一种锅炉仿真方法和锅炉仿真系统技术领域
本发明涉及热工控制及测量领域，具体地，涉及一种锅炉仿真方法和锅炉仿真系
统。
背景技术
随着电力工业的高速发展和不同控制风格的分散控制系统(DCS)在新型电站中的
应用，电力生产过程对运行人员和热工人员的技术要求越来越高。为了提高运行人员的操
作水平和热工人员的检修维护能力，目前已建大型电站和新建电站均积极建造各种以本厂
机组为对象的高仿真度的仿真培训装置，主要用于运行人员的操作和反事故培训以及热控
人员检修维护技能的培训和提高。根据仿真机中分散控制系统(DCS)设备和功能的复制方
式，可以分为全激励仿真方式、虚拟PCU(过程控制单元)仿真方式和模拟仿真方式三种，后
两种又称通用仿真方式。
现有仿真支撑软件采用图形化建模技术，模型工程师根据电厂流程，直接利用模
型库中的电厂设备算法建立各设备模块之间的连接关系，自动生成仿真模型，如此提高了
建模效率，便于用户维护。这类软件可实现模型存取管理(模型装入/退出、初始条件存取)、
模型运行管理(模型冻结/运行、抽点/回退、重演)、模型调试管理(在线调试、趋势)、故障设
定、成绩评定等功能。除此之外，该系统可支持多用户同时调试、运行在服务器上的同一模
型及不同模型，从而提高资源的利用效率。提高了模型调试效率，缩短软件开发周期。
但是，目前在进行仿真机的测试与调试过程中，各项指标都是依据当前环境以及
现场设备的运行情况进行而进行参数设置的，且参数在仿真机后期的运行过程中，一般是
保持不变的。如此其仿真结果往往不能真实地反映出锅炉的实际情况，降低了仿真结果的
可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种锅炉仿真方法和锅炉仿真系统，该锅炉仿真方法和锅炉
仿真系统能够较为真实的反映锅炉的实际情况，提高了仿真结果的可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供一种锅炉仿真方法，所述锅炉仿真方法包括：基于
锅炉中燃料燃烧时间来确定随锅炉中燃料燃烧时间而变化的参数；以及根据所确定的参数
仿真锅炉的热量传递和/或管道流量。
优选地，所述参数包括以下至少一者：结焦系数、积灰系数以及结垢系数。
优选地，仿真锅炉的热量传递包括水冷壁换热仿真，该水冷壁换热仿真包括：确定
当前水冷壁中的随燃料燃烧时间变化的所述结焦系数；以及根据所述结焦系数仿真水冷壁
换热。
优选地，所述水冷壁换热仿真还包括：在清除结焦的过程中，根据清除时间来确定
所述结焦系数。
优选地，仿真锅炉的热量传递包括单相介质换热仿真和/或空气预热器换热仿真，
所述单相介质换热仿真包括：确定当前单相介质中的随燃料燃烧时间变化的所述积灰系
数，以及根据所述积灰系数仿真单相介质换热，所述空气预热器换热仿真包括：确定当前空
气预热器中的随燃料燃烧时间变化的所述积灰系数，以及根据所述积灰系数仿真空气预热
器换热。
优选地，所述单相介质换热仿真和所述水冷壁换热仿真还包括：在清除积灰的过
程中，根据清除时间来确定所述积灰系数。
优选地，仿真管道流量包括：确定当前管道中的随燃料燃烧时间变化的所述结垢
系数；以及根据所述结垢系数仿真管道流量。
相应地，本发明还提供一种锅炉仿真系统，所述锅炉仿真系统包括：参数确定模
块，用于基于锅炉中燃料燃烧时间来确定随锅炉中燃料燃烧时间而变化的参数；以及处理
模块，用于根据所确定的参数仿真锅炉的热量传递和/或管道流量。
优选地，所述参数包括以下至少一者：结焦系数、积灰系数以及结垢系数。
优选地，仿真锅炉的热量传递包括水冷壁换热仿真，所述参数确定模块用于确定
当前水冷壁中的随燃料燃烧时间变化的所述结焦系数；以及所述处理模块用于根据所述结
焦系数仿真水冷壁换热。
优选地，所述参数确定模块还用于：在清除结焦的过程中，根据清除时间来确定所
述结焦系数。
优选地，仿真锅炉的热量传递包括单相介质换热仿真和/或空气预热器换热仿真，
所述参数确定模块用于确定当前单相介质和/或空气预热器中的随燃料燃烧时间变化的所
述积灰系数；以及所述处理模块用于根据所述积灰系数仿真单相介质换热和/或空气预热
器换热。
优选地，所述参数确定模块还用于：在清除积灰的过程中，根据清除时间来确定所
述积灰系数。
优选地，所述参数确定模块用于确定当前管道中的随燃料燃烧时间变化的所述结
垢系数；以及所述处理模块用于根据所述结垢系数仿真管道流量。
通过上述技术方案，基于锅炉中燃料燃烧时间来确定随锅炉中燃料燃烧时间而变
化的参数；并根据所确定的参数仿真锅炉的热量传递和/或管道流量。如此能够较为真实的
反映锅炉的实际情况，提高了仿真结果的可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具
体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是激励式仿真系统的结构框图；
图2是根据本发明一种实施方式提供的锅炉仿真方法的流程图；
图3是根据本发明一种实施方式提供的空气预热器仿真过程的流程图；以及
图4是根据本发明一种实施方式提供的锅炉仿真系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描
述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
目前，基于虚拟DCS的激励式仿真系统目标是建立全范围、全过程的仿真模型，具
有DCS仿真系统(含DCS工程师站仿真、DCS现场控制站仿真)。激励式仿真系统在结构上采用
将设备型和控制系统模型分开的体系结构，与真实系统完全一致。这种体系结构对设备模
型要求更加精确，对控制系统仿真可以做到与实际系统基本一致，因此，能够实现对控制系
统的分析、研究、测试的仿真要求。
火力发电机组仿真系统构成如图1所示，DCS激励式仿真系统包括教练员站、操作
员站、历史站、虚拟DPU和模型服务器。决定仿真系统性能优劣的3个关键部分为仿真支撑系
统软件、机组仿真模型软件及DCS仿真软件。
激励模式的DCS仿真部分具有与实际DCS一致的软、硬件系统，这种方式工作量小，
但需要与DCS一体化的仿真支撑平台。采用激励式DCS仿真模式，则操作员站仿真也可直接
采用真实DCS系统的操作员站画面，这样可节省复杂DCS操作员站仿真软件的开发.由于仿
真系统与DCS一体化，DCS的系统组态、控制组态和界面组态都是电厂实际DCS系统的拷贝，
故仿真完成后不需对该部分进行修改就能直接下载到实际DCS系统运行。
但是，如上所述，在现有技术中，各项指标都是依据当前环境以及现场设备的运行
情况进行而进行参数设置的，且参数在仿真机后期的运行过程中，一般是保持不变的，如此
无法真实的仿真锅炉的实际情况。本发明的发明人针对锅炉仿真提出了渐变模型，通过随
时间变化的参数的确定，真实体现了锅炉的实际情况。
图2是根据本发明一种实施方式提供的根据本发明一种实施方式提供的锅炉仿真
方法的流程图。如图2所示，本发明提供的锅炉仿真方法可以包括：在步骤21处，基于锅炉中
燃料燃烧时间来确定随锅炉中燃料燃烧时间而变化的参数；以及在步骤22处，根据所确定
的参数仿真锅炉的热量传递和/或管道流量。如此能够较为真实的反映锅炉的实际情况，提
高了仿真结果的可靠性。
渐变模型(例如，基于激励式仿真系统)的渐变性主要体现在锅炉传热换热面和管
道阻力上。主要影响锅炉燃烧的水冷壁的辐射换热系数和对流换热系数、水冷壁结焦速率、
相关换热面积灰系数和管道阻力系数的改变。
其中，所述参数包括以下至少一者：结焦系数、积灰系数以及结垢系数。
锅炉仿真系统的燃烧区算法根据各种空气量和燃料输入量及燃料成分来仿真燃
烧区的动态特性，可以包括如下几个部分：燃烧的能量平衡、燃烧的质量平衡和气体组分质
量平衡。同时如下几种燃烧反应被考虑在内:氢气燃烧生成水蒸汽、碳燃烧生成二氧化碳、
碳燃烧生成一氧化碳和一氧化碳燃烧生成二氧化碳。其中，燃烧的能量平衡是指送入的燃
料拥有的能量等于锅炉的有效输出能量加上各项能量损失；燃烧的质量平衡是指燃烧前
后，参与燃烧的物质质量保持平衡；气体组分质量平衡是指在燃烧过程，考虑参与燃烧的物
质比例及燃烧情况，燃烧后气体组成质量保持一定比例。
在燃烧过程中，产生的热量通过炉膛辐射换热算法实现为炉内传热计算模型，对
于炉内传热进行了分区计算，依据辐射传热精确模型中的辐射传热网络法，例如可以将炉
膛沿高度分为但不限于七个区域，充分反映了各种运行因素对炉内传热因素的影响，如各
排燃烧器燃烧状态的差异，局部结焦或漏风的影响，该算法仿真了各个区域传热工况，反映
出了各个区域的温度水平，计算出了水冷壁、屏式过热器的吸量。其中，辐射传热网络法(又
称热网络法、电网络法等)，使用电学中的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差
与热阻，用电路来比拟辐射热流的传递路径。其基本包括以下步骤：画等效电路图；列出各
节点的热流(电流)方程组；求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；计算每个平面的净辐
射热流量。
随着时间的积累，在水冷壁上会产生结焦现象，因而换热效果会逐渐变差，从而会
改变锅炉的特性。考虑到水冷壁中结焦对炉内传热的影响，本发明提供的锅炉仿真方法中
的仿真锅炉的热量传递可以包括水冷壁换热仿真，该水冷壁换热仿真可以包括：确定当前
水冷壁中的随燃料燃烧时间变化的所述结焦系数；以及根据所述结焦系数仿真水冷壁换
热。
水冷壁换热仿真
依据辐射传热网络法对各个区域建立能量平衡关系，具体过程可以如下。该实施
方式是以七个区域为例进行说明的，但是应该注意的是本发明并不限制于七个区域。
对于气体域：
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对于壁面域：
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Qnsj＝δAsj×(λ/δ)sj×(Tsj-Ta) (3)
Qcgj＝Qcsj＝δAsj×(α)sj×(Tgi-Tsi) (4)
ΔHgj＝Mgj"×Cpgj"×Tgj"-Mgj'×Cpgj'×Tgj' (5)
(j＝1,2,......7)
以上为非线性方程组，输入为各排燃烧器的燃料量等参数，输出为各个区域的温
度。
其中，各参数涵义如下：
Qnsj、Qnsi—壁面sj、si的净吸热量；
Qcgj、Qcgi—气体域sj、si与相邻壁面的对流换热量；
Qcsj、Qcsi—壁面sj、si与相邻气体域的对流换热量；
ΔHgj—通过气体域gj的烟气焓增；
Mgj'、Cpgj'、Tgj'—气体域gj入口烟气的质量流量、比热及温度；
Mgj"、Cpgj"、Tgj"—相应的出口值；
δAsj、δAsi—壁面域sj、si的表面积；
Tsj、Tsi、(λ/δ)sj—壁面域sj、si灰污层表面温度及壁面域sj灰污系数；
εsi、αsj—壁面域si黑度及壁面域sj对流换热系数；
Msj、Csj—壁面域灰污层质量及比热；
δVgj—气体域gj的体积；
Tgj、Qfgj、Qλgj—该气体域的温度、燃烧放热率及湍流导热项；
Kgj、Cpgj、Mgj—该气体域烟气辐射减弱系数，定压比热，烟气质量；
Ta—水冷壁内工质饱和温度；
Δτ—时间步长；
α—绝对黑体辐射常数；
σ—斯提芬-玻尔兹曼常数5.669×10-8；
方程中的sisj、sigj、gigj分别为壁面之间、壁面与气体域之间、气体域之间的直
接交换面积。
在水冷壁结焦严重的情况下，需要清除结焦，因此所述水冷壁换热仿真还包括：在
清除结焦的过程中，根据清除时间来确定所述结焦系数。
令![]()
结焦清除过程：
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结焦过程：
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其中：
S—结焦系数；
S1—上个周期计算的结焦系数；
S0—初始结焦系数；
Smax—最大结焦系数；
T1—清除结焦时间常数；
T2—结焦时间常数；
EN1—清除结焦功能使能端，当EN1＝1时，清除结焦过程发生；当EN1＝0时，清除结
焦停止；
EN2—结焦功能使能端，当EN2＝1时，结焦过程发生；当EN2＝0时，结焦过程停止。
过热器、再热器单项介质换热器算法
可以使用单相介质换热器算法来仿真单相介质换热器(例如过热器、再热器)的动
态传热和流动过程。对单相介质换热器的外部积灰和内部结垢以及管壁泄漏等过程也给予
仿真。在传热过程中，在过热器、再热器换热面上会产生积灰现象，随着时间的积累，换热效
果会逐渐变差，从而会改变锅炉的特性。因此可以设置换热系数实现随着时间积累变化而
变化。
本发明提供的仿真锅炉的热量传递还可以包括单相介质换热仿真，所述单相介质
换热仿真包括：确定当前单相介质中的随燃料燃烧时间变化的所述积灰系数，以及根据所
述积灰系数仿真单相介质换热。计算原理如下所述。
烟侧放热量：
Qg＝AFGAS×((Tg1+Tg2)/2-TM) (8)
工质吸热量：
QF＝AFFLU×(TM-(TF1+TF2)/2) (9)
烟侧换热系数为：
AFGAS＝C1+C2×Wgasi0.65(1-S)×Cgas×FHGAS (10)
工质侧换热系数：
AFFLU＝(C3+C4×WFLU10.8×(100-FFAC)/100)×CFLU×FHFLU (11)
其中：
Qg—烟侧放热量；
QF—工质吸热量；
AFGAS、AFFLU—烟气、工质的换热系数；
Tg1、Tg2—烟气热交换入口处、出口处烟气温度；
TM—过热器(或再热器)金属温度；
Tg1、Tg2—工质热交换入口处、出口处的工质温度；
Wgas1、Wgas2—烟气入口、出口流量；
WFLU1—工质流量；
Cgas、CFLU—低流量下对放热系数的修正；
FHGAS、FHFLU—低流量下对热系数的修正；
FFAC—积垢系数；
S—积灰系数；
C1、C2、C3、C4—传热系数1、传热系数2、传热系数3、传热系数4。
当积灰达到一定程度，需要进行吹灰进行清扫过程，因此，所述单相介质换热仿真
还包括：在清除积灰的过程中，根据清除时间来确定所述积灰系数。
当吹灰时：
![]()
当吹灰器不工作时：
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其中：
S1—上个周期计算的积灰系数
S0—积灰系数初始值；
Smax—最大积灰系数；
T1、T2—清灰及积灰时间常数；
Δτ—计算周期；
EN1—吹灰功能使能端，当EN1＝1时，吹灰过程发生；当EN1＝0时，吹灰停止；
EN2—积灰功能使能端，当EN2＝1时，积灰过程发生；当EN2＝1时，积灰过程停止。
空气预热器换热算法
在机组中，除了过热器、再热器和水冷壁三个主要换热面，空气预热器也是主要的
热交换设备。空气预热器算法仿真可以分为如下两部分：热交换模型和积灰模型。热交换模
型仿真烟气与转子金属、一次风、二次风间的热交换。热交换与转子速度成正比。同时考虑
一个减弱系数(其取决于积灰)。同时积灰对通风阻力的影响也被考虑在内。
因此，仿真锅炉的热量传递还可以包括空气预热器换热仿真，所述空气预热器换
热仿真包括：确定当前空气预热器中的随燃料燃烧时间变化的所述积灰系数，以及根据所
述积灰系数仿真空气预热器换热。
当积灰达到一定程度，需要进行吹灰进行清扫过程，因此，所述单相介质换热仿真
和所述水冷壁换热仿真还包括：在清除积灰的过程中，根据清除时间来确定所述积灰系数。
积灰模型如下：
如果处于吹灰过程，则
S＝S1+EN1×Δτ/(T1/60.0+Δτ)×(0.0-S1) (14)
否则
S＝S1+EN2×Δτ/(T2×24.0+Δτ)×(50-S1) (15)
热交换系数如下：
烟气/金属：
HG＝KH+KHG×(WG/ROG)×1.3 (16)
一次风/金属
HA1＝KH+KHP×(WPA/ROPA)×0.6 (17)
二次风/金属
HA2＝KH+KHS×(WSA/ROSA)×0.8 (18)
考虑积灰、转子速度对热交换系数的修正：
SN＝(1.0-S×0.01)×(0.8+0.2×N) (19)
HGT＝HG×SN (20)
HA1T＝HA1×SN (21)
HA2T＝HA2×SN (22)
其中：
HG一烟气和金属之间的热交换系数；
HA1一一次风和金属之间的热交换系数；
HA2一二次风和金属之间的热交换系数；
HGT一修正后烟气和金属之间的热交换系数；
HA1T一修正后一次风和金属之间的热交换系数；
HA2T一修正后二次风和金属之间的热交换系数；
WG一烟气出口流量；
KH一热交换系数(导热影响)；
KHG—对烟气的热交换系数；
ROG一烟气密度；
WPA一次风出口流量；
ROPA一一次风密度；
KHP—一次风的热交换系数；
WSA一二次风出口流量；
ROSA一二次风密度；
KHS—二次风的热交换系数；
N—空气预热器转子标准化速度(0～1)；
S—积灰系数(0～100)；
S1—上个周期计算的积灰系数；
T1—积灰系数减少的时间常数；
T2—积灰系数增加的时间常数；
EN1—吹灰使能端；
EN2—积灰使能端；
管道流量算法
锅炉的管道内流质的流速都与上游、下游压力以及管道的阻力系数有关，然而在
实际运行过程中，随着管道内的结垢因素会影响管道的阻力系数，从而使得影响上游和下
游压力。由于压力的相关性，从而对整个仿真系统的机组压力网的改变。
因此，仿真管道流量可以包括：确定当前管道中的随燃料燃烧时间变化的所述结
垢系数；以及根据所述结垢系数仿真管道流量。
管道结垢模型如下：
管道流量计算公式如下：
![]()
当结垢清除时
S＝S0 (24)
当开始结垢时
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其中：
W—管道流量；
P1—上游压力；
P2—下游压力；
COND—导纳；
T2—结垢系数增加的时间常数；
EN2—结垢使能端；
S—结垢系数
S1—上个周期计算的积灰系数
S0—结垢系数初始值；
Smax—最大结垢系数；
Δτ—计算周期。
根据以上内容，本发明提供的技术方案可以将积灰系数、结焦系数和结垢系数设
置为仿真机组的运行时间的积分函数，其变化快慢、影响程度和仿真机组初始运行状态由
教练员设置。其清除时间即可以由教练员设置，也可以有设备的运行状态清除，如吹灰器的
运行状态、管道清洗情况决定。当清除操作进行时，积灰系数、结焦系数和结垢系数的数值
逐渐减少直至为零，其代表一个洁净的热交换表面或通畅的管道。清除操作结束后，积灰系
数、结焦系数和管道结垢系数从零开始进行时间的积分。
如图3所示，对于空气预热器的一种实施方式中，可以按照以下步骤进行，在步骤
31处，设置空气预热器的积灰系数的初始值，以模拟某个特定工况的空气预热器运行状态；
在步骤32处，设置空气预热器积灰系数变化的快慢，并可以设置空气预热器积灰系数的时
间积分上限，即当空气预热器的积灰系数达到某一上限，则数值保持不变；在步骤33处，将
积灰系数与仿真系统的运行时间相关联，并且将积灰系数的大小与空气预热器换热系数和
阻力系数相关联；在步骤34处，将积灰系数与吹灰器运行状态相关量，当吹灰器投入运行
后，则积灰系数的数值逐渐减少直至为零，其代表一个洁净的热交换表面；在步骤35处，吹
灰器退出运行，否则积灰系数始终保持为零；在吹灰器退出运行后，转至步骤33处。如此可
以实现对空气预热器积灰现象的渐变过程的一个模拟。
如图4所示，本发明还提供一种锅炉仿真系统，所述锅炉仿真系统可以包括：参数
确定模块41，用于基于锅炉中燃料燃烧时间来确定随锅炉中燃料燃烧时间而变化的参数；
以及处理模块42，用于根据所确定的参数仿真锅炉的热量传递和/或管道流量。如此能够较
为真实的反映锅炉的实际情况，提高了仿真结果的可靠性。
其中，所述参数包括以下至少一者：结焦系数、积灰系数以及结垢系数。
随着时间的积累，在水冷壁上会产生结焦现象，因而换热效果会逐渐变差，从而会
改变锅炉的特性。考虑到水冷壁中结焦对炉内传热的影响，仿真锅炉的热量传递可以包括
水冷壁换热仿真，所述参数确定模块用于确定当前水冷壁中的随燃料燃烧时间变化的所述
结焦系数；以及所述处理模块用于根据所述结焦系数仿真水冷壁换热。
在水冷壁结焦严重的情况下，需要清除结焦，因此所述参数确定模块还用于：在清
除结焦的过程中，根据清除时间来确定所述结焦系数。
在传热过程中，在单项介质换热器(例如过热器、再热器)及空气预热器换热面上
会产生积灰现象，随着时间的积累，换热效果会逐渐变差，从而会改变锅炉的特性。因此仿
真锅炉的热量传递可以包括单相介质换热仿真和/或空气预热器换热仿真，所述参数确定
模块用于确定当前单相介质和/或空气预热器中的随燃料燃烧时间变化的所述积灰系数；
以及所述处理模块用于根据所述积灰系数仿真单相介质换热和/或空气预热器换热。
当积灰达到一定程度，需要进行吹灰进行清扫过程，因此所述参数确定模块还用
于：在清除积灰的过程中，根据清除时间来确定所述积灰系数。
在实际运行过程中，随着管道内的结垢因素会影响管道的阻力系数，从而使得影
响上游和下游压力。由于压力的相关性，从而对整个仿真系统的机组压力网的改变。因此，
所述参数确定模块用于确定当前管道中的随燃料燃烧时间变化的所述结垢系数；以及所述
处理模块用于根据所述结垢系数仿真管道流量。
有关锅炉仿真系统的具体细节及益处与上述针对锅炉仿真方法的细节及益处相
同，于此不再赘述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实
施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简
单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛
盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可
能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本
发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。