本發(fā)明涉及電力技術領域，尤其涉及一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法及裝置。

背景技術：

富氧燃燒技術是一種最具有工程化應用前景的大規(guī)模CO₂捕集技術之一，受到了舉世矚目的關注。該技術是將純氧與主要成分為CO₂的再循環(huán)煙氣以一定比例混合(混合后的氣體稱為助燃氣或燃燒氣)后送入爐膛與燃料混合燃燒，一種典型的干煙氣循環(huán)方式的富氧燃燒鍋爐系統如圖1所示。由于富氧燃燒方式與空氣燃燒方式存在較大的不同，在發(fā)展富氧燃燒技術時，存在若干基礎科學問題有待研究，如富氧燃燒條件下燃料燃燒機理的研究、爐膛輻射傳熱問題研究、污染物(NOx等)生成和排放特性研究、熱力系統優(yōu)化研究等。爐膛輻射傳熱計算問題就是其中一個基礎研究課題。

富氧燃燒方式下幾乎杜絕了傳統空氣燃燒方式中的N₂，使燃燒產生煙氣中的CO₂濃度較高。富氧燃燒方式與空氣燃燒方式下燃燒產生煙氣的最大區(qū)別在于煙氣中CO₂和N₂的含量不同，富氧燃燒鍋爐中的煙氣以CO₂(一般高達80％以上)為主，空氣燃燒鍋爐中的煙氣以N₂為主。CO₂作為三原子氣體，它的輻射能力強于N₂的，這使得富氧燃燒方式下煙氣中三原子輻射氣體的濃度遠高于空氣燃燒方式下煙氣中的三原子輻射氣體濃度，進而使得兩種燃燒方式下爐膛中氣體輻射特性存在較大差異。對于燃煤鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體(CO₂和H₂O)和顆粒(焦炭和飛灰)；對于燃油燃氣鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體；當三原子氣體輻射特性發(fā)生改變時，導致了爐內輻射傳特性發(fā)生變化的技術問題。

技術實現要素：

本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法及裝置，解決了對于燃煤鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體(CO2和H2O)和顆粒(焦炭和飛灰)；對于燃油燃氣鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體；當三原子氣體輻射特性發(fā)生改變時，導致的爐內輻射傳特性發(fā)生變化的技術問題。

一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法，包括：

對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算；

將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數；

根據所述相關系數對所述預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬。

可選地，對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算具體包括：

對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算。

可選地，將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數具體包括：

將預置WSGG模型計算的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果與所述參考模型的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果的誤差最小值作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數。

可選地，擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數具體包括：

采用一溫度T_ref對擬合范圍內的氣體溫度進行歸一化處理得到第一公式；

所述第一公式為：

可選地，誤差最小值為通過第二公式計算得到；

所述第二公式為：

本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算裝置，包括：

第一計算單元，用于對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算；

第二計算單元，用于將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數；

模擬單元，用于根據所述相關系數對所述預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬。

可選地，第一計算單元，具體用于對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算。

可選地，第二計算單元，具體將預置WSGG模型計算的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果與所述參考模型的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果的誤差最小值作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數。

從以上技術方案可以看出，本發(fā)明實施例具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法及裝置，其中，富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法，包括：對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算；將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到預置WSGG模型的相關系數；根據相關系數對預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬。本實施例中，通過對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算；將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到預置WSGG模型的相關系數；根據相關系數對預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬，解決了對于燃煤鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體(CO2和H2O)和顆粒(焦炭和飛灰)；對于燃油燃氣鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體；當三原子氣體輻射特性發(fā)生改變時，導致的爐內輻射傳特性發(fā)生變化的技術問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為富氧燃燒鍋爐結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法的一個實施例的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算裝置的一個實施例的結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法及裝置，解決了對于燃煤鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體(CO2和H2O)和顆粒(焦炭和飛灰)；對于燃油燃氣鍋爐而言，爐膛中的主要輻射傳熱介質為三原子氣體；當三原子氣體輻射特性發(fā)生改變時，導致的爐內輻射傳特性發(fā)生變化的技術問題。

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而非全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖2，本發(fā)明實施例提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算方法的一個實施例包括：

201、對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算；

根據前人在WSGG模型修正方面的研究情況來看，修正WSGG模型使其適用于富氧燃燒工況的最終目的為：修正WSGG模型中的相關系數(k_i和b_ε,i,j等)。

對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算。

具體地，對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算。

202、將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數；

對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算之后，將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數。

具體地，將預置WSGG模型計算的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果與所述參考模型的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果的誤差最小值作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數。

203、根據所述相關系數對所述預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬。

將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數之后，根據所述相關系數對所述預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬。

下面以一具體應用場景進行描述，應用例包括：

目前CFD軟件中燃燒模型中的WSGG子模型只適用于空氣燃燒工況，該模型適用范圍：壁面和混合物中的粒子都是灰體，且不考慮散射，并且對于含有CO2和H2O的混合氣體來說，它的計算精度只能保持在的情況。對于富氧燃燒工況而言，燃燒產生煙氣中可高達90％以上，使得WSGG模型的計算誤差較大。為了使WSGG模型能計算富氧燃燒工況下的氣體輻射特性，許多學者對WSGG模型進行了研究。

(1)WSGG模型修正的研究進展

Yin首先將可以準確計算任何混合氣體發(fā)射率的寬帶模型(EWBM)作為參考模型，采用計算機語言實現了EWB模型的算法，并驗證了計算機程序計算結果的正確可靠性。接著，利用該程序計算不同溫度范圍、不同氣體行程、不同輻射氣體分壓力以及不同比值下的氣體總發(fā)射率，獲得了了空氣燃燒和富氧燃燒條件下煙氣發(fā)射率的數據庫。最后，基于這兩個工況下煙氣發(fā)射率數據庫，重新擬合WSGG模型的相關系數，得到了1個適用于空氣燃燒工況的新WSGG模型和1個適用于富氧燃燒工況的新WSGG模型。為了驗證這兩個重新定義的WSGG模型的正確性，作者分別采用這兩種WSGG模型對0.8MW富氧燃燒天然氣試驗爐和609MW假想富氧燃燒天然氣鍋爐進行模擬，為了排除顆粒輻射的影響，模擬時以天然氣為燃料。研究結果表明，對于0.8MW試驗鍋爐，由于其爐膛有效輻射層厚度較小，兩種模型的數值計算結果幾乎相同；而對于609MW鍋爐，由于其爐膛有效輻射層厚度較大時，兩種模型的數值計算結果相差甚大，氣體吸收系數甚至相差120％。這是因為在爐膛有效輻射層厚度較小時，兩種WSGG模型計算得到的氣體輻射特性相差不大；而當有效輻射層厚度較大時，兩種WSGG模型計算得到的氣體輻射特性相差較大，從而說明了重新定義一個適用于富氧燃燒工況下煙氣輻射特性計算的WSGG模型的重要性。這也從側面表明，通過數值模擬大容量富氧燃燒鍋爐可以發(fā)現在小型試驗富氧燃燒鍋爐試驗研究中不容易被發(fā)現的科學問題，進而體現了數值模擬在進行富氧燃燒鍋爐爐膛輻射傳熱計算研究方面的優(yōu)越性。

Tanin則選用了基于HITMEP 2010數據庫的LBL模型作為參考模型，對CFD中已有的WSGG模型進行修正，使其適用于富氧燃燒工況。Sebastian基于EWB模型對富氧燃燒工況下的WSGG模型進行了修正。Johansson則以SNB模型為參考模型對已有WSGG模型進行了修正，使其同時適用于空氣燃燒和富氧燃燒工況。對于天然氣鍋爐，Stefan等人研究了煙黑對爐膛輻射換熱的影響，目前尚不存在一種有效計算煙黑輻射的模型，因此他們假設將煙黑看成一種灰氣體，爐膛內煙氣總發(fā)射率等于煙氣中氣體發(fā)射率和煙黑發(fā)射率的加權值。研究結果表明，對于含有煙黑火焰的空氣燃燒和富氧燃燒鍋爐，在計算煙氣輻射時將煙黑輻射考慮在內是更加合理的。

(2)WSGG模型修正方法

根據前人在WSGG模型修正方面的研究情況來看，修正WSGG模型使其適用于富氧燃燒工況的最終目的為：修正WSGG模型中的相關系數(k_i和b_ε,i,j等)。

在如圖2所示的修正步驟流程中，為了簡化擬合過程的計算量并獲得更高的擬合精度，通常需要采用某一個合適的溫度T_ref(一般為1200K)來對擬合范圍內的氣體溫度進行歸一化處理，因此(3)式變?yōu)椋?/p>

WSGG模型中相關參數的擬合過程中，WSGG模型計算結果與參考模型計算結果最小的目標函數如下式：

(3)WSGG模型的UDF自定義函數

WSGG模型是采用CFD模擬爐膛輻射傳熱時的一個子模型，為了使CFD軟件能準確模擬富氧燃燒鍋爐爐膛中的氣體輻射傳熱過程，需將修正的新WSGG模型以UDF函數的形式加載到CFD軟件的Fluent求解器中。下面以修正得到的WSGG模型為例，編寫修正得到的新WSGG模型的UDF函數。

請參閱圖3，本發(fā)明實施例中提供的一種富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算裝置的一個實施例包括：

第一計算單元301，用于對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行第一預置值計算；

第二計算單元302，用于將預置WSGG模型計算的第二預置值的結果與所述第一預置值計算結果的誤差作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數；

模擬單元303，用于根據所述相關系數對所述預置WSGG模型進行修正并加載到CFD中進行富氧燃燒鍋爐輻射傳熱的數值模擬。

第一計算單元301，具體用于對選取的富氧燃燒鍋爐輻射傳熱計算參考模型進行多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算。

第二計算單元302，具體將預置WSGG模型計算的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果與所述參考模型的多個溫度范圍、多個氣體行程、多個輻射氣體分壓力及多個CO₂/H₂O比值下的氣體總發(fā)射率的計算結果的誤差最小值作為目標函數，并擬合得到所述預置WSGG模型的相關系數。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統，裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上?？梢愿鶕嶋H的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能單元的形式實現。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的全部或部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。