電廠鍋爐實驗虛擬仿真系統建設與應用

張 偉， 張紫涵， 李 斌， 徐 博， 王小亮， 許加達

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

0 引 言

鍋爐是火力發電系統的三大主機之一，通過燃燒化石燃料產生高溫高壓水蒸氣，用以推動汽輪機帶動發電機發電。在新能源發電技術快速發展的當下，火力發電占比仍達70%［1］。在相當長的一段時間內，作為我國電力工業壓艙石的煤電機組不會改變［2］。這就意味著，鍋爐依然是不可替代的能源轉換裝備。

《鍋爐原理》是我國高等院校能源與動力工程專業的核心課程之一，系統講述鍋爐工作原理、結構組成和設計計算等相關知識。課程涉及流動、燃燒、傳熱等基本理論以及幾者演化而成的鍋爐熱力、水動力、煙風阻力計算方法，課程內容豐富、綜合性強、學習難度大。為保障學習效果，除理論教學外，實驗實踐教學必不可少。楊東存［3］構建了船舶燃油鍋爐實驗模擬系統、高興泉等［4］設計了一套電熱鍋爐實驗裝置、邵懷爽等［5］發明了一種分體管殼式余熱鍋爐實驗系統、張偉等［6］搭建了燃氣灶具實驗系統，各自為學生開設了實驗。上述實驗平臺都是針對小型鍋爐或燃燒裝置開發的，實驗系統相對簡單、功能較少，無法開展高溫、高壓電廠鍋爐實驗。

基于虛擬現實、人機交互、網絡通信等技術開發的實驗虛擬仿真系統，利用計算機模仿設備工作過程，可用于開展實驗虛擬教學。學生在虛擬環境和實驗對象中，完成相應的實驗內容，達到預期教學目標［7］。實驗虛擬仿真具有低風險、低成本、易維護等優點，適合高溫、高壓、高污染等實驗教學項目，成為高校能源動力類專業實驗教學的重要發展方向［8-9］。曾令艷等［10-11］基于Fluent軟件，構建了電廠鍋爐燃燒特性實驗虛擬仿真教學，激發學生學習興趣、提高教學效果。趙媛媛等［12］建立火電廠三維虛擬現實仿真、開放式Gsuite（GSE）仿真分析和STAR-90 仿真教學平臺，設計了基礎、專業、前沿3 層次實驗項目，奠定了專業人才培養基礎。張成等［13］建立鍋爐機組冷態啟動過程實驗仿真教學平臺，引入新穎考評模式，明顯提高了實驗課堂教學效果。王哲等［14］建立了1 GW 超超臨界火電機組燃燒實驗虛擬仿真系統，用于燃燒器擺角、空氣量、吹灰等對燃燒效率和污染物排放的影響實驗。路勇等［15］搭建了船舶動力技術虛擬仿真實驗教學平臺，增強了學習興趣和實驗效果。

在新工科建設和專業認證背景下，鼓勵核心課程實施虛擬仿真實驗，強化學生工程實踐能力培養［16-17］。開發電廠鍋爐實驗虛擬仿真系統，應用于《鍋爐原理》課程實驗教學，以提升學生的培養質量，更好地服務于國家能源戰略。

1 鍋爐實驗虛擬仿真系統設計

基于熱力學、傳熱學、燃燒學、流體力學等課程的理論知識，應用圖形化建模工具搭建實驗虛擬仿真系統底層模型，應用Fortran、C/C++、C#等計算機語言編寫模型計算程序，通過高精度的數值迭代算法實時計算實驗過程中的參數動態變化特性，以可視化的操作界面再現整個實驗的操作過程。

本實驗虛擬仿真系統共設計開發了變負荷、熱平衡、變風量、調氣溫、變燃料、啟停爐、吹掃點火及制粉特性8 項內容，構建的模型不依賴預定的關系曲線，嚴格遵守質量、能量、動量守恒方程，完全符合物理學、數學的基本定律。以“負荷對鍋爐性能影響”實驗為例，簡述實驗系統建模過程。根據電廠鍋爐運行的基本規律，開發“鍋爐燃燒爐膛”“煙氣換熱”“風量計算”和“燃料計算”等風煙系統主要模塊（模型）和“水冷壁鍋筒”“汽水換熱”等汽水系統主要模塊（模型）。

1.1 風煙系統模型構建

風煙系統如圖1 所示，由爐膛、輻射過熱器、再熱器、對流過熱器、省煤器等煙氣側通道組成（結構尺寸取自于330 MW亞臨界煤粉鍋爐）。在風煙模型中，通過“送風計算”和“燃料計算”模塊進行鍋爐燃料輸入和風量輸入計算；通過“鍋爐燃燒爐膛”模塊進行鍋爐燃燒和爐內傳熱計算，得出火焰沿程溫度分布；通過“煙氣換熱”模塊進行煙道內煙氣傳熱計算，得出煙氣沿程溫度分布。爐膛內和煙道中分別遵循輻射和對流傳熱原理［18］，輻射、對流傳熱量Qf、Qd分別為：

圖1 風煙系統模型

式中：σ0為黑體輻射常數，0.056 7 μW/（m2·K4）；Hf、Hd分別為輻射、對流傳熱面積，m2；axt為爐膛系統黑度；K為對流傳熱系數，kW/（m2·℃）；Tb為爐壁平均溫度，K；tg為工質平均溫度，℃?；鹧婧蜔煔馄骄鶞囟萒h、ty分別為：

式中：Tll為理論煙氣溫度，只與燃料和配風有關，K；T″l為爐膛出口煙溫，K；tpy為排煙溫度，℃；n為經驗值，只與爐型有關。

1.2 汽水系統模型構建

汽水系統如圖2 所示，給水經省煤器煙-水對流傳熱、水冷壁火-水輻射傳熱，鍋筒中的水產生蒸汽；蒸汽經低溫過熱器、高溫過熱器煙-汽對流傳熱，變為過熱蒸汽；過熱蒸汽經汽輪機高壓缸做功后進入冷再母管，此蒸汽經中溫再熱器、高溫再熱器煙-汽對流傳熱，進入汽輪機低壓缸做功。在“水冷壁鍋筒”模塊進行水加熱產生蒸汽計算；在“汽水換熱”模塊進行過熱和再熱蒸汽傳熱計算。汽水側的計算應用兩相流數學模型進行求解，對汽相、液相、混相分別列出質量、動量和能量守恒方程，計算過程考慮了汽、液兩相間動態變化過程中的動量、能量和質量交換，真實反映流動傳熱的內在機理。兩相混合物的質量、動量、能量守恒方程分別為：

圖2 汽水系統模型

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中：ρ為兩相混合物密度，kg·m-3；τ為時間，s；G為兩相混合物質量流量，kg·s-1；A為控制體的通流面積，m2；z為控制體的長度坐標，m；p為兩相混合物壓力，Pa；g為重力加速度，m·s-2；θ 為流場與汽相、液相控制體交界面的夾角，°；τw為分界面上的剪切應力，N；Uw為分界面上的潤濕界長，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分別為單位質量的液相、汽相總能，J·kg-1；UH為傳熱周長，m；q″、q?分別為單位面積的加熱面、內熱源傳熱量，J·m-2。

2 實驗虛擬仿真案例

本實驗虛擬仿真系統可開展8 項實驗，以“負荷對鍋爐性能影響”為例，介紹實驗虛擬仿真過程。

2.1 實驗步驟

在鍋爐虛擬實驗系統主界面，點選“負荷對鍋爐性能影響”，點擊“進入實驗”，即來到圖3 所示的實驗界面。一個完整的變負荷實驗具體操作步驟如下：

圖3 負荷對鍋爐性能影響實驗操作界面

步驟1點擊“開始”按鈕，讀取負荷對鍋爐性能影響實驗初始工況。

步驟2點擊“開始自動采集”按鈕，每隔30 s左右自動記錄實驗數據一次。

步驟3點擊“目標負荷設定”按鈕，設定目標負荷實驗值。

步驟4點擊“變化率設定”按鈕，設定鍋爐負荷變化率值。

步驟5待目標負荷達到設定值，點擊“結束自動采集”按鈕，結束數據采集。

步驟6點擊“結束”按鈕，“負荷對鍋爐性能影響”實驗全部操作完成。

步驟7點擊“生成報告”，生成本實驗報告（含原始實驗數據記錄）。

上述步驟的按鈕位置已經標記在了圖3 的實驗界面中。

2.2 實驗數據

實驗前，目標負荷設為1 000 t/h、起始負荷為800 t/h、負荷變化率設為20 t/min；實驗完成后，生成報告中記錄的過熱蒸汽、再熱蒸汽、燃料量、過量空氣系數、爐膛出口煙溫、排煙溫度等部分數據見表1。

表1 負荷對鍋爐性能影響實驗原始數據記錄

為直觀展示變負荷對鍋爐的各項參數的影響，繪制了汽量、汽溫、燃料量、煙溫等參數隨時間變化關系，結果如圖4 ～7 所示。

圖4 蒸汽流量隨時間變化

圖4 曲線規律表明，隨時間進行，過熱蒸汽和再熱蒸汽流量均增加，這體現了鍋爐的升負荷實驗任務。相比于再熱汽溫的變化幅度，過熱汽溫一直比較平穩，上下波動不超過1 ℃（見圖5）。由圖6 可見，隨鍋爐負荷（時間）增加，燃料耗量幾乎線性增加，但過量空氣系數卻幾近線性降低。由圖中7 可見，爐膛出口和排煙處（鍋爐出口）的煙溫，均隨負荷的增加而增加。

圖5 蒸汽溫度隨時間變化

圖6 燃料空氣隨時間變化

2.3 結果分析

得到2.2 節的數據變化規律，僅是變負荷實驗教學的最基本要求。更深層次的目的是，希望學生運用燃燒傳熱等基本原理，合理分析解釋上述變化。鍋爐將化學能轉化成高溫煙氣熱能；經傳熱過程，將此熱能傳遞給水使其變為水蒸氣。爐膛中，煙氣以輻射傳熱為主；尾部煙道中，煙氣以對流傳熱為主。

由圖5 可知，過熱蒸汽溫度非常平穩，所以負荷（Qf+Qd，式（1）+（2））增加純由蒸汽流量增加所致（見圖4）。要使蒸汽流量增加，鍋爐供給燃料量必須增加，圖6 所示規律恰好證明于此。根據文獻［18］，系統黑度axt和傳熱系數K受燃料量或煙氣量影響小，因此要使Qf+Qd（負荷）增加，輻射和對流傳熱溫差須增加。鑒于工質溫度不變，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，配風降低對理論燃燒溫度提升有限。根據式（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，這個趨勢，即負荷從800 t/h增至1 000 t/h時，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，仿真系統自動計算的結果是，排煙溫度也隨著負荷增加而增加（見圖7）。

圖7 煙氣溫度隨時間變化

掌握負荷對熱效率的影響也是本實驗的教學目標之一。為計算熱效率，摘錄并查取了表2 所示的兩個負荷下的各項參數。

表2 熱效率計算所需數據記錄

基于正平衡方法，根據給水、蒸汽與燃料參數，運用以下公式計算熱效率：

式中：Qgl為鍋爐有效利用熱，kJ·h-1；Dgr、Dzr分別為過熱、再熱蒸汽的流量，t·h-1；igr、igs、izc、izr分別為過熱蒸汽、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。

計算得出的蒸發量808、1 001 t/h 的熱效率分別是91.4%、90.7%。結果表明，負荷率低、熱效率相對高一些，但總體差異不大。原因是，負荷小時排煙溫度低、過量空氣系數大，負荷大時排煙溫度高、過量空氣系數小；排煙溫度和過量空氣系數對熱效率的影響呈現相反趨勢（見圖6、7）。

3 結 語

實驗虛擬仿真既能規避大型動力設備實操危險，又能深入研究設備的特性規律。提升學生工程實踐能力培養質量，已然成為當下高校實驗教學的發展方向。在新工科建設和專業認證需求下，能動系聯合仿真技術有限公司，開發了電廠鍋爐實驗虛擬仿真系統。

（1）實驗虛擬仿真系統由風煙系統和汽水系統兩大模塊構成，風煙系統完成風量、燃燒、煙溫分布計算，汽水系統完成工質吸熱、相態變化、參數分布計算。構建數學模型不依賴于預定的關系曲線，嚴格遵守傳熱原理及氣液兩相流動原理，可開展電廠鍋爐的變負荷、變燃料、調氣溫等8 項實驗。

（2）變負荷實驗虛擬案例顯示，隨著負荷的增加，鍋爐熱效率降低、燃料消耗量增加。分析爐膛熱力計算模型發現，理論燃燒溫度與負荷無關，爐壁溫度只受工質溫度影響，只有爐膛出口煙溫增加，才能提升輻射傳熱負荷，抬升后續煙氣溫度，導致排煙溫度增加、排煙熱損失變大、鍋爐熱效率降低。

（3）鍋爐熱力計算方法是《鍋爐原理》最重要的課程內容，能熟練運用該環節知識解析復雜工程問題，代表著學生綜合能力的養成。電廠鍋爐實驗虛擬仿真系統恰恰是基于傳熱原理開發的，8 項實驗均要求學生運用鍋爐本體熱力計算原理分析實驗結果。鍋爐實驗虛擬仿真是培養學生工程實踐創新能力的重要舉措。