[發明專利]基于流程模擬的鍋爐設計計算方法

在審

• 申請號: 202111041374.4
• 申請日: 2021-09-06
• 公開（公告）號: CN113868787A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 劉澤鋮;鐘文琪;邵應娟;劉雪嬌
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;G06F119/14;G06F113/14;G06F113/08;G06F119/08
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 郝雅潔

本發明涉及一種基于流程模擬的鍋爐設計計算方法，在鍋爐設計計算過程中加入過程模擬環節，利用詳細的燃燒和換熱過程模擬，精確計算爐膛內的燃燒過程和熱量分布及與各級受熱面的換熱量，以此為基礎進行鍋爐設計計算。通過精確的燃燒過程模擬，獲得爐內各區域詳細的熱量分布、煙氣的成分及污染物排放水平、煙氣側和工質側詳細的沿程參數和物性參數，最終獲得基于熱量、傳熱溫差、物性參數等的各受熱面的面積；并且在模擬過程中，針對污染物排放水平、燃燒效率、鍋爐的熱效率和效率等進行經濟環境效益指標評估和優化設計。

技術領域

本發明涉及鍋爐設計技術領域，尤其是一種基于流程模擬的鍋爐設計計算方法。

背景技術

大型鍋爐在火力發電及工業生產中有著廣泛的應用，針對不同煤種或其他固體燃料以及不同循環工質的設計計算是鍋爐設計、制造、運行的基礎。一直以來，鍋爐設計計算的爐內燃燒熱量分配或燃燒份額和一些關鍵傳熱參數都依靠長期的實踐經驗確定。然而在不斷探索高效清潔鍋爐裝置來提高效率的過程中，具有新型結構或新型動力循環的鍋爐設計計算面臨著很多重大的問題。其中就有因為鍋爐的結構、工質類型及工質的吸熱條件、受熱面布置發生巨大變化而不再能夠根據經驗確定爐內的燃燒熱量分布及關鍵傳熱參數。此外，隨著當前對能源高效、清潔、低污染的利用的要求越來越高，需要在鍋爐設計之初就進行根本性的充分考慮。

以新型的超臨界二氧化碳循環燃煤發電鍋爐為例，超臨界CO₂為工質的布雷頓循環替代傳統的蒸汽朗肯循環用于熱力發電，具有發電效率高、設備尺寸小、負荷調節靈活等諸多潛在優點，是當前的研究熱點之一。但由于CO₂在超臨界狀態進入鍋爐時的溫度達到400℃以上，較傳統的蒸汽循環的給水溫度高約200℃，而在鍋爐的溫升較小，工質流量大。這與傳統的蒸汽朗肯循環鍋爐有著較大的差異。以往蒸汽循環鍋爐的設計方法中用到的爐膛的熱量分布來自于長期的實踐經驗，這種基于經驗的設計選取在新型的超臨界CO₂鍋爐設計計算中無法適用。超臨界CO₂循環的新型鍋爐的設計計算，沒有任何實踐經驗可以直接參考，需要一種可以精確計算燃燒與工質吸熱條件的鍋爐設計計算方法。同時，現有鍋爐設計計算傳熱系數等參數也是經驗獲得，無法充分靈活考慮當前具有新型結構或新型動力系統鍋爐中實際的氣固燃燒動力特性及工質傳熱特性，精確選擇。此外，傳統的鍋爐設計計算不涉及詳細的污染物排放等經濟環境效益評估。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供一種基于流程模擬的鍋爐設計計算方法，目的是避免熱量分布依賴經驗值進行人工假定，從而解決對在鍋爐結構和工質的物性及吸熱條件和傳統鍋爐相比發生巨大變化時，經驗值不能完全適用于新型鍋爐設計的問題。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于流程模擬的鍋爐設計計算方法，包括如下步驟：

S1、初步設計：選定鍋爐設計參數，建立鍋爐燃燒熱平衡，確定燃料量和總風量，并對爐膛結構和尺寸進行預估；

S2、建立流程模擬，基于模擬結果開展鍋爐設計計算：

S21、構建模塊化燃燒模擬模型：將爐膛劃分為多個區域，每個區域對應一個反應器，各反應器沿煙氣走向串聯連接，利用各反應器模擬燃料干燥、裂解和揮發析出以及焦炭在爐膛內的燃燒過程，進而得到每個區域的爐膛燃燒過程及熱量釋放；

S22、建立爐膛燃燒與工質吸熱之間的熱量傳遞關系；

S23、通過流程模擬獲得爐膛各區域的熱量分布、煙氣成分及物性、各級受熱面煙氣側和工質側的沿程參數、工質在各級受熱面的吸熱量和進出口狀態、各級受熱面的具體換熱量以及爐膛出口的排放情況；

S24、根據煙氣側熱量梯級利用和排煙溫度確定各級受熱面的布置順序；