（化工过程机械专业论文）基于管网计算理论的通用锅炉水动力计算系统的研究与应用.pdf

摘要 长期以来，锅炉水动力计算主要采用经典的图解法。该方法在求解存在多回路嵌 套关联复杂结构锅炉水动力系统的水动力特性时往往难以直接求解，而不得不进行简 化处理，致使计算精度难以保证。本文突破性的提出了一种“基于管网计算理论的通 用锅炉水动力计算方法”，该方法将锅炉水动力系统理解为“空间立体型受热管网系 统”，通过抽象“节点”和“阻力区段”，建立了以“有向流程图”描述的锅炉水动力 计算模型。基于研究提出的计算模型和算法，开发了“通用锅炉水动力计算系统”。 论文的主要内容如下： 基于对锅炉水动力系统与管网计算理论中有向管网图结构相似性的分析，创新性的 提出了将任意结构形式的锅炉水动力系统看作是由若干个阻力部件相互衔接构成 的“空间立体型受热管网系统”。通过抽象“节点”和“阻力区段”，创建了由“有 向流程图”描述的锅炉水动力计算模型。其中，锅筒、集箱、分汇以及逻辑划分点 等被抽象为“节点”，而两个相连节点间的连接通路被抽象为“阻力区段”。在阻力 区段上可能包含有表现为沿程摩擦阻力的直管路，以及表现为局部阻力的弯头、截 面突变、节流圈等。此外，提出将计算模型中节点与区段间的连接点抽象为“流体 节点”，以描述水动力系统中流动工质的属性。 依据管网计算理论与锅炉水动力计算基本原则，提出了一种适用于求解由有向流程 图描述的任意结构形式锅炉水动力系统水动力特性的通用算法。该算法以节点流量 连续性方程与回路的能量平衡方程为约束条件，在考虑锅炉水动力系统存在受热、 相变、以及重位压差作用等特殊性情况下，以有向流程图中各基本回路为研究对象， 分“粗略校正流量”和“精细校正流量”两个阶段，并提出分别采用不同的流量调 节策略进行管网平差计算，获得满足工程精度要求的计算结果。由此求解锅炉的水 动力特性。与图解法相比，该算法具有优良的通用性，且可显著提高锅炉水动力计 算的精度和效率。 以研究提出的水动力计算模型及其通用算法为基础，研发了一套“通用锅炉水动力 计算系统”。该系统采用面向对象技术，按照与有向流程图模型自然映射来定义类 的原则，建立了通用锅炉水动力计算系统的统一软件描述模型。该模型通过定义抽 象类屏蔽了部件类型的多样性，而在逻辑关系维护和算法实现上均采用抽象类的统 一接口来组织，保证了系统具有优良的通用性和可扩充性。同时，采用了图形化模 型输入技术，在可视化窗口中动态搭建系统模型，提高了软件系统的易用性。 t t t 浙江大学博十学位论文捅要 目前，通用锅炉水动力计算系统已在国内多家a 级锅炉设计制造企业中得到应用， 并为相关企业研究解决了锅炉水动力性能设计中的若干关键技术问题，实现了各种复 杂结构锅炉产品水动力性能的设计计算。实践表明，该系统不但可以提供准确、可靠 的锅炉水动力特性计算结果，而且具有通用性、易用性和可扩展性的显著特点，能够 大大提高锅炉企业产品水动力性能设计计算的速度和效率。 关键词：锅炉水动力系统；管网系统；有向流程图；管网计算；水动力计算；水动力 计算系统； a b s t r a c t t h eb o i l e rh y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o nh a db e e nm a i n l ya d o p t i n gg r a p h i cm e t h o df o ra l o n g t i m e t h eg r a p h i cm e t h o dw a sd i f f i c u l tt o d i r e c t l y s o l v et h eh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fac o m p l e xb o i l e rh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hc o n t a i n i n gm u l t i p l ea s s o c i a t e d l o o p sa n dh a dt os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o n s oi t c o u l dn o tg u a r a n t e et h ea c c u r a c yo ft h e r e s u l t s t h et h e s i sp r o p o s e d “ag e n e r a lh y d r o d y n a m i cc o m p u t a t i o n a lm e t h o do fb o i l e r sb a s e d o nt h et h e o r yo fp i p en e t w o r kc a l c u l a t i o n ”i nt h em e t h o d ，t h eb o i l e rh y d r a u l i cs y s t e mw a s i n t e r p r e t e da s “at h r e e d i m e n s i o n a lh e a t e dp i p e l i n es y s t e m ”t h r o u g ha b s t r a c t i n g t h e n o d e s a n d t h er e s i s t a n c es e c t i o n s ”，ab o i l e rh y d r o d y n a m i cc o m p u t i n gm o d e lw a sc r e a t e d b a s e do nt h ep r o p o s e dc o m p u t i n gm o d e la n dt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，t h et h e s i sd e v e l o p e d “a g e n e r a lh y d r o d y n a m i cc o m p u t i n gs y s t e mo fb o i l e r s ” t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so nt h i ss u b j e c tw e r ee x p l a i n e da sf o l l o w s ： b a s e do nt h es t r u c t u r a ls i m i l a r i t ya n a l y s i so ft h eb o i l e rh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ed i r e c t e d g r a p hi nt h ep i p en e t w o r k , t h et h e s i sr e v o l u t i o n a r i l yp r o p o s e dt h a tab o i l e rh y d r a u l i c s y s t e m o fa r b i t r a r ys t r u c t u r ec o u l db ei n t e r p r e t e da s “at h r e e d i m e n s i o n a lh e a t e d p i p e l i n es y s t e m ”w h i c hc o m p o s e do fan u m b e ro fi n t e r r e l a t e dr e s i s t a n c ec o m p o n e n t s b ya b s t r a c t i n g t h en o d e s a n d t h er e s i s t a n c es e c t i o n s t o t h ep i p e l i n es y s t e m ，a g e n e r a lc o m p u t a t i o n a lm o d e lo fb o i l e rh y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o nw a sc r e a t e dw h i c h d e s c r i b e db yad i r e c t e dg r a p h t h ed r u m ，h e a d e r s ，t e e s ，l o g i c a ld i v i s i o np o i n t s ，e t c w e r e a b s t r a c t e da s “t h en o d e s ”a n dt h ec o n n e c t i n gp i p e sb e t w e e nt w on o d e sw e r ea b s t r a c t e d a s t h er e s i s t a n c es e c t i o n s ”i na n ys e c t i o n ，i tm i g h ti n c l u d et h es t r a i g h tp i p ew h i c hw a s e x p r e s s e da s t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c e ，a n dm i g h ta l s oi n c l u d et h eb e n d s ，v a r i a b l e c r o s s - s e c t i o n s ，t h r o t t l ev a l v e s ，e t c w h i c hw e r ee x p r e s s e da st h el o c a lr e s i s t a n c e i n a d d i t i o n ，t h ec o n n e c t i n gp o i n tb e t w e e nan o d ea n das e c t i o nw a sa b s t r a c t e da s “t h ef l u i d n o d e ”f o rd e s c r i b i n gt h ef l u i dp r o p e r t i e si nb o i l e rh y d r a u l i cs y s t e m a c c o r d i n g t o t h et h e o r yo f p i p en e t w o r kc a l c u l a t i o n a n d t h eb a s i cp r i n c i p l e so fb o i l e r h y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ”，t h et h e s i sp r e s e n t e dag e n e r a la l g o r i t h mf o rs o l v i n gt h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa r b i t r a r ys t r u c t u r e b o i l e rb a s e do i lt h ep r o p o s e d c o m p u t a t i o n a lm o d e lw h i c hd e s c r i b e db yad i r e c t e dg r a p h u n d e rt h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n so ft h ef l o wc o n t i n u i t ye q u a t i o n so fn o d e sa n dt h ee n e r g yb a l a n c ee q u a t i o n so f l o o p s ，s i m u l t a n e o u s l yc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fh e a t a n dg r a v i t y , t h e s o l v i n g p r o c e d u r eo ft h ea l g o r i t h mw a sd i v i d e di n t ot w os t a g e sw i t ht h eb a s i cl o o p si nt h e d i r e c t e dg r a p ha ss t u d y i n go b j e c t sw h i c hs p e c i f i c a l l yi n c l u d i n g “r o u g hf l o wr e g u l a t i o n v 浙江大学博十学位论文 a b s t r a c t a r i d “r e f i n e df l o wr e g u l a t i o n d i f f e r e n ta d j u s t m e n ts t r a t e g yw a si m p l e m e n t e di ne a c h s t a g et og r a d u a l l yr e d u c et h er e s i s t a n c ec l o s u r e so fb a s i cl o o p s u n t i lt h es o l u t i o n a c c o r d e dw i t he n g i n e e r i n ga c c u r a c yr e q u i r e m e n t ，t h e ns o l v i n gt h eb o i l e rh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e dw i t h t h eg r a p h i cm e t h o d , t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a s e x c e l l e n tg e n e r a l i t ya n di se a s yt ob ep r o g r a m m e d ；m o r e o v e r , b o t ht h ea c c u r a c ya n dt h e s p e e do f c a l c u l a t i o na r eg r e a t l yi m p r o v e d w i t ht h es u p p o r to ft h ec r e a t e dc o m p u t a t i o n a lm o d e la n dt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，a g e n e r a lh y d r o d y n a m i cc o m p u t i n gs y s t e mo fb o i l e r sw a ss t u d i e da n dd e v e l o p e d b y a d o p t i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , i tc r e a t e dt h eu n i v e r s a ls o f t w a r em o d e lf o r r e p r e s e n t i n ga l lk i n d so fb o i l e rc o m p u t a t i o n a lm o d e l sd e s c r i b e db yd i r e c t e dg r a p h s i n t h es o f t w a r em o d e l ，t h ed i v e r s i t yo fb o i l e rc o m p o n e n tt y p e sc o u l db ew r a p p e db y d e f i n i n gt h ea b s t r a c tc l a s s e s ，a n dt h em a i n t e n a n c eo fl 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da n ds o l v e db yu s i n gt h ec o m p u t i n g s y s t e m i na d d i t i o n ，t h ec o m p u t i n gs y s t e mc o m p l e t e dt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s c a l c u l a t i o no nv a r i o u sc o m p l e xb o i l e r s a l lo ft h e s ei n d i c a t et h a tt h eg e n e r a lh y d r o d y n a m i c c o m p u t i n gs y s t e m i sn o to n l ya b l et op r o v i d ea c c u r a t ea n dr e l i a b l er e s u l t so fb o i l e r h y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n , b u ta l s oh a v i n gt h e f e a t u r e sw i t hv e n e r a b i l i t y , u s a b i l i t ya n d e x t e n s i b i l i t y m o r e o v e r , t h ec o m p u t i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ft h eb o i l e rh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e i sg r e a t l yi m p r o v e di nb o i l e re n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：b o i l e rh y d r a u l i cs y s t e m ；p i p e l i n es y s t e m ；d i r e c t e dg r a p h ；p i p en e t w o r k c a l c u l a t i o n ；h y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；h y d r o d y n a m i cc o m p u t i n gs y s t e m ； 致谢 值此论文完成之际，谨向所有指导、关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲人 致以诚挚的感谢! 感谢我的导师童水光教授! 五年的直博生涯中，从童老师身上学到的不仅仅是知 识，更多的是做人的道理。童老师宽厚仁慈的胸怀、积极乐观的生活态度，为我树立 了学 - - j 的典范。从他的身上我学到了很多待人接物与为人处世的道理，对我今后的工 作和生活产生了深刻的影响。 感谢钟崴副教授! 从开始确立博士研究课题到最后完成研究课题，其中的每一个 环节均离不开钟老师的精心指导与帮助。也正是在钟老师科学、严谨的指导下我的课 题研究工作才能顺利进行，本篇博士研究论文也才得以顺利完成。钟老师广博的学识、 深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益。不仅如此， 生活中钟老师也给予了我无微不至的关怀和照顾，从钟老师那里我获得了很多的宽容 和理解。再次感谢钟老师! 感谢已毕业的博士研究生周鸿波师兄和吴燕岭学姐。在我踏入浙江大学校门之后， 他们在科研工作和学 - j 生活上给予了我许多帮助。这里，衷心祝福他们在自己的工作 岗位和家庭生活上事事顺意! 感谢与我同期入学、且与我是室友的周懿博士。她与我既是科研工作中的伙伴， 也是生活中的好朋友。一起研究讨论科研工作难题的情景，一起出差到企业单位做培 训指导工作和进行交流学习的情景，以及一起享受轻松课外活动的情景均给我留下了 深刻的印象。这里预祝她如期顺利毕业! 感谢实验室已毕业及在读的其他诸位师兄、师姐、师弟、师妹，他们是：陈建良 博士后、张健博士后，刘岩博士、徐立博士、赵科博士、葛俊旭博士、余跃博士、赵 琼博士、费钟秀博士、魏超博士、仝营博士、李发宗博士、王相兵博士，袁铭鸿博士、 唐宁硕士、严正宏硕士、林万辉硕士、陈晓霞硕士、舒胜宏硕士、李珩硕士、张雁冰 硕士、苏亮硕士、马海波硕士、李坤硕士、卢超硕士、林雪妹硕士、丁晟硕士、冯红 翠硕士、崔敏硕士、刘煜硕士、刘或硕士、王凤斌硕士、蔡琴硕士、刘成刚硕士、杨 志群硕士。感谢他们对我在学 - - j 和生活中给予的不同程度的帮助和鼓励j 感谢无锡华光锅炉股份有限公司的董祖康高级工程师。在科研工作上，董工给予 了我许多指导和帮助，还提供给我很多有关课题研究工作方面的宝贵学 - j 资料，为我 浙江大学博上学位论文致谢 顺利完成科研学术研究工作提供了大力支持! 感谢我的爸爸、妈妈多年来对我学业的理解和支持。他们的开明、信任和鼓励， 使我更加坚定自己的理想，信念，为我顺利完成学业提供了很大的动力。作为他们一 直疼爱的女儿，为了完成自己的学业，实现自己的理想，不能一直陪伴他们，在身边 照顾他们，心中深感愧疚与不安! 这里，借助论文即将完成之际，真心的祝福我的爸 爸、妈妈：祝他们身体健康、平安幸福! 感谢我亲爱的弟弟谢飞! 当兵的生活是苦的，也是甜的。这里，祝他的军旅生涯 顺意，平安快乐! 感谢我的男朋友王字成! 虽然我们身在不同的城市，但是从始至终，他一直都支 持我的学业，关心我的生活，给予了我很多的鼓励! 而且利用假期时间时常带我一起 出游，使我在紧张的科研工作之余有了一个能够放松心情的机会。 最后，衷心的感谢各位专家学者在百忙之中抽出宝贵的时间来参加我的博士论文 答辩。这里，致以崇高的敬意! 二零一一年六月 于浙大求是园 符号含义列表 g管网图或有向流程图 v图的节点集合 e 图的管段或区段集合 m图的管段或区段编号 e 。图中编号为m 的管段 m 图的管段或区段数 胛 图中节点的编号 v 。图中编号为n 的节点 n 图的节点数 t 图的生成树 t 图的生成树的余树 s 图中基本回路的编号 s 图的基本回路数 c ，图中编号为s 的基本回路 a 图的邻接矩阵 b 图的关联矩阵 c 图的基本回路矩阵 a u图邻接矩阵中第f 行j 列元素 b 删图关联矩阵中第n 行m 列元素 图的基本回路矩阵第s 行聊列元素 q 记录各节点净质量流量行向量 q 疗 节点v 。的净质量流量 q记录各管段或区段工质质量流量 的行向量 q m管段区段e m 内工质质量流量 p 记录图中各管段或区段总阻力压 降的行向量 p 坍 管段区段e m 的总阻力压降 h 基本回路c 。的阻力闭合差行向量 h 。管段区段e m 的总阻力压降 q 。 管段区段e m 内蒸汽质量流量 o 。管段区段e 册内水的质量流量 q ：， 管段区段e 肌内饱和水的质量流量 q ：。 管段区段e 所内饱和蒸汽的质量流 量 q m管段区段e 所的质量流量 瓯管段区段e 小的容积流量 h 。基本回路c 。的闭合差 o 。管段区段e 肼内蒸汽的质量流量 o 。 管段区段e 朋内水的质量流量 q 0 ， 管段区段e 历内饱和水的质量流量 q ：。管段区段e m 内饱和蒸汽的质量流 量 g 。 管段区段e 埘内蒸汽的容积流量 q 。 管段区段e 研内水的容积流量 管段区段e 研平均压力下的饱和蒸 汽比容 ( 川。管段区段e m 内工质质量流速 ， 管段区段b 内工质循环流速 v 二 管段区段e 小平均压力下的饱和水 的比容 吒 管段区段e 历内工质折算蒸汽流速 浙江大学博十学位论文符号含义列表 、 觋。 管段区段e 肌内工质的平均循环 管段区段e 珊平均压力下的饱和 成。 管段区段e m 内工质折算水流速管段区段e m 平均压力下的饱和 w ， 管段区段e 脚内蒸汽实际流速 蒸汽密度 w w 。 管段区段e m 内水的实际流速 风。 管段区段e 小内汽水混合物的实 。 管段区段e m 内工质相对速度 际密度 管段区段e m 内的工质流速 f 所管段区段e m 的流通截面积 或 管段区段e 聊内工质平均流速 管段7 区段e m 内蒸汽流通截面积 幺管段区段岛内工质的滑移比 f 二管段7 区段e 册内工质水的流通截 x 咖管段区段k 出口处质量含汽率 面积 x m 管段区段e 历入口处质量含汽率 九m 管段区段b 的摩擦阻力系数 x 管段区段e 肌内工质质量含汽率 乙管段区段k 的长度 又m 管段区段e 脚内工质的平均质量 k管段区段e 聊内壁绝对粗糙度 含汽率 己 管段区段e 坍内单相工质的局部 c k 瞬r ke , , 平均压力下的饱和 阻力系数 水比焓 氍 c k g ke m 内汽水混合物局部 f 一 管段区段e m 入口工质的比焓 阻力系数 馘 管段区段e m 入口工质过冷度 虮 管段区段e m 内工质的摩擦阻力 管段区段e m 平均压力下工质的 校正系数 汽化潜热 h 。 管段区段e 脚始末节点间高度差 d 脚管段区段e 小内产生的蒸汽量 管段区段e 聊的截面含汽率 尾 管段区段e m 内工质的容积含 死 管段区段e m 平均截面含汽率 汽率 m 倾斜上升管区段e 肌截面含汽率 瓦 管段区段e m 内工质的平均容积 1 c 一 倾斜上升管段7 区段e 小的倾角修 含汽率 正系数 成 管段区段b 内工质的密度 d ：m 管段区段e m 的界限内径 瓦 管段区段e m 内工质平均密度 吒 管段7 区段e 小内饱和水的运动粘度 浙江大学博卜学位论文 符口含义列表 吒 管段区段e 棚内饱和水的表面张 拉格朗日未定乘子 力a q闭合差绝对值最大基本回路的校 管段区段e 研与水平间的夹角 正流量 成 管段区段e m 内工质的界限容积含嗔 校正流量的修正系数 汽率 粗略校正流量计算阶段收敛精度 q c 。 管段区段e 册的吸热量 詹精细校正流量计算阶段收敛精度 第1 章 绪论 1 1 锅炉产品技术的发展 1 1 1 我国锅炉行业发展的现状 锅炉是国民经济中生产蒸汽和热水，进行能量形式和载体变换的重要装备，它广 泛服务于电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业行业，同时还广泛应用 于城市供暖等民用领域。 自2 0 世纪8 0 年代以来，中国的经济发生了突飞猛进的变化，锅炉行业更加突出， 全国锅炉制造企业增加近二分之一，并形成了独立开发、研制一代又一代新产品的能 力。步入二十一世纪，伴随着大规模电力建设及面向节能环保工业装备的升级扩建， 我国锅炉制造业取得了长足的进步，锅炉设计技术快速发展，制造能力不断提高，目 前已可以生产多种不同压力等级和容量的锅炉，并已成为全球最大的锅炉生产和使用 的国家。据( ( 2 0 0 9 2 0 1 2 年锅炉行业竞争格局与投资战略研究咨询报告中指出i l l ，截 至2 0 0 8 年底，全国持有各级锅炉制造许可证的企业为1 5 5 5 家，其中国家质检总局批 准的达1 2 0 5 家，地方省、局批准的达3 5 0 家；2 0 0 8 年，我国锅炉及辅助设备制造业实 现累计工业总产值8 9 2 5 2 亿元，累计工业销售产值8 6 4 3 6 亿元，累计利润总额为4 3 2 7 亿元；2 0 0 9 年，全国工业锅炉、电站锅炉产量分别达到2 9 2 ，1 4 9 8 5 蒸发量吨、3 4 9 ，9 1 4 4 蒸发量吨。 在中国经济高速发展的同时，我国也付出了很大的资源和环境代价，中国未来经 济发展所面临的能源危机、环境污染等难题日益显著。针对这些问题，中国政府在国 民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中把单位g d p 能耗降低2 0 左右、主要污 染物排放总量减少1 0 作为“十一五”期间的重要约束性指标。纵观“十一五”这五 年，由于各地区、各部门认真贯彻党中央和国务院的决策部署，节能减排作为调整经 济结构、转变发展方式、推动科学发展的重要手段，被放在了更加突出的位置，同时 通过采取一系列强有力的政策措施，节能减排工作取得了显著成效。主要表现1 2 1 为：“十 一五”前四年，我国以能源消费年均6 8 的增速支撑了国民经济年均1 1 4 的增速， 能源消费弹性系数由“十五”时期的1 0 4 下降到了o 6 ；全国单位g d p 能耗累计下降 了1 5 6 1 ，通过节能提高能效少消耗了4 9 亿吨标准煤；而主要污染物排放总量减少 1 浙江大学博l j 学位论文绪论 了1 0 以上，其中的二氧化碳排放减少1 1 3 亿吨。此外，2 0 0 9 年与2 0 0 5 年相比，电 力行业3 0 0 兆瓦以上火电机组占火电装机容量的比重由4 7 上升到6 9 ；钢铁行业1 0 0 0 立方米以上大型高炉比重由2 1 上升到3 4 ；电解铝行业大型预焙槽产量比重由8 0 上升到9 0 ；建材行业新型干法水泥熟料产量比重由5 6 4 上升到7 2 2 ；而火电供电 煤耗由3 7 0 克千瓦时降到3 4 0 克千瓦时，下降了8 1 1 ；吨钢综合能耗由6 9 4 千克标 准煤降到6 1 5 千克标准煤，下降了1 1 4 ；水泥综合能耗下降了1 6 7 7 ；乙烯综合能 耗下降了9 0 4 ；合成氨综合能耗下降了7 9 6 ；电解铝综合能耗下降了1 0 0 6 。 可见，“十一五”期间我国节能减排工作取得了一定的成绩。然而，目前我国经济 发展所面临的能源与环境问题依然严峻，压力仍然很大。我国的经济发展长期过度依 赖不可再生能源，以煤为主的能源消费结构十分突出。煤炭占一次能源消费总量接近 7 0 左右，而石油，天然气和其他可再生能源的比重远低于发达国家水平，能源消费 结构呈明显的不合理态势。据统计1 3 i ，2 0 0 9 年，我国的全部化石能源消费约占一次能 源总消费量的9 0 。以煤炭、石油为主要燃料，不仅会导致严重的环境污染，而且由 于化石能源储量有限，使得继续依赖不可再生能源的发展方式已经难以为继。十七届 五中全会审议通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建 议( 下面简称建议) 中也明确提出1 4 1 ，要以科学发展为主题，加快转变经济发展方 式，加快开发和利用新能源和可再生能源，优化能源结构，缓解能源供应与环境压力。 这些建议的提出对于建设资源节约型、环境友好型社会，以及促进社会经济平稳较快 发展均具有重要的战略意义。此外，建议还明确了“十二五”时期要实现能耗强度 下降1 6 、二氧化碳排放强度下降1 7 、主要污染物排放总量减少8 1 0 、单位工 业增加值用水量降低3 0 的约束性目标，提出了资源产出率提高1 5 、工业固体废物 综合利用率达到7 2 ，以及城市污水处理率和生活垃圾无害化处理率分别达到8 5 和 8 0 的具体目标。这些是“十二五”时期面临发展新阶段、新特征提出的科学发展的 新要求。 锅炉作为一种大量使用的耗能设备，在我国能源消费中占据举足轻重的地位，是 典型的耗能大户。锅炉消耗的一次能源占我国一次能源消耗总量的7 0 以上。受我国 以煤为主能源结构的影响，燃煤锅炉是我国锅炉行业的主导产品。由于锅炉制造技术 及能源消费监管的相对滞后，我国燃煤锅炉实际平均能效比发达国家平均能效低 1 0 一1 5 ，全国工业用煤的8 0 用于锅炉燃烧，而工业燃煤锅炉的实际运行热效率仅 有6 5 左右，工业发达国家的燃煤工业锅炉运行热效率高达8 5 1 5 i i 们。低效的能源利用 2 浙江大学博十学位论文 绪论 造成了严重的能源浪费。不仅与此，锅炉也是二氧化硫、烟尘等污染物的主要排放源， 是空气污染最主要的污染源之一。煤炭高效洁净利用的难度大，带来了严重的环境污 染和生态破坏，大气污染中有9 0 醮jc 0 2 排放、8 5 的s 0 2 排放和6 0 的n o 。排放来 自于煤炭的燃烧。我国燃煤锅炉年耗燃料约4 亿t 标准煤，约占我国煤炭总产量的1 4 ， 是我国主要的煤烟型污染源。可见，从锅炉自身角度讲，存在较大的节能减排潜力。 而且，锅炉还是可以实现节能降耗的重要装备。近年来我国生物质能锅炉、废弃物焚 烧锅炉，以及高能耗重化工业的余热回收锅炉等节能锅炉产品的应用和发展从不同程 度上促进了我国节能环保、降耗减排工作的进行。 鉴于上述分析，大力推进锅炉行业节能减排工作对降低我国能源消耗总体水平及 减少污染物的排放具有显著的推动作用。在我国对环境保护和资源的合理利用要求逐 渐提高的背景下，受能源政策和节能、环保要求的制约，在推进锅炉行业健康稳步发 展、确保锅炉安全运行的形势下，提高各种新型、高效、节能、环保锅炉产品的设计 技术水平，加速推进锅炉节能减排工作的开展，成为锅炉行业未来发展面临的新课题 和严峻挑战。 二： 1 1 2 锅炉产品技术的发展方向 中国的锅炉产业既不是“朝阳产业”，也不是“夕阳产业”，而是与人类共存均永 恒产业，是一个不断发展的产业。目前，面对各种挑战和机遇，我国锅炉行业和企业 的发展必须坚持市场导向战略，紧紧依靠科技进步，依靠科技创新，在国家能源和环 保政策的引导下，调整企业结构和产品结构，制造销售符合市场需求的锅炉；这样才 能使其在激烈竞争的市场中占有一席之地。 近几年，电站锅炉行业在发电设备需求的强劲拉动下迎来了前所未有的发展机遇， 取得了长足的进步。目前整个行业的产能已经超过8 0 0 0 万千瓦，不仅能满足国内电力 工业建设的需要，且进入了国际市场。而作为我国主要热能动力设备的工业锅炉，经 过几十年的发展，同样取得了巨大的技术和产品进步。据相关资料指出1 7 1 ，目前全国在 用工业锅炉保有量5 0 多万台，约1 8 0 万蒸t h 。然而，由于国家对能源合理利用以及环 境保护的日益重视，未来锅炉的发展将越来越受到能源政策及节能、环保要求的制约。 为了满足我国对锅炉行业节能减排工作的要求，同时适应我国能源供应结构的变 化，未来电力行业的发展将以大型高效环保机组为重点优化发展火电，建设大型超超 临界电站和大型空冷电站；推进洁净煤发电，建设大型循环流化床电站；启动整体煤 气化燃气一蒸汽联合循环电站工程；加快淘汰落后的小火电机组。而在工业锅炉行业， 浙江大学博十学位论文 绪论 小型燃煤工业锅炉将退出中心城区，采用清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低 污染工业锅炉将是产品发展的趋势。此外，还将大力发展可再生能源，加快发展生物 质能，支持发展秸秆、垃圾焚烧和垃圾填埋气发电，建设一批秸秆林木质电站，扩大 生物质固体成型燃烧、燃料乙醇和生物柴油生产能力。同时，为了提高能量利用率， 降低能源消耗，我国还将重视发展余热回收利用技术，推进余热锅炉产品的发展。 下面具体介绍锅炉行业产品发展的若干重点技术领域： ( 1 ) 超临界、超超临界锅炉 超临界、超超临界锅炉机组经过几十年的发展，目前已是世界上先进、成熟和达 到商业化规模应用的锅炉产品，具有显著的节能和改善环境的效果。根据实际运行的 燃煤锅炉数据可知1 8 1 1 9 i ，亚临界锅炉机组( 1 7 m p a 、5 3 8 5 3 8 ) 的净效率约为3 7 一3 8 ， 一般超临界锅炉机组( 2 4 m p a 、5 3 8 5 3 8 ) 的净效率约为4 0 4 1 ，超超临界锅炉机 组( 3 0m p a 、5 6 6 5 6 6 5 6 6 ) 的净效率约为4 4 一4 5 ；从供电煤耗来看，亚临界锅炉 机组约为3 3 0 3 4 0g ( k w h ) ，超临界锅炉机组约为3 1 0 3 2 0g ( k w h ) ，超超临界锅炉机 组则为2 9 0 3 0 0g ( k w h ) 。由于超( 超) 临界锅炉机组效率的提高，污染物的排放也 相应减少，经济效益十分明显。如今我国已经把大幅度提高发电效率、加速发展洁净 煤技术的超( 超) 临界机组作为我国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施。 ( 2 ) 大型循环流化床锅炉 循环流行化床锅炉1 1 0 1 1 1 1 i 是近十几年来迅速发展的一项高效、低污染、清洁燃烧锅 炉产品。循环流化床锅炉的运行特点是燃料随床料在炉内多次循环，这为燃料提供了 足够的燃尽时间，使飞灰含碳量下降。循环流化床锅炉燃烧的燃尽度很高，其燃烧效 率往往可达到9 8 9 9 。此外，循环流化床燃烧技术也是国际上公认的商业化程度最 好的洁净煤燃烧技术，具有三大优点：燃料适应性广，有利于电网的安全稳定运行； 负荷调节性能好，负荷调节幅度大；环保指标优越。循环流化床锅炉洁净煤燃烧技术， 为处理高硫煤和劣质煤及满足严格的大气排放标准带来了美好前景。目前，国际上这 项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向 几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也 逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。由于高效、低污染、 燃烧适应性广、负荷调节性能好的洁净燃煤技术，未来我国循环流化床锅炉产品将进 一步向大型化，超临界化方向发展。 ( 3 ) 生物质锅炉 4 浙江大学博一lj 学位论文绪论 生物质锅炉是一种以生物质能源为燃料的锅炉。生物质能源是一种理想的可再生 能源，它来源广泛，每年都有大量的工业、农业及森林废弃物产出。据统计u 2 i ，全球 生物质能占可再生能源资源的3 5 ，在可再生资源中位居首位。而生物质能消耗占世 界总能耗的1 4 ，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第4 位。我国的生物质资源十分 丰富，如每年农民燃烧的大量秸秆，还有大量的荒草地、沼泽地、盐碱地以及木材加 工业的废弃料等都具有巨大的开发潜力。此外，由于生物质燃料相对化石燃料而言具 有可再生性和低污染性的优点。因此，发展我国生物质锅炉技术，无论从解决我国能 源短缺问题，还是从生态环境保护出发，或是对实施可持续发展战略、促进社会经济 的发展等方面都有十分重大的意义。 ( 4 ) 垃圾焚烧锅炉 垃圾焚烧锅炉是一种以城市生活垃圾和无毒无害的工业垃圾为燃料的锅炉，其中 垃圾焚烧产生的热能主要用于发电。一些工业发达国家自2 0 世纪7 0 年代起就已开始 利用垃圾焚烧进行发电。我国的垃圾发电事业起步较晚，目前全国每年因垃圾直接丢 弃或填埋造成的经济损失高达数百亿元。垃圾的产生量和分布与人e l 、城市分布等密 切相关。2 0 0 2 年，我国共有6 6 0 个城市，年垃圾清运量为1 3 6 5 亿吨f 1 3 l 。若考虑垃圾 的平均热值4 2 0 0 k j k g ，则垃圾作为能源资源年总量为5 7 3 t j 。据 2 0 1 0 2 0 1 5 年中国垃 圾发电行业市场全景调研及投资评估深度研究报告中预测1 1 引，2 0 t 5 年我国城市垃圾 将达到1 7 9 亿吨，2 0 2 0 年将达到2 1 亿吨。由于当前我国城市生活垃圾成分有了明显 的变化，纸质、塑料、木质、纤维等可燃物和其它有机物大大增加，且其质量水平已 基本具备焚烧的条件，城市垃圾焚烧发电已成为可能，为发展垃圾焚烧锅炉创造了条 件。此外，通过垃圾焚烧使垃圾体积减小9 0 ，重量减小7 0 以上，用回收热量产生 蒸汽，效率约达8 5 ，转变成电能大约为3 0 。因