基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法 |
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| 申请号 | CN202311521957.6 | 申请日 | 2023-11-15 | 公开(公告)号 | CN117648879A | 公开(公告)日 | 2024-03-05 |
| 申请人 | 中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院; 华中科技大学; | 发明人 | 彭志福; 马启磊; 方庆艳; 姚扬; 潘存华; 周福; 韩磊; 张科; 马仑; 陈鑫科; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测 锅炉 受热面壁温的方法，锅炉壁温模拟计算领域，其通过模拟锅炉烟气侧的流动燃烧过程和工质侧的流动 传热 过程，分别将壁面热流 密度 和工质 温度 分布作为工质侧和烟气侧的边界条件，利用烟气侧热流密度与工质侧工质温度之间的数据交互，可以准确实现管壁温度的计算。本发明中的方法，其步骤简单，计算便捷，能够准确模拟锅炉烟气侧的流动燃烧过程和计算锅炉工质侧的流动传热过程，充分考虑管壁 温度计 算过程中的主要因素，提供锅炉在不同负荷 下管 壁温度的详细分布，实现锅炉受热面壁温的准确预测，为受热面的优化提供依据，并为锅炉的安全运行提供保障。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法 技术领域[0001] 本发明属于锅炉壁温模拟计算领域，具体涉及一种基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法。 背景技术[0002] 近年来，随着节能减排改革的推进，新能源装机容量和发电量正迅速增长，在发电领域扮演的角色越来越重要；但是，由于新能源具有较强的波动性和间歇性，导致实际应用 时需要火电机组参与调峰，支撑新能源发电大比例接入。而深度调峰的前提是锅炉能够在 低负荷工况下保持安全稳定运行，但实际情况中，在低负荷条件下，炉内火焰分布的不均匀 性、动力不足以及压力低等问题可能会导致受热面较大的汽温偏差，进而引发金属管壁超 温甚至发生爆管事故。 [0003] 正常情况下，详细精确的壁温分布有利于预防管道劣化和泄露事故，而受热面管壁超温则极易导致金属蠕变、氧化以及高温腐蚀等问题，影响锅炉的使用效果和使用寿命。 然而，实际电厂锅炉由于庞大的体积以及恶劣的高温环境，无法实现受热面测点的密集布 置。同时现有的锅炉数值模拟研究主要关注炉膛燃烧情况，对于工质的流动传热都进行了 简化，大多假定为恒定的工质温度或者管壁温度，模拟中无法同时体现烟气侧燃烧和工质 侧传热对于受热面壁温的共同作用，导致锅炉受热面壁温无法准确知晓和控制，很难及时 发现锅炉受热面局部超温现象并及时提出解决方案。 发明内容[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，能够同时考虑烟气侧和工质侧 对壁温的综合影响，提高受热面壁温的预测精度，得到壁温的详细分布，为受热面局部超温 现象的发现和解决提供依据和支撑。 [0005] 为实现上述目的，本发明提供一种基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其包括如下步骤： S1：根据锅炉的实际尺寸构建几何模型，选择锅炉数值计算所需的物理化学模型， 设定边界条件并假定受热面的初始计算条件； S2：根据所述初始计算条件进行全炉膛燃烧数值模拟计算，得到受热面的管壁温 度分布并输出炉膛受热面的热流密度分布； 所述数值模拟计算通过软件FLUENT来完成，并通过UDF调用计算得到的受热面热 流密度； S3：划分受热面计算区域，根据炉膛受热面的热流密度分布统计各区域热流量，并 计算管内工质流动传热； S4：通过对数值模拟进行多次迭代，并比较相邻两次迭代计算得到的出口工质温 度；若两者的差值小于预设值，则计算收敛并停止数据传递；若二者差值大于预设值，则更 新锅炉受热面的边界条件，重新执行S2到S4，直至差值小于预设值。 [0006] 作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，构建的锅炉受热面包括水冷壁和过热器；同时，在建模时，将水冷壁面简化为厚度为零的平面，将过热器简化为厚度为管外 径的空腔，并采用对流边界作为受热面的边界条件。 [0007] 作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，锅炉煤粉的燃烧子过程通过多个模型来模拟；其中， 采用Realizable κ‑ε湍流模型模拟气相湍流，采用EDM模型模拟气相燃烧，采用随 机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动，采用双方程平行竞争反应模型模拟煤的热解，采用动力/ 扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧，采用DO模型模拟辐射传热，并将离散方法均设置成 一阶迎风格式。 [0008] 作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述过热器根据管屏位置选择计算区域；且 所述水冷壁分为螺旋水冷壁和垂直水冷壁；所述螺旋水冷壁沿着倾斜角度方向和 水平方向划分计算区域，倾斜角度根据实际螺旋角度任意变化；所述垂直水冷壁被看作为 螺旋水冷壁的特殊形式，其倾斜角度为90°。 [0009] 作为本发明的进一步改进，在UDF调用热流密度后，在UDF中将锅炉水冷壁展开成二维，根据工质流动方向对水冷壁面进行分区，得到多个计算区域。 [0010] 作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，通过能量守恒求出每个计算区域的进出口焓升，再根据IAPWS‑IF97提供的公式计算得到出口工质物性参数，以及根据得到的出口 工质物性参数计算得到粘度和导热系数，最终求得相关的无量纲数。 [0011] 作为本发明的进一步改进，所述粘度和所述导热系数通过如下公式进行计算： [0012] [0014] 作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，两次迭代的出口工质温度差值的预设值为1K。 [0015] 作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，采用当次计算得到的出口温度和进口温度求平均值作为下一次迭代的边界条件，并在更新后的边界条件下重复S2 S4中的迭代计 ~ 算过程。 [0016] 作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，根据计算得到的工质温度和热流量计算受热面的壁温，其计算公式如下： [0017] 式中， 为壁温； 为工质温度；为热流量； 为管道壁厚； 为管道导热系数。 [0018] 上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括： （1）本发明基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其通过 模拟锅炉烟气侧流动燃烧过程，将得到的三维壁面热流密度分布作为工质侧的边界条件， 相较于传统工质侧水动力计算过程中将受热面的三维热流密度拟合为一维分布的做法而 言，将烟气侧三维数据直接作为工质侧边界条件的做法能够更好地考虑到受热面传热偏差 的影响，有效提升了工质侧流动传热计算的准确性。 [0020] （2）本发明基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其通过计算锅炉工质侧流动传热的过程，并将得到的工质温度分布作为烟气侧的边界条件，相较 于传统的烟气侧边界条件大多基于恒定工质温度的做法而言，本发明中的做法利用对不同 位置工质温度变化的考虑，充分体现了汽温偏差的影响，提高了受热面壁温计算的准确性。 [0021] （3）本发明的基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其通过在烟气侧与工质侧进行热流密度和工质温度的数据交互，能够将影响管壁温度的主要因 素考虑到计算中，再通过耦合计算，能够准确提供锅炉在不同负荷下管壁温度的详细分布， 预防受热面的超温，保证锅炉运行的安全性，并未受热面的优化提供依据。 [0022] （4）本发明基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其步骤简单，计算便捷，能够准确模拟锅炉烟气侧的流动燃烧过程和计算锅炉工质侧的流动传热 过程，进而准确实现烟气侧热流密度和工质侧工质温度之间的数据交互，充分考虑管壁温 度计算过程中的主要因素，提供锅炉在不同负荷下管壁温度的详细分布，实现锅炉受热面 壁温的准确预测，为受热面的优化提供依据，并为锅炉的安全运行提供保障。 附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0024] 图1是本发明实施例中基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法流程图； 图2是本发明实施例中的锅炉结构示意图； 图3是本发明实施例中锅炉的炉膛中心截面的网格示意图； 图4是本发明实施例中最底层一次风中心横截面的网格示意图； 图5是本发明实施例中炉膛下水冷壁壁面热流密度分布示意图； 图6是本发明实施例中下水冷壁管内工质温度分布示意图； 图7是本发明实施例中下水冷壁管内对流换热系数分布示意图； 图8是本发明实施例中下水冷壁管壁温度分布示意图。 具体实施方式[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼 此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0026] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0027] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三 个等，除非另有明确具体的限定。 [0028] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连 接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员 而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0029] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在 第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0030] 实施例：请参阅图1，本发明优选实施例中基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热 面壁温的方法包括如下步骤： S1：根据锅炉的实际尺寸构建几何模型，选择锅炉数值计算所需的物理化学模型， 设定边界条件并假定受热面的初始计算条件； 具体地，在实际操作时，优选根据锅炉设计说明书中的锅炉尺寸进行建模，锅炉结 构至少包括水冷壁、燃烧器、冷灰斗、过热器和再热器，并优选将其受热面简化。 [0031] 在优选实施例中，步骤S1中构建的锅炉受热面分为两种，即水冷壁和过热器。其中，优选将水冷壁简化为厚度为零的平面，将过热器简化为厚度为管外径的空腔。受热面的 边界条件优选采用对流边界，并以此计算初始假定工质温度和传热系数。 [0032] 同时，在建模中优选采用分区域划分网格的方法，使用高质量的六面体网格，并在物理化学反应剧烈的燃烧器区域加密网格。 [0033] 在实时建模时，锅炉结构、炉膛中心截面网格和最底层一次风中心横截面网格优选如图2、图3和图4所示。 [0034] 进一步地，在锅炉煤粉燃烧过程中，优选选择合适的模型模拟各子过程。其中，优选采用Realizable κ‑ε湍流模型模拟气相湍流，采用EDM模型模拟气相燃烧，采用随机轨道 模型模拟煤粉颗粒的运动，采用双方程平行竞争反应模型模拟煤的热解，采用动力/扩散控 制反应速率模型模拟焦炭燃烧，采用DO模型模拟辐射传热，并将离散方法均设置成一阶迎 风格式。 [0035] 在设定边界条件时，优选将所有入口均设定为质量入口，并设定各燃烧器均匀出力和配风。同时，炉膛出口优选采用的是压力出口，根据实际电站锅炉在引风机作用下炉内 呈现负压的特点，优选将其压力参数设置为‑50Pa。 [0036] 更详细地，将炉膛壁面设置成无滑移的边界条件，水冷壁和过热器采用对流换热边界条件，水冷壁设置0.008m的壁厚并根据实际管道材料修改模拟壁面材料的导热系数， 计算初始根据热力计算书给定的工质温度和对流换热系数。 [0037] S2：进行全炉膛燃烧数值模拟，得到受热面的管壁温度分布并输出炉膛受热面的热流密度分布； 在优选实施例中，使用商用软件FLUENT进行炉膛燃烧数值模拟计算，在迭代完毕 后，得到受热面热流密度分布示意图，如图5中所示。之后，通过FLUENT中的用户自定义函数 （UDF）调用计算得到的受热面热流密度。 [0038] 在优选实施例中，下水冷壁管道的热流密度分布分别如图5所示。 [0039] S3：划分受热面计算区域，根据炉膛受热面的热流密度分布统计各区域热流量，并计算管内工质流动传热； 在实际操作时，根据受热面的位置，采取不同区域划分的方式。其中，过热器优选 根据管屏位置选择计算区域。同时，水冷壁优选分为螺旋水冷壁（下水冷壁）和垂直水冷壁 （上水冷壁）；螺旋水冷壁沿着倾斜角度方向和水平方向划分计算区域，倾斜角度根据实际 螺旋角度任意变化；而垂直水冷壁优选可看作螺旋水冷壁的特殊形式，即认为其倾斜角度 为90°。 [0040] 在UDF调用热流密度后，在UDF中将锅炉水冷壁展开成二维，根据工质流动方向对水冷壁面进行分区，得到多个计算区域。 [0041] 更详细地，下水冷壁为螺旋水冷壁，划分区域时需要考虑管道实际倾斜角度，而水冷壁水平方向则优选划分为多段，例如优选实施例中所示的12段，最终单位计算区域为平 行四边形，如图6中所示；同时，上水冷壁为垂直水冷壁，沿水冷壁水平和垂直方向划分，最 终单位计算区域为长方形。 [0042] 进一步地，水冷壁入口计算区域的进口工质温度优选按照热力计算说明书给定，其沿着流动方向，下游进口工质温度优选等于上游出口工质温度。而过热器则以每片屏为 单独的计算区域，计算中通过循环遍历整个屏区。 [0043] 已知计算区域对应的热流量以及进口工质温度，进一步通过能量守恒求出每个计算区域的进出口焓升，通过焓升便可得到出口工质焓，其计算公式优选如下： [0044] 式中，Q为计算区域所吸收的热流量；m是流经计算区域的工质流量；hin和hout分别为计算区域的进口焓和出口焓。 [0045] 进一步地，优选通过IAPWS‑IF97提供的公式计算得到出口工质物性参数，优选实施例中的出口工质物性参数至少包括温度、密度、比热容、等温膨胀系数。同时，下水冷壁管 内工质温度分布优选如图6所示，根据计算的物性参数求得粘度和导热系数，最终求得一系 列无量纲数，包括雷诺数、普朗特数和努塞尔数等。 [0046] 更详细地，优选实施例中采用的粘度计算公式和导热系数计算公式优选如下： [0047] [0048] 式中， 代表了稀薄气体状态对粘度的限制， 代表了有限密度对粘度的影响； 代表了临界状态对粘度增强的效果，其在工程应用中通常设定为1。 、 、 分别代表稀薄气体状态、有限密度和临界状态对导热系数的影响。 [0049] 进一步地，通过已求量计算雷诺数、普朗特数等无量纲量，根据工质所处状态，将工质传热系数计算分为四部分：亚临界单相、超临界单相、沸腾传热和两相传热恶化。 [0050] 其中，亚临界单相和超临界单相优选采用改进的Dittus‑Boelter模型进行计算。 [0051] 沸腾传热优选采用如下计算方法进行计算： [0052] [0053] [0055] 相应地，两相传热恶化公式优选采用如下公式计算： [0056] 式中， 为努塞尔数， 为雷诺数， 为普朗特数，为干度， 为饱和水密度，为饱和水密度。 [0058] S4：通过对数值模拟进行多次迭代，并比较相邻两次迭代计算得到的出口工质温度；若两者的差值小于预设值，则计算收敛并停止数据传递；若二者差值大于预设值，则更 新锅炉受热面的边界条件，重新执行S2到S4，直至差值小于预设值。 [0059] 在优选实施例中，两次迭代的出口工质温度差值的预设值优选为1K。 [0060] 更具体地，在优选实施例中，采用当次计算得到的出口温度与进口温度求平均值作为下一次迭代的边界条件，并在更新后的边界条件下重复S2 S4中的迭代计算过程。 ~ [0061] 当在UDF中计算完受热面各计算区域的出口工质温度后，将前后两次迭代得到的出口工质温度进行比较，如果差值小于1K，则计算收敛，停止数据传递，否则优选根据本次 计算得到的，通过更新的工质温度计算得到管壁温度，并重复S2到S4。 [0062] 进一步地，在数值模拟的过程中，优选根据计算得到的工质温度和热流量计算受热面的壁温，其计算公式优选如下： [0063] 式中， 为壁温； 为工质温度；为热流量； 为管道壁厚； 为管道导热系数。 [0064] 在优选实施例中，下水冷壁的管壁温度优选如图8所示。 [0065] 在进行基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温计算过程中，主要是体现烟气侧放热和工质侧吸热两部分的共同作用。炉膛燃烧模拟得到的复杂的温度分布 体现了管道受热不均匀，而水动力计算则体现了工质对流传热对于管壁温度的影响。烟气 侧和工质侧的耦合面是受热面的外壁面，通过将热流密度和工质温度进行数据交互，从而 实现耦合计算。 [0066] 本发明中的基于Fluent与UDF一体化耦合建模预测锅炉受热面壁温的方法，其步骤简单，计算便捷，能够准确模拟锅炉烟气侧的流动燃烧过程和计算锅炉工质侧的流动传 热过程，进而准确实现烟气侧热流密度和工质侧工质温度之间的数据交互，充分考虑管壁 温度计算过程中的主要因素，提供锅炉在不同负荷下管壁温度的详细分布，实现锅炉受热 面壁温的准确预测，为受热面的优化提供依据，并为锅炉的安全运行提供保障。 [0067] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。 |
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