（控制理论与控制工程专业论文）锅炉燃烧的在线智能监测与优化研究.pdf

摘要 摘要 四角切圆煤粉锅炉是电厂的重要设备之一。为有效提升火力发电 厂锅炉的安全性及经济性，必须深入详细地研究炉膛内煤粉的燃烧过 程及其产生的温度场、速度场等。影响炉内燃烧的因素较多，且能引 发诸多问题，如锅炉效率低下、安全周期缩短、事故频繁等不良影响。 现有的试验监测方法高成本低成效。因此，需要对锅炉各种工况和方 案进行相关数值模拟计算和在线监测。 本文以省热电厂一台6 7 0 t h 四角切圆煤粉炉为研究对象，用 d e l p h i 语言结合计算流体力学和数据采集模块接口技术开发出一套锅 炉燃烧在线智能监测系统。由主控系统和运算系统两个部分组成。主 控系统采用w i n d o w s p i 接口技术，对运算程序进行控制。采用目前 国际上较为先进的数值技术作为核心运算程序，并利用接口技术实现 数据的采集和交换。该系统是微电子技术，计算机技术和自动测试技 术的有机结合。精确地模拟炉内所产生的速度场、温度场和压力场以 及各种组分的分布和污染物的产生等。 经过现场进行调试和安装，采集大量试验数据进行综合分析。该 在线监测系统可使电厂随时监测锅炉燃烧情况，并在线给出燃烧效果， 不仅可指导技术人员调整机组运行，随时了解机组设备的运行情况， 而且增加了机组的自动化水平，同时增强了机组运行安全性，节能降 耗。 关键词：数值模拟：燃烧：智能监测 东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ef o u r s q u a r ec o n t a c tc i r c l ea n db o i l e ri so n eo ft h ei m p o r t e re q u i p m e n t si n p o w e rp l a n t t oi m p r o v ei t ss e c u r i t ya n de c o n o m y , t h ei n n e rc o m b u s t i o np r o c e s sa n di t s t e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l de r e m u s tb ed e e p l ys t u d i e dd e t a i l e d m a n yf a c t o r st h o s e a f f e c t i n gt h e m ，i n i t i a t eal o to fp r o b l e m s ，s u c ha sl o wb o i l e re f f i c i e n c y , s h o r ts a f e p e r i o d i c i t y , a c c i d e n tf r e q u e n t l ya n d s of o r t hu n e x p e c t e dh a r m f u le f f e c t s t h ec u r r e n t e x p e r i m e n tm o n i t o r sa l eh i g hw i t hl o we f f e c t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a l - yt h a tt h ev a d o u s w o r k i n gc o n d i t i o na n ds c h e m es h o u i db ec a r r i e do u tt h er e l e v a n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o m p u t a t i o no nt h eb o i l e ra n dm o m t o r e do i ll i n e t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e rw i t hs o - a n d - s oh e a t i n ga n dp o w e r p l a n t , t h ef o u r s q u a r e c o n t a c tc i r c l ea n dc o a lp o w d e rb o i l e ri n6 7 0 t hi sa no b j e c to fs t u d yc o m b i n ew i t hc f d a n ds o f t w a r en a m e dd e l p mt h a tf a c e st oo b j e c t , g e a r e dt ot h en e e d so fp r o g r a m m i n g s o f t w a r ea n dd a t ac o l l e c tm o d u l ei n t e r f a c et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p i n go u ti n t e l l i g e n c e m o n i t o rs y s t e mo p e r a t i o np l a t f o r m i ti sc o m p o s e do ft w op a r t sm a s t e rc o n t r o ls y s t e m a n da r i t h m e t i cs y s t e m m a s t e rc o n t r o l s y s t e ma d o p t e dw m d o w sa p ii n t e r f a c e t e c h n o l o g y , c o n t r o l s t h e o p e r a t i o np r o g r e s s w i t hn o w a d a y sn a t i o n a lu p p e r c o m p a r a t i v e l ya d v a n c e dn u m e r i c a lt e c h n o l o g yt ob ec e n t e ra r i t h m e t i cp r o c e d u r e , m a k e s u s eo ft h ei n t e r f a c et e c h n o l o g yt or e a l i z et h ed a t aa c q u i s i t i o na n de x c h a n g e i ti s c o m b i n e dw i l l lm i c r o e l e c t r o n i e st e c h n o l o g y , c o m p u t e ra r ta n da u t o m a t i o nm e a s u r e m e n t a n dd a t ap r o c e s s i n g t h ei n n e rc o m b u s t i o np r o d u c e dv e l o c i t yf i e l d , t e m p e r a t u r ef i e l d , p r e s s u r ef i e l d , t h ed i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tc o m p o n e n t s , a n dt h ep o l l u t e dc r e a t i o ni s s i m u l a t e da c c u r a t e l y b yi n s t a l l a t i o na n dt e s t i n gi nt h ep o w e r # a n t , c o l l e c t i n ga b u n d a n td a t ac a r r i e so u t c o m p r e s s i v ea n a l y s i s i th a sa n a l y z e db o i l e ri n n e rc o m b u s t i o nc o n d i t i o ns y s t e m a t i c a l l y , g i v e nc o m b u s t i o nr e s u l t so nl i n e , a n dg 注d e dt h er u n n i n go ft h ef f t a t i o ue c o n o m i c a l l y ， a d d i n gt h ea u t o m a t i o nl e v e l , i m p r o v i n gt h es a f e t yo ft h eu n i t 删yw i t hm d u c i n g r u n n i n gc o s t k e y w o r d s ：c o m b u s t i o nb o i l e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n t e l l i g e n c e m o u i t o r i i - 拉丁字母符号 t u 。 矿 v z k 主要符号 致垢物质的浓度，k g m 3 定压比热容，j ( k g k ) 管外径，m 管内径，m 槽深，m 流体的容积流量，m 对流换热表面传热系数，w ( m 2 k ) 总传热系数，w ( m 2 k ) 长度，n o t 努塞尔( n u s s e l t ) 数 p r a n d t l 数 热流量，w 体积流量，i n 3 s 热流密度，w m 2 雷诺数 污垢沉积层热阻，m 2 k w 半径，m 流体温度，k 流体入口温度，k 流体出口温度，k 污垢与流体间的界面温度，k 水浴温度，k 污垢沉积层与管壁界面温度，k 时间，s 湍流火焰传播速度，m s 水箱容积，m 3 流体速度，m s 代表元素k 的元素质量分数 西d d p g矗七，胁肼9 g g胎髟，r乃n 东北电力大学硕十学位论文 希腊字母符号 卸。、卸：污垢层厚度变化前后的流动压降 艿厚度，n l 占，污垢层厚度，i n y运动粘度，m 2 s 五 导热系数，w ( m k 1 知沉积层的导热系数，w ( m k ) 7 阻垢率；剥蚀效率 p 密度，k g m 3 几 冷却水密度，k g m 3 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研 究成果。文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。 论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取碍学位给学校造成的名 誉损害，进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： ，一r 元7 虱 日期：一o , e o7 , 二l 月旦日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属东北电力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅 以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直 接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：! 查! 三i 日期：显年兰一月旦日 导师签名：琴芬l 扯日期：互垒芎l 年三月旦日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 煤炭是当今世界上已经探明的储量最大的化石燃料资源，占化石 燃料总储量的7 0 左右。在能源领域中煤炭占据着非常重要的地位，它 是一次能源的重要组成部分，控制着能源经济的主要命脉。在未来 相当长的时间内煤炭在能源领域中的地位都不会改变，在应用于电力 工业的能源资源中，煤炭在2 0 1 0 年以前都将占到3 5 左右，虽然新能 源会逐渐兴起，但是直到2 0 2 5 年，煤炭仍将占据3 1 左右的份额。中 国是煤炭生产和消费大国，目前煤炭提供了我国一次能源的7 5 左右， 这一国情决定了燃煤火力发电在我国电力工业中的主导地位。1 9 9 3 年， 燃煤机组占总装机容量的7 0 以上，到2 0 3 0 年，煤电机组的比重仍将 高达6 0 以上。 电力企业作为国家的主要能源部门之一，支撑着国民经济的命脉， 而火力发电又是电厂中不可替代的重要部分，锅炉的稳定燃烧在火力 发电厂中占据着非常重要的地位。煤粉锅炉是火力发电厂的重要设备 之一，它的经济性和安全性对生产十分重要。但是在电厂中由于炉内 结渣、积灰而使锅炉效率降低；由于过热器、再热器过热而引起超温 爆管等这些都将影响锅炉的经济性和安全性。科学分析其产生的原因， 从而加以防护，则必须深入详细地研究炉膛内煤粉的燃烧过程及其产 生的温度场、速度场等。另一方面由于市场因素、经济因素的影响， 入炉煤质常常发生变化，当煤质与锅炉未实现最佳耦合时，会引发诸 多问题，入口着火不稳、蒸汽温度达不到额定值、锅炉效率低下、安 全周期缩短、事故频繁等不良影响；同时，由于锅炉负荷变化幅度的 增大，对燃烧的适应性要求也越来越宽”1 。随着中国电力建设规模的 不断扩大和机组容量的增大，对电力设备尤其是锅炉的安全性与稳定 性也提出了巨大的挑战”1 。从1 9 5 6 年4 月国内第一台6 m w 火电机组投 东北电力大学硕十学位论文 产发电以来，国内发电设备不断加入电力工业行列，发电设备品种不 断增加，发电机组容量不断扩大。现在，3 0 0 m w 及以上机组已经成为运 行中的主力机组，单机容量为6 0 0 m w 和8 0 0 m w 的发电机组已经相继并 网发电。锅炉的安全运行并实施必要的监测和分析是当前和今后一个 时期仍将是技术人员所关注的焦点之一。 锅炉炉膛内的过程非常复杂，在其内部同时进行着流动、混合、 燃烧和传热等过程，而且这些过程相互作用、相互影响。通过热态试 验获得数据，不仅耗费大量的人力、物力，而且得到数据很少。受测 试手段和测试条件的限制，有些数据难以取得，有些试验甚至无法进 行，因此不能全面反映炉内的真实情况。随着计算机技术的应用和发 展，计算机模拟技术得到了飞速的发展。以计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s 简称c f d ) 为基础的数值模拟日 益成为能源动力领域的研究者们用来研究炉内过程的重要手段“1 。数 值模拟方法根据炉内湍流流动、传热传质和燃料燃烧的基本理论建立 数学模型，得到温度场、各气相组分的浓度分布以及颗粒的运动轨迹 等。数值模拟方法速度快，获得的信息量大，能全面预报炉内的流动、 传热和燃烧过程，从而为锅炉的设计、运行和改造提供参考依据，具 有重要的工程应用价值和广泛的应用前景。 1 2数值模拟技术发展概况及趋势 1 2 ，1国外发展概况 计算机问世以前，虽然有些先驱者探讨过用数值方法求解流动问 题，但只能在研究方法上做出有意义的研究成果哺1 。例如r i c h a r d s o n 在上个世纪初提出了解拉普拉斯方程的点叠代格式，此外他将“推进” 的问题和必须用“松弛”格式来解决问题区别开来，提出了解l a p l a c e 方程的松弛技术；随后又有l i e b m a n n ，s o u t h w e l l 等改进了松弛格式 使松弛法在4 0 5 0 年代被广泛应用于求解流体和固体力学问题。 c o u r a n t ，f r i e d r i c h s 和l e w y 针对线性方程的初值问题，首先将偏微 第l 章绪论 分方程离散化，然后证明了离散系统收敛到连续系统，最后用代数方 法确定了差分解的存在。 1 9 6 6 年，t h o m a n 和s z e w c z y k 对平流项用上风差分，同时细致地 处理了边界条件，得到了看来是无限制的计算稳定性哺。尽管只有一 阶精度，但他们的计算与实验值很相符。 1 9 7 0 年，m u r m a n n 和c o l e 提出了解决小扰动速势方程的型相关方 法”。即在亚声速区用中心差分格式，在局部超声区用一侧差分格式 来建立跨声速流中混合型的差分方程，再用线松弛法求解此方程，数 值模拟了带激波的跨声速绕流流场。6 i b s on 和m o r g a n 首先发表了对 煤粉燃烧过程数值模拟研究的结果。 1 9 7 2 年，s p a l d i n g 首先在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值 解，并在继承前人研究成果的基础上创立了“湍流模型方法”，提出了 一系列的湍流和湍流燃烧模型口1 。 1 9 7 4 年，t h o m p s o n 等提出采用求椭圆型方程方法生成帖体网格， 在网格生成技术的发展上起到了开创作用阳1 。 1 9 7 6 年，w u 和f r i c k e r 分别用区域法和热流法对圆筒形燃烧室内 辐射传热进行了计算，计算所得的燃烧室水冷壁壁面吸收热流值与 s e l c u k 等实验结果进行了对比，发现两种方法所得的计算结果与实验 结果定性上符合的很好，定量上区域法优于热流法呻1 。 1 9 8 9 年，g i l i s 对冷态模型锅炉进行了模拟，并与实测的结果进 行了对比“”。该文探讨了如何防止伪扩散的方法，提出了一种“节点 迎风格式”法。 1 9 9 0 年，c a n a d e s 等，对炉内辐射传热进行了模拟，并得到了较 好的方针结果1 。 1 9 9 1 年，r cl a f l e s h 等在应用再燃烧技术控制n o x 的生成方面 进行了研究“”。 1 9 9 4 年，w a l s h 分别对燃烧不同种类的煤时，n o x 的生成特性、未 燃尽碳热损失、碳的异性反应、煤粉炉的稳燃、炉内流动燃烧传热过 程进行了研究1 。 东北电力大学硕士学位论文 1 9 9 5 年，f e n i m o r e 等分别对低的n o x 燃烧炉、墙式燃烧如何减少 结渣、二次风对于n o x 生成的影响进行了研究“。 1 9 9 6 年，s a t o 分别对考虑颗粒湍流耗散炉内过程一维模拟、n o x 的生成机理进行了研究“”。 1 9 9 8 年，英国帝国理工学院l o c k w o r d 等人对四角切向米粉锅炉内 的三维两项流动、传热与燃烧过程进行了模拟“”。 2 0 0 1 年荷兰d r v a nd e rh e u l 基于复氏交换，定性分析了可压缩 气流在数值模拟中的偏析解“”。 2 0 0 2 年，m e l is s ae i c h n e r ，r o b e r tg e m m e r 等在美国能源局国家 工业试验室的工作报告中，以c f d 技术模拟了物理变化和化学反应设 计增强型燃烧器“。 2 0 0 3 年丹麦的巴布科克及威尔科克斯锅炉采用了c f d 数值模拟改 进了废气的利用，提升了锅炉效率“”。 1 2 2 我国的发展现状 我国的计算流体力学研究发展相对较晚，从上个世纪九十年代开 始对于切向燃烧煤粉锅炉炉膛内的流动与传热问题，国内外己有不少 研究者用数值模拟的方法进行了研究。 1 9 9 4 年，华北电力大学的王雅琴、孙绍星等致力于燃烧过程数值 计算方法的研究昭“。已将流动、传热和煤粉燃烧三个模型综合在一起 开发了通用的计算软件，进行流动、燃烧和传热过程的三维全模拟， 可预报炉内速度场、温度场、热流分布和各种成份的浓度分布。 1 9 9 4 年，华中科技大学周向阳、郑楚光等介绍了大型炉膛燃烧过 程完整的三维湍流、燃烧和热传递数值计算模型，并计算了气体流动、 组分浓度和温度、颗粒轨迹及燃烧、壁面辐射热流仲“。 1 9 9 9 年，钟北京教授研究了不同的气体再燃时，再燃区燃烧工况 对再燃过程中n o x 还原率的影响。计算发现，当再燃区的空气过量系 数小于0 7 时，可以达到较好的再燃效果”。 2 0 0 1 年清华大学的李力对四角喷燃炉炉内三维两相流动和煤粉燃 第1 章绪论 烧进行了数值模拟”。分别给出了两相时均和脉动速度场，颗粒浓度 场，气相组分浓度场，气相温度场及避免热流等详细信息，其中气固 流动采用双流体轨道模型，湍流用两相湍流模型模拟，炉内辐射换热 采用离散坐标法，气相燃烧采用漩涡破碎模型。 2 0 0 2 年，同济大学张毅动等对w n s 型燃油( 气) 锅炉炉内热流分布 及温度分布进行了数值模拟“”。比较了燃油和燃气两种状况下的炉内 流动、传热和传质等情况。 2 0 0 3 年，浙江大学的李戈、岑可法等利用f l u e n t 软件对2 0 0 m w 切向燃烧锅炉炉内燃烧流动进行了三维数值模拟”。计算了炉内流场、 温度场、组分场及炉内污染物n o ，的排放。 2 0 0 4 年，李芳芹采用c f d 软件对燃煤锅炉炉内氮氧化物生成进行 数值计算，研究了炉内温度场、氧浓度场以及氮氧化物浓度场的分布 特性”。发现三者在炉膛内均呈对称分布，燃烧区域内的温度和氮氧 化物浓度较高而氧浓度较低，燃烧区域上方温度和氮氧化物浓度逐渐 降低而氧浓度逐渐升高。 2 0 0 5 年，西安交通大学张波等人对某电站亚临界直流炉改造前、 后炉内燃烧进行了数值模拟及分析，从燃烧的角度肯定了改造方案的 可行性，同时发现了改造方案存在的不足，提出了改进措施阻”。河北 科技大学翟建华对今后c f d 技术的发展进行了预测，指出，今后c f d 研 究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工 艺软件的匹配连用等方面”。 1 3c f d 软件概述 c f d 软件是计算流体力学软件的简称，是专门用来进行流场分析、 流场计算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可以分析并且显示发生 在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种 参数，达到最佳设计效果”。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地 理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力 和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 东北电力大学硕士学位论文 c f d 软件通常有三种功能，分别着重用于：前端处理、计算和结 果数据生成以及后处理。前端处理通常要生成计算模型所必需的数据， 这过程通常包括建模，数据录入( 或者从c a d 中导入) ，生成网格等； 做完了前处理后，c f d 的核心解释器( s o l v e r ) 将根据具体的模型，完 成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理过程通常是对生成的结 果数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式给出来。 c f d 软件功能强大，应用十分的广泛。在航天航空，环境污染，生 物医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有 越来越多的工程师更倾向于使用该软件来完成自己的设计。 目前国际上比较流行的商用c f d 软件包很多，f 1 u e n t 等商用软件 在美国的市场占有率为6 0 。凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工 业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前 后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机，锅炉设计 等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、 并下分析、喷射控制、环境分析、油气消散聚积、多相流、管道流动 等等。他们软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发， 针对各种复杂流动的物理现象，该软件采用不同的离散格式和数值方 法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳 组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思 想，c f d 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流 体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用 了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在 于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括： ( 1 ) g a m b i t ，专用的c f d 前置处理器，c f d 系列产品皆采用该公司 自行研发的g a m b i t 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有 超强组合建构模型能力之前处理器，然后由c f d 进行求解。也可以用 i c e m 进行前处理，由t e c p l o t 进行后处理。 ( 2 ) 基于非结构化网格的通用c f d 求解器，针对非结构性网格模型 设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的c f d 第1 章绪论 软件。可应用的范围有湍流、热传、化学反应、混合、旋转流( r o t a t i n g f l o w ) 及震波( s h o c k s ) 等1 。在涡轮机及推进系统分析都有相当优 秀的结果，并且对模型的快速建立及s h o c k s 处的格点调适都有相当好 的效果。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟， 出现了基于现有流动理论的商用c f d 软件。商用c f d 软件使许多不擅 长c f d 的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研 究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到 考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界( 初值) 条件 和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用c f d 软件 开发人员和其它专业研究入员各自的智力优势，为解决实际工程问题 开辟了道路。 1 4 在线监测技术的应用与发展 目前，我国锅炉计算机控制技术相对还比较落后。在锅炉的实际 应用中，真正达到高自动化水平的并不多。从上个世纪9 0 年代开始， 一些科研单位和高校先后对锅炉计算机控制进行了探索性工作，如清 华大学以徐向东教授为带头人所进行的锅炉计算机控制系统的研究及 模糊控制在锅炉控制系统中的应用等，取得了较高的学术成果；浙江 大学热能工程研究所在“沸腾炉负荷微机控制”、“电阻炉微机控制装 置”等方面取得了较高成果，可使锅炉运行在较佳的工况范围，至少 提高效率3 - 5 。东北大学在锅炉的计算机控制系统的研发方面也取得 了一定的成就。 随着电力行业的迅猛发展，单元机组的容量和发电功率不断提高， 电站锅炉系统变得越来越复杂，常规运行中涉及到的检测参数就多达 上千个，这样复杂的系统一旦发生故障，要运行人员及时准确的找到 故障点是非常困难的，尤其是现在的锅炉系统多为新颖的集散控制型， 事故的起因和现象往往表现的不那么紧密，无法给出直观的判断，这 就为事故的处理带来困难。由于电站锅炉系统庞大，复杂，现场测量 东北电力大学硕士学位论文 条件差等特性，通常对于炉内燃烧过程的分析往往都是依靠有经验运 行人员的主观定性分析，难以揭示事故内在的本质原因。而另一方面， 实时运行数据库中又存在大量的历史和实时运行数据没有能够得到有 效的利用，因此要充分利用这些运行数据建立炉内燃烧在线诊断模型。 而另一方面随着能源和环境两方面的要求，如何在提高电站锅炉的燃 烧效率，降低煤耗，提高经济性的同时减少污染物的排放指数等问题 成为热工领域专家的研究热点，为了解决这些问题，满足电站锅炉实 时燃烧诊断的需求，智能监测技术得到了越来越广泛的应用。 1 9 9 6 年，吕震中等研究了专家系统在电站锅炉燃烧安全保护系统 中的应用。”。提出了专家经验性知识与机理性领域知识结合适用的系 统结构和方法，设计了锅炉主燃料跳闸保护专家监控系统。 1 9 9 7 年，李雪亮等开发了电站锅炉燃烧分析专家系统b ”。该系统 通过对锅炉风粉系统的实时在线监测和故障诊断，从而实现监测锅炉 效率和煤耗，有效的保障了锅炉的安全，经济，稳定运行。 1 9 9 7 年，李德英等采用广义故障树分析法，对常见电站锅炉故障 进行分析诊断，描述了系统故障和故障原因的逻辑关系，为锅炉系统 的故障诊断，专家系统应用和故障诊断推理控制奠定了基础口”。同时 他们还搭建了大型电站锅炉远程监测与故障诊断专家系统。 1 9 9 8 年孔鹏，吴占松等建立了电站锅炉在线故障诊断的实时支持 平台，通过组态方式构成电站锅炉的在线故障诊断专家系统，用于实 现对锅炉过热器泄漏和燃烧故障进行实时监测”。 1 9 9 8 年张跃等根据锅炉系统实际运行情况，分析故障诊断的推理 求解过程”。提出了专家系统中基于诊断知识的模糊描述方法，并根 据诊断规则实例，采用模糊推理方法，阐述故障诊断推理过程中正向 推理，逆向推理模糊断言可信度的传递算法。 1 9 9 9 年浙江大学热能工程研究所，阮伟等在国家八五重点攻关项 目的资助下对性能各异的数十种煤的热解，着火，燃烧，结渣等特性 进行了广泛深入的研究，并建立了相应的知识库，通过神经网络等方 法对煤的混合特性进行非线性拟和，从而建立了优化配煤的专家系统 第l 章绪论 【3 6 】 o 2 0 0 2 年，华中科技大学周怀春，对炉膛燃烧温度场进行三维可视 化监测方法模拟研究，对我国先进燃烧过程在线监测技术的研究和开 发提出了新的思路”。 1 5 本论文研究的主要内容 四角切向燃烧煤粉锅炉由于其广泛适用于多种煤种，便于组织燃 烧，射流射程长、后期混合充分等特点，已在我国大型火电站中得到 广泛应用，己成为我国电站锅炉中应用最广最为成熟的燃烧方式。尽 管如此，在实际运行中，四角切向燃烧煤粉锅炉仍然存在许多问题， 这就需要对其燃烧理论和燃烧技术以及炉膛内的行为进行更进一步的 理论和数值研究 “。本论文的主要工作是在计算流体力学( c f d ) 的基 础上提出一种综合燃烧模型，对四角切向锅炉内等温流场，气体组分 等进行精确模拟，开发出一套锅炉燃烧智能在线监测系统，该系统能 为燃烧装置设计和运行性能预测提供可靠的依据，在实际运行中可以 优化运行条件，从而提高锅炉运行的安全性和经济性。对某热电厂一 台6 7 0 h 四角切圆锅炉进行运行在线监测试验研究，并将温度在线监 测结果与试验预测值进行比较以验证数值模拟的准确性。综上，本论 文的主要工作有以下三个方面： 1 将燃烧过程所有相关的物理化学机理的数值模拟综合为一整体 模型，该模型能够充分模拟整个燃烧过程，组成燃烧综合模型，该模 型能够充分描述四角切圆锅炉炉内的流动、传热和燃烧过程。 2 根据前面的燃烧综合模型，通过d e l p h i 7 编程软件编写该系统 的软件部分，开发出一套能够对锅炉温度场、气体组分等进行精确数 值模拟的锅炉燃烧智能在线监测系统。 3 通过对长春热电厂一台6 7 0 t h 四角切圆锅炉进行软件监测运 行试验，对煤粉燃烧过程进行研究，对锅炉内燃烧情况进行在线数值 模拟，并将模拟结果与实验数值进行比较以验证数值模拟的准确性。 东北电力大学硕士学位论文 第2 章在线监测的理论基础及模型算例 2 1 c f d 燃烧模拟方法概要 c f d 可以模拟宽广范围内的燃烧( 反应流) 问题。气相燃烧模型： 一般的有限速率形式( m a g n u s s e n 模型) ，守恒标量的p d f 模型( 单或 二组分混合物分数) ，层流火焰面模型( l a m i n a rf l a m e l e tm o d e l ) ， z i m o n t 模型：离散相模型：煤燃烧与喷雾燃烧：热辐射模 型：d t r m ，p - 1 ，r o s s e l a n d 和d i s c r e t eo r d i n a t e s 模型：污染物模型：n o x 模型，烟模型，本文使用部分模型。在燃烧模拟中的应用可如下图所 刁葛： 第2 章在线监铡的理论摹础及算例 2 2 气相燃烧模型 2 2 1燃烧的化学动力学模拟 实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，燃烧的化 学反应速率是强非线性和强刚性的。通常的化学反应机理包含了几十 种组分和几百个基元反应，而且这些组分之间的反应时间尺度相差很 大( 1 0 1 0 2 秒) ，因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极大， 目前应用尚不现实。 在c f d 中，针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理 手段，以减少计算成本，如下： 1 ，有限速率燃烧模型：预混、部分预混和扩散燃烧。 2 混合物分数方法( 平衡化学的p d f 模型和非平衡化学的层流火 焰面模型) ：扩散燃烧。 3 反应进度方法( z i m o n t 模型) ：预混燃烧。 4 混合物分数和反应进度方法的结合：部分预混燃烧。 2 2 ，2 一般的有限速率模型 1 化学反应过程一般采用总包机理( 即简化化学反应，如单步反 应) 进行描述。 2 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下： 胄 一 云( p y i + v 。( p v y i ) = 形，l + 墨+ s ( 2 1 ) 其中组分j 的反应源项为所有k 个反应中，组分j 的净生成速率： 弓= 如 k ( 2 - 2 ) 式中，反应k 中的组分j 的反应速率可按照a r r h e n i u s 公式、混 合( m i x i n g ) 速率或“e d d yb r e a k u p ”速率的方法求解。在混合 东北电力大学硕士学位论文 ( m i x i n g ) 速率方法中，混合速率和涡的时间尺度有关，其物理意义 为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。了：表达如下： 7 = p d 。+ 静矿y 。 3 ) u o 3 计算所需参数包括：( 1 ) 组分及其热力学参数值；( 2 ) 反应及其 速率常数值。其中，c f d 提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用， 另外也提供了一个化学反应机理以及组分热力学性质的数据库可供查 找选用。 4 有限速率模型的优缺点： 优点：适用于预混、部分预混和扩散燃烧；简单直观 缺点：当混合时间尺度和反应时间尺度相当时( 即d a 1 ) 缺乏真 实性；难以解决化学反应与湍流的耦合问题；难以预测反应的中间组 分；模型常数具有不确定性。 2 2 3 守恒标量的p d f 模型 守恒标量的p d f 模型仅适用于扩散( 非预混) 燃烧问题，该方法 假定了反应是受混合速率所控制，即反应已达到化学平衡状态，每个 单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制。其中 涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理( 利用c f d 的组件程序 p r e p d f ) 。 该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度 场，而不是直接求解组分和能量的输运方程。炉内燃烧过程可视为带 有辐射传热反应流系统，遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守 恒定律。可用数学形式表示为连续方程、动量方程、能量方程。为了 便于求解，需要对上述方程进行雷诺平均，雷诺平均以后的方程称为 平均流控制方程，如下： 第2 审在线瓶测的理论基础及算例 警+ 兰妇，) = 0 ( 2 - 4 ) 西叙。 蚓o t + 毒。瓦) = 考 等一p 叫一罟+ 昭，c z 哪 里幽a t + 专k 驴) = 毒卜善一, o c p 剥u ，t + 印+ & cz 删 p = p 仁) ( 2 7 其中，式( 2 4 ) 是连续方程，式( 2 5 ) 动量方程，式i 2 6 ) 是能量方 程，式( 2 - 7 ) 是状态方程。 混合物分数的定义： ，：垒二墨：! 。 乙，一乙，o ( 2 - 8 ) 其中z t 代表元素k 的元素质量分数，下标f 和0 分别代表燃料 和氧化剂的进1 ：3 值。对于简单的燃料氧化剂体系，每一计算单元内的 混合物分数代表了该单元内的燃料质量分数。由于混合物分数是守恒 标量，因此在求解输运方程时不再考虑反应源项。 图2 2 化学平衡组分在混合物空问的分布 在该方法中，化学反应认为足够快，体系中的组分立刻达到平衡 状态。化学平衡组分在混合物空间的分布可示意如上图2 - 2 所示。 化学反应和湍流之间的相互作用采用几率密度函数( p d f ) 的方法 进行处理： 彤) 矿= 舰；( 2 - s ) 娜 一 酝一希蒲? 柏r x 、vi 扩犷v ri 图2 3 几率密度函数分布图像 上图代表了几率密度函数p ( v ) 的定义，因此混合物分数空间标 量的时均值可由下式计算： i 办= i p ( 厂m ( 门矽 ( 2 - 9 ) i 其中时均标量f 可以是组分浓度、密度或温度。 守恒标量p d f 模型的优缺点： 优点：可以预测中间组分的浓度，可以考虑流动中的耗散现象， 可以考虑化学反应与湍流之间的相互作用。该方法不需求解大量的组 分和能量的输运方程，因而可以缩短计算时间。 缺点：研究的流动体系必须接近于局部化学平衡状态，且不能用 于非湍流流动，同时亦不能处理预混燃烧问题。 第2 章在线髓测的理论基础及算例 2 2 4 湍流模型 四角切圆煤粉锅炉的炉内流动是一个十分复杂的三维湍流流动， 在直角坐标系下，气相的动量守恒方程，质量守恒方程，及k ，f 两个 湍流输运方程，可写成如下的形式： d i v ( p v # ) = 墨+ s ，p + d i v ( 0 9 f a d 力 ( 2 一l o ) 上式中左边一项为对流项，右边第三项为扩散项，右边一、二项 为源项，其中代表通用的气相变量，对于气相流动来说对应速度分量 针对标准五一占模型在强旋流动，大曲率流动中的应用有着自身的 困难，本文应用文献 2 9 中提出的r n gk 一占模型，r n gk 一占模型正是 通过引入尺度叩：些参量，使之可以很好地应用到有强曲率影响的快 速畸变地流动中，可以用来处理各向异性的湍流流动。再者r n gk 一占 模型不仅适用于高r e y n o l d s 数的湍流，对于低r e 数区域，可直接积 分到壁面，而不必像标准k s 模型那样，在近壁点必须采用相应的处 理。以下简要地给出它的表达式： 湍流动能和耗散方程分别为： “茜= g , - 占+ 呲a - - - i 。( + 尝 刳 c z 一 “考喝量最一q 譬+ 毒 ( + 纠考 c z 啦， k = “，“l 2 ， 。 ( 2 1 3 ) 弘当善， 盱c 。专 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 东北电力大学硕十学位论文 g i 一湍流动能产生项 瓯= 2 z ，s ，s p ( 2 1 6 ) 巧平均应变力张量瓯= 三睁刳 共有四个系数：c j ，c 2 ，t r , ，o e 对标准k 一模型 c a = 0 0 9 ，c j = 1 4 7 ，c 2 = 1 9 2 ，听= 1 0 ，= 1 3 对r n g k 一占模型，其系数取值来自重整化群理论。 q = o o s s ，c l 刮m 一号竿名字，q 刮石s ，吼= o 7 钆= o ，- ， 节：坚，s ：( 2 s 一一s ，声：0 0 1 5 ，：4 3 8 2 2 5 部分预混燃烧模型 部分预混燃烧系统是指这样一种预混火焰，其燃料氧化剂之比不 唯一。预混燃烧的反应进度c ，决定了火焰前锋的位置，在火焰前锋的 后面( c = 1 ) ，混合物已燃，使用守恒标量p d f 或层流火焰面模型的解； 在火焰前锋的前面( c = 0 ) ，组分质量分数，温度和密度由混合但未燃 烧混合物分数来计算。在火焰内部( o c 1 ) ，未燃和已燃混合物的线 性结合的方法被使用。 部分预混模型求解平均反应进度c ( 以决定火焰前锋的位置) 、平 均混合物分数厂和混合物分数方差厂的输运方程。在火焰前面( c = 0 ) ，燃料和氧化剂混合但未燃烧，在后面( c = 1 ) ，混合物已燃。 平均标量( 如平均温度、密度和组分质量分数) 可由如下的f 和c 的p d f 来计算： 面= l 烈歹p 酞，c ) d f d c ( 2 - 1 8 ) 第2 章在线骼测的理论筚础及算例 在火焰很薄的假设下，由于存在未燃的反应物和已燃的产物，则 平均标量可如下计算： 矛= ；f 少。( f ) p ( f ) d f + ( 1 一；) f 函。( f ) p ( f ) a f ( 2 - 1 9 ) 2 3 离线详细诊断模型算例 在线监测结合了数值模拟理论，须建立合理的模型，有必要通过 一个算例解释下离线分析的工作原理。影响炉内燃烧的因素较多， 主要有煤质、切圆直径、煤粉细度、煤粉浓度、锅炉负荷，一、二次 风的配合等。本文着重对切圆参数进行数值模拟分析，找出切圆的变 化对燃烧的影响。 2 3 1 计算实例和模型处理 以吉林省某热电厂的h g 一6 7 0 1 4 0 一y m l 4 型超高压大容量四角锅炉 为对象，锅炉尺寸参数及其燃烧器喷口布置如图2 - 4 所示。根据电厂 的锅炉的实际尺寸，建立起立体的空间模型。 图2 4 锅炉尺寸 东北电力大学硕十学位论文 借助c f d 计算软件平台，对锅炉的三个不同工况进行数值模拟， 模拟过程中选用合理的数学物理模型和几何结构模型，并对模型的网 格系统进行改进，减小网格尺寸减少因网格结构造成的伪扩散如图2 - 5 所示。增强了模拟的合理性，最后得出了炉膛内的温度场以及气相浓 度场的分布情况。该结果为了解和掌握四角切向燃烧煤粉锅炉炉内过 程及其规律，提高该锅炉的设计，运行与改造水平提供了参考。燃烧 设备为四角布置，大切角四角切圆，其特点是可改善气流两侧补气条 件。切向燃烧在炉膛内形成假想切圆。切圆的改变将会影响炉膛的燃 烧状况，故而采取了三种不同的切圆进行分析，分别是4 8 度均布，单 角6 0 度，7 0 度三种，如图2 - 6 所示； 煤粉在炉膛内燃烧包括挥发分的释放，焦炭颗粒的燃烧，辐射传 热，颗粒运动和气相流动以及湍流燃烧，涉及流体动力学，传熟传质 及燃烧等多个学科。通过试算比较，本文采用组份燃烧模型，用标准 k - e 紊流模型模拟气相湍流运输，用辐射模型，计算辐射传热，对煤 粉挥发分释放采用双匹配速率模型对气相流场采用非错列网格方法来 求解，对固体颗粒相的求解则采用随机颗粒轨道模型。 图2 - 5 网格图图2 - 6 切圆及角度示意图 2 3 2 仿真试验和数值分析 为了有效的验证切圆对炉内燃烧的影响，根据经验选取其他参数 如合理的煤质，煤粉细度，煤粉浓度，锅炉负荷，一二次风的配合等， 煤质分析结果见表2 1 。其他部分参数如下： r 9 0 = 2 2 ，q = 2 3 3 7 0 k l k g ，一次风速3 0 m s ，二次风速4 0 m s 表2 - i 煤质分析结果