鍋爐熱力計(jì)算模型的研究

0計(jì)算模型的局限路橋設(shè)備的多樣性和熱敏面的熱敏性被任意配置，這決定了熱計(jì)算模型的描述應(yīng)高度概括，其算法應(yīng)一般使用。而傳統(tǒng)的熱力算法研究和標(biāo)準(zhǔn)大都集中于像爐膛和對(duì)流受熱面這樣的單個(gè)設(shè)備。而實(shí)際工程中的鍋爐熱力計(jì)算模型往往有大量受熱面按照一定的拓?fù)渑判?組成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。計(jì)算過程則是各受熱面數(shù)學(xué)方程的聯(lián)立求解。為了增加系統(tǒng)的通用性,本研究采用網(wǎng)結(jié)構(gòu)的描述方法,建立高度概括的鍋爐熱力計(jì)算數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上利用過程系統(tǒng)模擬計(jì)算的序貫?zāi)K法,給出通用的計(jì)算方法。1有限物流集的a鍋爐熱力計(jì)算模型可以抽象為由多個(gè)過程單元按設(shè)計(jì)方案相互銜接組成的質(zhì)量和能量變換過程,可以借助網(wǎng)結(jié)構(gòu)的描述方法建立其通用的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型。定義1鍋爐熱力計(jì)算模型是一個(gè)三元組,網(wǎng)H=(U,F,A)。其中:U—有限單元集,U={u1,u2,…,um},m=|U|>0;F—有限物流集,F={f1,f2,…,fn},n=|F|>0;A=U×F×U—有向弧集,代表單元之間的相互連接。A={a1,a2,…,an},A與F存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。定義2在網(wǎng)H中的A元素a=〈up,f,un〉。up,un不同時(shí)為空,代表從單元up到un傳遞物質(zhì)f的連接弧,稱f是up的輸出和un的輸入,up和un是f的前綴單元和后續(xù)單元,分別記為·f和f·。當(dāng)up為空時(shí),稱f為系統(tǒng)的輸入,其集合記為·H;當(dāng)un為空時(shí),稱f為系統(tǒng)的輸出,其集合記為H·。u∈U,記·u={f∈F|A=〈up,f,un〉,un=u}為單元u的輸入集,|·u|為單元u的入度;記u·={f∈F|A=〈up,f,un〉,up=u}為單元的輸出集,|u·|為單元u的出度。對(duì)于一般單元(鍋筒、爐膛、對(duì)流受熱面),其出/入度以及輸入/輸出(I/O)的物流類型是確定的,而匯流和分流單元的I/O物流類型取決于與它相連的物流。2計(jì)算方法計(jì)算方法采用過程系統(tǒng)模擬中的序貫?zāi)K法,假定流程中各流體的壓力已知。2.1模型的控制策略鍋爐熱力計(jì)算中需要賦初值的量?jī)H僅是冷質(zhì)的流量及溫度。顯然影響工質(zhì)流量和分布的因素除了已知輸入流量的系統(tǒng)輸入外,還有鍋筒產(chǎn)汽量Qe、減溫器的噴水量De和輸出蒸汽的用戶額定值Q;而影響空氣流量和分布的僅僅是爐膛燃燒的理論空氣量A0。除了Qe和QˉˉˉQˉ在參數(shù)輸入時(shí)需要賦值外,De初值可取0,A0通過燃料分析獲得。所以對(duì)Qe和QˉˉˉQˉ賦初值后,模型的質(zhì)量平衡計(jì)算可用質(zhì)量守恒定律來完成。關(guān)于溫度賦初值可以采用低值原則,即進(jìn)入蒸發(fā)設(shè)備前的工質(zhì)取進(jìn)水溫度,蒸發(fā)設(shè)備后的工質(zhì)取飽和溫度,而空氣取輸入溫度。有了以上賦初值方法后,鍋爐熱力計(jì)算方法雖然采用了序貫?zāi)K法,但不需要對(duì)環(huán)流回路進(jìn)行斷裂處理?？紤]一般情況,總體控制計(jì)算方法如下:(1)檢查合法性,成立進(jìn)入(2);否則計(jì)算結(jié)束。(2)溫度初始化。(3)減溫器噴水量和鍋筒產(chǎn)汽量是否影響質(zhì)量平衡?是作(4)～(8)的循環(huán);否則進(jìn)入(9)。(4)是否第一次循環(huán)?是則把鍋筒產(chǎn)汽量置成估算值,各級(jí)噴水量置成0,進(jìn)入(5);否則進(jìn)入(5)。(5)進(jìn)行一次質(zhì)量平衡計(jì)算。(6)進(jìn)行一次能量平衡計(jì)算,如果需要計(jì)算鍋筒產(chǎn)汽量,在此過程中求得。(7)如果減溫器噴水量影響質(zhì)量平衡,求各級(jí)減溫器噴水量。(8)與前次噴水量和產(chǎn)汽量相比較,誤差是否大于允許值?是則繼續(xù)循環(huán);否則進(jìn)入(10)。(9)進(jìn)行一次質(zhì)量平衡和能量平衡計(jì)算。(10)結(jié)束計(jì)算。從以上算法可知,如果減溫器噴水(汽)量和鍋筒產(chǎn)汽量影響系統(tǒng)的質(zhì)量平衡,則質(zhì)量平衡計(jì)算和能量平衡計(jì)算是兩個(gè)相互交叉迭代過程。2.2計(jì)算流體物理性質(zhì)由于采用序貫迭代法,對(duì)流體的初溫選定的要求并不高,只要求在能量平衡計(jì)算過程中,同一對(duì)流受熱面中不出現(xiàn)被加熱的流體的輸入溫度高于煙氣輸入溫度,以及計(jì)算過程中溫度值不超出所提供的流體物理性質(zhì)計(jì)算范圍即可?？諝夂退疁囟瘸跏蓟筛鶕?jù)輸入端溫度,分別沿它們流動(dòng)路徑賦相同的值;蒸汽則按照產(chǎn)生地(鍋筒的飽和溫度)或輸入端(如果系統(tǒng)存在蒸汽輸入)的溫度。如遇煙氣循環(huán)存在,則采用與蒸汽相同的初始化方式進(jìn)行,即使用爐膛出口溫度或輸入溫度。2.3工質(zhì)質(zhì)量平衡計(jì)算質(zhì)量平衡包括煙氣、空氣和工質(zhì)三方面。煙氣平衡從煙氣輸入點(diǎn)(余熱鍋爐)或產(chǎn)生點(diǎn)(爐膛出口)開始,沿?zé)煔饬鲃?dòng)路徑遍歷執(zhí)行每個(gè)單元的質(zhì)量平衡方程,就可達(dá)到系統(tǒng)的煙氣質(zhì)量平衡。空氣質(zhì)量平衡從空氣需求點(diǎn)(爐膛空氣入口)開始,沿空氣流動(dòng)路徑反向遍歷執(zhí)行每個(gè)單元的空氣質(zhì)量平衡方程,也可以達(dá)到系統(tǒng)的空氣質(zhì)量平衡。而工質(zhì)質(zhì)量平衡的計(jì)算遠(yuǎn)比煙氣與空氣更復(fù)雜。工質(zhì)出口額定參數(shù)、減溫器噴水(汽)量、鍋筒產(chǎn)汽量和系統(tǒng)工質(zhì)輸入質(zhì)量四方面因素都可以影響系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量平衡。在設(shè)計(jì)計(jì)算階段,如果工質(zhì)的輸出必須達(dá)到額定要求時(shí),可以將額定參數(shù)作為決定工質(zhì)質(zhì)量分配的決定因素。這時(shí),設(shè)計(jì)人員需要調(diào)整蒸發(fā)設(shè)備的受熱面積,使其蒸發(fā)量符合額定要求。而在校合計(jì)算階段,鍋筒產(chǎn)汽量決定了系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量分配。不失一般性,設(shè)在模型中,符合工質(zhì)額定輸出流量的系統(tǒng)輸出集為H·q={h·qi},H·q?H·;已知工質(zhì)輸入流量的系統(tǒng)輸入集為·Hq={·hqi},·Hq?·H;服從鍋筒產(chǎn)汽量分配的對(duì)應(yīng)鍋筒單元集為D={di},D?U。工質(zhì)質(zhì)量平衡計(jì)算可分3部分考慮:(1)從H·q={h·qi}每個(gè)元素出發(fā),進(jìn)行反向工質(zhì)質(zhì)量平衡計(jì)算;(2)從·Hq={h·qi}每個(gè)元素出發(fā),進(jìn)行正向工質(zhì)質(zhì)量平衡計(jì)算;(3)從D={di}每個(gè)元素出發(fā),正向?qū)φ羝|(zhì)量平衡計(jì)算,反向?qū)λM(jìn)行質(zhì)量平衡。而減溫器的噴水(汽)量只是確定了噴水(汽)點(diǎn)的流量,不需要專門過程處理。部分計(jì)算可以歸納或分解成模型子結(jié)構(gòu)中的正向和反向質(zhì)量平衡計(jì)算。因?yàn)槟Ｐ偷淖咏Y(jié)構(gòu)仍然是網(wǎng)結(jié)構(gòu),所以正向與反向遍歷路徑可能存在相互交叉現(xiàn)象,且在交叉單元(一般為分流單元)上首先遍歷時(shí),因邊界條件不足造成不具備繼續(xù)計(jì)算的條件,需要暫時(shí)停止計(jì)算,由后進(jìn)行的遍歷達(dá)到此單元后,繼續(xù)進(jìn)行首先遍歷的內(nèi)容。假如首先進(jìn)行的是反向遍歷,則反向遍歷計(jì)算方法為:(1)從子結(jié)構(gòu)的每個(gè)蒸汽出口開始,對(duì)每個(gè)元素循環(huán)(2)～(5)。(2)從某一元素出發(fā),找到它的前綴單元。(3)判別存在是否且具備反向平衡計(jì)算條件?是進(jìn)入(4);否進(jìn)入下一循環(huán)。(4)執(zhí)行單元質(zhì)量平衡計(jì)算,對(duì)單元和獲流量的輸出集打上標(biāo)志。(5)以獲流量輸出集的每個(gè)元素作為起點(diǎn),遞歸進(jìn)入(2)。正向質(zhì)量平衡計(jì)算與反向質(zhì)量平衡計(jì)算類似,只是遍歷方向不同,遇到已經(jīng)遍歷過的單元,則計(jì)算不再繼續(xù)。另外,如果遇到已具備反向平衡計(jì)算的單元,則再次遞歸進(jìn)入反向遍歷計(jì)算過程。2.4單元計(jì)算方法的確定在完成一步質(zhì)量平衡迭代計(jì)算后,可進(jìn)入該條件下的一步能量平衡計(jì)算過程,每步能量平衡的計(jì)算也是一個(gè)迭代過程,算法如下:(1)從(2)循環(huán)到(7)。(2)如果有爐膛,進(jìn)行爐膛熱力計(jì)算。(3)從系統(tǒng)煙氣輸入或產(chǎn)生點(diǎn)開始,遍歷煙氣路徑,對(duì)每個(gè)單元執(zhí)行能量平衡計(jì)算。(4)從工質(zhì)輸入點(diǎn)開始,遍歷工質(zhì)路徑,對(duì)沒進(jìn)行能量平衡過的單元執(zhí)行計(jì)算。(5)從空氣輸入點(diǎn)開始,遍歷空氣路徑,對(duì)沒進(jìn)行能量平衡過的單元執(zhí)行計(jì)算。(6)鍋筒產(chǎn)汽量是否影響質(zhì)量平衡,是則執(zhí)行一次質(zhì)量平衡計(jì)算,否則進(jìn)入(7)。(7)判別是否達(dá)到誤差要求,達(dá)到要求則退出循環(huán),否則進(jìn)入下一循環(huán)。2.5減溫器水腫汽量的求解考慮通用情況,設(shè)某可調(diào)減溫器Dh∈U(在一路蒸汽中,如果有多個(gè)減溫器,只能有一個(gè)可調(diào))對(duì)應(yīng)的輸出蒸汽流元素為v,對(duì)應(yīng)鍋筒單元為D∈U,所求減溫器Dh的噴水(汽)量為q,使得的品質(zhì)達(dá)到額定溫度與流量(TˉˉˉΤˉ,QˉˉˉQˉ),計(jì)算通過迭代法完成?？紤]到qQˉˉˉQˉ,可以認(rèn)為,減溫器所噴水(汽)量的增加使得噴水點(diǎn)蒸汽溫度下降,下降的值等于蒸汽出口溫度與額定溫度的差,此處理方法雖然有誤差,但誤差在迭代過程中逐步收斂。設(shè)第i-1步計(jì)算的噴水(汽)量為qi-1,對(duì)應(yīng)的出口蒸汽溫度為Ti-1,則利用能量平衡原理,其第i步噴水量qi用下式求得:hi?1Qˉˉˉ+Δqiho=hˉ(Qˉˉˉ+Δqi)i=0,1,2hi-1Qˉ+Δqiho=hˉ(Qˉ+Δqi)i=0,1,2或Δqi=qi?qi?1=(hi?1?hˉ)Qˉˉˉ/(hˉ?h0)(1)Δqi=qi-qi-1=(hi-1-hˉ)Qˉ/(hˉ-h0)(1)所以減溫器噴水(汽)量的求解方法為:q0=0qi=qi?1+(hi?1?hˉ)Qˉˉˉ/(hˉ?h0)(2)q0=0qi=qi-1+(hi-1-hˉ)Qˉ/(hˉ-h0)(2)式中hi-1—出口蒸汽溫度為Ti-1時(shí)蒸汽比焓;hˉhˉ—額定蒸汽比焓;h0—所噴水(汽)比焓。2.6qdrum—鍋筒產(chǎn)汽量計(jì)算鍋筒的蒸汽產(chǎn)量并不等于蒸發(fā)設(shè)備的蒸發(fā)量,而是需要通過能量平衡計(jì)算獲得:qdrum=[β(Iw+Qe)-Ipw]/ibh(3)式中Iw—鍋筒進(jìn)水焓速(單位時(shí)間);Qe—蒸發(fā)設(shè)備吸收的焓速;Ipw—排污損失的焓速;ibh—鍋筒飽和蒸汽的比焓;β≤1—熱有效系數(shù)。2.7傳熱系數(shù)法k在單位時(shí)間內(nèi),工質(zhì)在對(duì)流過程中從煙氣吸收熱量符合能量平衡和傳熱控制方程:d(i″-i′)=φ(I′-I″±Q0)=kVtH(4)式中d—工質(zhì)流量;i′,i″—工質(zhì)單位質(zhì)量進(jìn)出口焓;I′,I″—煙氣的進(jìn)出口焓;Q0—負(fù)壓漏風(fēng)帶進(jìn)或正