工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)節(jié)能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

熊穗平鄒建華姜 浩莫煒先焦 健龔德鴻(.貴州特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院 貴陽 55000）(.貴州大學(xué) 貴陽 55005）

工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)節(jié)能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

熊穗平1鄒建華1姜 浩1莫煒先1焦 健1龔德鴻2
(1.貴州特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院 貴陽 550020）
(2.貴州大學(xué) 貴陽 550025）

仿真系統(tǒng)已成為工業(yè)鍋爐操作人員培訓(xùn)的重要手段之一，在工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)中加入節(jié)能模塊，能有效增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指導(dǎo)和提高操作人員節(jié)能意識(shí)。本文利用仿真開發(fā)平臺(tái)SimuWorks構(gòu)建工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)節(jié)能模塊，通過鍋爐正反平衡熱效率公式分析及簡化，給出了飛灰含碳量的直接計(jì)算方法，結(jié)合各模塊計(jì)算數(shù)據(jù)，可以獲得完整的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

仿真系統(tǒng) 節(jié)能模塊 正反平衡 熱效率

工業(yè)鍋爐是將燃料通過燃燒轉(zhuǎn)換為熱能的特種設(shè)備，具有數(shù)量多、自動(dòng)化水平低、司爐工節(jié)能意識(shí)淡薄、燃燒效率不高等特點(diǎn)，提高工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率已成為實(shí)現(xiàn)十二五節(jié)能減排目標(biāo)的主要途徑之一。

在工業(yè)鍋爐操作人員培訓(xùn)過程中，引入仿真系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)模擬工業(yè)鍋爐啟動(dòng)、運(yùn)行調(diào)整、停運(yùn)及事故處理等過程，既可以解決由于操作人員文化水平參差不齊而導(dǎo)致的理論培訓(xùn)效果不佳的問題，又可以通過全范圍、實(shí)時(shí)、高逼真度的仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn)，有效提高操作人員運(yùn)行水平和事故處理的應(yīng)變能力。

國內(nèi)工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)研究雖然起步較晚，發(fā)展卻較為迅速，在計(jì)算機(jī)純軟數(shù)字仿真、實(shí)物模型與計(jì)算機(jī)軟硬結(jié)合的混合仿真等方面均有研究，對工業(yè)鍋爐各系統(tǒng)、各工況的過程仿真均取得了較明顯成果，但在節(jié)能運(yùn)行指導(dǎo)和節(jié)能意識(shí)培養(yǎng)方面卻體現(xiàn)不多，本文在國家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目支持下，開發(fā)節(jié)能型工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在仿真系統(tǒng)中加入節(jié)能模型，將節(jié)能運(yùn)行指導(dǎo)和節(jié)能意識(shí)培養(yǎng)貫穿到工業(yè)鍋爐操作培訓(xùn)中，能有效提高培訓(xùn)效果。

1 節(jié)能運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

鍋爐熱效率是反映鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的綜合指標(biāo)，正平衡效率反映了在一定輸入熱量的基礎(chǔ)上實(shí)際有效利用了多少熱量，反平衡效率則反映鍋爐輸入熱量在哪些環(huán)節(jié)發(fā)生了損失，損失有多大，將綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分解為具體的小指標(biāo)能有效指導(dǎo)鍋爐實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)整。

按照GB/T 17954-2007《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定，工業(yè)鍋爐運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)為鍋爐熱效率、排煙溫度、灰渣含碳量和排煙處過量空氣系數(shù)，并對每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)數(shù)值根據(jù)燃燒方式、煤質(zhì)和容量進(jìn)行了明確規(guī)定。本文在上述四項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，將各項(xiàng)熱損失也作為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和監(jiān)測。

2 節(jié)能模塊構(gòu)成

節(jié)能模塊構(gòu)成如圖1所示，節(jié)能模塊由輸入、計(jì)算、輸出三部分組成，其中輸入包括鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真系統(tǒng)中空氣模塊、煙氣模塊、鍋爐本體及燃燒模塊和汽水模塊等其他模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)；計(jì)算由鍋爐熱效率計(jì)算模塊、排煙熱損失計(jì)算模塊、化學(xué)不完全燃燒熱損失計(jì)算模塊、機(jī)械不完全燃燒熱損失計(jì)算模塊、散熱損失計(jì)算模塊和其他熱損失計(jì)算模塊組成；輸出包括各經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)。

圖1 節(jié)能模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.1 計(jì)算方法

工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)依據(jù)GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》和TSG/G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》中的鍋爐正反平衡效率公式進(jìn)行計(jì)算。其中：

鍋爐正平衡效率：

式中：η——正平衡效率，%；

Dgs——給水流量，t/h；

hbq——飽和蒸汽焓，kJ/kg；hgs——給水焓，kJ/kg；γ——汽化潛熱，kJ/kg；ω——蒸汽濕度，%；

B——燃料消耗量，kg/h；

Qar，net——收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg鍋爐反平衡效率：式中：η——反平衡效率，%；

q2——排煙熱損失，%；

q3——化學(xué)不完全燃燒熱損失，%；

q4——機(jī)械不完全燃燒熱損失，%；

q5——散熱損失，%；

q6——灰渣物理熱損失，%。

2.2 已知參數(shù)

為便于計(jì)算，將節(jié)能模塊中的數(shù)據(jù)分為已知參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和輸出參數(shù)。已知參數(shù)為鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)、各類選取值等，見表1。

表1 節(jié)能模塊計(jì)算中的已知參數(shù)表

2.3 運(yùn)行參數(shù)

運(yùn)行參數(shù)取自工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)運(yùn)行情況下各模塊、各模型內(nèi)部參數(shù)值和輸出參數(shù)值，本系統(tǒng)主要由空氣模塊、煙氣模塊、鍋爐本體及燃燒模塊、汽水模塊、節(jié)能模塊和控制模塊組成，各模塊間數(shù)據(jù)相互調(diào)用，節(jié)能模塊調(diào)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 節(jié)能模塊計(jì)算中的運(yùn)行參數(shù)表

2.4 輸出參數(shù)

輸出參數(shù)包括鍋爐熱效率η、飛灰含碳量Cfh、排煙溫度θpy、過量空氣系數(shù)αpy、排煙熱損失q2、化學(xué)不完全燃燒熱損失q3、機(jī)械不完全燃燒熱損失q4、散熱損失q5和灰渣物理熱損失q6。

3 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

在工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)中，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)排煙溫度和過量空氣系數(shù)通過空氣預(yù)熱器模型的輸出參數(shù)容易獲得，鍋爐熱效率通過已知參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)用正平衡法也能計(jì)算，但飛灰含碳量是需要取樣分析測試，在許多文獻(xiàn)中常采用飛灰含碳量預(yù)測值代替實(shí)測值用于能效計(jì)算，但由于影響飛灰含碳量的因素較多且相互耦合，飛灰含碳量預(yù)測值計(jì)算公式較為復(fù)雜，很難求解。

依據(jù)TSG/G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》的計(jì)算方法，與飛灰含碳量相關(guān)的參數(shù)有排煙熱損失q2、機(jī)械不完全燃燒熱損失q4和灰渣物理熱損失q6，飛灰含碳量未知，即與之相關(guān)的參數(shù)無法計(jì)算。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，考慮到運(yùn)行參數(shù)的測量誤差，鍋爐正、反平衡熱效率計(jì)算值并不相等，而在仿真系統(tǒng)中，運(yùn)行參數(shù)由系統(tǒng)模塊計(jì)算而得，如較難測準(zhǔn)的燃料消耗量和鍋爐主蒸汽流量只是模塊中的一個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)，因此可認(rèn)為鍋爐的正、反平衡熱效率是相等，基于上述的簡化，可以使計(jì)算的方程數(shù)與未知數(shù)相等，飛灰含碳量可以解方程計(jì)算獲得。方程組如下所示。

求解排煙熱損失q2和機(jī)械不完全燃燒熱損失q4后，代入機(jī)械不完全燃燒熱損失q4計(jì)算公式，即可求解出飛灰含碳量。

4 結(jié)論

1）仿真系統(tǒng)用于工業(yè)鍋爐運(yùn)行人員實(shí)操培訓(xùn)有助于提高培訓(xùn)效果，完善現(xiàn)有培訓(xùn)體系；

2）在仿真系統(tǒng)中加入節(jié)能模塊，通過清楚的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)顯示，指導(dǎo)運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，可以有效提高運(yùn)行人員操作水平，增強(qiáng)運(yùn)行人員節(jié)能意識(shí)。

3）利用鍋爐正反平衡熱效率計(jì)算公式，利用仿真系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算數(shù)據(jù)，通過列方程求解，可以直接獲得較難預(yù)測的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)飛灰含碳量

1 GB/T 17954-2007 工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[s].

2 GB/T 10180-2003 工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程[s].

3 TSG/G0003-2010 工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則[s].

4 李勇,等.工業(yè)鍋爐能效測試中超聲波流量計(jì)的誤差分析[J].中國特種設(shè)備安全,2013,29(1):62～64.

5 陳虎,等.工業(yè)換熱設(shè)備的能效評價(jià)意義及方法[J].中國特種設(shè)備安全,2013,29(11):26～28.

Design and Implementation of Energy Saving Module in Industrial Boiler Training Simulation System

Xiong Suiping1Zou Jianhua1Jiang Hao1Mo Weixian1Jiao Jian1Gong Dehong2
(1.Guizhou Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Guiyang 550020）
(2.Guizhou University Guiyang 550025)

Training simulation system has been applied to operators of industrial boiler, adding industrial boiler training simulation system included energy saving will contribute to enhancing operation guidance and energy saving awareness. In the paper, energy saving module of industrial boiler training simulation system is designed, carbon content in fl y ash can be calculated by analyzing heat effi ciency calculation formulae of boiler, complete economic indexes are get based on calculation data of other modules in training simulation system.

Simulation system Energy saving module Positive and negative balance Thermal effi ciency

X933

A

1673－257X(2014)10－19－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.10.005

熊穗平(1971～),男,本科，副院長,從事鍋爐壓力容器檢驗(yàn)工作。

2014－05－04）