基于固定边界方法的超临界直流锅炉蒸发器仿真模型

基于固定边界方法的超临界直流锅炉蒸发器仿真模型

上海外高桥能源二期工程的锅炉采用alstic公司提供的900mw大型绕射塔式锅炉。其固定参数：加热蒸汽的输出压力为27.6ma，温度为570c，固定蒸汽流量为725kg。制粉系统由6台辊式中速磨煤机组成。作为国内单机容量最大的超临界直流锅炉,其仿真培训装置的研制又在机组投产之前,因此,如何开发出既符合实际机组特性,又能满足机组培训要求的仿真系统是值得研究的。超临界直流锅炉仿真问题的关键是蒸发器部分的仿真模型研究,在目前的研究中,一般采用最大比热点或临界比容点作为超临界压力下锅炉蒸发受热面内热水段与蒸汽段的分界。就整个蒸发受热面而言,按照热水段、过渡段、蒸汽段建立三段式的数学模型,而且对于超临界与亚临界状态分别进行处理,这样以来存在蒸发区由亚临界到超临界的模型切换问题。文献采用线性化分布参数建模对某超临界直流锅炉100%负荷附近的动态特性的研究,但不能应用于大扰动的情况;文献给出了一种非线性集总参数移动边界的数学模型,并且给出了几种工况下的仿真结果。但是,该研究并不是在全工况的实时仿真环境中进行的,而外高桥电厂的仿真机则是一台采用清华能源仿真公司最新推出的虚拟DPU方式的翻译型(TRANSLATOR)实时仿真培训系统,因此,对数学模型提出了更高的要求。本文通过分析,结合前人的成果与实际机组的具体特点,采用非线性固定边界方法,建立了一套整体式的仿真模型,避免了模型之间的切换,既符合实际机组的特性,又保证了仿真的实时性,成功地解决了900MW超临界直流锅炉蒸发器的全工况仿真问题。1温系统模型仿真模型作为直流蒸发器的水冷壁管自炉膛底部盘旋上升,每根管道的长度数百米,因此,在建立模型之前首先作出如下简化假定:(1)每根水冷壁管子横截面上的流体特性均匀;(2)通过每根水冷壁管子的流量相同;(3)烟气侧工况变化瞬时完成,且烟气对水冷壁的放热为强制热流;在每一分段内,辐射热流平均分布;(4)每一段中的工质流动阻力集中于分段入口,分段内的压力均匀一致;(5)工质与金属壁面的热交换,在每个分段内均匀一致;(6)忽略每个分段内水/蒸汽的速度压头和位置高度差产生的压头;(7)忽略烟气、管壁和工质的轴向导热。为了较为准确地反映模型的特性,对于水冷壁采用按长度分为若干段的方法进行仿真,结合上述简化假定,分段的多少主要考虑的问题是仿真的实时性,取决于计算机的运算速度。在条件允许的情况下,分段越多,计算的精度越高,越能够反映机组运行的特性。本模型在焓温通道上采用了20个分段,压力流量通道上由于考虑到整个汽水系统流体网络运行的稳定性采用了10个分段。对于整个蒸汽发生器所建立的模型可以用图1来表示。过程变量例如压力、温度、流量等是随时间变化的。2数学模型的构建2.1炉硫工质的传热特性将水冷壁管进行合理分段后,对于每一个分段,采用集总参数法建模,因此,可以用下面的控制体来示意,见图2。根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律等,可以建立对象的机理模型。质量守恒方程:ddt(ρ)=D1-D2A(1)ddt(ρ)=D1−D2A(1)能量守恒方程:ddt(ρu)=D1Η1-D2Η2+QWA(2)ddt(ρu)=D1H1−D2H2+QWA(2)动量守恒方程:Ρ2-Ρ1=f(D)(3)P2−P1=f(D)(3)金属热平衡方程:ΜCΜddt(tΜ)=QF-QW(4)MCMddt(tM)=QF−QW(4)管内传热方程:QW=ΚD0.82(tΜ-t)(5)QW=KD0.82(tM−t)(5)烟气对管壁的放热方程:QF=Q⋅f(l,x,q)(6)QF=Q⋅f(l,x,q)(6)Q表示炉膛燃烧对管壁的总辐射热流量,f(l,x,q)为一个与炉膛高度有关的函数,在建立f(l,x,q)的具体关系时,要充分考虑燃烧设备的布置情况以及实际的炉内燃烧的特点。在燃烧器的附近区域,由于燃烧强度较高,热量的分配应该有所倾斜。本文所建立的f(l,x,q)关系,沿管长方向大致可以按线性关系来进行,然后将燃烧器喷嘴的位置参数以及燃烧的强度叠加进去,形成f(l,x,q)的关系式。因此f(l,x,q)可以表示为f(l,x,q)=f(l)·g(x,q)由于超临界压力区域内,工质的流动和传热特性同亚临界压力区域内工质的流动与传热特性有着明显的差异,可以通过对换热系数的改变来实现,因此,对于不同的区域应采用不同的换热系数。换热系数的选取可采用相关的计算公式,同时在软件的调试过程中加以调整。2.2出口参数集总参数对于每一个分段,采用集总参数建模时,模型的代表参数原则上可以选择进出口之间的任何一点的参数,常见的方法有两种,选取出口参数或进出口参数的算术平均值,前者偏重反映介质参数在管段内的变化结果,后者偏重反映整个管段内的介质参数的平均值。由于水冷壁内存在两相区域,如果使用进出口参数的平均值作为集总参数,在某种扰动下,各环节的参数如焓、温度、压力、流量等会产生负偏移,而且采用这种方法二次建模比较复杂,因此本文采用出口参数为集总参数。同时加入了入口参数的修正环节,以便克服在阶跃扰动下所产生的跷跷板现象,采用入口参数修正方法多次在单相受热管的仿真模拟中使用,并取得了良好的效果。2.3出口蒸汽的干度值由于本文采用了整体式模型,没有将热水段、过渡段与微过热段加以区分,没有给出相变的边界,如何判断蒸汽出口的状态值得考虑。为了弥补整体式模型的这个缺陷,本模型加入了蒸汽干度的计算,对于每一个分段计算出蒸汽的干度值,通过干度可以判断某一段出口处的蒸汽状态。关于蒸汽干度可以有两种表达方式:X=ΗΜ-ΗWΗS-ΗW(7)或X=VΜ-VWVS-VW(8)在超临界状态下通过特殊处理仍然可以得到这一标志参数。3外高桥电厂蒸发设备的改进应用上述模型经过二次建模后开发的实时仿真软件,已经应用在外高桥电厂仿真机上,为了反映蒸发区域的动态特性,进行了增加燃烧率、给水流量、入口水焓、以及出口压力的阶跃扰动试验。3.1蒸发器的压力随热如图3所示,当保持给水流量与汽轮机调速汽门开度不变时,即保持分离器的压力不变,突然加大燃料量,燃料释放的热量瞬时增加,提高了管壁的金属温度,各个分段所吸收的热量突然增加,从而缩短了热水段与蒸发段的长度,而过热段的长度增加,蒸发器出口的汽温、焓都有不同程度的增加。同时,蒸发器内的产汽量瞬时增加,使分离器的压力有所上升。由于给水流量、汽机调门开度固定,出口介质的流量有一定的上升,然后回落至正常值,因此过热蒸汽的压力上升幅度不大。3.2流量对蒸发的影响如图4所示,当保持燃烧率与汽轮机调速汽门开度以及给水的热力参数不变时,突然增加给水流量,由于未饱和水的流量增加,热水段、蒸发段的长度增加,过热段的长度减小,金属的壁温下降,从而使蒸发器出口的蒸汽温度、蒸汽焓下降,由于流量的增加过热蒸汽出口压力上升。3.3不同水流量蒸发段的阶跃变化如图5所示,当保持燃烧率与汽轮机调速汽门开度以及给水流量的不变时,突然改变给水的热力参数,即阶跃增加给水的焓值,由于给水的欠焓减小,热水段、蒸发段的长度瞬时减少,过热段的长度增加,金属的壁温有所上升,从而使蒸发器出口的蒸汽温度、蒸汽焓以及所产生的蒸汽流量均上升,但由于给水流量不变,出口蒸汽流量增加后,然后回落至原来的值,过热蒸汽的出口压力有所上升。3.4饱和水下降如图6所示,当保持燃烧率与给水流量和热力参数不变时,突然开大汽机的调门,增加蒸汽流量,从而使分离器的压力减小,出口流量由于出口压力的减小而瞬时增加,然后回落到初始值,由于压力的下降而导致饱和水焓下降,饱和汽焓上升,同时燃烧率的不变,热水段变短、蒸发段的长度将增加,过热段的长度减小,金属的壁温下降,从而使蒸发器出口的蒸汽温度、蒸汽焓均下降。从上面分析与试验可以看出:直流锅炉的运行与调整和汽包锅炉相比较,各类参数的反应非常迅速,灵敏性要大得多,因此其操作要更加严格,在汽包锅炉的操作中,关于温度的控制一般要求在70%～100%负荷时,汽温的波动在-5℃～10℃之间,而对于直流锅炉在35%～100%的范围内都要控制在这一波动范围。4超声直流锅炉蒸发器模型的阶跃扰动测试本文在总结前人的研究成果的基础上,结合外高桥机组的特性,同时考虑了仿真机的实时性问题建立了一套整体式的适应于全工况的超临界直流锅炉蒸发器的仿真模型,通过实际的软件调试,对受热面的热量分配规律、以及传热系数的变化情况进行了调整,使得该模型能够满足外高桥电厂的锅炉特性,通过对模型的阶跃扰动测试分析,可以证实本模型的合理性。目前,该仿真机已经通过了出厂和现场的测试,运用仿真机的测试结果,可以得到机组的动态变化趋势,为实际机组的操作以及优化运行提供了依据和指导。相对燃烧率qD——水/蒸汽质量流量,kg/sρ——工质密度,kg/m3A——管内工质横截面积,