基于锅炉炉膛网格检测CO和O2浓度的分布场构建方法与流程

本发明属于锅炉燃烧效率检测方法技术领域，涉及到CO和O₂浓度的分布场构建方法，具体涉及到基于锅炉炉膛网格检测CO和O₂浓度的分布场构建方法。

背景技术：

随着社会的发展和进步，火电厂面临越来越大的压力，电力需求不断增加，对发电品质的要求日益苛刻，传统的电压、频率已不是唯一的考核指标，环境因素逐渐纳入其中，形成了新的衡量标准。煤质波动以及大型机组日益频繁的参加调频调峰，全工况变负荷运行以及长期中低负荷运行都对机组运行水平提出了更高的要求。目前，发电厂越来越多的面临来自电网、环境和自身的压力，节能、降耗、减排的呼声高涨，燃烧优化技术日益得到重视。锅炉燃烧效率的高低、进入炉膛的燃料能否充分燃烧，将直接影响锅炉的整体效率与经济性。因此通过燃烧控制实现锅炉最高效地燃烧是提高锅炉整体效率的有效途径。

电站煤粉锅炉燃烧控制设计基本思路是以合适的过量空气系数为原则，实现锅炉燃烧最优控制即是以保证合适的过量空气系数。锅炉的燃烧量变化时，相应地改变送风量，以保证合适的过剩空气系数，减少锅炉未完全燃烧损失和排烟热损失，使锅炉运行于最佳燃烧工况。单纯测量O₂并不能反映锅炉内煤粉和空气混合状况的好坏，即使O₂足够，若存在混合不好等原因，也会使不完全燃烧损失增大。在锅炉的实际运行中，只会对省煤器出口以后的烟道气的O₂进行有限点的在线检测，样本点非常有限。对于大容量锅炉而言，烟气成分分布不均容易使氧量检测值不具备代表性。另外，氧量检测值本身由于漏风、零位漂移等原因也不能反映烟气中的真实氧量值。基于上述原因，在锅炉实际运行过程中，运行人员只能以较大的过量空气系数控制燃烧，非常不经济，致使锅炉运行容易发生炉膛高温腐蚀、火焰偏斜、燃烧滞后、结焦结渣、燃烧效率偏低等运行困扰。如何寻找一个完善的检测手段来对运行中的锅炉进行调节，以解决锅炉运行存在的问题并提高锅炉的实际运行效率是十分必要的。

目前已有的相关实现方案是烟气含氧量软测量技术：该技术选用蒸汽流量、磨煤机给煤量、总风量、总一次风压、送风机电流、引风机电流、风箱与炉膛差压、给水及排烟温度等11个参数作为输入信号，将烟气含氧量作为输出参数，应用前向神经网络建立烟气含氧量软测量模型。在各种不同负荷工况下，测取多组实际运行数据，抽取1～2组数据作为模型检测使用，其余作为训练样本。此种方法一定程度上解决了氧量测量滞后、误差大的问题。但是，这种软测量结果的准确性依赖于边界试验的完整性和全面性，往往由于入炉煤煤质的波动、工况的变化导致误差增大，在燃烧调整过程中，软测量技术的应用很难大规模的有效推广。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的缺陷，设计了基于锅炉炉膛网格检测CO和O₂浓度的分布场构建方法，采用计算流体力学的方法建立炉膛内煤粉的流动、燃烧和传热模型，以预测烟气CO和O₂在炉膛、烟道中的运动轨迹，进而构建烟气CO和O₂的浓度场，为锅炉燃烧调整提供有效可靠的关键依据。

本发明所采取的具体技术方案是：基于锅炉炉膛网格检测CO和O₂浓度的分布场构建方法，关键是：所述的方法包括：

a、获取电站锅炉的结构、操作数据；

b、对锅炉炉膛区域壁面的高温烟气CO、O₂浓度和烟气压力进行网格式多点在线检测；

c、采用计算流体力学的方法建立炉膛内煤粉的流动、燃烧和传热模型，预测烟气CO和O₂在炉膛、烟道中的运动轨迹，构建烟气CO和O₂的浓度场。

所述方法具体包括：

a、获取电站锅炉的结构、操作数据：包括电站锅炉冷灰斗、炉膛、折焰角、燃烧器喷口、省煤器的详细尺寸结构；操作数据至少包括：每台锅炉的总风量、总煤量，每个燃烧器的燃煤量、风量、一次风温、二次风温、一次风率、二次风率；

b、基于炉膛网格多点布置取样方法，从炉膛中取烟气的代表性样品，即将探头单元安装在预定位置，通过探头单元获取炉膛区域壁面的烟气样品；

c、建立炉膛及烟道的计算网格，其中全锅炉的计算域选至锅炉省煤器出口处，计算域划分为四个部分，分别为冷灰斗区域I、燃烧器区域II、燃烧器以上至炉膛出口区域III、炉膛出口至省煤器出口区域IV；冷灰斗I、燃烧器以上至炉膛出口区域III、炉膛出口至省煤器出口区域IV采用结构化网格，燃烧器区域II采用非结构化网格；

各区域采用三维稳态计算，采用流动、传热和燃烧模型的非耦合求解，计算中采用有限容积法对微分控制方程和输运方程离散为代数方程组进行数值求解，以各工况下的CO、O₂和烟气压力的实际测量值作为输入条件，燃煤量、总风量、一次风温、二次风温、一次风率、二次风率和漏风率作为边界条件多次迭代直至满足收敛，预测烟气CO、O₂在炉膛至省煤器出口中的运动轨迹，构建锅炉燃烧过程中CO和O₂浓度的三维分布场。

步骤b是以美国机械工程师协会(ASME)标准的规定对于烟气取样：测点的数量及布置取决于烟道的尺寸和形状，取样点间隔应不超过915mm，且所用点的总数应不少于4点；对不同型式的锅炉，在锅炉炉膛的主燃烧区域选址布置，安装的取样点个数严格按照ASME标准执行，点数选择如下所示：机组容量300MW，安装点数16～24点，分析单元4个；机组容量600MW，安装点数16～24点，分析单元4个；机组容量1000MW，安装点数16～24点，分析单元4个。

煤粉的燃烧模型采用扩散/反应联合控制模型，主要包括两项，分别为扩散项和传热项，扩散项为：

其中q为焦炭消耗速率，A指前因子，E为表观活化能，P_ox，s为颗粒表面处的O₂分压，n_ox为反应阶数；传热项为：

其中m_c为颗粒质量，T_g，T_p，T_r分别为气相、颗粒和背景辐射温度，c_p为固体比热，f_h为被固体吸收的反应热份额，H_reac为气固反应热，ε_p为颗粒黑度，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

煤粉颗粒的流动轨迹模型，采用颗粒随机轨道模型，根据射流的数目决定煤粉跟踪颗粒数；假定射流数目为20，其含义是把之前跟踪的颗粒分成20个，每个颗粒占有的流量就是原来的1/20，然后对这20个颗粒赋予不同的速度脉动值，求得各自的颗粒轨迹。

在对煤粉的辐射传热进行模拟以得出煤粉的传热模型时选用以热流法为基础的P1辐射模型，与离散坐标法相比，Pl辐射模型将辐射散射考虑在内。

所述的方法选用标准k-ε双方程湍流模型、非预混燃烧守恒标量的PDF模型以及FLUENT软件提供的污染物生成模型；对于速度与压力的耦合问题，采用SIMPLE的算法；对炉膛区域壁面的处理采用壁面函数法；同时采用欠松弛的方法。

本发明的有益效果是：通过对锅炉炉膛区域壁面高温烟气CO、O₂浓度和烟气压力的网格式多点在线检测，采用计算流体力学的方法建立炉膛内煤粉的流动、燃烧和传热模型，以预测烟气CO和O₂在炉膛、烟道中的运动轨迹，进而构建烟气CO和O₂的浓度场，为锅炉燃烧调整提供有效可靠的关键依据。

使用基于计算流体动力学CFD的方法，高效省时，可以利用现有很多模型库进行优化处理；直观反应烟气CO、O₂在炉膛中的运动轨迹和分布规律，可以清晰掌握炉膛内风粉混合状况，有利于有针对性的单独调整单个燃烧器的风粉配比；通过网格式多点检测技术可有效提升浓度场的准确性和有效性；同时测量的网格式多点压力构造的实际速度场，可以对基于CFD得出的速度场进行有效校验；为运行人员调整燃烧提供了有效、可靠、全面的关键依据。

附图说明

图1是本发明的锅炉结构示意图；

图2是本发明炉膛及烟道结构示意图；

图3是本发明炉膛及烟道网格划分结构示意图；

图4是本发明燃烧器区域网格化结构示意图；

图5是本发明独立求解方法流程图；

图6是本发明耦合求解方法流程图。

图7为本发明的取样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明：

具体实施例，如图1至图7所示，基于锅炉炉膛网格检测CO和O₂浓度的分布场构建方法，所述的方法包括：

a、获取电站锅炉的结构、操作数据：包括电站锅炉冷灰斗、炉膛、折焰角、燃烧器喷口、省煤器的详细尺寸结构；操作数据至少包括：每台锅炉的总风量、总煤量，每个燃烧器的燃煤量、风量、一次风温、二次风温、一次风率、二次风率；

b、对锅炉炉膛区域壁面的高温烟气CO、O₂浓度和烟气压力进行网格式多点在线检测：基于炉膛网格多点布置取样方法，从炉膛中取烟气的代表性样品，即将探头单元安装在预定位置，通过探头单元获取炉膛区域壁面的烟气样品，以美国机械工程师协会(ASME)标准的规定对于烟气取样：测点的数量及布置取决于烟道的尺寸和形状，取样点间隔应不超过915mm(3英尺)，且所用点的总数应不少于4点；对不同型式的锅炉，在锅炉炉膛的主燃烧区域选址布置，安装的取样点个数严格按照ASME标准执行，点数选择如下所示：机组容量300MW，安装点数16～24点，分析单元4个；机组容量600MW，安装点数16～24点，分析单元4个；机组容量1000MW，安装点数16～24点，分析单元4个，利用分析单元对检测到的数据进行分析计算，得出所需数据；锅炉炉膛区域壁面是指贴近水冷壁管向火侧外壁的区域，探头单元由取样探头和取样导流管组成，取样探头在取样导流管的后端，两者之间通过螺纹连接，取样导流管的主要作用就是将样气引流至取样探头，取样探头内部安装有圆柱形高精度过滤器，过滤精度＜1μm，过滤效率达到99％。经过过滤的烟气，通过伴热管线进入分析单元；另外，取样探头中的过滤器还与反吹压缩空气相连，每隔四小时反吹一次，反吹的时候，将覆着在过滤器表面、以及沉积在取样导流管中的粉尘，从取样导流管中吹扫出去，返回炉膛内。为了取得更准确的数据，取样导流管的前端需要焊接在两根水冷壁管之间的鳍片上并使取样导流管前端面的取样点与鳍片的前端面齐平，如图7所示；

c、采用计算流体力学的方法建立炉膛内煤粉的流动、燃烧和传热模型，预测烟气CO和O₂在炉膛、烟道中的运动轨迹，构建烟气CO和O₂的浓度场：

建立炉膛及烟道的计算网格，其中全锅炉的计算域选至锅炉省煤器出口处，计算域划分为四个部分，分别为冷灰斗区域I、燃烧器区域II、燃烧器以上至炉膛出口区域III、炉膛出口至省煤器出口区域IV；冷灰斗I、燃烧器以上至炉膛出口区域III、炉膛出口至省煤器出口区域IV采用结构化网格，燃烧器区域II采用非结构化网格，其中结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元，它可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算，它的主要优点是网格生成的速度快、质量好，数据结构简单，它的最典型的缺点是适用的范围比较窄，尤其随着近几年的计算机和数值方法的快速发展，人们对求解区域的复杂性的要求越来越高，在这种情况下，结构化网格生成技术就显得力不从心了；非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元，即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同，从定义上可以看出，结构化网格和非结构化网格有相互重叠的部分，即非结构化网格中可能会包含结构化网格的部分，非结构化网格可以解决任意形状和任意连通区域的网格剖分；

各区域采用三维稳态计算，采用流动、传热和燃烧模型的非耦合求解，计算中采用有限容积法对微分控制方程和输运方程离散为代数方程组进行数值求解，以各工况下的CO、O₂和烟气压力的实际测量值作为输入条件，燃煤量、总风量、一次风温、二次风温、一次风率、二次风率和漏风率作为边界条件多次迭代直至满足收敛，预测烟气CO、O₂在炉膛至省煤器出口中的运动轨迹，构建锅炉燃烧过程中CO和O₂浓度的三维分布场；

其中，煤的物理结构和化学组分都十分复杂，煤的燃烧过程也会经历诸多复杂的过程，各部分之间又没有明显界限，煤粉可能会同时经历两个或多个过程，所以对煤粉的燃烧过程进行合理的描述并不容易，对各阶段选取恰当的模型十分重要。在数值计算时，建立挥发分热解模型和焦炭燃烧模型，以给出能量平衡方程和组份平衡方程中的源项，使控制方程组得以封闭。煤中挥发分的析出过程也称为煤的热解，是一个十分复杂的过程，涉及物理汽化、化学键断裂、不稳定中间产物的产生及演变等诸多过程。合理的挥发分热解模型应该能够比较完整的描述煤粉在加热阶段，从中析出的产物种类、数量及其析出速率，所以煤粉的燃烧模型采用扩散/反应联合控制模型，主要包括两项，分别为扩散项和传热项，扩散项为：

其中q为焦炭消耗速率，A指前因子，E为表观活化能，P_ox，s为颗粒表面处的O₂分压，n_ox为反应阶数；传热项为：

其中m_c为颗粒质量，T_g，T_p，T_r分别为气相、颗粒和背景辐射温度，c_p为固体比热，f_h为被固体吸收的反应热份额，H_reac为气固反应热，ε_p为颗粒黑度，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

煤粉在锅炉内的燃烧过程一般都会涉及到典型的气固两相流动，本发明中煤粉颗粒的流动轨迹模型，采用颗粒随机轨道模型，根据射流的数目决定煤粉跟踪颗粒数；假定射流数目为20，其含义是把之前跟踪的颗粒分成20个，每个颗粒占有的流量就是原来的1/20，然后对这20个颗粒赋予不同的速度脉动值，求得各自的颗粒轨迹。随机轨道模型以气相湍流的统观模型为基础，以考虑气相湍流基本结构特征；由颗粒相的瞬态动量方程随机给定脉动速度，以考虑湍流扩散对颗粒的影响；用蒙特卡洛法计算颗粒的运动轨道及其沿程的复杂变化。这一方法的做法基本都是在求解气态流体时均场的基础上对颗粒相的瞬态动量方程求解。随机轨道模型在研究伴随有蒸发、挥发及异相化学反应等复杂经历的颗粒在流场中的变化时有很好的效果，是目前在两相湍流模拟和固体颗粒燃烧模拟中被最广泛采用的模型。

本发明在对煤粉的辐射传热进行模拟以得出煤粉的传热模型时选用以热流法为基础的P1辐射模型，与离散坐标法相比，Pl辐射模型将辐射散射考虑在内，在模拟较复杂几何结构中的辐射问题时有一定优势。这种方法相对比较成熟，已被国内外许多学者用于炉内辐射的模拟。

本发明的方法选用标准k-ε双方程湍流模型、非预混燃烧守恒标量的PDF模型以及FLUENT软件提供的污染物生成模型；对于速度与压力的耦合问题，采用SIMPLE的算法；对炉膛区域壁面的处理采用壁面函数法；同时为了保持计算的稳定性，采用欠松弛的方法，利用集中求解方式的组合，解决整个炉膛内部煤粉的流动计算问题，使计算得出的数值更精确，构建出的浓度场和速度场更准确，使锅炉的燃烧效率更高。

具体的求解方法可采用图5、图6方法中的一种，通过计算每个计算网格中的各项参数，获得锅炉计算域中的浓度场和速度场。

此构建方法具有较好的适用性以及推广性，可用于各种型式的锅炉，对锅炉内各燃烧区域的烟气CO和O₂的浓度场构建是一种行之有效的方法。