火电站锅炉燃烧特性虚拟仿真教学实验的构建及意义

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(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

火电站锅炉内的燃烧及流动特性是能源与动力工程专业热能工程方向致力研究的内容。然而锅炉内存在剧烈的湍流火焰为主的煤粉燃烧过程，尤为复杂。锅炉内火焰的流动、传热和传质以及氮氧化物的形成等过程，这些问题比较抽象。如果带领学生去电站锅炉现场，利用大量的人力和物力，进行现场实验测量，将面临实验工况不易稳定、变化快、难以调节，同时伴随高污染，高危险，且难以把握现象全貌等情，因此无法为学生开设实物实验[1-2]。

传统教学中，学生只能在课堂上被动的接受理论，而不能进行实践训练，从而使得课程的教学缺少了必要的实践环节，不利于高素质人才培养[3]。因此，针对这样的利用传统实验教学难以实现或虽然能实现但是消耗太大的实验项目，非常有必要利用现代信息技术结合专业而开发虚拟仿真实验教学平台[4]。采用虚拟仿真实验教学平台可以节省实验空间，设备的磨损折旧问题较小，可以反复多次地进行实验，逼真地还原真实实验的结果，既能满足教学的要求，又能节省能源和设备的使用，具有很大的经济性。

虚拟仿真技术是现代信息发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物。虚拟仿真技术与现代高装备设计制造结合是时代发展和科技进步必然要求，是适应高端装备设计制造的高素质人才的必须掌握技能。为适应高端装备设计制造的创新性人才培养的需要，有必要建设适应课程需要的、有利于大学生实践能力培养的高水平的虚拟仿真试验平台建设。大连理工大学[5]在“模拟电子线路实验”课程教学中引入了虚拟实验，丰富教学内容，提高教学效率，增强了实验教学的效果。长春大学[6]开设了汽车总成拆装虚拟实验、汽车理论虚拟实验、汽车故障检测和维修虚拟实验、汽车维护虚拟实验、汽车性能测试虚拟实验。在减少教学成本的基础上，拓宽实验教学的深度和广度，提高学生的学习兴趣和学习质量。杭州科技职业技术学院[7]以Unity开发引擎和UG与3dsMax建模软件为依托，搭建了一个逼真、操作方便且具有交互功能的液压虚拟仿真实验系统，能够进行多项液压虚拟仿真实验，解决了“液压传动”课程实验资源不足的问题。江苏大学[8]将CFD软件演示教学应用到了“燃烧学”课程的教学中。通过使用CFD软件的模拟配合多媒体技术的使用，使学生非常直观的了解了液体燃料的雾化、扩散和燃烧的整个过程，促进了学生学习基础知识以及加强工程实践能力，取得了良好的教学效果。

1 实验项目来源

哈尔滨工业大学能源科学与技术学院近几年在国家863计划课题、973课题、科技支撑计划等项目的支持下，开展了300 MW、600 MW、1 000 MW等级亚临界、超临界机组直流煤粉燃烧锅炉、W火焰锅炉及墙式对冲旋流燃烧器锅炉高效低氮氧化物燃烧技术研究与开发，针对电站实际直流煤粉燃烧技术锅炉、W火焰锅炉和旋流煤粉燃烧技术锅炉进行了大量的炉内煤粉燃烧的虚拟仿真计算[9-10]，研究了不同燃烧器结构、燃烧器倾角、风率分配、煤质等参数下炉内煤粉燃烧及氮氧化物排放特性的影响。这些成果围绕火电站锅炉的设计、技术、新技术研发展开，为虚拟实验项目建设提供了可直接转化的成果，后续的科研合作也为虚拟实验项目的丰富和更新提供了良好的条件。

2 实验目的

虚拟仿真实验平台形式新颖，学生可以通过仿真实验 “看见”锅炉内空气的流动、火焰的传播、煤粉的运动轨迹、烟气温度及组分的分布等情况，同时实现以下实验目的：

(1)了解火电站锅炉的主要煤粉燃烧技术及燃烧器结构；(2)了解火电站锅炉燃料稳定燃烧时炉内流场、温度场情况；(3)掌握影响火电站锅炉炉内煤粉燃烧及污染物生成的主要因素；(4)掌握虚拟仿真计算锅炉内流动及燃烧的基本方法；(5)掌握虚拟仿真计算结果提取及后处理的方法。

3 实验实施过程

3.1 采用研讨型教室

教室座椅按照利于师生互动的方式摆放(见图1)，四面八方都可以看到投影内容，大大增加了师生之间的互动机会，课堂更加灵活，学生更加自主学习，有效提高了学生的学习效果。

图1 研讨型教室

3.2 预制文件

授课期间需要保证每人一台电脑，电脑内预制下列文件：(1)安装相应软件，主要有Gambit、Fluent、Tecplot及Origin软件等；(2)分别建立旋流煤粉燃烧技术、直流煤粉燃烧技术和W 火焰煤粉燃烧技术对应的三种锅炉的虚拟仿真计算的文件，其中包括：燃烧器结构、风速及风率和煤质特性等参数改变的工况文件；(3)学习视频，其中包括建模过程、数学模型及边界条件设置过程及计算结果后处理过程；(4)虚拟仿真计算火电站锅炉内燃烧过程的论文。

3.3 授课过程

以一种煤粉燃烧技术锅炉为例，讲解计算流程(见图2)和演示如何进行锅炉计算域建立，数学模型设置及边界条件设置过程；讲授锅炉炉膛结构、燃烧器结构、燃烧器的配风及煤粉分配、内煤粉燃烧及氮氧化物生成过程和主要影响因素；利用已有计算结果讲授锅炉内燃烧稳定的判断依据，以及燃烧设备关键结构参数和运行参数对燃烧情况的影响；虚拟仿真计算结果与现场工业试验测量结果的比较。

学生动手完成燃烧器风速参数、风率参数、煤质特性参数等改变后，炉内的燃烧及氮氧化物排放的变化情况。指导学生亲自动手完成一个简化的锅炉煤粉燃烧计算。学生讨论计算中的建模技巧和计算结果与实现结果产生差异的原因，及随堂提供的虚拟仿真计算文章中的计算结果是如何提取出来的。得到的计算结果以图3为例，讲解炉内的温度分布情况及原因分析，讲述判断炉内燃烧稳定的依据。课后要求学生观看学习视频，进一步巩固建模、数学模型及边界条件设置、计算结果后处理方法。

图2 计算流程

图3 计算结果后处理得到的W火焰锅炉浓、淡煤粉气流风量配比改变时炉内温度分布情况/K

3.4 教学效果

采用虚拟仿真试验，可以直接“看见”燃烧设备内流场、温度分布及煤粉的运动轨迹，学生明确燃烧过程。学生直观的掌握燃烧稳定的判断依据，以及燃烧设备关键结构参数和运行参数对燃烧情况的影响。采用虚拟仿真实验可以大大拓展实验内容空间，激发学生学习兴趣，同时突破了实验课的场所限制，进而提高实验课学习的自由度，提高实验教学效果。采用虚拟仿真手段，十分有利于相关实验课的顺利开展，并能够在有限的学时内保证实验内容的全面性和系统性。

4 实验特色

在燃烧过程中燃料、氧气和燃烧产物三者之间进行着动量、热量和质量传递，形成多组分浓度梯度和不等温两相流动的火焰。探索燃烧室内的速度、浓度、温度分布的规律以及它们之间的相互影响是研究燃烧过程的重要内容。该平台让学生在2D和3D沉浸式虚拟实验环境中体会煤粉在锅炉内的整体燃烧过程，完成燃烧过程中各个环节。实验过程包括燃烧设备图纸分析→模拟方案设计→建构锅炉及燃烧器几何模型→物理模型选取→边界条件设置→运行计算→数据处理→课堂讨论→结果综合分析。实验中将模拟不同燃料在不同燃烧技术锅炉内的燃烧情况，对流场特性、温度特性及污染物排放特性等进行监测实验，学习火电站锅炉内燃料稳定燃烧状态时流场、温度场的判断依据，及调整火焰稳定的关键参数和方法，掌握燃料在锅炉内生成污染物的原因以及降低污染物生成的方法等。

火电站锅炉内的燃烧过程很难通过课堂教学或者实验室试验和现场试验完成。采用虚拟仿真试验，可以直接 “看见”锅炉内流场、温度分布及煤粉颗粒的运动轨迹，学生明确燃烧过程。学生直观的掌握燃烧稳定的判断依据，以及锅炉和燃烧器关键结构参数、运行参数对燃烧情况的影响。采用虚拟仿真实验可以大大拓展实验内容空间，激发学生学习兴趣，提高教学效果。采用虚拟仿真手段，十分有利于相关课程的顺利开展，并能够在有限的学时内保证实验内容的全面性和系统性。利用虚拟仿真实验，努力培养学生成为适应当前能源和电力发展要求的创新型和技能型人才。

5 结论

本文从传统教学难以理解火电站锅炉内煤粉燃烧过程，又无法为学生开设实物实验的因素分析，结合目前高校开展的虚拟仿真教学实验及优良效果，提出了构建火电站锅炉燃烧特性虚拟仿真教学实验的措施及有益效果：

(1)以现有科研中获取的火电站锅炉虚拟仿真结果为教学实验来源，将科研与教学相融合；

(2)虚拟实验达到了解煤粉燃烧技术、掌握影响炉内煤粉燃烧及污染物生成的主要因素及掌握基本数据处理分析方法等目的；

(3)实验实施时，可采用研讨型教室、计算机内预制计算文件、举例法等教学方法及学生实际动手操作等方式，增强师生互动；

(4)采用虚拟仿真试验，学生可以直接 “看见”锅炉内流场、温度分布及煤粉颗粒的运动轨迹。同时可设置锅炉和燃烧器关键结构参数、运行参数对燃烧情况的影响等实验内容，大大拓展实验内容空间，激发学生学习兴趣，提高教学效果。