鍋爐及鍋爐系統(tǒng)仿真

1、 鍋爐、鍋爐系統(tǒng)及仿真一、 鍋爐鍋爐是把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，為生產(chǎn)和生活提供合格蒸汽或熱水的設(shè)備。汽機(jī)：熱能 機(jī)械能發(fā)電機(jī)：機(jī)械能 電能分類按用途：電站鍋爐，工業(yè)鍋爐 按燃燒方式：層燃爐，室燃爐，旋風(fēng)爐 按燃料：燃煤爐，燃油爐，燃?xì)鉅t按工質(zhì)流動(dòng)特性：自然循環(huán)鍋爐，強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，直流鍋爐按鍋爐容量：小、中、大容量鍋爐，或小、中、大型鍋爐按蒸汽參數(shù)：低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界鍋爐工業(yè)鍋爐：壓力0.73.9MPa 容量0.135t/h或更大亞臨界及以下電站鍋爐：壓力2.517.5MPa 容量202008t/h從電功率看：3MW： 2.5MPa, 400 20t/h6MW： 3.9MPa,

2、 450 35t/h12MW： 3.9MPa, 450 65t/h25MW： 3.9MPa, 450 130t/h50MW： 9.9MPa, 540 220t/h100MW： 9.9MPa, 540 410t/h125MW：13.8MPa, 540 420t/h200MW：13.8MPa, 540 670t/h300MW：16.8MPa, 540 1025t/h300MW：17.5MPa, 540 1025t/h600MW：17.5MPa, 540 2008t/h習(xí)慣上，蒸汽壓力1.4MPa以下，為低壓鍋爐； 2.6MPa為次中壓鍋爐； 3.9MPa為中壓鍋爐； 9.9MPa為高壓鍋爐； 13

3、.8MPa為超高壓鍋爐；16.817.5MPa亞臨界壓鍋爐；22.19MPa(臨界壓力)以上為超臨界壓力鍋爐。圖一和圖二分別簡(jiǎn)單介紹火力發(fā)電廠的生產(chǎn)流程和電站鍋爐二、 鍋爐系統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)是完成一定生產(chǎn)功能的設(shè)備的組合；仿真工作中劃分系統(tǒng)時(shí)還考慮建模和流網(wǎng)計(jì)算的特點(diǎn)。電廠的鍋爐一般可分為如下系統(tǒng)：過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)再熱蒸汽系統(tǒng)汽包和蒸發(fā)系統(tǒng)二次風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)液壓油、潤(rùn)滑油系統(tǒng)一次風(fēng)系統(tǒng)煙氣系統(tǒng)省煤器系統(tǒng)空氣預(yù)熱器系統(tǒng)制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)燃油及霧化蒸汽系統(tǒng)底部加熱(蒸汽推動(dòng))系統(tǒng)爐內(nèi)燃燒系統(tǒng)及火焰檢測(cè)系統(tǒng)壓縮空氣系統(tǒng)鍋爐疏水及排污系統(tǒng)吹灰系統(tǒng)現(xiàn)在的仿真鍋爐一般可分為如下系統(tǒng)：風(fēng)煙系統(tǒng)蒸汽系統(tǒng)燃油系統(tǒng)燃油

4、的霧化蒸汽系統(tǒng)底部加熱(蒸汽推動(dòng))系統(tǒng)鍋爐排污系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)液壓油、潤(rùn)滑油系統(tǒng)磨煤機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)吹灰系統(tǒng)壓縮空氣系統(tǒng)火焰檢測(cè)系統(tǒng)三、 鍋爐的仿真仿真或模擬，英語(yǔ)：emulate，simulate 模仿，仿效，模擬，仿真，偽裝美國(guó)國(guó)防部關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃中定義：仿真是一個(gè)模型或一套模型的形成和運(yùn)行。可見(jiàn)，仿真和建模密不可分。計(jì)算機(jī)仿真或數(shù)字仿真最早應(yīng)用于歐美國(guó)家的游戲行業(yè)，它的歷史幾乎伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展史。核電和火電的數(shù)字仿真始于上世紀(jì)60年代，大規(guī)模應(yīng)用則在70年代及以后。鍋爐的數(shù)字仿真，就是建立與鍋爐有關(guān)的各種設(shè)備，如汽包、水冷壁、下降管、過(guò)熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、爐膛、燃燒器、磨煤機(jī)、給煤機(jī)

5、、風(fēng)機(jī)、管道、閥門等等的數(shù)學(xué)模型，并用它們組成鍋爐的各個(gè)系統(tǒng)，最后使這些系統(tǒng)在一定的計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行(包括輸入合適的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以確定它們的常數(shù)和初值)。模型的運(yùn)行還涉及流體網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算和仿真支撐平臺(tái)等內(nèi)容。下面以對(duì)流過(guò)熱器為例介紹我們現(xiàn)在使用的圖形化自動(dòng)建模條件下對(duì)流過(guò)熱器模塊的建立過(guò)程： 分析對(duì)象：過(guò)熱器分為輻射過(guò)熱器、半輻射半對(duì)流過(guò)熱器、對(duì)流過(guò)熱器；它們的作用是使蒸汽受熱升溫，達(dá)到一定的過(guò)熱度。 工作原理：高溫?zé)煔饬鬟^(guò)對(duì)流過(guò)熱器表面，把熱量傳導(dǎo)給金屬，金屬再把熱量傳給流過(guò)的蒸汽。 計(jì)算任務(wù)已知：入、出口蒸汽壓力、煙氣壓力，蒸汽流量、煙氣流量，入口蒸汽溫度、煙氣溫度等參數(shù)，及過(guò)熱器的金屬質(zhì)

6、量、容積等結(jié)構(gòu)參數(shù)求解：出口煙溫，出口汽溫，金屬溫度比較：設(shè)計(jì)計(jì)算是已知過(guò)熱器的入、出口熱工參數(shù)，求取其結(jié)構(gòu)參數(shù)，其傳熱系數(shù)的計(jì)算復(fù)雜；仿真計(jì)算是已知過(guò)熱器的額定入、出口參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，求取其出口參數(shù)，其傳熱系數(shù)的計(jì)算簡(jiǎn)單。 建立數(shù)學(xué)模型1、 用數(shù)學(xué)公式描述傳熱過(guò)程煙氣熱平衡方程 其中 煙氣放熱量 煙氣放熱量的修正系數(shù) 煙氣流量 煙氣比熱容過(guò)熱器進(jìn)、出口煙氣溫度煙氣對(duì)金屬對(duì)流放熱方程 其中煙氣對(duì)金屬的對(duì)流放熱系數(shù)煙氣的計(jì)算溫度金屬的計(jì)算溫度 依流動(dòng)情況而定的常數(shù)，管外流動(dòng)取0.65, 管內(nèi)流動(dòng)取0.8。這里取0.65假設(shè)為進(jìn)、出口煙氣溫度的平均溫度，則可由上二式求得煙氣的出口溫度金屬向工質(zhì)的放

7、熱方程 其中 金屬對(duì)工質(zhì)的傳熱量 金屬對(duì)工質(zhì)的傳熱系數(shù) 出口蒸汽流量 管內(nèi)流動(dòng)取0.8金屬的計(jì)算溫度蒸汽的計(jì)算溫度工質(zhì)的能量平衡方程 其中 過(guò)熱器的蒸汽質(zhì)量出口蒸汽焓 入口蒸汽流量入口蒸汽焓 上式歐拉積分可得 其中 本次計(jì)算的出口蒸汽焓 上次計(jì)算的出口蒸汽焓 上次計(jì)算的入口蒸汽焓由蒸汽壓力和蒸汽焓即可求得出口蒸汽溫度。金屬的能量平衡方程 其中 過(guò)熱器的金屬質(zhì)量 過(guò)熱器金屬比熱容 過(guò)熱器金屬溫度即至此，過(guò)熱器的金屬溫度、出口汽溫、出口煙溫全部表示清楚。 建立仿真模型1、建立圖標(biāo)用機(jī)器提供的繪圖工具畫圖標(biāo)：開(kāi)始程序附件畫圖，用圖形表示清楚設(shè)備，并把它保存在SimuBuildermodlibSubB

8、oilermrdicon下，在SimuManager內(nèi)選“讀入圖標(biāo)”把此圖標(biāo)填入。2、 填寫運(yùn)行代碼打開(kāi)SimuManager，在合適的模塊資源組（如：鍋爐（亞臨界）模塊）下的合適的模塊類（如：過(guò)熱器）下，選“新建模塊”，填入新模塊的名稱后，選：運(yùn)行代碼編輯源代碼，用Fortran語(yǔ)言表示上述數(shù)學(xué)模型。如果SimuManager中還沒(méi)有合適的模塊資源組或模塊類，則須先依次建立。注意： 源代碼中只需寫入可執(zhí)行語(yǔ)句，無(wú)需在程序開(kāi)頭寫入子例行子程序名SUBROUTINE,也無(wú)需在程序最后寫入結(jié)束語(yǔ)句名END； 我們的模型是全工況模型，必須在上述正常計(jì)算的基礎(chǔ)上加入冷態(tài)工況和事故工況的計(jì)算； 另外，對(duì)

9、流過(guò)熱器的物質(zhì)支路的流網(wǎng)屬性是“阻力型”的，所以模型中還須加入流網(wǎng)計(jì)算所必須的“RB1,RB2,CB,RV,WLK”等參數(shù)的計(jì)算； 最后，數(shù)學(xué)模型中的變量應(yīng)符合規(guī)則和習(xí)慣，以便于使用。3、 填寫變量根據(jù)運(yùn)行代碼，依次填寫下列端口的變量：物質(zhì)端口、信息端口、內(nèi)部變量、常變量、系統(tǒng)變量、故障變量、流網(wǎng)支路。注意： 物質(zhì)端口和信息端口是模塊和外部連系的端口，在圖標(biāo)上的位置要合適，要方便使用時(shí)連線； 變量的“PRT”欄是指變量的初值是如何得到的：PI代表需要輸入數(shù)據(jù)；PO代表預(yù)處理自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)；PM代表內(nèi)部自有的數(shù)據(jù)(節(jié)點(diǎn)才有)?？偟脑瓌t是：容易得到的數(shù)據(jù)選PI，難得到的數(shù)據(jù)選PO。4、 預(yù)處理代碼預(yù)

10、處理代碼編輯源代碼，由“PRT”欄為PI的變量,用Fortran語(yǔ)言寫出全部變量中“PRT”欄為PO的變量的計(jì)算程序。注意：一個(gè)變量在不同工況下可能有不同的數(shù)值，系統(tǒng)默認(rèn)物質(zhì)端口變量、信息端口變量、內(nèi)部變量、故障變量、流網(wǎng)支路變量為下標(biāo)下限為1的有10個(gè)數(shù)組元素的一維數(shù)組，所以在預(yù)處理代碼中，這些變量都表示為一維數(shù)組元素的形式，例如過(guò)熱器出口煙溫,在運(yùn)行代碼中寫為TGL，而在預(yù)處理代碼中寫為TGL(I)，即：這些變量應(yīng)該在一個(gè)在 I=1,NUM的循環(huán)體里計(jì)算，計(jì)算步長(zhǎng)為1，系統(tǒng)給定NUM=10。常變量和系統(tǒng)變量是常數(shù)，各個(gè)工況下的數(shù)值是一樣的，所以不用循環(huán)計(jì)算。有時(shí)需要在預(yù)處理代碼中把臨時(shí)變量(局部變量)定義為數(shù)組，這需要在“頭定義”中進(jìn)行，例如：預(yù)處理代碼編輯頭定義，寫入：DIMENSION