專利名稱：四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃煤鍋爐技術領域，特別是涉及一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，以及一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)。
背景技術：
我國是一個以煤炭為主要一次能源的國家。目前我國煤炭生產(chǎn)總量已居世界首位，占總能源消耗的75.3%。盡管隨著能源利用技術的發(fā)展，新的能源和可再生能源將會持續(xù)增加，煤炭的消費比重會逐漸下降，但其總量仍會上升。預計在2050年以前，預測其比重將仍在55%以上。作為國民經(jīng)濟發(fā)展先導的電力工業(yè)，我國燃煤電站同樣占據(jù)主導地位，燃煤火電站的裝機容量和發(fā)電量都占到80%以上，預計燃煤發(fā)電的比例即使到2015年仍高達75%。但目前電站鍋爐存在污染物排放高，單位發(fā)電量煤耗較高等問題。我國能源消費占世界的8% 9%，但SO2排放占到世界的15.1%，N0X占到10.1%, CO2占到13.2%。其中，我國煤燃燒所釋放的SO2占到全國總排放的85%，CO2占到85%，NOx占到60%，粉塵占到70%。酸雨地域己超過國土面積的40%。因此，電站鍋爐的改良對我國“節(jié)能減排”目標的實現(xiàn)起著決定性作用。而要想改良電站鍋爐，就必須了解鍋爐的燃燒特性，和污染物排放規(guī)律及其影響因素。因此國內迫切需要相關的實驗研究。但由于電站鍋爐體積大、燃燒工況復雜、實驗條件惡劣、實驗周期長、占用資金大等一系列原因，傳統(tǒng)實驗方法很難完成系統(tǒng)的鍋爐實驗。而數(shù)值模擬的實驗方法開辟了新的實驗方向。數(shù)值模擬是一種以計算機為主要實驗設備的實驗方法，具有實驗設備占地面積小、實驗條件要求簡單、實驗周期短、占用資金少、結果較準確等一系列優(yōu)點，故 引起國內外學者的廣泛關注。通過數(shù)值模擬，我們可以較準確的得到電站鍋爐內部的燃燒工況。通過對燃燒工況的分析，可以較準確的得知鍋爐的燃燒效率、爐內傳熱系數(shù)、爐內溫度場及氣流場的分布、易結渣易結焦的位置和影響鍋爐燃燒的主要因素，進而為提高鍋爐熱效率，為降低單位發(fā)電量煤耗提供理論依據(jù)。但是到目前為止，獲取鍋爐爐膛內燃燒工況的數(shù)值仍有許多不足之處，鍋爐爐膛內煤粉的燃燒過程涉及到熱能領域中流動、傳熱、相變、多相流動、燃燒化學反應等很多問題，不同的理論模型側重點不同，尤其對于四角切圓燃燒煤粉鍋爐來說，其結構復雜，煤粉變化頻繁，在對其進行燃燒工況模擬中，由于方程數(shù)目多，易發(fā)散，其數(shù)值模擬非常困難，計算結果精度較差。

發(fā)明內容
基于此，本發(fā)明提供一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法和系統(tǒng)，其獲取的鍋爐燃燒數(shù)值精度較高，結果可靠。一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，包括如下步驟:
根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分，建立所述鍋爐的全尺寸模型；獲取所述鍋爐的燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)；根據(jù)所述鍋爐的全尺寸模型、燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)，采用可實現(xiàn)k- e雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型；輸出所述鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型。一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)，包括:
建立模塊，用于根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分，建立所述鍋爐的全尺寸模型；獲取模塊，用于獲取所述鍋爐的燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)；模擬模塊，用于根據(jù)所述鍋爐的全尺寸模型、燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)，采用可實現(xiàn)k_ e雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型；輸出模塊，用于輸出所述鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型。上述四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法和系統(tǒng)，根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的特點，對其進行網(wǎng)格劃分后生成鍋爐的全尺寸模型，根據(jù)該鍋爐的全尺寸模型采用可實現(xiàn)k- e雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型，選用上述模型進行數(shù)值模擬能夠準確描述鍋爐內的燃燒工況，其獲取的鍋爐燃燒數(shù)值精度較高、結果可靠。


圖1為本發(fā)明四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法在一實施例中的流程示意圖。圖2為圖1中燃燒器區(qū)截面網(wǎng)格的示意圖。圖3為圖1中四角切圓燃煤鍋爐的網(wǎng)格示意圖。圖4為本發(fā)明四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)在一實施例中的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。如圖1所示，是本發(fā)明四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法在一實施例中的流程示意圖，包括如下步驟:S11、根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分，建立所述鍋爐的全尺寸模型；在獲取鍋爐內的燃燒工況，進行數(shù)值模擬計算過程中，將鍋爐進行網(wǎng)格劃分建立鍋爐的全尺寸模型，即對空間連續(xù)的計算區(qū)域進行離散，把它劃分成許多子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點。數(shù)值計算結果的精確程度以及計算過程的效率，受網(wǎng)格質量的影響是非常大的。只有當網(wǎng)格的生成及求解流場的算法很好的匹配時，才能得到成功而高效的計算結果。在一較佳實施例中，所述根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分的步驟具體包括:11a、根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)將鍋爐沿其爐膛高度方向劃分多個區(qū)域，生成每個區(qū)域的爐膛截面網(wǎng)格；其中，所述將鍋爐沿其爐膛高度方向切成多個區(qū)域的步驟具體為:沿鍋爐爐 膛高度從低到高將所述鍋爐劃分為冷灰斗區(qū)、下爐膛區(qū)、燃燒器區(qū)、上爐膛區(qū)、下折焰角區(qū)、上折焰角區(qū)和出口區(qū)；其中，對于所述燃燒器區(qū)，其體網(wǎng)格的生成采用Cooper方法，其截面網(wǎng)格采用Quadratic網(wǎng)格單元和Pave方法進行劃分，并且所述燃燒器區(qū)的截面網(wǎng)格與氣流進入所述截面網(wǎng)格的方向垂直；lib、沿爐膛高度延伸，利用預設的網(wǎng)格切分方法分別對每個區(qū)域進行體網(wǎng)格的生成，得到所述鍋爐的全尺寸模型；由于四角切圓燃煤鍋爐結構復雜，對鍋爐進行網(wǎng)格劃分不當時，會產(chǎn)生假擴散；假擴散是指對流-擴散方程中一階導數(shù)項(對流項)的離散格式的截斷誤差小于二階而引起較大數(shù)值計算誤差的現(xiàn)象。因為這種離散格式截差的首項包含有二階導數(shù)，使數(shù)值計算結果中擴散的作用被人為地放大了，相當于引入了人工粘性或數(shù)值粘性。除了非穩(wěn)定項和對流項的一階導數(shù)離散可以引起假擴散外，如下兩個原因也可引起假擴散:流動方向與網(wǎng)格線呈傾斜交叉；建立離散格式時沒有考慮到非常數(shù)的源項的影響。在本實施例中將整臺鍋爐分為7個部分進行網(wǎng)格劃分，這7個部分分別是:冷灰斗區(qū)、下爐膛區(qū)、燃燒器區(qū)、上爐膛區(qū)、下折焰角區(qū)、上折焰角區(qū)，和出口區(qū)。除燃燒器區(qū)域外，各部分網(wǎng)格劃法基本保持一致，減小了誤差。而對于燃燒器截面，由于氣流進入方向與燃燒器壁面有一定的夾角(約為45° )，必須使界面網(wǎng)格與氣流進入截面網(wǎng)格的方向垂直，故對燃燒器區(qū)域采用Quadratic網(wǎng)格單元和Pave方法劃分截面，采用Cooper方法劃分整體燃燒器區(qū)域。劃分結果如圖2所示，同時，可對于折焰角附近區(qū)域的網(wǎng)格進行了加密。本實施例中整臺鍋爐網(wǎng)格劃分示意圖可見圖3。S12、獲取所述鍋爐中燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)；其中，所述燃燒器參數(shù)包括噴口的風速、風溫、水力半徑、噴射源參數(shù)；所述邊界條件參數(shù)包括壁面溫度、壁面材質、煙道出口參數(shù)；所述煤粉參數(shù)包括煤質成分及其含量；S13、根據(jù)所述鍋爐的全尺寸模型、燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)，采用可實現(xiàn)k_ ε雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型。
在鍋爐行業(yè)主要應用FLUENT軟件來解決熱能工程專業(yè)領域內的流動、傳熱、相變、多相流動、燃燒化學反應等問題，能將各個分散的流動、燃燒、熱傳遞及顆粒擴散等理論模型完整地耦合在一起，對爐內燃燒過程進行全面的模擬；FLUENT中提供了分離式和耦合式兩類求解器，而耦合式又分為隱式和顯式兩種；分離式求解器(segregated solver)是順序地、逐一地求解各方程(關于u、v、w、P和T的方程)，也就是先在全部網(wǎng)格上解出一個方程(如u動量方程)后，再解另外一個方程(如V動量方程)。由于控制方程是非線性的，且相互之間是耦合的，因此，在得到收斂解之前，要經(jīng)過多輪迭代。耦合式求解器(coupled solver)是同時求解連續(xù)方程、動量方程、能量方程及組分疏運方程的耦合方程，然后，再逐一地求解湍流等標量方程。由于控制方程是非線性的，且相互之間是耦合的，因此，在得到收斂解之前，要經(jīng)過2次迭代。兩種求解器 都適用于從不可壓到高速可壓的很大范圍的流動，但總的來講，當計算高速可壓流動時，耦合式求解器更具有優(yōu)勢。耦合式求解器常常可以很快收斂，但所需要的內存大約是分離式求解器的1.5到2倍。此外，分離式求解器中提供的幾個物理模型，在耦合式求解器中是沒有的。這些物理模型包括:流體體積模型(VOF)、多相混合模型、歐拉混合模型、概率密度(PDF,Probability Density Function)燃燒模型、預混合燃燒模型、指定質量流量的周期流動模型、周期性熱傳導模型和殼傳導模型等；在本實施例中運用TOF燃燒模型模擬鍋爐的氣相湍流燃燒模型。SIMPLE算法的基本思想可描述如下:對于給定的壓力場(它可以是假定的值，或是上一次迭代計算所得到的結果)，求解離散形式的動量方程，得出速度場，因此，必須對給定的壓力場加以修正。修正的原則是:與修正后的壓力場相對應的速度場能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據(jù)此原則，我們把由動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正方程，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著，根據(jù)修正后的壓力場，求得新的速度場。然后檢查速度場是否收斂。若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場，開始下一層次的計算。如此反復，直到獲得收斂的解。SIMPLE算法具有較快的收斂速度，對于穩(wěn)態(tài)問題，選擇SIMPLE系列算法具有優(yōu)勢，本實施例中采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型。本實施例中采用可實現(xiàn)k_ e雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型，可實現(xiàn)k-e雙方程模型(Realizable k_ e模型)的優(yōu)點有:(I)湍流粘度計算公式發(fā)生了變化，引入了與旋轉和曲率有關的內容:(2) e方程發(fā)生了很大變化，方程中的產(chǎn)生項不再包含有k方程中的產(chǎn)生項Gk，能更好地表示光譜的能量轉換。(3) e方程中的倒數(shù)第二項不具有任何奇異性，即使k值很小或為零，分母也不會為零。這與標準k-e模型和RNG k-e模型有很大區(qū)別。(4)Realizable k_ e模型能有效地應用于各種不同類型的流動模擬,包括旋轉均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動、管道內流動、邊界層流動，以及帶有分離的流動等。在本實施例中采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型；P_1輻射模型中的輻射換熱方程是一個計算相對較小的擴散方程，同時模型中包含了散射效應，在燃燒等光學厚度很大的計算問題中，P-1模型的計算效果都比較好。S14、輸出所述鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型；將步驟S13中得到的鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型輸出，完成四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的數(shù)值獲取。下面通過一具體實施例闡述本發(fā)明的應用過程。在本實施例中，采用上述方法對四角切圓燃煤鍋爐進行了變工況模擬，通過改變風速和空氣系數(shù)后得到不同的數(shù)值模擬結果，來判斷鍋爐的再燃改造效果和污染物排放的控制，本實施例中的四角切圓燃煤鍋爐中燃燒器有四組，分別布置在四個對角。每組燃燒器分六層，分別為兩層一次風，三層二次風和一層三次風。一、二次風間隔布置，三次風布置在最上端，各風口間隔相同，均為550mm。四組燃燒器軸心線與鍋爐對角線之間的夾角為4° 7’，在爐膛中央形成直徑為850_的逆時針切圓。其一次風噴口為垂直型濃淡燃燒器，風口向火側為濃相，背火側為淡相。

其中，煤質成分質量分數(shù)為(%):C:8L26H:5.450:1L27N:L27S:0.7;空氣質量分數(shù)為(%):Ν2:76.702: 23.3。噴口邊界條件為:
權利要求
1.一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，其特征在于，包括如下步驟: 根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分，建立所述鍋爐的全尺寸模型； 獲取所述鍋爐的燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)； 根據(jù)所述鍋爐的全尺寸模型、燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)，采用可實現(xiàn)k-e雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型； 輸出所述鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型。
2.根據(jù)權利要求1所述的四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，其特征在于，所述根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分的步驟具體包括: 根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)將鍋爐沿其爐膛高度方向劃分多個區(qū)域，生成每個區(qū)域的爐膛截面網(wǎng)格； 沿爐膛高度延伸，利用預設的網(wǎng)格切分方法分別對每個區(qū)域進行體網(wǎng)格的生成，得到所述鍋爐的全尺寸模型。
3.根據(jù)權利要求2所述的四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，其特征在于，所述將鍋爐沿其爐膛高度方向切成多個區(qū)域的步驟具體為: 沿鍋爐爐膛高度從低到高將所述鍋爐劃分為冷灰斗區(qū)、下爐膛區(qū)、燃燒器區(qū)、上爐膛區(qū)、下折焰角區(qū)、上 折焰角區(qū)和出口區(qū)； 其中，對于所述燃燒器區(qū)，其體網(wǎng)格的生成采用Cooper方法，其截面網(wǎng)格采用Quadratic網(wǎng)格單元和Pave方法進行劃分，并且所述燃燒器區(qū)的截面網(wǎng)格與氣流進入所述截面網(wǎng)格的方向垂直。
4.根據(jù)權利要求1所述的四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，其特征在于，所述燃燒器參數(shù)包括噴口的風速、風溫、水力半徑、噴射源參數(shù)；所述邊界條件參數(shù)包括壁面溫度、壁面材質、煙道出口參數(shù)；所述煤粉參數(shù)包括煤質成分及其含量。
5.一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)，其特征在于，包括: 建立模塊，用于根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對所述鍋爐進行網(wǎng)格劃分，建立所述鍋爐的全尺寸模型； 獲取模塊，用于獲取所述鍋爐的燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)； 模擬模塊，用于根據(jù)所述鍋爐的全尺寸模型、燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)，采用可實現(xiàn)k_ ε雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用p-ι輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型； 輸出模塊，用于輸出所述鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型。
6.根據(jù)權利要求5所述的四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述建立模塊具體用于: 根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)將鍋爐沿其爐膛高度方向劃分多個區(qū)域，生成每個區(qū)域的爐膛截面網(wǎng)格；沿爐膛高度延伸，利用預設的網(wǎng)格切分方法分別對每個區(qū)域進行體網(wǎng)格的生成，得到所述鍋爐的全尺寸模型。
7.根據(jù)權利要求6所述的四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述建立模塊還具體用于: 沿鍋爐爐膛高度從低到高將所述鍋爐劃分為冷灰斗區(qū)、下爐膛區(qū)、燃燒器區(qū)、上爐膛區(qū)、下折焰角區(qū)、上折焰角區(qū)和出口區(qū)； 其中，對于所述燃燒器區(qū)，其體網(wǎng)格的生成采用Cooper方法，其截面網(wǎng)格采用Quadratic網(wǎng)格單元和Pave方法進行劃分，并且所述燃燒器區(qū)的截面網(wǎng)格與氣流進入所述截面網(wǎng)格的方向垂直。
8.根據(jù)權利要求5所述的四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒器參數(shù)包括噴口的風速、風溫、水力半徑、噴射源參數(shù)；所述邊界條件參數(shù)包括壁面溫度、壁面材質、 煙道出口參數(shù)；所述煤粉參數(shù)包括煤質成分及其含量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取方法，包括根據(jù)四角切圓燃煤鍋爐的結構參數(shù)對鍋爐進行網(wǎng)格劃分，建立所述鍋爐的全尺寸模型；獲取鍋爐的燃燒器參數(shù)、邊界條件參數(shù)、煤粉參數(shù)；采用可實現(xiàn)k-ε雙方程模型模擬得到所述鍋爐的湍流流動模型、采用概率密度燃燒模型模擬得到所述鍋爐的氣相湍流燃燒模型、采用SIMPLE算法模擬得到所述鍋爐的速度場模型、采用P-1輻射模型模擬得到所述鍋爐的輻射傳熱模型；輸出所述鍋爐的湍流流動模型、氣相湍流燃燒模型、速度場模型、輻射傳熱模型。對應地本發(fā)明還公開一種四角切圓燃煤鍋爐燃燒特性的獲取系統(tǒng)。本發(fā)明能夠準確描述鍋爐內的燃燒工況，其獲取的鍋爐燃燒數(shù)值精度較高、結果可靠。
文檔編號G06F17/50GK103235842SQ20131010875
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權日2013年3月29日
發(fā)明者李德波 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院