CN106529170A - 一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置，通过对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到预置WSGG模型的相关系数；根据相关系数对预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟，解决了对于燃煤锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体(CO2和H2O)和颗粒(焦炭和飞灰)；对于燃油燃气锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体；当三原子气体辐射特性发生改变时，导致的炉内辐射传特性发生变化的技术问题。

Description

一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置。

背景技术

富氧燃烧技术是一种最具有工程化应用前景的大规模CO₂捕集技术之一，受到了举世瞩目的关注。该技术是将纯氧与主要成分为CO₂的再循环烟气以一定比例混合(混合后的气体称为助燃气或燃烧气)后送入炉膛与燃料混合燃烧，一种典型的干烟气循环方式的富氧燃烧锅炉系统如图1所示。由于富氧燃烧方式与空气燃烧方式存在较大的不同，在发展富氧燃烧技术时，存在若干基础科学问题有待研究，如富氧燃烧条件下燃料燃烧机理的研究、炉膛辐射传热问题研究、污染物(NOx等)生成和排放特性研究、热力系统优化研究等。炉膛辐射传热计算问题就是其中一个基础研究课题。

富氧燃烧方式下几乎杜绝了传统空气燃烧方式中的N₂，使燃烧产生烟气中的CO₂浓度较高。富氧燃烧方式与空气燃烧方式下燃烧产生烟气的最大区别在于烟气中CO₂和N₂的含量不同，富氧燃烧锅炉中的烟气以CO₂(一般高达80％以上)为主，空气燃烧锅炉中的烟气以N₂为主。CO₂作为三原子气体，它的辐射能力强于N₂的，这使得富氧燃烧方式下烟气中三原子辐射气体的浓度远高于空气燃烧方式下烟气中的三原子辐射气体浓度，进而使得两种燃烧方式下炉膛中气体辐射特性存在较大差异。对于燃煤锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体(CO₂和H₂O)和颗粒(焦炭和飞灰)；对于燃油燃气锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体；当三原子气体辐射特性发生改变时，导致了炉内辐射传特性发生变化的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置，解决了对于燃煤锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体(CO2和H2O)和颗粒(焦炭和飞灰)；对于燃油燃气锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体；当三原子气体辐射特性发生改变时，导致的炉内辐射传特性发生变化的技术问题。

一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，包括：

对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；

将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数；

根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

可选地，对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算具体包括：

对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算。

可选地，将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数具体包括：

将预置WSGG模型计算的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果与所述参考模型的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果的误差最小值作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。

可选地，拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数具体包括：

采用一温度T_ref对拟合范围内的气体温度进行归一化处理得到第一公式；

所述第一公式为：

可选地，误差最小值为通过第二公式计算得到；

所述第二公式为：

本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算装置，包括：

第一计算单元，用于对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；

第二计算单元，用于将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数；

模拟单元，用于根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

可选地，第一计算单元，具体用于对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算。

可选地，第二计算单元，具体将预置WSGG模型计算的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果与所述参考模型的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果的误差最小值作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置，其中，富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，包括：对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到预置WSGG模型的相关系数；根据相关系数对预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。本实施例中，通过对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到预置WSGG模型的相关系数；根据相关系数对预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟，解决了对于燃煤锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体(CO2和H2O)和颗粒(焦炭和飞灰)；对于燃油燃气锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体；当三原子气体辐射特性发生改变时，导致的炉内辐射传特性发生变化的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为富氧燃烧锅炉结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法的一个实施例的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法及装置，解决了对于燃煤锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体(CO2和H2O)和颗粒(焦炭和飞灰)；对于燃油燃气锅炉而言，炉膛中的主要辐射传热介质为三原子气体；当三原子气体辐射特性发生改变时，导致的炉内辐射传特性发生变化的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法的一个实施例包括：

201、对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；

根据前人在WSGG模型修正方面的研究情况来看，修正WSGG模型使其适用于富氧燃烧工况的最终目的为：修正WSGG模型中的相关系数(k_i和b_ε,i,j等)。

对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算。

具体地，对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算。

202、将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数；

对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算之后，将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。

具体地，将预置WSGG模型计算的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果与所述参考模型的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果的误差最小值作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。

203、根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数之后，根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

下面以一具体应用场景进行描述，应用例包括：

目前CFD软件中燃烧模型中的WSGG子模型只适用于空气燃烧工况，该模型适用范围：壁面和混合物中的粒子都是灰体，且不考虑散射，并且对于含有CO2和H2O的混合气体来说，它的计算精度只能保持在的情况。对于富氧燃烧工况而言，燃烧产生烟气中可高达90％以上，使得WSGG模型的计算误差较大。为了使WSGG模型能计算富氧燃烧工况下的气体辐射特性，许多学者对WSGG模型进行了研究。

(1)WSGG模型修正的研究进展

Yin首先将可以准确计算任何混合气体发射率的宽带模型(EWBM)作为参考模型，采用计算机语言实现了EWB模型的算法，并验证了计算机程序计算结果的正确可靠性。接着，利用该程序计算不同温度范围、不同气体行程、不同辐射气体分压力以及不同比值下的气体总发射率，获得了了空气燃烧和富氧燃烧条件下烟气发射率的数据库。最后，基于这两个工况下烟气发射率数据库，重新拟合WSGG模型的相关系数，得到了1个适用于空气燃烧工况的新WSGG模型和1个适用于富氧燃烧工况的新WSGG模型。为了验证这两个重新定义的WSGG模型的正确性，作者分别采用这两种WSGG模型对0.8MW富氧燃烧天然气试验炉和609MW假想富氧燃烧天然气锅炉进行模拟，为了排除颗粒辐射的影响，模拟时以天然气为燃料。研究结果表明，对于0.8MW试验锅炉，由于其炉膛有效辐射层厚度较小，两种模型的数值计算结果几乎相同；而对于609MW锅炉，由于其炉膛有效辐射层厚度较大时，两种模型的数值计算结果相差甚大，气体吸收系数甚至相差120％。这是因为在炉膛有效辐射层厚度较小时，两种WSGG模型计算得到的气体辐射特性相差不大；而当有效辐射层厚度较大时，两种WSGG模型计算得到的气体辐射特性相差较大，从而说明了重新定义一个适用于富氧燃烧工况下烟气辐射特性计算的WSGG模型的重要性。这也从侧面表明，通过数值模拟大容量富氧燃烧锅炉可以发现在小型试验富氧燃烧锅炉试验研究中不容易被发现的科学问题，进而体现了数值模拟在进行富氧燃烧锅炉炉膛辐射传热计算研究方面的优越性。

Tanin则选用了基于HITMEP 2010数据库的LBL模型作为参考模型，对CFD中已有的WSGG模型进行修正，使其适用于富氧燃烧工况。Sebastian基于EWB模型对富氧燃烧工况下的WSGG模型进行了修正。Johansson则以SNB模型为参考模型对已有WSGG模型进行了修正，使其同时适用于空气燃烧和富氧燃烧工况。对于天然气锅炉，Stefan等人研究了烟黑对炉膛辐射换热的影响，目前尚不存在一种有效计算烟黑辐射的模型，因此他们假设将烟黑看成一种灰气体，炉膛内烟气总发射率等于烟气中气体发射率和烟黑发射率的加权值。研究结果表明，对于含有烟黑火焰的空气燃烧和富氧燃烧锅炉，在计算烟气辐射时将烟黑辐射考虑在内是更加合理的。

(2)WSGG模型修正方法

根据前人在WSGG模型修正方面的研究情况来看，修正WSGG模型使其适用于富氧燃烧工况的最终目的为：修正WSGG模型中的相关系数(k_i和b_ε,i,j等)。

在如图2所示的修正步骤流程中，为了简化拟合过程的计算量并获得更高的拟合精度，通常需要采用某一个合适的温度T_ref(一般为1200K)来对拟合范围内的气体温度进行归一化处理，因此(3)式变为：

WSGG模型中相关参数的拟合过程中，WSGG模型计算结果与参考模型计算结果最小的目标函数如下式：

(3)WSGG模型的UDF自定义函数

WSGG模型是采用CFD模拟炉膛辐射传热时的一个子模型，为了使CFD软件能准确模拟富氧燃烧锅炉炉膛中的气体辐射传热过程，需将修正的新WSGG模型以UDF函数的形式加载到CFD软件的Fluent求解器中。下面以修正得到的WSGG模型为例，编写修正得到的新WSGG模型的UDF函数。

请参阅图3，本发明实施例中提供的一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算装置的一个实施例包括：

第一计算单元301，用于对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；

第二计算单元302，用于将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数；

模拟单元303，用于根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

第一计算单元301，具体用于对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算。

第二计算单元302，具体将预置WSGG模型计算的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果与所述参考模型的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果的误差最小值作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，其特征在于，包括：

对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；

将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数；

根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

2.根据权利要求1所述的富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，其特征在于，对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算具体包括：

对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算。

3.根据权利要求2所述的富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，其特征在于，将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数具体包括：

将预置WSGG模型计算的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果与所述参考模型的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果的误差最小值作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。

4.根据权利要求3所述的富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，其特征在于，拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数具体包括：

采用一温度T_ref对拟合范围内的气体温度进行归一化处理得到第一公式；

所述第一公式为：

$a_{\mathrm{\ϵ},i}\left(T_g\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{b}_{\mathrm{\ϵ},i,j}{\left(\frac{T_g}{T_{ref}}\right)}^{j-1},i=1,...,N.$

5.根据权利要求3所述的富氧燃烧锅炉辐射传热计算方法，其特征在于，误差最小值为通过第二公式计算得到；

所述第二公式为：

6.一种富氧燃烧锅炉辐射传热计算装置，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行第一预置值计算；

第二计算单元，用于将预置WSGG模型计算的第二预置值的结果与所述第一预置值计算结果的误差作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数；

模拟单元，用于根据所述相关系数对所述预置WSGG模型进行修正并加载到CFD中进行富氧燃烧锅炉辐射传热的数值模拟。

7.根据权利要求6所述的富氧燃烧锅炉辐射传热计算装置，其特征在于，第一计算单元，具体用于对选取的富氧燃烧锅炉辐射传热计算参考模型进行多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算。

8.根据权利要求7所述的富氧燃烧锅炉辐射传热计算装置，其特征在于，第二计算单元，具体将预置WSGG模型计算的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果与所述参考模型的多个温度范围、多个气体行程、多个辐射气体分压力及多个CO₂/H₂O比值下的气体总发射率的计算结果的误差最小值作为目标函数，并拟合得到所述预置WSGG模型的相关系数。