通用锅炉烟风阻力计算系统的研究与开发

第24卷第6期 2008年11月

文章编号：1005-006X(2008)06-0020-04

电 站 系 统 工 程 Power System Engineering V ol.24 No.6

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通用锅炉烟风阻力计算系统的研究与开发*

周 懿 钟 崴2 童水光2

（1. 浙江大学化工机械研究所,2. 浙江大学热工与动力系统研究所）

摘 要：烟风阻力计算是锅炉产品设计工作的重要内容之一。建立了通用锅炉烟风阻力计算模型，归纳了计算的总体算法，提出了面

向对象的计算软件模型，并研究了烟风阻力计算系统与热力计算系统的集成技术。实践证明，提出的计算模型、算法、软件模型正确合理，适用于各类锅炉的烟风阻力计算。

1

关键词：锅炉；通用计算系统；烟风阻力计算；软件模型；系统集成 中图分类号：TK212. +3；TP391.75 文献标识码：A

R & D of General-purpose Software for Boiler Fuel-gas and Air Resistance Calculation

ZHOU Yi, ZHONG Wei, TONG Shui-guang

Abstract: The gas and air resistance calculation is an important part of boiler design. The universal model of the gas and air resistance calculation summarizes the calculation method is presented, the software framework is built up by Object-Oriented and the integration technology with the thermal calculation system is studied. The gas resistance calculation system, calculation methods and software system are improved to be correct and universal by practice, and it is applicable to all kinds of boilers with excellent currency.

Key words: boiler; general-purpose system; gas and air resistance calculation; framework; system integration

锅炉烟风阻力计算是在热力计算的基础上，通过对烟气

和空气通道的空气动力学计算，求解通道的流动总阻力，从而为选择合适的引、送风机提供基础数据。由于风机的选用直接影响锅炉烟气和空气通道的正常通风，不匹配的风机会导致燃料燃烧不充分、锅炉效率降低等问题，准确完成烟风阻力计算工作十分重要。目前，我国锅炉制造企业主要参考前苏联1977版《锅炉设备空气动力计算标准方法》（简称“标准”，以下同）完成该项计算工作。此外，近年来也有研究工作对一些新型或特殊结构的锅炉部件提出烟风阻力计算的建议

[2-5]

1 烟风阻力计算的计算模型

若不考虑锅炉的汽水工质侧，并忽略锅炉烟气和空气侧部件的结构细节、尺寸及位置，只考虑这些部件间的流程逻辑关系，可抽象出用流程图表达的锅炉烟风阻力计算模型，如图1示例。该流程图由若干彼此独立的流程交织而成，整体形成网状拓扑结构，具体如图1示例，包括烟气、一次风和二次风共3个流程。这些流程通常为单线顺序结构，但也可能存在分叉及汇合支路。

。

当前，锅炉设计计算工作已大量借助计算软件来完成。其中，烟风阻力计算涉及大量的公式、图表，计算过程繁杂，计算书编写费时费力，借助计算机可大大提高该项工作的准确性及效率。此外，由于烟风阻力计算与热力计算之间的数据重用度很高，通过两者计算系统间的数据集成，还可进一步提高计算工作的自动化水平。

国内企业以往使用的锅炉烟风阻力计算软件大多是基于Microsoft Excel的半自动化程序。这些程序通常针对特定的产品类型，对流程结构变化的适应性不好，在填写计算参数的过程中亦容易出错。自“九五”时期起，浙江大学先后与国内多家A 级锅炉制造企业合作，开展通用型锅炉设计计算系统的研究和开发工作。以此为背景，本文将从一般意义上提出烟风阻力计算的计算模型，讨论计算的总体算法，采用面向对象技术建立烟风阻力计算的软件模型，研究烟风阻力计算系统与热力计算系统的集成技术，并给出系统的应用实例。

收稿日期：2008-06-28

周懿(1983-)，女，博士研究生。杭州，310027

*“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAF01A46-8)

图1 锅炉烟风阻力流程示例

图1示例的流程图计算模型可看作由“广义阻力部件”和“广义流体节点”两类基本对象组成。其中，“广义阻力

第6期 周 懿等：通用锅炉烟风阻力计算系统的研究与开发 21

取值参照标准的计算建议；ρ 、ω分别指流体的密度和流速；L 、d 分别指管段的长度和当量直径。

在流程单元阻力计算的基础上，流程总阻力汇总的通式可表示为：

K 0

部件”涵盖了横向冲刷管束、管内流动摩擦、自生通风等一般或特殊阻力部件形式，而“广义流体节点”则泛指流程中一定位置上的烟气或空气节点。进而，如图2所示，可从一般意义上定义组成上述流程图的“流程单元”模型。该“流程单元”由一个“广义阻力部件”与进出该部件的两组“广义流体节点”组成。其中，流体节点只包括流程单元所属流程的流体支路。对于同时出现在烟气和空气流程的空预器，应在各自流程中对应于两个不同的流程单元。对于一般阻力部件，图2所示的流程单元相应简化为仅有一个进口流体节点和一个出口流体节点的形式。而对于流程分叉和汇合部件，进出口流体节点数相应为多个。这样，图1示例的各流程可分别看作是由图2所示的流程单元相互衔接而成。其中，相邻流程单元具有公共的流体节点。

F i1

…

F 图2 流程单元

以上计算模型可进一步用数学语言进行定义：M 表示阻力模型，P 表示烟气或空气流程，U 表示流程单元，则：

F o1

…F on

p =p 0+∑p j (6)

j =1

式中，p 0指流程起点压力，Δ pj 指流程单元的阻力变换结果，K 0指流程中汇总阻力的流程单元个数。注意，当流程中存在分叉汇合结构时，由于分叉点与汇合点之间的压降为定值，可选择其中一条关键支路进行阻力汇总，此时K 0≤K 。

2 烟风阻力计算的软件模型

基于上述计算模型，可采用面向对象技术建立烟风阻力计算的软件模型，用UML 语言表达如图3所示。主要类的定义如下：

ResisPart 类是阻力部件类的公共基类，对应于计算模型中的“广义阻力部件”概念，是各具体部件类的统一抽象表达和对外操作接口，可用于统一标识各派生部件类的实例对象。ResisPart 类记录了各派生部件类的共有抽象属性，并定义了对外操作函数的统一抽象接口。

VerticalFlow （横向冲刷管束）、InTube （管内流动摩擦）、Bend （转弯）等具体部件类均由ResisPart 类派生，概念上分别对应于各具体类型的阻力部件。各具体部件类记录了用于描述该部件阻力特性所需的各种参数，并定义了进行该部件阻力计算所需的各种函数。

Fluid 类是流体节点类的公共基类，对应于计算模型中的“广义流体节点”概念，是各具体流体节点类的统一抽象表达和对外接口，可统一标识各派生流体节点类的实例对象。Fluid 类记录了各派生流体节点类的共有抽象属性，并定义了对外操作函数的统一抽象接口。

Air （空气节点）、FuelGas （烟气节点）类由Fluid 类派生，分别记录了用于描述各流体节点状态的各种属性参数，并定义了计算流体节点各种属性的相关函数。

ResisUnit 类对应于计算模型中的“流程单元”概念，记录了对应的阻力部件对象、流入和流出该流程单元的流体节点集合，定义了从逻辑上组织部件和流体节点的操作函数。

ResisProcess 类对应于计算模型中的“流程”概念，记录了各流程的起始流体节点的对象标识，定义了从逻辑上组织隶属当前流程的流程单元对象的操作函数，及当前流程的阻力汇总函数，负责按照流程逻辑组织各流程单元进行阻力汇总。

ResisCalcModel 类对应于整个烟风阻力计算模型，采用无序集合的方式管理全部的部件对象、流体节点对象、流程单元对象及流程对象。ResisCalcModel 类记录了模型的总体信息，定义了执行阻力计算的核心函数，控制模型的总体计算。

各具体部件类中定义了利用部件的特性参数及相关的算法执行部件阻力计算的函数resisCalc （inFluid : Fliud,

M =P , " , P , " , P

P

t

t

1

[=[U , " , U

1

t T

t t k , " , U K

] (1) ] (2)

式中，M 是P 的无序集合，P 是U 的逻辑集合。上标T 表示模型中流程总个数，t ∈(1, " , T ) ，下标K 表示任一流程中流程单元总个数，k ∈(1, " , K ) 。结合图2所示的流程单元结构，定义：

t U k

=[F i , S , F 0] (3)

式中，S 表示阻力部件，F i 、F o 分别表示进出口流体节点组，i ∈(i 1, " , i m ) ，o ∈(o 1, " , o m ) ，m 、n 分别表示该流程单元前后的分支流程数。

t

对于某一流程单元U k ，F i 在流经部件S 时受阻碍作用，

消耗势能而引起F o 较F i 的压降。由于F i 、F o 中除压力以外的其它属性已由热力计算确定，因此在S 已知的情况下，可

t

衔接根据标准求得F o 较F i 的压降值。同时，F o 又是与U k

的下一个流程单元的进口流体节点，因此，从P t 流程起点

开始，可根据流体节点从“进口”到“出口”再到下一“进口”的连接逻辑关系来搜索整个流程，完成整个流程的阻力计算。

在烟风阻力计算前，各流程的总流量已由热力计算确定。当流程中存在分叉和汇合支路时，依据燃烧或传热的技术要求，各支路中流量分配的情况在设计阶段亦已设定，而在实际运行时则通过调节支路中挡板、风门等阻力可变单元的阻力来达到所需流量。这样，在任一流程单元的F i 的流量均已知的前提下，可参照标准公式计算该流程单元的阻力，具体包括局部阻力和沿程摩擦阻力两种类型，计算公式如下：

2

L ρω2

(5) ΔP f =λ××

d 2

式中，ζ 、λ分别指局部阻力系数和沿程摩擦阻力系数，其

ΔP l =ξ×

ρω

2

(4)

22 电 站 系 统 工 程 2008年第24卷

outFluid : Fluid），该函数带有从外部传入的进出部件的流体节点的对象标识集合参数。同时在ResisPart 类中定义了resisCalc 函数的对外统一抽象接口。在ResisUnit 类中定义了resisCalcUnit 函数，负责将流程单元对象中的流体节点对象集合作为参数传递给阻力部件的resisCalc 函数。在进行全压降计算时，采用动态绑定技术，以部件基类的外部标识统一标识各具体部件，批量调用各部件的阻力计算函数。动态绑定屏蔽了部件的具体类型，总体算法逻辑与部件种类、数量均无关，从而增强了软件的可扩充性。

结构参数，确定该部件的阻力冲刷特性，进而创建相应的阻力部件，并提取热力部件中与阻力计算相关的参数，而后再搜索该热力部件的进出口流体节点集合，提取流体节点参数，分别创建阻力部件进出口流体节点对象，并提取属性参数。

图4 软件集成构架

如图5示例，烟风阻力计算系统通过热力计算系统的对外接口访问其内部数据，首先通过热力部件的对象标识读取部件的类型和结构参数，在确认对应的阻力部件类型是“横向冲刷管束”后，于相应流程的阻力模型部件集合内创建相

应的横向冲刷管束阻力部件，而后再搜索热力部件的进出口流体节点集合，对应创建阻力部件的进出口流体节点的对象，并提取流体节点的属性参数。

图3 烟风阻力系统总体构架

3 烟风阻力计算与热力计算的集成

与烟风阻力计算类似，锅炉热力计算需要建立通用的热力计算模型，具体参见文献[6]。本质上，[0]热力计算模型是从传热侧面对锅炉的概念化，而烟风阻力计算模型是从烟气和空气的流动阻力侧面对锅炉的概念化。例如，对于同一个过热器部件，热力计算从传热的角度定义成工质侧为蒸汽的对流受热面，而烟风阻力计算则侧重阻力特性，定义成横向冲刷管束或纵向冲刷管束。可见这两个抽象模型之间具有一部分重合属性。除连通罩等热力计算中未描述的阻力部件外，烟风阻力计算模型中的主要部件也是热力计算模型的成员，它们的结构数据及相关的流体节点属性分别是热力计算的计算参数和中间结果。因此，通过与热力计算系统的数据共享能减少参数的重复输入，提高烟风阻力计算的建模效率。具体集成方案如图4所示，主要内容为两方面：阻力流程的自动创建和数据的共享。

自动创建阻力流程的关键在于完成部件对象定义的语义转换，也就是实现热力部件到阻力部件的映射，其步骤为：首先搜索热力计算模型的部件集合，根据热力部件的类型及

图5 自动生成阻力部件

4 应用实例

基于上述模型和方法开发的通用锅炉烟风阻力计算系统如图6所示。在该系统中，用户首先按照锅炉的设计方案设置项目总体参数和流程参数，进而分别选择创建烟气和空气通道的阻力部件，设置各部件进出口流体属性，试算单个部件的阻力，最后分别对各阻力流程分别进行全压降汇总。对于已完成热力计算的项目，系统能够根据热力计算模型自动建立初步的烟风阻力计算模型。计算得到的各部件计算清单及各流程全压降的汇总结果还能够以（下转第25页）

第6期 张长志等：300 MW CFB直接空冷机组空冷岛的防冻保护 25

表 空冷岛运行参数

项目名称 负荷/MW 真空/kPa 排汽压力/kPa 排汽母管温度/℃ 环境温度/℃

07.11.1607.11.26 07.11.2908.01.16302 306 298.6 300 -77.2 -76 -77.6 -63 10.99 10.72 12.16 23.67 47.5 47 55.2 63.3 7.6 6.2 0.3 -15.1

主、再热蒸汽温度接近冲车参数时，且高、低旁投运正常后，主、再热蒸汽管道疏水导入排汽装置，待管道积水疏尽后方可冲转。

如果机组为高中压缸启动方式，机组跳闸后，旁路开启，要注意调节系统流量大于空冷岛最小流量。

机组冲转后，炉侧要尽可能调整燃烧，确保机组并网后带负荷的需求。机组并网后要尽量缩短启动和带负荷的时间，尽快使空冷系统大流量进汽，降低结冻可能性。各列空冷凝汽器应在3 h之内全部投入运行，防止停运散热器管束内结冰。

6 结 论

凝汽器管束发生冻结是直接空冷系统面临的最为严重的问题。要尽量避免小流量蒸汽长时间进入空冷岛，根据负荷需要逐列投入空冷系统；要注意监视各主要参数的变化，及时做出相应调整，降低风机转速或进入回暖状态，保持系统的稳定性；随着环境温度的降低，要适当提高背压，提高排汽母管温度。只要采用正确合理的方法，注意各阶段的防冻保护，就可以预防和解决空冷岛结冻问题。 □

5 应用效果

蒙西电厂于2007年11月底一次通过168 h试运至2008年3月停机小修，空冷系统没有发生任何冻结现象。机组在11月份正常运行时，日环境温度最低为5 ℃，背压维持在11 kPa，排汽母管温度为47 ℃。冬季极冷环境温度为-27 ℃，防冻保护1、2及逆流凝汽器回暖保护条件均已激活，稳定后背压提高至25 kPa，排汽母管温度提高至65 ℃。在整个冬季的运行中，空冷系统经受住了考验，各项保护条件均可正常安全地投入，证明了系统的稳定性，同时也验证了冬季各阶段防冻保护措施的可行性与正确性。

参 考 文 献

[1] 北方联合电力蒙西发电厂2×300 MW机组工程1号机组调试报告

[R].西安热工研究院, 2007.

[2] 北方联合电力蒙西发电厂2×300 MW机组工程ACC 逻辑设计说

明[Z].南京南瑞继保工程技术有限公司, 2007.

编辑：巨 川

算系统的集成技术。实际应用表明，采用本文模型和方法开发的烟风阻力计算系统计算快速准确，可显著提高锅炉设计质量和设计效率。 □

（上接第22页）Microsoft Excel格式输出为工程计算书。

参 考 文 献

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[3] 吕新颜, 马其良, 李朋. 分离式冷凝锅炉尾部节能装置阻力特性研

究[J]. 工业锅炉, 2003.

[4] 刘聿拯, 徐世洋, 袁益超, 等. 余热锅炉换热元件传热与阻力特性

模化实验系统研究[J]. 上海理工大学学报, 2004: 412～417.

图6 烟风阻力计算的模型创建

[5] 陶晓东, 刘永江. 循环流化床锅炉布风板阻力计算及应用[J]. 内蒙

古电力技术, 2005: 14～15.

[6] 钟崴, 付迎春, 童水光. 通用锅炉热力计算软件的系统建模研究[J].

动力工程, 2002, 22(2): 1681-1685.

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[10] С И 莫强. 锅炉设备空气动力计算（第三版）[S]. 电力工业出版

社, 1981.

5 结 论

烟风阻力计算是锅炉产品设计中的一项重要工作。本文提出了由“广义阻力部件”和“广义流体节点”描述的“流程单元”模型，给出了由“流程单元”相互衔接而构成的烟风阻力计算模型，并概括了烟风阻力计算的总体算法；采用面向对象技术，构建了与计算模型相对应的软件模型，定义了抽象部件类和抽象流体类，通过抽象接口批量调用各导出类对象的服务，屏蔽了部件和流体类型的多样性；提出了模型自动创建及参数自动提取的烟风阻力计算系统和热力计

编辑：闻 彰

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