基于仿真技术的余热锅炉系统性能研究

基于仿真技术的余热锅炉系统性能研究

作为引水装置的主要动力，天然气蒸汽联合循环装置得到了广泛发展。由于此类机组存在频繁启停和变负荷运行的特点,使得运行人员不仅要熟悉一般的原理和正常操作,更要掌握在各种动态过程和事故情况下如何分析、判断和及时处理。电力生产及设备本身的特点决定了不允许做过多的实验工作,所以建立对象的数学模型进行仿真实验研究就成为获得电站系统运行特性的一种十分重要而有效的手段。国内外资料调研表明,参加过仿真培训的电厂运行人员,互相配合,均能正确的处理和消除事故,恢复生产。仿真技术对电力生产的安全性起着至关重要的作用,是电力工业技术进步的主要标志之一。在燃气蒸汽联合循环系统中,余热锅炉是重要的能量转换装置。通过它可以调节燃气轮机和蒸汽轮机的发电比,也可以调节余热锅炉供热和燃气轮机发电之比(即我们通常所说的热电比)。余热锅炉的结构、性能以及参数都极大地影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。作为联合循环系统中的重要设备,余热锅炉在许多联合循环分析中没有得到足够的重视,为分析联合循环系统的性能,有必要研究有关余热锅炉建模方面的一些问题。1剩余锅炉的特点和物理模型1.1余热锅炉t-q余热锅炉处于联合循环发电机组系统中燃气轮机和蒸汽轮机之间,将燃气轮机排气的热量转换成蒸汽热能进行回收利用。它一般由烟道和本体两大块组成。由于回收的是500℃左右的烟气热量,换热部件多以错列鳍片管对流受热面为主。图1为典型的余热锅炉T-Q图。与一般余热锅炉不同,燃气轮机余热锅炉在燃机和锅炉之间设置了烟气旁通烟道和调节门,其目的在于:隔离燃机系统和蒸汽系统,为余热锅炉启动创造条件,同时还可以防止运行时锅炉干烧以及保证锅炉安装和检修期间燃机仍能正常运行。1.2剩余锅炉的结构特点燃气轮机余热锅炉的形式多种多样,按结构大致分为以下二类。1.2.1锅炉对受面的布置自然循环锅炉结构简单,受热面为立式水管,常布置于卧式水平烟道内。锅炉形式成熟,水容量大,负荷适应能力强,工作安全可靠,不必装设高温炉水循环泵。但是,受热面通常采用较大管径,故锅炉重量尺寸指标较差且热惯性大,不适应燃机的快速启动。强制循环锅炉受热面布置灵活方便,常布置于立式烟道,烟囱与锅炉合二为一,节省占地面积。锅水强制循环,受热面可采用较小管径,重量轻,尺寸小,结构紧凑,水容量小,启动速度快,机动性好。但是锅炉重心较高,稳定性较差,不利于抗风抗震。同时,还必须装设高温炉水循环泵,工作可靠性差,增加运行费用。两种循环方式余热锅炉具体型式见图2和图3。1.2.2根据是否有辅助燃油箱，可分为“辅助燃油型”和“无辅助燃油型”补燃型余热锅炉多用于排气温度低,容量较小的燃气轮机;随着燃气轮机效率的提高,容量增大,排烟温度升高,多采用非补燃型余热锅炉。1.3热梨花锅炉的加热特性燃气轮机余热锅炉在热力特性方面与普通电站锅炉也有显著差别,归纳起来有以下几点。1.3.1烟气余热回收量出现下降窄点温差是离开蒸发器的烟气温度和蒸发器中蒸汽压力相应的饱和温度之差。接近点温差是离开省煤器的水温与饱和温度之差。当窄点温差减小时排烟温度下降,烟气余热回收量会增大,对应着较高的余热锅炉热效率。但平均传热温差也随之减小,致使总的受热面积增加,成本上升。当蒸汽流量和排烟温度不变时,减小接近点温差,将使总的传热面积减小,因而有利于投资成本。但为防止低负荷或启动过程中省煤器出现汽化现象,额定工况下接近点温差不能取为零。权衡各种因素,在一般设计中进行优化选择时,窄点温差取8℃～20℃,接近点温差取4℃～20℃。1.3.2产品管口的选择与普通锅炉相比,联合循环中余热锅炉烟气流量更大,烟气与蒸汽的质量比在4～10之间,而普通锅炉只为1～1.2。燃气轮机排气是完全发展的紊流,为了提高余热锅炉的传热效率,通常在余热锅炉中采用鳍片管。它可以把传热系数提高2.5倍以上,并使余热锅炉结构更为紧凑。但要注意在高压过热器管上,通常没有鳍片,因为在高温或中温时,鳍片易烧蚀。另外,在设计余热锅炉时要注意鳍片管的阻力特性,不能使余热锅炉产生较大压降,影响燃气轮机的出力。1.3.3低排气温度下的2.2单压系统就蒸汽循环来说,高的蒸汽初压就意味着高的比功。对于余热锅炉,当饱和压力提高时,窄点温差的位置将移到更高的温度,蒸汽流量也随之减小,致使排烟温度明显上升。由图4可以清楚的看出,单压余热锅炉排烟温度随工质压力等级的变化关系。与此同时,蒸汽或水与烟气之间的平均传热温差减小,所需传热面积(相对于相同传热量)就增加,余热锅炉成本也要增高。所以,对于低排气温度的燃气轮机,单压系统还是可取的。但对于燃气轮机排气温度高的情况,余热锅炉的排烟温度就过高,排烟损失太大,合理的解决办法是采用双压系统。计算表明,当燃气轮机的排烟温度在530℃～580℃范围时,若采用双压系统来代替单压系统,则可使传热能量损失降低一半,相当于余热锅炉的效率提高约三个百分点。这时再改为三压系统,余热回收效率还会提高一点,但幅度已大为下降,而投资成本增加很多,不一定有利。对于新一代高温、高性能燃气轮机,排气温度很高,通常大于580℃,余热锅炉采用更加完善的三压再热汽水系统较合适,这样不仅采用较高的蒸汽参数,而且能使排烟温度比较低,平均传热温差小,余热回收更加充分。1.3.4蒸汽两侧热力参数燃气轮机负荷总在不断变动,常运行在温度变化范围很大(-20℃～45℃)的大气环境中,因此,燃气轮机排气温度和流量都会发生很大变化。余热锅炉的热力特性也随之变动,其产汽量、蒸汽温度和压力等都会发生变化。但蒸汽侧的热力参数通常要求比较稳定,且还有许多工程上和热力学上的约束,例如,省煤器不能出现汽化现象,排烟温度不能低于露点等。所以,变工况过程中,余热锅炉燃气和蒸汽两侧热力变化不协调就构成它的又一大热力特点。同时存在与结构特性相关的热力特性:热源头(燃气轮机)热惯性比较小,而余热锅炉的热惯性相对大得多。1.4余热锅炉数学模型各种类型的余热锅炉换热部件基本以对流受热面为主,都包括三大基本模块,即过热器、蒸发器和省煤器。余热锅炉建模的关键就是研究过热器、蒸发器和省煤器三种基本模块的数学模型。在三大基本模块中,过热器和省煤器都是无相变的简单换热器,而蒸发器则是有相变的换热器。2工质反应对象的确定建立恰当反映对象动态过程的数学模型,一般常用的方法是:先按对象结构、烟气和工质的传热、流动状况,将对象划分成若干环节,将每一个环节作为研究对象,再根据能量守恒、质量守恒、动量守恒和其他有关方程,在一定的简化假定下写出一组反应对象动态过程的常微分方程和代数方程。根据建模的目的不同,常用的方法有以下两类。2.1设备选型时的计算方法设计建模主要用于热力系统设计人员进行方案研究,比较各种设计方案的合理性和整个系统的热经济性。同时可以比较不同部件参数,如蒸发器的节点温差和接近点温差,对整个系统的影响。配合技术经济分析,系统设计人员就可以设计出一套比较完善的系统,根据所设计系统的各个设备的热力参数进行设备选型。在给定燃气轮机排气温度后,余热锅炉的设计有两种途经。一种是假定节点和接近点温差,再校核排烟温度;另一种是假定排烟温度,再校核节点温差的合理性。两种方法都能达到设计方案比较的目的。图5示出单压系统设计工况下建模的一般步骤。对于双压和三压余热锅炉,基本的计算原理是一样的。当机组中存在并联的系统时,不妨假定在并联处存在两个独立的烟道,每个烟道有一个换热器,各个换热器只与各自假想烟道中的烟气换热,两个烟道中的烟气在与各自的换热器换热后,在换热器出口充分混合。至于并联支路烟气质量的分配可以自行合理确定,譬如可以按照各个并联换热器的进口截面积的比值确定,也可以按照使各支路出口温度相等的原则确定。通过这种处理还可以分析过热器两侧的汽温偏差和烟温偏差。研究发现,如果并联支路中不存在蒸发器,则烟气的分配比例不会对整个系统的对外输出参数发生影响。2.2绩效评估动态模型2.2.1变工况建模由于联合循环系统承担起调峰机组的作用,变工况运行的情况频繁发生。在变工况运行时,系统的设备已经选定,既各个换热部件的材料及结构特性一定,此时系统的传热量就只与系统的冷热侧流体参数有关。冷热侧的出口参数是系统换热的结果,不能人为加以改变,因此变工况建模归根结底就是求出某一工况下系统的冷热侧换热量,然后根据该换热量求出系统冷热侧的出口参数。在变工况计算时一般都采用修正额定工况下换热系数的简化公式。认为各部件在变工况和额定工况下的换热系数与在这两种工况下烟气流量之比、烟气温度之比以及汽水流量之比的指数次方存在一定的关系。2.2.2余热锅炉烟气压力流体网络在负荷变动和外界气温不同的情况下,燃气轮机排气温度和流量会发生很大变化。烟气压力和温度急剧变化将会迅速波及整个烟气系统。此时,烟气系统表现出强烈的动态特性,其流动特性不能再按静态处理。必须建立烟气系统动态数学模型,以满足工程分析的需要。由于余热锅炉的使用,燃气轮机排气的热量得到回收利用,使得整个系统的效率提高。与此同时,燃气轮机的工作状况也发生了改变,烟气流经余热锅炉存在较大的压力损失导致联合循环中燃气轮机工作背压比单独运行时要高,因而,燃气轮机的输出功率降低。尤其是双压和三压余热锅炉的使用,燃气轮机背压更高,功率输出降低更加明显。因此在余热锅炉设计计算的同时,必须计算出由于余热锅炉的使用所引起的燃气轮机背压的变化,以利于整个联合循环系统的性能分析。实际上,燃气轮机背压的计算是一个烟气压力流体网络问题。余热锅炉烟气出口压力为大气压,是一个恒压汇,因此在余热锅炉内部各个换热设备的烟气压力损失可以求解的基础上,利用流体网络算法就可以求解出余热锅炉的烟气入口压力,此压力就是燃气轮机的背压。对于双压和三压余热锅炉,由于锅炉中换热设备更多,因而造成的流动损失更大。余热锅炉各个换热设备额定工况时烟气压降模型通常是直接给定每个设备的压力损失系数。至于变工况模型则需要考虑由于烟气流量发生变化对压力损失系数的影响,一般可以近似认为压损系数与流量的指数次方成正比。文献提出采用温区的概念,将余热锅炉整个烟气流程按燃气温度分为多段来代替传统的按蒸汽压力等级分段的作法,这样能够较好的实现“梯级利用和温度对口的原则”。具体方法是,将余热锅炉按烟气温度由高到低分为多个烟区,每个烟区中有一种或多种换热器并列布置。对每个温区建立能量平衡和传热量方程。2.3参数选择2.3.1两相段内正行性正演模型:以进、出口参数平均为集总参数集总参数模型具有建模简单、计算方便、物理意义明确、动态响应趋势基本正确以及适用于实时全工况仿真等优点,因而在全工况电站培训仿真机的建模工作中得到了广泛的应用。目前国内外所开发的大多数电站培训仿真机均使用集总参数模型。用集总参数建模方法时,原则上可以选用环节两端点之间的任一点(包括出口)的参数或环节进出口参数的加权平均值,但最常见的选法有两种:选取出口参数或选取进、出口参数的算术平均值,前者偏重反映介质参数在整个管段内变化的结果,后者偏重反映整个管段内介质的平均参数,两种选法都有一定的合理性,但是以进、出口参数的平均值作为集总参数将导致阶跃响应曲线起始段产生不正确的负偏移。例如对于两相区段,其压力-流量通道与焓-温通道是严密耦合的,若采用进出口参数的平均值作为集总参数,则在某些阶跃输入扰动作用下(特别是入口焓的阶跃),各环节的出口参数,包括焓、温度、压力、流量等均将产生负偏移,从而使整个模型产生不正确的动态特性。此外,以环节的进、出口参数平均值作为集总参数将使二次建模复杂化,以环节的出口参数则较为简单。但是集总参数模型也存在不足,如模型动态精度差,不能较好的反应热工对象的分布参数特性等。为了提高集总参数模型接近分布参数对象的精度,增加建模区段是一个有效的办法。理论上讲,随着分段数的增加,金属与工质分开处理的多段集总参数模型就越能逼进实际的分布参数对象。然而建模工作量和仿真计算量成倍增长,且模型复杂,病态现象严重,有时反而会降低实际仿真计算的精度。所以,在建模时要根据建模目的,机组实际情况等各方面因素,综合考虑选择合理的集总参数。2.3.2有效金属的推导锅炉蒸发受热面在稳态工况下,金属构件的内表面与流动的水或汽水混合物直接接触,金属与工质之间的放热系数很大,所以这些金属的温度与工质的温度几乎相等或差不多。但是在动态过程中,只有构件的内表面及其附近一层金属的温度能够随着工质的温度几乎同步的变化。在集总参数模型里,近似的取这部分金属的温度等于工质温度,也就是说,认为这部分金属能与工质同时释放或贮存热量,可以参与工质的主要动态过程。反之,与工质接触面较远的金属温度的变化比工质的变化要慢的多。在稳态下其温度最终也会变到与工质温度非常接近。但是在动态过程中,它的温度变化速度要比工质的小得多,所以从瞬时蓄热能力或热惯性的角度来看,可以认为这部分金属是无效的。因此通常把前一部分金属称为有效金属,它在蒸发区总金属量中所占的份额为有效金属系数。解决有效金属问题的方法有两种,有人将该区段的金属热容量与介质热容量合并考虑,引进了“当量蒸汽质量”的概念。也有人直接在推导模型前先假定区段的受热面、连接管、联箱等的金属温度等于内部介质温度。不论如何考虑,这都是为了简便计算的一些简化手段,具体怎样假设,还要综合考虑模型的精度才能确定。2.3.3分散剂的cp在所有的文献中,一般都考虑了蒸汽状态参数在压力、温度变化时所产生的非线性,但都没有考虑工质比热cp在压力、温度变化时所产生的非线性。从水蒸汽图表上可以看出,在高压的微过热区,当p=15.4MPa,T=350℃时,cp=8.77kJ⋅kg-1⋅K-1;当p=14.1MPa,T=535℃时,cp=2.64kJ⋅kg-1⋅K-1。虽然目前燃气轮机余热锅炉的蒸汽压力较少达到类似压力,但是随着新型燃气轮机的研制,机组参数的提高,cp非线性的问题不能不加以重视。3解析方法的选择综合考虑上述要素,根据对象列出一系列方程之后就要进行仿真计算。模型由常微分方程、代数方程和数据表格等构成。求解常微分方程虽有各种各样的解析方法,但解析方法只能用来求解一些特殊类型的方程,而大量从实际问题当中归结出来的微分方程类型复杂,用解析法无法求解。电站系统是连续系统,其响应也是随时间连续变化的,由于计算机只能计算离散点的值,加之计算机数值位数有限,只能用有限小量代替无穷小量,也就是说,只能得到连续响应曲线下的有限个点,为此,必须把连续系统离散化,得到差分方程,再用计算机求解。这就是把微分运算转化为算术运算的过程,即二次建模。3.1递推性算法常用的常微分方程组的数值解法有很多种,如显式欧拉积分法、隐式欧拉积分法、亚当斯法、龙格-库塔法、线性方程组的转移矩阵法等。各种数值解法有一个基本特征,就是具有递推性,使求解过程能顺着结点排列的顺序一步步地向前推。这种