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1、基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能设计基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能设计 浙江大学浙江大学 能源工程学系能源工程学系 钟钟 崴崴 副教授副教授 博士博士 zhongw zhongw http:/www.E http:/www.E 2 2 项目背景项目背景 水动力计算水动力计算 用于分析汽水工质在锅炉内用于分析汽水工质在锅炉内 的流动及循环特性，进而确定锅炉的水动力安的流动及循环特性，进而确定锅炉的水动力安 全性。全性。 课题来源课题来源 “十一五十一五”国家科技支撑计划项国家科技支撑计划项 目目(2006BAF01A46-8)“(2006BAF01A46-8)“面向发电设备、汽车面向发
2、电设备、汽车 行业的分析仿真与集成管理平台的研究与开发行业的分析仿真与集成管理平台的研究与开发 ”的子课题的子课题 。 课题目标课题目标 研发能够支持各种复杂水动力结研发能够支持各种复杂水动力结 构形式锅炉设计的通用锅炉水动力计算系统。构形式锅炉设计的通用锅炉水动力计算系统。 应用通用锅炉水动力计算系统，分析、研究锅应用通用锅炉水动力计算系统，分析、研究锅 炉水动力性能设计当中的关键技术问题。炉水动力性能设计当中的关键技术问题。 锅炉水动力计算的经典图解法原理锅炉水动力计算的经典图解法原理 传统图解法在求解存在多回路嵌套关联的复杂系统时往往难以直接求传统图解法在求解存在多回路嵌套关联的复杂系统
3、时往往难以直接求 解，而不得不进行简化处理，致使计算精度难以保证。解，而不得不进行简化处理，致使计算精度难以保证。 余热锅炉的新型结构层出不穷，回路形式往往不是余热锅炉的新型结构层出不穷，回路形式往往不是“经典结构经典结构”，而多，而多 回路复杂嵌套的复杂结构形式难以用图解法求解；回路复杂嵌套的复杂结构形式难以用图解法求解； 微倾斜管、微倾斜管、WW型蒸发受热面的循环特性安全性；型蒸发受热面的循环特性安全性； 强制循环余热锅炉的节流圈设计问题；强制循环余热锅炉的节流圈设计问题； 操作工况复杂热负荷变动大（启动过程、工艺操作周期性波动），热负操作工况复杂热负荷变动大（启动过程、工艺操作周期性波动
4、），热负 荷分布不均匀性等问题需要认真研究。荷分布不均匀性等问题需要认真研究。 复杂模型的计算参数众多，一些软件能够进行计算，但建模和结果显示复杂模型的计算参数众多，一些软件能够进行计算，但建模和结果显示 不直观，一旦发生差错，查错会不直观，一旦发生差错，查错会“焦头烂额焦头烂额”。 余热锅炉水动力性能设计的难点余热锅炉水动力性能设计的难点 5 5 基于管网计算理论的水动力性能计算基于管网计算理论的水动力性能计算 将锅炉理解为将锅炉理解为“空间立体受热管网空间立体受热管网”。 借鉴城市自来水、燃气等水平城市自来水、燃气等水平 型、不受热管网计算问题的求解思路，解决锅炉水动力计算问题。研发型、不
5、受热管网计算问题的求解思路，解决锅炉水动力计算问题。研发“ 建模建模+ +求解求解”式的通用型锅炉水动力计算系统。式的通用型锅炉水动力计算系统。 城市自来水、燃气管网城市自来水、燃气管网 锅锅 炉炉 城市管网计算理论城市管网计算理论 6 6 系统功能界面系统功能界面(1)(1) 特大型垃圾锅炉水动力计算特大型垃圾锅炉水动力计算 8 8 系统功能界面系统功能界面(2)(2) 9 9 成果主要应用单位成果主要应用单位 哈尔滨锅炉厂有限责任公司哈尔滨锅炉厂有限责任公司 无锡华光锅炉股份有限公司无锡华光锅炉股份有限公司 杭州锅炉集团有限公司杭州锅炉集团有限公司 济南锅炉集团有限公司济南锅炉集团有限公司
6、 太原锅炉集团有限公司太原锅炉集团有限公司 四川川润动力股份有限公司四川川润动力股份有限公司 唐山信德锅炉集团有限公司唐山信德锅炉集团有限公司 江苏太湖锅炉股份有限公司江苏太湖锅炉股份有限公司 无锡太湖锅炉有限公司无锡太湖锅炉有限公司 无锡华光工业锅炉股份有限公司无锡华光工业锅炉股份有限公司 南通万达锅炉股份有限公司南通万达锅炉股份有限公司 长沙锅炉厂有限责任公司长沙锅炉厂有限责任公司 湘潭锅炉有限责任公司湘潭锅炉有限责任公司 中国国电集团中国国电集团 宝钢工程技术集团有限公司宝钢工程技术集团有限公司 中国瑞林工程技术有限公司中国瑞林工程技术有限公司 内蒙古电力科学研究院内蒙古电力科学研究院
7、江西江联能源环保股份有限公司江西江联能源环保股份有限公司 江苏申港锅炉股份有限公司江苏申港锅炉股份有限公司 安徽金鼎锅炉集团有限公司安徽金鼎锅炉集团有限公司 无锡锡能锅炉股份有限公司无锡锡能锅炉股份有限公司 无锡东马锅炉有限公司无锡东马锅炉有限公司 中船重工第七三研究所中船重工第七三研究所 武汉特种锅炉有限责任公司武汉特种锅炉有限责任公司 广州广重企业集团有限公司广州广重企业集团有限公司 关键技术：水动力计算的模型关键技术：水动力计算的模型 锅筒、集箱、分汇等被抽象为锅筒、集箱、分汇等被抽象为“节点节点 V”V”，连接任意两个节点的存在，连接任意两个节点的存在 阻力损失的流程被抽象为阻力损失的
8、流程被抽象为“阻力区段阻力区段 E”E”，建立以，建立以“有向流程图有向流程图”表达的表达的 锅炉水动力计算模型，基于管网计算理论，锅炉水动力计算模型，基于管网计算理论，提出了提出了“基于环路平差流量调基于环路平差流量调 节的锅炉水动力计算通用算法节的锅炉水动力计算通用算法” ，具有优良的通用性，可求解任意复杂串 并联回路。 计算模型计算模型 节点节点 区段区段阻力部件阻力部件1 1阻力部件阻力部件n n 关键技术：水动力计算的模型关键技术：水动力计算的模型 计算模型是由计算模型是由“节点节点”和和“阻力区段阻力区段”相互衔接组成的。其中，相互衔接组成的。其中，“阻阻 力区段力区段”又是由若干
9、个阻力部件相互串联组成。又是由若干个阻力部件相互串联组成。 关键技术：算法理论基础关键技术：算法理论基础 节点流量守恒原理：节点流量守恒原理： v1v1：q=q1+q2q=q1+q2 v2v2：q1=q4q1=q4 v3v3：q3=q2q3=q2 v4v4：q=q3+q4q=q3+q4 回路能量守恒原理： I：P1+ P4= P2 + P3 锅炉水动力系统与电路系统的相似性锅炉水动力系统与电路系统的相似性 18451845年，德国人年，德国人G.R.G.R.基尔霍夫基尔霍夫 提出基尔霍夫第一定律提出基尔霍夫第一定律( (节点流节点流 量守恒量守恒) )和基尔霍夫第二定律和基尔霍夫第二定律( (
10、回回 路电压代数和为零路电压代数和为零) )。 关键技术：水动力计算的模型及算法关键技术：水动力计算的模型及算法 管网平差：管网平差：初始未平衡状态的流量分配不能使所有环路满足能量守恒，初始未平衡状态的流量分配不能使所有环路满足能量守恒， 环路上存在闭合差。通过迭代矫正流量，逐步缩减闭合差达到整个管网能环路上存在闭合差。通过迭代矫正流量，逐步缩减闭合差达到整个管网能 量的守恒，得到同时满足连续性量的守恒，得到同时满足连续性( (节点节点) )方程组和能量（环）方程组的水动力方程组和能量（环）方程组的水动力 解。解。 精细调节阶段的流量矫正算法：精细调节阶段的流量矫正算法： 粗略调节阶段的流量矫
11、正算法：粗略调节阶段的流量矫正算法： 1515 关键技术：关键技术：“建模建模+ +求解求解”的技术方案的技术方案 采用采用“模块化模块化”、“积木式积木式”的系统研发思路，让系统使用人员自由的系统研发思路，让系统使用人员自由 组合搭建计算模型。研究通用模型的统一求解算法，由一套计算系统完成组合搭建计算模型。研究通用模型的统一求解算法，由一套计算系统完成 千变万化、不同类型锅炉的水动力计算工作千变万化、不同类型锅炉的水动力计算工作。 1616 关键技术：水动力计算软件模型关键技术：水动力计算软件模型 任意结构形式锅任意结构形式锅 炉水动力计算的炉水动力计算的 统一软件表达模统一软件表达模 型型
12、 区段区段 节点节点 阻力部件阻力部件 接头接头 集箱集箱 锅筒锅筒 弯头弯头 水泵水泵 管段管段 1717 技术指标：系统通用性技术指标：系统通用性 锅炉炉型：锅炉炉型：室燃锅炉（煤粉室燃炉、高炉煤气锅炉、天然气锅炉），室燃锅炉（煤粉室燃炉、高炉煤气锅炉、天然气锅炉）， 循环流化床锅炉，余热锅炉（循环流化床锅炉，余热锅炉（ 9E, 9F 9E, 9F 燃机余热锅炉、水泥窑余热锅炉燃机余热锅炉、水泥窑余热锅炉 、玻璃窑余热锅炉、硫酸余热锅炉、催化裂化余热锅炉、碱回收余热、玻璃窑余热锅炉、硫酸余热锅炉、催化裂化余热锅炉、碱回收余热 锅炉、铜冶炼余热锅炉、干熄焦余热炉等），层燃锅炉（锅炉、铜冶炼余
13、热锅炉、干熄焦余热炉等），层燃锅炉（SZLSZL系列，燃系列，燃 煤油田注气锅炉等）煤油田注气锅炉等） 容量范围：容量范围：0.1MW 1000MW 0.1MW 1000MW 范围范围 压力等级：压力等级：低压、中压、次高压、高压、超高压、亚临界、超临界低压、中压、次高压、高压、超高压、亚临界、超临界 燃料：燃料：煤，油，气，水煤浆，垃圾，生物质燃料（秸秆、稻壳等），煤，油，气，水煤浆，垃圾，生物质燃料（秸秆、稻壳等）， 及上述燃料的混合燃烧及上述燃料的混合燃烧 应用行业：应用行业：发电、化工、炼钢、有色冶金、水泥、油田、食品、制药发电、化工、炼钢、有色冶金、水泥、油田、食品、制药 、造纸、城
14、市集中供暖。、造纸、城市集中供暖。 采用一套系统可完成以下产品的水动力计算采用一套系统可完成以下产品的水动力计算 1818 知识产权及查新结论知识产权及查新结论 查新报告表明：项目提出的查新报告表明：项目提出的“基于管基于管 网平差流量调节的锅炉水动力计算方法网平差流量调节的锅炉水动力计算方法 ”，以及采用由，以及采用由“节点节点”和和“阻力区段阻力区段 ”构成的构成的“水动力流程图水动力流程图”描述计算模描述计算模 型的方法属首次报道。型的方法属首次报道。 1919 技术指标：与国内外研究工作的比较技术指标：与国内外研究工作的比较 比较对象比较对象技术特点技术特点 欧美欧美锅炉制造企业目锅炉
15、制造企业目 前采用的系统前采用的系统 NOWANOWA 1.1.采用手工绘图描述模型，然采用手工绘图描述模型，然 后编号输入模型的方法；后编号输入模型的方法； 2.2.对于复杂模型计算不能有效对于复杂模型计算不能有效 支持。支持。 3.3.DOSDOS环境运行，出现差错时环境运行，出现差错时 ，难以排除。，难以排除。 国内锅炉制造国内锅炉制造企业原企业原 先先应用的方法应用的方法 1.1.手工方法，或基于手工方法，或基于ExcelExcel的半的半 自动方法；自动方法； 2.2.2020世纪世纪7070、8080年代编写；年代编写； 3.3.主要为专用型系统，适用面主要为专用型系统，适用面 窄；窄； 4.4.速度慢，不直观，易差错；速度慢，不直观，易差错； 国内其他国内其他研发单位的研发单位的 系统系统 1.1.西安交大车得福等人提出了西安交大车得福等人提出了 一种通用水动力计算方法，一种通用水动力计算方法， 采用采用Visual BasicVisual Basic与与AccessAccess结结 合开发了水动力计算软件，合开发了水动力计算软件， 通过表格编号输入计算模型通过表格编号输入计算模型 ，东方锅炉采用；，东方锅炉采用； 2.2.哈工大系统针对热水锅炉；哈工大系统针对热水锅炉； 余热锅炉热负荷不
