工业锅炉仿真系统节能模块设计及实现

熊穗平邹建华姜 浩莫炜先焦 健龚德鸿(.贵州特种设备检验检测院 贵阳 55000）(.贵州大学 贵阳 55005）

工业锅炉仿真系统节能模块设计及实现

熊穗平1邹建华1姜 浩1莫炜先1焦 健1龚德鸿2
(1.贵州特种设备检验检测院 贵阳 550020）
(2.贵州大学 贵阳 550025）

仿真系统已成为工业锅炉操作人员培训的重要手段之一，在工业锅炉仿真系统中加入节能模块，能有效增强经济运行指导和提高操作人员节能意识。本文利用仿真开发平台SimuWorks构建工业锅炉仿真系统节能模块，通过锅炉正反平衡热效率公式分析及简化，给出了飞灰含碳量的直接计算方法，结合各模块计算数据，可以获得完整的运行经济指标。

仿真系统 节能模块 正反平衡 热效率

工业锅炉是将燃料通过燃烧转换为热能的特种设备，具有数量多、自动化水平低、司炉工节能意识淡薄、燃烧效率不高等特点，提高工业锅炉运行效率已成为实现十二五节能减排目标的主要途径之一。

在工业锅炉操作人员培训过程中，引入仿真系统，通过计算机模拟工业锅炉启动、运行调整、停运及事故处理等过程，既可以解决由于操作人员文化水平参差不齐而导致的理论培训效果不佳的问题，又可以通过全范围、实时、高逼真度的仿真系统进行实际操作培训，有效提高操作人员运行水平和事故处理的应变能力。

国内工业锅炉仿真系统研究虽然起步较晚，发展却较为迅速，在计算机纯软数字仿真、实物模型与计算机软硬结合的混合仿真等方面均有研究，对工业锅炉各系统、各工况的过程仿真均取得了较明显成果，但在节能运行指导和节能意识培养方面却体现不多，本文在国家质检总局科技项目支持下，开发节能型工业锅炉仿真培训系统，在仿真系统中加入节能模型，将节能运行指导和节能意识培养贯穿到工业锅炉操作培训中，能有效提高培训效果。

1 节能运行技术指标

锅炉热效率是反映锅炉运行经济性的综合指标，正平衡效率反映了在一定输入热量的基础上实际有效利用了多少热量，反平衡效率则反映锅炉输入热量在哪些环节发生了损失，损失有多大，将综合经济指标分解为具体的小指标能有效指导锅炉实现经济运行调整。

按照GB/T 17954-2007《工业锅炉经济运行》规定，工业锅炉运行技术指标为锅炉热效率、排烟温度、灰渣含碳量和排烟处过量空气系数，并对每项技术指标数值根据燃烧方式、煤质和容量进行了明确规定。本文在上述四项指标的基础上，将各项热损失也作为经济运行指标进行计算和监测。

2 节能模块构成

节能模块构成如图1所示，节能模块由输入、计算、输出三部分组成，其中输入包括锅炉系统设计参数和仿真系统中空气模块、烟气模块、锅炉本体及燃烧模块和汽水模块等其他模块的运行数据；计算由锅炉热效率计算模块、排烟热损失计算模块、化学不完全燃烧热损失计算模块、机械不完全燃烧热损失计算模块、散热损失计算模块和其他热损失计算模块组成；输出包括各经济运行指标。

图1 节能模块内部结构框图

2.1 计算方法

工业锅炉经济运行指标依据GB/T 10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》和TSG/G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》中的锅炉正反平衡效率公式进行计算。其中：

锅炉正平衡效率：

式中：η——正平衡效率，%；

Dgs——给水流量，t/h；

hbq——饱和蒸汽焓，kJ/kg；hgs——给水焓，kJ/kg；γ——汽化潜热，kJ/kg；ω——蒸汽湿度，%；

B——燃料消耗量，kg/h；

Qar，net——收到基低位发热量，kJ/kg锅炉反平衡效率：式中：η——反平衡效率，%；

q2——排烟热损失，%；

q3——化学不完全燃烧热损失，%；

q4——机械不完全燃烧热损失，%；

q5——散热损失，%；

q6——灰渣物理热损失，%。

2.2 已知参数

为便于计算，将节能模块中的数据分为已知参数、运行参数和输出参数。已知参数为锅炉设计参数、煤质参数、各类选取值等，见表1。

表1 节能模块计算中的已知参数表

2.3 运行参数

运行参数取自工业锅炉仿真系统运行情况下各模块、各模型内部参数值和输出参数值，本系统主要由空气模块、烟气模块、锅炉本体及燃烧模块、汽水模块、节能模块和控制模块组成，各模块间数据相互调用，节能模块调节的运行参数见表2。

表2 节能模块计算中的运行参数表

2.4 输出参数

输出参数包括锅炉热效率η、飞灰含碳量Cfh、排烟温度θpy、过量空气系数αpy、排烟热损失q2、化学不完全燃烧热损失q3、机械不完全燃烧热损失q4、散热损失q5和灰渣物理热损失q6。

3 关键参数计算

在工业锅炉仿真系统中，经济运行指标排烟温度和过量空气系数通过空气预热器模型的输出参数容易获得，锅炉热效率通过已知参数、运行参数用正平衡法也能计算，但飞灰含碳量是需要取样分析测试，在许多文献中常采用飞灰含碳量预测值代替实测值用于能效计算，但由于影响飞灰含碳量的因素较多且相互耦合，飞灰含碳量预测值计算公式较为复杂，很难求解。

依据TSG/G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》的计算方法，与飞灰含碳量相关的参数有排烟热损失q2、机械不完全燃烧热损失q4和灰渣物理热损失q6，飞灰含碳量未知，即与之相关的参数无法计算。在锅炉实际运行中，考虑到运行参数的测量误差，锅炉正、反平衡热效率计算值并不相等，而在仿真系统中，运行参数由系统模块计算而得，如较难测准的燃料消耗量和锅炉主蒸汽流量只是模块中的一个计算数据，因此可认为锅炉的正、反平衡热效率是相等，基于上述的简化，可以使计算的方程数与未知数相等，飞灰含碳量可以解方程计算获得。方程组如下所示。

求解排烟热损失q2和机械不完全燃烧热损失q4后，代入机械不完全燃烧热损失q4计算公式，即可求解出飞灰含碳量。

4 结论

1）仿真系统用于工业锅炉运行人员实操培训有助于提高培训效果，完善现有培训体系；

2）在仿真系统中加入节能模块，通过清楚的经济运行指标显示，指导运行人员及时进行调整，可以有效提高运行人员操作水平，增强运行人员节能意识。

3）利用锅炉正反平衡热效率计算公式，利用仿真系统内部计算数据，通过列方程求解，可以直接获得较难预测的经济运行指标飞灰含碳量

1 GB/T 17954-2007 工业锅炉经济运行[s].

2 GB/T 10180-2003 工业锅炉热工性能试验规程[s].

3 TSG/G0003-2010 工业锅炉能效测试与评价规则[s].

4 李勇,等.工业锅炉能效测试中超声波流量计的误差分析[J].中国特种设备安全,2013,29(1):62～64.

5 陈虎,等.工业换热设备的能效评价意义及方法[J].中国特种设备安全,2013,29(11):26～28.

Design and Implementation of Energy Saving Module in Industrial Boiler Training Simulation System

Xiong Suiping1Zou Jianhua1Jiang Hao1Mo Weixian1Jiao Jian1Gong Dehong2
(1.Guizhou Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Guiyang 550020）
(2.Guizhou University Guiyang 550025)

Training simulation system has been applied to operators of industrial boiler, adding industrial boiler training simulation system included energy saving will contribute to enhancing operation guidance and energy saving awareness. In the paper, energy saving module of industrial boiler training simulation system is designed, carbon content in fl y ash can be calculated by analyzing heat effi ciency calculation formulae of boiler, complete economic indexes are get based on calculation data of other modules in training simulation system.

Simulation system Energy saving module Positive and negative balance Thermal effi ciency

X933

A

1673－257X(2014)10－19－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.10.005

熊穗平(1971～),男,本科，副院长,从事锅炉压力容器检验工作。

2014－05－04）