一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法

1.本发明涉及锅炉炉膛热力分析领域，具体涉及一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法。


背景技术：

2.准确的锅炉热力计算能够确定锅炉各受热面与燃烧产物和工质参数之间的关系，对锅炉的设计、生产和运行有重大意义。超临界二氧化碳锅炉是超临界二氧化碳发电技术的关键设备之一，因超临界二氧化碳锅炉的工质与传统的水锅炉的工质不同，且锅炉中工质的改变会导致锅炉设计的大幅度变化，传统水锅炉的热力计算方法并不适用于超临界二氧化碳锅炉，目前还缺乏针对超临界二氧化碳锅炉的热力计算方法。
3.如zl202010986243.2、zl202010377111.x和zl201910457553.2等专利所述，超临界二氧化碳锅炉的炉膛壁温将升高约200℃，需引入烟气再循环来解决其炉膛壁温过高的问题。然而，无论是壁温升高还是引入烟气再循环，均会导致炉膛的辐射换热量下降以及对流换热量上升。现有的炉膛热力计算方法均只考虑辐射换热，且忽略壁温的影响，这种假设在计算超临界二氧化碳锅炉炉膛时可能存在较大的误差。当热力计算存在较大误差时，将无法获得可靠的热负荷和出口烟气温度等数据，也即难以判断该炉膛结构是否合理并选取合适的钢材。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法，可以精准的分析出超临界二氧化碳锅炉的热力分布，为选取合适的钢材提供可靠的依据。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法，
6.将待分析的超临界二氧化碳锅炉炉膛沿烟气行程方向依次划分为多个区；将紧邻炉膛出口的最后一个区设定为炉膛出口区，且炉膛出口区不包含屏式过热器；判断超临界二氧化碳锅炉是否存在灰斗，若是，则将第一个区设定为灰斗所在的区，其中灰斗所在的区即为灰斗区，并将紧邻灰斗区的第二个区作为最大放热区，若否，则最大放热区为第一个区；另外，位于最大放热区与炉膛出口区之间的区为中间区，且最大放热区与炉膛出口区之间有零个或一个或多个中间区；
7.所述超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法包括以下步骤，
8.s1，设置最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值；
9.s2，设置最大放热区的出口烟气温度假定值；
10.s3，根据最大放热区的出口烟气温度假定值，并结合炉膛有效辐射层厚度和最大放热区的炉墙平均热有效系数，计算出最大放热区的炉膛黑度；
11.s4，根据最大放热区的出口烟气温度假定值、炉膛受热面平均外壁面温度假定值、炉墙平均热有效系数以及炉膛黑度，并结合最大放热区的烟气对受热面的对流换热系数，
计算出最大放热区的出口烟气温度计算值；
12.s5，判断最大放热区的出口烟气温度计算值与出口烟气温度假定值之间的差值是否大于最大放热区出口烟气温度差值预设值；若是，则修改设置的最大放热区的出口烟气温度假定值，并返回至s2循环迭代执行；若否，则执行s6；
13.s6，最大放热区的出口烟气温度计算值迭代计算完成后，计算出最大放热区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，并根据最大放热区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，计算出最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值；
14.s7，判断最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值与炉膛受热面平均外壁面温度假定值之间的差值是否大于最大放热区炉膛受热面平均外壁面温度差值预设值；若是，则修改设置的最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值，并返回至s1循环迭代执行；若否，则最大放热区的热力分析完成，并执行s8；
15.s8，判断是否存在灰斗区；若是，则计算出灰斗区的受热面吸热量，并执行s9；若否，则直接执行s9；
16.s9,设置炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值；
17.s10，设置炉膛出口区的出口烟气温度假定值；
18.s11，根据炉膛出口区的出口烟气温度假定值，并结合炉膛有效辐射层厚度以及炉膛出口区的炉墙平均热有效系数，计算出炉膛出口区的炉膛黑度；
19.s12，判断是否存在中间区；若是，则依次执行s13至s24；若否，则依次执行s21至s24；
20.s13，基于最大放热区的炉膛黑度以及炉膛出口区的炉膛黑度，采用线性差值的方法计算出各个中间区的炉膛黑度；
21.s14，设置当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值；
22.s15，设置当前中间区的出口烟气温度假定值；
23.s16，根据当前中间区的出口烟气温度假定值、炉膛受热面平均外壁面温度假定值以及炉膛黑度，并结合当前中间区的进口烟气温度、烟气对受热面的对流换热系数以及炉墙平均热有效系数，计算出当前中间区的出口烟气温度计算值；其中，当前中间区的进口烟气温度为当前中间区的上一个区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值；
24.s17，判断当前中间区的出口烟气温度计算值与出口烟气温度假定值之间的差值是否大于当前中间区出口烟气温度差值预设值；若是，则修改设置的当前中间区的出口烟气温度假定值，并返回至s15循环迭代执行；若否，则执行s18；
25.s18，当前中间区的出口烟气温度计算值迭代计算完成后，计算出当前中间区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，并根据当前中间区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，计算出当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值；
26.s19，判断当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值与炉膛受热面平均外壁面温度假定值之间的差值是否大于当前中间区炉膛受热面平均外壁面温度差值预设值；若是，则修改设置的当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值，并返回至s14循环迭
代执行；若否，则当前中间区的热力分析完成，并执行s20；
27.s20，基于沿烟气行程方向，判断当前中间区是否为最后一个中间区；若否，则将当前中间区的下一中间区作为当前中间区，并返回至s14循环迭代执行；若是，则中间区的热力分析完成，并执行s21；其中，当前中间区的初始区为紧邻最大放热区的中间区；
28.s21，根据炉膛出口区的出口烟气温度假定值、炉膛受热面平均外壁面温度假定值、炉墙平均热有效系数以及炉膛黑度，并结合炉膛出口区的进口烟气温度以及烟气对受热面的对流换热系数，计算出炉膛出口区的出口烟气温度计算值；其中，炉膛出口区的进口烟气温度为炉膛出口区的上一个区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值；
29.s22，判断炉膛出口区的出口烟气温度计算值与出口烟气温度假定值之间的差值是否大于炉膛出口区出口烟气温度差值预设值；若是，则修改设置的炉膛出口区的出口烟气温度假定值，并返回至s10循环迭代执行；若否，则执行s23；
30.s23，炉膛出口区的出口烟气温度计算值迭代计算完成后，计算出炉膛出口区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，并根据炉膛出口区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，计算出炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值；
31.s24，判断炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值与炉膛受热面平均外壁面温度假定值之间的差值是否大于炉膛出口区炉膛受热面平均外壁面温度差值预设值；若是，则修改设置的炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值，并返回至s9循环迭代执行；若否，则炉膛出口区的热力分析完成并结束，即完成炉膛热力分析。
32.本发明的有益效果是：在本发明一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法中，依次进行最大放热区的循环迭代热力分析、灰斗区热力分析(若存在灰斗)、中间区的循环迭代热力分析(若存在中间区)以及炉膛出口区的循环迭代热力分析；其中；循环迭代热力分析包括炉膛受热面平均外壁面温度参数和出口烟气温度参数的循环迭代分析。在中间区的循环迭代热力分析过程中，会使用炉膛出口区的出口烟气温度假定值作为条件进行循环迭代热力分析；因此，在进行炉膛出口区的热力分析过程中，若计算出的出口烟气温度计算值不满足条件时，还会返回至中间区重新进行循环迭代热力分析，直至所有热力参数满足预设要求。本技术在循环迭代热力分析的过程中考虑了平均外壁面温度对辐射换热的影响；同时，在分析的过程中考虑了对流换热的影响来计算炉膛烟气与受热面间的换热；与传统方法相比，本发明可适用于空气燃烧、烟气再循环和富氧燃烧等多种工况，且精确度更高，为选取合适的钢材并确保炉膛结构合理提供可靠的依据。
附图说明
33.图1为本发明一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法的流程图；
34.图2为本发明一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法中最大放热区的热力分析原理图；
35.图3为本发明一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法中炉膛出口区的热力分析原理图；
36.图4为本发明一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法中中间区的热力分析原
理图；
37.图5为实例中二氧化碳锅炉炉膛的分区示意图。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
39.一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法，将待分析的超临界二氧化碳锅炉炉膛沿烟气行程方向依次划分为多个区；将紧邻炉膛出口的最后一个区设定为炉膛出口区，且炉膛出口区不包含屏式过热器；判断超临界二氧化碳锅炉是否存在灰斗，若是，则将第一个区设定为灰斗所在的区，其中灰斗所在的区即为灰斗区，并将紧邻灰斗区的第二个区作为最大放热区，若否，则最大放热区为第一个区；另外，位于最大放热区与炉膛出口区之间的区为中间区，且最大放热区与炉膛出口区之间有零个或一个或多个中间区；
40.如图1所示，所述超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法包括以下步骤，
41.s1，设置最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值；
42.s2，设置最大放热区的出口烟气温度假定值；
43.s3，根据最大放热区的出口烟气温度假定值，并结合炉膛有效辐射层厚度和最大放热区的炉墙平均热有效系数，计算出最大放热区的炉膛黑度；
44.s4，根据最大放热区的出口烟气温度假定值、炉膛受热面平均外壁面温度假定值、炉墙平均热有效系数以及炉膛黑度，并结合最大放热区的烟气对受热面的对流换热系数，计算出最大放热区的出口烟气温度计算值；
45.s5，判断最大放热区的出口烟气温度计算值与出口烟气温度假定值之间的差值是否大于最大放热区出口烟气温度差值预设值；若是，则修改设置的最大放热区的出口烟气温度假定值，并返回至s2循环迭代执行；若否，则执行s6；
46.s6，最大放热区的出口烟气温度计算值迭代计算完成后，计算出最大放热区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，并根据最大放热区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，计算出最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值；
47.s7，判断最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值与炉膛受热面平均外壁面温度假定值之间的差值是否大于最大放热区炉膛受热面平均外壁面温度差值预设值；若是，则修改设置的最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值，并返回至s1循环迭代执行；若否，则最大放热区的热力分析完成，并执行s8；其中，在进行最大放热区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值的循环迭代计算过程中，设置最大放热区的出口烟气温度假定值即为：将最大放热区的出口烟气温度假定值设置为最大放热区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值；
48.s8，判断是否存在灰斗区；若是，则计算出灰斗区的受热面吸热量，并执行s9；若否，则直接执行s9；
49.s9,设置炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值；
50.s10，设置炉膛出口区的出口烟气温度假定值；
51.s11，根据炉膛出口区的出口烟气温度假定值，并结合炉膛有效辐射层厚度以及炉
膛出口区的炉墙平均热有效系数，计算出炉膛出口区的炉膛黑度；
52.s12，判断是否存在中间区；若是，则依次执行s13至s24；若否，则依次执行s21至s24；
53.s13，基于最大放热区的炉膛黑度以及炉膛出口区的炉膛黑度，采用线性差值的方法计算出各个中间区的炉膛黑度；其中，该步骤中最大放热区的炉膛黑度具体为，根据最大放热区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值而计算出的炉膛黑度；
54.s14，设置当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值；
55.s15，设置当前中间区的出口烟气温度假定值；
56.s16，根据当前中间区的出口烟气温度假定值、炉膛受热面平均外壁面温度假定值以及炉膛黑度，并结合当前中间区的进口烟气温度、烟气对受热面的对流换热系数以及炉墙平均热有效系数，计算出当前中间区的出口烟气温度计算值；其中，当前中间区的进口烟气温度为当前中间区的上一个区中最后一次循环迭代时设置的出口烟气温度假定值或最后一次循环迭代计算得到的出口烟气温度计算值；
57.s17，判断当前中间区的出口烟气温度计算值与出口烟气温度假定值之间的差值是否大于当前中间区出口烟气温度差值预设值；若是，则修改设置的当前中间区的出口烟气温度假定值，并返回至s15循环迭代执行；若否，则执行s18；
58.s18，当前中间区的出口烟气温度计算值迭代计算完成后，计算出当前中间区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，并根据当前中间区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，计算出当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值；其中，在进行当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值的循环迭代计算过程中，设置当前中间区的出口烟气温度假定值即为：将当前中间区的出口烟气温度假定值设置为当前中间区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值；
59.s19，判断当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值与炉膛受热面平均外壁面温度假定值之间的差值是否大于当前中间区炉膛受热面平均外壁面温度差值预设值；若是，则修改设置的当前中间区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值，并返回至s14循环迭代执行；若否，则当前中间区的热力分析完成，并执行s20；
60.s20，基于沿烟气行程方向，判断当前中间区是否为最后一个中间区；若否，则将当前中间区的下一中间区作为当前中间区，并返回至s14循环迭代执行；若是，则中间区的热力分析完成，并执行s21；其中，当前中间区的初始区为紧邻最大放热区的中间区；
61.s21，根据炉膛出口区的出口烟气温度假定值、炉膛受热面平均外壁面温度假定值、炉墙平均热有效系数以及炉膛黑度，并结合炉膛出口区的进口烟气温度以及烟气对受热面的对流换热系数，计算出炉膛出口区的出口烟气温度计算值；其中，炉膛出口区的进口烟气温度为炉膛出口区的上一个区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值；
62.s22，判断炉膛出口区的出口烟气温度计算值与出口烟气温度假定值之间的差值是否大于炉膛出口区出口烟气温度差值预设值；若是，则修改设置的炉膛出口区的出口烟
气温度假定值，并返回至s10循环迭代执行；若否，则执行s23；
63.s23，炉膛出口区的出口烟气温度计算值迭代计算完成后，计算出炉膛出口区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，并根据炉膛出口区的炉膛受热面平均热负荷、管内超临界二氧化碳平均温度以及管内超临界二氧化碳对流传热系数，计算出炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值；其中，在进行炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值的循环迭代计算过程中，设置炉膛出口区的出口烟气温度假定值即为：将炉膛出口区的出口烟气温度假定值设置为炉膛出口区中出口烟气温度最后一次循环迭代计算时设置的出口烟气温度假定值或计算得到的出口烟气温度计算值；
64.s24，判断炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度计算值与炉膛受热面平均外壁面温度假定值之间的差值是否大于炉膛出口区炉膛受热面平均外壁面温度差值预设值；若是，则修改设置的炉膛出口区的炉膛受热面平均外壁面温度假定值，并返回至s9循环迭代执行；若否，则炉膛出口区的热力分析完成并结束，即完成炉膛热力分析。
65.图2、图3和图4分别为本发明一种超临界二氧化碳锅炉炉膛热力分析方法中最大放热区、炉膛出口区以及中间区的热力分析原理图。
66.下面结合图2、图3和图4对各区的热力分析作具体说明。
67.在本具体实施例中，优选的：
68.如图2或图3所示，令区域a为最大放热区或炉膛出口区，则区域a的炉膛黑度的具体计算过程为，
69.根据炉膛有效辐射层厚度和区域a的出口烟气温度假定值，计算出区域a的三原子气体发射率；
70.基于朗伯比尔定律，根据炉膛有效辐射层厚度和区域a的三原子气体发射率，计算出区域a的气体辐射减弱系数；
71.对于气体和液体燃料，根据区域a的出口烟气温度假定值计算出区域a的炭黑粒子辐射减弱系数；对于固体燃料，根据区域a的出口烟气温度假定值计算出区域a的灰粒子辐射减弱系数和焦炭粒子辐射减弱系数；
72.根据区域a的气体辐射减弱系数、炭黑粒子辐射减弱系数、灰粒子辐射减弱系数以及焦炭粒子辐射减弱系数，计算出区域a的火焰黑度；
73.根据炉墙平均热有效系数和区域a的火焰黑度，计算出区域a的炉膛黑度；
74.其中：
75.炉膛有效辐射层厚度的计算公式为，
76.区域a的三原子气体发射率的计算公式为，且
77.区域a的气体辐射减弱系数的计算公式为，k
gas
＝-ln(1-ε3)/p3s；
78.具体的，s为有效辐射层厚度，v为炉膛的总容积，f为炉膛的总炉墙面积，且包括进、出口截面面积；ε3为区域a的三原子气体发射率，ki为第i种灰气体的吸收系数，a
ε,i
(t)为第i种灰气体的加权因子，a
ε,0
(t)为透明气体的加权因子，i为灰气体数，j为多项式数，b
ε,i,j
为第i种灰气体的第j项式的系数，p3为三原子气体的分压，t为出口烟气温度假定值；k
gas
为区域a的气体辐射减弱系数。
79.在本具体实施例中，优选的：
80.如图4所示，中间区的炉膛黑度计算公式为，
[0081][0082]
其中，a(n)为第n区的炉膛黑度,具体的，第n区为中间区；a
out
为炉膛出口区的炉膛黑度，a
max
为最大放热区的炉膛黑度，n为最大放热区、中间区和炉膛出口区的总个数，n
max
为最大放热区的序号。
[0083]
在本具体实施例中，优选的：
[0084]
如图2所示，计算出最大放热区的出口烟气温度计算值的具体过程为，
[0085]
根据最大放热区的炉膛黑度、炉墙平均热有效系数、出口烟气温度假定值以及炉膛受热面平均外壁面温度假定值，计算出最大放热区的烟气对炉墙的辐射换热量、烟气对下一个区的辐射换热量以及烟气对灰斗的辐射换热量；
[0086]
基于燃烧方式修正系数，计算出最大放热区的烟气对受热面的对流换热系数；
[0087]
根据最大放热区的烟气对受热面的对流换热系数、出口烟气温度假定值以及炉膛受热面平均外壁面温度假定值，计算出最大放热区的烟气对受热面的对流换热量；
[0088]
基于能量平衡方程，根据最大放热区的烟气对受热面的对流换热量、烟气对炉墙的辐射换热量、烟气对下一个区的辐射换热量以及烟气对灰斗的辐射换热量，计算出最大放热区的出口烟气温度计算值；
[0089]
若不存在灰斗区，则最大放热区的烟气对灰斗区的辐射换热量为零；
[0090]
其中，最大放热区的出口烟气温度计算值的计算公式为，
[0091][0092]
具体的，在最大放热区中：为出口烟气温度计算值，c
″
为出口烟气温度计算值下的烟气热容，q
fuel
为燃料带入的热量，q
air
为空气带入的热量，q
fg
为再循环烟气带入的热量，q5为散热损失，q6为灰渣损失，q
rad
为烟气对炉墙的辐射换热量，q
hop
为烟气对灰斗区的辐射换热量，q
next
为烟气对下一个区的辐射换热量，q
con
为烟气对受热面的对流换热量。
[0093]
进一步优选的：
[0094]
最大放热区的烟气对炉墙的辐射换热量的计算公式为，
[0095][0096]
最大放热区的烟气对灰斗区的辐射换热量的计算公式为，
[0097][0098]
最大放热区的烟气对下一个区的辐射换热量的计算公式为，
[0099][0100]
最大放热区的烟气对受热面的对流换热量的计算公式为，
[0101][0102]
其中，在最大放热区中：a
max
为炉膛黑度，b
p
为锅炉计算燃料消耗量，t
″
为出口烟气温度假定值，tw为受热面平均外壁面温度假定值，f
cr
为炉墙面积，f'为入口截面面积，f
″
为出口截面面积，ψ
cp
为炉墙的平均热有效系数，ψ'为入口截面热有效系数，ψ
″
为出口截面热有效系数，hf为烟气对受热面的对流换热系数，f
cw
为受热面的面积；
[0103]
最大放热区的烟气对受热面的对流换热系数的计算公式为，
[0104][0105]
其中，λf为烟气的导热系数，d为当量直径，nu(re,pr,...)为管内强制对流传热关联式，c
cb
为燃烧方式修正系数，且c
cb
的取值范围1～10。
[0106]
在本具体实施例中，优选的：
[0107]
如图3或4所示，令区域b为中间区或炉膛出口区，则计算出区域b的出口烟气温度计算值的具体过程为，
[0108]
根据区域b的炉膛黑度、炉墙平均热有效系数、进口烟气温度、出口烟气温度假定值以及炉膛受热面平均外壁面温度假定值，计算出区域b的烟气对炉墙的辐射换热量以及上一个区的烟气对区域b的辐射换热量与区域b的烟气对下一个区域的辐射换热量的差值；
[0109]
基于燃烧方式修正系数，计算出区域b的烟气对受热面的对流换热系数；
[0110]
根据区域b的烟气对受热面的对流换热系数、进口烟气温度、出口烟气温度假定值以及炉膛受热面平均外壁面温度假定值，计算出区域b的烟气对受热面的对流换热量；
[0111]
基于能量平衡方程，根据区域b的烟气对受热面的对流换热量、烟气对炉墙的辐射换热量以及上一个区的烟气对区域b的辐射换热量与区域b的烟气对下一个区域的辐射换热量的差值，计算出区域b的出口烟气温度计算值；
[0112]
其中，区域b的出口烟气温度计算值的计算公式为，
[0113][0114]
具体的，在区域b中：为出口烟气温度计算值，为进口烟气温度，c
″
为出口烟气温度计算值下的烟气热容，c'为进口烟气温度下的烟气热容，q
fuel
为燃料带入的热量，q
air
为空气带入的热量，q
fg
为再循环烟气带入的热量，q5为散热损失，q6为灰渣损失，q
rad
为烟气对炉墙的辐射换热量，q
con
为烟气对受热面的对流换热量，q
next
为烟气对下一个区的辐射换热量，q
last
为上一个区的烟气对区域b的辐射换热量，且q
next-q
last
为上一个区的烟气对区域b的辐射换热量与烟气对下一个区域的辐射换热量的差值；
[0115]
另外，当区域b为炉膛出口区时，区域b的下一个区为屏式过热器；那么，q
next
为区域b的烟气对屏式过热器区域的辐射换热量。
[0116]
进一步优选的：
[0117]
区域b的烟气对炉墙的辐射换热量的计算公式为，
[0118][0119]
上一个区的烟气对区域b的辐射换热量与区域b的烟气对下一个区域的辐射换热量的差值的计算公式为，
[0120][0121]
区域b的烟气对受热面的对流换热量的计算公式为，
[0122][0123]
其中，在区域b中：当区域b为中间区时，a为中间区的炉膛黑度；当区域b为炉膛出口区时，a为炉膛出口区的炉膛黑度；b
p
为锅炉计算燃料消耗量，t
″
为出口烟气温度假定值，t'为进口烟气温度，tw为受热面平均外壁面温度假定值，f
cr
为炉墙面积，f'为入口截面面积，f
″
为出口截面面积，ψ
cp
为炉墙的平均热有效系数，ψ'为入口截面热有效系数，ψ
″
为出口截面热有效系数，hf为烟气对受热面的对流换热系数，f
cw
为受热面的面积；
[0124]
区域b的烟气对受热面的对流换热系数的计算公式为，
[0125][0126]
其中，在区域b中：λf为烟气的导热系数，d为当量直径，nu(re,pr,...)为管内强制对流传热关联式，re表示雷诺数，pr表示普朗特数，c
cb
为燃烧方式修正系数，且c
cb
的取值范围1～10。
[0127]
在本具体实施例中，优选的：
[0128]
在最大放热区或中间区或炉膛出口区中，炉膛受热面平均外壁面温度计算值的计算公式为，
[0129][0130]
其中，
[0131]
具体的，在最大放热区或中间区或炉膛出口区中：tw为炉膛受热面平均外壁面温度计算值，为管外壁无沾污条件下的炉膛受热面平均外壁面温度计算关联式，δt
slag
为沾污导致的外壁温升，h
co2
为管内超临界二氧化碳对流传热系数，为管内超临界二氧化碳平均温度，λm为金属导热系数，d
out
为管外径，δ为管壁厚，d
in
为管内径，λ
co2
为管内超临界二氧化碳导热系数，nu(re,pr,...)为管内强制对流传热关联式，q
cw
为炉膛受热面的平均热负荷，b
p
为锅炉计算燃料消耗量，f
cw
为受热面的面积，q
rad
为烟气对炉墙的辐射换热量，q
con
为烟气对受热面的对流换热量。
[0132]
在本具体实施例中，优选的：
[0133]
在炉膛热力分析完成之后，基于已知的炉膛结构和工质参数以及炉膛热力分析结果，查阅设计手册，为超临界二氧化碳锅炉选择满足强度要求的钢材。若无合适钢材可用，则重新调整炉膛结构和工质参数，并重新进行炉膛热力分析，直至获取到满足强度要求的钢材。
[0134]
例如，基于求解得到的炉膛出口烟气温度，与设计手册对比，确定该温度是否合理，若不满足锅炉安全经济运行要求，则重新调整炉膛结构和工质参数。
[0135]
下面以具体实例来分析超临界二氧化碳锅炉炉膛热力参数：
[0136]
矩形截面炉膛，截面尺寸为0.5*0.5m，炉膛长2m，水平布置，单只柴油燃烧器，无灰斗，无烟气再循环，炉膛出口后布置屏式过热器。炉膛受热面外管径22mm，壁厚5mm，膜式壁。上述炉膛的分区如图5所示。
[0137]
相关初始数据如下：
[0138]
区1炉墙面积f
cr,1
＝2m2；区2炉墙面积f
cr,2
＝1m2；区3炉墙面积f
cr,3
＝1.25m2；
[0139]
区1受热面面积f
cw,1
＝1m2；区2受热面面积f
cw,2
＝1m2；区3受热面面积f
cw,3
＝1m2；
[0140]
炉膛总容积v＝0.5m3；
[0141]
区1出口截面面积f1″
＝0.25m2；区2出口截面面积f2″
＝0.25m2；区3出口截面面积f3″
＝0.25m2；区2入口截面面积f2'＝0.25m2；区3入口截面面积f3'＝0.25m2；
[0142]
区1燃料带入的热量q
fuel,1
＝40470kj/kg；区2燃料带入的热量q
fuel,2
＝1278kj/kg；区3燃料带入的热量q
fuel,3
＝852kj/kg；
[0143]
区1空气带入的热量q
air,1
＝1510kj/kg；区2空气带入的热量q
air,2
＝0kj/kg；区3空气带入的热量q
air,3
＝0kj/kg；
[0144]
区1再循环烟气带入的热量q
fg,1
＝0kj/kg；区2再循环烟气带入的热量q
fg,2
＝0kj/kg；区3再循环烟气带入的热量q
fg,3
＝0kj/kg；
[0145]
区1散热损失q
5,1
＝8000kj/kg；区2散热损失q
5,2
＝800kj/kg；区3散热损失q
5,3
＝800kj/kg；
[0146]
区1灰渣损失q
6,1
＝0kj/kg；区2灰渣损失q
6,2
＝0kj/kg；区3灰渣损失q
6,3
＝0kj/kg；
[0147]
区1炉墙平均热有效系数ψ
cp,1
＝0.3575；区2炉墙平均热有效系数ψ
cp,2
＝0.65；区3炉墙平均热有效系数ψ
cp,3
＝0.5733；
[0148]
区1出口截面热有效系数ψ1″
＝0.4；区2进出口截面热有效系数差值ψ
″
2-ψ'2＝-0.2；区3进出口截面热有效系数差值ψ
″
2-ψ'2＝-0.1；
[0149]
区1的p3s＝0.007mpa*m；区3的p3s＝0.007mpa*m；
[0150]
锅炉计算燃料消耗量b
p
＝13.35kg/h；
[0151]
区1的燃烧方式修正系数c
cb,1
＝4；区2的燃烧方式修正系数c
cb,2
＝3.5；区3的燃烧方式修正系数c
cb,3
＝3；
[0152]
区1的管内超临界二氧化碳平均温度区2的管内超临界二氧化碳平均温度区3的管内超临界二氧化碳平均温度
[0153]
计算过程如下：
[0154]
(1)区1(最大放热区)
[0155]
炉膛有效辐射层厚度
[0156]
假定区1的炉膛受热面平均外壁面温度tw＝296℃，假定允许偏差为3℃；
[0157]
假定区1的出口烟气温度假定允许偏差为3℃；
[0158]
区1的三原子气体发射率
[0159][0160]
区1的气体辐射减弱系数
[0161]kgas
＝-ln(1-ε3)/p3s＝-ln(1-0.1465)/0.007＝22.495m-1
*mpa-1
；
[0162]
区1的炭黑粒子的辐射减弱系数
[0163]kcb
＝f(θ
″
,α,...)＝0.93m-1
*mpa-1
；
[0164]
区1的火焰黑度
[0165]
区1的炉墙平均热有效系数ψ
cp,1
＝0.3575；
[0166]
区1的炉膛黑度
[0167]
区1的烟气对炉墙的辐射换热量
[0168][0169]
区1对区2的辐射换热量
[0170][0171]
区1的烟气对受热面的对流换热系数
[0172][0173]
区1的烟气对受热面的对流换热量
[0174][0175]
区1的计算出口烟气温度
[0176][0177]
860.3-859＝1.3《3℃，因此出口烟气温度迭代计算完成。
[0178]
区1受热面的平均热负荷
[0179][0180]
区1的管内超临界二氧化碳平均温度
[0181]
区1的管内超临界二氧化碳对流传热系数
[0182][0183]
区1受热面的平均外壁面温度
[0184][0185]
297.0-296＝1.0《3℃，因此平均外壁面温度迭代计算完成，区1的热力计算完成。
[0186]
(2)区3(炉膛出口区)的炉膛黑度
[0187]
假定区3的出口烟气温度假定允许偏差为3℃；
[0188]
区3的三原子气体发射率
[0189][0190]
区3的气体辐射减弱系数
[0191]kgas
＝-ln(1-ε3)/p3s＝-ln(1-0.1661)/0.007＝25.802m-1
*mpa-1
；
[0192]
区3的炭黑粒子的辐射减弱系数
[0193]kcb
＝f(θ
″
,α,...)＝0.69m-1
*mpa-1
；
[0194]
区3的火焰黑度
[0195][0196]
区3的炉墙平均热有效系数ψ
cp,3
＝0.5733；
[0197]
区3的炉膛黑度
[0198]
(3)区2
[0199]
区2的进口烟气温度
[0200]
假定区2的炉膛受热面平均外壁面温度tw＝378℃，假定允许偏差为3℃；
[0201]
假定区2的出口烟气温度假定允许偏差为3℃；
[0202]
区2的炉膛黑度
[0203][0204]
区2的炉墙平均热有效系数ψ
cp,2
＝0.65；
[0205]
区2的烟气对炉墙的辐射换热量
[0206][0207]
区1对区2的辐射换热量与区2对区3的辐射换热量的差值
[0208][0209]
区2的烟气对受热面的对流换热系数
[0210][0211]
区2的烟气对受热面的对流换热量
[0212][0213]
区2的计算出口烟气温度
[0214][0215]
719.7-720＝-0.3《3℃，因此出口烟气温度迭代计算完成。
[0216]
区2受热面的平均热负荷
[0217][0218]
区2的管内超临界二氧化碳平均温度
[0219]
区2的管内超临界二氧化碳对流传热系数
[0220][0221]
区2受热面的平均外壁面温度
[0222][0223]
379.0-378＝1.0《3℃，因此平均外壁面温度迭代计算完成，区2的热力计算完成。
[0224]
(4)区3(炉膛出口区)
[0225]
区3的进口烟气温度
[0226]
假定区3的炉膛受热面平均外壁面温度tw＝420℃，假定允许偏差为3℃；
[0227]
假定区3的出口烟气温度假定允许偏差为3℃；
[0228]
区3的炉膛黑度a
out
＝0.264；
[0229]
区3的炉墙平均热有效系数ψ
cp
,3＝0.5733；
[0230]
区3的烟气对炉墙的辐射换热量
[0231][0232]
区2对区3的辐射换热量与区3对屏的辐射换热量的差值
[0233][0234]
区3的烟气对受热面的对流换热系数
[0235][0236]
区3的烟气对受热面的对流换热量
[0237][0238]
区3的计算出口烟气温度
[0239][0240]
641.4-642＝-0.6《3℃，因此出口烟气温度迭代计算完成。
[0241]
区3受热面的平均热负荷
[0242][0243]
(注意：这里的q
ra
d值比小，原因是计算了出口烟窗，详细计算公式请参考1973版《锅炉机组热力计算标准方法》)
[0244]
区3的管内超临界二氧化碳平均温度
[0245]
区3的管内超临界二氧化碳对流传热系数
[0246][0247]
区3受热面的平均外壁面温度
[0248][0249]
420.5-420＝0.5《3℃，因此平均外壁面温度迭代计算完成，区3的热力计算完成。
[0250]
(5)对比计算得到的炉膛出口区的出口烟气温度与计算黑度时的假定值，假定允许偏差为3℃
[0251]
641.4-642＝-0.6《3℃，因此炉膛的热力计算全部完成。
[0252]
说明：1)为简化流程，上述假定的外壁面温度和出口烟气温度均为最终计算结果，未进行迭代。2)计算三原子气体发射率时，部分未提供的系数请参考文献《evaluation of coefficients for the weighted sum of gray gases model》。3)上述部分数据为假定值，实际计算时需根据相应情况进行调整，未给出的计算公式(例如炭黑粒子的辐射减弱系数、炉墙平均热有效系数等)请参考1973版《锅炉机组热力计算标准方法》。4)针对管内强制对流关联式nu(re,pr,...)，可根据实际情况选择合适的关联式。上述实施例中，烟气对受热面的关联式来自文献《new equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flows》；管内超临界二氧化碳关联式来自文献《where did the dittus and boelter equation come from》。
[0253]
本技术具有以下有益效果：
[0254]
(1)对辐射换热计算进行了改进，考虑了平均外壁面温度对辐射换热的影响；
[0255]
(2)在能量平衡方程中考虑了对流换热的影响，提出基于燃烧方式修正系数与管内强制对流传热关联式相结合的方法来计算炉膛烟气对受热面的对流换热系数；
[0256]
(3)采用加权灰气体模型来计算气体辐射减弱系数，与传统方法相比，其可适用于空气燃烧、烟气再循环和富氧燃烧等多种工况，且精确度更高。
[0257]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。