基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能设计

钟 崴

浙江大学 能源工程学系

副教授 博士 zhongw@http://www.77cn.com.cn

http://www.77cn.com.cn

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

项目背景水动力计算 课题来源用于分析汽水工质在锅炉内 的流动及循环特性，进而确定锅炉的水动力安 全性。

“十一五”国家科技支撑计划项 目(2006BAF01A46-8)“面向发电设备、汽车 (2006BAF01A46-8)“面向发电设备、汽车 行业的分析仿真与集成管理平台的研究与开发 ”的子课题 。

课题目标

研发能够支持各种复杂水动力结 构形式锅炉设计的通用锅炉水动力计算系统。 应用通用锅炉水动力计算系统，分析、研究锅 炉水动力性能设计当中的关键技术问题。

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

锅炉水动力计算的经典图解法原理 Pjc q jc

P Pss + Pyc

Pxj q xj

Pss.I q ss.I

Pss.II q ss.II

Pss + Pyc Pxj Pxj

Pss.I = Pss.II = Pss Pyc

q ss.I q ss.II q yc =q ss.I + q ss.II

q

传统图解法在求解存在多回路嵌套关联的复杂系统时往往难以直接求 解，而不得不进行简化处理，致使计算精度难以保证。

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余热锅炉水动力性能设计的难点 余热锅炉的新型结构层出不穷，回路形式往往不是“经典结构”,而多 回路复杂嵌套的复杂结构形式难以用图解法求解； 微倾斜管、W型蒸发受热面的循环特性安全性； 微倾斜管、W 强制循环余热锅炉的节流圈设计问题； 操作工况复杂热负荷变动大(启动过程、工艺操作周期性波动),热负 荷分布不均匀性等问题需要认真研究。 复杂模型的计算参数众多，一些软件能够进行计算，但建模和结果显示 不直观，一旦发生差错，查错会“焦头烂额”。

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基于管网计算理论的水动力性能计算将锅炉理解为“空间立体受热管网”。 借鉴城市自来水、燃气等水平 城市自来水、燃气等水平 型、不受热管网计算问题的求解思路，解决锅炉水动力计算问题。研发“ 建模+ 建模+求解”式的通用型锅炉水动力计算系统。

城市管网计算理论

城市自来水、燃气管网

锅 炉

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系统功能界面(1) 系统功能界面(1)

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特大型垃圾锅炉水动力计算

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系统功能界面(2) 系统功能界面(2)

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成果主要应用单位 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 无锡华光锅炉股份有限公司 杭州锅炉集团有限公司 济南锅炉集团有限公司 太原锅炉集团有限公司 四川川润动力股份有限公司 唐山信德锅炉集团有限公司 江苏太湖锅炉股份有限公司 无锡太湖锅炉有限公司 无锡华光工业锅炉股份有限公司 南通万达锅炉股份有限公司 长沙锅炉厂有限责任公司 湘潭锅炉有限责任公司 中国国电集团

宝钢工程技术集团有限公司 中国瑞林工程技术有限公司 内蒙古电力科学研究院 江西江联能源环保股份有限公司 江苏申港锅炉股份有限公司 安徽金鼎锅炉集团有限公司 无锡锡能锅炉股份有限公司 无锡东马锅炉有限公司 中船重工第七〇三研究所 武汉特种锅炉有限责任公司 广州广重企业集团有限公司 ……9

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

关键技术：水动力计算的模型锅筒、集箱、分汇等被抽象为“ 锅筒、集箱、分汇等被抽象为“节点 V”,连接任意两个节点的存在 V”,连接任意两个节点的存在 阻力损失的流程被抽象为“ 阻力损失的流程被抽象为“阻力区段 E”,建立以“有向流程图”表达的 E”,建立以“有向流程图” 锅炉水动力计算模型，基于管网计算理论，提出了“基于环路平差流量调 锅炉水动力计算模型，基于管网计算理论，提出了“基于环路平差流量调 节的锅炉水动力计算通用算法” ,具有优良的通用性，可求解任意复杂串 并联回路。 。V1

E4

E8 V4

E12 V7 E7 E11 V6 E6 E10 V5

E23 V10 V17

E3 V3 E14 E13 E9E5 E1 E2 V2

V9

E20

E22 V14 V16

V8

E19

E21 V13 V15

V11 V12

E15 E16 E17 E18

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关键技术：水动力计算的模型节点 计算模型 区段 阻力部件1 阻力部件1 …… 阻力部件n 阻力部件n

计算模型是由“节点”和“阻力区段”相互衔接组成的。其中，“阻 力区段”又是由若干个阻力部件相互串联组成。

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

关键技术：算法理论基础节点流量守恒原理： v1:q=q1+q2 v1: v2:q1=q4 v2: v3:q3=q2 v3: v4:q=q3+q4 v4:

q

V1

P1 q1E1

V2

P2 q 2 E2E3 V3

E4 P4 q 4

qV4

P3 q 3回路能量守恒原理： I:ΔP1+ ΔP4= ΔP2 + ΔP3

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锅炉水动力系统与电路系统的相似性1845年，德国人G.R.基尔霍夫 1845年，德国人G.R.基尔霍夫 提出基尔霍夫第一定律( 提出基尔霍夫第一定律(节点流 量守恒)和基尔霍夫第二定律( 量守恒)和基尔霍夫第二定律(回 路电压代数和为零) 路电压代数和为零)。

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

关键技术：水动力计算的模型及算法管网平差：初始未平衡状态的流量分配不能使所有环路满足能量守恒，环路上存在闭合差。通过迭代矫正流量，逐步缩减闭合差达到整个管网能 量的守恒，得到同时满足连续性(节点) 量的守恒，得到同时满足连续性(节点)方程组和能量(环)方程组的水动力 解。V1

粗略调节阶段的流量矫正算法：E4 E8 V4 E3 V3 E14 E13 E9E5 E1 E6 E7 E12 V7 E11 V6 V9 E20 E22 V14 E10 V5 V8 E19 E21 V13 V11 V12 E15 E16 E17 E18 V15 V16 E23 V10 V17

Q

( i +1)

=

2

∑ (K

(i ) H max m ( bsm Qmi )

)

s = max

精细调节阶段的流量矫正算法： Q (i +1) = H ∑ bsm (i ) max

E2 V2

2 K Q ( i ) + K zw ,1 K zw , 2 + K K × dl,1 dl , 2 ( 2 ld m

Qmi ) s =max

( )

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关键技术：“建模+求解” 关键技术：“建模+求解”的技术方案A1 A2 A3 B1 B2 C1 C2 C3

A1

A2

A3

B1

B2

C1

C2

C3

采用“模块化”、“积木式”的系统研发思路，让系统使用人员自由 采用“模块化”、“ 组合搭建计算模型。研究通用模型的统一求解算法，由一套计算系统完成 千变万化、不同类型锅炉的水动力计算工作。 千变万化、不同类型锅炉的水动力计算工作。

基于管网计算理论的余热锅炉水动力性能计算方法及其工程应用

关键技术：水动力计算软件模型任意结构形式锅 炉水动力计算的 统一软件表达模 型

区段

节点

阻力部件

接头 集箱 锅筒

弯头 水泵 管段