基于管網(wǎng)計算理論的余熱鍋爐水動力性能計算方法及其工程應(yīng)用浙江大學(xué)鐘崴

基于管網(wǎng)計算理論的余熱鍋爐水動力性能設(shè)計浙江大學(xué)能源工程學(xué)系鐘崴

副教授博士zhongw@

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2項目背景水動力計算用于分析汽水工質(zhì)在鍋爐內(nèi)的流動及循環(huán)特性，進而確定鍋爐的水動力安全性。課題來源

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAF01A46-8)“面向發(fā)電設(shè)備、汽車行業(yè)的分析仿真與集成管理平臺的研究與開發(fā)”的子課題。課題目標(biāo)

研發(fā)能夠支持各種復(fù)雜水動力結(jié)構(gòu)形式鍋爐設(shè)計的通用鍋爐水動力計算系統(tǒng)。應(yīng)用通用鍋爐水動力計算系統(tǒng)，分析、研究鍋爐水動力性能設(shè)計當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。鍋爐水動力計算的經(jīng)典圖解法原理傳統(tǒng)圖解法在求解存在多回路嵌套關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)時往往難以直接求解，而不得不進行簡化處理，致使計算精度難以保證。余熱鍋爐的新型結(jié)構(gòu)層出不窮，回路形式往往不是“經(jīng)典結(jié)構(gòu)”，而多回路復(fù)雜嵌套的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式難以用圖解法求解；微傾斜管、W型蒸發(fā)受熱面的循環(huán)特性安全性；強制循環(huán)余熱鍋爐的節(jié)流圈設(shè)計問題；操作工況復(fù)雜熱負荷變動大（啟動過程、工藝操作周期性波動），熱負荷分布不均勻性等問題需要認真研究。復(fù)雜模型的計算參數(shù)眾多，一些軟件能夠進行計算，但建模和結(jié)果顯示不直觀，一旦發(fā)生差錯，查錯會“焦頭爛額”。余熱鍋爐水動力性能設(shè)計的難點

5基于管網(wǎng)計算理論的水動力性能計算將鍋爐理解為“空間立體受熱管網(wǎng)”。借鑒城市自來水、燃氣等水平型、不受熱管網(wǎng)計算問題的求解思路，解決鍋爐水動力計算問題。研發(fā)“建模+求解”式的通用型鍋爐水動力計算系統(tǒng)。城市自來水、燃氣管網(wǎng)鍋爐城市管網(wǎng)計算理論

6系統(tǒng)功能界面(1)特大型垃圾鍋爐水動力計算

8系統(tǒng)功能界面(2)

9成果主要應(yīng)用單位哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司無錫華光鍋爐股份有限公司杭州鍋爐集團有限公司濟南鍋爐集團有限公司太原鍋爐集團有限公司四川川潤動力股份有限公司唐山信德鍋爐集團有限公司江蘇太湖鍋爐股份有限公司無錫太湖鍋爐有限公司無錫華光工業(yè)鍋爐股份有限公司南通萬達鍋爐股份有限公司長沙鍋爐廠有限責(zé)任公司湘潭鍋爐有限責(zé)任公司中國國電集團寶鋼工程技術(shù)集團有限公司中國瑞林工程技術(shù)有限公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司江蘇申港鍋爐股份有限公司安徽金鼎鍋爐集團有限公司無錫錫能鍋爐股份有限公司無錫東馬鍋爐有限公司中船重工第七〇三研究所武漢特種鍋爐有限責(zé)任公司廣州廣重企業(yè)集團有限公司……關(guān)鍵技術(shù)：水動力計算的模型鍋筒、集箱、分匯等被抽象為“節(jié)點V”，連接任意兩個節(jié)點的存在阻力損失的流程被抽象為“阻力區(qū)段E”，建立以“有向流程圖”表達的鍋爐水動力計算模型，基于管網(wǎng)計算理論，提出了“基于環(huán)路平差流量調(diào)節(jié)的鍋爐水動力計算通用算法”，具有優(yōu)良的通用性，可求解任意復(fù)雜串并聯(lián)回路。計算模型節(jié)點區(qū)段阻力部件1阻力部件n……關(guān)鍵技術(shù)：水動力計算的模型計算模型是由“節(jié)點”和“阻力區(qū)段”相互銜接組成的。其中，“阻力區(qū)段”又是由若干個阻力部件相互串聯(lián)組成。關(guān)鍵技術(shù)：算法理論基礎(chǔ)節(jié)點流量守恒原理：v1：q=q1+q2v2：q1=q4v3：q3=q2v4：q=q3+q4回路能量守恒原理：I：ΔP1+ΔP4=ΔP2+ΔP3鍋爐水動力系統(tǒng)與電路系統(tǒng)的相似性1845年，德國人G.R.基爾霍夫提出基爾霍夫第一定律(節(jié)點流量守恒)和基爾霍夫第二定律(回路電壓代數(shù)和為零)。關(guān)鍵技術(shù)：水動力計算的模型及算法

管網(wǎng)平差：初始未平衡狀態(tài)的流量分配不能使所有環(huán)路滿足能量守恒，環(huán)路上存在閉合差。通過迭代矯正流量，逐步縮減閉合差達到整個管網(wǎng)能量的守恒，得到同時滿足連續(xù)性(節(jié)點)方程組和能量（環(huán)）方程組的水動力解。精細調(diào)節(jié)階段的流量矯正算法：粗略調(diào)節(jié)階段的流量矯正算法：

15關(guān)鍵技術(shù)：“建模+求解”的技術(shù)方案采用“模塊化”、“積木式”的系統(tǒng)研發(fā)思路，讓系統(tǒng)使用人員自由組合搭建計算模型。研究通用模型的統(tǒng)一求解算法，由一套計算系統(tǒng)完成千變?nèi)f化、不同類型鍋爐的水動力計算工作。

16關(guān)鍵技術(shù)：水動力計算軟件模型任意結(jié)構(gòu)形式鍋爐水動力計算的統(tǒng)一軟件表達模型區(qū)段節(jié)點阻力部件接頭集箱鍋筒彎頭水泵管段

17技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)通用性鍋爐爐型：室燃鍋爐（煤粉室燃爐、高爐煤氣鍋爐、天然氣鍋爐），循環(huán)流化床鍋爐，余熱鍋爐（9E,9F燃機余熱鍋爐、水泥窯余熱鍋爐、玻璃窯余熱鍋爐、硫酸余熱鍋爐、催化裂化余熱鍋爐、堿回收余熱鍋爐、銅冶煉余熱鍋爐、干熄焦余熱爐等），層燃鍋爐（SZL系列，燃煤油田注氣鍋爐等）容量范圍：0.1MW~1000MW范圍壓力等級：低壓、中壓、次高壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界燃料：煤，油，氣，水煤漿，垃圾，生物質(zhì)燃料（秸稈、稻殼等），及上述燃料的混合燃燒應(yīng)用行業(yè)：發(fā)電、化工、煉鋼、有色冶金、水泥、油田、食品、制藥、造紙、城市集中供暖。采用一套系統(tǒng)可完成以下產(chǎn)品的水動力計算

18知識產(chǎn)權(quán)及查新結(jié)論查新報告表明：項目提出的“基于管網(wǎng)平差流量調(diào)節(jié)的鍋爐水動力計算方法”，以及采用由“節(jié)點”和“阻力區(qū)段”構(gòu)成的“水動力流程圖”描述計算模型的方法屬首次報道。

19技術(shù)指標(biāo)：與國內(nèi)外研究工作的比較比較對象技術(shù)特點歐美鍋爐制造企業(yè)目前采用的系統(tǒng)NOWA采用手工繪圖描述模型，然后編號輸入模型的方法；對于復(fù)雜模型計算不能有效支持。DOS環(huán)境運行，出現(xiàn)差錯時，難以排除。國內(nèi)鍋爐制造企業(yè)原先應(yīng)用的方法手工方法，或基于Excel的半自動方法；20世紀(jì)70、80年代編寫；主要為專用型系統(tǒng)，適用面窄；速度慢，不直觀，易差錯；國內(nèi)其他研發(fā)單位的系統(tǒng)西安交大車得福等人提出了一種通用水動力計算方法，采用VisualBasic與Access結(jié)合開發(fā)了水動力計算軟件，通過表格編號輸入計算模型，東方鍋爐采用；哈工大系統(tǒng)針對熱水鍋爐；余熱鍋爐熱負荷不均勻性研究案例某閃速爐余熱鍋爐輻射室具體結(jié)構(gòu)如圖所示，其基本尺寸為32.7m×6.85m×15.1m：應(yīng)用1：水平蛇形管蒸發(fā)受熱面的水動力特性分析

水平蛇形蒸發(fā)管水動力特性曲線水平蛇形蒸發(fā)管總阻力偏差曲線方案1：采用整體簡化計算方法求解水平式蛇形蒸發(fā)管的水動力特性。

方案2：忽略熱負荷分布的不均勻性，采用分段計算方法求解水動力特性。方案3：考慮熱負荷分布的不均勻性，采用分段計算方法求解水動力特性。

應(yīng)用1：水平蛇形管蒸發(fā)受熱面的水動力特性分析

水平蛇形蒸發(fā)管各直管區(qū)段的阻力壓降水平蛇形蒸發(fā)管各彎頭區(qū)段的阻力壓降熱負荷分布的不均勻性對水平蛇形蒸發(fā)受熱面各區(qū)段的阻力壓降及區(qū)段的水動力特性會產(chǎn)生影響，致使蛇形蒸發(fā)受熱面總水動力特性發(fā)生變化。由水平蛇形蒸發(fā)受熱面的彎頭區(qū)段產(chǎn)生的重位壓降受熱負荷變化的影響很小，熱負荷的變化主要影響直管區(qū)段的流動阻力。應(yīng)用2：集箱系統(tǒng)并聯(lián)管組流量分配不均勻性分析

熱偏差作用下沿集箱軸向各并聯(lián)管區(qū)段的流量分配曲線

熱偏差對不同工作壓力下集箱系統(tǒng)并聯(lián)管流量分配影響曲線圖

應(yīng)用2：集箱系統(tǒng)并聯(lián)管組流量分配不均勻性分析在單相狀態(tài)下和摩擦阻力校正系數(shù)可視為常數(shù)的汽水兩相狀態(tài)下，集箱系統(tǒng)內(nèi)各并聯(lián)管區(qū)段的分配流量與其平均密度間呈二次函數(shù)關(guān)系變化。。在單相水和汽水兩相狀態(tài)下，集箱系統(tǒng)內(nèi)各并聯(lián)管區(qū)段的流量隨熱負荷的增加而增加；在單相蒸汽狀態(tài)下，各并聯(lián)管區(qū)段的流量隨熱負荷的增加而減小，其變化趨勢不同。在不同工作壓力狀態(tài)下，受相同熱偏差的影響，集箱系統(tǒng)并聯(lián)管組的流量分配不均勻性略有差異。在汽水兩相狀態(tài)下，隨著工作壓力的增加，熱偏差對并聯(lián)管組流量分配不均勻性的影響降低

25應(yīng)用實例1：美國夏威夷900t/d垃圾鍋爐

26應(yīng)用實例2：水泥窯余熱鍋爐

27應(yīng)用實例3：480t/h循環(huán)流化床鍋爐

28對推動企業(yè)科技進步的作用和意義大幅度提高了企業(yè)水動力計算工作的技術(shù)水平原先主要采用簡化計算或估算，現(xiàn)在能夠精細計算，水動力設(shè)計工作的理論性大為增強；提高了鍋爐產(chǎn)品的安全性，促進了優(yōu)化設(shè)計設(shè)計工作精細化程度的提高消除了水動力性能的安全隱患，有利于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計；有助于引進技術(shù)有助于