[发明专利]基于流程模拟的锅炉设计计算方法

说明书

本发明涉及一种基于流程模拟的锅炉设计计算方法，在锅炉设计计算过程中加入过程模拟环节，利用详细的燃烧和换热过程模拟，精确计算炉膛内的燃烧过程和热量分布及与各级受热面的换热量，以此为基础进行锅炉设计计算。通过精确的燃烧过程模拟，获得炉内各区域详细的热量分布、烟气的成分及污染物排放水平、烟气侧和工质侧详细的沿程参数和物性参数，最终获得基于热量、传热温差、物性参数等的各受热面的面积；并且在模拟过程中，针对污染物排放水平、燃烧效率、锅炉的热效率和效率等进行经济环境效益指标评估和优化设计。

技术领域

本发明涉及锅炉设计技术领域，尤其是一种基于流程模拟的锅炉设计计算方法。

背景技术

大型锅炉在火力发电及工业生产中有着广泛的应用，针对不同煤种或其他固体燃料以及不同循环工质的设计计算是锅炉设计、制造、运行的基础。一直以来，锅炉设计计算的炉内燃烧热量分配或燃烧份额和一些关键传热参数都依靠长期的实践经验确定。然而在不断探索高效清洁锅炉装置来提高效率的过程中，具有新型结构或新型动力循环的锅炉设计计算面临着很多重大的问题。其中就有因为锅炉的结构、工质类型及工质的吸热条件、受热面布置发生巨大变化而不再能够根据经验确定炉内的燃烧热量分布及关键传热参数。此外，随着当前对能源高效、清洁、低污染的利用的要求越来越高，需要在锅炉设计之初就进行根本性的充分考虑。

以新型的超临界二氧化碳循环燃煤发电锅炉为例，超临界CO₂为工质的布雷顿循环替代传统的蒸汽朗肯循环用于热力发电，具有发电效率高、设备尺寸小、负荷调节灵活等诸多潜在优点，是当前的研究热点之一。但由于CO₂在超临界状态进入锅炉时的温度达到400℃以上，较传统的蒸汽循环的给水温度高约200℃，而在锅炉的温升较小，工质流量大。这与传统的蒸汽朗肯循环锅炉有着较大的差异。以往蒸汽循环锅炉的设计方法中用到的炉膛的热量分布来自于长期的实践经验，这种基于经验的设计选取在新型的超临界CO₂锅炉设计计算中无法适用。超临界CO₂循环的新型锅炉的设计计算，没有任何实践经验可以直接参考，需要一种可以精确计算燃烧与工质吸热条件的锅炉设计计算方法。同时，现有锅炉设计计算传热系数等参数也是经验获得，无法充分灵活考虑当前具有新型结构或新型动力系统锅炉中实际的气固燃烧动力特性及工质传热特性，精确选择。此外，传统的锅炉设计计算不涉及详细的污染物排放等经济环境效益评估。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于流程模拟的锅炉设计计算方法，目的是避免热量分布依赖经验值进行人工假定，从而解决对在锅炉结构和工质的物性及吸热条件和传统锅炉相比发生巨大变化时，经验值不能完全适用于新型锅炉设计的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于流程模拟的锅炉设计计算方法，包括如下步骤：

S1、初步设计：选定锅炉设计参数，建立锅炉燃烧热平衡，确定燃料量和总风量，并对炉膛结构和尺寸进行预估；

S2、建立流程模拟，基于模拟结果开展锅炉设计计算：

S21、构建模块化燃烧模拟模型：将炉膛划分为多个区域，每个区域对应一个反应器，各反应器沿烟气走向串联连接，利用各反应器模拟燃料干燥、裂解和挥发析出以及焦炭在炉膛内的燃烧过程，进而得到每个区域的炉膛燃烧过程及热量释放；

S22、建立炉膛燃烧与工质吸热之间的热量传递关系；

S23、通过流程模拟获得炉膛各区域的热量分布、烟气成分及物性、各级受热面烟气侧和工质侧的沿程参数、工质在各级受热面的吸热量和进出口状态、各级受热面的具体换热量以及炉膛出口的排放情况；

S24、根据烟气侧热量梯级利用和排烟温度确定各级受热面的布置顺序；