（热能工程专业论文）基于aspen+plus的电站燃煤锅炉火用分布特性研究.pdf

构筑，在此基础上，对 电站锅炉各部位的能耗 荷降低而降低，火用损随 负荷降低而升高；不同煤种时，火用效率和发热量之间没有直接的关系，而发热 量与火刖员的变化趋势比较相近。同时，本文借鉴了高温空气燃烧理论，提高进 入锅炉的预热空气温度，并使用模拟手段对现有锅炉流程进行了改进，结果表 明，除水冷壁外，各受热面的火用效率均有不同程度的提高。 关键词：火用分析，能耗分布，高温空气燃烧 a b s t r a c t am o d e lo ft h ep o w e rp l a n tb o i l e ri sc o n s t r u c t e db yu s eo fs o f t w a r ea s p e np l u si nt h i s p a p e r , o nt h eb a s i so fw h i c h ，t h ee x e r g ya n a l y s i si sc o n d u c tt oo b t a i nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n d i s t r i b u t i o na n de n e r g yu t i l i z a t i o ns t a t u sf o re a c hp a r to ft h ep o w e rp l a n tb o i l e ra c c o r d i n gt o d i f f e r e n tl o a da n dd i f f e r e mc o a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t , t h et o t a le x e r g y e m c i e n c yo ft h eb o i l e rd e c r e a s e sw i t ht h el o a dr e d u c t i o n ，w h e r e a s ，t h ee x e r g yl o s si n c r e a s e s w i t ht h el o a dr e d u c t i o n f o rd i f f e r e n tc o a l s ，t h e r ei sn od i r e c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt h ee x e r g y e f f i c i e n c ya n dt h eh e a tp r o d u c t i v i t y h o w e v e r , t h ev a r i a t i o no ft h eh e a tp r o d u c t i v i t yh a sa g o o dc o r r e l a t i o nw i t ht h a to ft h ee x e r g yl o s s m e a n w h i l e ，r e f e r r i n gt ot h et h e o r yo fh i g h t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ，t h et e m p e r a t u r eo fp r e h e a t e da i ri sr a i s e d ，a n dt h ee x i s t i n gb o i l e r p r o c e s si si m p r o v e db yt h es i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a te x c e p tf o rt h e w a t e rw a l l t h ee x e r g ye f j f i c i e n c yi si n c r e a s e di nv a r i o u sd e g r e e sf o ro t h e rh e a t i n gs u r f a c e s c u iy a r n i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g a s s o c i a t ep r o f d o n gc h a n g q i n g a s s o c i a t ep r o f y a n gz h i p i n g k e yw o r d s ：e x e r g ya n a l y s i s ，e n e r g yd i s t r i b u t i o n ，t h eh i g ht e m p e r a t u r ea i r “ c o m b u s t i o n 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 选择研究方法l 1 2 1 热力学分析方法介绍1 1 2 2 研究方法的确定3 1 3 本文主要工作5 第二章系统模型的构筑6 2 1 a s p e np l u s 功能简介6 2 2 模块化建模介绍7 2 3a s p e np l u s 的应用9 2 4 研究对象9 2 5 模型构筑1 0 2 5 1 系统的模型1 0 2 5 2 模型组分设置1 3 2 5 3 物性方法选择1 3 2 5 4 输入参数设置1 4 2 5 5 模拟结果1 6 2 6 本章小结1 7 第三章火用分布特性研究1 9 3 1 火用分析理论? 1 9 3 1 1 火用概念的历史溯源和发展应用1 9 3 1 2 火用的定义2 1 3 2 总体火用分析2 5 3 3 锅炉单个受热面的火用分析2 7 3 4 火用损失2 7 3 5 燃料火用的计算2 8 3 6 烟气火用的计算2 9 3 7 给水、主汽和再热蒸汽火用的计算3 0 3 8 变负荷火用分布的特性3 0 3 9 变煤种火用分布的特性3 8 3 1 0 本章小结3 9 i i 华北电力大学硕士学位论文 第四章高温空气燃烧技术应用的探索4 0 4 1 高温空气燃烧技术介绍4 0 4 2 流程的改进4 3 4 3 计算结果与分析4 4 4 4 本章小结4 5 第五章结论与展望4 6 5 1 结论4 6 5 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 能源科学技术的发展是世界性的重大课题，从一定意义上说，对能源科学技术 理论和实践的探索，就是探索世晃未来发展的可能性问题，就是破解能源资源约束 的世纪性难题。 能源科学技术的发展关系我国的经济安全和可持续发展。随着人口增加、工业 化和城镇化进程的加快，特别是重化工业和交通运输的快速发展，我国能源需求量 将大幅上升【l 】。节能作为一项减少能源消耗、降低生产成本的主要措施，越来越受 到人们的普遍重视。 中国是世界能源消费大国，2 0 0 6 年中国一次能源消费量为2 4 6 亿t 标煤，比 2 0 0 5 年的增长9 4 9 。但人均能源消费水平很低，2 0 0 6 年为1 8 7 t 标煤，而2 0 0 5 年世界平均水平为2 3 3 t 标煤，中国2 0 0 6 年人均能源消费水平约为世界平均水平的 8 0 左右。根据预测，我国在2 0 2 0 2 0 5 0 年间的人口将维持在1 5 亿左右。到本世 纪中叶，我国年能源消耗总量将高达3 5 4 7 亿t 标煤【2 】，而且我国的能源利用率仅 为3 0 左右，比发达国家低1 0 1 7 。 我国是一个富煤，贫油，少气的国家，煤炭是我国最安全，经济，可靠的能源。 随着石油、天然气资源的日渐短缺，煤炭的重要性和地位还会逐渐提升。根据我国 资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中的比例，以煤炭为主体的能源结构在相当 长一段时间内不会改变。在我国电源结构中，火电装机容量占全国总装机容量的 7 8 ( 2 0 0 6 年数据) ，其中煤电占火电的9 0 以上【lj 。考虑到核电及水电项目建设 周期较长，风电和太阳能发电受成本及技术等因素制约难以迅速扩大规模，未来我 国北煤南运、西电东输的能源格局仍将长期存在。 燃煤发电厂的生产过程是一个能量的转换过程。它是将燃料的化学能在锅炉中 转变为蒸汽的热能，再将蒸汽的热能在汽轮机内转化机械能，最后将机械能在发电 机中转化为电能。显然，能量转换的效率高低，将直接影响火电厂的经济效益o 、进 一步提高火电厂能量转换效率的主要障碍是热力设备，而电站锅炉是发电机组的重 要组成部分，也是主要的耗能设备。因此，分析研究电站锅炉的能耗分布，对指导 锅炉节能具有十分重要的意义。 1 2 选择研究方法 1 2 1 热力学分析方法介绍 华北电力大学硕士学位论文 节能离不开对能量系统的热力学分析。根据热力学基本原理对能量系统进行热 力学分析有不同的方法。 1 2 1 1 焓分析法 该方法沿袭了上百年，至今仍是工程上广泛应用的分析方法，也是燃煤电站应 用最多的分析方法。它是以热力学第一定律为基础，运用热平衡理论，以热效率为 基本准则，分析、评价用能设备和系统能量有效利用状况的方法，它从能量的数量 方面分析能量的利用情况。由于分析时对某些能量项以焓值表示，习惯上称为焓分 析法。这种方法也称“能量平衡法 、“热平衡法或“能分析法”【4 9 】。 、 它的基本内容包括： ( 1 ) 依据能量系统的热力学模型，进行系统的能量平衡： ( 2 ) 依据能量平衡，计算热效率，用以评价用能系统的优劣： ( 3 ) 计算各项热损失，以获得用能系统热损率的分布。 由焓分析法可以找出用能系统中热损率最大的薄弱环节和部位，为改进设备的 用能状况提供理论依据。 1 2 1 2 熵分析法 熵分析法是以热力学第二定律为基础。虽然第一及第二定律几乎是同时创立 的，但熵分析法却比两个定律晚了二十多年，直到1 8 6 5 年熵参数确立后才出现。 以热力学第二定律为基础的熵分析法是从能量的“品质”方面对能量传递和转 换过程进行分析研究的一种重要方法。它以孤立系( 或确定质量的绝热系) 熵增原 理为依据，以求取能量传递和转换过程中的不可逆熵产及不可逆损失为目标，通过 对热力过程和循环中的能量贬值状况分析，采取措施改进热力过程或循环，从而减 少能量“品质”的降低。 熵分析方法的理论可靠性和学术价值是毋庸置疑的，但由于熵概念的抽象和熵 的定义颇难理解等原因，该方法至今未被工程技术界普遍使用【4 0 1 。 1 2 1 3 火用分析法 火用方法是近年来能量系统热力学分析的一种新方法。火用分析法从2 0 世纪5 0 年 代朗特( z r a n t ) 建议命名开始只有近几十年的历史，但由于火用具有能的量纲和质 的属性，使能量的“量 和“质 达到完美的统一，从而使火用分析法比焓分析法更 科学、更深入，比熵分析法更全面、更易于理解【4 9 1 。 它是以热力学第二定律为依据，结合热力学第一定律和热力学第二定律的一种 分析方法。从能量的量和质两个方面分析能量的利用情况。热力学第二定律的精髓 在于深刻地揭示了能量在传递和转换过程中能量品位必然蜕变的规律，热力学称之 2 华北电力大学硕士学位论文 为能质蜕变原理( 也称为“能量降级原理 或“能量贬值原理 ，该原理目前学术界 还无统一名称) 。火用作为表征能量中可转换部分的量引入了热力学。这样，对于给 定的能量而言，能量转换过程中能量品位的下降，可以用作功能力的损失，即火用值 的减少火用损失来表示。在选定计算基准的情况下，由火用的概念采用热力学计算 方法可以直接计算出物质或能流在某个状态的火用值，进而可以算出各种过程以及由 若干过程组成的子系统的火用损及能量系统的总火用损。通过火用值计算而求出各子系统 和系统总火用损的方法就是火用分析法的基本内容。 由火用分析的结果可找出系统中火用损率最大的薄弱环节或部位，并以火用效率评价 系统整体的用能状况。 1 2 2 研究方法的确定 这里我们仅将焓分析法和火用分析法作一个比较( 熵分析法尚未被工程技术界普 遍应用) 。表1 - 1 是应用两种方法对国产3 1 2 5 型汽轮发电机组的分析结果，分别示 出了每一设备的热损失和火用损失。根据焓分析，最大能量损失发生在凝汽器中，占 5 4 4 。这就可能使人们误认为：要节能，就应首先改造凝汽器。而根据火用分析， 情况就不同了，凝汽器的火用损失很小，只有4 9 ，而最大火用损失发生在锅炉1 5 0 1 。 ， 表1 - 1对国产3 卜2 5 型汽轮发电机组的分析结果哺们 汽轮机组 分析方法锅炉蒸汽管道凝汽器 汽机加热器 第一定律分析法 热损失 k j k g 蒸汽】 2 5 8 32 7 21 3 2 31 5 6 2 9 热损失率 】 9 01 o4 6 5 4 4 第二定律分析法 火用损失 k j k g 蒸汽】 16 4 73 3 11 3 4 82 3 91 4 1 1 火用损失率【】 5 7 。41 24 70 84 9 焓分析法只是反映了能量在数量上的守恒关系，并未考虑能量在质方面的差 别，它将不同质的能量视为“等价 的，因此，将凝汽器看作是热损失最大的地方， 却忽视了量相同而质不同的能量，其实际效用是不相同的，甚至会有非常大的差别。 火用分析法与焓分析法的根本区别就在于火用分析法确认了不同能量之间所具有的质 的差别，把能量的质和量统一起来。 因此火用分析方法可以更完善、更具体地衡量设备或热力系统的热力学完善程 度，准确揭示系统中火用损失最大的环节或过程，为节约能源提供目标及对策。 火用分析的方法已经广泛地应用于节能研究中。 i v a rs e r t e s v a g 1 9 j 研究了在一定范围内温度、压力和相对湿度的变化对一些气 3 华北电力大学硕士学位论文 体燃料及环境条件下气体化学火用的影响。结果表明，影响是很显著的。对某些过程 的化学火用变化计算表明，空气气体分离在寒冷气候中有潜在最有效性，而电解水制 氢则宜于在温暖的气候条件下进行。n o a ml i o r 2 8 】等人基于热力学第二定律的分析， 通过对流体的干燥、油滴的燃烧和煤粉燃烧的分析，研究了在能量传输过程中以时 间和空间为变量的火用和过程中的不可逆性。y l i m a z t 3 0 】等人发表了一篇介绍换热器 评价准则的文章。文章分别深入介绍了以热力学第二定律为基础的对换热器系统进 行性能评价的熵方法和火用方法，说明了它们的各自特点与限制，以及相互间的联系。 另外对热经济学分析方法也进行了简要的介绍。并指出选择哪种评价或者说分析方 法应当取决于方法本身的特点和限制条件，使用正确可靠的性能评价方法对换热器 的设计和优化是至关重要的。洪慧，金红光【6 j 等人在a s p e np l u s 模拟的基础上采 用图像火用分析的方法对给水加热型联合循环系统进行了深入的研究，揭示出引起循 环系统火用损失的内部现象，并提出了系统进一步改进的建设性方案，为传统火电厂 的系统升级改造、方案设计提供了理论依据。宋长华【2 2 】在他的文章中利用偏微分理 论分析了热力系统中局部变化对热力系统火用效率的影响，导出了使用方便的计算函 数式，为电厂热力系统节能分析研究提供了理论依据。杨勇平等【8 】根据符号火用经济 学理论建立了能量系统的火用经济学分析模型，提出了描述系统物理结构和生产结构 的矩阵，得到了描述系统性能参数的表达式，可以在系统发生微小偏离的条件下使 用。杨勇平在文献【9 】中把锅炉系统划分为多个子系统，分别对其进行了火用分析， 明确分析了火用损的各项来源，并建立了新的目标函数，对锅炉的经济运行进行优化， 通过实例的计算得出了锅炉系统各项损失与过量空气系数、热风温度及煤粉细度的 关系，并绘制了曲线图。赵旭等1 35 j 从火用的角度出发，分析计算了整体煤气化燃气蒸 汽联合循环( i g c c ) 各组成部分的效能，考查了能量在其中的合理利用情况，系统地 提出了一种应用于i g c c 火用的分析方法。h a s a n t 等1 6 6 j 对常规燃煤电站转换为热电 冷三联产进行了包括火用分析在内的热力学分析，结果表明，低压汽轮机的进汽段是 抽汽的最佳位置。s p l o h a n i 等【6 7 】为了寻求更有效的能量转换和能量与火用的利用， 对采用不同热源的住宅采暖系统的能流与火用流进行了模拟和比较，结果表明地源热 泵系统优于空气热源热泵及常规热系统。地源热泵冷凝器入口温度在3 0 ，且蒸发 器入口温度保持变化的情况下，可以减少近2 5 的能和火用，并且可以得到比其它系 统高近5 0 的整体性能系数和火用效率。陈莉【4 0 】对一台4 1 0 t h 的电站锅炉进行热力 计算的同时，建立了锅炉的火用分析模型，把热力计算和火用分析的结果进行了比较， 总结了负荷、主汽温度、主汽压力、给水温度、冷风温度对排烟温度和锅炉热效率 影响的同时，也给出了对锅炉火用效率的影响。苗鑫华【38 】对锅炉汽水系统各设备火用 损、火用效率等参数的分布进行了初步的分析。 对于电站锅炉而言，前人的工作明确了在锅炉运行过程中有大量的火用损或不可 逆性的存在，也说明了有这些损失发生的原因，但在评估它们是如何随着锅炉参数 4 华北电力大学硕士学位论文 和配置的变化而变化方面所做的工作还是不足。本文主要分析了电站锅炉能耗在变 负荷、变煤种情况下的分布，指明能耗较大的部位，为优化设计和节能提供依据。 1 3 本文主要工作 本文利用大型通用流程模拟软件a s p e np l u s 对一台6 0 0 m w 电站锅炉进行了模 拟，并对该锅炉做了火用分布特性的研究，主要工作如下： ( 1 ) 对于设计煤种，额定负荷下的各受热面能耗的分布特性； ( 2 ) 对不同负荷，研究负荷对锅炉能耗的影响； ( 3 ) 对不同煤种，研究煤种成分对锅炉能耗的影响； ( 4 ) 在借鉴高温空气燃烧理论的基础上，对电站锅炉流程改进进行研究。 5 骛j ，悬墨 搭 一? ，= ? 。 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统模型的构筑 本章以贵港电厂一期锅炉为模拟对象，使用大型通用流程模拟软件a s p e np l u s 对其进行了系统模型的构筑，确定了对电站锅炉进行模拟所需要使用的模型、物性 方法和模拟方式。 2 1a s p e npiu s 功能简介 a s p e np l u s 是大型通用流程模拟软件。美国能源部于七十年代后期在麻省理工 学院m i t 组织会战，目的是开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为”先进过 程工程系统”( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s se n g i n e e r i n g ) 简称a s p e n 。这一大型项 目于1 9 8 1 年底完成。 1 9 8 2 年a s p e nt e c h 公司成立，将该软件商品化，称为a s p e np l u s 。这一软件经 过1 5 年的不断改进、扩充、提高，历经了九个版本，现在已成为全世界公认的标准 大型流程模拟软件，用户接近上千个。全世界各大化工、石化生产厂家及著名工程 公司都是a s p e np l u s 的用户。 a s p e np l u s 软件是a s p e n - i - _ 程套件的核心，它提供了大量的化工单元操作模型， 包括反应器、分离操作单元、换热器等；同时它还提供了大量的物性数据，几乎包 括所有的化学物质，绝大多数化学物质的物性数据都能从它的物性数据库中查找。 a s p e np l u s 单独使用可以对一般的化工过程( 聚合过程除外) 进行稳态模拟，在稳态模 型的基础上，配合它自带的灵敏度分析以及优化工具，可以对模型中的参数和流程 中的操作参数进行灵敏度分析，还能对操作参数进行优化。它以严格的机理模型和 先进技术赢得广大用户的信赖，它具有以下特性： 第一：a s p e np l u s 有一个公认的跟踪记录，在一个工艺过程制造的整个生命周 期中提供巨大的经济效益，制造生命周期包括从研究与开发经过工程到生产。 第二：a s p e np l u s 使用最新的软件工程技术，通过它的m i c r o s o f tw i n d o w s 图形 界面和交互式客户服务器模拟结构使得工程生产力最大。 第三：a s p e np l u s 拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力，这些实 际应用包括从炼油到非理想化学系统，到含电解质和固体的工艺过程。 第四：a s p e np l u s 是a s p e nt e c h 的集成聪明制造系统技术的一个核心部分，该 技术能在用户公司的整个过程工程基本设施范围内捕获过程专业知识并充分利用。 在实际应用中，a s p e np l u s 可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的 工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和 6 华北电力大学硕士学位论文 操作的关键问题。流程模拟的优越性有以下几点： ( 1 ) 进行工艺过程的能量和质量平衡计算。 ( 2 ) 预测物流的流率、组成和性质。 ( 3 ) 预测操作条件、设备尺寸。 ( 4 ) 缩短装置设计时间，允许设计者快速地测试各种装置的配置方案。 ( 5 ) 帮助改进当前工艺。 ( 6 ) 在给定的限制内优化工艺条件。 ( 7 ) 辅助确定一个工艺约束部位( 消除瓶颈) 。 此外，a s p e np l u s 的重要功能有： ( 1 ) 固体处理 ( 2 ) 严格的电解质模拟 ( 3 ) 石油处理 ( 4 ) 数据回归 ( 5 ) 数据拟合 ( 6 ) 优化 ( 7 ) 用户子程序 a s p e np l u s 软件基本流程模拟步骤： t ： ( 1 ) 建立模型常用内置模板有：空气分离模板、化学工艺、气体加工、石油、 固体等。此外，还要选择模拟的运行类型，f l o ws h e e t 类型最常用。如果不进行流 程模拟则可选择其他的运行类型，如化验数据分析、数据回归、性质分析等。”一 ( 2 ) 定义流程a s p e np l u s 中的单元操作模型主要有：混合器和分流器、分离 器、换热器、塔、反应器、压力变送器、控制器、固体以及用户模型。 ( 3 ) 计算的全局信息全局信息主要有：运行类型、平衡要求、有效相态、诊 断信息、全局的温度压力限制、物流类及子物流、度量单位选择以及最终的报告形 式等。 ( 4 ) 规定组分a s p e np l u s 拥有强大的组分数据库，除了标准的内置数据库外， 用户还可使用自己的数据库。注意，在处理固体组分时，定义组分是否恰当会直接 影响到最后的模拟结果。 ( 5 ) 选择物性方法a s p e np l u s 软件中提供了很多的物性方法，并且为不同的 应用推荐了不同的方法。 ( 6 ) 规定物流一一物流可以将物质流或者是能流从一个单元模型带到另一个单 元模型。如果物流中己知粒子尺度分布也可以在此设定。同时通过物流还可以分析 物流物性和生成p v ，p t 封闭曲线。 2 2 模块化建模介绍 7 华北电力大学硕士学位论文 电站燃煤锅炉的系统十分复杂，包含较多的热力部件和循环回路。但是，根据 系统方法论的观点，不论系统的结构和工质运动过程如何复杂多变，总是可以看成 是由一些典型的模块组成的。我们可以先建立这些典型模块的数学模型，再依照整 个系统的组合形式将各模块有机地组合为一体，然后进行热力系统的分析计算，这 就是模块化建模方法。 基于a s p e np l u s 的热力系统流程模拟计算是上述思想方法的具体实现。它是根 据实际热力设备及工质流程建立单元模型及结构模型，对系统数学模型进行求解从 而得出描述系统的特性参数的过程。 图2 - 1模块化建模一般步骤 模块化建模基本思想是将复杂多变的热力系统看作由少数几个典型种类的部 件或模块，发生在系统内管道和设备中的工质热力过程遵守基本守恒定律，即质量 守恒、能量守恒和动量守恒，工质状态参数满足工质热力性质函数关系。可以根据 这些典型模块的特性事先建立起它们的数学模型，而整个热力系统的模型则是这些 模块通过一定手段实现的一定规律的组合形式。这样，用少量模块即可描述包含许 多设备和子系统的复杂大系统。a s p e np l u s 内置多种单元操作模块，为模块化建模 的实现提供了极大的便利。 模块化建模的一般步骤如图2 1 所示【5 引。首先，将系统进行模块化分解，得到 多个基本组成单元( 模块) ；然后，根据模块的特点，从模型库中调用相应的模型， 并赋予参数，建立符合总能系统特点的基本单元模块模型；最后，建立基本单元模 块模型间的通用联接，进而建立总能系统的通用模型。概括起来，模块化建模的内 容主要包括t 模块化分解；建立典型单元模块模型库：系统中模块间通用联接等。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 a s p e np iu s 的应用 a s p e np l u s 最初主要应用于化工行业，但由于其强大的功能与通用性，近年来， 在发电工程中得到了广泛地应用。白慧峰等人【6 0 】以a s p e np l u s 为平台，建立了机组 热力系统模型，通过对参数的调整来研究超超临界机组的热力特性。洪慧等人【6 l 】 在使用a s p e np l u s 对给水加热型联合循环模拟的基础上，采用图像火用分析方法对 给水加热型联合循环进行了深入地研究，揭示出引起循环系统火用损失的内部现象， 并提出了进一步改进的方案，为传统火电厂的系统升级改造、方案设计提供了理论 依据。王松岭等人1 6 z j 对双压无再热燃气蒸汽联合循环系统进行了模拟计算，结 果与设计数据符合较好。还有一些学者【6 3 西4 】对a s p e np l u s 在整体煤气化联合循环 ( i g c c ) 及煤气化固体氧化物燃料电池( s o f c ) 混合循环方面的应用进行了 探索，得到了较好的效果。 虽然a s p e np l u s 有用户开发模型的功能，但在以上模拟过程中，基本上都是使 用a s p e np l u s 提供的单元操作模型，这些模型的功能可以满足大部分的要求。 前人的工作中涉及到不少煤气化方面的研究，尽管煤气化与煤燃烧的机理比较 接近，但是关于煤燃烧仍有其特殊的要求。本文在这方面进行了研究。 2 4 研究对象 分隔屏过热器 后屏过热器末级再热器末级过热器 图2 - 2 锅炉结构示意图 贵港电厂一期工程2 x 6 0 0 m w 锅炉是引进a l s t o m 美国公司超临界锅炉技术 9 华北电力大学硕士学位论文 的基础上，由上海锅炉厂有限公司设计制造的。它是超临界螺旋管圈直流炉，单炉 膛，一次中间再热，四角切圆燃烧方式，平衡通风，万型露天布置，固态排渣，全 钢架悬吊结构。锅炉出口蒸汽参数为2 5 4 m p a 5 7 1 ( 2 5 6 9 ( 2 。锅炉最大连续蒸发量 为1 7 8 5 t h 。沿烟气流程依次布置有分隔屏过热器，后屏过热器，末级再热器，末级 过热器，低温过热器，省煤器和三分仓回转式空气预热器。锅炉的结构见图2 2 。 表2 - 1 锅炉设计参数 项目单位b r l7 5 t h a 5 0 t h a 过热蒸汽流量t h1 7 8 51 2 2 27 9 9 过热蒸汽出口压力 m p a2 5 2 42 4 6 51 6 7 6 过热蒸汽出口温度 5 7 l5 7 15 7 l 再热蒸汽流量 t h1 4 8 41 0 3 86 9 3 再热蒸汽进口压力m p a4 1 l2 8 71 9 再热蒸汽出口压力 m p a3 9 42 7 31 8 再热蒸汽进u 温度 3 0 62 7 62 8 4 再热蒸汽出口温度5 6 95 6 95 6 9 给水温度 2 7 82 5 52 3 2 表2 - 2 燃料分析 序号项目符号单位设计煤种校核煤种 工业分析 l 低位发热量 l h v r o k g 2 1 9 8 12 0 5 8 l 2 干燥无灰基挥发份v d i f 2 4 82 1 3全水分 m t 9 99 5 4 空气干燥基水分 m 一 2 11 9 5 灰份 2 3 72 8 7 2 元素分析 6 碳c l 5 7 55 1 8 2 7氢 h h 3 1 l3 5 9 8 氮 n u 0 9 91 0 i 9氧 o 2 7 82 5 1 0 硫 s h 22 8 6 2 5 模型构筑 t 2 5 1 系统的模型 电站燃煤锅炉的工作过程可以简单地描述为，燃料在炉膛内进行燃烧产生高温 烟气，燃料燃烧释放的热量通过烟气传递给工质，另外还要对炉内燃烧产生的灰渣 进行分离。因此，锅炉模拟的主体可分为燃烧系统和换热系统两个部分。在模拟中 1 0 华北电力大学硕士学位论文 用到的主要反应器模块有：r y i e l d 、r g i b b s 等。表2 3 y u 出了它们所需要的输入变量 和应用范围。除了这两个模块外，在模拟中还用到t s s p l i t 、h e a t x 等模块。s s p l i t 模块是将每个入口子物流分成多个规定的出口物流的模块，h e a t x 是模拟两个物流 之间换热的模块。 表2 - 3 用到的反应器模型 反应器模块 输入变量应用范围 对已知反应产物的分布比例、未知反应 动力学模型的化学反应器进行计算，根 r y i e l d 题力、温度、产率函数 据用户设定的化学反应当量来计算各 种反应产物的流量。 用以模拟计算单相化学甲衡或对并行 的多组分进行相平衡和化学平衡计算， 压力、温度或压力、热 对应着当反应平衡时系统的自由能量 r g i b b s 最小来进行反应计算。不需要规定反应 量 的化学计量系数。特别是对于多股流体 项的情况，可以在未知反应式的情况下 确定相、f 衡。 2 5 1 1 燃烧系统 使用单元操作模型r g i b b s 来模拟煤的燃烧过程。r g i b b s 模块使用均相的g i b b s 一 自由能最小去计算平衡。a s p e np l u s 不能处理非常规固体的相平衡和化学平衡计算， 如煤、纸桨等。这就给煤燃烧的模拟带来了难度。必须先把煤分解为具有相同质量 和热量的碳氢或其它化合物、纯净元素以及灰组成的常规物流混合物，其中灰被处 理为具有特定特性的纯元素。这里使用r y i e l d 模块对f c o a l 进行分解，分解时 产生的反应热q d e c o m p 通过热量流与r g i b b s 模块连接，以保证系统的热量平衡。 锅炉的散热用q l o s t 热量流来表示。使用s s p l i t 分流器( s e p a r a t e ) 来模拟锅 炉的排渣过程，渣a s h 排出系统，烟气( f u l e g a s ) 进入下面的流程。 为了考虑未燃烬碳的损失，有的学者1 6 5 j 定义了三种非常规固体：c o a l ( 煤) 、a s h ( 灰分) 和u b c ( 未燃烬碳) ，并在分解模块中考虑碳的不完全转化。从流程的过 程上来分析，这部分碳并不是没有在分解模块中分解，而是在燃烧过程中没有参与 反应，所以这样处理可能有些不妥。另外，如果这部分碳在分解模块中不转化的话， 也会影响到分解过程中q d e c o m p 的热量平衡。本文采用的方法是在r g i b b s 模 块中设定未反应碳的份额。这样更接近实际过程。 华北电力大学硕士学位论文 - 压亘垂亟丑- ： ：l r 一固一与 图2 - 3 燃烧模块 2 5 1 2 换热系统 锅炉的换热系统流程框图见图2 4 。换热系统包括水冷壁、分隔屏过热器、后 屏过热器、末级再热器、末级过热器、低温再热器、省煤器和空气预热器。 给水 低温再热器 入口工质 图2 - 4 换热系统流程框图 用可以模拟两股物流的h e a t x 模块对这些换热器进行模拟。模拟流程如图2 5 所示。 各物流的流程说明如下。 给水( t o w a t e r ) 进入省煤器( e c o n o m ) 吸热后送入水冷壁( 心) ，在 水冷壁出口成为蒸汽( s t e a m l ) 经分隔屏过热器( d i v i d s h ) 、后屏过热器 ( b a c k d s h ) 、末级过热器( h s h ) 后成为过热蒸汽( o u t s h ) 送出系统。 汽轮机高压缸排汽( i n r h ) 送入低温再热器( l r h ) ，经末级再热器( h r h ) 1 2 质组分包括常规组分( c o n v ) 、非常规组分( n c ) 和固体组分( s o l i d ) 。燃煤电站 用的燃料煤是多种物质和组成的复杂混合物，而且不同煤种的组分也有比较大 的差异，另外煤中所含的灰分也不具有固定统一的物理特性，所以采用非常规组分 ( n c ) 来表征这两种物质。系统模型所用到的其余物质均由常规组分( c o n y ) 来 表征。由于a s p e np l u s 物性数据库中没有非常规组分的物性参数，所以需要设置煤 和灰分的物性计算方法( 计算组分焓和密度的方法) 。系统提供了一些典型的经验 公式和算法，这里采用h c o a l g e n 和d c o a l i g t 分别计算焓和密度。 2 5 3 物性方法选择 物性方法就是一批方法和模型，a s p e np l u s 用它们计算热力学性质和传递性质。 热力学性质指：焓、熵、逸度系数、体积、吉布斯自由能。 传递性质指：粘度、热导率、表面张力、扩散系数。 1 3 二 华北电力入学硕士学位论文 必须选择一个或多个物性方法做流程中特殊系统物性的模型。所有的单元操作 模型都需要性质计算而生成结果。对于一个应用而言，选择正确的物性方法对于确 保模拟成功是很重要的。a s p e np l u s 内置的物性方法主要有两大类，一是状态方程 法，二是活度系数法。所模拟的系统含极性物质的就是极性物系，反之为非极性物 系。原则上讲，极性物系用活度系数法，非极性物系用状态方程法。 对于发电中的燃烧系统，a s p e np l u s 推荐的是r k s b m 和p r b m 两种物性方 法。 r k s b m 物性方法采用带有b o s t o n m a t h i a sq 函数r e d l i c h k w o n g s o a v e ( r k s ) 立方状态方程计算所有热力学性质。p r b m 性质方法采用带有b o s t o n m a t h i a s a 函数的p e n gr o b i n s o n 立方状态方程计算所有热力学性质。这两种物性方法相差无 几，被推荐用于气体加工、炼油和化工方面的应用。 蒸汽循环则推荐的是s t e a m n b s 和s t e a m 。t a 的物性方法。 s t e a m n b s 使用1 9 8 4n b s n r c 蒸汽表关联式计算热力学性质，使用水蒸汽 国际协会( i a p s ) 关联式计算传递性质。s t e a m t a 使用19 6 7a s m e 蒸汽表关联式 来计算热力学性质，使用水蒸汽国际协会( i a p s ) 关联式来计算传递性质。 本文选用p r b m 和s t e a m t a 的组合。 2 5 4 输入参数设置 在a s p e np l u s 开始运行之前，需要完成组分数据、物流数据以及一些物性数据 的输入。 2 5 4 1 煤组分的输入 煤是非常规组分，对于非常规组分a s p e np l u s 要求定义它的组分组， p r o x a n a l u l t a n a l s u l f a n a l ，即工业分析、元素分析和硫分析，如图2 5 中所示的即为工业分析组分输入页面。需要说明的是，这里要求输入的是煤在干燥 基下的组分数据，而通常锅炉设计说明书中给出的是收到基时煤的成分分析。煤的 各种基准成分之间，可以互相换算。由一种基质成分换算成另一种基准成分时，只 要乘以一个换算系数即可。可以由下式表示： 式中： y = k x o k = ! q q 1 0 0 一m f 1 4 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 卜要求的基准： 杨一已知的基准； 肛一换算系数； 尥，收到基水分含量。 ， s p e c i f i c a t i o n s l f l a s ho p t i o n s l , p s d ，c o m p o n e n ta m ie oo p t i o n sl s u b s t r e a mn a m e ：衙面面习 c o m p o n e n ti d ： a t t r i b u t ei d ： ，c o a l - j e l e m e n tv a l u e ，p r o x a n a l vi m o i s t u r e9 9 。_-i f c5 5 3 5 州1 8 2 7 a s h2 g 3 8 图2 5p r o x a n a l 组分组定义 矗! a s p e np l u s 在运行过程中要求得到煤的燃烧焓数据，这个数据可以由a s p e n p l u s 根据煤的已输入组分组数据来计算，也可以选择由用户手动输入。由于锅炉设 计说明书中给出了煤的发热量，而这一发热量一般是经过专门试验得到的，比较准”，。 确，所以在这里选择由用户输入，而不推荐让a s p e np l u s 去计算。a s p e np l u s 中煤 的燃烧焓需要用干燥无矿物质基高位发热量来表示。， 本文采用简化的方法进行换算。 肼= 删矿而丽1 0 0 m m = 1 1 3 x 如+ 0 4 7 x s p + c a t h h v = l h v + 2 5 1 2 x ( g x h = + m 。r ) 式中： h h v d m m f 干燥无矿物质基高位发热量k j k g m m 收到基矿物质含量 a 口，收到基灰分含量 品硫化铁含量 c o 收到基氯含量 日妒一收到基低位发热量k j k g 玩，一收到基氢含量 1 5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 5 4 2 风量计算 系统所需的风量根据锅炉设计说明书给定的过量空气系数和模型中确定的燃 l 料量进行计算。计算过程如下： y o = o 0 8 8 9 x q + o 2 6 5 x h a , + o 0 3 3 3 x g 0 一q r ) v = 口v o m = p v m o 式中： 一理论空气量n m 3 堙 卜实际空气量 n m 3 七g 口过量空气系数 尸空气密度 1 2 9 3 k g n m ， 坛口口厂燃煤量k g h r ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 5 4 3 模型输入值设定 从锅炉设计说明书中可以得到模型所需的主要参数，见表2 - 4 。对换热器模块， 为保证出口工质温度和计算需要，必须设置出口工质参数或者热负荷，模型选取换 热器出口工质温度作为模块参数。 表2 4 模型参数设定 环境温度2 5 ，压力1 0 1 3 3 0 p a b r l 工况下，氧气5 0 5 4 2 7 4 k g h r ，氮气1 6 6 3 6 9 8 6 k g h r 空气 水蒸汽2 1 6 9 1 2 6 k g h r 给水温度2 7 8 c ，流量17 8 5 0 0 0 k g h r 主汽温度5 7 1 ，压力2 5 2 4 m p a ，流量17 8 5 0 0 0 k g h r 再热汽温度5 6 9 1 2 ，压力3 9 4 m p a ，流量1 4 8 4 0 0 0 k g h r 燃料量 2 3 6 5 5 0 k g h r 1 2 5 5 模拟结果 在模拟过程中忽略了炉膛内复杂的风粉混合过程和流场、温度场所造成的不均 匀现象，并假设反应达到了平衡。为了对流程进行必要地简化，模拟时还省略了一 1 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 5 工质计算结果对照表 b r l7 5 t h a5 0 t h a 项目 设计值计算值 设计值计算值设计值计算值 分隔屏进口4 3 34