工業(yè)鍋爐是化工、紡織等工業(yè)企業(yè)中供應(yīng)蒸汽的重要裝備，其設(shè)計工作涉及大量復(fù)雜的工程計算。其中，熱力計算是整個鍋爐方案設(shè)計工作的核心。上世紀(jì)70年代以來，我國主要的鍋爐廠家通過各種途徑，或自行研制、或委托科研院所開發(fā)、或從國外引進了鍋爐熱力計算軟件，用以幫助工程人員完成設(shè)計工作，但這些軟件都存在一些技術(shù)不足：主要是采用Fortran、Basic等語言編寫的DOS程序，輸入大量的參數(shù)時容易出錯；軟件的適用范圍較為固定，當(dāng)鍋爐的流程布置和級數(shù)發(fā)生變化時，需要修改源代碼才能計算。此外，還有一部分基于Microsoft Excel的半自動計算軟件。這類軟件計算過程清晰，不足之處在于只能實現(xiàn)單步計算，當(dāng)鍋爐結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化時，需要設(shè)計人員自行設(shè)置迭代參數(shù)，這就對設(shè)計人員的計算機水平提出了較高要求。
    1997年，全球環(huán)境保護基金會(GEF)資助中國設(shè)立了“中國高效工業(yè)鍋爐項目”，為提高中國工業(yè)鍋爐設(shè)計水平，設(shè)立“鍋爐設(shè)計方法改進提高”作為其中一個子項目。該子項目在中國原有工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法的基礎(chǔ)上，通過消化、吸收國外先進的鍋爐設(shè)計計算方法，結(jié)合中國技術(shù)人員的專業(yè)實踐，于2003年編寫出版了《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)方法》。目前，該標(biāo)準(zhǔn)已獲得廣大工業(yè)鍋爐制造企業(yè)的認(rèn)可，正逐步應(yīng)用到實際設(shè)計工作之中，但尚缺乏相應(yīng)的熱力計算軟件。
    通用工業(yè)鍋爐熱力計算系統(tǒng)開發(fā)的最大技術(shù)難點在于如何保證系統(tǒng)的通用性和可擴充性。其中，通用性需求源于鍋爐的燃料、布置形式、流程邏輯、部件結(jié)構(gòu)的靈活性和多樣性；而可擴充性需求源于熱力計算系統(tǒng)能夠適應(yīng)鍋爐技術(shù)的發(fā)展，以便對系統(tǒng)進行擴充和完善。本文提出了基于過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬理論的鍋爐熱力計算物理模型，并分析了其總體求解算法，重點研究了基于流體節(jié)點和傳熱部件單元的統(tǒng)一建模方法，有效解決了系統(tǒng)的通用性和可擴充性需求。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、基于過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬理論的物理模型及總體算法
    過程系統(tǒng)是由多個過程單元按特定的拓?fù)浞桨赶嗷ャ暯咏M成的對物料、能量、信息進行變換、輸送、存儲的系統(tǒng)。在一個復(fù)雜的化工過程系統(tǒng)中，鍋爐只是其中一個進行能量變換和供應(yīng)蒸汽的過程單元。但是如果把鍋爐看作一個整體，分析鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理又能發(fā)現(xiàn)，鍋爐本身也是一個進行能量形式和載體變換的過程系統(tǒng)：鍋爐把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為高溫?zé)煔廨d有的熱能，然后通過過熱器和省煤器等傳熱部件，把高溫?zé)煔獾哪芰總鬟f給溫度較低的工質(zhì)（蒸汽、水和空氣），從而產(chǎn)生滿足用戶要求的蒸汽或熱水。
    根據(jù)過程系統(tǒng)的特點，可以把鍋爐本體的各個部件視為過程單元，過程單元之間通過煙氣、蒸汽、水和空氣等流體實現(xiàn)連接。因此，鍋爐系統(tǒng)可以理解為由“部件單元”和“流體節(jié)點”兩類對象組成的流體節(jié)點變換網(wǎng)絡(luò)。其中，“部件單元”不僅涵蓋了過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等一般換熱部件，也涵蓋了爐膛和減溫器等各種特殊功能部件；而“流體節(jié)點”則泛指流程中一定位置上的煙氣、蒸汽、水、空氣或其他流體。部件單元的功能可抽象為是對進出其的流體節(jié)點進行變換，變換的具體意義由部件的種類和結(jié)構(gòu)參數(shù)等決定。在工業(yè)鍋爐中，一般僅有一路煙氣與一路工質(zhì)（蒸汽、水和空氣等）進行換熱的部件單元，如過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等。此時，部件單元對流體節(jié)點主要變換意義是把高溫側(cè)煙氣的熱量傳遞給低溫側(cè)的工質(zhì)，從而使工質(zhì)的溫度升高，其邏輯模型如圖2所示。因此，可用過程系統(tǒng)理論對工業(yè)鍋爐系統(tǒng)作如下描述：工業(yè)鍋爐的過程系統(tǒng)模型由流體節(jié)點和部件單元相互銜接而構(gòu)成，部件單元實現(xiàn)對進出入流體節(jié)點的狀態(tài)、組分或分支數(shù)等的變換功能。部件單元構(gòu)成了鍋爐過程系統(tǒng)的流程單元模塊。
    本系統(tǒng)為校核計算，即在鍋爐已經(jīng)存在或主要結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定的情況下，根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量（熱功率）、蒸汽和給水參數(shù)及燃料參數(shù)等，確定鍋爐效率、燃料消耗量、各傳熱部件前后的煙氣和工質(zhì)溫度、各傳熱部件煙氣和工質(zhì)的流速等．從而校核鍋爐的可靠性和經(jīng)濟性。
    工業(yè)鍋爐熱力計算系統(tǒng)的開發(fā)基于上述過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬理論的通用物理模型。在對鍋爐過程系統(tǒng)模型認(rèn)知的基礎(chǔ)上，鍋爐熱力計算求解的問題相應(yīng)轉(zhuǎn)化為過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬問題。從數(shù)學(xué)角度來看，過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能模擬的實質(zhì)是求解由單元模塊方程、流程連接方程和邊界條件方程構(gòu)成的非線性方程組。根據(jù)求解該方程組方法的不同，對應(yīng)形成了序貫?zāi)�塊法、聯(lián)立方程法和聯(lián)立模塊法3種常用的過程系統(tǒng)分析模擬方法。其中，序貫?zāi)�塊法是一種發(fā)展較早、應(yīng)用最廣的流程分析模擬方法。
    序貫?zāi)�塊法的優(yōu)點是邏輯簡單，對迭代初值的依賴性低，穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)通用化，并且與工程師的直觀經(jīng)驗一致，便于理解和掌握。該算法存在求解效率不高的弱點，但由于近年來計算機硬件的快速發(fā)展，速度問題已不再是關(guān)鍵性問題。因此，本熱力計算系統(tǒng)采用序貫?zāi)�塊迭代算法進行開發(fā)。在系統(tǒng)中該算法的主要思想是：以物理模型中的部件單元為基本單元，按照煙氣流程、蒸汽流程、水流程和空氣流程的先后順序，通過部件單元的序貫迭代來求解系統(tǒng)模型。參照圖1的物理模型，以煙氣流程為例，從流程的起點（爐膛）出發(fā)，一直到流程終點（空氣預(yù)熱器），遍歷煙氣鏈的部件單元。對于每一個部件單元，以進口煙氣溫度和進口工質(zhì)溫度作為已知參數(shù)，迭代計算得到該部件單元的出口煙溫和出口工質(zhì)溫度，并作為煙氣鏈下一個部件單元的進口煙氣溫度和進口工質(zhì)溫度。因此，準(zhǔn)確性從煙氣鏈上游逐步傳遞到下游，使模型的計算求解誤差達(dá)到設(shè)定要求。
2、動態(tài)可視化搭建的鍋爐流程模型
    許多成功的化工過程系統(tǒng)模擬軟件，如Asp-en采用了可視化動態(tài)搭建模型的方法，來解決系統(tǒng)建模的通用性問題。本系統(tǒng)采用了類似于Aspen等化工過程模擬軟件的設(shè)計思想，全Win-dows界面動態(tài)可視化搭建鍋爐流程。用戶通過人機交互的方式，依次搭建煙氣、蒸汽、水和空氣等分流程（采用“分流程”輸入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的做法，能夠把流程交織的復(fù)雜網(wǎng)狀模型分解成無交織的網(wǎng)狀模型，降低用戶建模的難度）。
    為保證系統(tǒng)的通用性，鍋爐的結(jié)構(gòu)即傳熱部件組的組成和流程由用戶在系統(tǒng)運行時動態(tài)構(gòu)造。搭建鍋爐流程前，需要先選擇鍋爐的傳熱部件組。在系統(tǒng)內(nèi)部，針對系統(tǒng)支持的每一個傳熱部件，定義了一個具體的傳熱部件類。以過熱器類CHSuperHeater為例，過熱器類從部件基類CHPartBase派生，部件基類以虛函數(shù)的形式定義傳熱計算函數(shù)HeatTrans的接口，過熱器類中記錄該部件的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，定義具體的傳熱計算函數(shù)HeatTrans。
    當(dāng)用戶在人機界面土搭建鍋爐流程模型時，系統(tǒng)在程序內(nèi)部動態(tài)搭建流體鏈。對于動態(tài)搭建鍋爐流程模型，系統(tǒng)設(shè)計的核心工作是流體類、流體節(jié)點類、部件類和部件節(jié)點類的定義和維護。其中，流體類描述煙氣、蒸汽、水和空氣等流體的屬性和行為，記錄流體的溫度、壓強和流速等參數(shù)，執(zhí)行功能運算（如通過溫度和壓強求焓值等）。流體節(jié)點類從流體類派生，在流體類的基礎(chǔ)上，記錄流體節(jié)點前后所經(jīng)過的部件以及流經(jīng)該流體節(jié)點的進出口流體、定義控制接口等。
    流體鏈根據(jù)流體流過的部件，以串聯(lián)的形式構(gòu)成。在流體鏈中，一個受熱面可能出現(xiàn)多次，如過熱器同時出現(xiàn)在煙氣流程和蒸汽流程。為了保證數(shù)據(jù)的唯一性以及方便系統(tǒng)實現(xiàn)，煙氣鏈和工質(zhì)鏈中部件類的數(shù)據(jù)均以指針形式出現(xiàn)，具體的部件參數(shù)集中在部件鏈中進行統(tǒng)一管理。部件類記錄部件的類型，定義部件基類的指針與傳熱計算函數(shù)的接口。部件節(jié)點類從部件類派生，負(fù)責(zé)維護鍋爐中各部件的邏輯關(guān)系。在部件類的基礎(chǔ)上，部件節(jié)點類主要描述部件單元在流體鏈中的各種信息，記錄部件單元進出口煙氣和進出口工質(zhì)，定義傳熱計算和生成計算書等函數(shù)接口。在對流體鏈進行受熱面熱力計算時，可以根據(jù)鏈中所指的部件，找到部件的幾何尺寸和部件進出口煙氣和工質(zhì)的熱力狀態(tài)指針。
    在部件基類和流體類中，以虛函數(shù)形式統(tǒng)一聲明導(dǎo)出類對象同種服務(wù)（如傳熱計算函數(shù)）的公共接口，而在導(dǎo)出類中具體定義對象服務(wù)的個性化內(nèi)容，從而實現(xiàn)了服務(wù)接口與服務(wù)內(nèi)容的分離。采用虛函數(shù)定義公共接口，不僅可以簡化批量請求對象服務(wù)的代碼，更重要的是可以在不修改外部請求對象服務(wù)代碼的情況下，增加具有該服務(wù)的新的導(dǎo)出類，從而提高了系統(tǒng)的可擴充性。并且，通過流體類、流體節(jié)點類、部件類和部件節(jié)點類的定義和維護，鍋爐設(shè)計人員可以在系統(tǒng)的人機界面上，以動態(tài)構(gòu)造煙氣流程和工質(zhì)流程的方式設(shè)計鍋爐的邏輯模型，不必受到傳熱部件流程布置和級數(shù)的限制，從而解決系統(tǒng)建模的通用性問題。
3、系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用實例
    浙江大學(xué)化工機械研究所自1996年起從事通用鍋爐熱力計算系統(tǒng)的研發(fā)工作，該系統(tǒng)的用戶有杭州鍋爐集團、無錫華光鍋爐股份有限公司及唐山信德鍋爐集團等企業(yè)。2004年以來，以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用C++語言開發(fā)了支持2003版《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)方法》的通用工業(yè)鍋爐熱力計算軟件。軟件在江蘇太湖鍋爐股份公司、無錫太湖鍋爐有限公司等一些廠家實際應(yīng)用，深受設(shè)計人員好評，提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。
    以一臺10t的層燃爐為例，采用通用工業(yè)鍋爐熱力計算系統(tǒng)進行產(chǎn)品設(shè)計的過程如下：
    a．用戶需要按照設(shè)計方案構(gòu)造鍋爐的熱力計算模型——輸入總體參數(shù)、燃料參數(shù)、熱平衡參數(shù)、組成部件以及各部件的熱力計算參數(shù)，并描述各鍋爐部件之間的流程邏輯關(guān)系，進而系統(tǒng)能夠?qū)τ脩魳?gòu)造的熱力計算模型進行自動解算；
    b．用戶可以依據(jù)熱力計算的結(jié)果對設(shè)計方案進行評價，并決定是否需要對設(shè)計方案進行調(diào)整并再次進行熱力計算；
    c．用戶可以將熱力計算結(jié)果輸出到Excel表格形式的工程計算書。
    在同等條件下，該系統(tǒng)計算的方案數(shù)據(jù)與鍋爐廠家的手工計算書以及鍋爐實際運行中DCS系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)進行比較，爐膛出口煙氣溫度、各傳熱部件的煙氣速度和傳熱系數(shù)等重要參數(shù)非常接近，整個系統(tǒng)的誤差滿足工程設(shè)計的要求，得到設(shè)計人員的認(rèn)可。表1是用兩種計算方法對10t層燃爐主要參數(shù)的計算結(jié)果對比。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
4、結(jié)束語
    采用基于過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬理論的物理模型以及序貫?zāi)�塊迭代的總體算法，通過定義和維護流體類、流體節(jié)點類、部件類和部件節(jié)點類來動態(tài)可視化搭建鍋爐模型，本文研究開發(fā)的通用工業(yè)鍋爐熱力計算系統(tǒng)的計算范圍不受鍋爐燃料類型、結(jié)構(gòu)形式、流程布置和幾何參數(shù)等的限制，能支持不斷出現(xiàn)的新部件和新技術(shù)，滿足系統(tǒng)的可擴充性要求；熱力計算標(biāo)準(zhǔn)參考2003年版《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)方法》，保證系統(tǒng)計算工業(yè)鍋爐的準(zhǔn)確性。
    通用工業(yè)鍋爐熱力計算軟件的應(yīng)用能夠使設(shè)計人員將精力集中于鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計和受熱面優(yōu)化布置等創(chuàng)造性勞動之上，從而使設(shè)計的鍋爐趨于合理、可靠與經(jīng)濟。該軟件同樣適用于化工、造紙和紡織等工業(yè)企業(yè)，企業(yè)能采用該系統(tǒng)分析燃料變化和負(fù)荷參數(shù)變化對鍋爐性能的影響。