（动力工程及工程热物理专业论文）基于热力计算方法的电站煤粉锅炉运行优化.pdf

| i i ii i ii i i ii i ii ii ii ii y 17 7 7 8 4 7 t h e o p e r a t i o no p t i m i z a t i o no fp o w e rp l a n tp u l v e r i z e d c o a l - - f i r e db o i l e rb a s e do nt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n at h e s i ss u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z o us h a n y i s u p e r v i s o r ：e n g m ay u f e n g c o l l e g eo f a r c h i t e c t u r e & s t o r a g ee n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 缶乒姜篮 日期：矽卜年 箩月j r 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 辱耋整 指导教师签名： 日期：如f 9 年歹月f 歹日 日期：、卅c 年岁月日 基于热力计算方法的电站煤粉锅炉运行优化 邹善义( 热能工程专业) 指导老师：马玉峰教授级高工 摘要 电站煤粉锅炉是火力发电厂的重要设备，其经济性也决定了整个火力发电厂的运行 成本。锅炉运行优化是节能降耗、提高能源利用率的有效措施，能有效提高锅炉燃烧效 率，降低机组供电煤耗，提高电力企业的竞争力。 本文选择电站1 3 0 t h 煤粉锅炉为研究对象，对锅炉热力计算原理和方法进行全面分 析，研究流体介质( 烟气、空气、水和水蒸汽) 的热物理性质及炉膛、过热器、再热器、 省煤器和空气预热器等传热单元的传热规律，对热力计算中涉及到的燃料、传热单元、 流体等对象归类研究并分析它们之间的关系，完成模型构造。在模型分析的基础上，以 编程语言v i s u a lc + + 为开发工具，运用面向对象的程序设计方法，完成热力计算中传热 单元类、流体介质类及辅助类的设计。编写流体的物性计算标准模块及烟气侧对流放热 系数等计算类模块。最后，通过采用数值迭代算法，实现锅炉热力计算程序的全流程自 动迭代计算。 建立1 3 0 t h 煤粉锅炉的运行优化模型，确定锅炉运行的优化目标函数及影响优化目 标的有关独立变量，并确定模型约束条件。以锅炉热力计算为基础，开发锅炉运行优化 软件。在满足锅炉安全运行的条件下，采用穷举法求解锅炉运行优化模型( 配煤优化及 配风优化) ，求出锅炉运行工况最佳时的混煤配煤比例和过量空气系数，实现整台锅炉 发热成本为最低的优化目标。 通过1 3 0 t h 煤粉锅炉运行优化的实例，分析混煤配煤比例及过量空气系数对锅炉运 行的影响。 关键词：电站煤粉锅炉；运行优化；热力计算；配煤；软件开发 t h eo p e r a t i o no p t i m i z a t i o no fp o w e rp l a n tp u l v e r i z e d c o a l - f i r e db o i l e rb a s e do nt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n z o us h a n y i ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ye n g m ay u f e n g a b s t r a c t p u l v e r i z e dc o a l - f i r e db o i l e ri sa l li m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h e r m a lp o w e rp l a n t ，w h i c h d e t e r m i n e st h eo p e r a t i o nc o s to ft h ew h o l ep l a n t t h eb o i l e r so p e r a t i o no p t i m i z a t i o ni sa n e f f e c t i v em e t h o dt os a v ee n e r g y , r e d u c ec o n s u m p t i o na n dr a i s ee n e r g ye f f i c i e n c y , a n di tc a n i m p r o v eb o i l e r sc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ec o a lc o n s u m p t i o no fp o w e rp l a n t ，t h u st h e c o m p e t i t i v ep o w e ro fp o w e re n t e r p r i s ei sg r e a t l yi m p r o v e d a13 0 t h p u l v e r i z e dc o a l - f i r e d b o i l e ri ss t u d i e di nt h i s p a p e r , a n dt h eb o i l e r s t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o n t h e o r y a n dm e t h o da r e a n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y t h e t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so ff l u i d s ( f l u eg a s ，a i r , w a t e ra n dv a p o u r ) a n dt h eh e a tt r a n s f e rl a w o fh e a tt r a n s f e ru n i t ss u c ha sc o m b u s t i o nc h a m b e r , o v e r h e a t e r s ，r e h e a t e r s ，e c o n o m i z e r sa n d a i rp r e h e a t e r sa r es t u d i e d t h ei n v o l v e do b j e c t si nt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o ns u c ha st h ef u e l ， h e a tt r a n s f e ru n i t sa n df l u i d sa r ec l a s s i f i e da n dr e s e a r c h e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m i sa l s os t u d i e d ，t h u st h em o d e l i n gi s c o m p l e t e d b a s e d o nt h em o d e la n a l y s i s ，t h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc + + i su s e da sad e v e l o p m e n tt o o la n dt h eo b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gm e t h o di sa d o p t e dt od e s i g nt h eh e a tt r a n f e ru n i tc l a s s e s ，f l u i dc l a s sa n d a u x i l i a r yc l a s s t h es t a n d a r dc a l c u l a t i n gm o d u l eo ft h ef l u i d s p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e c a l c u l a t i n gc l a s sm o d u l es u c ha st h ec o n v e c t i v ee x o t h e r m i cc o e f f i c i e n ta tt h es i d eo ff l u eg a s a r ep r o g r a m m e d a tl a s t ，b yt h eu s eo fn u m e r i c a li t e r a t i v ea l g o r i t h m ，t h ea u t o m a t i ci t e r a t i v e p r o c e s so fb o i l e r st h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o ni sa c h i e v e d t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h e13 0 t hp u l v e r i z e dc o a l - f i r e db o i l e ri sb u i l t ，a n dt h e o b j e c t i v ef u n c t i o no ft h eb o i l e r so p e r a t i o no p t i m i z a t i o na n dt h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e st h a t d e t e r m i n et h eo b j e c t i v ef u n c t i o na r ed e c i d e d ，a l s ot h ec o n s t r a i n t so ft h em o d e la r ed e t e r m i n e d o nt h eb a s i so ft h eb o i l e r st h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，t h es o f t w a r eo fb o i l e r so p e r a t i o n j j o p t i m i z a t i o ni sd e v e l o p e d o nc o n d i t i o nt h a tt h eb o i l e ro p e r a t e ss a f e l y , t h eo p t i m i z a t i o n 、 m o d e lo fb o i l e r so p e r a t i o n ( c o a lb l e n d i n go p t i m i z a t i o na n da i rd i s t r i b u t i o no p t i m i z a t i o n ) i s s o l v e db ye x h a u s t i v ea l g o r i t h m ，a n dt h e nt h eb o i l e r sc o a lb l e n d i n gr a t i oa n de x c e s sa i rr a t i o a r eo b t a i n e dw h e nt h eb o i l e ro p e r a t e se c o n o m i c a l l y , s ot h eo p t i m i z a t i o ng o a lt h a tt h eh e a t g e n e r a t i n gc o s ti st h el o w e s ti sa c h i e v e d b yt h ee x a m p l eo ft h e13 0 t hp u l v e r i z e dc o a l f i r e db o i l e r so p e r a t i o no p t i m i z a t i o n ，t h e i n f l u e n c eo fc o a lb l e n d i n gr a t i oa n de x c e s sa i rr a t i o0 1 1t h eb o i l e r so p e r a t i o ni sa n a l y z e d k e yw o r d s ：p o w e rp l a n tp u l v e r i z e dc o a l f i r e db o i l e r ；o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n ； t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；c o a lb l e n d i n g ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 锅炉热力计算的研究现状2 1 2 1 锅炉热力计算方法的研究现状2 1 2 2 锅炉热力计算软件的研究现状4 1 3 电站燃煤锅炉运行优化技术现状5 1 4 编程采用的计算机语言6 1 5 论文主要研究内容7 第二章电站煤粉锅炉热力计算原理“8 2 1 锅炉热力计算方法8 2 2 空气及燃烧产物的容积和焓9 2 3 锅炉热平衡计算1 1 2 4 炉内传热计算1 2 2 5 对流受热面传热计算1 4 2 5 1 温压的计算一1 4 2 5 2 传热系数15 2 5 3 烟气侧对流放热系数17 2 5 4 烟气侧辐射放热系数2 0 2 5 5 烟气侧对流放热系数2 2 2 6 屏式受热面传热计算2 6 2 6 1 屏式受热面中烟气辐射给屏后受热面的热量q m 的计算“2 6 2 6 2 屏式受热面所吸收的炉膛辐射热量q f 的计算2 7 2 6 3 辐射放热系数的计算2 7 2 6 4 传热系数的计算2 8 2 7 转向室的传热计算2 8 第三章电站煤粉锅炉热力计算程序2 9 3 1 电站煤粉炉热力计算程序编制思路2 9 3 2 电站煤粉炉热力计算核心模块3 2 3 3 流体物性计算标准模块3 3 3 3 1 锅炉工质热力学参数、物性参数计算3 3 3 3 2 烟气和空气物性参数计算3 7 3 4 计算类模块3 8 3 4 1 受热面污染系数、热有效性系数及利用系数的计算3 8 3 4 2 温压修正系数的计算4 0 3 4 3 图表的处理4 2 “r ： 3 51 3 0 t h 煤粉锅炉结构及其热力计算4 2 3 5 11 3 0 t h 煤粉锅炉结构4 2 3 5 21 3 0 t l l 煤粉锅炉热力计算流程4 4 3 5 31 3 吣煤粉锅炉热力计算模块验证4 4 3 5 41 3 0 t h 煤粉锅炉热力计算5 0 第四章电站煤粉锅炉运行优化5 3 4 1 煤粉锅炉运行优化目标函数及求解算法5 3 4 2 电站煤粉锅炉配煤优化5 5 4 2 1 动力配煤及其优化5 5 4 2 2 配煤优化数学模型算法5 5 4 2 3 动力配煤约束条件5 6 4 3 煤粉锅炉配风优化5 8 4 3 1 煤粉炉配风优化约束条件5 8 4 3 2 过量空气系数对锅炉各项热损失的影响6 0 4 4 煤粉锅炉运行优化软件6 1 4 5 煤粉锅炉运行优化实例及结果分析6 3 4 5 11 3 0 t h 煤粉锅炉运行优化实例6 3 4 5 213 0 t h 煤粉锅炉运行优化结果分析6 5 结论6 8 参考文献一7 0 致谢7 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，我国国民经济一直保持高速发展的状态，这就提高了对能源的 需求程度，能源工业尤其是电力工业直接支撑着我国国民经济，以保证其快速持续健康 发展。根据统计，截至2 0 0 7 年底，全国发电装机容量已超过7 亿千瓦，其中火力发电 占总装机容量份额超过了7 0 【l 】。根据现今的能源比例情况，预计到2 0 5 0 年，总发电 量中至少仍有6 0 为火力发电。在我国的能源消耗中有很大比例为发电用煤。由于受资 源及技术各方面条件的制约，发电厂燃煤发电为主的状况在以后相当长的时期内很难改 变。目前中国已经意识到社会可持续发展具有重要意义，也正在通过各种手段提高电厂 火力发电机组的效率，降低供电煤耗，从而提高我国整体能源利用率【2 】。 电力工业关系国家能源安全和国计民生，深化电力体制改革影响重大【3 】。早在2 0 0 2 年，国务院发布电力体制改革方案，在十六届五中全会也明确要求加快垄断行业的市场 化改革，发挥市场机制作用，引入竞争，提高效率，降低成本。近几年来随着资源的紧 俏，煤价也随之上涨，且涨幅较大，这直接导致了电厂发电成本的飙升。各个发电厂为 了确保盈利，也不断提高机组运行水平、降低煤耗，从而降低发电成本，实现电厂节能 降耗的目标。 在火力发电厂中，锅炉、汽轮机、发电机是进行能量转换的主要设备，被称为火力 发电厂的三大主机。在锅炉中，燃料的化学能转化为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的 化学能转化为机械能；在发电机中，机械能转化为电能。而锅炉是火力发电厂的三大主 机中最基本的能量转换设备，其作用是使燃料在炉内燃烧放热，并将锅内工质由水加热 成过热蒸汽，供汽轮机使用，故锅炉效率直接影响整个火力发电厂的运行经济性。目前 在我国的火力发电厂中，煤作为电厂的主要燃料，其成本至少占电厂发电成本的7 0 。 近年来我国电厂新建的3 0 0 m w 和6 0 0 m w 主力机组中以亚临界和超临界压力的大容量 锅炉为主，但设备本身以及运行控制还存在不同程度的问题，而以前所建的电厂仍使用 高能耗的中、高压参数锅炉，故锅炉性能指标远远低于发达国家，主要表现在煤耗高或 热效率低，故我国火力发电厂的节能潜力还有待提升。由2 0 0 7 年的统计数据可知，全 国火电厂平均发电标准煤耗为3 3 4 9 ( k w h ) ，如果以全年发电量3 2 5 5 9 亿千瓦时计算， 全国平均发电标准煤耗降低l ，全年发电用煤即可节约1 0 0 0 万吨以上，用煤量的减少 第一章绪论 可以有效缓解资源紧缺，减少有害气体和烟尘等污染物的排放，产生巨大的环保效益。 锅炉热效率是表征锅炉经济运行的主要综合性指标。对于电站锅炉而言，化学未完 全燃烧损失在锅炉各项热损失中所占比例很小，只要锅炉运行不严重缺风，这项热损失 很难降低。当锅炉设计和安装完毕，锅炉本体的散热面积也随之确定，很难从运行方面 降低锅炉散热损失。灰渣物理热损失在锅炉各项热损失中所占比例也很小，通过运行降 低这项热损失的手段不多。故只有排烟热损失、机械未完全燃烧热损失在锅炉各项热损 失中所占比例较大，在实际运行中变化也很大，可通过运行来优化其值。在对电站锅炉 的经济性和各项热损失进行分析计算的基础上，及时合理地调整锅炉运行参数，使锅炉 处于最优运行状态，是提高锅炉效率，降低煤耗的关键【4 】【5 1 。 电站锅炉是火力发电的重要设备。了解锅炉的经济运行状况，查明不同负荷及运行 方式下锅炉的热效率及各项热损失分布情况，找出锅炉运行的最佳工况，可以为机组的 调峰及安全经济运行提供调整依据。提高锅炉燃烧效率，降低锅炉的各项热损失，使锅 炉能够长期经济安全运行是一个重要的研究课题。 本课题将对电站燃煤锅炉运行优化进行探讨，并以1 3 0 t h 煤粉锅炉为研究对象，在 锅炉机组热力计算标准方法的基础之上，通过动力配煤优化与配风优化，寻找锅炉运行 工况最佳时的混煤配煤比例和过量空气系数，即最优混煤配煤比例和最优过量空气系 数，然后可确定锅炉主辅设备最佳运行方式，实现整台锅炉发热成本为最低的优化目标。 锅炉运行优化是节能降耗、提高能源利用率的有效措施。它可以降低机组供电煤耗，降 低发电成本，所以本课题的研究有助于电力企业参与电力市场竞争。 综上所述，电站锅炉运行优化的研究可以实现火电厂的高效经济运行，不仅能降低 能耗，提高电厂自身的经济效益，还能有效地缓解我国能源紧张的问题，对整个能源工 业都有十分重要的意义。 1 2 锅炉热力计算的研究现状 1 2 1 锅炉热力计算方法的研究现状 锅炉热力计算是锅炉计算的核心，其准确性也一直是锅炉行业普遍关注的焦点。目 前，国内外并行存在多种锅炉热力计算方法，各算法的区别主要是炉膛的换热计算。 由于很多因素均影响炉膛传热过程，因此不可能直接通过理论分析进行炉膛传热计 算，必须对炉膛传热进行简化，抽象出炉膛传热简化模型，并对该炉膛传热模型进行近 似计算( 们。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 “锅炉热力计算标准方法”是建立在系统理论和试验数据基础之上的，有一定的准 确度和可靠性，在锅炉热力计算中已广泛应用近半个世纪。我国工程上常用的炉膛换热 计算方法是建立在相似理论基础上的半经验公式【7 1 ，是经过修正的古尔维奇方法。为了 简化炉膛传热，在计算公式的推导过程中作了以下简化：假定传热过程和燃烧过程是两 个分离的过程，如果需要考虑燃烧工况影响，则引入经验系数修正；炉膛内的对流换热 可以忽略不计；燃料进入炉膛后瞬间完成燃烧过程，烟气温度达到最高；炉内温度可视 为均匀的；全部计算以炉膛出口温度作为定性温度。炉膛出口烟温计算公式见式( 1 1 ) ： 岔= 生写一一2 7 31 m ( 罨萨) 0 6 + 1 、 缈召i y c ( 1 1 ) 式中，舅。为炉膛出口烟温，；t a 为论燃烧温度，k ；m 为炉膛火焰中心位置系 数；o - o 为体辐射系数，其值为5 7 x1 0 圳k w ( m 2 - k 4 ) ；a l 为炉膛黑度；为炉膛平 均热有效性系数；凡为炉墙面积，m 2 ；驴为保热系数；局为计算燃料消耗量，k g s ： v c 为平均热容量。 修正前m 取定值0 4 4 5 ，这种计算方法考虑了火焰中心位置系数的影响。 该炉膛出口烟温计算公式在我国的使用实践表明：对于中小容量锅炉，如锅炉额定 蒸发量为2 0 0 - - - 3 0 0 t h ，燃烧烟煤、贫煤时，炉膛出口烟温的计算值还是比较准确的，但 是对于某些高参数大容量锅炉，如锅炉额定蒸发量为6 0 0 - - , 2 6 5 0 t h ，或者燃用无烟煤、 褐煤的锅炉，炉膛出口烟温的计算值却不同程度出现一些问题。例如，锅炉燃用无烟煤 时，计算值常低于实测值；锅炉燃烧褐煤时，计算值高于实际炉膛出口烟温。多数高压 以上锅炉，普遍存在过热蒸汽超温现象嘲。 随着国内外学者的研究深入，发现炉膛出口烟温也受炉膛的形状系数影响，并提出 了改进的炉膛出口烟温计算公式： 8 ：一一l 广一 舢( 坠三塑丝墨s + 1 ( 茜署旦) n 6 + 1 矽廿：y 乙 2 7 3 ( 1 - 2 ) 式中，为炉膛的形状系数。 炉膛形状系数厂根据实际情况可有多种定义，可定义为炉膛高度h i 与炉膛断面当量 直径函之比，虽 j f = h l d l ，也可定义为炉内敷设的辐射受热面积凡与炉膛容积吮的比值， 3 第一章绪论 即例h ，还可定义为炉膛有效辐射层厚度的无量纲值，即户砒m 双，s 为炉膛有效辐 射层厚度，s m 积为炉膛有效辐射层厚度的理论最大值，为3 6 刚吮【8 】。 根据国内外学者的研究成果，当形状系数f 0 5 时，炉膛出口温度的变化不大，这 说明此时形状系数对大型电站锅炉炉膛出口烟温的的影响也很小【9 】。 为确保炉膛出口受热面安全运行，需要对炉膛换热计算方案进行改进，这也是国内 外学者力图解决的问题f l o l 1 1 】【1 2 1 。世界上许多公司对炉膛换热计算均有各自不同的修正 方法，如福斯特惠勒公司( f w ) 、美国燃烧公司( c e ) 、巴威公司( b & w ) 都有自己的算 法，但由于各个厂家自身经验数据具有局限性，修正方法一般只适用于各自所生产的特 定燃烧方式的锅炉型式【1 2 1 。 以美国燃烧公司( c e ) 为例，在换热计算时c e 把炉膛分为上、下两部分，上部炉膛 分为许多小区域，各个小区域相互关联，建立数学模型，并求出上部炉膛各处的受热面 面积和烟温；以美国优质烟煤试验为基础，可制定出下部炉膛基本曲线，然后经修正可 得出炉膛尺寸和相应热力参数。c e 下炉膛计算方法缺乏我国动力用煤的工业试验数据 基础，对于结渣性较强的煤种，计算偏差较大，容易加剧壁面结渣的倾向，其应用具有 一定的局限性。因此，机械地套用美国煤的计算曲线是不科学的【8 】。 c e 上炉膛计算方法相对于标准计算方法更加准确，因其对屏区用沿高度方向热负 荷不均匀系数】，值来计算吸热量，但在传热计算中，其传热系数的计算仅为对流传热系 数和三原子气体辐射传热系数的简单相加，没有沾污系数、沾污壁温的概念【1 3 】，与实际 情况有出入，因为实际燃煤锅炉受热面总是不可避免地存在积灰。 尽管国内外对炉膛出口烟温的各种改进方案在减少计算偏差上各有所长，但总受锅 炉制造厂家的经验限制，在实际应用时还需要进一步修正。目前，国内外不断深入研究 炉膛换热，包括对不同传热区域的传热特性研究【14 1 ，对计算公式的不断修正【1 5 1 1 1 6 】以及 对有关参数进行分析【1 7 1 。 经过调查研究，对于大容量锅炉，目前广泛应用的炉内换热计算公式为式( 1 3 ) 【6 j ： 昏t e m ( 麓0 6 】_ 2 7 3 ( 1 - 3 ) 1 2 2 锅炉热力计算软件的研究现状 锅炉热力计算繁琐复杂，在计算过程中经常要进行复杂的逻辑判断和大规模的迭 代，而且涉及到大量的变量、图表及公式。以前由于受科技条件限制，只能采用手工计 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 算方法，这不但耗时耗力，易出错，也很难保证锅炉热力计算的精度，不便于进行多个 方案比较【9 】。 近年来随着计算机应用的普及，我国部分电厂科研人员及锅炉厂家均开发了一些锅 炉热力计算的计算机程序。f o r t r a n 或b a s i c 语言由于计算功能强大，使用简单，是早期 的电算热力计算程序所采用的编程语言，但由于这两种语言本身的问题，很难做出简单、 实用、美观的程序输入及输出界面。而且早期的电算热力计算程序一般都是针对具体炉 型而编制的，其使用具有局限性，可扩展性也很差【1 8 1 。近年来m s e x c e l 也被用于编 制锅炉热力计算程序，但仍然是针对某一具体锅炉而编制的，通用性能不强，而且只能 实现热力计算的半自动化，速度也非常慢【1 8 】【1 9 1 1 2 0 1 。如今锅炉热力计算程序可使用更为 高级的语言进行编制，如沈阳航空工业学院利用v i s u a lf o x p r o 在表格处理方面的强大 功能，开发了循环流化床锅炉热力计算通用程序【例。哈尔滨工业大学采用v c 开发的基 于w i n d o w s 9 5 9 8 的锅炉热力试验计算软件2 0 1 ，解决了该软件模块不全、人机交互不便 的问题。相对而言，锅炉热力计算软件的专用性较强。 目前锅炉热力计算程序的不足之处具有普遍性【9 】。 ( 1 ) 通用性差，覆盖面太窄，很难适应新的受热面结构型式或工质流程。 ( 2 ) 计算方法比较单一。锅炉热力计算所采用的标准、计算方法取决于机组容量、 计算对象，并非一成不变，其选择往往需要根据实际情况而定。故通用程序的编制需要 考虑所有的的计算方法，并且要随着锅炉的更新换代而不断升级。 ( 3 ) 软件设计时有大量的迭代过程，迭代过程相当复杂，而且需要进行繁琐的逻辑 判断，这使得软件很难维护。 ( 4 ) 采用传统的面向过程的设计方法，很难实现软件的大型化、商品化，而且缺乏 良好的用户界面。 1 3 电站燃煤锅炉运行优化技术现状 锅炉是一个复杂庞大的系统，既包含一些相对独立的子系统，也有与电站系统其它 子系统( 汽机、凝汽器等) 密切相关的部分，这使得锅炉运行优化软件的优化内容多种多 样，可以从燃烧优化、吹灰优化、燃料优化、设备维护优化等各方面着手进行锅炉运行 优化。 本文锅炉运行优化是从燃料优化及配风优化两方面着手进行煤粉炉的运行优化。燃 料优化即动力配煤优化，是指在锅炉煤质的一定要求下，从若干不同的配比方案中选出 s 第一章绪论 一种使目标值达到最优的方案。煤质的一定要求称为约束条件，目标值称为目标函数， 它们都是煤的某一混配比例的函数。配风优化主要是针对炉膛出口过量空气系数，因为 炉膛出口过量空气系数影响锅炉燃烧效率，而锅炉燃烧效率对锅炉热效率的影响很大， 也就是说，炉膛出口过量空气系数影响锅炉的经济运行。 目前关于动力配煤优化的软件很多，采用的计算机编程语言也多种多样。根据不同 的用户要求，动力配煤的优化目标也随之确定。大多数配煤软件的优化目标是在满足锅 炉安全运行的条件下，追求混煤配煤成本最低，或者是混煤硫分最低等等。这些动力配 煤优化软件对锅炉运行优化具有一定的指导作用，但是这些动力配煤软件往往只是把锅 炉运行的安全性作为配煤的约束条件，然后进行配煤优化，这就导致了配煤优化跟锅炉 运行分离，用户很难知道锅炉的实际运行情况。针对上述配煤软件的不足，本文对于配 煤优化的思路是，将配煤优化与锅炉热力计算结合起来，这样，用户可以在确定混煤最 优配比的情况下，通过锅炉热力计算明确知道锅炉的实际运行状况，便于对锅炉采取一 系列后续操作，如进行烟气脱硫脱硝等处理。 配风优化一般与其它锅炉运行优化措施结合起来进行，本文将配风优化与配煤优化 结合起来，进行锅炉运行优化。 1 4 编程采用的计算机语言 本文选取v i s u a lc + + 6 o 为系统的开发语言，它是基于c c + + 语言，运行于w i n d o w s 上的交互式可视化集成开发环境。v i s u a lc + + 集程序的代码编辑、编译、连接、调试等 于一体，给编程人员提供了完整方便的开发界面，并提供了许多有效的辅助开发工具【2 i 】。 v i s u a lc + + 6 0 的a p p w i z a r d 可以为很多类型的应用程序提供框架代码，用户不需要书 写代码，只需要几个按钮就可以生成一个完整的可以运行的程序【2 2 1 。 虽然v i s u a lc + + 做一些普通常见的界面会很麻烦，需要书写更多的代码，但用v i s u a l c + + 做界面灵活，尤其当用户需要定制一些特别的界面时，v i s u a lc + + 更具优势。 传统的结构化语言都是采用面向过程的方法来解决问题，但在面向过程的程序设计 方法中，数据和处理数据的程序是分离的，当对某段程序将进行修改时，整个程序中所 有与其相关的部分都要进行相应的修改，程序代码的维护比较困难。为了避免这种情况 的发生，v i s u a lc + + 引入了面向对象的设计方法，它是将数据及处理数据的相应函数“封 装”到一个“类 中，类的实例称为对象【2 引。在一个对象中，只有属于该对象的成员函 数才可以存取该对象的数据成员。这样，其它函数不会无意中破坏它的内容，从而达到 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 保护和隐藏数据的效果口4 1 。 与传统的面向过程的程序设计方法相比，面向对象的程序设计方法有三个优点：第 一，程序的可维护性好，面向对象程序易于阅读和理解，程序员只需了解必要的细节， 因此降低了程序的复杂性；第二，程序的易修改性好；第三，对象可以使用多次，即可 重用性好，程序员可以根据需要将类和对象保存起来，随时插入到应用程序中，无需作 什么修改1 2 4 1 。 1 5 论文主要研究内容 本论文主要开展了以下工作： ( 1 ) 选择1 3 0 t h 煤粉锅炉为研究对象，全面分析锅炉热力计算原理及方法，研究流 体介质( 烟气、空气、水和水蒸汽) 的热物理性质及炉膛、过热器、再热器、省煤器和空 气预热器等传热单元的传热规律，对热力计算中涉及到的燃料、传热单元、流体等对象 归类研究并分析它们之间的关系，完成模型构造。 ( 2 ) 在模型分析的基础上，选择v i s u a lc + + 为编程工具，运用面向对象的程序设计 方法，完成热力计算中传热单元类的软件设计，即辐射、半辐射及对流受热面类的软件 设计；完成流体介质类的软件设计：完成燃料类、热平衡类等辅助类的设计。编写烟气、 空气、水和水蒸汽等流体的物性计算标准模块以及烟气黑度、对流受热面温压、管壁灰 污层温度、灰污系数、烟气侧对流放热系数、烟气侧辐射放热系数、蒸汽放热系数、空 气侧放热系数等计算类模块。 ( 3 ) 采用数值迭代算法，实现锅炉热力计算程序的全流程自动迭代计算。 ( 4 ) 建立1 3 0 t h 煤粉锅炉的运行优化模型，即配煤优化与配风优化，并确定其约束 条件。混煤配煤比例和过量空气系数是锅炉运行优化模型中的两个独立变量，求解锅炉 运行优化模型就是为了求出最优混煤配煤比例和最优过量空气系数。 ( 5 ) 以锅炉热力计算为基础，开发锅炉运行优化软件。在满足锅炉安全运行的条件 下，采用穷举法求解锅炉运行优化模型，求出锅炉运行工况最佳时的混煤配煤比例和过 量空气系数，即最优混煤配比和最优过量空气系数，进而确定锅炉主辅设备最佳运行方 式，实现整台锅炉发热成本为最低的优化目标。 ( 6 ) 通过1 3 0 t h 煤粉锅炉运行优化的实例，分析混煤配煤比例及过量空气系数对锅 炉运行的影响。 7 第二章电站煤粉锅炉热力计算原理 第二章电站煤粉锅炉热力计算原理 2 1 锅炉热力计算方法 目前世界各国的锅炉热力计算有很多方法( 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、再热汽温和热空气温度的设计值的准确。5 0 年来，我国电厂锅炉设计普遍采用前苏联1 9 5 7 年( 包括2 个修正) 和1 9 7 3 年两个联合标 准方法【2 5 1 。本文设计主要在前苏联7 3 年标准基础上进行。 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。两种计算采用相同的计算 原理，但是已知条件和所求项目是不同的，最终都需要确定锅炉受热面与燃烧产物及工 质参数之间的关系【2 6 1 。 锅炉校核热力计算的内容包括辅助计算( 燃烧计算、热平衡计算) 和传热计算，一般 按以下顺序进行【2 7 】： ( 1 ) 在已知锅炉燃料、燃烧方法以及锅炉结构的情况下，进行空气平衡计算。 ( 2 ) 在已知各受热面入口、出口的过量空气系数的情况下，进行理论空气量、烟气 量及烟气性质表、焓温表的计算。 ( 3 ) 在已知燃料性质、燃烧方法以及锅炉容量的情况下，计算锅炉各项热损失，先 假定排烟温度，然后初步计算出机组的燃料消耗量和锅炉热效率( 由于开始计算时，排 烟温度是未知的，需要进行假定，故锅炉热效率也不一定正确，要看排烟温度的计算值 与假定值的差值是否在允许误差范围内。如果排烟焓假定值与计算值相差不大于燃料发 热量的0 5 ，则可认为计算完结，否则排烟温度要重新假定，然后从热平衡起重复进 行热力计算，直到满足要求为止) 。 ( 4 ) 假定预热空气温度，进行炉内传热计算( 预热空气温度的假定值与计算值相差 在4 0 c 以内，则不必重复计算；如超过误差，则需重新假定预热空气温度进行计算) 。 ( 5 ) 依次进行各个受热面的传热计算，一般为凝渣管簇、过热器、再热器、省煤器 及空气预热器的传热计算，最后可求得排烟温度和预热空气温度，如果排烟温度和预热 空气温度与原假定值的差别在允许误差范围以内，则可认为计算结束。 在计算中过热蒸汽温度可以通过改变喷水量来调整其数据使之合乎要求。因此在计 算过热器时也常需要先假定喷水量，最后看过热蒸汽温度是否正常，反复计算。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 空气及燃烧产物的容积和焓 一般锅炉的炉膛、各对流受热面的烟道总是在负压下运行，也就是说锅炉中烟气的 压力略低于大气压力，这样，烟气不会外漏，不过空气却会从不严密的缝隙漏到烟气中 去，因此在锅炉的烟道上烟气的过量空气系数会逐渐增大，也就是说，以每千克燃料为 准的烟气体积逐渐增大。这对传热计算的影响很大，必须加以考虑 7 1 。 对任一个受热面来说，出口的过量空气系数口”，总是等于入口过量空气系数n 与漏 风系数之和a n ，即 口”= 口+ a a ( 2 - 1 ) 炉膛出口的过量空气系数是由燃烧的要求决定的，其值一般在1 1 1 5 的范围内变 化，由燃料性质和燃烧方法决定。对不同的受热面，由于结构不同，漏风系数值也不同， 可参阅表2 1 选取。 表2 1 烟道漏风系数 t a b l e 2 - 1a i rl e a k a g ec o e f f i c i e n ti nt h eg a sf l u e 炉膛对流受热面烟道 烟道 光管省煤器的空气预热器 名称 屏式水凝渣管、屏过热器、再热 水冷每段( 或每 壁 冷壁式过热器器、过渡区 管式每段( 或 级) 回转式 每级) 口0 1 0o 0 5oo 0 30 0 20 0 30 1 o 2 在燃烧煤粉时，煤粉制备系统还有一部分漏风( 如表2 2 所示) ，在锅炉热力计算中 也必须加以考虑。 表2 - 2 制粉系统漏风系数 t a b l e 2 - 2a i rl e a k a g ec o e f f i c i e n to fp u l v e r i z i n gs y s t e m 制粉系统特性 a n 才 制粉系统特性 a n z f 钢球磨煤机( 带中间煤粉仓)锤击式磨煤机 以热空气作干燥剂 o 1 负压运行0 0 4 以热空气及炉烟作干燥剂 o 1 2 正压运行o 直吹式系统 0 0 4 中速磨煤机负压运行 0 0 4 风扇式磨煤机带有干燥管 o 2