基于CFD和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法与流程

本发明属于火力发电，具体属于一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法。

背景技术：

1、超(超)临界锅炉水冷壁安全关系到电厂的安全运行，近年来，随着新能源份额的上升，电站锅炉常年处在宽负荷运行状态，严重偏离锅炉设计参数，运行的不稳定性对锅炉水冷壁安全造成了严重影响。这其中，对锅炉水冷壁热流密度分布的准确测量是保障水冷壁安全的重要前提。然而由于锅炉水冷壁运行在高温高压工况下，水冷壁几何结构具有维度大、管束多的问题，目前尚缺乏一种行之有效的锅炉水冷壁热流密度分布的测量和预测方法。

2、对水冷壁热流密度分布的准确测量的困难主要表现在两个方面：其一是由于水冷壁运行条件苛刻、管壁数量多、几何维度大，难以从全局上测量整个水冷壁区域的特征参数；其二是水冷壁热流密度受到炉内燃烧、壁面积灰结渣和水冷壁管内工质等多个变量的影响，而已有监测手段难以获得上述参数，更无法获得上述参数间的相互关系。例如已有的温差式热流密度计或集热块可准确测量炉膛水冷壁局部位置的温度或热流密度，但受限于安装成本和锅炉运行要求，难以覆盖整个炉膛范围，甚至难以覆盖关键运行区间，因而无法获得炉膛水冷壁热流密度分布；现有的工控摄像机已能安装在炉内直观地获得炉膛内火焰的整体特征，甚至能够监测局部壁面的结渣情况，但该方法安装成本高、相机寿命短，难以实现对水冷壁区域的全覆盖监测；声波测量水冷壁温度技术，具有快捷方便的特征，然而该方法也无法覆盖全炉膛水冷壁范围，所测参数仅为炉内向火侧相关参数，并且以上方法均无法直接定量获得锅炉水冷壁的热流密度分布；总的来说，目前尚无对锅炉水冷壁热流密度分布进行有效测量的手段，迫切需要开发出相关的方法和装置。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，解决了水冷壁运行条件苛刻、测量设备无法全覆盖，无法测量水冷壁全区域热流密度的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，具体步骤如下：

3、s1在锅炉水冷壁上安装多个温差式热流密度计，获取温差式热流密度计测点i处的温度和热流密度随时间的变化特征，获取锅炉的实测负荷数据，并分别得到测点i处实测温度数据集和实测热流密度数据集；

4、s2设计锅炉运行工况数据，并对锅炉负荷进行分档，进行cfd数值模拟，得到不同负荷分档条件下，温差式热流密度计测点i处的热流密度预测值和温度预测值；

5、s3利用不同负荷分档条件下，温差式热流密度计测点i处的热流密度预测值和温度预测值对与负荷分档对应的实测温度数据集和实测热流密度数据集进行修正，得到任何时刻测点i的热流密度真实测量值和温度真实测量值；

6、s4利用任何时刻测点i的热流密度真实测量值与热流密度预测值得到任何时刻待检测温差式热流密度计覆盖区内任意一点的实测热流密度值。

7、进一步的，s1中，温差式热流密度计安装于锅炉前墙、后墙或两侧墙水冷壁的背火侧水冷壁上，安装数量不少于4个；

8、s4中，温差式热流密度计的覆盖区域为与相邻温差式热流密度计连线中点所圈定的矩形区域、或与相邻温差式热流密度计连线中点所圈定的矩形区域、或相邻温差式热流密度计的的交集区域。

9、进一步的，s1中，热流密度为温差式热流密度计测点i处的温度的函数。

10、进一步的，s2中，将锅炉负荷分为20％、40％、60％、80％、和100％，并分别在bmcr工况下进行cfd数值模拟。

11、进一步的，s3中，测点i处实测温度数据集和实测热流密度数据集按照负荷区间[10％～30％]、(30％～50％]、(50％～70％]、(70％～90％]、(90％～100％]进行划分，得到实测温度数据子集和实测热流密度数据子集；

12、上述负荷区间中对应的实测温度数据子集和实测热流密度数据子集与cfd数值模拟的锅炉负荷分档对应。

13、进一步的，s3中，对每个负荷区间内的实测温度数据值和实测热流密度数据值按数值大小排序，对按数值升序在80％～98％区间的数据计算平均值，得到温度实测平均值和热流密度实测平均值；利用温度实测平均值和温度预测值对实测温度进行修正，利用热流密度实测平均值和热流密度预测值对实测热流密度值进行修正。

14、进一步的，s3中，利用热流密度预测值与热流密度实测平均值得到热流密度修正系数，利用热流密度修正系数对实测热流密度值进行修正得到热流密度真实测量值；

15、利用温度预测值与温度实测平均值得到温度修正系数，利用温度修正系数对实测温度值进行修正得到温度真实测量值。

16、进一步的，s3中，热流密度修正系数为热流密度预测值与热流密度实测平均值的比值；温度修正系数为温度预测值与温度实测平均值。

17、进一步的，s4中，利用任何时刻测点i的热流密度真实测量值与热流密度预测值得到清洁因子，利用清洁因子与热流密度预测值得到任何时刻该温差式热流密度计覆盖区内任意一点的最终热流密度值。

18、进一步的，s4中，清洁因子为任何时刻测点i的热流密度真实测量值与热流密度预测值的比值。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

20、本发明提出了一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，该方法通过对锅炉炉膛开展不同负荷条件下的cfd数值模拟，可获得锅炉全炉膛范围在不同工况下的热流密度分布特征；在此基础上，在锅炉水冷壁上安装温差式热流密度计，获得在温差式热流密度计测点的实时运行数据，利用cfd预测数据温差式热流密度计测点处的实测温度和实测热流密度数据进行双重修正，并利用实测热流密度数据与cfd预测数据进行双向标定，有效融合了cfd计算可覆盖水冷壁区域提供预测数据以及测量数据准确度高的有点，进而解决了水冷壁运行条件苛刻、测量设备无法全覆盖，无法测量水冷壁全区域热流密度的问题。且温差式热流密度计具有安装成本低，测量准确度高、响应快速的优点。

技术特征：

1.一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s1中，温差式热流密度计安装于锅炉前墙、后墙或两侧墙水冷壁的背火侧水冷壁上，安装数量不少于4个；

3.根据权利要求1所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s1中，热流密度为温差式热流密度计测点i处的温度的函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s2中，将锅炉负荷分为20％、40％、60％、80％、和100％，并分别在bmcr工况下进行cfd数值模拟。

5.根据权利要求4所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s3中，测点i处实测温度数据集和实测热流密度数据集按照负荷区间[10％～30％]、(30％～50％]、(50％～70％]、(70％～90％]、(90％～100％]进行划分，得到实测温度数据子集和实测热流密度数据子集；

6.根据权利要求5所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s3中，对每个负荷区间内的实测温度数据值和实测热流密度数据值按数值大小排序，对按数值升序在80％～98％区间的数据计算平均值，得到温度实测平均值和热流密度实测平均值；利用温度实测平均值和温度预测值对实测温度进行修正，利用热流密度实测平均值和热流密度预测值对实测热流密度值进行修正。

7.根据权利要求6所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s3中，利用热流密度预测值与热流密度实测平均值得到热流密度修正系数，利用热流密度修正系数对实测热流密度值进行修正得到热流密度真实测量值；

8.根据权利要求7所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s3中，热流密度修正系数为热流密度预测值与热流密度实测平均值的比值；温度修正系数为温度预测值与温度实测平均值。

9.根据权利要求8所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s4中，利用任何时刻测点i的热流密度真实测量值与热流密度预测值得到清洁因子，利用清洁因子与热流密度预测值得到任何时刻该温差式热流密度计覆盖区内任意一点的最终热流密度值。

10.根据权利要求9所述的一种基于cfd和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，其特征在于，s4中，清洁因子为任何时刻测点i的热流密度真实测量值与热流密度预测值的比值。

技术总结
本发明公开了一种基于CFD和温差数据预测锅炉水冷壁热流密度的方法，在锅炉水冷壁上安装多个温差式热流密度计，获取测点处的温度和热流密度随时间的变化特征和锅炉的实测负荷数据，得到测点处实测温度数据集和实测热流密度数据集；设计锅炉运行工况数据，并对锅炉负荷分档进行CFD数值模拟，得到不同负荷分档条件下测点处的热流密度预测值和温度预测值；利用不同负荷分档条件下热流密度预测值和温度预测值对与负荷分档对应的实测温度数据集和实测热流密度数据集进行修正，得到任何时刻测点i的热流密度真实测量值和温度真实测量值；利用热流密度真实测量值与热流密度预测值得到任何时刻待检测温差式热流密度计覆盖区内任意一点的实测热流密度值。

技术研发人员：张向宇,袁斌彬,马山海,吕田,方顺利,李玲忠,张中晖,杜智华,姚伟
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17