電廠仿真再熱器動(dòng)態(tài)特性建模仿真論文

1、再熱器動(dòng)態(tài)特性建模與仿真論文O 仿真目的為了進(jìn)一步提高電廠循環(huán)熱效率，控制汽輪機(jī)末級(jí)葉片的蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，大容量機(jī)末級(jí)葉片的蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，大容量 機(jī)組廣泛采用中間再熱循環(huán)。再熱器出口蒸汽參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)中、低壓缸的做功能力和安全運(yùn)行都有很大影響。因此，建立較為準(zhǔn)確的再熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模型，對(duì)于指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行、提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。國內(nèi)外眾多學(xué)者都曾對(duì)鍋爐再熱器模型做過。相關(guān)研究。張琴舜等【1】對(duì)核電站再熱器的基本結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析，建立了動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真研究。黃景濤等【2】采用支持向量回歸算法。對(duì)再熱汽溫進(jìn)行回歸建模，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立了對(duì)

2、象的數(shù)據(jù)模型。李旭等3依據(jù)再熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力參數(shù)，給出了再熱器動(dòng)態(tài)特性的簡便計(jì)算公式，研究設(shè)計(jì)了再熱汽溫的控制系統(tǒng)。劉吉臻等4通過機(jī)制分析，提出了再熱期望焓升的概念來反映單位流量再熱蒸汽的吸熱能力，并對(duì)其進(jìn)行了非線性偏最小二乘建模，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)異常的再熱器出口汽溫進(jìn)行了分析，依模型給出了再熱汽溫運(yùn)行的優(yōu)化方法。聞雪平等51通過對(duì)電站鍋爐再熱器系統(tǒng)的分析，建立了對(duì)流換熱式再熱系統(tǒng)出口溫度的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，并利用某電廠屏式再熱器、末級(jí)再熱器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的仿真驗(yàn)證。Prieto等6-7建立了再熱器三維熱力動(dòng)態(tài)模型，并利用某350MW機(jī)組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的有效性。以上學(xué)者主要針對(duì)再熱器出

3、口溫度進(jìn)行了機(jī)理建?；驍?shù)據(jù)建模，并未對(duì)出口蒸汽流量和壓力的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。因此，對(duì)再熱器的動(dòng)態(tài)特性研究迫切需要一個(gè)內(nèi)容全面的數(shù)學(xué)模型。筆者在借鑒前人模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合600MW亞臨界機(jī)組再熱器的結(jié)構(gòu)，基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，分別建立了水及水蒸氣狀態(tài)參數(shù)模型、壓力一流量通道模型和焓一溫通道模型。選用Matlab中的Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建模型，并利用機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，證實(shí)了該模型能夠描述再熱器出口的主蒸汽流量、壓力和溫度的動(dòng)態(tài)特性。再熱器結(jié)構(gòu)原理圖再熱器的結(jié)構(gòu)示意圖示于圖 1 管內(nèi)為加熱蒸汽 ,管外為循環(huán)蒸汽。 通過 U 型管束用管內(nèi)蒸汽加熱循環(huán)蒸汽。1研究對(duì)象簡介研

4、究對(duì)象為大唐盤山電廠3號(hào)600 MW機(jī)組，該機(jī)組鍋爐選用哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司制造的HG一2023176一YM4型鍋爐，為一次中間再熱、固態(tài)排渣、單爐膛、半露天型布置、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)的亞臨界控制循環(huán)汽包爐。在額定負(fù)荷工況下，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。再熱器為一種單相介質(zhì)換熱器，其換熱面由許多管子并聯(lián)而成，管外為熱介質(zhì)，管內(nèi)為冷介質(zhì)。本鍋爐再熱系統(tǒng)由墻式再熱器、屏式再熱器和末級(jí)再熱器組成。墻式再熱器為低溫再熱器，布置在水冷壁上部的前墻和兩側(cè)墻的前部，直接吸收爐膛的輻射熱；屏式再熱器布置在后屏過熱器之后、折焰角的上方，吸收鍋爐輻射傳熱和煙氣的對(duì)流傳熱；末級(jí)再熱器布置在水平煙道中，為對(duì)流式換熱面

5、，吸收煙氣的對(duì)流傳熱；再熱器進(jìn)口導(dǎo)管上裝有噴水減溫器。再熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示在機(jī)組運(yùn)行中再熱氣溫受燃燒波動(dòng)的影響較大原設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)手段為燃燒器擺角調(diào)節(jié)，但對(duì)切圓燃燒擾動(dòng)較大，而且調(diào)節(jié)范圍不足，存在較大延遲，一致性差，故采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)方式4。2模型對(duì)象的假設(shè)從整體出發(fā)，在保證一定精度的前提下，綜合考慮實(shí)際鍋爐的測(cè)點(diǎn)以及模型仿真速度，對(duì)再熱器的運(yùn)行過程進(jìn)行合理簡化，將墻式再熱器、屏式再熱器和末級(jí)再熱器按流程順序連成一再熱器整體，并采用集中參數(shù)建模法8對(duì)其建模。簡化的再熱器系統(tǒng)模型如圖2所示。圖2中：D為工質(zhì)質(zhì)量流量，kgs；h為工質(zhì)焓值，kJkg；P為工質(zhì)壓力，MPa；t為工質(zhì)溫度，；

6、Q為再熱器有效吸熱量，包括爐膛輻射傳熱和煙氣對(duì)流傳熱，kJ；下標(biāo)spray表示噴水輸入。對(duì)再熱器建模做了如下假設(shè)：由于噴水減溫器體積較小，忽略減溫器的動(dòng)態(tài)特性；外部對(duì)再熱器的傳熱是沿管長方向均勻分布的強(qiáng)制熱流；將金屬熱容與工質(zhì)合并考慮，假定受熱面金屬溫度與工質(zhì)溫度同步變化；忽略煙氣、管壁和工質(zhì)之間的軸向傳熱，只考慮徑向傳熱；以再熱器出口參數(shù)為集中參數(shù)模型的代表參數(shù)。3數(shù)學(xué)模型的建立結(jié)合600 Mw亞臨界機(jī)組再熱器的結(jié)構(gòu)，基于質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒方程，建立了壓力一流量通道、焓一溫通道兩個(gè)子模型；根據(jù)電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用雙線性擬合法擬合了一定范圍內(nèi)的水及水蒸氣狀態(tài)參數(shù)公式；針對(duì)再熱器進(jìn)口未安裝

7、流量測(cè)點(diǎn)和有效吸熱量不可測(cè)問題，確定了再熱器進(jìn)口流量和有效吸熱量計(jì)算公式。31壓力一流量通道模型取整個(gè)再熱器內(nèi)的蒸汽作為分析對(duì)象，應(yīng)用質(zhì)量守恒方程的表達(dá)式為：式中：V為再熱器容積，m3；為蒸汽密度，kgm3。根據(jù)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)方程，可知密度p是壓力P和溫度t的二元函數(shù)，可得：由于壓力的動(dòng)態(tài)變化遠(yuǎn)比溫度的快，因此可忽略溫度變化對(duì)工質(zhì)密度的影響，則式(1)可改寫為：對(duì)再熱器內(nèi)的蒸汽，應(yīng)用動(dòng)量守恒方程的表達(dá)式為：式中：為流動(dòng)阻尼系數(shù)，其值通?？筛鶕?jù)額定負(fù)荷下設(shè)計(jì)參數(shù)來確定【9】。32焓一溫通道模型對(duì)整個(gè)再熱器內(nèi)的工質(zhì)，根據(jù)能量守恒方程的表達(dá)式為：式中：Q為再熱器內(nèi)工質(zhì)吸熱量，kJ。管壁金屬熱平衡方程

8、的表達(dá)式為：式中：Mj為再熱器管道金屬總質(zhì)量，kg；Cj為金屬比熱容，kJ(kg·)。根據(jù)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)方程，可知密度和焓值h是壓力P和溫度t的二元函數(shù)，可得：將式(6)、式(7)代入式(5)，又根據(jù)建模假設(shè)條件(3)，則式(5)可改寫為：33水及水蒸氣狀態(tài)參數(shù)模型由前面建立的再熱器仿真模型可知，在模型中需要計(jì)算大量的水及水蒸氣的物理狀態(tài)參數(shù)，主要包括：減溫水焓值再熱器進(jìn)口焓值再熱器出口焓值和密度。對(duì)于這些參數(shù)，可以通過易測(cè)的壓力P和溫度T來確定，則比焓h和密度的表達(dá)式為：式中：f(·，·)采用文獻(xiàn)10中的雙線性擬合法，尋取，f(·，·)的簡化

9、函數(shù)式。根據(jù)電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合壓力范圍在8011.5MPa，溫度范圍在130180的減溫水焓值；擬合壓力范圍在1636 MPa，溫度范圍在270340的再熱器進(jìn)口蒸汽焓值；擬合壓力范圍在1434 MPa，溫度范圍在500560的再熱器出口蒸汽焓值和密度：式中：Al、A2、A3、A4為4×4的擬合矩陣。34再熱器進(jìn)口流量和有效吸熱量的確定由于該機(jī)組在再熱器進(jìn)口沒有安裝蒸汽流量測(cè)點(diǎn)，只能依靠軟測(cè)量來獲取。本文選用許多廠家常用的定系數(shù)法來確定再熱器進(jìn)口蒸汽流量，其表達(dá)式為：再熱器的有效吸熱量主要來源于爐膛輻射傳熱和高溫?zé)煔鈱?duì)流傳熱，本文基于文獻(xiàn)11提出的風(fēng)量氧量熱量信號(hào)來替代再熱器的有效吸

10、熱量，解決再熱器吸熱量不可測(cè)問題。鍋爐總熱量的表達(dá)式為：由于再熱器有效吸熱量與整個(gè)鍋爐發(fā)熱量相關(guān)，且有較好的比例關(guān)系，則：4模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證所建模型的正確性，利用Matlab中的Simulink仿真平臺(tái)搭建再熱器動(dòng)態(tài)模型，并且選取機(jī)組一天的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。模型的輸入量均采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖36所示。圖3是該機(jī)組在一天中大范圍變負(fù)荷工況下機(jī)組負(fù)荷變化圖，負(fù)荷變化范圍為300600MW，說明本文選用的數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)再熱器實(shí)際動(dòng)態(tài)特性。圖4是仿真出口流量與主蒸汽流量之間的對(duì)比，可以看出，再熱器出口流量能夠很好地跟蹤主蒸汽流量的變化。圖5是仿真出口壓力與實(shí)測(cè)壓力的對(duì)比，圖中放大部分是00

11、：10到00：50時(shí)間段兩者的對(duì)比，可以看出，兩者吻合程度非常好。圖6是仿真出口溫度與實(shí)測(cè)溫度的對(duì)比，仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)較吻合，驗(yàn)證了所建模型的正確性。5、再熱器物理仿真模型整個(gè)仿真模型主要包括: 一個(gè) 5 m 長的鋁質(zhì)循環(huán)水槽, 為水槽提供水的干擾水箱 (內(nèi)有測(cè)溫?zé)嶙杓凹訜崞?), 在水槽中排列均勻的 4支熱電阻, 置于水槽中的電加熱器及其附近的噴水器和風(fēng)扇, 示意圖如圖所示。此外, 還有許多支持此仿真模型的其它子系統(tǒng)(如測(cè)控界面、干擾水箱水位、水溫測(cè)控子系統(tǒng)、循環(huán)水缸水位、水溫、水壓測(cè)控子系統(tǒng)及接口箱、連線等)在此未畫出。由于用計(jì)算機(jī)作為控制器, 本液槽變工況液體的仿真裝置和仿真方法對(duì)復(fù)雜

12、液體溫度的非線性、時(shí)變、變參數(shù)、變干擾等特性的仿真更為準(zhǔn)確、完整、真實(shí); 對(duì)復(fù)雜液體溫度控制方法的研究、篩選和編程更為全面、簡便、直觀。6、 結(jié)論利用大唐盤山電廠600 Mw亞臨界機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，采用機(jī)理分析法建立了再熱系統(tǒng)集中參數(shù)模型。該模型能夠描述再熱器出口的主蒸汽流量、溫度和壓力的動(dòng)態(tài)特性，為有效分析汽輪機(jī)中壓缸進(jìn)氣參數(shù)動(dòng)態(tài)變化和進(jìn)一步建立汽輪機(jī)模型打下良好基礎(chǔ)。1)引入由風(fēng)量和煙氣氧量構(gòu)造的熱量信號(hào)，解決了再熱器有效吸熱量不可測(cè)問題。2)通過機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，表明該模型在機(jī)組變負(fù)荷條件下，能夠反映再熱器系統(tǒng)輸出的變化趨勢(shì)，證

13、實(shí)了模型具有一定合理性。3)再熱器出口溫度預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線存在一定偏差，這是由于采用了集中參數(shù)處理方法和多種簡化的結(jié)果，這正是該研究工作有待完善的一個(gè)重要方面。目前, 整個(gè)模擬控制系統(tǒng)的硬件已在實(shí)驗(yàn)室安裝完畢, 包括主、子系統(tǒng)的前后向通道(安裝在一個(gè)接口箱中) 及插于主板總線槽中的接口板( PC 7483), 軟件尚在設(shè)計(jì)及調(diào)試的進(jìn)程中。形象的組態(tài)王畫面使人機(jī)接口更加易于交互、操作, 內(nèi)嵌的C 程序使控制的編程更加靈活。未來的發(fā)展方向, 將完善再熱器的仿真模型(比如以蒸汽代替水流), 更加貼切、完善地模擬再熱器。參考文獻(xiàn)：1張琴舜，鄒文進(jìn)，蔡日基，等再熱器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和研究J動(dòng)力工程，200

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