申请/专利权人：东方电气集团科学技术研究院有限公司;东方电气股份有限公司

申请日：2023-12-07

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN117786959A

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G16C20/10;G06F119/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.16#实质审查的生效;2024.03.29#公开

摘要：本发明公开了一种基于Modelica语言的锅炉炉膛燃烧建模方法，通过燃烧及传热机理模拟锅炉炉膛内复杂的燃烧过程，基于Modelica语言在OpenModelica软件中搭建炉膛燃烧模型，将整个燃烧系统模块化，通过空气和燃料输入接口进行数据输入，输入为：空气的质量流量、压力、温度、空气中各气体质量分数和燃料的质量流量、温度、成分。输出为：炉膛烟气出口温度、烟气质量流量、炉膛容积热负荷、炉膛断面热负荷等。本发明搭建的锅炉炉膛燃烧模型，其各项数据精度较高，模型可扩展性强，可应用于锅炉设计与优化领域。

主权项：1.一种基于Modelica语言的锅炉炉膛燃烧建模方法，其特征在于：根据锅炉炉膛燃烧机理及传热机理分为燃烧部分和传热部分，按照燃烧部分和传热部分的建模，具体步骤为：S1、燃烧部分的建模步骤包括：步骤S11：确定燃料的成分基准的建模公式如下：Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar＝100％1式1中：采用燃料收到基成分，符号为ar；其中，Car、Har、Sar、Oar、Nar、Aar、Mar分别为燃料中碳、氢、硫、氧、氮、灰分和水分的质量百分数；步骤S12：根据步骤S11确定的燃料的成分基准，确定燃料的低位发热量的建模公式如下： Qgr,ar＝339Car+1256Har+109Sar-109Oar3式2中：Qnet,ar为低位发热量，kJkg；式3中，Qgr,ar为高位发热量，kJkg；r为水的汽化潜热，r根据实际情况确定取值；步骤S13：根据步骤S11确定的燃料的成分基准，确定燃烧所需空气量和过量空气系数； 式5中：EX为燃烧1kg燃料所需干空气的化学计量，包括低炉灰和挥发灰中未燃尽碳所需要的空气量；MO、MC、MH、MS分别为氧摩尔质量、碳摩尔质量、氢摩尔质量、硫摩尔质量，kgkmol；XO2，a为入口空气中氧气的质量分数，％；Xh2o，a为入口空气中水的质量分数，％；为挥发灰质量流量，kgs；为低炉灰质量流量，kgs；Icv、IBF分别为挥发灰未燃颗粒比例、低炉灰未燃颗粒比例； 式6中：α为过量空气系数；为空气质量流量，kgs；为燃料质量流量，kgs；步骤S14：燃烧部分的燃烧产物指燃料燃烧后生成的气态产物，即烟气，所述烟气涉及理论烟气量、实际烟气量以及烟气各成分的质量分数；所述烟气成分为CO2、H2O、O2、SO2、N2；烟气中CO2的质量分数包括空气中所含有的CO2、燃料燃烧后生成的CO2以及低炉灰和挥发灰中未燃部分所能生成的CO2，建模公式如下： 式13中：XCO2,g为烟气中CO2质量分数，％；XCO2,a为入口空气中CO2质量分数，％；MC为碳摩尔质量，kgkmol；MCO2为二氧化碳的摩尔质量，kgkmol；为烟气质量流量，kgs；烟气中H2O的质量分数中包括空气中所含有的H2O、燃料燃烧后生成的H2O以及燃料本身所含有的H2O，建模公式如下： 式14中：Xh2o,g为烟气中H2O的质量分数，％；Xh2o,a为入口空气中H2O质量分数，％；MH为氢摩尔质量，kgkmol；Mh2o为水的摩尔质量，kgkmol；烟气中O2的质量分数中包括空气中所含有的O2、燃料燃烧消耗的O2以及燃料本身所含有的O2，建模公式如下： 式15中：XO2,g为烟气中O2的质量分数，％；XO2,a为入口空气中O2的质量分数，％；MO为氧摩尔质量，kgkmol；烟气中SO2的质量分数中包括空气中所含有的SO2、燃料燃烧生成的SO2，建模公式如下： 式16中：XSO2,g为烟气中SO2的质量分数，％；XSO2,a为入口空气中SO2的质量分数，％；MS为硫摩尔质量，kgkmol；MSO2为SO2的摩尔质量，kgkmol；烟气中N2的质量分数为除去CO2、H2O、O2、SO2四种气体质量分数后余下的质量分数，％；步骤S15：搭建炉膛中的质量平衡方程、能量平衡方程以及动量平衡方程模型；所述炉膛的质量平衡方程如下： 式17-19中：为烟气质量流量，kgs；为空气的质量流量，kgs；为挥发灰质量流量，kgs；为低炉灰质量流量，kgs；XCD,f为燃料中灰分含量，其等于0.01Aar；所述能量平衡方程如下： 式20-21中：hg,o为出口烟气焓值，kJkg；hcv为挥发灰焓值，kJkg；hbf为低炉灰焓值，kJkg；hf为燃料焓值，kJkg；ha,i为空气焓值，kJkg；HHVc为未燃尽碳高热值，kJkg；LHV为燃料低热值，即燃料低位发热量Qnet,ar，kJkg；W1为热力损耗，W；xw,l为热损失系数；Ws为烟气与水冷壁换热量，W；所述动量平衡方程如下： 式22-24中：Po为炉膛出口压力，pa；Pi为炉膛入口压力，pa；Λ为炉膛压力损失系数，m-4；ρm为烟气平均密度，kgm3；ν为烟气速度，ms；为炉膛中的平均质量流量，kgs；A为炉膛平均横截面积，m2，根据锅炉结构参数确定；步骤S16：炉膛容积热负荷和炉膛断面热负荷的建模公式如下： 式25-26中：qv为炉膛容积热负荷，kwm3；qA为炉膛断面热负荷，kwm2；Bcal为燃料计算消耗量，kgs；Vf为炉膛有效容积，m3；S2、传热部分的建模过程，涉及辐射换热以及对流换热，建模步骤包括：步骤S21：烟气与水冷壁的换热模型公式如下： 式27中：Ws为烟气与水冷壁之间的换热量，W；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数；Csyn为辐射换热系数；Si为单元i换热面积，m2；Rs,i为单元i换热面积修正系数；hc为热交换系数；Tg,o为炉膛出口烟气温度，K；Tw,i为单元i水冷壁温度，K；1≤i≤n，n为水冷壁划分的段数，i表示n段水冷壁中的第i单元水冷壁；步骤S22：在OpenModelica中搭建完整的炉膛燃烧模型；搭建得到的炉膛燃烧模型，其输入包括有：空气的质量流量、压力、温度、空气中各气体质量分数和燃料的质量流量、温度、成分，其输出包括有：炉膛烟气出口温度、烟气质量流量、炉膛容积热负荷、炉膛断面热负荷。

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