CN111695249A - 一种燃气锅炉热效率的预测方法 - Google Patents

一种燃气锅炉热效率的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃气锅炉热效率的预测方法，属于锅炉技术领域，包括现场数据采集和模拟仿真：通过现场试验，采集数据，得到燃气锅炉多个不同低负荷下排烟温度、排烟组分，计算得到多个不同低负荷下的锅炉热效率。数值模拟仿真，对燃气锅炉进行不同低负荷下的数值模拟研究，建立初始模拟模型，仿真得到锅炉的排烟温度、排烟组分，进而计算得到不同低负荷下不同工况的燃气锅炉热效率。将数值模拟仿真结果与现场试验结果进行对比，对初始模拟模型进行修正，利用修正后数值模拟模型，预测燃气锅炉额定负荷运行下的热效率。使用该方法预测额定负荷下工业锅炉的热效率，节省人力物力，减少能源浪费。

Description

一种燃气锅炉热效率的预测方法
技术领域
本发明涉及锅炉技术领域，更具体的，涉及一种燃气锅炉热效率的预测方法。
背景技术
目前，锅炉作为最普遍的热能供应和动力转换设备之一被广泛应用于大中小型企业。其主要功能是通过燃烧反应将燃料中的化学能转化为热能，再以蒸汽等介质将热能转化为电能或机械能，从而达到能源之间的有效转化。据不完全统计，我国现有十万余台不同种类的工业锅炉应用于电力、机械、冶金、化工等行业，各大行业中锅炉年耗标准煤3亿吨以上。
随着我国经济的飞速发展，资源与环境问题日趋尖锐，我国的现代化建设面临着严峻的挑战。长久以来的能源会议旨在降低能耗，降低污染物排放，提高效率。对于锅炉的运行使用，需要定期检验锅炉的情况，以判断锅炉的安全性能和运行效率是否达到要求。锅炉的定期检验一般由锅炉质检所进行，锅炉质监所检验锅炉效率是要得到满负荷(实际负荷达到额定负荷)下锅炉的效率，但在实际过程中，用户处所用的燃气锅炉一般都是在低负荷下运行而不能满负荷运行，如果满负荷(实际负荷达到额定负荷)运行锅炉进行检验会造成较大的能源浪费。同时，由于实际中很多工业锅炉存在磨损严重、漏风及燃烧效率低下等问题，当根据标准对锅炉进行性能测试时，由于锅炉不能达到测试要求，将会影响检验检测效率。因此为了能够合理计算燃气锅炉额定负荷工况下的热效率、环保性能测试等工作，提高对锅炉监控品质，减轻操作人员的工作负担，节省能源和减少污染，提高锅炉的科学管理水平，就必须寻找一种新的辅助设计、监测与计算锅炉效率的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气锅炉热效率的预测方法，该方法可以预测工业锅炉额定负荷下的热效率，节省锅炉检测时的人力物力，提高检验检测效率，预测结果可以为锅炉的运行工况调整提供参考。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种燃气锅炉热效率的预测方法，包括：
S1、现场数据采集试验，获取燃气锅炉多个不同负荷下的实时运行参数，根据参数分别计算得到多个不同负荷下的燃气锅炉热效率η1；
S2、数值模拟仿真，对燃气锅炉进行多个不同负荷下的数值模拟研究，建立初始模拟模型，在初始模拟模型中输入对应负荷下锅炉的燃气量、给风量、燃气温度以及给水侧温度，通过初始模拟模型得到不同负荷下锅炉的排烟温度、排烟组分，分别计算得到多个不同负荷下的燃气锅炉热效率η2；
S3、将S2中数值模拟仿真结果与S1中现场试验结果进行比较，对初始模拟模型进行修正，得到修正模拟模型；
S4、通过修正模拟模型，对相应的燃气锅炉额定负荷下运行进行数值模拟，得到额定负荷下的排烟温度及排烟组分，计算得到该燃气锅炉额定负荷运行下的热效率；对同类型的的燃气锅炉，直接通过修正模拟模型进行模拟得到排烟温度及排烟组分，预测计算得到对应锅炉额定负荷下的热效率，为对应锅炉的性能检测提供便利。
在本发明较佳的技术方案中，所述S2还包括：
S2.1、构建几何模型，根据燃气锅炉的实际结构构建几何模型，其中构建几何模型区域包括燃烧器、波纹炉胆、回程烟道和节能器至排烟出口段；
S2.2、对几何模型进行网格划分；
S2.3、通过基本守恒方程、湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型和NOx生成模型对网格划分后的燃气锅炉整体燃烧过程进行多个不同负荷下数值模拟计算。
在本发明较佳的技术方案中，所述S2.2中，对几何模型进行网格划分，其中对燃气锅炉的主燃区，包括燃烧器、波纹炉胆采用结构化网格和非结构化网格进行网格划分，对于回程烟道和节能器至排烟出口段采用非结构化网格进行网格划分。
在本发明较佳的技术方案中，所述S3中，对初始模拟模型进行修正，包括：
现场试验中的沿程温度、排烟温度和排烟组分与模拟仿真中的沿程温度、排烟温度和排烟组分的对比、核查；
核查锅炉的燃烧方式、配风方式、边界条件输入以及根据现场数据修正湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型、NOx生成模型。
在本发明较佳的技术方案中，湍流流动模型采用Realizablek-ε模型；气相湍流燃烧模型采用混合分数-概率密度函数模型；辐射换热模型采用灰气体加权平均模型。
在本发明较佳的技术方案中，NOx生成模型中，NOx的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布之后，独立进行；在NOx的求解过程中，需要独立编写函数程序，建立并计算NOx与CHi和CO的化学反应，计算NOx生成模型。
在本发明较佳的技术方案中，现场试验计算燃气锅炉的热效率中，锅炉效率计算标准方法依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》进行计算；
现场数据采集，包括在锅炉内沿锅炉气流路径安装温度传感器，建立温度测定点，在锅炉排烟处安装烟气分析仪，建立烟气组分测点；
现场所采集的锅炉实时运行参数包括：沿气流方向多测点温度、排烟温度、排烟氧量、排烟CO浓度、排烟CO2浓度，排烟氮氧化物浓度、排烟硫氧化物浓度。
在本发明较佳的技术方案中，在锅炉内沿锅炉气流路径温度测定中，每间隔一定距离选取一平面，在选取的平面的边缘处均布4个温度传感器，建立4个温度测点，取4个温度测点的平均值作为计算中的温度值；同时，在选取的平面中建立烟气组分测点，测得平面处烟气的具体成分。
在本发明较佳的技术方案中，当不同负荷下的所述η1与所述η2的误差<2％时，无需对初始模拟模型进行修正；当不同负荷下的所述η1与所述η2的误差≥2％时，需要修正初始模拟模型，使不同负荷下的所述η1与所述η2的误差<2％，得到修正模拟模型，利用修正模拟模型得到锅炉的排烟温度和排烟组分，并依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》计算锅炉的热效率。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种燃气锅炉热效率的预测方法，该方法为计算机辅助工程，将模拟仿真技术与实践相结合，通过现场试验获取工业锅炉不同低负荷下实时运行参数，并计算得到不同低负荷下工业锅炉的热效率；并且开展计算机数值模拟分析及工业锅炉冷、热态运行试验，优化调整锅炉运行参数，对多个不同低负荷下锅炉炉内燃烧特性进行数值模拟，计算锅炉热效率，将仿真结果与现场试验数据进行对比，根据对比结果对仿真模型及结果进行校核和修正，从而利用仿真模拟模型预测额定负荷下工业锅炉热效率。该方法避免了锅炉检验检测时需要锅炉满负荷运行时的能源浪费，节省了时间和人力、提高了检验检测效率，减少了锅炉工况不好以及锅炉达不到检验要求产生的检验误差，减少不必要的资金浪费，产生较大的社会效益。而且模拟仿真亦能够在实际应用中进一步强化理论，指导实践。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1是本发明提供的一种燃气锅炉热效率的预测方法的流程图；
图2是本发明提供的WNS2-1.25-Q型燃气锅炉的燃烧器及回程烟道的结构示意图；
图3是本发明提供的WNS2-1.25-Q型燃气锅炉的节能器的结构示意图；
图4是本发明提供的WNS2-1.25-Q型燃气锅炉的燃烧器及炉膛的网格划分情况；
图5是WNS2-1.25-Q型燃气锅炉数值模拟过程中fluent中的条件设置；
图6是WNS2-1.25-Q型燃气锅炉数值模拟过程中炉膛内的温度分布云图；
图7是WNS2-1.25-Q型燃气锅炉数值模拟过程中回程烟道的温度分布云图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
如图1所示，一种燃气锅炉热效率的预测方法，包括：
S1、现场数据采集试验，获取燃气锅炉多个不同低负荷下的实时运行参数，根据参数分别计算得到多个不同低负荷下的燃气锅炉热效率η1；
S2、数值模拟仿真，对燃气锅炉进行多个低不同负荷下的数值模拟研究，建立初始模拟模型，在初始模拟模型中输入对应负荷下锅炉的燃气量、给风量、燃气温度以及给水侧温度，通过初始模拟模型得到不同低负荷下锅炉的排烟温度、排烟组分，分别计算得到多个不同低负荷下的燃气锅炉热效率η2；
S3、将S2中数值模拟仿真结果与S1中现场试验结果进行比较，对初始模拟模型进行修正，得到修正模拟模型；
S4、通过修正模拟模型，对相应的燃气锅炉额定负荷下运行进行数值模拟，得到额定负荷下的排烟温度及排烟组分，计算得到该燃气锅炉额定负荷运行下的热效率；对同类型的的燃气锅炉，直接通过修正模拟模型进行模拟得到排烟温度及排烟组分，计算得到对应锅炉额定负荷下的热效率，为对应锅炉的性能检测提供便利。
上述的一种燃气锅炉热效率的预测方法，该方法为计算机辅助工程，将模拟仿真技术与实践相结合，通过现场试验获取工业锅炉不同低负荷下实时运行参数，并计算得到不同低负荷下工业锅炉的热效率；并且开展计算机数值模拟分析及工业锅炉冷、热态运行试验，优化调整锅炉运行参数，对多个不同低负荷下锅炉炉内燃烧特性进行数值模拟，计算锅炉热效率，将仿真结果与现场试验数据进行对比，根据对比结果对仿真模型及结果进行校核和修正，从而利用仿真模拟模型预测额定负荷下工业锅炉热效率。该方法避免了锅炉检验检测时需要锅炉满负荷运行时的能源浪费，节省了时间和人力、提高了检验检测效率，减少了锅炉工况不好以及锅炉达不到检验要求产生的检验误差，减少不必要的资金浪费，产生较大的社会效益。而且模拟仿真亦能够在实际应用中进一步强化理论，指导实践。
进一步地，所述S2还包括：
S2.1、构建几何模型，根据燃气锅炉的实际结构构建几何模型，其中构建几何模型区域包括燃烧器、波纹炉胆、回程烟道和节能器至排烟出口段；
S2.2、对几何模型进行网格划分；更进一步地，其中对燃气锅炉的主燃区，包括燃烧器、波纹炉胆采用结构化网格和非结构化网格进行网格划分，对于回程烟道和节能器至排烟出口段采用非结构化网格进行网格划分。对主燃区包括燃烧器、波纹炉等采用结构化网格和非结构化网格的组合，主燃区的形状较为规则，采用结构化网格生成网格的速度快，网格质量好，结构数据简单，有利于模型的运行。对于主燃区的不规则区域使用非结构化网格，分块完成。
S2.3、通过基本守恒方程、湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型和NOx生成模型对网格划分后的燃气锅炉整体燃烧过程进行多个不同负荷下数值模拟计算。
进一步地，所述S3中，对初始模拟模型进行修正，包括：
现场试验中的沿程温度、排烟温度和排烟组分与模拟仿真中的沿程温度、排烟温度和排烟组分的对比、核查；此处核查拟仿真中的沿程温度、排烟温度和排烟组分，首先要排出在仿真过程中一些人为操作错误，比如数值输错、沿程温度等测量误差等，排出人为操作错误等误差后，通过控制变量法修正初始模拟模型，使初始模拟模型得到的结果逐渐向试验结果靠拢。
核查锅炉的燃烧方式、配风方式、边界条件输入以及根据现场数据修正湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型、NOx生成模型。
根据模拟结果不断对初始模拟模型的燃烧方式、配方方式以及边界条件输入等参数，再查找湍流流动模型、燃烧模型、辐射模型，详细对比这些模型的差异，调整各个模型，以及通过用户自定义函数，建立更精确的函数模型。使初始模拟模型产生的结果与现场试验取得的结果之间的偏差少于额定值，使初始模拟模型更具有参考意义。
更进一步地，湍流流动模型采用标准k-ε模型；气相湍流燃烧模型采用混合分数-概率密度函数模型(PDF)；辐射换热模型采用灰气体加权平均模型(WSGGM)来研究高温气体对水冷壁的辐射换热过程。
更进一步地，NOx生成模型中，NOx的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布之后，独立进行；在NOx的求解过程中，需要独立编写函数程序，建立、计算NOx与CHi和CO的化学反应，计算NOx生成模型。即在NOx的计算过程中，部分计算功能是软件fluent实现不了的。因此需要用户独立编写函数程序，采用Use define function(UDF)建立NOx与CHi和CO的化学反应，计算NOx生成模型。
采用Use define function(UDF)建立NOx与CHi和CO的化学反应，计算NOx生成模型。由于燃烧过程中氮氧化物NOx的生成对炉内温度和组成影响不大，NOx的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布之后，独立进行；同时为了考虑炉内燃烧生成的CHi，CO和H2等还原性气氛对NOx的还原作用，采用Use define function(UDF)建立NOx与CHi和CO的化学反应，提高NOx生成模拟的精度。
进一步地，现场试验计算燃气锅炉的热效率中，锅炉效率计算标准方法依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》进行计算；
现场数据采集，在锅炉内沿锅炉气流路径安装温度传感器，建立温度测定点，在锅炉排烟处安装烟气分析仪，建立烟气组分测点；
所需要的锅炉实时运行参数包括：沿气流方向多测点温度、排烟温度、排烟氧量、排烟CO浓度、排烟CO2浓度，排烟氮氧化物浓度、排烟硫氧化物浓度。如果在采集过程中，部分测量数据存在缺失时，需新增数据测点。更进一步地，在锅炉内沿锅炉气流路径温度测定中，每间隔一定距离选取一平面，在选取的平面的边缘处均布4个温度传感器，建立4个温度测点，取4个温度测点的平均值作为计算中的温度值；同时，在选取的平面中建立烟气组分测点，测得平面处烟气的具体成分。在每一个间隔面建立4个测点，将4个测点的平均值作为间隔面的温度值，更具有参考性，也使数值模拟的结果更符合锅炉实际运行的温度状况。
进一步地，当不同负荷下的所述η1与所述η2的误差<2％时，无需对初始模拟模型进行修正；当不同负荷下的所述η1与所述η2的误差≥2％时，需要修正初始模拟模型，使不同负荷下的所述η1与所述η2的误差<2％，得到修正模拟模型，利用修正模拟模型得到锅炉的排烟温度和排烟组分，并依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》计算锅炉的热效率，根据计算得到的热效率判断锅炉的实际状况以及。将数值模拟仿真结果与现场试验结果进行对比，并将两者的差值作为修正因子对数值模拟模型进行修正，保证得到的修生数值模拟模型与实际的运行结果不会出现加大误差，使该模型能适用于预测锅炉的热效率以及使该模型能用于预测同类型下锅炉的热效率的预测。此处误差的计算方式为：(η2-η1)/η1*100％。
以下按步骤对本发明的一种燃气锅炉热效率的预测方法作详细描述：
步骤(1)：根据现场工业锅炉结构进行整体分区建模，包含燃烧器、波纹炉胆、回程烟道、以及节能器至排烟出口段；
步骤(2)：对步骤(1)所建立的模型进行网格划分，对燃气锅炉的主燃区，包括燃烧器、波纹炉胆采用结构化网格和非结构化网格相结合进行网格划分，回程烟道以及节能器至排烟出口段采用非结构化网格进行网格划分；
步骤(3)：对步骤(2)形成的网格，需要通过基本守恒方程、湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型和NOx生成模型对其进行数值求解。对燃气锅炉进行多个不同负荷不同工况的数值模拟，得到相应的工业锅炉燃烧、换热以及污染物生成等特性，计算锅炉热效率；
其中：
①湍流流动模型为标准k-ε模型，在该模型中涡粘性系数υt采用湍动能k和湍动能耗散率ε来确定，确定关系式如下：
Figure BDA0002515085660000091
式中：
Figure BDA0002515085660000095
为湍动能，
Figure BDA0002515085660000096
为湍动能耗散率，Cμ为模型系数，通常取0.09。k和ε由各自的输运方程确定，其中k的输运方程为(2)，ε的输运方程为(3)。
Figure BDA0002515085660000092
式中：
Figure BDA0002515085660000093
Ck＝0.09～0.11。
Figure BDA0002515085660000094
式中各经验系数的取值分别为：Cε＝0.07～0.09，Cε1＝1.41～1.45，Cε2＝1.91～1.92。
②气相湍流燃烧模型为混合分数-概率密度函数模拟下(PDF)。
其思想是假设热化学组分参数可被减少成单一的参数，该参数为混合分数。混合分数是燃料流的质量分数，用f表示。
在相同扩散率的假设下，组分方程可被简化为关于混合组分f的方程。平均(时间平均)混合分数方程为：
Figure BDA0002515085660000101
混合分数模拟方法的优点是将化学反应过程考虑在一个由守恒的混合分数表示的方程内。所有热化学标量(组分质量分数，密度和温度)只与混合分数有关。流场中任一点的组分摩尔分数、密度和温度值都可通过混合分数计算得到。
③辐射换热模型为灰气体加权平均模型(WSGGM)来研究高温气体对水冷壁的辐射换热过程。
WSGGM是介于过分简化的完全灰气体模型与完全考虑每个气体吸收带模型之间的折衷模型。WSGGM的基本假设是对于一定厚度的气体吸收层，其发射率为：
Figure BDA0002515085660000102
依赖于温度的aε,i一般采用如下形式：
Figure BDA0002515085660000103
其中，bε,i,j为关于气体温度的多项式的系数。
壁面的辐射吸收α可以用相似的方法进行拟合近似，但为了简便起见，通常假定ε＝α。
aε,i—第i个灰体的温度加权系数；ki—第i个灰体的吸收系数；p—所有吸收性气体的分压力之和/atm；s—几何行程/m；bε,i,j—温度多项式系数；I—假设灰体个数；J—温度多项式系数个数。
壁面的入射辐射热流qin为：
Figure BDA0002515085660000111
离开壁面的净辐射热流为：
Figure BDA0002515085660000112
其中，n为紧靠壁面介质的折射率。
④对于NOx生成来说，气体燃烧生成NOx反应机理表明NOx生成量依赖于炉内的温度场和烟气组分场。而NOx生成量很小，其反应产物及反应放热量对炉内烟气成分场和温度场影响可忽略不计。因此对NOx生成量计算通常是在已求解得到炉内温度场和组分场后，通过后处理方式进行的。NOx生成考虑热力型NOx。
热力型NOx是由空气中的氮气被氧化形成的，其形成机理如下：
Figure BDA0002515085660000113
Figure BDA0002515085660000114
Figure BDA0002515085660000115
热力型NOx的生成速率可用下式表示：
Figure BDA0002515085660000116
-k-1[NO][N]-k-2[NO][O]-k-3[NO][H]
根据Hanson等人的研究，假设热力型NOx生成过程中氮原子的生成速率和消耗速率是相等是合理的。因此可以简化为：
Figure BDA0002515085660000121
对于NOx生成，考虑炉内还原性气氛对NOx的还原作用，需要用户独立编写函数程序，根据实际反映将数据结果作用于NOx生成模型，通过UDF建立NOx与CO、H2、CHi的化学反应，提高NOx数值模拟的精度。
CO+NO→……
H2+NO→……
CHi+NO→……
步骤(4)：根据模拟后的结果确定锅炉内的气流场、温度场、烟气成分分布以及NOx排放量，从而得到该燃气锅炉相应负荷的热效率；
步骤(5)：对网格划分后进行数值模拟时，需要得到不同负荷下的燃气量、燃气成分、配风方式等参数，作为数值模拟参数输入，进行数值模拟计算。需要获取相应的设计参数和工况条件；
步骤(6)：对燃气锅炉气流路径沿程安装温度测定以及排烟处烟气组分测点。通过试验测定多个不同低负荷不同工况下锅炉热态数据，其中包括炉内温度分布，组分分布，计算锅炉热效率及环保性能，计算不同低负荷下锅炉热效率，此处，锅炉效率计算标准方法依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》进行计算；
步骤(7)：将数值模拟仿真计算结果与试验数据进行对比验证，其中包括，沿程温度比对，排烟温度及组分核查，确定仿真计算误差。对仿真模型包括湍流模型，辐射模型等进行修正，得到合适的仿真模型；当数值模拟仿真计算得到的锅炉效率与现场试验计算得到的锅炉效率的误差<2％时，无需对初始模拟模型进行修正；当数值模拟仿真计算得到的锅炉效率与现场试验计算得到的锅炉效率的误差＞2％时，需要修正初始模拟模型，包括核查锅炉的燃烧方式、配风方式、边界条件输入以及对湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型、NOx生成模型的选取、修正等，修正后的数值模拟模型计算得到的锅炉效率与现场试验得到的锅炉效率要<2％。
使数值模拟仿真计算得到的锅炉效率与现场试验计算得到的锅炉效率的误差<2％，得到修正模拟模型，利用修正模拟模型对燃气锅炉进行效率预测。
步骤(8)：通过数值计算预测该燃气锅炉额定负荷下的燃烧及换热特性，得到额定负荷燃烧时的排烟温度及组分分布，计算得到燃气锅炉额定负荷下的热效率，并对工业锅炉运行工况调整提供建议。
步骤(9)：对同一类型燃气锅炉，通过建立相应的网格结构，通过合适的模拟模型，对相应的额定负荷下的燃烧过程进行模拟，得到相应的排烟温度及排烟组分，从而得到该燃气锅炉额定负荷下的热效率。
以下结合WNS2-1.25-Q型燃气锅炉在70％负荷下，对本发明的一种燃气锅炉热效率的预测方法做详细描述：
构建几何模型，根据该WNS2-1.25-Q型燃气锅炉的实际结构构建几何模型，燃气通过燃烧器喷口和空气喷入炉膛内进行燃烧，释放出热量，烟气流进燃尽室后进入二回程、三回程烟道，后经过节能器进行换热后排入大气中。由于该燃气锅炉中回程烟道管束较多且结构复杂，考虑分块建模并计算。其中构建几何模型区域包括燃烧区域、回程烟道换热和节能器换热区域，参考图2、图3。图2给出了燃烧器及回程烟道结构示意图，图3给出了节能器结构示意图。
对几何模型进行网格划分，对燃气锅炉的主燃区，包括燃烧器、波纹炉胆，回程烟道，节能器等进行网格划分。图4给出了燃烧器及炉膛的网格划分情况。
通过基本守恒方程、湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型和NOx生成模型对网格划分后的燃气锅炉整体燃烧过程进行70％负荷下数值模拟计算。
更进一步地，湍流流动模型采用标准k-ε模型；气相湍流燃烧模型采用混合分数-概率密度函数模型(PDF)；辐射换热模型采用灰气体加权平均模型(WSGGM)来研究高温气体对水冷壁的辐射换热过程。
更进一步地，NOx生成模型中，NOx的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布之后，独立进行；采用UDF建立NOx与CHi和CO的化学反应，计算NOx生成模型。由于燃烧过程中氮氧化物NOx的生成对炉内温度和组成影响不大，NOx的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布之后，独立进行；同时为了考虑炉内燃烧生成的CHi，CO和H2等还原性气氛对NOx的还原作用，采用UDF建立NOx与CHi和CO的化学反应，提高NOx生成模拟的精度。图5给出了数值模拟过程中fluent中的条件设置。
在初始模拟模型中输入70％负荷下锅炉的燃气量、给风量、燃气温度以及给水侧温度，通过数值模拟，得到70％负荷下的燃烧及换热特性，图6给出了炉膛内的温度分布云图，图7给出了回程烟道的温度分布云图。通过分区进行计算，最终得到排烟温度为：78K，烟气成分为O2：3.11％，CO2:7.18％，CO：1.39％，H2O：15.8％，NO：0.0005％，NO：72.5195。
锅炉效率＝100-排烟热损失-气体不完全热损失-固体不完全热损失-散热损失，其中：排烟热损失＝q2＝(I0у-α*I0K)*100/Qxr，I0у为排烟热焓，I0K冷空气理论热焓，气体不完全燃烧热损失＝0.1(根据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》)，固体不完全热损失＝0(根据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》)
通过数值模拟计算得到排烟热损失为：q2＝(I0у-α*I0K)*100/Qxr＝(1144.6578-1.08*376.722)/28262*100＝2.610％
通过数值模拟得到，该燃气锅炉在70％负荷下的热效率＝100-2.61-0.1-0-1＝96.26
对燃气锅炉气流路径沿程安装温度测定以及排烟处烟气组分测点。通过试验测定70％负荷下锅炉热态数据，其中包括炉内温度分布，组分分布，计算锅炉热效率及环保性能，计算70％负荷下锅炉热效率。
将数值模拟仿真计算结果与实验数据进行对比验证，其中包括，沿程温度比对，排烟温度及组分核查，确定仿真计算误差。对仿真模型包括湍流模型，辐射模型等进行修正，得到合适的仿真模型；当数值模拟仿真计算得到的锅炉效率与现场试验计算得到的锅炉效率的误差<2％时，无需对初始模拟模型进行修正；当数值模拟仿真计算得到的锅炉效率与现场试验计算得到的锅炉效率的误差≥2％时，需要修正初始模拟模型，使数值模拟仿真计算得到的锅炉效率与现场试验计算得到的锅炉效率的误差<2％，得到修正模拟模型，利用修正模拟模型对燃气锅炉进行效率预测。
通过数值计算预测该燃气锅炉100％负荷下的燃烧及换热特性，得到100％负荷下燃烧时的排烟温度及组分分布，计算得到燃气锅炉额定负荷下的热效率，并对工业锅炉运行工况调整提供建议。
对同一类型燃气锅炉，通过上述方法建立相应的网格结构，选择相应的模拟模型，对相应的100％负荷下的燃烧过程进行模拟，得到相应的排烟温度及排烟组分，从而得到该燃气锅炉100％负荷下的热效率，为燃气锅炉的性能检测提供便利。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于，包括：
S1、现场数据采集试验，获取燃气锅炉多个不同负荷下的实时运行参数，根据参数分别计算得到多个不同低负荷下的燃气锅炉热效率η1；
S2、数值模拟仿真，对燃气锅炉进行多个不同低负荷下的数值模拟研究，建立初始模拟模型，在初始模拟模型中输入对应负荷下锅炉的燃气量、给风量、燃气温度以及给水侧温度，通过初始模拟模型得到不同负荷下锅炉的排烟温度、排烟组分，分别计算得到多个不同负荷下的燃气锅炉热效率η2；
S3、将S2中数值模拟仿真结果与S1中现场试验结果进行比较，对初始模拟模型进行修正，得到修正模拟模型；
S4、通过修正模拟模型，对相应的燃气锅炉额定负荷下运行进行数值模拟，得到额定负荷下的排烟温度及排烟组分，计算得到该燃气锅炉额定负荷运行下的热效率。
2.根据权利要求1所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
所述S2还包括：
S2.1、构建几何模型，根据燃气锅炉的实际结构构建几何模型，其中构建几何模型区域包括燃烧器、波纹炉胆、回程烟道和节能器至排烟出口段；
S2.2、对几何模型进行网格划分；
S2.3、通过基本守恒方程、湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型和NOx生成模型对网格划分后的燃气锅炉整体燃烧过程进行多个不同负荷下数值模拟计算。
3.根据权利要求2所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
所述S2.2中，对几何模型进行网格划分，其中对燃气锅炉的主燃区，包括燃烧器、波纹炉胆采用结构化网格和非结构化网格进行网格划分，对于回程烟道和节能器至排烟出口段采用非结构化网格进行网格划分。
4.根据权利要求3所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
所述S3中，对初始模拟模型进行修正，包括：
现场试验中的沿程温度、排烟温度和排烟组分与模拟仿真中的沿程温度、排烟温度和排烟组分的对比、核查；
核查锅炉的燃烧方式、配风方式、边界条件输入以及根据现场数据修正湍流流动模型、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型、NOx生成模型。
5.根据权利要求3所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
湍流流动模型采用Realizablek-ε模型；气相湍流燃烧模型采用混合分数-概率密度函数模型；辐射换热模型采用灰气体加权平均模型。
6.根据权利要求5所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
NOx生成模型中，NOx的求解是在数值模拟得到炉内流场、温度场和组分分布之后，独立进行；在NOx的求解过程中，需要独立编写函数程序，建立并计算NOx与CHi和CO的化学反应，计算NOx生成模型。
7.根据权利要求1所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
现场试验计算燃气锅炉的热效率中，锅炉效率计算标准方法依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》进行计算；
现场数据采集，包括在锅炉内沿锅炉气流路径安装温度传感器，建立温度测定点，在锅炉排烟处安装烟气分析仪，建立烟气组分测点；
现场所采集的锅炉实时运行参数包括：沿气流方向多测点温度、排烟温度、排烟氧量、排烟CO浓度、排烟CO2浓度，排烟氮氧化物浓度、排烟硫氧化物浓度。
8.根据权利要求7所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
在锅炉内沿锅炉气流路径温度测定中，每间隔一定距离选取一平面，在选取的平面的边缘处均布4个温度传感器，建立4个温度测点，取4个温度测点的平均值作为计算中的温度值；同时，在选取的平面中建立烟气组分测点，测得平面处烟气的具体成分。
9.根据权利要求1-8任一项所述的燃气锅炉热效率的预测方法，其特征在于：
当不同负荷下的所述η1与所述η2的误差<2％时，无需对初始模拟模型进行修正；当不同负荷下的所述η1与所述η2的误差≥2％时，需要修正初始模拟模型，使不同负荷下的所述η1与所述η2的误差<2％，得到修正模拟模型，利用修正模拟模型得到锅炉的排烟温度和排烟组分，并依据《GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程》计算锅炉的热效率。
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