1　引言

　　在火电站锅炉机组仿真培训机的研制过程中，锅炉炉膛仿真数学模型是最重要、最复杂、最不好调试的模型之一。原先，有的炉膛仿真数学模型来自于一些比较简单的经验公式，有的模型来自于某个(或某些)炉膛稳态三维传热过程数值计算结果的简化，因而模型在仿真的准确性、通用性和调试的方便性方面都存在一些问题。本文主要根据苏联1973年颁布的《锅炉机组热力计算标准方法》中介绍的方法，同时参考某些文献进行了一些修正，研制出一种新的零维的动态的电站锅炉炉膛仿真模型。它通用性好、调试简单、仿真精度高、工作稳定。经过几年在仿真培训机的应用，其使用效果良好。

2　炉膛内部积存物质以及进出口物质的仿真

　　把炉膛看作是一个集总参数的容积。在锅炉冷态时，其内部积存有由氧气、氮气以及水蒸气组成的空气，其压力为环境压力。在锅炉点火以后，增加了由于燃料燃烧而产生的二氧化碳、二氧化硫、水蒸气以及固体状态的灰分。在特殊情况下，如炉膛温度过低时煤粉根本不可能燃烧，或者在炉膛内的没有过量氧气却继续向炉膛送入过量煤粉的情况(假定在炉膛内还会有完全没进行化学反应的煤粉)。
　　从燃烧器送入的燃料油，假定在有氧气的情况下都能燃烧(考虑机械未完全燃烧损失)且不灭火。送入的煤粉在满足一定条件时能够稳定燃烧的，否则会产生灭火和爆燃，条件如下
　　(1)在有正常送风的情况下，锅炉不灭火的条件(满足下面的条件之一即可)
　　①有燃料油助燃；
　　②燃烧煤粉量达到一个比较高的数值；
　　③炉膛温度达到一个比较高的数值t₁。
　　(2)产生爆燃必须同时满足下列条件
　　①炉膛内温度达到一个中等高的数值t₂；
　　②炉膛内有过剩的氧气；
　　③炉膛内积存的煤粉浓度在一个可燃的范围内。
　　在满足炉膛爆燃条件且有充足的氧气时，积存在炉膛内的煤粉全部爆燃(在一个计算间隔内燃烧)；如果炉膛内的氧气不足以供应积存的煤粉全部爆燃，则按氧气量爆燃一定数量的煤粉。在满足燃料着火条件时，进入炉膛的燃料与送入的热风以及原炉膛中过剩的氧气立即进行化学反应。产生的燃烧产物与炉膛内积存的烟气均匀混合。炉膛内的平均烟气成分作为从炉膛内排出烟气的成分在一次计算完成后，记忆炉膛内积存的烟气的各种成分的摩尔数，以便下一次计算使用。

3　炉膛压力的仿真

　　在已知炉膛内的各种烟气成分的摩尔数和炉膛内烟气温度的情况下，利用理想气体的状态方程^［2］或者利用理想气体状态方程的递推公式来求当前的炉膛压力。理想气体的状态方程的递推公式如下

　　(1)

式中　p为炉膛压力，MPa；T为炉膛内烟气温度，K；R为气体常数；m为炉膛内各种气体总的摩尔数；V为炉膛体积，m³；脚标1和脚标2分别表示时刻1和时刻2的数值；Δm和ΔT为计算时间步长内该变量的增量。

4　炉膛内传热的仿真

　　炉膛内传热的仿真是炉膛仿真模型最重要的部分。按工作状态分为两部分：炉膛内有燃料燃烧时火焰与水冷壁之间的换热；炉膛内没有燃料燃烧时积存的热烟气与水冷壁之间的换热。下面分别叙述两种情况时的仿真。
4.1　炉膛内有燃料燃烧时火焰与水冷壁之间换热的仿真
　　首先计算出炉膛出口烟气温度；然后根据炉膛出口烟气温度和炉膛出口的烟气成分，计算在一个计算时间间隔内从炉膛出口输出的烟气总焓；同时计算在一个计算时间间隔内燃料以及热风带入炉膛的总热量；接着根据水冷壁的灰污壁温和火焰温度，计算水冷壁的总吸热量；最后计算炉膛内烟气的热平衡，计算出新的火焰温度。
　　(1)计算炉膛出口烟气温度时，采用适合于大型锅炉机组的杜卜斯基-卜劳赫公式^［3］,其形式如下

　　(2)

式中　θ_l为无因次的炉膛出口烟气温度；a_l为苏联1973年《锅炉机组热力计算标准方法》中规定的投射热模型的炉膛黑度；T_j为燃料的绝热燃烧温度,K；Bo为波尔兹曼准则^［1］；M为考虑炉膛内火焰中心相对位置的参数

　　(3)

式中　A、B为与燃料有关的经验系数；h_r为燃烧器的布置高度，m，即从冷灰斗中间平面至燃烧器水平中心线的高度，这里指的是投入使用的燃烧器布置高度按其燃料量的加权平均值，是一个输入变量；h_l为炉膛高度，即从冷灰斗中间平面至炉膛出口烟窗中部的高度；ΔX为考虑炉膛内火焰最高温度的位置偏离燃烧器布置平面的修正值，是一个输入变量。
　　这里应当说明的是，在苏联标准的投射热模型中，热有效系数的数值在锅炉机组变负荷时保持不变^［1］；而苏联热工所-动力所推荐的方法中用的是四次方差公式，考虑积灰影响的参数是积灰系数^［3］。作者认为：(1)在锅炉负荷较低时或者锅炉熄火以后的冷却阶段，炉膛内烟气温度与水冷壁的金属壁温相差不多的情况下，用炉膛内热烟气对水冷壁的投射热乘以与高负荷时相同的热有效系数作为水冷壁的吸热显然是不合适的；(2)在锅炉熄火以后无法计算理论燃烧温度，因而无法计算炉膛出口烟温；(3)为了把炉膛内有火焰阶段与无火焰阶段相连接，因此不能直接使用式(2)。于是作者选择了苏联热工所-动力所推荐的方法。然而有关此方法的资料不全面，于是作者把式(2)中的热有效系数通过下面的方法进行了改变。先看以下两式
　　古尔维奇方法的投射热模型的炉膛辐射传热公式

q＝σa_lT⁴_hΨ　　(5)

　　四次方差方法的炉膛辐射传热公式

q＝σa_s(T⁴_h－T⁴_b)　　(6)

式中　q为炉膛辐射换热量，W/m²；a_s为四次方差公式的炉膛系统黑度；a_l为投射热模型的炉膛黑度；T_h为火焰温度，K；T_b为水冷壁的灰污壁面温度，K，等于其他模型提供的水冷壁温度加上灰污层热阻(设定的常数)与上一时刻水冷壁热流(由炉膛辐射换热量乘以燃料量，除以水冷壁面积得到)的乘积。
　　使式(5)和(6)的等式右侧相等，求出热有效系数Ψ值，代入式(2)中的波尔兹曼准则Bo中去，这样变化后的式(2)就是四次方差的公式了。
　　(2)首先从另一计算模型输入水冷壁金属壁温以及上一时刻的水冷壁的壁面热流，计算出上一时刻水冷壁的灰污层壁温，再利用上一时刻的炉膛内烟气温度和式(6)计算出在一个时间间隔内，烟气与水冷壁的换热量，并且计算出水冷壁的壁面热流。
　　(3)炉膛的热平衡

I₂＝I₁＋Q_l－I^″_l－Q　　(7)

式中　I₁为上一时刻炉膛内烟气的总焓，KJ；I₂为这一时刻炉膛内烟气的总焓，kJ；Q_l为一个计算时间间隔内燃料及热风带入炉膛的热量(主要是燃料发热量)，kJ；I^″_l为一个计算时间间隔内烟气从炉膛排出时带走的总焓，kJ；Q为一个计算时间间隔内水冷壁的总吸热，kJ。
　　利用这一时刻炉膛内烟气的总焓以及此时炉膛内烟气的成分，可以计算出这一时刻炉膛内的烟气温度(平均温度)。
　　(4)把这一时刻炉膛内烟气的总焓、烟气温度、水冷壁的壁面热流记忆下来，以便在下一时刻计算时应用。
4.2　炉膛内没有火焰与水冷壁之间换热的仿真
　　炉膛内没有火焰时炉膛内积存的烟气与水冷壁之间的换热，古尔维奇方法中没有涉及。但是在苏联热工所和科学院动力所方法^［3］认为炉膛内的烟气是充分混合的，因此烟气温度是均匀的，火焰平均温度等于炉膛出口烟气温度，再加上某些修正。本文在炉膛内没有火焰的情况下，考虑炉膛内积存的烟气与水冷壁之间的换热时采用了这一观点，用来计算炉膛出口烟气温度。具体计算公式^［3］如下

　　(8)

式中　T_h为炉膛内烟气温度，K；T_l为炉膛出口烟气温度，K；Δi为考虑燃料种类、燃烧方式、燃烧器倾斜角及水冷程度的修正系数。
　　此时炉膛内烟气与水冷壁灰污壁面的换热、炉膛内烟气的热平衡、炉膛内烟气温度和水冷壁的壁面热流记忆与炉膛内有火焰时相同。作者针对具体的炉膛结构，参照文［1］双室炉中冷却室的计算方法，事先计算出在停炉后正常通风情况下几个炉膛烟气温度下的炉膛出口烟气温度，求出T_l/T_h的函数关系(是一条折线，放在程序中)，应用时把炉膛烟气温度乘以这个函数得到无火焰炉膛出口烟气温度。

5　本仿真模型的其他特点

　　(1)考虑锅炉点火初期的燃用燃料油和锅炉低负荷的煤油混烧(不局限于低负荷)。
　　(2)考虑锅炉出口左右侧烟气温度的差异。本仿真模型把炉膛分为左右两个独立的部分，对炉膛左右两侧投入的燃料量不同时炉膛出口烟气温度不同的情况进行了仿真，在此过程中考虑了左右两部分炉膛的相互影响。
　　(3)本仿真模型考虑了锅炉熄火后的传热过程，因而可以仿真停炉后的冷却过程。
　　(4)本仿真模型考虑了一系列的炉膛事故，如炉膛灭火、炉膛爆燃、水冷壁爆管、结渣、炉膛漏风等。同时还考虑了水冷壁吹灰过程对炉膛传热的影响。
　　(5)模型的通用性好，只要是苏联1973年古尔维奇方法能计算的煤粉炉都可以应用。
　　(6)模型中的烟气成分是按实际燃料计算的，其焓和温度的计算是按实际烟气成分进行的，因而计算更加符合实际情况。

6　仿真模型的调试

　　本仿真模型最重要的特点是调试特别方便。对于所需要输入的参数和常数，只要按炉膛结构和额定负荷时的有关推荐数据输入即可^［1］。最终调试炉膛出口烟气温度只须改变ΔX一个数值。如果把ΔX作为锅炉负荷的函数输入，那么对锅炉炉膛在整个负荷范围内的仿真就相当准确了。
　　本炉膛仿真模型自1995年研制成功后，在内蒙古电力学校的内蒙古电力仿真中心的300MW锅炉发电机组仿真机上运行几年，从未出过事故，仿真效果良好。

参考文献：

［1］锅炉机组热力计算标准方法［M］.北京：机械工业出版社，1976.
［2］庞麓鸣等.工程热力学［M］.北京：高等教育出版社，1981.
［3］秦裕琨.炉内传热(第2版)［M］.北京：机械工业出版社，1992