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通用工业锅炉热力计算系统的开发与应用
发布时间：2013-10-25 08:39 来源：未知
工业锅炉是化工、纺织等工业企业中供应蒸汽的重要装备，其设计工作涉及大量复杂的工程计算。其中，热力计算是整个锅炉方案设计工作的核心。上世纪70年代以来，我国主要的锅炉厂家通过各种途径，或自行研制、或委托科研院所开发、或从国外引进了锅炉热力计算软件，用以帮助工程人员完成设计工作，但这些软件都存在一些技术不足：主要是采用Fortran、Basic等语言编写的DOS程序，输入大量的参数时容易出错；软件的适用范围较为固定，当锅炉的流程布置和级数发生变化时，需要修改源代码才能计算。此外，还有一部分基于Microsoft Excel的半自动计算软件。这类软件计算过程清晰，不足之处在于只能实现单步计算，当锅炉结构发生较大变化时，需要设计人员自行设置迭代参数，这就对设计人员的计算机水平提出了较高要求。
1997年，全球环境�；せ鸹�(GEF)资助中国设立了“中国高效工业锅炉项目”，为提高中国工业锅炉设计水平，设立“锅炉设计方法改进提高”作为其中一个子项目。该子项目在中国原有工业锅炉设计计算方法的基础上，通过消化、吸收国外先进的锅炉设计计算方法，结合中国技术人员的专业实践，于2003年编写出版了《工业锅炉设计计算标准方法》。目前，该标准已获得广大工业锅炉制造企业的认可，正逐步应用到实际设计工作之中，但尚缺乏相应的热力计算软件。
通用工业锅炉热力计算系统开发的最大技术难点在于如何保证系统的通用性和可扩充性。其中，通用性需求源于锅炉的燃料、布置形式、流程逻辑、部件结构的灵活性和多样性；而可扩充性需求源于热力计算系统能够适应锅炉技术的发展，以便对系统进行扩充和完善。本文提出了基于过程系统稳态模拟理论的锅炉热力计算物理模型，并分析了其总体求解算法，重点研究了基于流体节点和传热部件单元的统一建模方法，有效解决了系统的通用性和可扩充性需求。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；⒛拘伎帕；怪频纳镏士帕Ｈ剂�，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
1、基于过程系统稳态模拟理论的物理模型及总体算法
过程系统是由多个过程单元按特定的拓扑方案相互衔接组成的对物料、能量、信息进行变换、输送、存储的系统。在一个复杂的化工过程系统中，锅炉只是其中一个进行能量变换和供应蒸汽的过程单元。但是如果把锅炉看作一个整体，分析锅炉内部结构和工作原理又能发现，锅炉本身也是一个进行能量形式和载体变换的过程系统：锅炉把燃料的化学能转换为高温烟气载有的热能，然后通过过热器和省煤器等传热部件，把高温烟气的能量传递给温度较低的工质（蒸汽、水和空气），从而产生满足用户要求的蒸汽或热水。
根据过程系统的特点，可以把锅炉本体的各个部件视为过程单元，过程单元之间通过烟气、蒸汽、水和空气等流体实现连接。因此，锅炉系统可以理解为由“部件单元”和“流体节点”两类对象组成的流体节点变换网络。其中，“部件单元”不仅涵盖了过热器、省煤器和空气预热器等一般换热部件，也涵盖了炉膛和减温器等各种特殊功能部件；而“流体节点”则泛指流程中一定位置上的烟气、蒸汽、水、空气或其他流体。部件单元的功能可抽象为是对进出其的流体节点进行变换，变换的具体意义由部件的种类和结构参数等决定。在工业锅炉中，一般仅有一路烟气与一路工质（蒸汽、水和空气等）进行换热的部件单元，如过热器、省煤器和空气预热器等。此时，部件单元对流体节点主要变换意义是把高温侧烟气的热量传递给低温侧的工质，从而使工质的温度升高，其逻辑模型如图2所示。因此，可用过程系统理论对工业锅炉系统作如下描述：工业锅炉的过程系统模型由流体节点和部件单元相互衔接而构成，部件单元实现对进出入流体节点的状态、组分或分支数等的变换功能。部件单元构成了锅炉过程系统的流程单元�？椤�
本系统为校核计算，即在锅炉已经存在或主要结构尺寸已经确定的情况下，根据锅炉蒸发量（热功率）、蒸汽和给水参数及燃料参数等，确定锅炉效率、燃料消耗量、各传热部件前后的烟气和工质温度、各传热部件烟气和工质的流速等．从而校核锅炉的可靠性和经济性。
工业锅炉热力计算系统的开发基于上述过程系统稳态模拟理论的通用物理模型。在对锅炉过程系统模型认知的基础上，锅炉热力计算求解的问题相应转化为过程系统稳态模拟问题。从数学角度来看，过程系统稳态性能模拟的实质是求解由单元�？榉匠獭⒘鞒塘臃匠毯捅呓缣跫匠坦钩傻姆窍咝苑匠套�。根据求解该方程组方法的不同，对应形成了序贯�？榉�、联立方程法和联立�？榉�3种常用的过程系统分析模拟方法。其中，序贯�？榉ㄊ且恢址⒄菇显�、应用最广的流程分析模拟方法。
序贯�？榉ǖ挠诺闶锹呒虻ィ缘踔档囊览敌缘�，稳定性好，易于实现通用化，并且与工程师的直观经验一致，便于理解和掌握。该算法存在求解效率不高的弱点，但由于近年来计算机硬件的快速发展，速度问题已不再是关键性问题。因此，本热力计算系统采用序贯�？榈惴ń锌ⅰＴ谙低持懈盟惴ǖ闹饕枷胧牵阂晕锢砟Ｐ椭械牟考ピ镜ピ�，按照烟气流程、蒸汽流程、水流程和空气流程的先后顺序，通过部件单元的序贯迭代来求解系统模型。参照图1的物理模型，以烟气流程为例，从流程的起点（炉膛）出发，一直到流程终点（空气预热器），遍历烟气链的部件单元。对于每一个部件单元，以进口烟气温度和进口工质温度作为已知参数，迭代计算得到该部件单元的出口烟温和出口工质温度，并作为烟气链下一个部件单元的进口烟气温度和进口工质温度。因此，准确性从烟气链上游逐步传递到下游，使模型的计算求解误差达到设定要求。
2、动态可视化搭建的锅炉流程模型
许多成功的化工过程系统模拟软件，如Asp-en采用了可视化动态搭建模型的方法，来解决系统建模的通用性问题。本系统采用了类似于Aspen等化工过程模拟软件的设计思想，全Win-dows界面动态可视化搭建锅炉流程。用户通过人机交互的方式，依次搭建烟气、蒸汽、水和空气等分流程（采用“分流程”输入拓扑结构的做法，能够把流程交织的复杂网状模型分解成无交织的网状模型，降低用户建模的难度）。
为保证系统的通用性，锅炉的结构即传热部件组的组成和流程由用户在系统运行时动态构造。搭建锅炉流程前，需要先选择锅炉的传热部件组。在系统内部，针对系统支持的每一个传热部件，定义了一个具体的传热部件类。以过热器类CHSuperHeater为例，过热器类从部件基类CHPartBase派生，部件基类以虚函数的形式定义传热计算函数HeatTrans的接口，过热器类中记录该部件的结构尺寸参数，定义具体的传热计算函数HeatTrans。
当用户在人机界面土搭建锅炉流程模型时，系统在程序内部动态搭建流体链。对于动态搭建锅炉流程模型，系统设计的核心工作是流体类、流体节点类、部件类和部件节点类的定义和维护。其中，流体类描述烟气、蒸汽、水和空气等流体的属性和行为，记录流体的温度、压强和流速等参数，执行功能运算（如通过温度和压强求焓值等）。流体节点类从流体类派生，在流体类的基础上，记录流体节点前后所经过的部件以及流经该流体节点的进出口流体、定义控制接口等。
流体链根据流体流过的部件，以串联的形式构成。在流体链中，一个受热面可能出现多次，如过热器同时出现在烟气流程和蒸汽流程。为了保证数据的唯一性以及方便系统实现，烟气链和工质链中部件类的数据均以指针形式出现，具体的部件参数集中在部件链中进行统一管理。部件类记录部件的类型，定义部件基类的指针与传热计算函数的接口。部件节点类从部件类派生，负责维护锅炉中各部件的逻辑关系。在部件类的基础上，部件节点类主要描述部件单元在流体链中的各种信息，记录部件单元进出口烟气和进出口工质，定义传热计算和生成计算书等函数接口。在对流体链进行受热面热力计算时，可以根据链中所指的部件，找到部件的几何尺寸和部件进出口烟气和工质的热力状态指针。
在部件基类和流体类中，以虚函数形式统一声明导出类对象同种服务（如传热计算函数）的公共接口，而在导出类中具体定义对象服务的个性化内容，从而实现了服务接口与服务内容的分离。采用虚函数定义公共接口，不仅可以简化批量请求对象服务的代码，更重要的是可以在不修改外部请求对象服务代码的情况下，增加具有该服务的新的导出类，从而提高了系统的可扩充性。并且，通过流体类、流体节点类、部件类和部件节点类的定义和维护，锅炉设计人员可以在系统的人机界面上，以动态构造烟气流程和工质流程的方式设计锅炉的逻辑模型，不必受到传热部件流程布置和级数的限制，从而解决系统建模的通用性问题。
3、系统实现及应用实例
浙江大学化工机械研究所自1996年起从事通用锅炉热力计算系统的研发工作，该系统的用户有杭州锅炉集团、无锡华光锅炉股份有限公司及唐山信德锅炉集团等企业。2004年以来，以该系统为基础，采用C++语言开发了支持2003版《工业锅炉设计计算标准方法》的通用工业锅炉热力计算软件。软件在江苏太湖锅炉股份公司、无锡太湖锅炉有限公司等一些厂家实际应用，深受设计人员好评，提高了设计质量和设计效率。
以一台10t的层燃炉为例，采用通用工业锅炉热力计算系统进行产品设计的过程如下：
a．用户需要按照设计方案构造锅炉的热力计算模型——输入总体参数、燃料参数、热平衡参数、组成部件以及各部件的热力计算参数，并描述各锅炉部件之间的流程逻辑关系，进而系统能够对用户构造的热力计算模型进行自动解算；
b．用户可以依据热力计算的结果对设计方案进行评价，并决定是否需要对设计方案进行调整并再次进行热力计算；
c．用户可以将热力计算结果输出到Excel表格形式的工程计算书。
在同等条件下，该系统计算的方案数据与锅炉厂家的手工计算书以及锅炉实际运行中DCS系统测量的数据进行比较，炉膛出口烟气温度、各传热部件的烟气速度和传热系数等重要参数非常接近，整个系统的误差满足工程设计的要求，得到设计人员的认可。表1是用两种计算方法对10t层燃炉主要参数的计算结果对比。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料是客户们不错的选择。
4、结束语
采用基于过程系统稳态模拟理论的物理模型以及序贯�？榈淖芴逅惴�，通过定义和维护流体类、流体节点类、部件类和部件节点类来动态可视化搭建锅炉模型，本文研究开发的通用工业锅炉热力计算系统的计算范围不受锅炉燃料类型、结构形式、流程布置和几何参数等的限制，能支持不断出现的新部件和新技术，满足系统的可扩充性要求；热力计算标准参考2003年版《工业锅炉设计计算标准方法》，保证系统计算工业锅炉的准确性。
通用工业锅炉热力计算软件的应用能够使设计人员将精力集中于锅炉结构设计和受热面优化布置等创造性劳动之上，从而使设计的锅炉趋于合理、可靠与经济。该软件同样适用于化工、造纸和纺织等工业企业，企业能采用该系统分析燃料变化和负荷参数变化对锅炉性能的影响。
