300mw机组汽轮机高压调门汽包锅炉蓄热系数的计算

300mw机组汽轮机高压调门汽包锅炉蓄热系数的计算

由于水电机组负荷压力对象具有很大的惯性和延迟，仅仅通过改变燃料量来适应负荷响应非常缓慢，为了提高负荷响应率，满足电网的要求，必须合理利用负荷适应性。锅炉的蓄热系数是反映机组蓄能量的主要参数。一般来说，当单位压力发生变化时，它被设置为存储或释放的蒸汽量。由于大型锅炉一般不配备蒸汽流量测量点，因此直接使用能量概念来描述锅炉的蓄热系数，并将其定义为当单位压力变化时，锅炉储存或释放的有效蓄热量。有效蓄热是指锅炉的热量转变为能的部分。锅炉蓄热大小对控制系统的影响十分微妙.机炉协调控制系统的主要任务是,使机组负荷快速跟随负荷指令的同时维持机前压力变化在允许的范围内.蓄热系数大,一方面在允许的压力波动范围内,机组有更多的蓄能可以利用,可提高瞬时的负荷响应速率;而另一方面又使得锅炉蓄热惯性增加导致负荷对燃料的响应变得更加缓慢.因此,在机炉协调控制系统设计时,应该充分考虑锅炉蓄热能力的大小.在L&N公司的DEB400协调控制系统中,更直接利用蓄热系数构造能量信号使用.在许多情况下,锅炉蓄热系数被简单地看作一个常数.目前,大型机组大多采用定-滑-定变压运行方式,并且大范围参与电网调峰,在允许的负荷变化范围内蓄热系数还是否是一个常数,其变化规律如何是一个值得研究的问题.1机械分析1.1锅炉蒸汽类型锅炉中以下介质能够参与蓄热,包括:过冷水、饱和水、饱和蒸汽、过热蒸汽、锅炉金属,根据能量守恒定律蓄热过程可描述为:ρswhswVsw+ρwhwVw+ρshsVs+ρsshssVss-p(Vsw+Vw+Vss)+mtcptm=Q+qfhfw-qshst(1)ρswhswVsw+ρwhwVw+ρshsVs+ρsshssVss−p(Vsw+Vw+Vss)+mtcptm=Q+qfhfw−qshst(1)式中,Vsw、Vw、Vs、Vss、hsw、hw、hs、hss、ρsw、ρw、ρs、ρss分别为锅炉内过冷水、饱和水、饱和蒸汽、过热蒸汽的容积和平均比焓和平均密度;p为平均压力;mt为蓄热有效金属质量;cp为金属比热;tm为金属平均温度;Q为锅炉吸热量;qf、qs分别为给水流量和蒸汽流量;hfw、hst分别为给水焓和主蒸汽焓.对于水和水蒸气,当温度、压力发生变化时其容积、比焓随之改变;对于金属,当其温度发生变化时要吸收或释放热量.在锅炉总容积一定且工质循环处于平衡状态的条件下,介质状态发生改变,会导致一部分携带有能量的介质被存储或释放,即表现为锅炉蓄热量的变化.对于汽包锅炉汽水系统而言,温度是一个分布型参数,不同点温度相差很大,受各种因素影响其变化规律也不一致,很难选择一个有代表性的温度点来衡量锅炉蓄热变化.相对于温度,压力信号有一定优越性,首先压力传递很快,锅炉汽水系统内各处压力变化趋势基本一致,其次干扰因素相对较少,容易找到有代表性的压力测点.因此,工程上一般采用汽包压力pd作为衡量锅炉能量平衡状况的信号.除cp外,式1左边各项都是pd的函数,式1可改写成微分描述的形式:Cmbdpddt=Q+qfhf-qshs(2)Cmbdpddt=Q+qfhf−qshs(2)式中,Cmb为毛锅炉蓄热系数,MJ/MPa,并不是所有进入汽轮机的能量都能做功,公式2各项乘以无量纲汽轮机热效率kT后为:Cbdpddt=kt(Q+qfhf-qshs)(3)式中,Cb为锅炉蓄热系数,MJ/MPa,可以利用水和水蒸汽的热力性质和锅炉设计参数,结合式1～式3,计算出Cmb和Cb的大致范围和变化规律,但比较烦琐.为此,笔者提出一种相对简便的计算方法.1.2锅炉蓄热系数分布为了衡量各种介质蓄热能力的大小,提出容积蓄热系数的概念,即单位体积的介质在单位压力变化时存储热量的变化,单位为MJ/(m3·MPa).对于饱和水,当压力降低时,有一部分饱和水要汽化为对应压力下的饱和蒸汽,使得介质总体积增加,超过原体积部分蒸汽所携带的焓即是此状态下饱和水的容积蓄热系数.对于过热蒸汽,当压力降低时,蒸汽体积增加同时温度降低,在控制系统调节作用下,减温水量维持使蒸汽温度基本不变,相当于部分蒸汽能量未能释放而用于提高蒸汽温度,蒸汽等温膨胀后体积增加部分所携带的能量即为蒸汽的容积蓄热系数.由于在锅炉正常运行时,压力变化引起过冷水和过热蒸汽温度的变化非常小,因此参与蓄热的金属主要集中在汽包和水冷壁部分,金属容积蓄热系数指因压力变化对应饱和温度变化而导致的单位体积金属蓄热量的变化.表1列出了一些介质在不同温度压力下的容积蓄热系数.由表1可以看出,各种介质的容积蓄热系数与压力相关.饱和水和金属的容积蓄热系数随压力降低而增加,过热蒸汽的容积蓄热系数随压力降低而减小.依据表1数据,可以根据锅炉汽水容积、汽包水冷壁质量等设计数据计算锅炉蓄热系数.表2列出了2台不同容量汽包锅炉的设计数据.其中过冷水容积包括省煤器、下降管及下降管联箱容积;饱和水容积为汽包水面下、水冷壁水容积;蒸汽容积包括汽包水面上、过热器容积;金属体积按汽包水冷壁金属计算.由于汽包水面下存在大量汽泡,实际计算时需要将汽泡容积从饱和水容积中扣除加到蒸汽容积中去.汽泡容积按质量含汽率在100%负荷下为0.35,而在50%负荷下为0.15计算.由于锅炉内工质状态是渐变的、汽包水冷壁内质量含汽率存在误差、金属温度并不绝对等于饱和温度等原因,计算值绝对精度不是很高,但能够衡量蓄热系数变化规律及体现出各种介质蓄热在整个锅炉蓄热中所占比例.表3是锅炉各种介质蓄热系数计算值.可以发现:锅炉蓄热系数呈现随负荷降低而增加的趋势.这是由2种因素共同作用导致的:一是由于锅炉采用定-滑-定变压运行方式,低负荷时汽包压力降低导致饱和水和金属容积蓄热系数增加;二是因为低负荷时锅炉蒸发量降低导致汽包水面下汽泡容积减少,饱和水容积增加.2实验分析2.1锅炉蓄热系数实验采用汽轮机高调门扰动实验求取锅炉蓄热系数,实验过程是:协调控制系统机炉主控设为手动,保持给水、汽温、燃烧等子系统投入自动,保持锅炉燃料指令不变,改变机侧指令使汽轮机高调门开度产生阶跃变化,记录机组功率NE、汽包压力pd,直到以上变量的变化趋于稳定.锅炉蓄热系数的计算方法为:Cb=∫t1t0(ΝE(t)-ΝE(t0))dtpd(t1)-pb(t0)(4)在B&WB-1025/18.44-M锅炉不同负荷-压力工作点进行实验求取锅炉蓄热系数.图1～图3显示了3组不同压力下的实验数据.共进行了7组实验,所有实验数据的汇总示于图4.锅炉蓄热系数的实验值与计算值接近,并明显呈现出随压力降低而增加的趋势.与表3相比,蓄热系数计算值比实验值偏大,是因为实验时机组即将停炉大修,炉水品质差,汽包水面下汽泡容积增加造成的.2.2系统的模型描述许多情况下在现场重复进行汽轮机高调门扰动实验是有困难的,可以尝试闭环辨识的方法,受激励不充分及各种干扰的影响,辨识结果离散性较大,但重复进行大量实验仍然可以发现其中的统计规律.单元机组负荷-压力模型可简化为一双入双出多变量系统,输入为燃料指令uB(%),汽轮机调门开度uT(%);中间变量为进入磨的实际煤量r′m(%)和锅炉燃烧率rB(%);输出为机前压力pt(MPa),机组负荷NE(MW),同时能够反映机组主要参数汽包压力pd(MPa),汽轮机调节级压力p1(MPa)的变化情况.此类机组简化模型可以描述为:r′m=μB(t-τ)(5)ΤfdrBdt=-rB+r′m(6)Cbdpddt=-Κ3ptμΤ+Κ1rB(7)ΚtdΝEdt=-ΝE+Κ3ptμΤ(8)pt=pb-Κ2(Κ1rB)1.5(9)模型包括3个静态参数和4个动态参数:K1为燃料指令增益;K2为过热器阻力系数;K3为汽轮机增益;τ为制粉过程迟延时间;Tf为制粉惯性时间;Cb为锅炉蓄热系数;Kt为汽轮机动态时间.汽轮机调节级压力可以描述为:p1=pt/μΤ/100(10)模型静态参数可根据机组设计数据或稳态运行参数求取,动态参数一般可以通过开环扰动实验或闭环参数辨识求取.直接采用以上模型辨识Cb,影响辨识精度的主要因素是制粉惯性和蓄热惯性无法区分,关键因素是“热量”信号无法直接测量.在研究中提出一种利用风量和氧量计算热量的方法.由于风量和氧量都取自风烟系统,虽然静态精度稍差,但具有比DEB信号更好的动态特性.“热量”信号可等价为锅炉燃烧率信号,引入辨识过程中可以消除制粉过程的影响,大大提高辨识精度.对模型进行工作点线性化后,利用式7～式9,选择输入为rB和uT,输出为NE和pt,利用最小二乘辨识方法,对HG-2023/17.6-YM4锅炉运行数据进行闭环辨识求Cb,辨识数据选机组负荷压力波动比较剧烈的部分,实验结果如图5所示.可以发现,虽然辨识得到的锅炉蓄热系数离散性较大,但其平均值同计算蓄热系数相接近,并明显呈现出随压力降低而增加的趋势.3对机组蓄热系数的影响讨论了一种汽包锅炉蓄热系数定量计算方法,并且在2台相同类型不同容量的机组上通过实验验证了此方法的有效性.同时,在对