PAGE1循環(huán)流化床鍋爐建模與仿真研究CombustionSystemSimulationofaHG-44ot/hCFBB鄭州電力高等?？茖W校鄭州摘要以HG-440/13.7-L.PM4型循環(huán)流化床鍋爐為對象，開發(fā)了用于循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)仿真研究的軟件。文中描述了以小室模型為基礎(chǔ)的寬篩分固體顆粒的燃燒系統(tǒng)模型構(gòu)建，包括固體顆粒和碳顆粒的質(zhì)量平衡方程、氧氣質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、煤粒燃燒方程、爐內(nèi)傳熱方程，簡介了模型的求解方法和軟件功能。它對開展循環(huán)流化床鍋爐的仿真研究提供了有力的工具，為開發(fā)循環(huán)流化床鍋爐培訓仿真機奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)仿真軟件Abstract:AsimulationsystemofaHG-440t/hCFBBwasdevelopedtoinvestigatetheperformanceofcombustionsystem.Thestructureandsolutionofthesimulationmodelwasintroduced.ItprovidesapowerfultooltoinvestigatetheperformanceofCFBBandestablishesanessentialbasetodeveloptheCFBBsimulator.Keywords:Circulatingfluidizedbedboiler;combustionsystem;simulation;software

1前言循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。我們迫切需要加大對該型鍋爐的研究力度，加快對此技術(shù)的消化和吸收。鑒于試驗研究往往代價昂貴，有時甚至是不可能的，因此數(shù)學模型與仿真研究的優(yōu)點就顯得格外突出[1]。循環(huán)流化床鍋爐的建模與仿真研究就是應用基本理論定律，結(jié)合有關(guān)流動、燃燒、化學反應、傳熱等方面的經(jīng)驗模型和理論建立循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型，然后借助計算機對其性能進行仿真計算。相對試驗而言，建模與仿真的投資要小得多，然而其通用性、靈活性和快速性卻可以使技術(shù)人員對各種可能的設(shè)計、運行等方案進行充分比較、篩選和優(yōu)化，其好處和經(jīng)濟效益是顯而易見的。另外，仿真建?？梢詾檠h(huán)流化床鍋爐培訓用仿真機的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。隨著循環(huán)流化床鍋爐的大量建設(shè)，大批運行人員急需培訓，尤其是對仿真培訓的需求更迫切，所以需要加快循環(huán)流化床鍋爐仿真機的開發(fā)。傳統(tǒng)電站煤粉鍋爐的仿真機開發(fā)技術(shù)已很成熟，循環(huán)流化床鍋爐和傳統(tǒng)電站鍋爐的最大區(qū)別在于燃燒系統(tǒng)的不同，而汽水系統(tǒng)基本相同，所以循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)仿真軟件的開發(fā)顯得尤為重要。2仿真軟件開發(fā)過程2.1仿真對象本軟件以HG-440/13.7-L.PM4型循環(huán)流化床鍋爐作為仿真對象。該型鍋爐為國內(nèi)第一臺超高壓再熱循環(huán)流化床鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠采用德國EVT技術(shù)制造。目前河南省的循環(huán)流化床鍋爐以此型最多，選其作為仿真對象有一定的代表性[2]。2.2循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的模型構(gòu)建循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)的模型是建立在物質(zhì)質(zhì)量守恒和能量守恒的基礎(chǔ)上的，所建方程包括各種氣體和固體組分的質(zhì)量守恒以及所有物質(zhì)的能量守恒，這些守恒方程就構(gòu)成了循環(huán)流化床數(shù)學模型的主體。為了確定模型主體中各項的系數(shù)和內(nèi)容，例如某氣體生成或消耗的速率等，還需根據(jù)特定原理或經(jīng)驗理論建立相應的計算模型，這些計算模型就稱為“子模型”。本文中采用“小室模型”作為建立燃燒系統(tǒng)內(nèi)守恒方程的手段。所謂“小室”就是沿著爐內(nèi)固體和氣體的主要流動方向，把爐膛劃分成的一系列的空間。對每個小室建立的守恒方程，包括氣體和固體成分的質(zhì)量守恒和一個總體能量守恒方程方程。質(zhì)量守恒方程針對每個固體顆粒組的總體質(zhì)量及其內(nèi)包含的碳的質(zhì)量建立。由于小室可以按照實際設(shè)備的形狀和尺寸任意劃分，因此很容易實現(xiàn)與實際設(shè)備的幾何一致性，使得人們有可能較為準確地描述爐膛內(nèi)的物理、化學過程，從而使小室模型成為流化床鍋爐仿真的一個有效方法。子模型包括：（1）固體的動態(tài)質(zhì)量平衡（2）焦碳顆粒的動態(tài)質(zhì)量平衡（3）氣體平衡方程（4）小室的總體動態(tài)能量平衡（5）煤的燃燒模型（6）爐內(nèi)傳熱模型其中前4種模型是建立在物質(zhì)質(zhì)量守恒和能量守恒的基礎(chǔ)上的。此外還需根據(jù)特定原理或經(jīng)驗理論建立相應的計算模型，這里主要介紹燃燒模型和傳熱模型。2.2.1煤的燃燒模型煤的燃燒是一個包括化學反應及傳熱和傳質(zhì)效應相互作用的復雜過程。在流化床中，流動的復雜性使得煤燃燒的過程更加復雜。目前，對煤得燃燒過程得認識可簡單歸納為：在煤被加入爐膛后，它將經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分釋放及燃燒、剩余焦炭燃燒等一系列的過程。任取第個直徑檔的焦炭顆粒為例，對單個焦炭粒子，其反應速率為（1）其中，為第個直徑檔的焦碳粒子直徑；為當?shù)匮趿?；為碳的燃燒反應速率。在流化床燃燒模型中，固體顆粒（包括灰顆粒和炭顆粒）按尺寸分為了10個直徑檔。顯然，某個小室內(nèi)各個顆粒檔內(nèi)焦炭的燃燒反應速率，應當?shù)扔趩蝹€焦炭顆粒的反應速率乘以小室內(nèi)該種焦炭顆粒的總數(shù)目。假定小室中顆粒組的含碳量用表示，顆粒組在小室中的體積分額用表示，則小室中的第個固體顆粒檔內(nèi)的焦炭顆粒的數(shù)目為（2）此處，是第個小室的體積。2.2.2爐內(nèi)傳熱模型爐內(nèi)傳熱采用清華大學公布的模型。循環(huán)流化床鍋爐燃燒室受熱面、傳熱系數(shù)、受熱面的材料、布置形式、工質(zhì)溫度、床溫的影響,并與流化速度、近壁區(qū)物料濃度、物料粒徑有關(guān)。在實驗研究和不同容量循環(huán)流化床鍋爐運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,清華大學開發(fā)出循環(huán)流化床鍋爐燃燒室受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算方法,其計算結(jié)果與實際運行值相比吻合較好,誤差在4%之內(nèi),用于工程計算是可靠的,已用于130t/h、220t/h和420t/h循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計[3]。該模型認為，床與壁面的換熱由床中心上升流動的煙氣及其夾帶的物料向壁區(qū)物料的熱交換、物質(zhì)交換以及近壁區(qū)氣固兩相流向壁面對流和輻射兩步完成。燃燒室煙氣-物料兩相混和物向壁面的換熱包括對流和輻射兩部分,按二者線性疊加處理,則有(3)式中:為輻射換熱系數(shù),W.m-2.K-1;為對流換熱系數(shù),W.m-2.K-1；為床與壁面之間的系統(tǒng)黑度；為Boltzmann常數(shù);為煙氣對流換熱系數(shù),W.m-2.K-1;為顆粒對流換熱系數(shù),W.m-2.K-1。近壁區(qū)下降流與壁面之間存在著5～10mm的邊界層,輻射換熱幾乎全部發(fā)生在近壁區(qū)內(nèi),輻射換熱面積即可近似為受熱面的外表全面積Ht,對流是發(fā)生在煙氣側(cè)全面積Ht上,故循環(huán)流化床鍋爐燃燒室受熱面的傳熱面積是曲面全面積Ht,這是與煤粉爐的重要差別。2.3啟動過程的建模循環(huán)流化床的冷態(tài)啟動過程大致分為如下幾個階段：（1）加床料及流化：依次啟動各種風機，將一定數(shù)量的床料逐漸投入爐膛，形成流化；（2）加熱床料：點燃啟動燃燒器（油槍），利用熱煙氣將床料加熱到一定溫度；（3）“脈沖”給煤：開啟一臺給煤機，以脈沖方式向爐內(nèi)添加一定的固體燃料，通過床溫和氧氣濃度變化來確定固體燃料是否開始燃燒；（4）確定固體燃料已經(jīng)著火后，逐漸增加投煤，同時減少啟動燃燒油量，直至完全靠固體燃料維持燃燒時，啟動過程結(jié)束，流化床進入正常運行工況。2.3.1啟動過程建模分析分析上述過程，不難發(fā)現(xiàn)，啟動過程各個階段的本質(zhì)物理機理和正常運行過程完全一致，可以用基本相同的方程形式表達，具體分析如下：（1）床料添加過程本質(zhì)上還是固體物料在流化床內(nèi)的動態(tài)積累過程，式（4）是固體的動態(tài)質(zhì)量平衡模型（4）M為總床料質(zhì)量，為時間，和分別代表添加的燃料量和石灰石量，是排渣量（外界主動操作量），F(xiàn)L是飛灰量，代表脫硫反應生成硫酸鈣的速率，代表碳的總體反應速率。床料添加過程可以看作是式（4）的一個特例。此時，加入爐膛的不是燃料，而是不含碳的固體床料：由于不排渣，；由于流化風速較小，飛灰損失較小；另外，石灰石添加量，脫硫產(chǎn)生硫酸鈣的量以及碳燃燒反應速率均為零。設(shè)B1代表固體物料添加的速率，床料添加過程的數(shù)學表達為：（5）(2)點燃啟動油槍加熱床料過程不難發(fā)現(xiàn)，只要在式（6）右側(cè)添加一項燃油發(fā)熱量，就可描述出熱煙氣的熱床料使其升溫的過程，此時，固體燃料的發(fā)熱量為零，具體方程不列出了。（6）床內(nèi)的總物料質(zhì)量耐火襯層及受熱面金屬管壁的折合質(zhì)量流化床溫度固體物料比熱燃料（包括焦炭和揮發(fā)份）瞬時燃燒放熱量給粉物理焓添加固體的物理焓高溫飛灰和排渣帶走的物理焓爐膛出口煙氣的物理焓流化床通過布置在燃燒系統(tǒng)內(nèi)的各種受熱面放出的總熱量（3）“脈沖”給煤的模擬是流化床燃燒建模中最困難的問題之一。但由于方程（7）總碳質(zhì)量煤的收到基碳質(zhì)量份額碳總體燃燒反應速率床料平均含碳量描述的流化床內(nèi)殘?zhí)紕討B(tài)積累和動力學燃燒的本質(zhì)特征，而“脈沖”與否，不過是影響床料中總碳質(zhì)量的補充而已，因此方程（7）完全適用于脈沖給煤過程的描述。（4）顯然啟動過程的第4階段是上述幾種情況的疊加，完全可以用方程（4）—（7）描述。2.4數(shù)學模型的求解燃燒系統(tǒng)數(shù)學模型的求解采用牛頓—拉普森算法。爐膛沿高度分為4個室，每個小室有10個固體顆粒組的含碳量、1個溫度和1個氧量共12個未知變量，4個小室共48個未知量。則描述爐膛燃燒系統(tǒng)的平衡方程是一個48階的偏微分方程組。改寫方程左側(cè)的時間導數(shù)項為差分形式，并將其移到等式右側(cè)，則得到一個非線性代數(shù)方程組。定義小室i中的未知變量和上述非線性方程組的右函數(shù)分別為變量矢量和函數(shù)矢量如下：（k=1,2…..10,i=1,…4）采用牛頓——拉普森方法求解上述方程組，則第次迭代的牛頓修正因子為,其中，,,稱為雅可比矩陣。實際計算時，給定0時刻的初始條件，求得雅可比矩陣后，采用全選主元法求逆，反復進行迭代計算，直至滿足收斂條件，即完成一個時間步長的數(shù)學求解過程。以新條件作為初始條件，進入下一個時間步長的數(shù)學求解，如此下去，即得到按時間序列的燃燒系統(tǒng)的各個參數(shù)，所以此軟件可以研究燃燒系統(tǒng)動態(tài)特性。3循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)仿真軟件簡介根據(jù)前述仿真建模理論，本次燃燒系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)建立了爐膛系統(tǒng)、物料循環(huán)系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、爐內(nèi)傳熱等數(shù)學模型，并用高級語言開發(fā)了計算與顯示程序，模擬演示爐內(nèi)流動、物料平衡關(guān)系、點火升溫過程、煤粒燃燒、爐溫控制、升降負荷、主汽溫度控制、再熱汽溫控制等過程，可以定量觀察上述過程的變化速度、變化方向、動態(tài)過程等。畫面美觀，操作交互性強，仿真結(jié)果直接顯示在畫面上，且配以適當?shù)膭赢嬓Ч鷦又庇^，對科研提供了方便的手段，對教學、培訓能起到很大作用。

圖1仿真主系統(tǒng)界面圖圖1仿真主系統(tǒng)界面圖圖2仿真點火系統(tǒng)圖圖3仿真汽水系統(tǒng)圖4小結(jié)本文以HG-440/13.7-L.PM4型循環(huán)流化床鍋爐為對象，描述了以小室模型為基礎(chǔ)的寬篩分固體顆粒的燃燒系統(tǒng)模型構(gòu)建，包括固體顆粒和碳顆粒的質(zhì)量平衡方程、氧氣質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、煤粒燃燒方程、爐內(nèi)傳熱方程，簡介了模型的求解方法和軟件功能。它對開展循環(huán)流化床鍋爐的仿真研究提供了有力的工具，為開發(fā)循環(huán)流化床鍋爐培訓仿真機奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻1倪維斗,李政,徐向東等.熱力系統(tǒng)建模與控制中的若干問題2楊建華,屈衛(wèi)東,楊義波等.新鄉(xiāng)火電廠440t/h循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)特點.中國電力,2021,Vol.35,No.103呂俊復,張建勝,岳光溪等.循環(huán)流化床鍋爐燃燒室受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算方法清華大學學報,2021,Vol.40,No.2

社會實踐報告系別：班級：學號：姓名：作為祖國未來的事業(yè)的繼承人，我們這些大學生應該及早樹立自己的歷史責任感，提高自己的社會適應能力。假期的社會實踐就是很好的鍛煉自己的機會。當下，掙錢早已不是打工的唯一目的，更多的人將其視為參加社會實踐、提高自身能力的機會。許多學校也積極鼓勵大學生多接觸社會、了解社會，一方面可以把學到的理論知識應用到實踐中去，提高各方面的能力；另一方面可以積累工作經(jīng)驗對日后的就業(yè)大有裨益。進行社會實踐，最理想的就是找到與本專業(yè)對口單位進行實習，從而提高自己的實戰(zhàn)水平，同時可以將課本知識在實踐中得到運用，從而更好的指導自己今后的學習。但是作為一名尚未畢業(yè)的大學生，由于本身具備的專業(yè)知識還十分的有限，所以我選擇了打散工作為第一次社會實踐的方式。目的在于熟悉社會。就職業(yè)本身而言，并無高低貴賤之分，存在即為合理。通過短短幾天的打工經(jīng)歷可以讓長期處于校園的我們對社會有一種更直觀的認識。實踐過程：自從走進了大學，就業(yè)問題就似乎總是圍繞在我們的身邊，成了說不完的話題。在現(xiàn)今社會，招聘會上的大字報都總寫著“有經(jīng)驗者優(yōu)先”，可還在校園里面的我們這班學子社會經(jīng)驗又會擁有多少呢？為了拓展自身的知識面，擴大與社會的接觸面，增加個人在社會競爭中的經(jīng)驗，鍛煉和提高自己的能力，以便在以后畢業(yè)后能真正真正走入社會，能夠適應國內(nèi)外的經(jīng)濟形勢的變化，并且能夠在生活和工作中很好地處理各方面的問題，我開始了我這個假期的社會實踐-走進天源休閑餐廳。實踐，就是把我們在學校所學的理論知識，運用到客觀實際中去，使自己所學的理論知識有用武之地。只學不實踐，那么所學的就等于零。理論應該與實踐相結(jié)合。另一方面，實踐可為以后找工作打基礎(chǔ)。通過這段時間的實習，學到一些在學校里學不到的東西。因為環(huán)境的不同，接觸的人與事不同，從中所學的東西自然就不一樣了。要學會從實踐中學習，從學習中實踐。而且在中國的經(jīng)濟飛速發(fā)展，又加入了世貿(mào)，國內(nèi)外經(jīng)濟日趨變化，每天都不斷有新的東西涌現(xiàn)，在擁有了越來越多的機會的同時，也有了更多的挑戰(zhàn)，前天才剛學到的知識可能在今天就已經(jīng)被淘汰掉了，中國的經(jīng)濟越和外面接軌，對于人才的要求就會越來越高，我們不只要學好學校里所學到的知識，還要不斷從生活中，實踐中學其他知識，不斷地從各方面武裝自已，才能在競爭中突出自已，表現(xiàn)自已。在餐廳里,別人一眼就能把我人出是一名正在讀書的學生,我問他們?yōu)槭裁?他們總說從我的臉上就能看出來,也許沒有經(jīng)歷過社會的人都有我這種不知名遭遇吧!我并沒有因為我在他們面前沒有經(jīng)驗而退后,我相信我也能做的像他們一樣好.我的工作是在那做傳菜生,每天9點鐘-下午2點再從下午的4點-晚上8:30分上班,雖然時間長了點但,熱情而年輕的我并沒有絲毫的感到過累,我覺得這是一種激勵,明白了人生,感悟了生活,接觸了社會,了解了未來.在餐廳里雖然我是以傳菜為主,但我不時還要做一些工作以外的事情，有時要做一些清潔的工作，在學校里也許有老師分配說今天做些什么，明天做些什么，但在這里，不一定有人會告訴你這些，你必須自覺地去做，而且要盡自已的努力做到最好，一件工作的效率就會得到別人不同的評價。在學校，只有學習的氛圍，畢竟學校是學習的場所，每一個學生都在為取得更高的成績而努力。而這里是工作的場所，每個人都會為了獲得更多的報酬而努力，無論是學習還是工作，都存在著競爭，在競爭中就要不斷學習別人先進的地方，也要不斷學習別人怎樣做人，以提高自已的能力！記得老師曾經(jīng)說過大學是一個小社會，但我總覺得校園里總少不了那份純真，那份真誠，盡管是大學高校，學生還終歸保持著學生的身份。而走進企業(yè)，接觸各種各樣的客戶、同事、上司等等，關(guān)系復雜，但我得去面對我從未面對過的一切。記得在我校舉行的招聘會上所反映出來的其中一個問題是，學生的實際操作能力與在校理論學習有一定的差距。在這次實踐中，這一點我感受很深。在學校，理論的學習很多，而且是多方面的，幾乎是面面俱到；而在實際工作中，可能會遇到書本上沒學到的，又可能是書本上的知識一點都用不上的情況?；蛟S工作中運用到的只是很簡單的問題，只要套公式似的就能完成一項任務。有時候我會埋怨，實際操作這么簡單，但為什么書本上的知識讓人學得這么吃力呢？這是社會與學校脫軌了嗎？也許老師是正確的，雖然大學生生活不像踏入社會，但是總算是社會的一個部分，這是不可否認的事實。但是有時也要感謝老師孜孜不倦地教導，有些問題有了有課堂上地認真消化，有平時作業(yè)作補充，我比一部人具有更高的起點，有了更多的知識層面去應付各種工作上的問題，作為一名大學生，應該懂得與社會上各方面的人交往，處理社會上所發(fā)生的各方面的事情，這就意味著大學生要注意到社會實踐，社會實踐必不可少。畢竟，很快我就不再是一名大學生，而是社會中的一分子，要與社會交流，為社會做貢獻。只懂得紙上談兵是遠遠不及的，以后的人生旅途是漫長的，為了鍛煉自己成為一名合格的、對社會有用的人才.很多在學校讀書的人都說寧愿出去工作，不愿在校讀書；而已在社會的人都寧愿回校讀書。我們上學，學習先進的科學知識，為的都是將來走進社會，獻出自己的一份力量，我們應該在今天努力掌握專業(yè)知識，明天才能更好地為社會服務。實踐心得：雖然這次的實踐只有短短的幾天，而且從事的是比較簡單的服務工作，但是通過與各種各樣的人接觸，還是讓我學會了很多道理。首先是明白了守時的重要性。工作和上學是兩種完全不同的概念，上學是不遲到很多時候是因為懼怕老師的責怪，而當你走上了工作崗位，這里更多的是由于自己內(nèi)心的一種責任。這種責任是我學會客服自己的惰性，準時走上自己的崗位。這對我以后的學習生活也是一種鞭策，時刻牢記自己的責任，并努力加強自己的時間觀念。其次讓我真實的體會到了合作的重要性。雖然我工作的只是小小的一家餐廳，但是從點單到制作到遞送到結(jié)帳這一環(huán)環(huán)的工作都是有分工的，只有這樣才能使整家店的工作效率都大大的提高。以前雖然在書上看見過很多的團隊合作的例子，但這一次是深刻的體會到了，正所謂“眾人拾柴火焰高”，“團結(jié)就是力量”。在以后的學習和工作中，一定會要牢記這一