（控制理论与控制工程专业论文）基于modelicadymola的锅炉辅机系统建模与仿真.pdf

声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m o d e l i c a d y m o l a 的锅炉辅 机系统建模与仿真，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：塞圭垫 日期：型翌12 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：塞至丛导师签名： e l期：型2 垒型鱼 基金项目资助 本文得到：国家8 6 3 高技术基金项目“超超临界机组运行 状态监测与优化控制系统 ( 批准号：2 0 0 7 a a 0 4 2 1 6 3 ) ，国家自 然科学基金项目“锅炉一汽轮机单元大范围协调控制的负荷适 应性研究”( 批准号：6 0 7 0 4 0 3 0 ) 资助。 特此致谢! 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文在分析某1 0 0 0 m w 超超临界直流锅炉机组结构和特性的基础上，研究了基于 m o d e l i c a d y m o l a 平台的锅炉系统建模与仿真问题。对锅炉辅机三大系统的主要设备模 块运用机理建模得到合适的数学模型。以江苏泰州电厂1 0 0 0 m w 煤粉锅炉为例，基 于m o d e l i c a 语言编写了锅炉主要辅机设备数学模型的建模程序，并生成模型库。在 d y m o l a 平台上利用模型库中各设备的模型，搭建锅炉辅机仿真模型。根据电站实际 运行数据，应用上述d y m o l a 模块库建立了相应的仿真模型，并对锅炉系统的动静态 特性进行检验，在不同负荷下对仿真结果进行对比，验证了模型的有效性。 关键词：超超临界直流锅炉，m o d e l i e a d y m o l a ，建模与仿真 a b s t r a c t b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fal0 0 0 mwu l t r a s u p e r c r i t i c a lb o i l e r ，t h ep r o b l e mo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fb o i l e ra u x i l i a r ys y s t e m h a sb e e ns t u di e do nm o d e l i c a d y m o l ap l a t f o r m t h er i g h tm a t h e m a t i cm o d e l so fb o i l e r a u x i l i a r yt h r e es y s t e m a t i ce q u i p m e n tm o d u l e sa r eb u i l t ，a p p l i e dm e c h a n i s mt om o d e l i n g t a k e n10 0 0 m wc o a l f i r e db o i l e ro fj i a n g s ut a i z h o up o w e rp l a n tf o re x a m p l e b a s e do na nu l t r a - s u p e r c r i t i c a iu n i tl0 0 0 m wp o w e rp l a n t t h es i m u l a t i o nm o d eo ft h ep o w e rp l a n ti sc o m p i l e d w i t hm o d e l i c ai a n g u a g e a n dt h em o d e l l i b r a r yi sg e n e r a t e d m e a n w h i l e d y n a m i cn u m e r i c a l m o d e lf o re m u l a t i o ns t u d yo no n c e t h r o u g hb o i l e ri sb u i l ti nd y m o l ap l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h e a c t u a ip h y s i c a ls t r u c t u r eo fb o i l e rs y s t e m t h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c s ( i n c l u d i n gd y n a m i ca n d s t a t i c ) o ft h es i m u l a t i o nm o d e la n dt h eo p e r a t i o nd a t ao ft h er e a lp o w e rp l a n ta r ec o m p a r e d f i n a l l y a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lp l a n to p e r a t i n gd a t a ，a p p l y i n gt h ed y m o l ab l o c kl i b r a r y t h ec o r r e s p o n d i n gs i mu l a t i o nm o d e lsa r es e tu pa n dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb o i l e rs y s t e mc a nb et e s t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e da td i f f e r e n tl o a d s t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l q i nj u n b o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i z h e n k e yw o r d s - u l t r a - s u p e r c r i t i c a lb o i l e r ，m o d e l i c a d y m o l a , m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 华j 匕电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 1 目录l i 第一章绪论i 1 1 选题背景及意义l 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 电站仿真技术发展现状l 1 2 2 仿真工具m o d e l i c a d y m o l a 的研究3 1 3 论文的研究内容及主要工作。5 第二章1 0 0 0 m w 机组锅炉系统数学模型7 2 1 锅炉系统介绍7 2 1 1 锅炉主要技术参数7 2 1 2 制粉系统流程8 2 1 3 风烟系统流程9 2 1 4 汽水系统流释一l o 2 2 制粉系统数学模型一l l 2 2 1 给煤机数学模型11 2 2 2m p s 磨煤机数学模型1l 2 2 3 直吹式制粉系统产粉鬣动态数学模型1 3 2 2 4 粗粉分离器数学模型1 3 2 3 风烟系统数学模硝1 3 2 3 1 空预器数学模型一1 3 2 3 2 风机数学模型一18 2 4 汽水系统数学模型1 9 2 4 1 单相受热面数学模型1 9 2 4 2 蒸发区数学模型2 2 2 5 本章小结一2 4 第三章基于m o d e l i c a d y m o l a 的锅炉系统建模2 5 3 ，lm o d e l i c a 语言及d y m o l a 平台简介2 5 3 1 1m o d e l i c a 语言简介2 5 3 1 2m o d e l i c a 语言的语法结构2 6 3 1 3d y m o l a 仿真平台2 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 构建d y m o l a 中锅炉系统的模型库2 8 3 2 1 制粉系统建模2 8 3 2 2 风烟系统建模一3 l 3 2 3 汽水系统建模一3 4 3 3 本章小结。3 6 第四章锅炉系统仿真分析及模型评价3 7 4 1 不同负荷下系统静态仿真试验3 7 4 1 1 制粉系统静态试验3 8 4 1 2 风烟系统静态试验3 9 4 1 3 汽水系统静态仿真试验。4 0 4 2 各模型的动态仿真试验4 0 4 2 1 制粉系统动态仿真。4 0 4 2 2 风烟系统动态试验4 2 4 2 3 汽水系统动态仿真试验4 2 4 3 本章小结4 4 第五章结论与展望4 5 5 1 结 沧4 5 5 2 展望4 5 参考文献4 7 致谢5 l 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 i l l 另一方面要对不同规格机组的特性及存在问题有清楚的了解，在此基础上采取相应 的方法和策略优化运行过程。后者包含控制系统优化、设备启停优化、经济性分析、 性能检测、故障诊断等研究内容，它们的共同基础就是能够准确反映机组动、静态 特性的模型。 目前对火电机组模型的研究主要集中在建立主要设备精细数学模型，面向对象 的图形化建模，非线性及分布参数对象的处理，热力系统辨识和模型实时化几个方 面。国内外一些仿真公司( 如北京清华能源仿真公司、亚洲仿真公司等) 、各大电 站设备厂家( 如a b b 、同本三菱等) 以及高校和研究所( 如华北电力大学、西安热 工院等) 也都融合了当前的先进技术各自开发了一些电厂仿真系统。但大多用作培 训仿真机用，较少用于学术或工程分析。而且各个厂家往往采用不同的理念和建模 工具，缺乏统一的规范和标准，使得模型的通用性和易用性较差，难以满足不同目 标运行优化研究的应用需求l l 】。 综上所述，在开放的平台上建立模块化、可扩展、具有一定通用性、能够满足 多种应用需求、易于使用的发电机组模型，将为开展与提高机组运行水平有关的学 术与工程应用研究提供重要的支撑。 单元制火力发电机组主要由锅炉系统和汽轮机系统组成，它们各自包含了大量 的机械、流动和热力过程，从系统化研究的角度，机组的整体建模工作应分部分、 协同展开。为此，本论文专门针对锅炉侧的主要物理过程( 不含炉内燃烧过程) 进 行研究，主要解决多领域统一仿真平台的选择、生产过程的机理分析、模块化建模 与模型检验等方面的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电站仿真技术发展现状 目前火电机组建模的两个主要研究方向：一是侧重于实验数据分析的简化模 华北电力大学硕士学位论文 型，或者称为实验建模；一是侧重于机理分析的模块化模型，或者称为机理建模1 2 5 j 。 两者各有优缺点：实验模型能够反映机组的主要动态特性和非线性特性，具有简化 的形式，适合用于控制算法设计；机理模型能够比较全面地反映机组各种参数之间 的内在关系，适合于通过仿真研究机组各项输入输出之间的特性及控制算法性能评 估。另外，最近兴起的一个研究方向是采用神经网络，通过训练学习获得机组的黑 箱模型f 6 - 9 1 。 关于火电机组建模的研究，国外在机理建模方面，最早如r a yr 于1 9 7 6 年【l 、 y u t a k as u z u k i 于1 9 7 9 年建立了机组仿真模型【i u ；最近如f l y n n m 和m a l l e y m 于1 9 9 9 年建立汽包锅炉全仿真模型等等1 1 2 】。实验建模的主要研究者为a s t r s m 、b e l l 、m e l l o 等人 6 - 9 】。 国内在此方面也进行了相当广泛的研究。在机理建模方面：东南大学1 9 9 8 年 建立超临界直流锅炉模块化模型，解决了亚临界超临界及水冷壁出口干态湿态模 型的切换问题【1 2 。15 1 。华北电力大学仿真中心建立了3 0 0 m w 机组全仿真模型，另外 对其它类型机组的模块化模型进行了深入地研究【l6 1 。此外清华大学、重庆大学等高 校和研究所也在进行此方面研究【1 7 舯】。文献【2 0 】详细描述了一3 0 0 m w 亚临界汽包锅 炉的模块化模型，针对实际机组设计了模型中的参数并进行了仿真验证。在实验建 模方面：东南大学在8 0 年代通过扰动实验建立的单元机组负荷压力线性多变量模 型，在许多依赖模型的控制算法设计中，如模型预测控制、自适应控制的研究中得 到应用，相关的研究工作还在继续【2 卜2 5 1 。华北电力大学建立一5 0 0 m w 单元机组模 型，对m e l l o 模型进行了分析和验证【2 6 1 ，并根据此模型设计了基于t - s 模型的模糊 多模型控制器【2 7 。2 8 1 。哈尔滨工业大学在对协调控制系统的分析设计中，也一直沿用 火电机组的通用简化模型1 2 引。 从现有的资料看，目前在动态模型方面的研究工作存在两个急待解决的问题1 3 叫： 一是这些研究成果通常以数学模型的书面形式提供，使得模型不易于推广使用。因 为要想使用这些模型，首先要花费很大的精力弄清模型的建立机理、各系数的含义 及计算方法，模型的使用方法及适用范围等。另外，还要把这些模型转换为可以直 接进行研究或使用的软件形式。进行控制算法研究或控制系统改进时，研究人员往 往只关心模型的准确性、实时性及使用的简便性。二是在现有的热工系统动态模型 研究中，一般都把研究的重点放在局部设备或系统的精确模型上，而忽略了机组整 体模型的研究。要想建立一套火电机组整体模型，有必要对整个系统进行合理划分， 在建模之前便确定好各子模型的输入输出及连接关系。 随着电力生产的发展，1 0 0 0 m w 火电机组已成为电力系统的主力机组。在进行控制 系统改进或控制算法研究时，只能参考使用国外或低容量机组的模型，在很大程度上限 制了这些工作的进行。 华北电力大学硕士学位论文 由水蒸汽动力装置循环理论可知，提高循环蒸汽的初参数和降低循环的终参数 都可以提高循环的热效率。事实表明，提高蒸汽参数并与发展大容量机组相结合是 提高常规火电厂效率及降低单位容量造价最有效的途径。与同容量亚临界火电机组 的热效率相比，在理论上采用超临界参数可提高效率2 5 ，采用超超临界参数可 提高4 5 。 超超临界火电机组经过几十年的发展，已经是成熟先进的发电技术，在经济 发达国家中已大量投入商业运行，并且正进一步向更高参数方向发展。目前国外超 超临界一次再热机组热效率一般可达4 3 以上，二次再热机组的热效率达到4 5 以 上。超超临界火电机组的可靠性和运行灵活性也都达到了亚临界机组的水平。 尽管超超临界机组有很大的优势，但是由于人们对超超临界机组的认识以及在 实际运行上存在的许多问题，这也促成了超超临界机组仿真技术的发展。 目前，尽管对超超临界机组有了一定的认识和了解，但是由于超超临界压力下 蒸汽参数的特殊性和直流炉实际运行操作时的相对复杂性，为了实现机组的安全经 济运行，对运行人员进行培训是非常必要的。同时通过仿真还可以对超临界机组的 优化控制故障诊断等方面提供一个很好的试验手段。 与汽包锅炉相比，直流锅炉( 包括亚临界或超临界直流锅炉) 建模的特殊性主要 表现在两相区段上。国内在这方面的理论研究己赶上国际先进水平，最新的研究成 果主要有：基于l a g n a r g e 流体质点追踪思想的动态计算模型、适用于大扰动全工况 仿真的非线性集总参数移动边界的动态数学模型和非线性固定边界多段法计算模 型。然而尚没有采用前两种先进模型开发出实用性的全工况实时仿真培训系统。众 所周知，国内在直流锅炉，特别是超临界直流锅炉的设计与制造、运行与控制等方 面均落后于国际先进水平，因而迫切需要开发能用于定性和定量分析的全工况仿真 系纠3 1 1 。 1 2 2 仿真工具m o d e iic a d y m ola 的研究 大部分火电厂控制系统设计一般是基于m a t l a b 中s i m u l i n k 的传递函数。此设 计方法的缺陷是：对象传递函数只能固定或者几个函数之间进行切换。而事实是机 组对象传递函数往往随着负荷工况的变化而变化。再者，用s i m u l i n k 搭建的模型也 相当抽象，不直观。 计算机技术，特别是面向对象编程技术，图形化建模技术，图符转换和代数微 分方程求解技术的进步，带来了新的建模途径。m o d e l i c a 语言就是其一。m o d e l i c a 是一种仿真编程语言，它基于方程、对象和接口，具有统一标准规范，对来自不同 领域的系统构件采用统一方式进行描述，可实现不同领域模型之间的无缝集成，非 常适合多领域复杂物理系统的建模【3 2 1 。同时，m o d e l i c a 是一种基于方程的面向对象 华北电力大学硕士学位论文 的陈述式物理建模语言，这种语言支持模型库的扩充和模型的改进。它使用非因果 关系建模，所建立的模型基于数学方程和面向对象的结构，从而提高了模型的重用 性。 目前m o d e l i c a 的主要建模支撑环境是d y m o l a 软件。d y m o l a 是符合m o d e l i c a 语言规范的集图形建模、图符转换、数学求解、仿真运行、结果显示于一体的软件 平台。在d y m o l a 中已经包含了很多各个领域的m o d e l i c a 标准库包。另外在d y m o l a 下建立的模型还可以作为一个模块放到m a t l a b 中被使用，这对熟悉失业m a t l a b 的 人来说很方便【3 引。 综上所述，将m o d e l i c a 应用于火电厂建模，从而实现系统热力分析与控制系统 设计相结合，是个很好的选择。 m o d e l i c a 的设计思想抽象了不同应用领域中共同点，语言与应用领域无关。目 前大规模地应用于包括电力、电子、汽车、机械、热力、液压和化工领域。其核心 是对物理系统的抽象，可以说，凡是守恒定律起主导作用的系统，m o d e l i c a 都能很 好地发挥作用。随着m o d e l i c a 语言的发展和丌发工具的成熟，m o d e l i c a 的应用在各 个行业得到了大力推广，包括福特、本田、a b b 等众多国际公司都有着非常成功的 实例。众多科研团体和公司推出了针对具体应用的模型库，例如t h e r m o f l o w ( 热力) 、 t h e r m o p o w e r ( 热电) 、v e h i c l e d y n a m i c ( 汽车) ，几乎涉及各个行业【3 4 】。 将m o d e l i c a 应用于电厂建模与仿真，也有一些应用，不过仅限于小型机组主要 是联合循环锅炉。比如意大利一个联合循环机组【3 5 1 ，模型如图1 1 所示： 图1 - 1 ：意大利某联合循环机组模型 在电站仿真研究中，美国的e p r i 于1 9 7 8 年8 月立项，开始研制既适用于 核电站又适用于火电站的，既适用于电站仿真专业人员又适用于电站运行工程师 的，通用型的，真j 下模块化的瞬态过程分析软件m m s ( m o d u l a rm o d e l i n gs y s t e m ) ， 并于1 9 8 3 年推出第一版，作为商用软件。近十几年来，工程分析仿真技术的研究 4 j = 1 5 l i 图1 - 2 ：单轴燃气涡轮系统布置图 在国内有人将m o d e l i c a 用于其他领域的建模与仿真。比如上图l 一2 所示的燃气 轮机【37 1 、航空发动机、电机【3 8 等。但是应用于火力发电机组特别是如今的百万机组 的建模的相关文献纪录则少之又少。 1 3 论文的研究内容及主要工作 本文以1 0 0 0 m w 机组锅炉系统为研究对象，在m o d e l i c a m e d i a 的t h e r m o p o w e r 库 的基础上，构建了锅炉辅机系统模型库，包括：汽水分离器模型、水冷壁模型，单 相换热器模型( 过热器、再热器模型) ，风机模型，空气预热器模型，磨煤机模型 及粗粉分离器模型等，并对它们进行了仿真检验。 论文主要工作体现在： ( 1 ) 查阅大量文献资料，在深刻理解1 0 0 0 m w 机组锅炉系统结构及特性的基 础上，对已有机炉设备的模型进行分析和研究，从整体模型的角度统一考虑，选择 合适的数学模型。 依据百万机组建模对象对锅炉辅机三大系统的各个模块建立数学模型。具体分 为锅炉汽水循环系统数学模型( 包括汽水分离器数学模型、水冷壁数学模型、下降 管数学模型) ，单相换热器数学模型( 过热器、再热器数学模型) ，风机数学模型， 空气预热器数学模型，磨煤机数学模型及粗粉分离器数学模型。 ( 2 ) 在研究分析1 0 0 0m w 超超临界压力直流锅炉各主要过程的数学模型的基 5 华北电力大学硕士学位论文 础上，采用模块化的建模技术，运用m o d e l i c a 面向对象程序语言就锅炉辅机系统各 个数学模型在d y m o l a 仿真平台上进行编程，同时结合d y m o l a 模型库组建各模块， 在d y m o l a 中建立1 0 0 0m w 超超临界直流锅炉的数学模型。 ( 3 ) 就制粉系统、风烟系统及汽水系统各部分模型在m o d e l i c a d y m o l a 平台上， 根据1 0 0 0 m w 机组仿真对象的实际物理结构通过接1 ：3f l a n g e 进行多级连接，得出锅 炉辅机三个系统模型框图。 ( 4 ) 在d y m o l a 环境下的仿真与结果分析。针对具体的1 0 0 0 m w 火电机组， 结合电站实际运行采样数据，根据各模块的输入量阶跃变化，应用上述d y m o l a 模 块库进行相应的仿真模型，对在不同负荷下的仿真实验结果进行对比，验证模型的 正确性。并在满负荷工况下，加入扰动对所建系统进行仿真研究。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章10 0 0 m w 机组锅炉辅机系统数学模型 2 1 锅炉系统介绍 与超临界机组相比，超超临界机组的热效率提高1 2 以上，一台机组一年可节 约6 0 0 0 吨优质煤，且具有显著的节能和减排效果【3 8 1 。 本文所用的超超临界锅炉仿真对象，由哈尔滨锅炉厂有限责任公司在日本三菱 重工业株式会社( m i t s u i b i s h ih e a v yi n d u s t r i e sc o l t d ) 技术支持下制造的超超临界 变压运行直流锅炉。 2 1 1 锅炉主要技术参数 锅炉的主要技术参数3 9 】如表2 1 所示。 表2 一l 锅炉主要参数 项目 b m c r b r l ( 夏季工况) b r l 过热蒸汽流量t h 2 9 5 32 8 6 42 7 3 3 过热蒸汽出口压力m p a 2 7 4 62 7 3 82 7 2 7 过热蒸汽出口温度6 0 56 0 56 0 5 再热蒸汽流量t h 2 4 4 62 3 6 62 2 7 4 再热器进口蒸汽压力m p a 6 1 45 9 45 7 0 再热器出口蒸汽压力m p a 5 9 45 7 55 5 1 再热器进口蒸汽温度 3 7 73 7 03 6 2 再热器出口蒸汽温度 6 0 36 0 36 0 3 省煤器进口给水温度2 9 8 2 9 6 2 9 3 炉膛几何特性主要指的是炉膛的宽度、深度、高度和几何形状，它们都与炉膛的主 要热力特性有关。炉膛几何特性是影响炉膛能否满足设计要求的重要因素之一。 锅炉炉膛的尺寸为3 2 0 8 4 1 5 6 7 0m m ，炉膛的容积为2 8 0 0 0 m 3 ，炉膛宽度3 2 0 8 4 m ，深度1 5 6 7 0 m ，炉膛的出口烟气温度为9 8 0 ，屏式过热器底部烟气温度为 1 2 9 0 。本工程锅炉炉膛总高度( 自水冷壁入口集箱到顶棚) 为6 6 4 0 0 m m ，宽为 3 2 0 8 4 m m ，深度为15 6 7 0 m m 。水冷壁分成上、下二部分，下部水冷壁包括冷灰斗，上、 下部水冷壁之间装设一圈中间混合集箱过渡，上、下部水冷壁均采用焊接膜式壁、内螺 纹管垂直上升式。 四角切圆燃烧锅炉在炉膛四角布置有单独的燃烧器风箱组件，将燃料和空气引入炉 膛的装置分别布置在垂直分隔的燃烧器组件隔仓之中，相应层的标高在每一角的燃烧器 风箱组件中都是一致的。燃料层和空气层间隔布置，每层均布置有一个风门挡板，用来 调整空气沿风箱高度的分配，改变二次风射流的速度来控制着火点。通过将燃料和空气 7 华北电力大学硕上学位论文 从炉膛的四角风箱引入，切向位于炉膛中心的一个假想切圆，燃料着火并在炉膛中形成 一个旋转的“火球”。本锅炉折焰角位于后墙，其深度为3 3 8 0 m m 。折焰角与水平的夹 角分别为5 5 。和3 0 。上排一次风中心到屏底距离为2 2 4 m 。 在炉膛的上方布置了分隔屏式和屏式过热器，在锅炉的水平烟道内依次布置了 末级过热器和高温再热器。尾部烟道采用平行通道设计，中间分隔墙将烟道分成前 后两个竖井，前竖井内布置了低温再热器和省煤器，后竖井内布置了低温过热器和 省煤器，尾部烟道的包覆墙和中间隔墙是蒸发器的一部分。 2 1 2 制粉系统流程 采用中速磨煤机的直吹式制粉系统结构简单、设备少、输粉管道短、阻力小， 从而使制粉过程电耗较低；同时，简单的结构也使系统产生爆燃的可能性随之减少。 因此，近年来，直吹式制粉系统在大容量机组中得到了广泛应用。 直吹式制粉系统可分为正压式和负压式两类，正压式又可分为冷一次风机直吹 式制粉系统和热一次风机直吹式制粉系统。而冷一次风机直吹式制粉系统要求一次 风机在常温下工作，经济性较好，从而到了更为广泛的应用。本文所研究的某 1 0 0 0 m w 超超临界机组亦采用了中速磨煤机冷一次风机直吹式制粉系统【4 。 制粉系统采用中速磨工f 压直吹式系统，每炉配6 台由沈阳机电装备工业集团销 售有限公司提供的型号为m p s 2 8 0 的辊一环式中速磨煤机和六台由上海发电设备成 套设计研究所提供的型号为c s 2 0 3 6 h p 的电子称重式给煤机，给煤机的转速控制采 用变频器控制。燃烧设计煤种时，在b m c r 工况下，5 台磨煤机运行，l 台备用。 图2 一l 正压直吹式制粉系统的原则性工作流程 卜原煤仓；2 一给煤机；3 一中速磨煤机：4 一分离器：5 一燃烧器；6 - 炉膛；7 一送风机：8 - 热一次风机；9 - 冷一次风机 j 下压直吹式制粉系统的原则性流程如图2 1 所示。原煤由原煤仓经输煤系统进 入给煤机，经给煤机调节煤量后送入磨煤机，原煤被研磨成细度初步合格的煤粉后 由一次风送入粗粉分离器，分离出的粗粉返回磨煤机重新磨制，细粉经磨煤机出口 管道被一次风吹往锅炉燃烧器。吹入磨煤机的一次风是由风烟系统经热一次风机送 出的热一次风道和冷一次风机送出的冷一次风混合而成。空预器入口风由送风机得 到。 经上炉膛的分隔屏过热器、屏式过热器、末级过热器、末级再热器和尾部转向室， 再进入前、后二个尾部烟道竖井。在前竖井中烟气流经低温再热器和前级省煤器， 另一部分烟气则流经低温过热器和后级省煤器。烟气流经分配挡板后通过连接烟道 和回转式空气预热器排往电除尘和引风机，再经过引风机升压后排到烟气脱硫系统 或烟囱。 图2 2 锅炉单侧风烟系统流程图 当锅炉装有炉外脱硝装置时，则流经省煤器出口烟气分配挡板的烟气由连接烟 道送往布置于回转式空气预热器上方的脱硝反应器后再送往回转式空气预热器。为 了在低负荷时保持脱硝装置一定的烟气温度，需从低温过热器中部引出一部分旁路 烟气送往脱硝装置前的入口烟道以提高进入脱硝装置前的烟温，此旁路烟道上装有 烟气调节挡板，以调节旁通烟气量。 从一次风机来的空气分成两路，一路经空预器的一次风仓加热成一次热风，另 一路是不经过加热的冷一次风，作为磨煤机的调温风。两路风经过各自的调节挡板 后混合成一定温度的一次风后，分别进入六台磨煤机，用来干燥煤粉并把煤粉从磨 煤机输送到燃烧器。 从送风机来的二次风经空预器的二次风仓加热成二次热风，二次热风经燃烧器 的各风门后进入炉膛，与煤粉一次风混合物进一步混合，在炉膛内燃烧。由于燃烧 所产生的烟气中含有硫等酸性成分，为了防止空预器冷端的腐蚀，在空预器出口和 送风机进口之间装有热风再循环风道，以提高进入空预器的空气温度，从而提高空 9 华北电力大学硕士学位论文 预器的冷端温度，避免空预器的堵塞和低温腐蚀。 2 1 4 汽水系统流程 锅炉的汽水流程以内置式汽水分离器为分界点，从水冷壁入口集箱到汽水分离 器为水冷壁系统，从分离器出口到过热器出口集箱为过热器系统【4 2 1 ，另有省煤器系 统、再热器系统和启动系统。 水冷壁系统与过热器系统的分界点为汽水分离器，自水冷壁下集箱的入口导管 开始到汽水分离器贮水箱出口导管为止均属于水冷壁系统，其流程见图2 3 【4 3 j ( 水 系统流程图) ，由省煤器出口的工质通过两根大直径供水管送到两只水冷壁进水汇 集装置，再用较多的分散供水管送到各水冷壁下集箱，再分别流经下炉膛前、后及 l 一给水泵，2 一省煤器，3 一水冷壁，4 一分离器，一顶棚及前后墙包覆管，6 烟井侧墙包覆管，7 - - t 氏温过热器，8 级喷水减温器，9 一分隔屏过热器：l o 一= 级喷水减温器，i l 一屏式过热器，1 2 一三级喷水减温器，1 3 一末级过热 器，l 卜汽机调门，1 5 高压缸，1 6 一高压旁通阀，1 7 一分离器排水阀，1 8 一低温再热器，1 9 一高温再热器，2 0 一中、 低压缸 图2 3 汽水系统流程图 两侧水冷壁，然后进入中间混合集箱进行混合以消除工质吸热偏差，然后进入上炉 膛前、后、两侧墙水冷壁，其中前墙水冷壁上集箱和二侧水冷壁上集箱出来的工质 引往顶棚管入口集箱经顶棚管进入布置于后竖井外的顶棚管出口集箱，至于进入上 炉膛后水冷壁的工质，先后流经折焰角和水平烟道斜面坡进入后水冷壁出口集箱， 再通过两汇集装置分别送往后水冷壁吊挂管和水平烟道两侧包墙管，由后水冷壁吊 挂管出口集箱和水平烟道两侧包墙出口集箱引出的工质也均送往顶棚管出口集箱， 由顶棚管出口集箱引出两根大直径连接管将工质送往两只后竖井工质汇集集箱，通 过连接管将大部分工质送往后竖井的前、后、两侧包墙管及中间分隔墙。所有包墙 管上集箱出来的工质全部用连接管引至后包墙管出口集箱，然后用连接管引至布置 于锅炉后部的两只汽水分离器，由分离器顶部引出的蒸汽送往一级过热器进口集 箱，进入过热器系统。这里应说明两点：为了降低顶棚包墙系统阻力以及保证复杂 的后水冷壁回路的可靠性，采用了二次旁路。第一次旁路是后水冷壁的工质如上所 l o 华北电力大学硕士学位论文 述不经顶棚而流经折焰角、水平烟道斜坡、水平烟道两侧墙和后水吊挂管后再用连 接管送往顶棚出口集箱。第二次旁路则是由顶棚出口集箱引出的工质并非全部送往 后烟道包墙管，而是有一部份通过旁通管直接送往后包墙管出口集箱与后烟道包墙 系统工质汇合后全部引入一级过热器入口集箱，二次旁路管上装有电动闸阀，锅炉 在超临界区运行时应打开此旁路阀。 过热器采用四级布置，即低温过热器( 一级) 一分隔屏过热器( 二级) 一屏式 过热器( 三级) 一末级过热器( 四级) ；再热器为二级，即低温再热器( 一级) 一 末级再热器( 二级) 。其中低温再热器和低温过热器分别布置于尾部烟道的前、后 竖井中，均为逆流布置。在上炉膛、折焰角和水平烟道内分别布置了分隔屏过热器、 屏式过热器、末级过热器和末级再热器，由于烟温较高均采用顺流布置，所有过热 器、再热器和省煤器部件均采用顺列布置，以便于检修和密封，防止结渣和积灰。 2 2 制粉系统数学模型 制粉系统是强耦合的多变量、非线性系统，它涉及到一次风、煤粉两相流在制 粉系统设备和管道内的传输、流动过程；一次风、煤粉在磨煤机内的传热、干燥过 程以及磨煤机出力计算等。 2 2 1 给煤机数学模型 本文所研究制粉系统配备的给煤机是一种带有电子称量及调速装置的皮带式 给煤机，具有自动调节和控制功能，可根据锅炉燃烧的要求，将原煤精确地从煤斗 仓输送到磨煤机。 给煤机给煤量形胁计算 当煤种一定时，进入给煤机的煤量取决于给煤机中传动机构动作的速度或幅 度，可以用推煤杆的冲程来衡量，但在仿真建模过程中通常用给煤机电机的转速川 d r 来表示，粗略的认为两者之间是线性关系，即 w 胁= w 比n 胁 ( 2 - 1 ) 式中，形缸一皮带上煤的重量，t m ；册一皮带转速，m h 。 2 2 2m p s 磨煤机数学模型 m p s 磨煤机是为辗磨硬质烟煤而研制的，其研磨部件是三个凸形辊子和具有凹 形槽道的磨环，又称为辊环式磨煤机4 4 1 ，本文研究的制粉系统即采用了这种磨煤机。 ( 1 ) 磨煤机出力形。：计算 华北电力大学硕士学位论文 附形神丛铲 ( 2 - 2 ) 、m 瓦 式中，k 圩、k 置、k 肼、k _ 、k pk 、k m 一原煤可磨性、煤粉细度、原煤水分、原 煤灰分、原煤粒度、护甲和锟磨损及磨煤机内存煤量对磨煤机出力的影响系数；尺品 一粗粉分离器出1 3 煤粉细度；矿加一磨煤机基本出力，t l h 。 ( 2 ) 磨煤机功率心计算 胁p 搠耐) 。3 式中，p o 一磨煤机运行额定功率，根据m p s 磨煤机参数设定：七p 一磨煤机功率计 算修正系数，通常取为1 0 ；7 7 打一磨煤机传动装置的效率；刁删一电动机效率。 ( 3 ) 磨煤机内煤质量m 。，计算h 5 】 _ d m c o l ：w 。i w w 2 - i - w 印 ( 2 4 ) 式中，w 。一磨煤机入口原煤流量，t h ；矽聊一粗粉分离器回粉量。 ( 4 ) 最佳通风量q ，。叫计算 = p ，而3 8 v ( 1 。疬+ 3 6 r 品厮物 ( 2 - 5 ) 式中，p 。一干燥剂密度，k m 3 ；y 一磨煤机容积，m 3 ；刀一磨煤机简体转速，r m i n ； d 一简体直径，m ；尼聊一原煤b t h 可磨性指数；缈一辊装载系数。 ( 5 ) 磨煤机出1 3 风粉混合物温度t 2 计算 ( m k c k + m r c r + m j c i ) 百d t 2 = a ，一o 。 ( 2 - 6 ) 式中，聊女，m f ，m j 分别为磨煤机内空气、煤粉、有效金属的质量；c t ，c ，c ，分 别为相应的比热容；q ，一进入简体的热量；q 。一流出简体的热量。 ( 6 ) 磨煤机进出i = 1 压差尸。计算 a p 。= f 。( 1 + o 8 t 。) 日砌 ( 2 7 ) 式中，f 。一磨煤机及进出1 3 管段总的阻力系数；h 拥一磨煤机出i = i 气体动压：u m 一磨煤机出口气体煤粉浓度，w 们w 。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 直吹式制粉系统产粉量动态数学模型 d w b ：( w w 2 - v b ) 肜。 一= = 一p y d r v v c p l ( 2 - 8 ) 式中，形口一进入炉膛的煤粉量，k g h , v 筇一磨煤机出1 ：3 至燃烧器入1 ：3 容积，m 3 ； p l 一一次风密度k g m 3 ；形。一磨煤机内通风流量，k g h , 。 2 2 4 粗粉分离器数学模型 ( 1 ) 粗粉分离器回粉量形鲫 肜印= k 卸k 。( 1 一孝砌) 形c o f i ( 2 9 ) 式中，k 即一回粉系数；k 。一流速对回粉量的影响系数；孝咖一回粉管堵塞系数；w 刚 一粗粉分离器入口煤量，k g h 。 ( 2 ) 分离器出口煤量肜。，2 计算 形删2 = w 。，l 一肜鲫 ( 2 - 1 0 ) ( 3 ) 粗粉分离器煤粉物料平衡 形c 。，l r 9 0 ，i = 肜耐2 尺9 0 + 形聊尺9 0 ， ( 2 一ii ) 式中，r 9 0 j 、尺。、r 蛳分别为分离器进口、出口及回粉口的煤粉细度。 2 3 风烟系统数学模型 风烟系统主要由送风机、一次风机、引风机、容克式三分仓空气预热器、静 电除尘器、连接管道及阀门等设备和装置组成，其运行参数也就决定运行了风烟系 统的参数。风烟系统包括一次风系统、二次风系统和烟气系统。 一次风的作用是用来输送和干燥煤粉，并供给燃料燃烧所需的空气。二次风系 统的作用是供给燃料燃烧所需的氧气。烟气系统的作用是将燃料燃烧生成的烟气经 各受热面传热后连续并及时地排至大气，以维持锅炉正常运行。 2 3 1 空预器数学模型 本文以受热面回转式空气预热器为例，建立数学模型，至于风罩回转式空气预 热器可作类似的计算。为分析方便起见，本文将模型分三个区，分别为一次风区、 1 3 华北电力大学硕士学位论文 二次风区、烟气区，具体见下图2 4 所示。对各区分别建立质量平衡方程以确定其 出口流量：利用能量平衡确定其出口的温度和金属温度【4 1 1 。 建模时，在三个控制体内都采用集总参数法【4 6 1 。集总参数可以取为控制体的出 口参数，烟气区的集总参数为t m l 、t 9 2 ，一次风区的集总参数为t m 2 、t p a 2 ，二 次风区的集总参数为t i n 3 、t s a 2 。根据各区域烟风侧能量平衡及金属能量平衡可得 到空气预热器的计算公式。 图2 - 4 三扇区回转式空气预热器 2 3 1 1 一次风侧数学模型 质量守恒方程： 肜瑚2 = 形朋广矿枷一形忉 ( 2 1 2 ) 其中， 形秘：后加( p p p ，) ( 2 1 3 ) 形忉：豇加( p p p g ) ( 2 1 4 ) k 扣= f l 万p ( 2 一1 5 ) 式中，形彤l 、形彤2 分别为进出口风量，k g h ；形枷为一次风至烟气漏风量，肜忉 为一次风至二次风漏风量；k 驷为一次风漏风系数；万p 为密封扇形板与转子间隙， m m l f