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1、分类号：T P 2 7题r7 9 2 2 1 4单位代码：1 0 0 0 5学号：$2 0 0 2 0 1 0 3 2密级：北京工业大学硕士学位论文英文并列E M U L A T I O NA N DT H EO P T I M I Z E D题目S T R U C T I 爪EF o RF U E L 0 I L0 RF U E L Q S 旦Q!L 垦研究生姓名-_ 一值左至专业：扭撼立造丛墓自麴焦研究方向C A D C A M导师姓名：扬塞遭职称：麴援论文报告提交日期2 Q Q 生5 且学位授予日期授予单位名称和地址韭直至些盘堂j b 立直型田匡垩巫崮1 Q Q 呈一摘要摘要锅炉的设计过
2、程是比较复杂的，许多设计参数的选取不仅需要建立数学模型进行优化处理，而且还要依赖设计经验的积累。手工设计计算难以满足多方案设计优化、缩短锅炉新产品开发以及产品改型设计周期的要求，解决这一问题的途径就是利用日益普及的电子计算机技术来实现锅炉设计计算的微机自动化。另一方面，锅炉为了能达到设计要求的热效率的技术指标，在水管式燃油燃气锅炉的设计过程中，要充粉考虑烟气在流动过程中与管内介质的热交换。不同的锅炉结构设计，不同的锅炉受热面布置，使烟气在流动过程中受到阻力的不同，同时烟气流速、热水锅炉管内介质流速都将发生变化，不同的流速直接影响着锅炉烟气与管内介质的热交换。锅炉的热交换是否充分，锅炉热效率的技
3、术指标是否能满足设计要求都取决于不同的锅炉结构设计。为了能将计算机技术与锅炉设计中热力计算的要求相结合，本文使用了目前通用的热一流体计算机仿真软件A N S Y S，模拟仿真L S S O 7-0 0 5 8 5 6 0 Y(Q)水管式燃油燃气锅炉的烟气流动温度变化场与管内介质流动温度变化场，通过对锅炉结构参数的不同选取，观察与分析热一流体耦合场中的烟气与管内介质的热交换变化情况，我们对锅炉烟气流动与管内介质流动简化后建模，再根据我们在设计校核计算中得到的边界条件，对烟气流动与管内介质的温度场变化分别进行仿真。为了得到我们满意的结构优化结果，我们在满足锅炉设计要求的各项参数情况下，选取不同的锅
4、炉结构参数，进行多次仿真，最后将不同结构参数选取下的仿真结果用图表的方式进行比较，得到最优的结构设计参数，最后我们又通过静态计算校核验证优化后的参数，满足锅炉设计的要求，并通过实地运行试验得到了满意的结果。本文使用的仿真结构优化方法保证了锅炉产品设计的科学性与合理性。通过计算机仿真分析，使自动化设计迅速可靠，可及时调整设计过程中的参数，真下做到不断设计，不断改进，提高了设计速度，缩短了设计开发人员对锅炉新产品的开发周期，增强了企业技术竞争的应变能力。关键字燃油、燃气锅炉：结构优化；模拟仿真北京T 业大学工学硕士学位论文A b s t r a c tT h ed e s i g na b o u
5、 tb o i l e r si sv e r yc o m p l i c a t e d C h o o s i n gp a r a m e t e r st Od e s i g nn e e d sn o to n l yt ob u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e l so p t i m i z e db u ta l s ot Oa c c u m u l a t ee n o u g hd e s i g n i n ge x p e r i e n c e s T h em a n u a ld e s i g ni sd i f f
6、 i c u l tt or e a l i z et h ef o l l o w i n gr e q u i r e s：t h em u l t i v a r i a n td e s i g na n do p t i m i z a t i o n,s h o r t e n i n gp e r i o d i ct i m eo fu p d a t i n gp r o d u c t s T os o l v et h i sp r o b l e m，e l e c t r o n i cc o m p u t e r sa r eu s i n gw i d e l
7、yi nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gb o i l e r,w h i c hr e a l i z ea u t o m a t i cd e s i g n O nt h eo t h e rh a n d，f o ra c h i e v i n gr e q u i r e dh e a te f f i c i e n c y,o fh o tw a t e rb o i l e r,e x c h a n g eo fh e a tb e t w e e nf l o w i n gg a sa n df l o w i n gf l
8、 u i di nt h ep i p es h o u l db ec o n s i d e r e da d e q u a t e l y A sat y p eo fq u a l i f i c a t i o n，H e a te f f i c i e n c y,o fh o tw a t e rb o i l e rw i l lb ea f f e c t e db yt w of a c t o r s：d i f f e r e n ts t r u c t u r a lb o i l e r sd e s i g n e da n dd i f f e r e n
9、 ta r r a n g e m e n to f h o ta r e a I no r d e rt oc o m b i n ee l e c t r o n i cc o m p u t e r sw i t hh e a t i n gc a l c u l a t i o no fb o i l e rA N S Y Ss o f t w a r et h a tC a na n a l y s et h ee x c h a n g eo fh e a ta n df l u i di sa p p l i e dt o(h ep a p e r T e m p e r a t
10、 u r ef i e l do fL S S 0 7 0 0 5 8 5 6 0 一Y(Q)f u e l g a so rf u e l o i lb o i l e r Sg a sa n df l u i di nt h ep i p ei se m u l a t e da n ds i m u l a t e di nt h ep a p e r A c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e
11、l do ff u e l-g a so rf u e l o i lb o i l e r Sg a sa n df l u i di nt h ep i p ei se m u l a t e da n ds i m u l a t e d B ya n a l y z i n gc o m p l e t e l yt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw i l lb ec h o s e I tC a ni n s u r ea l lp a r a m e t e r sa r er e a s o
12、n a b l ea n ds c i e n t i f i ci nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gb o i l e r W i t l lt h er e a l i z a t i o no fe m u l a t i o na n ds i n m l a f i o nb ye l e c t r o n i cc o m p u t e r s，a u t o m a t i cd e s i g nw i l lb eq u i c k l ya n dr e l i a b l e T h ed e s i g ns p e e
13、 dw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l yb ya d j u s t i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gb o i l e r D e s i g na n di m p r o v e m e n tw i l lb er e a l i z e da tt h es a m et i m e T h em e t h o dw i l ls h o r t e np e r i o d i ct i m eo fu p
14、 d a t i n gp r o d u c t sa n dm a k ee n t e r p r i s e s g o o d sm o r ec o m p e t i t i v ei nt h em a r k e t e de c o n o m y K e yw o r d sf u e l o i lo rf u e l，g a sb o i l e r；t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e；e m u l a t ea n ds i m u l a t eI I独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取
15、得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示T i l t 意。签名：尘亟堑置日期：丝：巧关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查I)t 矛1 借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名磁导师虢如丝隰递!万第l 章绪论第1 章绪论1 1
16、课题背景1 1 1 我国燃气资源发展现状我国有十分丰富的天然气资源；天然气预计储量为3 8 万亿m 3。截止1 9 9 6年底，已探明天燃气储量2 4 万亿m 3，资源探明程度6 3 1。在今后的2 0 年至3 0 年内，预计每年探明储量1 0 0 0 亿m 3，我国天然气预计储量占全球天然气预计储量1 0 左右。其次我国有3 0 万亿m 3 至3 5 万亿m 3 的煤层气资源，分布在中部和东部地区。中国国家发展计划委员会能源研究所预测，2 l 世纪的头2 0 年中国天然气和液化气的用量将大幅度增长。我国目前力争在2 0 0 5 年以前把国产天然气的产量提高到3 0 0 亿I l l 3 以上
17、，2 0 1 0 年产量达到6 0 0 亿m 3。煤层气的开发利用已列入中国2 1 世纪议程中的优选项目，国家给予政策支持，扩大开放，吸引国际资金和先进技术投入到煤层气领域，在2 0 1 0 年中国煤层气产量将达到1 0 04 L m3 年【“。我国天然气发展至今已初具规模，随着西气东输等大型项目的完成，我国天然气在民用、工业等领域的使用将会大大增加。2 0 0 3 年我国天然气产量继续保持增长奁势，达3 4 1 2 8 亿立方米，比上年增长6 8，创历史最高纪录，全年平均月产量达2 8 4 4 亿立方米，居第1 8 位。截止2 0 0 3 年年底，中国已经建成原油输送干线I 6 8 力。千米
18、，成品油干线O 2 7 万千米，天然气干线1 6 9 万千米，初步形成了“北油南运”“西油东迸”“西气东输”“海气登陆”的油气输送格局。2 0 0 4年。全球石油价格突飞猛进的形势下，国家正考虑加大对替代能源计划工程的投入，天然气的比重将逐步上升，计划到2 0 0 5 年将天然气占一次能源消费总量比重从目前的2 左右提高到5。在现有6 0 多个己通天然气城市的基础上，计划在2 0 0 5 年通气城市发展到1 4 0 个城市，2 0 1 0 年增加到2 7 0 个城市，全国7 0 的城市将通上天然气。2 0 0 4 年国家出台了有关政策鼓励外商投资天然气工业，在强大的天然气需求面前，天然气工业的
19、发展前景一片看好。可以预见，天然气行业在未来几年无疑会吸引更多的资本进入。北京工业大学工学碗上学位论文1 1 2 燃油燃气锅炉的发展历史燃油燃气锅炉是本世纪中期才出现的，到2 0 世纪7 0 年代末取得了很大发展。燃油最初在锅炉上使用是在2 0 世纪3 0 年代，当时它是作为一种辅助燃料用在链条炉排锅炉上。由于燃烧技术和当时的燃油质量差，所以往往造成燃油在燃烧中突然熄灭的事故发生，因而没有得到真正的使用。2 0 世纪4 0 年代前后，一些西方国家的军方急需大动力的舰艇，商船队也要求增大运载能力，并减轻自身的燃煤携带重量。在军事和经济迫切需要的情况下，促成了船用燃油锅炉的研制和成功运用。2 0
20、世纪5 0 年代，西方工业发达国家的经济从战后恢复转入了全面发展时期。企业家们在经营上追求低的投资、高的利润。当时燃油锅炉在投资和运行费用方面比燃煤锅炉有着明显的优势，给燃油锅炉提供了需要和可能的发展条件。2 0 世纪7 0 年代的两次石油危机，天然气又作为燃料用于锅炉。到2 0 世纪9 0 年代初，工业发达国家的燃油燃气工业锅炉已占其工业锅炉总数的9 5 以上。由于煤在使用过程中对环境污染的影响较大，除提高煤的利用率，加强对污染的综合治理外，调整能源的消费结构，开发使用环保清洁能源，如石油、天然气、水力等势在必行。当前，在一些发达国家中，石油和天然气在能源消费中约占6 0，成为第-f l 源
21、。据统计，这些国家的供暖用锅炉中，燃油燃气锅炉已占相当大的份额，美国占9 8，日本占9 9，俄罗斯占6 0。而我国的燃油燃气工业锅炉问世比西方晚1 5 年左右。2 0 世纪6 0 年代N 7 0代，只有三家制造厂，产品的产量也极少。7 0 年代后期以来，无论是制造厂还是实用燃油燃气锅炉的装用数量增长都十分迅速。经过2 0 年的发展，我国的燃油燃气锅炉的产品品种增加很快，产品质量也有很大提高，特别是锅炉本体(受压部分)的质量水平已不亚于发达国家的制造质量，但是燃烧器的工艺水平和燃料供应系统中一些关键器件与发达国家相比，差距还较大。因此，目前燃油燃气锅炉的发展就出现明显“中西结合”态势，即国内锅炉
22、本体配国外燃烧器。随着国际社会对环境问题的F 1 益关注，我国为建设国际环保型城市和走可持续发展道路的需要，对环保工作提出了更高的要求。能源政策和能源结构也发生了变化。目前，已放宽城市中小型工业锅炉和生活锅炉燃用油品的限制并提倡使用天然气，以取代分布广、能耗高、污染严重的燃煤锅炉。全国的一些大中型第i 章绪论城市为了适应长期发展的要求，逐步制定了某些限制燃煤锅炉运行的制度。例如西安市，从1 9 9 7 年7 月l 闩以后，不再新建燃煤锅炉，全部采用天然气：北京市要求三环路以内的生活燃煤锅炉逐步改用天然气；上海市在内环线以内只允许新建燃油燃气锅炉。其它一些城市也在考虑制定一些类似的措施来保护城市
23、环境。油质燃料和天然气是-t O 优质、高效、环保型清洁能源。随着我国经济建设不断繁荣和发展，对天然气和石油的消费需求将日益增长，促进了中小型燃油燃气锅炉的发展。工业和农用锅炉使用油质燃料和天然气，不仅可以解决锅炉燃煤和环境之间的突出矛盾，而且在经济上也是可行的，有着十分广阔的前景。1 1 3 燃烧模拟的发展从燃烧装置出现到现在的几千年里，燃烧器和燃烧室的设计及改进主要是依靠实验，包括近代发展起来的冷态模型试验、热态模型试验和全尺寸装置实验。人们依靠实验取得数据和经验公式，同时也通过试验发现问题，改进设计和指导运行。这些试验不仅消耗大量人力、物力、财力，而且周期长，同时由于条件限制，得到的数据
24、很少，数据又有较大的经验性和局限性，难以推广。从2 0 世纪7 0 年代初开始，随着人们对燃烧理论试验研究的不断深入，使得可以用计算机通过数值求解方法将燃烧过程中各独立的多个方程组联合起来系统地求解，以得到对燃烧过程的清楚认识，形成了一门新兴的学科计算机燃烧学。近几十年来，计算燃烧学从气体燃烧的模拟求解开始，发展到计算气一液两相、气一固两相的燃烧过程，通过计算机模拟为桥梁，把燃烧理论、试验和燃烧装置的设计三者有机地结合起来，开辟了用燃烧理论直接指导试验、设计和运行工作的新途径。目前，对煤粉燃烧的国内外已经作了不少研究工作，开发了不少大型计算软件，可以预见，随着燃烧理论、计算流体力学、计算传热学
25、的发展，燃烧过程的模拟技术将成为指导燃烧设备优化设计和运行的有益手段。北京仁业大学5 2 学硕士学位论文!I I 量蔓笪舅舅曼曼曼笪曼量量舅舅1。2 锅炉建模技术的概况1 2，1 锅炉建模的发展从总体上来看，锅炉模型可分为炉内过程模型和锅内过程模型。在炉内过程模型中，主要包括空(烟)气与煤粉(灰)颗粒的湍流气固两相流动和热交换，燃料燃烧以及烟气与受热面的辐射和对流传热，以及烟气各组分浓度变化的物理和化学过程；在锅内过程模型中，主要包括管内单相流体(水、蒸汽)、两相流体(饱和水与饱和蒸汽)的流动以及与受热面之间的换热，工质的压力和水位变化等动态过程。在模拟过程中，目前对于像电站锅炉之类的大型或复
26、杂的流动与换热设备，在对发生于其间的流动与传热过程进行模拟时，常常需要对其结构或过程作合理的简化；另外，这种模拟的主要目的在于获得具有工程应用价值的结果，因而一般都是采用已经大量验证、比较成熟的模拟方法口J。随着计算机技术的发展，人们一直在对锅炉系统动态模型进行着不断深入的研究，其原因主要是在早期的计算机性能还很低，因而建模时为了节省计算时间而对模型作了较多的假设、简化。这对模型的品质必然造成不利的影响。例如：对具有分布参数特征的动态过程用集总参数模型表示时，若把它用于控制系统整定(尤其是带微分信号的控制系统)，就会与实际系统存在较大的偏差；具有三维特征的炉膛流动、燃烧和换热过程被简化成零维或
27、一维模型时，其动态过程的内部机理就无法反映出来；又如：把汽液两相流动与传热过程用均质模型表示，以及用静态动量方程近似代替动态(考虑加速度)动量方程，都会增加动态计算偏差。而现在随着计算机技术的迅速发展，使得人们对过去的模型中所作的假设、简化条件不断予以完善。另一个原因是随着人们对锅炉热工过程的实验研究技术的不断提高及其理论研究的不断深入，对过去在锅炉流体流动、燃烧、传热等热力过程模型中的一些不正确的、经验性的、局限性的、甚至是错误之处，有必要给与纠正和完善。1 2 2 锅炉炉膛和管内工质动态模型描述锅炉炉膛工况的模型，按维数可分为零维、一维、二维和三维模型。(1)零维模型就是把炉膛作为一个整体
28、来进行计算，认为炉膛内火焰黑第l 章绪论度、受热面壁温等参数是均匀分布的，用绝热燃烧温度与炉膛出口烟温的某种平均值作为炉膛烟气侧传热计算的代表温度，用一些经验公式近似反映燃料种类、喷嘴投切、喷嘴摆角等扰动量对炉膛传热计算的影响。由零维模型计算得到的只是炉膛的几个总体参数，如总的传热量、炉膛出口平均温度、炉膛压力(动态模型中计算)等，而无法得到炉膛内烟气速度、温度、组分、传热量等参数的分布情况。结果也己基本包括了锅炉运行对所能检测到的参数。所以，在目前的燃油燃气锅炉静态计算(如：锅炉热力计算)和动态计算(如：火力发电机组仿真培训系统)中仍采用零维模型口】。(2)一维模型就是沿炉膛的高度方向考虑燃
29、料浓度、温度、火焰黑度、热负荷等参数的变化，而在水平方向认为各个参数是均匀分布的。和零维模型一样，一维模型也不存在参数的场的概念。在具体数值计算时，就是把炉膛沿高度方向分段，每段内的各个参数是均匀的。在模型形式上，它与零维模型的最主要差别是增加了各段之间辐射热交换的计算。总的来说，一维模型的计算量也不大，但从机理上比零维模型更趋合理，计算结果也要精确一些，所以目前在锅炉动、静态计算时也多有采用J 3 t 4 J。(3)二维模型通常是考虑参数不仅沿炉膛高度方向有变化，而且在水平方向考虑到了参数随着离炉膛中一t l,线距离的远近而发生的变化，这种模型一般只适用于轴对称的圆柱形炉膛，用柱坐标方程表示
30、，在电站锅炉中很少应用。(4)三维模型就是把炉膛沿空间三个坐标方向进行网格划分，得到以微元控制体为单位的炉膛计算单元，对每个微元控制体建立相应的三维质量、动量、能量、组分浓度、传热量等参数的偏微分方程。方程中还要考虑到流体湍流流动、气固两相流动中的传热、传质和动量交换、煤粉的加热、热解反应和气固两相的燃烧反应以及与固体壁面之间的热交换等系列复杂的物理、化学过程，模型的求解方法与零维、一维模型有很大的区别。三维模型可以得到在各种不同炉膛结构和不同入口条件下，炉膛内各个参数在三维空间的分布情况如：速度场、温度场、各组分浓度场、热负荷分布等。所以说，炉膛三维模型才真正是可用于工程分析的机理模型。当然
31、，由于炉膛内运行工况的极其复杂性，三维模型中还存在些不确定因素，这些都有待今后进一步改进。目前，关于应用三维模型对锅炉炉膛进行分析研究的文献比较多1 4,5,6 1，研究内容主要包括：不同炉型对燃烧工况的影响，炉膛出口流场和烟温偏差的影5北京工业大学工学硕士学位论文响因素和改进方案，炉膛燃烧过程中产生N O x、S O x 的影响因素和减轻污染的措施，煤种变化、配风方式等对炉内局部热负荷和结渣、结焦的影响的分析等。但三维模型运用在实际中因为还存在许多问题，因此目前理论上研究的比较多，在解决实际问题不常用。而目前的炉膛二维模型一般都是用于静态工况的计算，而通过仿真的方法研究锅炉的结构优化设计的应
32、用还未有文献报道。1 3 国内外研究现状1 3 1 国内外关于燃烧模拟的发展概况近几年，随着计算机技术的迅速提高和各燃烧过程子模型的不断发展，美国、英国、澳大利亚、丹麦、德国、日本以及中国的研究者们都在继续深入开展对锅炉炉内三维两相流动，传热、燃烧及污染物生成等过程的仿真与数值计算，并将数值计算应用于对炉膛进行优化设计、指导运行和设备改造。目前，国外在对实验炉进行的一维或二维模拟计算的基础上，逐渐开始对工业实际应用的煤粉炉进行炉内湍流流动、燃烧、传热、颗粒湍流扩散的完整的三维数值计算，从而使模型的应用更加接近于工业实际。B o y d 和K e n t 加1 对5 0 0 M W 的四角切圆燃
33、烧的煤粉炉进行了数值计算。在其模型中，气相湍流用k-E 双方程模型，颗粒相用随机轨道模型，煤粉热解用双行反应模型，煤焦燃尽用扩散一动力模型，挥发分的气相燃烧用快速反应模型，辐射传热用离散传播进行计算。该模型能较为完整地计算出炉内的气体流动、组分浓度和温度的分布、颗粒运动轨迹及燃烧过程，以及壁面辐射热流量等。F i v e r l a n d 和W a s s a l l l o J N 提出了一个在实际锅炉的几何条件下，三维煤粉燃烧的计算模型，对一个5 6 0 M W 的煤粉炉计算了炉内流动、传热和化学反应，并分析了结渣层、颗粒尺寸分布、热效率和煤焦氧化率等因素的相互作用，这些结果对于提高人们
34、对复杂燃烧过程的理解，对于锅炉设计主要参数的确定提供了有益的帮助。波兰的R A F A K O 锅炉工程公司I g】分别对不同容量的锅炉和多种型式的燃烧器进行了模拟计算，得到了与实测数据较为符合的计算结果。现已经开始采用名为“C O M S T A R”的计算程序，对锅炉进行优化设计和辅助设计。6第l 章绪论目前，对锅炉炉内燃烧过程的数值计算，国外已经作了比较深入地研究工作，开发了不少大型软件，发展较快。而国内由于各种条件的限制，该工作还处于起步和发展阶段，但也有不少学者开展了这方面的研究工作，也都开始开发整套计算软件并结合工程实际进行应用。比较有代表性的是华中科技大学，他们在对煤燃烧过程的方
35、程进行离散和计算机求解后，将所得结果经计算机进行图形处理，成为便于阅读的速度场、温度场、氧气浓度场分布、颗粒运动轨迹和热流密度分布等图形。通过对这些结果进行分析，预测和判断燃烧情况。例如对电站锅炉的粉燃烧，判断燃烧区域的中心是否正中或偏离，火焰高度如何，充满度如何，炉膛出口温度偏高或偏低，左右侧烟温偏差大小，炉内切圆是否合适，有无对冲或刷墙现象，煤粉运动情况如何，是否冲刷水冷壁，煤粉燃尽情况氧气浓度分布，以及水冷壁上热流量分布等等。这些都可以作为分析燃烧情况、预测燃烧过程的依据。目前，已将这种燃烧过程的计算机数值模拟在实际工程中进行了一些应用。(1)用计算机模拟研究正反切圆燃烧器布置及其二次风
36、的分配。(2)对冲燃烧布置锅炉水冷壁高温腐蚀的分析与改进。(3)应用计算机模拟优化燃烧器综合改造降低锅炉飞灰可燃物。1 3 2 国内外关于锅炉建模技术的研究状况关于锅炉管内工质的动态数学模型，国内外学者在这方面也做了大量的工作 1 1,2 5,2 6,3 2】。从内容上看，大致可分为：线性与非线性模型、分布参数与集总参数模型、单相与两相模型。(1)线性模型和非线性模型从锅炉管内工质的实际动态过程来讲，它是一个非线性系统，应该用非线性模型来反映它的动态特性，但是有时为了得到模型的解析解，只能对模型在小范围内进行线性化，这在控制系统中分析对象动态特性时用得较多。线性模型在获得其解析解时，在该工况点
37、附近，能够较好地反映对象的分布参数动态特性，但是不能适用于大范围的工况变化。(2)分布参数与集总参数模型锅炉管内工质状态参数的变化不仅是时间的函数，而且也是空间位：霞的函数，具有明显的分布参数特点。在具体建模时，为了简化计算，通常近似认为在管内同一截面上的工质参数是均匀的，仅是沿北京工业大学T 学硕士学位论文流程方向发生变化，这样得到的就是一维分布参数模型。在数值计算过程中，常采用分段模型来逼近分布参数模型。很显然，分的段数越多，逼近程度就愈好。在实际工程应用中，只要我们所关注的不是仔细到管道截面上工质参数的分布情况，那么一维分布参数模型就足以满足工程要求了。当把锅炉受热面管内工质参数在整个空
38、间范围内看成是均匀的，即用某一点的参数或平均参数作为其代表参数，这时得到的模型就是集总参数模型，这种模型的优点是计算时间和专用内存都很小，但是其动态过程与实际过程偏差相对较大，集总参数模型在过去计算机性能较低，且对计算实时性要求较高的火电机组仿真培训系统中应用较多，后来也有人在改善集总参数模型的精度方面做了一些工作 2 7,2 9 。(3)单相模型与两相模型所谓单相模型有两个概念：一个是管内工质本身就是单相介质的模型：另一个是管内工质为两相汽水混合物，但在建模时把它们近似作为单相(或称均相)流体，不考虑两相之闻的相互作用和参数的差异(如：汽、水流速差异等)。当管内工质是单相的水或汽时，模型本身
39、比较简单，人们所关注的是采用非线性还是线性模型，分布参数还是集总参数模型。当管内工质是两相的汽水混合物时，模型就相对要复杂得多，在其流动和传热计算过程中，要判断和考虑液相对流、过冷沸腾、饱和沸腾、两相强迫对流、液膜蒸干、汽相对流等不同状态、不同流型以及热负荷变化等对流动阻力和传热系数的影响，还要考虑两相之间的速度差异对截面参数的影响。如果模型中要反映出管内两相流体的热力学不平衡状态，那么还要考虑汽相不同程度的过热度对传热过程的影响。由此可见，要详细模拟两相流动和热交换的机理过程。其模型是很复杂的，且一些过程目前还无法建立其理论模型，而只能采用一些经验公式，这些公式又带有不同程度的误差，且适用的
40、工况范围也有限。所以在实际工程应用中，根据不同的计算目的和要求，常要对模型作一些简化。例如：近似认为两相流体是处于热力学平衡状态的等等。当工质压力较高时，汽、水物性参数差异较小，这时若要进一步简化模型，则可以认为汽、水是完全混合的均相流体，从而采用单相流体模型，但这在工质压力较低时，会产生较大偏差。综上所述，各种模型都有其自身的特点，如何根据各类模型的优点，并考8第1 章绪论虑具体的模拟对象、目的要求，是模型能更好地从机理上反映锅炉的实际动态过程，是一件很有意义的研究工作，本文的选题也是基于这样一个背景。课题的意义与来源1 4 课题的意义随着计算机技术的不断发展，以及人们对流体流动、传热、燃烧
41、等热工工程的研究不断深入，通过建立锅炉模型，进行动态过程的计算机仿真，已成为研究锅炉动态特性的一个方便、有效的重要手段。在仿真系统具有机理性、精确性较高的仿真对象模型，以及方便的建模、调试、修改、运行、分析环境的基础上，当整套锅炉还仅仅是在图纸上时，就可以用仿真系统来模拟该锅炉在各种工况下的运行过程，从而及时发现并纠正在设备选型、系统布置等方面的不合理或被遗漏的地方，直到符合设计要求。目前国内燃油燃气锅炉生产厂家基本是在考察国外燃油燃气锅炉结构的基础上进行一些简单的结构尺寸和形式的模仿，没有从理论和设计实践中积累更多的经验以进行更深一步的研究。因此除较早对燃油燃气锅炉进行产品玎发并投放市场、经
42、过长时间运行证明性能优越的几家制造厂外，大部分的锅炉制造厂停留在模仿已有产品的水平上。这样的产品很难有多高的技术水平。因为这些制造厂并不清楚锅炉的结构是如何确定的，不能从理论的高度去认识问题，造成了很多产品存在质量问题；如有些锅炉产品经常发生爆管，有些锅炉受压元件发生变形等问题。面对这种情况，我们有必要从锅炉的燃烧的角度，对锅炉的结构进行优化，从理论上去证明锅炉产品设计的合理性，从而提高锅炉的产品设计质量；另外，当锅炉在投运之后由于某种原因需要对某些设备结构进行改造时可以预先在仿真系统上对设备改造，并对将会对锅炉的运行产生的影响的因素进行多次仿真试验，以确定改造方案的可行性，并对操作规程的相应
43、修改提供依据，使锅炉整体性能达到最优。1 5 课题来源本课题由北京工大天工机电技术有限公司提供，属于正在完善中的北工大牌多功能绿色环保柔性化智能燃油燃气锅炉产品设备的探索性研究。公司在丌发新型产品L S S O 7 0 0 5 8 5 6 0 一Y(Q)水管式燃油燃气锅炉的过程中，发现在实际g北京工业大学工学硕上学位论文发新型产品L S S 0 7 0 0 5 8 5，6 0 一Y(Q)水管式燃油燃气锅炉的过程中，发现在实际运行过程中锅炉技术指标不能达到设定的要求，为了能准确地能对锅炉结构参数进一步优化，得到足够的论证，通过仿真优化一方面节省了大量的人力物力，另一方面能完善产品的性能。主要研究
44、内容(1)对L S S 0 7 0 0 5 8 5 6 0 一Y(Q)水管式燃油燃气锅炉的结构进行研究分析，分析锅炉烟气流动轨迹与热交换过程。(2)根据锅炉运行的实际情况建立气体流动传热模型、液体流动传热模型。(3)针对具体的模拟对象，确定模拟对象各边界条件，并结合实际传热情况给定入口、出口的边界条件。(4)使用A N S Y S 软件对建立的模型进行离散化分析。(5)对离散化后得到的模型进行计算机求解。(6)对通过计算后得到的数值解进行图形化处理，给出不同物理量在模拟对象中的分布情况，对不同结构参数求解的结果进行分析比较。(7)确定结构参数的设计优化。f 8)对优化后的设计参数进行静力计算校
45、核及试验验证。第2 章锅炉方针总体方案设计第2 章锅炉仿真总体方案设计2 1 引言这几年，我国各大中型城市积极推行集中供热以解决小型燃煤锅炉引起的局部环境污染问题，但集中供热的热源仍以燃煤为主，不能从根本上解决粉尘、废水、废渣、有害气体的排放。因此开发和设计以用天然气、煤气、液化石油气以及液体燃料油等清洁燃料为主的环保型供热系统成为当务之急。本文介绍的L S S O 7-0 0 5 8 5 6 0 一Y(Q)立式水管室燃三回程全自动热水锅炉就是针对以上要求设计的种新型的多功能绿色环保柔性化智能燃油燃气锅炉。这种锅炉具有结构紧凑、燃烧效率高、排烟温度低、受热面安排合理的优点，在受热面布置上采用了
46、多层水冷壁结构，使烟气在流动过程中对错列排布的水管形成褶皱式冲刷，烟气与水管经过三回程的充分对流换热后，使排烟温度大大降低。锅炉结构确定之后，考虑到锅炉设计的要求，为了保证锅炉能在常压下安全运行，要对锅炉进行校核计算，通过锅炉的热力计算和烟风阻力计算，确保锅炉热交换的充分，使锅炉达到额定热效率的要求；在设计受热面的面积时，要结合锅炉的强度计算进行，以防止因强度不够而徒劳返工。在完成锅炉设计计算之后，为了使锅炉的热效率进一步优化，我们采用了计算机软件模拟锅炉在运行过程中的烟气与管内介质热交换的过程，通过对锅炉不同结构参数的选取，看锅炉运行情况，在对仿真结果数据做充分的分析之后，最终根据锅炉设计要
47、求，选用优化后的锅炉结构参数作为锅炉最终的结构设计参数。2 2 锅炉传热仿真过程锅炉传热过程的计算机仿真，是基于传热学理论和试验结果，应用计算机模拟的思想、理论和方法来研究烟气与液体热平衡的基本现象和实际过程，通过对整个传热过程的分析，确定传热的边界条件，从而获得整个传热过程的数值解。传热过程计算机模拟的构成和各部分之间的关系如图2 一l 所示：北京工业大学工学硕士学位论文图2-1 锅炉传热过程计算机仿真F i g 2-1C o m p u t e rs i m u l a t i o n f o r t h e r m a l t r a n s m i s s i o no f b o i
48、 l e r s总的来看，传热过程计算机模拟包括以下几个方面；根据物质守恒定律、牛顿第二定律、能量转换和守恒定律、组分转换和平衡定律，建立并研究传热过程的控制微分方程和模型，这些方程和模型具体为：流动方程，颗粒运动方程，湍流流动模型，燃烧模型，火焰传热模型等。(1)针对具体的模拟对象，应用能量守恒定律、多相流动的流动边界层模型、温度边界层模型，确定模型对象各边界处条件的方程或数学形式，并依据实际传热情况给定入口、出口的边界条件，即给出模拟对象传热过程的定解条件。(2)由于上述传热过程的控制方程和边界条件的数学方程数目较多，以及它们的非线性和耦合特点，因此必须将上述的控制方程和边界条件的方程离散
49、化，建立与控制方程、边界条件具有一致性的代数方程组，这是使用计算机求第2 章锅炉方针总体方案设计的有：有限差分、有限元和有限分析等方法。(3)对离散化后得到的代数方程进行计算机求解，建立能保证计算机求解过程收敛的有效方法，编制出具有可靠性、通用性、经济性和灵活性的计算机求解程序。(4)对通过计算后得到的数值解进行图形化处理，给出不同物理量在模拟对象中(炉内或燃烧室内)的分布情况和颗粒的运动情况，便于人们阅读和对传热过程进行分析比较，这些物理量主要有温度、速率、浓度、热流密度以及颗粒运动和传热效率等。2 3 锅炉仿真总体设计方案A N S Y S 不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其
50、他诸多问题，比如热一流耦合问题，在流体动力学的基础上建立温度场。A N S Y S 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可分为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理能力产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以用三维效应表面单元和热一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。考虑到热水锅炉是关于流体对流换热的问题，因此，我们针对烟气与水两种流体建立热一流耦合场。首先对锅炉内外层管以及锅炉内外层烟气流动层建立模型，在建模过程中，我们将所有结构参数都用宏代换的方式表示，这样方便对不同参数选用不同值的代换；然后，根据流体性质输入材料属性。确定流体