本發(fā)明屬于鍋爐燃燒效率檢測方法技術(shù)領域，涉及到CO和O₂濃度的分布場構(gòu)建方法，具體涉及到基于鍋爐爐膛網(wǎng)格檢測CO和O₂濃度的分布場構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展和進步，火電廠面臨越來越大的壓力，電力需求不斷增加，對發(fā)電品質(zhì)的要求日益苛刻，傳統(tǒng)的電壓、頻率已不是唯一的考核指標，環(huán)境因素逐漸納入其中，形成了新的衡量標準。煤質(zhì)波動以及大型機組日益頻繁的參加調(diào)頻調(diào)峰，全工況變負荷運行以及長期中低負荷運行都對機組運行水平提出了更高的要求。目前，發(fā)電廠越來越多的面臨來自電網(wǎng)、環(huán)境和自身的壓力，節(jié)能、降耗、減排的呼聲高漲，燃燒優(yōu)化技術(shù)日益得到重視。鍋爐燃燒效率的高低、進入爐膛的燃料能否充分燃燒，將直接影響鍋爐的整體效率與經(jīng)濟性。因此通過燃燒控制實現(xiàn)鍋爐最高效地燃燒是提高鍋爐整體效率的有效途徑。

電站煤粉鍋爐燃燒控制設計基本思路是以合適的過量空氣系數(shù)為原則，實現(xiàn)鍋爐燃燒最優(yōu)控制即是以保證合適的過量空氣系數(shù)。鍋爐的燃燒量變化時，相應地改變送風量，以保證合適的過?？諝庀禂?shù)，減少鍋爐未完全燃燒損失和排煙熱損失，使鍋爐運行于最佳燃燒工況。單純測量O₂并不能反映鍋爐內(nèi)煤粉和空氣混合狀況的好壞，即使O₂足夠，若存在混合不好等原因，也會使不完全燃燒損失增大。在鍋爐的實際運行中，只會對省煤器出口以后的煙道氣的O₂進行有限點的在線檢測，樣本點非常有限。對于大容量鍋爐而言，煙氣成分分布不均容易使氧量檢測值不具備代表性。另外，氧量檢測值本身由于漏風、零位漂移等原因也不能反映煙氣中的真實氧量值?；谏鲜鲈?，在鍋爐實際運行過程中，運行人員只能以較大的過量空氣系數(shù)控制燃燒，非常不經(jīng)濟，致使鍋爐運行容易發(fā)生爐膛高溫腐蝕、火焰偏斜、燃燒滯后、結(jié)焦結(jié)渣、燃燒效率偏低等運行困擾。如何尋找一個完善的檢測手段來對運行中的鍋爐進行調(diào)節(jié)，以解決鍋爐運行存在的問題并提高鍋爐的實際運行效率是十分必要的。

目前已有的相關實現(xiàn)方案是煙氣含氧量軟測量技術(shù)：該技術(shù)選用蒸汽流量、磨煤機給煤量、總風量、總一次風壓、送風機電流、引風機電流、風箱與爐膛差壓、給水及排煙溫度等11個參數(shù)作為輸入信號，將煙氣含氧量作為輸出參數(shù)，應用前向神經(jīng)網(wǎng)絡建立煙氣含氧量軟測量模型。在各種不同負荷工況下，測取多組實際運行數(shù)據(jù)，抽取1～2組數(shù)據(jù)作為模型檢測使用，其余作為訓練樣本。此種方法一定程度上解決了氧量測量滯后、誤差大的問題。但是，這種軟測量結(jié)果的準確性依賴于邊界試驗的完整性和全面性，往往由于入爐煤煤質(zhì)的波動、工況的變化導致誤差增大，在燃燒調(diào)整過程中，軟測量技術(shù)的應用很難大規(guī)模的有效推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設計了基于鍋爐爐膛網(wǎng)格檢測CO和O₂濃度的分布場構(gòu)建方法，采用計算流體力學的方法建立爐膛內(nèi)煤粉的流動、燃燒和傳熱模型，以預測煙氣CO和O₂在爐膛、煙道中的運動軌跡，進而構(gòu)建煙氣CO和O₂的濃度場，為鍋爐燃燒調(diào)整提供有效可靠的關鍵依據(jù)。

本發(fā)明所采取的具體技術(shù)方案是：基于鍋爐爐膛網(wǎng)格檢測CO和O₂濃度的分布場構(gòu)建方法，關鍵是：所述的方法包括：

a、獲取電站鍋爐的結(jié)構(gòu)、操作數(shù)據(jù)；

b、對鍋爐爐膛區(qū)域壁面的高溫煙氣CO、O₂濃度和煙氣壓力進行網(wǎng)格式多點在線檢測；

c、采用計算流體力學的方法建立爐膛內(nèi)煤粉的流動、燃燒和傳熱模型，預測煙氣CO和O₂在爐膛、煙道中的運動軌跡，構(gòu)建煙氣CO和O₂的濃度場。

所述方法具體包括：

a、獲取電站鍋爐的結(jié)構(gòu)、操作數(shù)據(jù)：包括電站鍋爐冷灰斗、爐膛、折焰角、燃燒器噴口、省煤器的詳細尺寸結(jié)構(gòu)；操作數(shù)據(jù)至少包括：每臺鍋爐的總風量、總煤量，每個燃燒器的燃煤量、風量、一次風溫、二次風溫、一次風率、二次風率；

b、基于爐膛網(wǎng)格多點布置取樣方法，從爐膛中取煙氣的代表性樣品，即將探頭單元安裝在預定位置，通過探頭單元獲取爐膛區(qū)域壁面的煙氣樣品；

c、建立爐膛及煙道的計算網(wǎng)格，其中全鍋爐的計算域選至鍋爐省煤器出口處，計算域劃分為四個部分，分別為冷灰斗區(qū)域I、燃燒器區(qū)域II、燃燒器以上至爐膛出口區(qū)域III、爐膛出口至省煤器出口區(qū)域IV；冷灰斗I、燃燒器以上至爐膛出口區(qū)域III、爐膛出口至省煤器出口區(qū)域IV采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，燃燒器區(qū)域II采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；

各區(qū)域采用三維穩(wěn)態(tài)計算，采用流動、傳熱和燃燒模型的非耦合求解，計算中采用有限容積法對微分控制方程和輸運方程離散為代數(shù)方程組進行數(shù)值求解，以各工況下的CO、O₂和煙氣壓力的實際測量值作為輸入條件，燃煤量、總風量、一次風溫、二次風溫、一次風率、二次風率和漏風率作為邊界條件多次迭代直至滿足收斂，預測煙氣CO、O₂在爐膛至省煤器出口中的運動軌跡，構(gòu)建鍋爐燃燒過程中CO和O₂濃度的三維分布場。

步驟b是以美國機械工程師協(xié)會(ASME)標準的規(guī)定對于煙氣取樣：測點的數(shù)量及布置取決于煙道的尺寸和形狀，取樣點間隔應不超過915mm，且所用點的總數(shù)應不少于4點；對不同型式的鍋爐，在鍋爐爐膛的主燃燒區(qū)域選址布置，安裝的取樣點個數(shù)嚴格按照ASME標準執(zhí)行，點數(shù)選擇如下所示：機組容量300MW，安裝點數(shù)16～24點，分析單元4個；機組容量600MW，安裝點數(shù)16～24點，分析單元4個；機組容量1000MW，安裝點數(shù)16～24點，分析單元4個。

煤粉的燃燒模型采用擴散/反應聯(lián)合控制模型，主要包括兩項，分別為擴散項和傳熱項，擴散項為：

其中q為焦炭消耗速率，A指前因子，E為表觀活化能，P_ox，s為顆粒表面處的O₂分壓，n_ox為反應階數(shù)；傳熱項為：

其中m_c為顆粒質(zhì)量，T_g，T_p，T_r分別為氣相、顆粒和背景輻射溫度，c_p為固體比熱，f_h為被固體吸收的反應熱份額，H_reac為氣固反應熱，ε_p為顆粒黑度，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

煤粉顆粒的流動軌跡模型，采用顆粒隨機軌道模型，根據(jù)射流的數(shù)目決定煤粉跟蹤顆粒數(shù)；假定射流數(shù)目為20，其含義是把之前跟蹤的顆粒分成20個，每個顆粒占有的流量就是原來的1/20，然后對這20個顆粒賦予不同的速度脈動值，求得各自的顆粒軌跡。

在對煤粉的輻射傳熱進行模擬以得出煤粉的傳熱模型時選用以熱流法為基礎的P1輻射模型，與離散坐標法相比，Pl輻射模型將輻射散射考慮在內(nèi)。

所述的方法選用標準k-ε雙方程湍流模型、非預混燃燒守恒標量的PDF模型以及FLUENT軟件提供的污染物生成模型；對于速度與壓力的耦合問題，采用SIMPLE的算法；對爐膛區(qū)域壁面的處理采用壁面函數(shù)法；同時采用欠松弛的方法。

本發(fā)明的有益效果是：通過對鍋爐爐膛區(qū)域壁面高溫煙氣CO、O₂濃度和煙氣壓力的網(wǎng)格式多點在線檢測，采用計算流體力學的方法建立爐膛內(nèi)煤粉的流動、燃燒和傳熱模型，以預測煙氣CO和O₂在爐膛、煙道中的運動軌跡，進而構(gòu)建煙氣CO和O₂的濃度場，為鍋爐燃燒調(diào)整提供有效可靠的關鍵依據(jù)。

使用基于計算流體動力學CFD的方法，高效省時，可以利用現(xiàn)有很多模型庫進行優(yōu)化處理；直觀反應煙氣CO、O₂在爐膛中的運動軌跡和分布規(guī)律，可以清晰掌握爐膛內(nèi)風粉混合狀況，有利于有針對性的單獨調(diào)整單個燃燒器的風粉配比；通過網(wǎng)格式多點檢測技術(shù)可有效提升濃度場的準確性和有效性；同時測量的網(wǎng)格式多點壓力構(gòu)造的實際速度場，可以對基于CFD得出的速度場進行有效校驗；為運行人員調(diào)整燃燒提供了有效、可靠、全面的關鍵依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明爐膛及煙道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明爐膛及煙道網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明燃燒器區(qū)域網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明獨立求解方法流程圖；

圖6是本發(fā)明耦合求解方法流程圖。

圖7為本發(fā)明的取樣示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做詳細說明：

具體實施例，如圖1至圖7所示，基于鍋爐爐膛網(wǎng)格檢測CO和O₂濃度的分布場構(gòu)建方法，所述的方法包括：

a、獲取電站鍋爐的結(jié)構(gòu)、操作數(shù)據(jù)：包括電站鍋爐冷灰斗、爐膛、折焰角、燃燒器噴口、省煤器的詳細尺寸結(jié)構(gòu)；操作數(shù)據(jù)至少包括：每臺鍋爐的總風量、總煤量，每個燃燒器的燃煤量、風量、一次風溫、二次風溫、一次風率、二次風率；

b、對鍋爐爐膛區(qū)域壁面的高溫煙氣CO、O₂濃度和煙氣壓力進行網(wǎng)格式多點在線檢測：基于爐膛網(wǎng)格多點布置取樣方法，從爐膛中取煙氣的代表性樣品，即將探頭單元安裝在預定位置，通過探頭單元獲取爐膛區(qū)域壁面的煙氣樣品，以美國機械工程師協(xié)會(ASME)標準的規(guī)定對于煙氣取樣：測點的數(shù)量及布置取決于煙道的尺寸和形狀，取樣點間隔應不超過915mm(3英尺)，且所用點的總數(shù)應不少于4點；對不同型式的鍋爐，在鍋爐爐膛的主燃燒區(qū)域選址布置，安裝的取樣點個數(shù)嚴格按照ASME標準執(zhí)行，點數(shù)選擇如下所示：機組容量300MW，安裝點數(shù)16～24點，分析單元4個；機組容量600MW，安裝點數(shù)16～24點，分析單元4個；機組容量1000MW，安裝點數(shù)16～24點，分析單元4個，利用分析單元對檢測到的數(shù)據(jù)進行分析計算，得出所需數(shù)據(jù)；鍋爐爐膛區(qū)域壁面是指貼近水冷壁管向火側(cè)外壁的區(qū)域，探頭單元由取樣探頭和取樣導流管組成，取樣探頭在取樣導流管的后端，兩者之間通過螺紋連接，取樣導流管的主要作用就是將樣氣引流至取樣探頭，取樣探頭內(nèi)部安裝有圓柱形高精度過濾器，過濾精度＜1μm，過濾效率達到99％。經(jīng)過過濾的煙氣，通過伴熱管線進入分析單元；另外，取樣探頭中的過濾器還與反吹壓縮空氣相連，每隔四小時反吹一次，反吹的時候，將覆著在過濾器表面、以及沉積在取樣導流管中的粉塵，從取樣導流管中吹掃出去，返回爐膛內(nèi)。為了取得更準確的數(shù)據(jù)，取樣導流管的前端需要焊接在兩根水冷壁管之間的鰭片上并使取樣導流管前端面的取樣點與鰭片的前端面齊平，如圖7所示；

c、采用計算流體力學的方法建立爐膛內(nèi)煤粉的流動、燃燒和傳熱模型，預測煙氣CO和O₂在爐膛、煙道中的運動軌跡，構(gòu)建煙氣CO和O₂的濃度場：

建立爐膛及煙道的計算網(wǎng)格，其中全鍋爐的計算域選至鍋爐省煤器出口處，計算域劃分為四個部分，分別為冷灰斗區(qū)域I、燃燒器區(qū)域II、燃燒器以上至爐膛出口區(qū)域III、爐膛出口至省煤器出口區(qū)域IV；冷灰斗I、燃燒器以上至爐膛出口區(qū)域III、爐膛出口至省煤器出口區(qū)域IV采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，燃燒器區(qū)域II采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點都具有相同的毗鄰單元，它可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應力集中等方面的計算，它的主要優(yōu)點是網(wǎng)格生成的速度快、質(zhì)量好，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，它的最典型的缺點是適用的范圍比較窄，尤其隨著近幾年的計算機和數(shù)值方法的快速發(fā)展，人們對求解區(qū)域的復雜性的要求越來越高，在這種情況下，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)就顯得力不從心了；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點不具有相同的毗鄰單元，即與網(wǎng)格剖分區(qū)域內(nèi)的不同內(nèi)點相連的網(wǎng)格數(shù)目不同，從定義上可以看出，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有相互重疊的部分，即非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中可能會包含結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的部分，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以解決任意形狀和任意連通區(qū)域的網(wǎng)格剖分；

各區(qū)域采用三維穩(wěn)態(tài)計算，采用流動、傳熱和燃燒模型的非耦合求解，計算中采用有限容積法對微分控制方程和輸運方程離散為代數(shù)方程組進行數(shù)值求解，以各工況下的CO、O₂和煙氣壓力的實際測量值作為輸入條件，燃煤量、總風量、一次風溫、二次風溫、一次風率、二次風率和漏風率作為邊界條件多次迭代直至滿足收斂，預測煙氣CO、O₂在爐膛至省煤器出口中的運動軌跡，構(gòu)建鍋爐燃燒過程中CO和O₂濃度的三維分布場；

其中，煤的物理結(jié)構(gòu)和化學組分都十分復雜，煤的燃燒過程也會經(jīng)歷諸多復雜的過程，各部分之間又沒有明顯界限，煤粉可能會同時經(jīng)歷兩個或多個過程，所以對煤粉的燃燒過程進行合理的描述并不容易，對各階段選取恰當?shù)哪Ｐ褪种匾?。在?shù)值計算時，建立揮發(fā)分熱解模型和焦炭燃燒模型，以給出能量平衡方程和組份平衡方程中的源項，使控制方程組得以封閉。煤中揮發(fā)分的析出過程也稱為煤的熱解，是一個十分復雜的過程，涉及物理汽化、化學鍵斷裂、不穩(wěn)定中間產(chǎn)物的產(chǎn)生及演變等諸多過程。合理的揮發(fā)分熱解模型應該能夠比較完整的描述煤粉在加熱階段，從中析出的產(chǎn)物種類、數(shù)量及其析出速率，所以煤粉的燃燒模型采用擴散/反應聯(lián)合控制模型，主要包括兩項，分別為擴散項和傳熱項，擴散項為：

其中q為焦炭消耗速率，A指前因子，E為表觀活化能，P_ox，s為顆粒表面處的O₂分壓，n_ox為反應階數(shù)；傳熱項為：

其中m_c為顆粒質(zhì)量，T_g，T_p，T_r分別為氣相、顆粒和背景輻射溫度，c_p為固體比熱，f_h為被固體吸收的反應熱份額，H_reac為氣固反應熱，ε_p為顆粒黑度，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

煤粉在鍋爐內(nèi)的燃燒過程一般都會涉及到典型的氣固兩相流動，本發(fā)明中煤粉顆粒的流動軌跡模型，采用顆粒隨機軌道模型，根據(jù)射流的數(shù)目決定煤粉跟蹤顆粒數(shù)；假定射流數(shù)目為20，其含義是把之前跟蹤的顆粒分成20個，每個顆粒占有的流量就是原來的1/20，然后對這20個顆粒賦予不同的速度脈動值，求得各自的顆粒軌跡。隨機軌道模型以氣相湍流的統(tǒng)觀模型為基礎，以考慮氣相湍流基本結(jié)構(gòu)特征；由顆粒相的瞬態(tài)動量方程隨機給定脈動速度，以考慮湍流擴散對顆粒的影響；用蒙特卡洛法計算顆粒的運動軌道及其沿程的復雜變化。這一方法的做法基本都是在求解氣態(tài)流體時均場的基礎上對顆粒相的瞬態(tài)動量方程求解。隨機軌道模型在研究伴隨有蒸發(fā)、揮發(fā)及異相化學反應等復雜經(jīng)歷的顆粒在流場中的變化時有很好的效果，是目前在兩相湍流模擬和固體顆粒燃燒模擬中被最廣泛采用的模型。

本發(fā)明在對煤粉的輻射傳熱進行模擬以得出煤粉的傳熱模型時選用以熱流法為基礎的P1輻射模型，與離散坐標法相比，Pl輻射模型將輻射散射考慮在內(nèi)，在模擬較復雜幾何結(jié)構(gòu)中的輻射問題時有一定優(yōu)勢。這種方法相對比較成熟，已被國內(nèi)外許多學者用于爐內(nèi)輻射的模擬。

本發(fā)明的方法選用標準k-ε雙方程湍流模型、非預混燃燒守恒標量的PDF模型以及FLUENT軟件提供的污染物生成模型；對于速度與壓力的耦合問題，采用SIMPLE的算法；對爐膛區(qū)域壁面的處理采用壁面函數(shù)法；同時為了保持計算的穩(wěn)定性，采用欠松弛的方法，利用集中求解方式的組合，解決整個爐膛內(nèi)部煤粉的流動計算問題，使計算得出的數(shù)值更精確，構(gòu)建出的濃度場和速度場更準確，使鍋爐的燃燒效率更高。

具體的求解方法可采用圖5、圖6方法中的一種，通過計算每個計算網(wǎng)格中的各項參數(shù)，獲得鍋爐計算域中的濃度場和速度場。

此構(gòu)建方法具有較好的適用性以及推廣性，可用于各種型式的鍋爐，對鍋爐內(nèi)各燃燒區(qū)域的煙氣CO和O₂的濃度場構(gòu)建是一種行之有效的方法。