電廠鍋爐實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

張 偉， 張紫涵， 李 斌， 徐 博， 王小亮， 許加達(dá)

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.博努力（北京）仿真技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引 言

鍋爐是火力發(fā)電系統(tǒng)的三大主機(jī)之一，通過(guò)燃燒化石燃料產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣，用以推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在新能源發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，火力發(fā)電占比仍達(dá)70%［1］。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，作為我國(guó)電力工業(yè)壓艙石的煤電機(jī)組不會(huì)改變［2］。這就意味著，鍋爐依然是不可替代的能源轉(zhuǎn)換裝備。

《鍋爐原理》是我國(guó)高等院校能源與動(dòng)力工程專業(yè)的核心課程之一，系統(tǒng)講述鍋爐工作原理、結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)計(jì)算等相關(guān)知識(shí)。課程涉及流動(dòng)、燃燒、傳熱等基本理論以及幾者演化而成的鍋爐熱力、水動(dòng)力、煙風(fēng)阻力計(jì)算方法，課程內(nèi)容豐富、綜合性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大。為保障學(xué)習(xí)效果，除理論教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)必不可少。楊東存［3］構(gòu)建了船舶燃油鍋爐實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、高興泉等［4］設(shè)計(jì)了一套電熱鍋爐實(shí)驗(yàn)裝置、邵懷爽等［5］發(fā)明了一種分體管殼式余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、張偉等［6］搭建了燃?xì)庠罹邔?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，各自為學(xué)生開設(shè)了實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是針對(duì)小型鍋爐或燃燒裝置開發(fā)的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能較少，無(wú)法開展高溫、高壓電廠鍋爐實(shí)驗(yàn)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)模仿設(shè)備工作過(guò)程，可用于開展實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)。學(xué)生在虛擬環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象中，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)［7］。實(shí)驗(yàn)虛擬仿真具有低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合高溫、高壓、高污染等實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，成為高校能源動(dòng)力類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向［8-9］。曾令艷等［10-11］基于Fluent軟件，構(gòu)建了電廠鍋爐燃燒特性實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果。趙媛媛等［12］建立火電廠三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、開放式Gsuite（GSE）仿真分析和STAR-90 仿真教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)、專業(yè)、前沿3 層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，奠定了專業(yè)人才培養(yǎng)基礎(chǔ)。張成等［13］建立鍋爐機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)，引入新穎考評(píng)模式，明顯提高了實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果。王哲等［14］建立了1 GW 超超臨界火電機(jī)組燃燒實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)，用于燃燒器擺角、空氣量、吹灰等對(duì)燃燒效率和污染物排放的影響實(shí)驗(yàn)。路勇等［15］搭建了船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)效果。

在新工科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證背景下，鼓勵(lì)核心課程實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)［16-17］。開發(fā)電廠鍋爐實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)，應(yīng)用于《鍋爐原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提升學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，更好地服務(wù)于國(guó)家能源戰(zhàn)略。

1 鍋爐實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)等課程的理論知識(shí)，應(yīng)用圖形化建模工具搭建實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)底層模型，應(yīng)用Fortran、C/C++、C#等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫模型計(jì)算程序，通過(guò)高精度的數(shù)值迭代算法實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)動(dòng)態(tài)變化特性，以可視化的操作界面再現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。

本實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)共設(shè)計(jì)開發(fā)了變負(fù)荷、熱平衡、變風(fēng)量、調(diào)氣溫、變?nèi)剂?、啟停爐、吹掃點(diǎn)火及制粉特性8 項(xiàng)內(nèi)容，構(gòu)建的模型不依賴預(yù)定的關(guān)系曲線，嚴(yán)格遵守質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒方程，完全符合物理學(xué)、數(shù)學(xué)的基本定律。以“負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響”實(shí)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建模過(guò)程。根據(jù)電廠鍋爐運(yùn)行的基本規(guī)律，開發(fā)“鍋爐燃燒爐膛”“煙氣換熱”“風(fēng)量計(jì)算”和“燃料計(jì)算”等風(fēng)煙系統(tǒng)主要模塊（模型）和“水冷壁鍋筒”“汽水換熱”等汽水系統(tǒng)主要模塊（模型）。

1.1 風(fēng)煙系統(tǒng)模型構(gòu)建

風(fēng)煙系統(tǒng)如圖1 所示，由爐膛、輻射過(guò)熱器、再熱器、對(duì)流過(guò)熱器、省煤器等煙氣側(cè)通道組成（結(jié)構(gòu)尺寸取自于330 MW亞臨界煤粉鍋爐）。在風(fēng)煙模型中，通過(guò)“送風(fēng)計(jì)算”和“燃料計(jì)算”模塊進(jìn)行鍋爐燃料輸入和風(fēng)量輸入計(jì)算；通過(guò)“鍋爐燃燒爐膛”模塊進(jìn)行鍋爐燃燒和爐內(nèi)傳熱計(jì)算，得出火焰沿程溫度分布；通過(guò)“煙氣換熱”模塊進(jìn)行煙道內(nèi)煙氣傳熱計(jì)算，得出煙氣沿程溫度分布。爐膛內(nèi)和煙道中分別遵循輻射和對(duì)流傳熱原理［18］，輻射、對(duì)流傳熱量Qf、Qd分別為：

圖1 風(fēng)煙系統(tǒng)模型

式中：σ0為黑體輻射常數(shù)，0.056 7 μW/（m2·K4）；Hf、Hd分別為輻射、對(duì)流傳熱面積，m2；axt為爐膛系統(tǒng)黑度；K為對(duì)流傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；Tb為爐壁平均溫度，K；tg為工質(zhì)平均溫度，℃。火焰和煙氣平均溫度Th、ty分別為：

式中：Tll為理論煙氣溫度，只與燃料和配風(fēng)有關(guān)，K；T″l為爐膛出口煙溫，K；tpy為排煙溫度，℃；n為經(jīng)驗(yàn)值，只與爐型有關(guān)。

1.2 汽水系統(tǒng)模型構(gòu)建

汽水系統(tǒng)如圖2 所示，給水經(jīng)省煤器煙-水對(duì)流傳熱、水冷壁火-水輻射傳熱，鍋筒中的水產(chǎn)生蒸汽；蒸汽經(jīng)低溫過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器煙-汽對(duì)流傳熱，變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽；過(guò)熱蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)高壓缸做功后進(jìn)入冷再母管，此蒸汽經(jīng)中溫再熱器、高溫再熱器煙-汽對(duì)流傳熱，進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸做功。在“水冷壁鍋筒”模塊進(jìn)行水加熱產(chǎn)生蒸汽計(jì)算；在“汽水換熱”模塊進(jìn)行過(guò)熱和再熱蒸汽傳熱計(jì)算。汽水側(cè)的計(jì)算應(yīng)用兩相流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，對(duì)汽相、液相、混相分別列出質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，計(jì)算過(guò)程考慮了汽、液兩相間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的動(dòng)量、能量和質(zhì)量交換，真實(shí)反映流動(dòng)傳熱的內(nèi)在機(jī)理。兩相混合物的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程分別為：

圖2 汽水系統(tǒng)模型

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

式中：ρ為兩相混合物密度，kg·m-3；τ為時(shí)間，s；G為兩相混合物質(zhì)量流量，kg·s-1；A為控制體的通流面積，m2；z為控制體的長(zhǎng)度坐標(biāo)，m；p為兩相混合物壓力，Pa；g為重力加速度，m·s-2；θ 為流場(chǎng)與汽相、液相控制體交界面的夾角，°；τw為分界面上的剪切應(yīng)力，N；Uw為分界面上的潤(rùn)濕界長(zhǎng)，m；α 為空泡份額；ρl、ρg分別表示液相、汽相密度，kg·m-3；ul、ug分別表示液相、汽相流速，m·s-1；e′l、e′g分別為單位質(zhì)量的液相、汽相總能，J·kg-1；UH為傳熱周長(zhǎng)，m；q″、q?分別為單位面積的加熱面、內(nèi)熱源傳熱量，J·m-2。

2 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真案例

本實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)可開展8 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以“負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響”為例，介紹實(shí)驗(yàn)虛擬仿真過(guò)程。

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

在鍋爐虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面，點(diǎn)選“負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響”，點(diǎn)擊“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”，即來(lái)到圖3 所示的實(shí)驗(yàn)界面。一個(gè)完整的變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

圖3 負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響實(shí)驗(yàn)操作界面

步驟1點(diǎn)擊“開始”按鈕，讀取負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響實(shí)驗(yàn)初始工況。

步驟2點(diǎn)擊“開始自動(dòng)采集”按鈕，每隔30 s左右自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一次。

步驟3點(diǎn)擊“目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定”按鈕，設(shè)定目標(biāo)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)值。

步驟4點(diǎn)擊“變化率設(shè)定”按鈕，設(shè)定鍋爐負(fù)荷變化率值。

步驟5待目標(biāo)負(fù)荷達(dá)到設(shè)定值，點(diǎn)擊“結(jié)束自動(dòng)采集”按鈕，結(jié)束數(shù)據(jù)采集。

步驟6點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕，“負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響”實(shí)驗(yàn)全部操作完成。

步驟7點(diǎn)擊“生成報(bào)告”，生成本實(shí)驗(yàn)報(bào)告（含原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄）。

上述步驟的按鈕位置已經(jīng)標(biāo)記在了圖3 的實(shí)驗(yàn)界面中。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)前，目標(biāo)負(fù)荷設(shè)為1 000 t/h、起始負(fù)荷為800 t/h、負(fù)荷變化率設(shè)為20 t/min；實(shí)驗(yàn)完成后，生成報(bào)告中記錄的過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽、燃料量、過(guò)量空氣系數(shù)、爐膛出口煙溫、排煙溫度等部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 負(fù)荷對(duì)鍋爐性能影響實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄

為直觀展示變負(fù)荷對(duì)鍋爐的各項(xiàng)參數(shù)的影響，繪制了汽量、汽溫、燃料量、煙溫等參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系，結(jié)果如圖4 ～7 所示。

圖4 蒸汽流量隨時(shí)間變化

圖4 曲線規(guī)律表明，隨時(shí)間進(jìn)行，過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽流量均增加，這體現(xiàn)了鍋爐的升負(fù)荷實(shí)驗(yàn)任務(wù)。相比于再熱汽溫的變化幅度，過(guò)熱汽溫一直比較平穩(wěn)，上下波動(dòng)不超過(guò)1 ℃（見(jiàn)圖5）。由圖6 可見(jiàn)，隨鍋爐負(fù)荷（時(shí)間）增加，燃料耗量幾乎線性增加，但過(guò)量空氣系數(shù)卻幾近線性降低。由圖中7 可見(jiàn)，爐膛出口和排煙處（鍋爐出口）的煙溫，均隨負(fù)荷的增加而增加。

圖5 蒸汽溫度隨時(shí)間變化

圖6 燃料空氣隨時(shí)間變化

2.3 結(jié)果分析

得到2.2 節(jié)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，僅是變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最基本要求。更深層次的目的是，希望學(xué)生運(yùn)用燃燒傳熱等基本原理，合理分析解釋上述變化。鍋爐將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成高溫?zé)煔鉄崮埽唤?jīng)傳熱過(guò)程，將此熱能傳遞給水使其變?yōu)樗魵?。爐膛中，煙氣以輻射傳熱為主；尾部煙道中，煙氣以對(duì)流傳熱為主。

由圖5 可知，過(guò)熱蒸汽溫度非常平穩(wěn)，所以負(fù)荷（Qf+Qd，式（1）+（2））增加純由蒸汽流量增加所致（見(jiàn)圖4）。要使蒸汽流量增加，鍋爐供給燃料量必須增加，圖6 所示規(guī)律恰好證明于此。根據(jù)文獻(xiàn)［18］，系統(tǒng)黑度axt和傳熱系數(shù)K受燃料量或煙氣量影響小，因此要使Qf+Qd（負(fù)荷）增加，輻射和對(duì)流傳熱溫差須增加。鑒于工質(zhì)溫度不變，那么火焰和煙氣平均溫度必然要升高。

由于理論煙氣溫度不受燃料量影響，配風(fēng)降低對(duì)理論燃燒溫度提升有限。根據(jù)式（3），只有爐膛出口煙溫增加，才能提升火焰平均溫度。由圖7 可見(jiàn)，這個(gè)趨勢(shì)，即負(fù)荷從800 t/h增至1 000 t/h時(shí)，爐膛出口煙溫從1 242 ℃增加到1 429 ℃。由式（4）可知，只要排煙溫度與爐膛出口煙溫之和增加，就能提升煙氣平均溫度，仿真系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果是，排煙溫度也隨著負(fù)荷增加而增加（見(jiàn)圖7）。

圖7 煙氣溫度隨時(shí)間變化

掌握負(fù)荷對(duì)熱效率的影響也是本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)之一。為計(jì)算熱效率，摘錄并查取了表2 所示的兩個(gè)負(fù)荷下的各項(xiàng)參數(shù)。

表2 熱效率計(jì)算所需數(shù)據(jù)記錄

基于正平衡方法，根據(jù)給水、蒸汽與燃料參數(shù)，運(yùn)用以下公式計(jì)算熱效率：

式中：Qgl為鍋爐有效利用熱，kJ·h-1；Dgr、Dzr分別為過(guò)熱、再熱蒸汽的流量，t·h-1；igr、igs、izc、izr分別為過(guò)熱蒸汽、給水、再熱蒸汽入口、再熱蒸汽出口的焓值，kJ·kg-1；ηgl為熱效率，%；B為燃料耗量，kg·h-1；Qr為燃料熱值，kJ·kg-1。

計(jì)算得出的蒸發(fā)量808、1 001 t/h 的熱效率分別是91.4%、90.7%。結(jié)果表明，負(fù)荷率低、熱效率相對(duì)高一些，但總體差異不大。原因是，負(fù)荷小時(shí)排煙溫度低、過(guò)量空氣系數(shù)大，負(fù)荷大時(shí)排煙溫度高、過(guò)量空氣系數(shù)小；排煙溫度和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)熱效率的影響呈現(xiàn)相反趨勢(shì)（見(jiàn)圖6、7）。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)虛擬仿真既能規(guī)避大型動(dòng)力設(shè)備實(shí)操危險(xiǎn)，又能深入研究設(shè)備的特性規(guī)律。提升學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)質(zhì)量，已然成為當(dāng)下高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。在新工科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證需求下，能動(dòng)系聯(lián)合仿真技術(shù)有限公司，開發(fā)了電廠鍋爐實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)。

（1）實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)由風(fēng)煙系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)兩大模塊構(gòu)成，風(fēng)煙系統(tǒng)完成風(fēng)量、燃燒、煙溫分布計(jì)算，汽水系統(tǒng)完成工質(zhì)吸熱、相態(tài)變化、參數(shù)分布計(jì)算。構(gòu)建數(shù)學(xué)模型不依賴于預(yù)定的關(guān)系曲線，嚴(yán)格遵守傳熱原理及氣液兩相流動(dòng)原理，可開展電廠鍋爐的變負(fù)荷、變?nèi)剂?、調(diào)氣溫等8 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

（2）變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)虛擬案例顯示，隨著負(fù)荷的增加，鍋爐熱效率降低、燃料消耗量增加。分析爐膛熱力計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，理論燃燒溫度與負(fù)荷無(wú)關(guān)，爐壁溫度只受工質(zhì)溫度影響，只有爐膛出口煙溫增加，才能提升輻射傳熱負(fù)荷，抬升后續(xù)煙氣溫度，導(dǎo)致排煙溫度增加、排煙熱損失變大、鍋爐熱效率降低。

（3）鍋爐熱力計(jì)算方法是《鍋爐原理》最重要的課程內(nèi)容，能熟練運(yùn)用該環(huán)節(jié)知識(shí)解析復(fù)雜工程問(wèn)題，代表著學(xué)生綜合能力的養(yǎng)成。電廠鍋爐實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)恰恰是基于傳熱原理開發(fā)的，8 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均要求學(xué)生運(yùn)用鍋爐本體熱力計(jì)算原理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。鍋爐實(shí)驗(yàn)虛擬仿真是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要舉措。