引言锅炉的质量、能量和动量守恒定律等锅炉运行机理，结合锅炉系统和特性，运用商业化、动态化的模型模拟仿真工具，如APROS、Aspen Plus Dynamics与gPROMS等，可极大程度地简化锅炉系统研究过程。软件自带的各种可控模块的物性数据库和控制模块的信息库，除了对热力化工过程的物理化学特性进行更加准确的计算之外还可以直接在模型上设计控制系统，更加灵活和实用。Oko E[1]等研究gPROMS，建立一个由炉膛、汽包及换热器、汽轮机及给水回热系统的传统燃烧发电厂的模型，针对模型进行不同的扰动验证实验。实验证明，模型精确度较高，符合实际生产情况。Alobaid F[2]等通过运用Aspen Plus Dynamics动态仿真工具，建立一个由换热器、泵、汽轮机、汽包与阀门等全部配套设备的亚临界余热回收蒸汽发电系统模型，使用不同的负荷及热启动情况下，实际电厂的运行数据与仿真模型的模拟结果相对照，发现所有关键参数之间的绝对误差均不超过5%。Luo W[3]等以3 MW氧基燃料燃烧试验装置为原型，建立氧燃料燃烧过程模型，分别利用Aspen Plus和Aspen Plus Dynamics开发了锅炉系统仿真模型。Li G[4]等建立由高效燃烧室和第二级再生器组成的工业燃烧室式流化催化裂化再生器的详细稳态模型。本研究运用Aspen Plus软件对燃气蒸汽锅炉进行稳态及动态仿真，结合锅炉运行机理，对仿真模型进行验证分析，以期解决锅炉数据难以采集的问题。1燃气蒸汽锅炉简介本研究通过对佛山某食品加工厂在役1年的SZS4—1.25—Q型锅炉进行仿真，实际运行锅炉如图1所示。锅炉设计参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.F001图1某食品加工厂内锅炉及环境10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.T001表1锅炉设计参数参数数值参数数值额定蒸发量/(kg/h)4 000适用燃料天然气额定工作压力/MPa1.25设计燃气燃烧率/%90.76额定工作温度/℃193燃烧方式微正压燃烧给水温度/℃20调节方式全自动两段火式排烟温度/℃60外形尺寸/mm7 825×2 275×3 325相关检测部门提供的正常运行工况下，锅炉能效综合报告记录运行状况。锅炉正常运行工况下实际运行参数测试说明如下：（1）测量读数次数及间隔时间：读数共5次，每隔15 min一次，测试值取稳定运行的平均值；（2）锅炉系统状况：锅炉在实际运行工况下进行测试，在测试期间，热工况稳定；系统不存在跑、冒、滴、漏现象；（3）锅炉辅机状况：辅机运行正常；（4）锅炉使用燃料状况：使用燃料为天然气，测试期间使用同种燃料，与设计燃料一致；（5）燃料系统：运行正常。锅炉实际运行参数测试结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.T002表2锅炉参数测试结果参数名称数值参数名称数值锅炉出力/(kg/h)2 400.00排烟温度/℃76.70进口介质温度/℃44.30进口介质压力/MPa0.64出口介质温度/℃160.70出口介质压力/MPa0.57入炉冷空气/℃33.102Aspen Plus中各个部件模块的选择基于实际的工艺流程及装置可知，需建立的仿真模块有炉膛、汽包、上升管、对流管束、冷却器共5个，各模块间通过阀门、泵等实现连接。锅炉整体结构图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.F002图2SZS4—1.25—Q型锅炉整体结构图上升管（SSG）吸收炉膛辐射热进行工质水的加热，为单物流换热，选用Hearter模块进行模拟[5]。烟气流向：炉膛内燃烧产生1 959.237 ℃的高温烟气，随后烟气通过对流管束与工质对流换热进行热交换，再以239.825 ℃的温度进入冷却器再次进行对流换热，利用烟气余热对给水进行预加热。换热器设计模块HeatX可以用于模拟和计算两个物流之间的热交换问题，适用于并（逆）流式物流，因此用HeatX进行两物流换热问题的模拟。为简化模拟，将对流管束中水与烟气的对流换热归至烟管换热器（YG）中进行模拟。汽包内主要进行水和蒸汽的混合与分离，因此选择Flash2模块进行模拟。两相闪蒸器Flash2出口产品主要为一股气相、一股液相，可以广泛应用于各种模拟计算给定热力学变化条件下的汽—液平衡问题。锅炉运行过程中，燃烧器中所用天然气组分体积比为：CH4∶ C2H4∶C2H6∶ C3H8∶ H2∶ O2∶ N2∶ CO=0.968∶ 0.000 5∶0.008 8∶0.001 8∶0.001∶0.000 6∶0.018 6∶0.001；空气组分体积比为：O2∶ N2=0.22∶ 0.78。即燃烧器中通入的空气和天然气所含成分均为常规组分，因此采用RGibbs模块进行模拟分析。阀门和泵均采用压力改变器模块中对应的Valve和Pump模块。最终建立的燃气蒸汽锅炉系统稳态仿真模型如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.F003图3燃气蒸汽锅炉仿真模型AIR-空气；FULE-天然气；LT-炉膛；1~3-1-烟气；QA-燃烧反应热；QE-有效利用热；QL-热损失；YG-烟管换热器；LNQ-冷却器；A~VV1-水及水蒸气；GSB-给水泵；V1~V11-阀门；QB-汽包； SSG-上升管3参数设定及稳态模型建立对于建立的锅炉系统流程模型，主要输入参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.T003表3模型主要输入参数参数数值参数数值给水压力/MPa0.640理论空气量/(m3/m3)9.418给水温度/℃20.000过量空气系数1.080燃气供给量/(m3/h)300.001炉膛出口烟气温度/℃1 959.237供给空气温度/℃20.000冷却器出口烟气温度/℃76.653烟管换热器出口烟气温度/℃239.229对各个模块输入必要参数后运行[6]，上升管、烟管换热器、冷却器和汽包的工质流、烟气流的流量、温度和压力等输出结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.T004表4主要流股稳态模拟结果流股流入来自相态总流量/(kg/h)温度/℃压力/MPa气相分率液相分率1P2LT气相5 032.4161 959.2370.1031.0000.0002YGP2气相5 032.4161 959.2430.0931.0000.0003LNQYG气相5 032.416239.2290.0801.0000.0003-1LNQ气相5 032.41676.6530.0661.0000.000B1V1GSB液相2 516.20820.0471.0400.0001.000B2P1V1液相2 516.20820.0690.9400.0001.000C1V2LNQ液相2 516.20842.9620.9000.0001.000C2QBV2液相2 516.20842.9830.8000.0001.000D2SSGQB液相2 516.208164.5131.0800.0001.000W1YGSSG混合物2 516.208156.3710.8000.0570.943WV1QBYG混合物5 032.416162.5490.6900.1610.839VVV3QB气相2 516.208162.4040.6901.0000.000VV1V3气相2 516.208161.9190.5901.0000.0004稳态仿真结果对比分析针对实际运行中的SZS4—1.25—Q型燃气蒸汽锅炉进行仿真，将稳态仿真主要流股输出结果与测量的实际运行参数进行误差对比分析，主要误差如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.T005表5模拟结果误差分析参数出口蒸汽流量/t出口蒸汽压力/MPa出口蒸汽温度/℃冷却器出口工质温度/℃误差/%4.8423.6900.7592.972测试值2.4000.569160.70044.300模拟值2.5160.590161.91942.983最大误差出现在出口蒸汽流量处，为4.842%；最小误差为出口蒸汽温度的计算，仅为0.759%。总体误差小于5%，模拟结果与实际运行情况较符合，因此可对其进行动态模型建立。5ASPEN PLUS Dynamics动态模型建立Aspen过程模拟仿真软件中，Aspen Plus与Aspen Plus Dynamics（APD）分别用来进行稳态过程和动态过程的模拟仿真。在Aspen Plus中构造和建立的稳态模型是Aspen Plus Dynamics中动态模型运行的仿真基础[7]。在稳态模型全部计算正确，可正常运行时，将设备的动态特性参数添加后就可以导出一个相应的动态模型文件，运用ASPEN PLUS Dynamics进行动态模型参数设置，使得动态模型能正常运行。根据锅炉仿真系统运行情况，设置炉膛压力控制器（LT_P）/bar、进水流量控制器（A_F）/(kmol/hr)、燃气流量控制器（FULE_F）/(kmol/hr)、空气流量控制器（AIR_F）/(kmol/hr)、燃料与空气变化比例控制器（RATIO）、汽包压力控制器（QB_PC）/bar、汽包液位控制器（QB_L）/m这6个控制器对锅炉动态仿真系统进行调控。锅炉系统动态模型控制器设置如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.F004图4锅炉系统动态模型控制器设置6燃气蒸汽锅炉动态仿真实验验证由于锅炉实际运行数据难以采集，为了对锅炉系统的动态变化特性进行研究分析，多采取仿真计算的研究分析手段[8-12]，并与锅炉运行机理进行对比分析用以验证仿真模型的准确性。本文拟对仿真模型施加燃料流量干扰，并与其他研究的结果进行对比分析，以确定仿真的真实可靠性。根据以往研究[13-15]归纳总结出表征锅炉运行状态的特征变量主要有以下8个：汽包水位（QBL）、出口蒸汽压力（VP）、出口蒸汽温度（VT）、出口蒸汽流量与锅炉进水流量的差值（取绝对值）（D）、炉膛压力（LTP）、烟管换热器进口烟温（YGIT）、烟管换热器出口烟温（YGOT）和冷却器出口烟温（LNQOT）。因此在接下来的验证分析中将以这8个特征变量作为研究变量。参考党自力[12]对锅炉仿真模型所采取的验证手段，对所建立的动态模型施加减少10%燃料流量干扰进行证，8个特征变量的干扰变化曲线如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.011.F005图5减小燃料流量干扰下各特征变量变化趋势分析认为，燃料的减少使得释放的热量及各段烟温都随之降低，锅炉蒸发受热面吸收的热量减少，从而导致蒸发受热面产生的蒸汽流量减少。汽水混合物流入汽包后，汽包内水面下的蒸汽体积减小，导致汽包水位出现暂时下降的“虚假水位”现象[16]。邵毅[17]收集整理的某汽包水位异常波动曲线图中，汽包水位随蒸汽压力的变化而迅速反向变化后再同向变化，即产生了“虚假水位”。随着汽包出口蒸汽量的逐渐减少，在给水流量保持不变的情况下，汽包水位呈上升趋势，直至汽包出口蒸汽量达新的平衡点；与此同时，汽包内蒸汽体积的减少使汽包内压力降低，产生的饱和蒸汽温度也随之降低直至汽包出口蒸汽量达新的平衡点。而对于各段烟温及炉膛压力变化，陈鸿伟[18]指出，进入锅炉的燃气量减少时，会造成炉膛压力降低，但燃烧时会消耗更少的空气，这就会造成炉膛压力升高，结果是炉膛压力先降低，后升高。现象和原因对应，更进一步验证了模型的正确性。7结语（1）运用Aspen Plus软件进行燃气蒸汽锅炉系统的稳态仿真，在锅炉出力为2 516.208 kg/h的工况下，稳态模型中输出参数误差最大为出口蒸汽流量，误差为4.842%；误差最小为出口蒸汽温度，仅为0.759%。总体误差较小，模拟结果与实际运行情况较符合。（2）对于动态仿真，对模型加入10%燃料流量扰动进行仿真验证。结果表明，当燃料流量减少时，蒸发系统中汽包压力、蒸汽流量和蒸汽温度会逐渐降低至新的平衡点，而汽包液位出现短暂的下降后呈现上升趋势并逐渐趋于新的稳态，液位升高0.029 m；燃烧系统中的各段烟温均随燃料的减少而下降，降幅超10 ℃，炉膛压力则呈现先迅速降低后再升高至新稳态的特征，压力升高400 Pa。实验结果符合锅炉运行基本规律、过程机理，能够反映锅炉系统的动态响应趋势。