我国电站锅炉热力计算方法应用的现状

1、第37卷第3期2006年5月锅炉技术BO I LER TECHNOLOGYVol .37 No .3M a y . 2006收稿日期!20050613 修回日期!20050804作者简介!李振全 1982男 江苏盐城人 硕士研究生 主要从事电厂热力系统诊断及优化和节能方向的研究 文章编号!CN311508 2006 03004104我国电站锅炉热力计算方法应用的现状李振全!尹艳山!张国妮!林晓芬!张军!撒应禄东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室 江苏南京210096关键词!锅炉 热力计算 标准 方法 计算机应用摘要!在简单分析了原苏联锅炉热力计算标准与美国CE 标准的区别之后 提出应对

2、积灰系数e 热有效系数 和利用系数 等3个系数有准确理解 指出系数的选取对锅炉热力计算准确程度的重要性及锅炉性能及安全性的重要影响 并介绍了传统的热力计算方法及多种改进方法 分析比较了各种计算方法的优点及不足之处 接着阐述了计算机在锅炉热力计算中发挥的作用和重要性 计算机技术在锅炉热力计算中的应用 最后指出了目前存在的问题及将来的发展方向 中图分类号!TK 222文献标识码!A1前言近十多年我国的电力事业取得很大的发展 自行设计生产的火电机组单机出力由建国初期6MW 提高到现今300MW 600MW 和设计更高的900MW 1000MW 参数由4MPa 增加到17.0MPa 和设计25.0MP

3、a 27.0MPa 的超临界与超超临界 但应看到 包括引进的国外300MW 600MW 在内的燃煤火电机组 其锅炉安全可靠的工作和经济运行 至今还有着相当部分的不尽人意 主要原因之一是 现今采用的锅炉热力计算方法存在不足锅炉热力计算是锅炉整体计算的核心 是锅炉设计 校核 运行的基本依据 锅炉水动力计算 受压元件强度计算 通风阻力计算 炉墙热力计算 管壁温度计算 制粉系统热力计算 空气动力计算等都要在锅炉热力计算的基础上才能进行 对锅炉的安全和性能有着直接的影响 为提高锅炉热力计算的准确性 近些年来国内一些单位开展了一些研究工作 这里将对这些工作进行介绍和讨论2热力计算标准目前世界各国的锅炉热力

4、计算有很多的方法 标准 方法基本为半经验性质 其精确程度往往影响到排烟温度 过热汽温及再热汽温和热空气温度的设计值的准确 各种方法的选用 决定于锅炉制造厂家的历史与经验 50年来我国发电锅炉设计所用的方法普遍采用的是前苏联1957年 包括2个修正 和1973年两个联合标准方法 近年来 随着欧美大机组的引进 也引进了一些欧美的计算方法 如美国燃烧公司 CE 福斯特 惠勒公司 F W巴威公司 B &W的热力计算标准等 李伟和王雅勤 1 对原苏联1957年热力计算标准 1973年热力计算标准和美国CE 锅炉性能设计标准进行了比较 CE 标准的计算精度要求较高 但在传热计算中 其传热系数仅为对

5、流放热系数和三原子气体辐射放热系数的简单相加 没有沾污系数 沾污壁温的概念 而实际燃煤锅炉受热面的积灰总是不可避免存在 特别是我国燃煤中 灰含量普遍较高 CE 标准的漏风值较小 而我国锅炉的实际漏风普遍偏大 美国CE 公司的炉膛分为下部和上部炉膛2部分计算 下部炉膛是根据美国优质烟煤试验为基础而制定初基本曲线 并经其它因素修正得出炉膛尺寸和相应热力参数 上部炉膛分为许多相互关联的小区域按传热理论和数学模型以及微积分求出上部炉膛各处的受热面和烟温 2CE 下炉膛计算方法用在我国时由于煤质明显劣于美国煤质 且缺乏足够的中国锅炉技术第37卷动力用煤的工业试验数据基础机械地套用美国煤的计算曲线是不科学

6、的对于有些煤种特别是结渣性较强的煤种往往产生较大的偏差容易加剧壁面结渣的倾向CE上炉膛计算方法对屏区用沿高度方向热负荷不均匀系数Y值计算各部吸热量的方法相对于原苏联的方法更加准确因此我国锅炉按CE标准设计时锅炉热力计算结果与实际运行结果仍会有一定误差实际上锅炉各种热力计算标准方法总会有一定精确度和误差但能反映精确程度的并不决定于计算方法程序的繁简和理论概念而主要看对提出的积灰系数e热有效系数和利用系数等3个系数亦有提出1个或2个系数的方法的准确理解和设计人员掌握的经验理由是e是试验数据由试验研究和最后的工程试验整理而得如在计算对流传热时K O H A K fe其物理概念均以受热面积灰为主管式空

7、气预热器除外的综合修正系数它包含算式的误差演算的误差和试验测量误差等多方面的误差对此对于e与锅炉设计的热力计算方法之间关系的正确理解应为1各种热力计算方法的准确程度关键决定于它所提供的e的准确程度2各种热力计算方法中提供的e是对O H K A等相互对应的方法不能与其它热力计算方法相互套用3各种热力计算方法中提供的e是有一定应用条件和范围的如燃烧煤质不同和灰成分的不同锅炉负荷和燃煤量的不同炉膛及对流受热面烟温壁温烟速和热负荷的不同受热面布置与结构的不同等它们的e是不同的应该正确地判断和灵活地选用受热面的积灰与烟气流速烟气温度受热面管子直径管子布置方式错列或顺列管子排列紧密程度灰分颗粒尺寸等因素有

8、关对于燃用固体燃料的顺列光管管束在计算传热系数时均采用热有效系数来考虑灰污的影响此外在计算锅炉的凝渣管和小型锅炉的对流管束时均按热有效系数进行传热计算利用系数是综合考虑管壁污染气流冲刷不完全和管板泄漏等影响的系数表示气流对受热面冲刷不均匀等因素的影响这些影响因素导致空气预热器的传热系数和传热温压低于它们理论值即由下式组成K A式中K A分别考虑传热系数和温压降低的局部利用系数应该看到经验系数往往总是通过试验才能取得从而势必使包含测量误差和演算误差因而的真实含量是以K A因素为特征的包含算式简化处理经验公式和经验数据测量和演算误差等影响的综合试验修正值当积灰系数e热有效系数和利用系数选用不当均导

9、致炉膛出口烟温及对流各段烟温以及各受热面吸热量和蒸汽温度热空气温度等改变和带来影响严重时会发生炉膛结渣燃烧性能变差金属超温以及排烟热损失过大等等不良现象3锅炉热力计算方法锅炉热力计算分为设计计算和校核计算设计计算一般是在设计新锅炉时运用的方法而校核计算是在锅炉结构已定燃料变更时进行的计算在锅炉热力计算首先以燃料完全燃烧得出理论空气量烟气成分和烟气的焓等然后考虑燃料的化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失在上述烟气焓中查出理论燃烧温度等计算的结果有2种燃料量即实际燃料消耗量和不考虑机械不完全燃烧热损失的计算燃料消耗量整个锅炉的计算中都以燃料完全燃烧后的产物来计算炉内的辐射传热和对流放热热力计

10、算过程主要分为锅炉的辅助计算燃烧室设计和传热计算以及对流受热面的换热计算3根据锅炉本体中传热的特点其热力计算又可主要分为炉膛热力计算和对流受热面热力计算对流受热面由于以对流换热为主其传热计算容易进行而难点在于沾污系数的选取锅炉炉膛内的过程是异常复杂的在其内部同时进行着流动混合燃烧传热等过程而且这些过程相互作用相互影响炉膛由于以辐射换热为主且温度分布不均匀准确的传热计算难度大原苏联1957年和1973年锅炉热力计算标准的差别也主要表现在炉膛辐射传热计算方法的不同为此对炉膛辐射传热的计算一直是研究的方向也提出了不少计算方法4但在我国目前锅炉热力计算中仍主要采用原苏联1957年或1973年标准中辐射

11、传热的计算方法如何将最新的炉膛辐射传热研究成果结合到锅炉热力计算中24第3期李振全等:我国电站锅炉热力计算方法应用的现状是今后锅炉设计应重视的问题在原苏联1973年标准5中实际上给出了2种炉膛热力计算方法:A.M古尔维奇全炉膛计算方法和米多尔分区段计算方法目前在工程设计和运行校核中主要还是按A.M古尔维奇零维模型进行其计算过程简单但在大型锅炉炉膛换热计算中零维模型计算存在较大误差以及大屏区段从属零维全炉膛计算时与实际情况相悖分区段计算法所设立的一维假想模型虽然考虑了温度分布沿炉膛高度的不同但仍未考虑到轴向截面上温度场速度场和物质成分场的不均匀性而建模和经验公式中有关计算参量的取用都有待于进一步

12、讨论商榷且其计算过程复杂鉴于上述2种不同的炉膛换热计算方法的优点和不足关金峰等6提出了对大容量锅炉炉膛换热分为两大块进行计算的方案以减少分区计算的工作量随着计算机技术的发展计算工作量已不再是影响分区数量的因素为此樊泉桂7采用了将燃烧器区分成4个区段的更细的分区计算方法这些做法对提高锅炉炉膛传热计算精度是有益的但如前述锅炉热力计算的准确程度在很大程度上取决于积灰系数e热有效系数和利用系数的选取因此深入认识e和等变化对锅炉热力计算结果的影响程度是十分必要的但目前相关的研究工作很少针对实际上燃料在炉内燃烧属不完全燃烧李佛金等8指出锅炉的热力计算应按不完全燃烧理论进行计算才合理在燃煤锅炉中飞灰含碳量有

13、时很高若用燃料完全燃烧方法进行设计或校核计算则有较大误差而用不完全燃烧理论来进行锅炉热力计算并且在燃烧计算中就考虑了未完全燃烧的物质使得计算的结果与炉内的烟气成分一致整个锅炉热力计算都以不完全燃烧来进行因此烟气成分烟气的焓燃烧所需的空气量锅炉中的传热等都与完全燃烧时的计算结果有差别但燃料的燃尽度除与燃料本身性质有关外还取决于燃烧器的布置热风温度炉膛形状炉内空气动力场等多种因素而难以确定因此实际设计采用这种方法很难实现计算机在锅炉热力计算中的应用锅炉热力计算是锅炉设计和改造所必需的一项重要计算该计算的繁琐程度也是锅炉专业工作者所共知的随着计算机应用的普及近十几年来多数锅炉厂家及科研人员开始采用计

14、算机程序来实施该计算使其变得简单化和更加精确化在锅炉校核热力计算中大量的前后相关的数据传递以及重复迭代的计算方法完全适合计算机的运算使用计算机可以对各种设计方案进行比较得到最佳的设计方案;可以对各种影响因素进行预测;可以对锅炉负荷变化燃料变化以及减温水量旁路烟气量再循环烟气量等调节因素进行计算分析以预先了解锅炉的各种静态的运行调节特性9以往的锅炉热力计算计算机程序大都由FORTRANBAS I C或C语言编制这些语言具有强大的计算功能编制的程序具有所需内存少计算速度快等特点但其最大缺点是程序中的计算模块和一些系数的选取只能由程序设计者进行修改一般使用者不能了解其计算过程只能盲目使用此外输入和输

15、出界面较为单调若需将计算结果汇编成热力计算书时则必须将计算结果在文字处理程序中重新编辑费时费力因此为了解决上述问题使热力计算的计算机程序能够直接面向一般工程技术人员利用EXOGl编制的手算结构的计算机程序它容易适应锅炉的各种结构但只能实现热力计算的半自动化然而目前上述软件多为针对具体炉型炉种的专用程序为适应锅炉设计灵活多变的特点钟崴等10提出了锅炉传热的抽象认知模型应用面向对象技术以统一建模语言U ML设计了通用热力计算软件的系统模型该软件通用于室燃炉流化床层燃炉余热炉等炉型的热力计算特别能够解算存在再热蒸汽流程二次风流程和多压余热炉等流程逻辑复杂的问题并给出了求解全流程传热平衡的整体迭代算法

16、和计算控制策略形成了一套通用的热力计算算法得到了工程实践的检验它具有优良的准确性收敛性稳定性和高效性且对用户经验的依赖性也大大下降具有重要的工程意义和应用价值同时指出锅炉热力计算的实质是求解一组复杂串并联传热部件的传热平衡问题算法的核心是沿介质流经传热部件的顺序依次对传热部件的传热计算服务进行反复迭代调用由于程序设计人员所能考虑到的情况总是34锅炉技术第37卷有限的9另外9随着考虑情况的增多9程序的复杂程度也急剧上升9所谓通用化的锅炉计算程序总是相对的9不存在完全通用化的程序9因此十分有必要继续开展计算机技术在锅炉热力计算中应用的研究工作O5结束语锅炉热力计算是锅炉设计计算中一个十分重要而又繁

17、琐的环节O目前我国现用的各种热力计算方法都在不同程度上存在着不完善之处9因此非常迫切并很有必要制定符合我国实际情况的热力计算方法O我国现用的热力计算方法采用的仍是经验公式或半经验的零维模型9只能给出炉膛内的平均特性9无法反映炉内各断面的真实情况9所以研究炉膛传热流动及煤燃烧过程的三维数值计算方法具有重大的意义和工程实用价值O非常有必要开展0和等变化对锅炉热力计算结果影响程度的研究9并努力将最新的炉膛辐射传热研究成果结合到锅炉热力计算中去O另外9大力发展计算机应用技术9努力开发出相对更加完善通用的锅炉热力计算软件9将更有助于锅炉设计9对电厂热经济性诊断及优化也将起到更加重要的作用O参考文献!1李

18、伟9王雅勤.关于电站锅炉几种热力计算标准的研究J.现代电力920019(2C8-13.2管明德.哈锅锅炉炉膛若干技术参数及其分析J.锅炉制造919939(1C2-13.3冯俊凯9沈幼庭.锅炉原理及计算9第二版M.北京C科学出版社91992.4刘林华.炉膛传热计算方法的发展状况J.动力工程9 20009209(1C523-538.5北京锅炉厂译.锅炉机组热力计算标准方法M.北京C机械工业出版社91976.6关金峰9魏铁铮9王军.锅炉炉膛热力计算方法-G两大块H计算方法分析J.华北电力学院学报919949(12C38-44.7樊泉桂9裴丹9史玉林.大容量锅炉分区段计算的改进方法J.锅炉技术9200

19、49(7C21-23.8李佛金9陈刚9张志国9等.以燃料不完全燃烧理论进行锅炉热力计算J.华中理工大学学报919969(1C1-3.9赵翔任有中.锅炉课程设计M.北京C水利水电出版社91991.10钟崴9傅迎春9童水光.通用锅炉热力计算软件的系统建模研究J.动力工程920029(4C1681-1685.Th e A PP l i ed Act ual i t Y Of PO Wer Pl ant BOi l er sTh er mal CO m P ut ati On Met h OdL i ZhGn-C uan9Y I N Yan-shan9Z HANG Guo-ni9LI N X i ao

20、-f Gn9Z HANG Jun9SA Y i n g-l u(KG y Laborat or y of C lGan Coal Po WGr G GnGrati on and Co mbusti on T GOhnol o gy of M i nistr y of EduOati on9Sout hGast Uni vGrsit y9Nan i n g2100969Chi naKe Y WOr ds C boli Gr t hGr m al Oal Oul ati on st andar d m Gt hod Oo m p ut Gr a pp li Oati on Abst r act C

21、 I n t hi s p a p Gr9on t hG basG of t hG anal y si s of t hG diff GrGnOG bGt WGGn Sovi Gt ThGr-m al Po WGr Co m p ut ati on S t andar d and Am Gri Oan CE boil Gr p Grf or m anOG dGsi g n st andar d9t hG GXaOt Oo m p rGhGnsi ons of eand i s p rGsGnt Gd9and t hG aut hor su gg Gsts t hG sGl GOti on of

22、 t hG OoGffi Oi Gnts i s of an i m p ort anOG t o t hG boil Gr s t hGr m al Oal Oul ati on and t o t hG boil Gr s p Gr-f or m anOG and sGOurit y9al so su gg Gsts t hG m Gt hods of t hG t hGr m al Oal Oul ati on and m an y bGt-t Gr m Gnt m Gt hods9anal y sGs t hGir virt uG and short a g G i n suOOGss

23、i on9t hGn GX p ati at Gs t hG Oo m-p ut Gr i s vGr y i m p ort ant t o t hG t hGr m al Oal Oul ati on9su mm ari zGs t hG Oo m p ut Gr a pp li Oati ons i n it.F i nall y it p oi nts out t hG GXi sti n g p r obl G m s and t hG dGvGl o p m Gnt al dirGOti ons.44 我国电站锅炉热力计算方法应用的现状作者:李振全, 尹艳山, 张国妮, 林晓芬,

24、张军, 撒应禄, Li Zhen-quan, YIN Yan-shan, ZHANG Guo-ni, LIN Xiao-fen, ZHANG Jun, SA Ying-lu作者单位:东南大学,洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏,南京,210096刊名:锅炉技术英文刊名:BOILER TECHNOLOGY年,卷(期:2006,37(3被引用次数:7次参考文献(10条1.李伟;王雅勤关于电站锅炉几种热力计算标准的研究期刊论文-现代电力 2001(022.管明德哈锅锅炉炉膛若干技术参数及其分析 1993(013.冯俊凯;沈幼庭锅炉原理及计算 19924.刘林华炉膛传热计算方法的发展状况期刊论

25、文-动力工程 2000(015.北京锅炉厂锅炉机组热力计算标准方法 19766.关金峰;魏铁铮;王军锅炉炉膛热力计算方法-"两大块"计算方法分析期刊论文-华北电力学院学报1994(127.樊泉桂;裴丹;史玉林大容量锅炉分区段计算的改进方法期刊论文-锅炉技术 2004(078.李佛金;陈刚;张志国以燃料不完全燃烧理论进行锅炉热力计算 1996(019.赵翔;任有中锅炉课程设计 199110.钟崴;傅迎春;童水光通用锅炉热力计算软件的系统建模研究期刊论文-动力工程 2002(04本文读者也读过(10条1.王贺敏电厂汽轮机热管式冷油器的研制与应用期刊论文-魅力中国2011(92.顾平道.庄琛.李英娜.Gu Pingdao.Zhuang Chen.Li Yingna热管化学反应器的应用研究期刊论文-上海化工20