 , 所以研究爐 膛傳熱、 流動 及煤燃燒過 程的三維數(shù)值計算方法具有重 大的意義和工程 實用價值。非常有必要開展 、 和 等變化對 鍋爐熱力計算結(jié)果影響程度的研究 , 并努力將最 新的爐膛輻射傳熱研究成果結(jié) 合到鍋爐熱力計 算中去。另外 , 大

22、力發(fā)展 計算機應(yīng)用技術(shù) , 努力 開發(fā)出相對更 加完善、 通 用的 鍋爐熱 力計 算軟 件 , 將更有助于鍋爐 設(shè)計 , 對電廠熱 經(jīng)濟性診斷 及優(yōu)化也將起到更加重要的作用。參考文獻 :1李偉 , 王雅勤 . 關(guān)于電站鍋爐 幾種熱力計 算標(biāo)準(zhǔn)的 研究 J . 現(xiàn)代電力 , 2001, (2 :8-13.2管明德 . 哈鍋鍋爐爐 膛若干技 術(shù)參數(shù)及 其分析 J. 鍋爐 制 造 , 1993, (1 :2-13.3馮俊凱 , 沈幼庭 . 鍋爐原 理及計算 , 第二版 M . 北京 :科 學(xué) 出版社 , 1992.4劉 林 華 . 爐 膛 傳熱 計 算 方法 的 發(fā) 展?fàn)?況 J . 動力 工 程

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