论文总字数：27827字

摘 要

本文基于Modelica语言及Dymola仿真平台，建立了锅炉炉膛燃烧的一维温度和NO_x分布数学模型，实现了炉膛一维模型的仿真研究和变工况分析。

为实现锅炉给煤量和送风量的分层优化控制，首先需要建立锅炉炉膛燃烧过程的动态数学模型。研究将锅炉炉膛沿高度方向分区，为能够合理地反映燃烧的实际工况，将燃烧器区域内每层燃烧器划分为一个放热区段；最底层燃烧器以下至冷灰斗中部高度为一个区段；最顶层燃烧器以上至炉膛出口烟窗按情况划分为若干区段。每一区段均为真实壁面与假象壁面组成的封闭空间，研究分析了区段内部发生的燃烧与辐射传热过程，推导出炉膛分区段热力计算方法，建立了能够较为精确地描述炉内一维温度分布的数学模型。

NO_x是电站锅炉燃料燃烧产生的主要污染物之一。本文在已有的炉膛一维温度模型基础上进一步建立了NO_x分布数学模型，在不考虑快速型NO_x生成的前提下，其中燃料型NO_x生成与燃料特性、燃烧方式有较大关系，而受温度的影响较小，因此在考虑了燃料N转化率的基础上，对其的模拟主要是利用化学反应中N守恒的预测模型；热力型NO_x的生成主要受温度、氧浓度以及在炉膛内停留时间等因素的影响，其生成量由基于Zeldovich机理的改进模型决定。

本模型以某600 MW等级超临界压力煤粉锅炉炉膛为例进行了仿真研究，通过与热力计算所得结果相比照，较好的实现了沿炉膛高度燃烧产物温度的变化与NO_x分布的模拟与变工况分析。

关键词：炉膛分区，一维温度模型，NO_x模型，Modelica/Dymola，模拟仿真

ONE-DIMENSIONAL MODELING FOR FURNACE

BASED ON MODELICA

Abstract

Based on Modelica and Dymola, this thesis has set up a one-dimensional mathematical model of temperature and NO_x of boiler furnace combustion, and realized simulation study of one-dimensional furnace model and result analysis.

For realizing the hierarchical optimizing control of boiler coal and air, the first thing we need to do is to build dynamic mathematical model of combustion process in boiler furnace. The research created boiler furnace partition along height direction, in order to reflect the actual workers condition of burning reasonably, each layer of burners in burner region was divided into a radiated section, below the most bottom burner to central height of furnace hopper is divided as a section, above the top of the burner to the export of smoke chamber window is divided into multiple segments according to actual situation, each section for real wall surface and illusion wall surface composed a closed space. As the combustion and radiation heat transfer process were the research objects. A method for boiler thermal calculation of sections is derived and a more accurate one-dimensional lumped parameter model of heat transfer in the furnace was established.

NO_x is one of the main pollutants of power plant boiler fuel burning. Based on the existing furnace one-dimensional temperature model, a further NO_x distribution mathematical model is established. Without considering the formation of prompt NO_x, the formation of fuel NO_x have a great relationship with the fuel characteristics and combustion mode, and its effect by temperature is small, so considering the fuel N conversion rate, the prediction of fuel NO_x was mainly based on the conservation of N in the chemical reaction; Thermal NO_x generated mainly by temperature, oxygen concentration and residence time, the influence of such factors as its generation is determined by the improved model based on Zeldovich mechanism.

This model using a 600 MW pulverized coal boiler furnace as an example for the simulation research, through compared with thermodynamic calculation results, it has achieved a good simulation of temperature change and the distribution of NO_x of combustion products along the furnace height.

KEY WORDS: furnace partition, one-dimensional temperature model, model for NO_x, Modelica/Dymola, simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究现状 2

1.2.1 锅炉炉内燃烧过程的仿真模拟研究现状 2

1.2.2 电站锅炉NO_x生成控制与仿真研究现状 2

1.3 炉膛燃烧传热常用数学模型 2

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 锅炉炉膛分区段模型的建立 4

2.1 引言 4

2.2 分区段模型的计算目的与合理性 4

2.3 分区段模型的建立 4

2.4 分区段模型的计算方法 6

2.5 分区段模型的热力计算 7

2.5.1 最底层燃烧器区域（区段1）的热平衡方程 8

2.5.2 其他燃烧器区域（区段2~5）的热平衡方程 9

2.5.3 燃尽区域与炉膛出口区域的热平衡方程 9

2.5.4 冷灰斗区域（区段0）的热平衡方程 9

2.6 本章小结 10

第三章 NO_x生成机理与模型 11

3.1 引言 11

3.2 NO_x的危害 11

3.3 NO_x的生成机理与控制 11

3.3.1热力型NO_x的生成机理及控制 12

3.3.2燃料型NO_x的生成机理及控制 12

3.3.3快速型NO_x的生成机理 13

3.4 NO_x生成的区段模型 13

3.4.1燃料型NO_x的生成模型 13

3.4.2热力型NO_x的生成模型 14

3.4.3 区段内烟气停留时间 14

3.5 本章小结 15

第四章 Modelica/Dymola下炉膛分区段模型的建立 16

4.1 引言 16

4.2 关于Modelica语言 16

4.2.1 Modelica标准库 16

4.2.2 Modelica连接器 17

4.3 关于Dymola软件 17

4.4 Modelica/Dymola下的炉膛一维模型 17

4.4.1 温度模型 17

4.4.2 NO_x模型 19

4.5 本章小结 21

第五章 基于Modelica/Dymola的超临界煤粉锅炉建模及仿真 22

5.1 引言 22

5.2 研究对象简介 22

5.3 锅炉主要技术及结构参数简介 22

5.4 模型假设与建立 24

5.5 模型仿真 25

5.5.1 原始工况条件下的数值模拟 25

5.5.2 变工况条件下的数值模拟 27

5.6 本章小结 31

总 结 32

致 谢 34

参考文献（References） 35

第一章 绪 论

1.1 引言

在人类全力开发核电以及光伏发电的同时，火力发电在当下依然是我国最主要的发电方式。作为火力电站三大主机之一的锅炉，随着其等级参数的不断提高，相关的电厂系统也变得更加复杂，人员的安全和技术要求也越来越高。为避免决策失误，研究人员通常需要对改进的热力系统特性有清楚的认知和把握，从而达到安全控制的目的，但在真实系统上进行大量试验并不现实，也存在局限性，而基于数学模型的仿真系统具有良好的普遍性和灵活性，在直观反映热力系统动态特性的同时，还能为指导正确工作提供良好建议，具有重要意义。

电站锅炉作为现代火力发电厂的主要设备之一，是一种将燃料的化学能通过燃烧释放出热能进而转化为工质热能的能量转换设备，由于炉膛内同时存在着流动、混合、燃烧等传热、传质过程，其情况十分复杂，也就使得对实现炉内实际情况的数值模拟较为棘手。目前，对于电站锅炉的炉膛热力计算中多数采用的是零维模型，即假设锅炉内部的物质成分分布均匀，各点处于一致的热力状态下，即炉内各参数具有统一的数值而不随空间坐标变化而变化，这种方法计算相对简单，能得到比较准确的因果参数，但这是一种在缺少实测数据时高度简化实际情况的措施，无法真实地反映因燃烧引起的状态变化导致的参数改变，也就不能全面且精确地描述炉内的真实运行状况。而采用三维模型计算方法，通常都有很好的计算精度，能够实现炉膛详细温度分布的仿真，但是模型复杂，且折算所采用的系数取用不当时，就会引起相当大的误差，因此较少采用^[1]。

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