（化工过程机械专业论文）循环流化床热力计算系统研究与开发.pdf

摘要 本文是结合无锡华光锅炉有限公司与浙江大学化工机械研究所合作开发的 “通用锅炉热力计算系统”这一课题展开的。本文的循环流化床锅炉热力计算系 统是在通用锅炉热力计算系统下研究开发的。循环流化床锅炉热力计算系统采用 面向对象技术开发，并得到了很好的验证。总结全文，主要有以下几个方面的研 究成果： 夺采用了o o a 分析方法，对c f b 计算系统进行了需求分析。计算系统o o a 包括：c f b 计算系统的对象认定，c f b 热力计算系统的结构认定，c f b 热 力计算系统的对象属性、对象服务定义，并分析了c f b 炉膛部件中的对象 与对象之间的关系。采用o o a 方法，很好的解决了计算系统分析阶段“做 什么”的问题。 夺采用了o o d 设计方法，对c f b 热力计算系统进行了概要设计。o o a 得到 了计算系统的对象，o o d 中则解决这些对象及其相互关系的实现问题。针 对o o a 提出的c f b 炉膛对象和对象之间的关系，本文采用的方法包括： 密相区类中放入稀相区对象标识，稀相区类中放入密相区对象标识，在稀 相区内设置部件链表来管理稀相区内复杂受热面。采用o o d 方法，很好的 解决了计算系统分析阶段“怎么做”的问题。 夺采用o o p 编程方法，对c f b 热力计算系统进行了具体的编程。在经历了 o o a 、o o d 两个阶段以后，已经解决了“做什么”，“怎么做”的问题了。 在计算系统的编程阶段，其任务是具体实现o o d 中提出的类库。o o p 方法 可以和o o a 和o o d 很好的衔接，增强了代码的可重用性，提高了代码效 率。 夺研究了c f b 热力计算系统的算法。由于循环流化床炉膛的特殊性，本文主 要研究了c f b 炉膛密相区和稀相区的算法，重用了原通用锅炉热力计算系 统中的对流受热面类库，建立了c f b 通用传热模型的全流程迭代求解思路。 夺 实现了c f b 热力计算系统。c f b 热力计算系统在原通用锅炉计算系统上开 发的，重用了原系统的界面，添加了有关c f b 的项目，探讨了复杂软件的 重用性和可维护性，模拟了两个实例，取得了良好的验证。 关键词：面向对象，循环流化床，计算系统，热力计算 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd o n ew i t ht h ep r o j e c t g e n e r a lb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e m ” w h i c hi sd e v e l o p e db yi n s t i t u t eo fc h e m i c a lm a c h i n e r yo fz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n d w u x ih u a g u a n gb o i l e rp l a n t “c f bt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e m i sb a s e do n “g e n e r a lb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e m ”w h i c hn o ts e tt h ec f bt h e r m a l c a l c u l a t i o ns y s t e m i ng e n e r a l ，t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： t h es o f t w a r er e q u i r e m e n ta n da n a l y s i so ft h ec f bi sd o n eb yt h e0 0 am e t h o d t h ec a l c u l a t i o ns y s t e mi n c l u d e ：c f bt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e mo b j e c t c o g n i z a n c e ，a t t r i b u t ec o g n i z a n c e ，c o n f i g u r a t i o nc o g n i z a n c e ，o b j e c t ss e r v i c e c o g n i z a n c e ，c f bf u m a c eo b j e c t sa n dr e l a t i o na m o n go ft h eo b j e c t s t 1 1 cs o f t w a r ed e s i g no ft h ec f bt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e mi sd o n ew i t h0 0 d m e t h o d a st oc f bf u m a c eo b j e c t sa n dr e l a t i o na m o n go ft h eo b j e c t s ，w ep u t f o r w a r ds o m ew a y s ，b e d - t o - i m m e r s e do b j e c ti ss e ti nt h es u s p e n s i o n - t o - s u r f a c e o b j e c t ，t h es u s p e n s i o n - t o s u r f a c eo b j e c ti ss e ti nb e d - t o i m m e r s e do b j e c t ap a r t l i s t si nt h es u s p e n s i o n - t o s u r f a c em a n a g e rs o m ek i n d so fp a r t s t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n go ft h ec f bt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e mi sd o n ew i t h o o pm e t h o d b yu s i n gt h eo o p t e c h n o l o g yw ec a nd e a lw i t ht h i ss o f t w a r e s m o o t h l yw i t ho u t p u to fo o aa n do o d a n de n h a n c et h er e u s a b i l i t ya n d m a i n t e n a n c eo f t h i ss o f t w a r e t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ec f bt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e ma r i t h m e t i c f o rt h e d i f f e r e n c eo ft h ec f bf u r n a c e ，t h em a i nw o r kis t u d yf o c u so nt h ea r i t h m e t i co f t h ec f bf u r n a c ei n c l u d i n gb e d t o - i m m e r s e da n ds u s p e n s i o n t o s u r f a c e ib u i l d t h ew h o l ef l o wa r i t h m e t i co fc f bb a s e do nt h ec l a s sl i b r a r yo f “g e n e r a lb o i l e r t h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e m ” n l ec f bt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e mi sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y i tr e u s et h e g u i ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ) o ft h e “g e n e r a lb o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e m ” a d d e ds o m ei t e m s a b o u tc f b ，s t u d yr e u s a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t yo ft h e c o m p l i c a t e ds o f t w a r e b ys i m u l a t i n g t w o s a m p l e s ，t h e c f bt h e r m a l c a l e u l a t i o ns y s t e mi st e s tw e l l k e y w o r d ：o b j e c t e d o r i e n t e d ，c f b ( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ) ，c a l c u l a t i o n s y s t e m ，t h e r m a lc a l c u l a t i o n i l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章概要j 阐述了锅炉行业的发展现状，以及循环流化床的发展前景，分 析了计算机在锅炉设计计算中的重要作用和现状，最后给出本论文的项目背景、 研究意义和主要研究内容。 1 1 中国锅炉行业的现状 1 。1 1 中国能源工业的现状 2 0 0 2 年下半年以来，我国能源供求关系发生了重大变化，能源供不应求的 局面再度出现。据统计，2 0 0 3 年全国有2 1 个省市拉闸限电，2 0 0 4 年第一季度， 我国拉闸限电的省市扩大到2 3 个，2 0 0 4 年夏天拉闸限电现象还更严重；受运输 能力的限制，陕西、山西等产煤大省出现供煤不足的情况，也加剧了能源供求矛 盾；煤炭供应不足，使得缺煤少油的东南沿海地区不得不依靠柴油机组发电，又 使一些地方的油品供应紧张起来。上述连锁反应己对我国经济的稳定持续增长带 来了很大冲击【lj 。 当前我国能源供求紧张主要表现在电力上。2 0 0 3 年，全社会用电量达1 8 9 1 0 亿k w h 年增长1 5 8 ；2 0 0 4 年上半年，我国电力需求继续高速增长，1 4 月份 全社会用电量达6 5 0 0 亿k w h ，同比增长1 6 1 ，用电紧张进一步加剧。随着夏 季用电高峰的临近，全国用电负荷仍持续攀升。全年电力需求为2 0 9 1 0 亿k w h ， 比上年增长1 l 左右；而同期电源投产容量将相对不足，估计全年有2 0 0 0 万k w 以上缺口，全国电力供需形势将比2 0 0 3 年更为严峻。 造成我国能源供求紧张的原因是多方面的t 2 卅 一电力投资不足，新增电力投产速度明显与电力需求增长不相匹配。由于“九 五”时期调整了电力建设规模，近年电力装机增速较低，1 9 9 9 年、2 0 0 0 年、 2 0 0 1 年和2 0 0 2 年的新装机增长率明显下降，分别为7 7 、6 9 、6 o 和 5 _ 3 。但同期电力需求增长速度却重新大幅回升，4 年间电力消费增长速度 平均达到9 3 3 ，而且里加速上升趋势，2 0 0 2 年达到1 1 6 、2 0 0 3 年上半 年达到1 5 4 。 二工业和高耗电产业高速增长。最近几年电力消费增长的驱动力在于工业用电 第一章绪论 迅速增长，1 9 9 9 2 0 0 2 年间工业用电年均增长0 7 。2 0 0 2 年我国工业用电的 增幅高达1 2 6 ，工业对全社会用电量增长的贡献率达到7 5 8 。2 0 0 3 年上 半年工业用电同比增长1 6 4 6 ，比全社会用电量增长高1 个百分点。 三空调负荷快速增长。随着人民生活水平的提高，居民生活用电比重上升。1 9 9 6 年城乡居民生活用电仅占全社会用电量的1 0 7 ，而2 0 0 2 年却达到1 2 2 。 城镇居民用电的增加不仅表现在用电量的增加，更重要的是带来季节性用电 峰荷高峰问题。华东电网中，上海空调负荷估计5 5 0 万k w ，占总电力负荷 的4 0 左右：江苏空调负荷估计4 0 0 5 0 0 万k w ，占总电力负荷的1 4 1 3 。 四1 9 9 7 年由于“亚洲金融危机”和国家产业结构调整、国有企业改革等国际、 国内环境的影响，能源需求增长缓慢，1 9 9 7 1 9 9 9 年全国能源消费呈现递减 的势头，对“能源供应相对过剩”、“长期制约我国经济发展的能源短缺局面 宣告结束”似乎产生了共识。国家“十五能源发展重点专项规划”和国 家电力工业十五规划中都提出：“长期困扰国民经济和社会发展的能源 瓶颈制约大大缓解”，“九五期间电力生产能力持续增长消除了电力 瓶颈的制约”。基于这样的判断，电力部门出台一些鼓励消费的政策， 提出“三年不新建常规火电项目”，忽视电力固定资产投资。 1 1 2 中国锅炉行业的发展 在我国目前的电力结构中，火电设各容量占总装量的7 5 以上。因此，锅 炉行业在我国电力工业中占据重要地位。我国锅炉制造业是在新中国成立后建立 并发展起来的，随着国民经济的蓬勃发展，我国锅炉制造业取得了长足的进步。 2 0 0 2 年，全国持有各级锅炉制造许可证的企业1 1 2 1 家( 不包括取得有机热载体锅 炉制造许可证和单独部件制造许可证的企业) ，生产各种不同参数和容量的蒸汽、 热水锅炉1 2 8 2 0 6 台( 不包括有机热载体锅炉和其他型式的产品) pj 。中国锅炉制 造企业实行许可证制度。自锅炉制造企业实行许可证以来，锅炉制造业得到了规 范并壮大，生产能力不断提高，但行业发展极不平衡，生产集中度不高，大而全、 小而全的现象普遍存在。 近十多年来，全国工业锅炉年产量一直在7 1 0 万蒸吨间徘徊。行业规模却由 1 9 8 7 年的5 5 1 家企业增加到2 0 0 1 年的9 6 9 家，扩大将近一倍，可见厂点太多， 大多没有形成规模生产，而且所增加的企业绝大多数是规模很小的c 、d 两级企 业，锅炉年产量平均不过5 0 蒸吨左右。 经过五十多年来的发展，中国工业锅炉行业已形成比较完整的产品体系，但 浙江大学硕士学位论文 近十年来，随着国民经济的蓬勃发展和人民生活的不断改善，同时受国家能源结 构变化和日益严格的环境保护政策的制约，工业锅炉产品发展出现了新的变化。 无论从锅炉容量、参数、炉型还是从燃烧方式、燃料种类来看，中大容量锅炉所 占比例显著上升( l o t h a 的锅炉由1 9 9 1 年的2 5 增至2 0 0 1 年的5 4 ) ，热水锅 炉产量的比例有所增长，水火管锅炉所占比例显著下降( 在容量上由1 9 9 1 年的4 5 降至2 0 0 1 年的2 1 ) ，流化床锅炉快速发展( 在锅炉总容量中所占比例由1 9 9 1 年的3 增至2 0 0 1 年的1 0 以上) ，燃油气锅炉所占比例增加( 由1 9 9 1 年的不足 6 增高至2 0 0 1 年的1 5 以上) 。另外，电热锅炉及垃圾锅炉等特种锅炉开始出 现，但所占比例不高【6 j 。 近年来随着我国对外开放的扩大和经济的持续发展，国外众多锅炉企业均看 好并进人中国市场，据了解，到目前为止，已取得中国进口锅炉安全质量许可证 书的境外企业已达1 7 3 家，其中包括美国、英国、日本、意大利、德国等国企业。 另外，在中国已建立了1 4 家合资或独资企业，主要生产油气锅炉，如上海三浦、 杭州富尔顿、沈阳大通、泰安前田、青岛茬原、昆山大震等。所有这些企业一定 程度上占领了我国的高端锅炉市场。目前，进口锅炉越来越多。据国家质检总局 对全国进口锅炉安全性能检验统计，2 0 0 0 年进口锅炉1 6 4 6 台，2 0 0 1 年进口锅炉 2 4 9 1 台，2 0 0 2 年进口锅炉3 2 4 6 台。进口最多的是北京，其次是上海、广东。进 口锅炉以燃油气蒸汽、热水锅炉为主。进口锅炉中，美国始终占有最大的份额， 2 0 0 0 年为5 0 ，2 0 0 1 年为5 3 ：欧盟近两年一直为3 2 左右( 德、法和意大利 为主) ；亚洲分别为1 4 和9 ( 韩、日、中国台湾地区为主) 【7 】。 1 1 3 循环流化床的发展状况 1 循环流化床原理概述 流化床燃烧技术是一种新型的煤炭洁净燃烧技术，它在上个世纪初源于化学 工业，上个世纪五十年代开始应用于锅炉燃烧领域。经过长期发展，目前流化床 锅炉可分为鼓泡流化床锅炉、循环流化床锅炉、旋涡流化床锅炉和增压流化床锅 炉等，其中循环流化床锅炉是目前发展最快、应用最广的一种流化床燃烧技术8 1 。 第一章绪论 循环流化床燃烧技术是8 0 年代发展起来的一项新型燃烧技术，是在第一代 沸腾炉的基础上克服其飞灰含量高、燃烧效率低、埋管受热面磨损严重、脱硫剂 利用率低等固有缺点而开发的。这种燃烧方式使炉内物质运行在一特殊的流动特 性状态下，炉内部分较细颗粒被烟气携带通过炉膛，部分固体颗粒产生回流，被 携带出的颗粒经气固分离器再送回炉内反复燃烧，多次循环。由于循环流化床中 燃料及脱硫剂多次循环，反复的燃烧和反应，且炉内紊流运动强烈，因而能达到 理想的脱硫效率和燃烧效率。 图1 1 典型循环流化床锅炉系统 自 循环流化床可分为两个部分。第一部分是由炉膛( 快速流化床) 、气固物料 分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器( 有些循环流化床锅炉没有该设 备) 等组成，上述部件形成一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置 有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。图1 一 l 为典型的循环流化床锅炉系统。 循环流化床独特的流体动力特性和结构使其具备许多独特的优点 一、燃烧效率高 国外循环流化床锅炉，燃烧效率高达9 9 。我国设计投运流化床锅炉效率也 高达9 5 9 8 ，该炉型燃烧效率高的主要原因是煤燃尽率高，煤粒燃尽率分三 种情况分折。较小的颗粒( 小于o 0 4 m m ) ，随烟气速度进行流动，它们未达到 浙江大学硕士学位论文 对流受热面就完全燃尽了，在炉膛高度有效范围内，它们燃烧的时间是足够的。 对于较大一些煤粒( 大于o 6 m r n ) 其沉降速度高，只有当其直径进一步燃烧或相 互磨渣碎裂而减小时，才能随烟气逸出，较大颗粒经分离器分离返回炉膛循环燃 烧。对于中等粒度煤，其燃烧时间要比停留时间长，而燃尽时间要比停留时间长， 而循环流化床炉，给颗粒燃尽提供了足够时间，未燃尽颗粒循环燃烧，达到燃尽 的目的。运行锅炉炉渣实测，可燃物仅达l 一2 ，该锅炉效率达8 8 9 0 。如 美国福斯特惠勒公司设计循环流化床炉，蒸发量1 4 5 t h 过热蒸汽温度5 1 0 0 c 过热蒸汽压力1 0 5 k g f c m 2 ，锅炉效率达8 8 0 5 。日本宇部两级浅层流化床， 蒸发量3 2 t h ，过热蒸汽压力6 0 k g f c m 2 过热蒸汽温度4 4 0 ，锅炉效率9 0 。 二、煤种适应性强 流化床炉可燃用低热值无烟煤，劣质烟煤，页炭、炉渣石矸等，对煤种适 应用性比煤粉炉层燃炉好，在循环床锅炉中，通过粒子的循环回燃，炉膛温度能 被控制，煤粒着火和燃尽较好，流化床锅炉设计特点，炉膛高，从给煤、布风、 出渣等设计特点，首先适应劣质煤的燃烧。由于采用了分离回料装置，给劣煤分 级燃烧、回燃提供了条件，循环流化床有两种类型分离装置一种是惯性分离，一 种是旋风分离。 三、添加石灰石、有较高脱硫效果： 流化床炉脱硫原理即：煤燃烧过程中产生氧化硫与流化床炉燃烧添加剂一氧 化钙发生反应： c a c 0 3 = c a o + c 0 2 c a o + s 0 2 + ( 1 2 ) 0 2 = c a s 0 4 生产的硫酸钙随炉渣排出，脱硫效果可达9 5 ，灰渣中硫酸钙是综合利用 较好材料。 四、添加石灰石、降低了氮氧化物生成量 添加石灰石，在8 0 0 。c 一9 0 0 低温下燃烧，可控制n o x 生成。流化床炉n o x 生成原理是空气中氮气和氧气，在燃烧时产生n o 。在流化床炉燃烧过程中，燃 料中9 0 燃料中9 0 氮原素转化成n 2 大约1 0 氮反应生成n o 。在燃烧过程中， 生成的n o x 被末燃烧的碳或c a o 还原，减少了n o x 排放。 流化床锅炉能高效的燃用高燃料比煤，n o x 排放随着燃料比变大而降低，在 循环流化床燃烧中，所以能降低n o x 是因为碳浓度和碳反应性能在很大程度上 影响的结果。 第一章绪论 五、系统简单、运行操作方便 流化床炉燃烧、没有煤粉炉燃烧所需复杂的制粉系统，如磨煤机、排粉风机、 粗、细粒分离器等，也没有链条炉所需炉排入传送装置，燃烧系统流程简单，从 原煤到磨煤机送到给煤机入炉膛，一次风从布风板引入炉膛底部须煤粉悬空燃烧 二次风从前后墙引入，起助燃搅拌作用，随烟气向炉膛尾部带起的较大颗粒，经 旋风分离器后返回到炉膛，循环燃烧，进入尾部烟道只剩下很小的灰粒，经上述 简单流程，锅炉即达到应当的蒸汽发量，满足汽轮机蒸汽品质要求，初步估算， 使用流化床锅炉厂房，土建费用节约1 0 左右与煤粉炉相比，设备费用节约2 0 - - 3 0 运行人员操作的辅机设备少，控制简单。流化床炉燃尽的灰粒，从下部灰 斗、外经冷渣器冷却后，通过输送设备送入厂外。 六、获渣综合利用，前途广泛 由于流化床炉渣可燃物极低，约1 1 5 而且具有较经济的脱硫效果，增加 了灰中硫酸钙含量，这对综合利用提供了有利条件，炉渣可做各种建材最好掺合 料，水泥行业，制砖行业利用灰渣前途最广泛该炉型推广应用，可减少除灰渣场 地，对无灰场条件的中，小城市而言不仅可以大大改善环境条件，而且可以推进 建材行业发展，变废为宝，使煤碳发挥综合效益。 2 循环流化床的国外发展概况 循环流化床锅炉作为一项新近发展并迅速成熟起来的先进的洁净煤燃烧技 术，在成功的应用于中小型锅炉之后，正迅速向大型燃煤锅炉的方向发展。同时 超临界技术的日趋完善以及世界上多台成功运行的超临界机组积累的足够多的 超临界机组的设计和运行方面的经验，使得发展高参数、大容量的超临界循环流 化床锅炉成为未来清洁煤技术发展的主要方向3 1 。 现在，美国a b b c e 公司、福斯特一惠勒( f o s t e rw h e e l e r ) 公司等主要循环流 化床锅炉制造商都在进行3 0 0 3 5 0 m w e 等级的产品开发，并开始了更大容量 ( 4 0 0 6 0 0 m w e ) 、甚至超临界压力参数的超大型循环流化床锅炉的研究和前期产 品开发。1 9 9 5 年1 1 月，采用德国l u r g i 循环流化床工艺，有法国通用电气阿尔 斯通公司f g a s i ) 设计、制造的法国p r o v e n c e 电站2 5 0 m w e 循环流化床锅炉投入 商业运行。p r o v e n c e 电站的成功投运成为大型循环流化床锅炉发展史上的一个里 程碑。当前国外约有6 0 台1 0 0 m w e 以上容量的循环流化床锅炉，其中己经投运 的有4 0 余台。循环流化床锅炉检验规程和安全规则已经列入美国a s m e 标准， 这是其技术成熟和标准化的重要标志。目前，世界上最大规模的循环流化床锅炉 是座落于美国佛罗里达州的j a c k s o n v i l l e 电厂的3 0 0 m w e 循环流化床锅炉。 6 浙江大学硕士学位论文 3 中国循环流化床的发展趋势和发展现状 节能、环保要求目益提高，减少温室气体排放和s 0 2 排放、提高能源利用率 己成当务之急并进入实施阶段。2 0 0 0 年我国消耗能源1 3 0 亿吨标准煤，如果今 后国内生产总值按年均增长7 ，能源消耗弹性系数仍按前2 0 年平均的0 4 计算， 能源消耗的年均增长率为2 8 ，照此发展到2 0 5 0 年我国需要年消耗能源5 1 7 亿t 标准煤。而届时国内能源最大供应量约为3 2 亿吨标准煤，可见能源供应缺 口较大，节约能源、提高能源利用率乃当务之急。工业锅炉量大面广，为耗能大 户，每年耗用原煤约占年总产量的1 3 ；另一方面，我国已于2 0 0 2 年批准了京 都议定书，协议一旦生效，我国势必要制定c 0 2 减排目标，到那时工业锅炉不 可能例外( 目前工业锅炉年排放c 0 2 达6 亿多吨) 。因此，工业锅炉节煤降耗首当 其冲，迫切需要进一步改进和提高燃烧和传热技术水平，同时要从系统的观念设 计和选用锅炉以提高能源利用率，以进一步节约能源、减少排放 9 1 1 4 - j 6 l 。 目前在我国一次能源消费结构中，煤炭占一次能源消费量的6 7 左右，燃煤 是大气中s 0 2 污染的主要来源，我国目前燃煤s 0 2 排放量占s 0 2 排放总量的9 0 以上。全国在用工业锅炉每年排放s 0 2 ，5 0 0 - - 6 0 0 万t ，占全国s 0 2 排放总量 的2 1 。s 0 2 对环境造成的破坏已经引起国家的高度重视，1 9 9 8 年1 月，国务院 批准了国家环保总局提出的“两控区”划分方案：2 0 0 0 年4 月修订的大气污 染防治法第十五条和2 0 0 2 年9 月9 日经国务院批准实旅的两控区酸雨和二 氧化硫污染防治“十五”规划均已明确提出在两控区内实行s 0 2 排放总量控制 和排污许可证制度，试行s 0 2 排污交易制度。这对燃煤工业锅炉的发展提出了更 高的要求，需要从技术上给予足够的重视。 循环流化床锅炉是从鼓泡床沸腾炉发展而来的一种新型燃煤锅炉技术。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。循环流化床锅炉具有良好的燃料适应性，一般燃烧 方式难以正常燃烧的石煤、煤歼石、泥煤、油页岩、低热值无烟煤以及各种工农 垃圾等劣质燃料都可在循环流化床锅炉中有效燃烧。由于其物料循环量是可调节 的，所以循环流化床锅炉具有良好的负荷调节性能和低负荷运行性能、能适应调 峰机组的要求。在环保性能方面，因其是低温燃烧( 燃烧温度8 5 0 9 0 0 。c ) ，且有 较大的二次风率( 4 0 - 5 0 ) ，所以对降低n o x 的排放非常有利，n o x 排放降 低到2 5 0 m 鲫n m 3 以下是完全可能的。同时，可向炉内加入石灰石脱硫。在c a s 比为1 8 1 5 时，脱硫效率可达9 0 以上。因此，循环流化床锅炉技术是一种有 发展前途的洁净燃烧技术，应该重点发展并向大型化、超临界方向努力m j 。 第一章绪论 哈尔滨锅炉厂1 9 9 2 年与美国p p c 公司( 奥斯龙技术) 合作设计和生产国内首 台2 2 0 t h 循环流化床锅炉。1 9 9 9 年与a h l s t o m 能源系统g m b h ( 原德国e v t 公司) 签订2 2 0 - 4 1 0 t h 循环流化床锅炉技术引进合同。东方锅炉厂1 9 9 2 年起参与 电力工业部内江高坝电厂4 1 0 t h 循环流化床锅炉示范项目的引进工作，其技术为 原芬兰a h l s t o m 公司的。1 9 9 4 年东方锅炉厂与美国f o s t e rw h e e l e r 公司签定 了5 0 m w e 1 0 0 m w e 容量等级的循环流化床锅炉许可证技术转让合同，技术引进 依托工程的首台2 2 0 t h 锅炉于1 9 9 7 年投运。这些不同形式的技术引进工作提高 了我国大型锅炉厂循环流化床锅炉的制造能力与技术水平，为与国内研究机构合 作开发大型循环流化床锅炉打下了一定的基础。目前，我国国内投资额达2 0 亿 元的内江3 0 0 m w e 的四川省内江市白马循环流化床示范电站正在积极筹建当中。 2 0 0 3 年初，阿尔斯通公司同中国签署了一份价值6 5 0 0 万欧元的合同，为该电站 提供一台3 0 0 m w j 的循环流化床锅炉。这是目前国内正在筹建的最大规模的循 环流化床锅炉，标致着我国建设大型循环流化床锅炉的飞越。 1 2 计算机技术在锅炉设计中的应用 1 2 1 锅炉的设计计算 锅炉的设计计算是锅炉制造工作中的重要环节之一。在设计锅炉之前，应该 根据所给定的锅炉容量、参数、燃料特性有目的的进行调查研究，取得第一手资 料，然后进行设计。一般开始设计时先选定锅炉的总体布置，进行炉内传热计算， 决定对流面的结构，进行对流受热面的传热计算，在以上的结构设计和传热计算 中需预先选定受热面的材料、壁径及壁厚，布置好下降管系统。在以上的计算( 热 力计算) 结束以后，再根据它的计算结果，计算管壁温度并核算强度；进行水循 环计算，核算水循环是否安全可靠：进行烟风阻力计算，核算烟风道流阻是否合 理。在一切都正常合理时，即可根据以上的初步设计和计算做进一步的设计。 如上所述，锅炉设计计算中涉及了四个计算模块，它们分别是：热力计算 强度计算，水循环计算和烟风阻力计算，下面分别介绍这四个计算。 一热力计算 热力计算是根据锅炉机组所采用的受热面布置结构及部件尺寸，锅炉机组的 工作负荷以及指定的燃料成分去决定各个受热面之间边界处的水温、气温，烟温， 以及锅炉效率，燃料消耗量，空气的流量与烟速。进行锅炉热力计算是为了保证 浙江大学硕士学位论文 锅炉机组的经济性及安全，寻找改善结构所需的措施，选择附属设备和得出一些 原始数据，以便进行水循环计算，烟风阻力计算，强度计算和管道热应力计算。 二水循环计算 水循环计算是在热力计算的基础上分析蒸汽及水在锅炉汽水回路中的循环 性能，一般依照j b 2 0 1 8 6 电站锅炉水循环计算进行。由于锅炉的汽水循环 网络中存在大量分支与回路，加上计算还涉及水相变造成的状态参数的不连续问 题，使得水循环计算的算法十分复杂。 三汽水阻力计算 汽水阻力计算是在热力计算的基础上求解蒸汽和水在管路和换热部件及管 路中流动的阻力，从而为选择锅炉的给水泵提供参数依据，该项计算参照 j b 2 0 1 8 6 电站锅炉水循环计算标准进行。 四烟风阻力计算 烟风阻力计算是在热力计算的基础上求解烟气和空气分别在烟道和风道中 流动的阻力，从而为选择锅炉的引、送风机提供参数依据，该项计算参照锅炉 设备空气动力计算方法进行。由于烟风阻力计算只需依次求解烟气和空气流经 各阻力元件的阻力并叠加，不涉及迭代计算，算法也比较简单。 五受压元件强度计算 锅炉是大型承压和高温运行的设备，其制造需要消耗数量巨大的钢材，合理 选用钢材种类、合理确定承压元件的壁厚或型号规格对节约材料、降4 氐, l j 造成本 及确保设备安全性十分重要。水管锅炉受压元件的强度计算须在热力计算的基础 上参照中华人民共和国国家标准 g b 9 2 2 2 8 8 水管锅炉受压元件强度计算来进 行 1 8 。1 9 1 。 1 2 2 计算机技术在锅炉设计中的应用 现代电子计算机技术的发展推动了基础科学的发展。过去靠手工计算过于费 时间和人力的微分方程数值解，有限元方法等。现在用计算机计算都能较快的得 到结果。这使得基础科学得到深入的发展，并能更好的用于解决工程实际问题。 包括锅炉有关的计算问题在内。这使得锅炉设计逐渐摆脱传统经验设计而转向从 理论分析为基础的设计。 首先，在锅炉热力计算，烟风阻力计算，水循环计算和强度计算等方面，过 第一章绪论 去用人工计算往往需要花上几个月的时间，而现在采用计算机技术之后，则只需 要几分钟的时间。因此，在设计计算中可以做更多的方案比较，使设计更加合理。 此外， 还可以运用现代运筹学，多元优化理论，这样能全面考虑各方面的问题， 从各种限制条件中找到最优的方案。 其次，使用c a d c a m c a e 技术，对整台锅炉的绘图设计，三维造型，刚 架有限元分析，图纸图库管理等工作，都起到了极大的进步，大大的提高了效率， 缩短设计周期，使得整个产品更好的适应了市场经济竞争日益激烈的形势。 此外，由于近年来燃料气流在炉膛内的流动、燃烧和传热的三维数值计算方 法有了迅速的发展，目前以能分别计算炉膛内气流速度分布，燃料颗粒的轨迹， 计算出炉内辐射受热面的传热强度分布及灰污温度分布等，从而使炉膛热力计算 更加的精确。 总而言之，计算机软硬件技术的发展以及相应的理论的发展，使得锅炉技术 更快的向前发展，使设计的锅炉技术更快的向前发展，使设计的锅炉更加合理、 可靠、经济。锅炉设计也会更为细致，更加精密。 1 2 3 锅炉热力计算软件发展状况 热力计算是流化床锅炉设计、改造所必须的计算，根据热力计算可确定锅炉 的燃料消耗量、锅炉效率及各受热面大小等设计参数，是锅炉强度计算、水动力 计算、烟风阻力计算的基础。由于热力计算涉及的参量多，并且需要大量的迭代 计算，人工计算相当繁重，且效率低，在进行多个方案比较时更是力不从心。因 此，编制热力计算程序进行计算可大大提高效率。 2 0 世纪7 0 年代以来，我国主要锅炉厂家陆续自行研制或委托科研院所开发 了一些锅炉热力计算软件，用以辅助锅炉的产品设计工作。这些软件主要属于以 下两种类型： ( 1 ) 基于e x c e l 的半自动化计算程序。这类程序借助e x c e l 编写单次热力计算的 计算模版，再由设计人员控制计算过程中的迭代假设变量，通过多次试算得 到计算结果。由于该方法不仅需要针对每一种具体炉型编写e x c e l 的计算脚 本，还需要手工控制迭代过程，因而对使用人员的经验及计算机技能都要求 较高。 ( 2 ) 采用b a s i c 、f o r t r a n 等过程性语言编写的程序。这类程序的操作较为复杂， 浙江大学硕士学位论文 在填写大量计算参数的过程中常常容易发生差错，流程逻辑一般相对固定， 只能通过少数流程逻辑控制参数进行简单调整，对流程结构变化的适应性不 好。此外，由于编程采用的是过程性语言，软件的扩充和维护非常困难【2 0 1 。 近年来，随着国家电力结构向高参数、高性能、大容量、低能耗机组方向的 不断发展，以及对锅炉产品设计质量以及设计进度要求的不断提高，以及上述两 种类型的热力计算程序已经越来越难以满足锅炉企业产品开发的使用需求。 1 3 论文的研究工作 1 3 1 论文研究的工程项目背景 2 0 0 3 年以来，全国性的缺电问题一直困扰着中国国民经济的发展。我国政府 及时做出了宏观调控，大力发展电力工业的基础设施建设。这使得我国大型锅炉 企业的电站锅炉设计制造任务大幅度攀升，无锡华光锅炉厂抓住机遇大力发展锅 炉项目，但是企业产品设计及制造效率和能力的问题，以及如何快速、高质的完 成锅炉产品的设计及制造成为无锡华光锅炉厂关心的重要问题。 目前，无锡华光锅炉厂采用的是b a s i c 程序编写的热力计算软件，在使用 过程中存在以下困难： ( 1 ) 对于4 8 0 t 1 1 、6 7 0 t h 等系列大型超高压、亚临界煤粉锅炉的热力计算，现 有的热力计算软件不能够直接支持，而通过手工计算则更耗时耗力难以完 成。 ( 2 )对于循环流化床锅炉，缺乏良好的热力计算程序的支持。 ( 3 )当锅炉流程结构发生较大变化时，现有的热力计算软件需要通过修改程序 才有可能适用，有些通过修改也不能适用。 ( 4 )经常修改现有的热力计算软件，可能给程序引入直接错误或条件错误，使 设计计算工作的可靠性下降。 ( 5 1需要手工编写热力计算书，工作枯燥耗时，格式不规范。 ( 6 )设计管理及控制难度大，管理人员难以有时间对设计人员的设计方案进行 细致的校核，因而难以控制锅炉设计方案的质量。 鉴于企业目前产品开发工作中存在的困难，无锡华光锅炉厂与浙江大学化工 机械研究所合作开发“通用锅炉热力计算系统”，其中特别提出循环流化床的热 第一章绪论 力计算系统的开发。 1 3 2 论文的研究意义 近年来，在电力短缺的背景下，工业锅炉的需求大大增加，而循环流化床具 有燃料适应性广，燃烧率高，脱硫效果好等众多优点，在国内将有巨大的发展空 间。 但是，目前国内采用先进计算机语言开发的循环流化床锅炉设计计算软件， 在企业没有得到很好的应用，大多国内锅炉企业还是采用e x c e l 的半自动化计算 程序，b a s i c 、f o r t r a n 等过程性语言编写的程序，这些计算程序已经越来越难以 满足锅炉企业产品开发的使用需求。为了将c a d 技术引入了锅炉设计的全流程， 建立了通用、集成的锅炉c a d 系统。浙江大学化工机械研究和杭州锅炉厂于1 9 9 6 年5 月至1 9 9 8 年1 2 月期间合作完成“九五”c a d 应用工程示范项目一“锅炉 c a d 应用系统”【2 ”。2 0 0 0 年以来，该系统进一步在太原锅炉集团推广应用，使 该厂的设计力量和市场竞争力明显增强，当年就创造直接经济效益2 0 0 余万元， 深受厂家的好评，取得了可喜的应用效果。 为了提高我国锅炉的设计效率，浙江大学化工机械研究大力推广“锅炉c a d 应用系统”，在企业应用过程中不断的完善原有系统和部分部件的计算算法，也 根据企业的不同需求，增添一些功能，使我们的系统达到即全面又通用的效果。 去年下半年，我所和无锡华光锅炉厂合作开发“锅炉c a d 系统”中重点提出循 环流化床热力计算软件的需求，而前几年国内大型循环流化床只有四大锅炉厂才 能生产，我们软件的主要对象是大中型锅炉厂，所以我所的“锅炉c a d 系统” 的通用热力计算中没有编写循环流化床部分。 鉴于在“锅炉c a d 系统”中完善循环流化床部分的热力计算系统具有重要 的意义，而热力计算软件对于迫切要上循环流化床项目的锅炉企业来说，大大提 高了设计效率，争得了市场先机，具有非常大的现实意义。 1 3 3 研究内容 本人研究的循环流化床热力计算系统是在已有的通用锅炉热力计算系统中 开发的，因此本文首先分析了原通用锅炉热力计算软件的设计思想和总体框架， 接下来研究了循环流化床炉膛以及尾部受热面的算法，在此基础上对循环流化床 1 2 浙江大学硕士学位论文 进行系统设计，最后用两个实例来验证系统设计的结果。以下是本文的主要内容 及其章节安排： 第一章综述了目前中国能源的现状，以及由此对中国锅炉行业的影响，而循 环流化床在锅炉行业中的发展前景。概述了计算机在锅炉热力计算中的重要作 用，以及目前锅炉热力计算软件的发展状况。最后给出了课题的背景、意义和本 文的研究内容。 第二章分析了原通用锅炉热力计算系统的建模思想以及组织架构。针对锅炉 设计的问题域，提出了锅炉过程系统模型，并抽象出换热部件的简化逻辑模型和 烟气抉热区的逻辑模型。最后建立了通用锅炉热力计算系统的算法流程。 第三章主要研究了c f b 炉膛和尾部受热面的算法。由于c f b 炉膛在结构和 热力性能的特殊性，本文将c f b 的炉膛划分为密相区和稀相区，针对密相区和 稀相区的算法进行了详细的阐述，提出算法中的难点，并建立各个部件的算法流 程，尾部受热面与一般锅炉受热面的算法相似，最后提出了c f b 整体算法流程。 第四章说明循环流化床的计算系统设计是建立在o o a 、o o d 、o o p 的基础 上，接下来首先介绍了什么是o o a ，o o a 有哪些优势，采用o o a 分析c f b 的 热力计算系统对象；其次介绍了什么是o o d ，o o d 与o o a 的关系，以及用o o d 的方法如何设计o o a 分析的对象和对象之间的关系，最后介绍了什么是o o p ， 采用o o p 如何将设计模型在程序中实现。 第五章验证建立的模型是否具有实际应用价值。本章列举了两个实例，实例 一是7 5 吨c f b ，炉膛稀相区只布置水冷壁，实例二是7 5 吨c f b ，炉膛不仅布 置了水冷壁还布置了稀相区过热器和稀相区屏式蒸发受热面。两个实例的运行的 结果与实际值都有1 2 的偏差，并分析了偏差原因。为了使读者对该c f b 热力计算系统有直观的认识，本章截取了一些界面，包括部件构造，流程构造， 计算结果显示以及计算书的生成等界面。 第六章是全文的总结与展望。概括了全文的研究内容和本论文的研究成果 最后对循环流化床的热力计算系统的发展作了展望。 第二章通用锅炉热力计算系统设计研究 第二章通用锅炉热力计算系统分析与研究 【本章概要】介绍了锅炉的原理和其设计特点。分析了锅炉设计的问题域， 提出了锅炉过程系统模型，并抽象出换热部件的简化逻辑模型和烟气换热区的逻 辑模型。最后建立了通用锅炉热力计算系统的算法流程。 2 1 锅炉原理概述 锅炉的概念宽泛，种类繁多，大小迥异，结构形式多样。本文研究关注的是 大中型电站锅炉、工业锅炉的设计问题。在不作特别说明的前提下，后文中用到 的“锅炉”一词均指这些大中型电站锅炉和工业锅炉，而非那些小型、微型的工 业用、民用锅炉。如图2 1 示意，锅炉本体通常主要由炉膛、锅筒、水冷壁、 过热器、减温器、省煤器、空预器、集箱、燃烧器等部件组成。此外，在一个完 整的锅炉系统中，还可能包括磨煤装置、引风及送风装置、给水装置、燃料供应 1 锅筒 2 水冷壁 3 锅筒集中下降管 4 屏式过热器 5 顶棚过热罂 6 高温对流过热器 7 低温对流过热器 8 省煤器 9 空预器 1 0 炉膛 图2 1 典型高参数室燃蒸汽锅炉的结构示意图 装置、除灰除尘装置等其它一些辅助设备。典型蒸汽锅炉的基本工作原理是：燃 料与经空预器预热的空气在炉膛中混合燃烧而产生高温烟气，高温烟气先后流经 各过热器、省煤器及空气预热器，把其携带的部分热量分别传递给这些部件中的 4 浙江大学硕士学位论文 水蒸汽、水和空气( 通常统称这三者为“工质”) ，温度逐步降低，最后通过烟囱 排放出去；给水首先在省煤器中与烟气换热而提高温度，再送入锅筒中通过与锅 筒相连的下降管到水冷壁中被炉膛的辐射热加热汽化，形成的汽水混合物循环回 流到锅筒中进行分离：饱和蒸汽