工業鍋爐是化工、紡織等工業企業中供應蒸汽的重要裝備，其設計工作涉及大量復雜的工程計算。其中，熱力計算是整個鍋爐方案設計工作的核心。上世紀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、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計工作，但這些軟件都存在一些技術不足：主要是采用Fortran、Basic等語言編寫的DOS程序，輸入大量的參數時容易出錯；軟件的適用范圍較為固定，當鍋爐的流程布置和級數發生變化時，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單步計算，當鍋爐結構發生較大變化時，需要設計人員自行設置迭代參數，這就對設計人員的計算機水平提出了較高要求。
    1997年，全球環境保護基金會(GEF)資助中國設立了“中國高效工業鍋爐項目”，為提高中國工業鍋爐設計水平，設立“鍋爐設計方法改進提高”作為其中一個子項目。該子項目在中國原有工業鍋爐設計計算方法的基礎上，通過消化、吸收國外先進的鍋爐設計計算方法，結合中國技術人員的專業實踐，于2003年編寫出版了《工業鍋爐設計計算標準方法》。目前，該標準已獲得廣大工業鍋爐制造企業的認可，正逐步應用到實際設計工作之中，但尚缺乏相應的熱力計算軟件。
    通用工業鍋爐熱力計算系統開發的最大技術難點在于如何保證系統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、部件結構的靈活性和多樣性；而可擴充性需求源于熱力計算系統能夠適應鍋爐技術的發展，以便對系統進行擴充和完善。本文提出了基于過程系統穩態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點和傳熱部件單元的統一建模方法，有效解決了系統的通用性和可擴充性需求。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，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、基于過程系統穩態模擬理論的物理模型及總體算法
    過程系統是由多個過程單元按特定的拓撲方案相互銜接組成的對物料、能量、信息進行變換、輸送、存儲的系統。在一個復雜的化工過程系統中，鍋爐只是其中一個進行能量變換和供應蒸汽的過程單元。但是如果把鍋爐看作一個整體，分析鍋爐內部結構和工作原理又能發現，鍋爐本身也是一個進行能量形式和載體變換的過程系統：鍋爐把燃料的化學能轉換為高溫煙氣載有的熱能，然后通過過熱器和省煤器等傳熱部件，把高溫煙氣的能量傳遞給溫度較低的工質（蒸汽、水和空氣），從而產生滿足用戶要求的蒸汽或熱水。
    根據過程系統的特點，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連接。因此，鍋爐系統可以理解為由“部件單元”和“流體節點”兩類對象組成的流體節點變換網絡。其中，“部件單元”不僅涵蓋了過熱器、省煤器和空氣預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點進行變換，變換的具體意義由部件的種類和結構參數等決定。在工業鍋爐中，一般僅有一路煙氣與一路工質（蒸汽、水和空氣等）進行換熱的部件單元，如過熱器、省煤器和空氣預熱器等。此時，部件單元對流體節點主要變換意義是把高溫側煙氣的熱量傳遞給低溫側的工質，從而使工質的溫度升高，其邏輯模型如圖2所示。因此，可用過程系統理論對工業鍋爐系統作如下描述：工業鍋爐的過程系統模型由流體節點和部件單元相互銜接而構成，部件單元實現對進出入流體節點的狀態、組分或分支數等的變換功能。部件單元構成了鍋爐過程系統的流程單元模塊。
    本系統為校核計算，即在鍋爐已經存在或主要結構尺寸已經確定的情況下，根據鍋爐蒸發量（熱功率）、蒸汽和給水參數及燃料參數等，確定鍋爐效率、燃料消耗量、各傳熱部件前后的煙氣和工質溫度、各傳熱部件煙氣和工質的流速等．從而校核鍋爐的可靠性和經濟性。
    工業鍋爐熱力計算系統的開發基于上述過程系統穩態模擬理論的通用物理模型。在對鍋爐過程系統模型認知的基礎上，鍋爐熱力計算求解的問題相應轉化為過程系統穩態模擬問題。從數學角度來看，過程系統穩態性能模擬的實質是求解由單元模塊方程、流程連接方程和邊界條件方程構成的非線性方程組。根據求解該方程組方法的不同，對應形成了序貫模塊法、聯立方程法和聯立模塊法3種常用的過程系統分析模擬方法。其中，序貫模塊法是一種發展較早、應用最廣的流程分析模擬方法。
    序貫模塊法的優點是邏輯簡單，對迭代初值的依賴性低，穩定性好，易于實現通用化，并且與工程師的直觀經驗一致，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展，速度問題已不再是關鍵性問題。因此，本熱力計算系統采用序貫模塊迭代算法進行開發。在系統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，一直到流程終點（空氣預熱器），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溫度作為已知參數，迭代計算得到該部件單元的出口煙溫和出口工質溫度，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溫度。因此，準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到設定要求。
2、動態可視化搭建的鍋爐流程模型
    許多成功的化工過程系統模擬軟件，如Asp-en采用了可視化動態搭建模型的方法，來解決系統建模的通用性問題。本系統采用了類似于Aspen等化工過程模擬軟件的設計思想，全Win-dows界面動態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”輸入拓撲結構的做法，能夠把流程交織的復雜網狀模型分解成無交織的網狀模型，降低用戶建模的難度）。
    為保證系統的通用性，鍋爐的結構即傳熱部件組的組成和流程由用戶在系統運行時動態構造。搭建鍋爐流程前，需要先選擇鍋爐的傳熱部件組。在系統內部，針對系統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，部件基類以虛函數的形式定義傳熱計算函數HeatTrans的接口，過熱器類中記錄該部件的結構尺寸參數，定義具體的傳熱計算函數HeatTrans。
    當用戶在人機界面土搭建鍋爐流程模型時，系統在程序內部動態搭建流體鏈。對于動態搭建鍋爐流程模型，系統設計的核心工作是流體類、流體節點類、部件類和部件節點類的定義和維護。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，執行功能運算（如通過溫度和壓強求焓值等）。流體節點類從流體類派生，在流體類的基礎上，記錄流體節點前后所經過的部件以及流經該流體節點的進出口流體、定義控制接口等。
    流體鏈根據流體流過的部件，以串聯的形式構成。在流體鏈中，一個受熱面可能出現多次，如過熱器同時出現在煙氣流程和蒸汽流程。為了保證數據的唯一性以及方便系統實現，煙氣鏈和工質鏈中部件類的數據均以指針形式出現，具體的部件參數集中在部件鏈中進行統一管理。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的接口。部件節點類從部件類派生，負責維護鍋爐中各部件的邏輯關系。在部件類的基礎上，部件節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，定義傳熱計算和生成計算書等函數接口。在對流體鏈進行受熱面熱力計算時，可以根據鏈中所指的部件，找到部件的幾何尺寸和部件進出口煙氣和工質的熱力狀態指針。
    在部件基類和流體類中，以虛函數形式統一聲明導出類對象同種服務（如傳熱計算函數）的公共接口，而在導出類中具體定義對象服務的個性化內容，從而實現了服務接口與服務內容的分離。采用虛函數定義公共接口，不僅可以簡化批量請求對象服務的代碼，更重要的是可以在不修改外部請求對象服務代碼的情況下，增加具有該服務的新的導出類，從而提高了系統的可擴充性。并且，通過流體類、流體節點類、部件類和部件節點類的定義和維護，鍋爐設計人員可以在系統的人機界面上，以動態構造煙氣流程和工質流程的方式設計鍋爐的邏輯模型，不必受到傳熱部件流程布置和級數的限制，從而解決系統建模的通用性問題。
3、系統實現及應用實例
    浙江大學化工機械研究所自1996年起從事通用鍋爐熱力計算系統的研發工作，該系統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。2004年以來，以該系統為基礎，采用C++語言開發了支持2003版《工業鍋爐設計計算標準方法》的通用工業鍋爐熱力計算軟件。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用，深受設計人員好評，提高了設計質量和設計效率。
    以一臺10t的層燃爐為例，采用通用工業鍋爐熱力計算系統進行產品設計的過程如下：
    a．用戶需要按照設計方案構造鍋爐的熱力計算模型——輸入總體參數、燃料參數、熱平衡參數、組成部件以及各部件的熱力計算參數，并描述各鍋爐部件之間的流程邏輯關系，進而系統能夠對用戶構造的熱力計算模型進行自動解算；
    b．用戶可以依據熱力計算的結果對設計方案進行評價，并決定是否需要對設計方案進行調整并再次進行熱力計算；
    c．用戶可以將熱力計算結果輸出到Excel表格形式的工程計算書。
    在同等條件下，該系統計算的方案數據與鍋爐廠家的手工計算書以及鍋爐實際運行中DCS系統測量的數據進行比較，爐膛出口煙氣溫度、各傳熱部件的煙氣速度和傳熱系數等重要參數非常接近，整個系統的誤差滿足工程設計的要求，得到設計人員的認可。表1是用兩種計算方法對10t層燃爐主要參數的計算結果對比。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
4、結束語
    采用基于過程系統穩態模擬理論的物理模型以及序貫模塊迭代的總體算法，通過定義和維護流體類、流體節點類、部件類和部件節點類來動態可視化搭建鍋爐模型，本文研究開發的通用工業鍋爐熱力計算系統的計算范圍不受鍋爐燃料類型、結構形式、流程布置和幾何參數等的限制，能支持不斷出現的新部件和新技術，滿足系統的可擴充性要求；熱力計算標準參考2003年版《工業鍋爐設計計算標準方法》，保證系統計算工業鍋爐的準確性。
    通用工業鍋爐熱力計算軟件的應用能夠使設計人員將精力集中于鍋爐結構設計和受熱面優化布置等創造性勞動之上，從而使設計的鍋爐趨于合理、可靠與經濟。該軟件同樣適用于化工、造紙和紡織等工業企業，企業能采用該系統分析燃料變化和負荷參數變化對鍋爐性能的影響。