基于固定邊界方法的超臨界直流鍋爐蒸發(fā)器仿真模型

基于固定邊界方法的超臨界直流鍋爐蒸發(fā)器仿真模型

上海外高橋能源二期工程的鍋爐采用alstic公司提供的900mw大型繞射塔式鍋爐。其固定參數(shù)：加熱蒸汽的輸出壓力為27.6ma，溫度為570c，固定蒸汽流量為725kg。制粉系統(tǒng)由6臺輥式中速磨煤機組成。作為國內(nèi)單機容量最大的超臨界直流鍋爐,其仿真培訓裝置的研制又在機組投產(chǎn)之前,因此,如何開發(fā)出既符合實際機組特性,又能滿足機組培訓要求的仿真系統(tǒng)是值得研究的。超臨界直流鍋爐仿真問題的關鍵是蒸發(fā)器部分的仿真模型研究,在目前的研究中,一般采用最大比熱點或臨界比容點作為超臨界壓力下鍋爐蒸發(fā)受熱面內(nèi)熱水段與蒸汽段的分界。就整個蒸發(fā)受熱面而言,按照熱水段、過渡段、蒸汽段建立三段式的數(shù)學模型,而且對于超臨界與亞臨界狀態(tài)分別進行處理,這樣以來存在蒸發(fā)區(qū)由亞臨界到超臨界的模型切換問題。文獻采用線性化分布參數(shù)建模對某超臨界直流鍋爐100%負荷附近的動態(tài)特性的研究,但不能應用于大擾動的情況;文獻給出了一種非線性集總參數(shù)移動邊界的數(shù)學模型,并且給出了幾種工況下的仿真結果。但是,該研究并不是在全工況的實時仿真環(huán)境中進行的,而外高橋電廠的仿真機則是一臺采用清華能源仿真公司最新推出的虛擬DPU方式的翻譯型(TRANSLATOR)實時仿真培訓系統(tǒng),因此,對數(shù)學模型提出了更高的要求。本文通過分析,結合前人的成果與實際機組的具體特點,采用非線性固定邊界方法,建立了一套整體式的仿真模型,避免了模型之間的切換,既符合實際機組的特性,又保證了仿真的實時性,成功地解決了900MW超臨界直流鍋爐蒸發(fā)器的全工況仿真問題。1溫系統(tǒng)模型仿真模型作為直流蒸發(fā)器的水冷壁管自爐膛底部盤旋上升,每根管道的長度數(shù)百米,因此,在建立模型之前首先作出如下簡化假定:(1)每根水冷壁管子橫截面上的流體特性均勻;(2)通過每根水冷壁管子的流量相同;(3)煙氣側(cè)工況變化瞬時完成,且煙氣對水冷壁的放熱為強制熱流;在每一分段內(nèi),輻射熱流平均分布;(4)每一段中的工質(zhì)流動阻力集中于分段入口,分段內(nèi)的壓力均勻一致;(5)工質(zhì)與金屬壁面的熱交換,在每個分段內(nèi)均勻一致;(6)忽略每個分段內(nèi)水/蒸汽的速度壓頭和位置高度差產(chǎn)生的壓頭;(7)忽略煙氣、管壁和工質(zhì)的軸向?qū)?。為了較為準確地反映模型的特性,對于水冷壁采用按長度分為若干段的方法進行仿真,結合上述簡化假定,分段的多少主要考慮的問題是仿真的實時性,取決于計算機的運算速度。在條件允許的情況下,分段越多,計算的精度越高,越能夠反映機組運行的特性。本模型在焓溫通道上采用了20個分段,壓力流量通道上由于考慮到整個汽水系統(tǒng)流體網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性采用了10個分段。對于整個蒸汽發(fā)生器所建立的模型可以用圖1來表示。過程變量例如壓力、溫度、流量等是隨時間變化的。2數(shù)學模型的構建2.1爐硫工質(zhì)的傳熱特性將水冷壁管進行合理分段后,對于每一個分段,采用集總參數(shù)法建模,因此,可以用下面的控制體來示意,見圖2。根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律等,可以建立對象的機理模型。質(zhì)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)動量守恒方程:Ρ2-Ρ1=f(D)(3)P2?P1=f(D)(3)金屬熱平衡方程:ΜCΜddt(tΜ)=QF-QW(4)MCMddt(tM)=QF?QW(4)管內(nèi)傳熱方程:QW=ΚD0.82(tΜ-t)(5)QW=KD0.82(tM?t)(5)煙氣對管壁的放熱方程:QF=Q?f(l,x,q)(6)QF=Q?f(l,x,q)(6)Q表示爐膛燃燒對管壁的總輻射熱流量,f(l,x,q)為一個與爐膛高度有關的函數(shù),在建立f(l,x,q)的具體關系時,要充分考慮燃燒設備的布置情況以及實際的爐內(nèi)燃燒的特點。在燃燒器的附近區(qū)域,由于燃燒強度較高,熱量的分配應該有所傾斜。本文所建立的f(l,x,q)關系,沿管長方向大致可以按線性關系來進行,然后將燃燒器噴嘴的位置參數(shù)以及燃燒的強度疊加進去,形成f(l,x,q)的關系式。因此f(l,x,q)可以表示為f(l,x,q)=f(l)·g(x,q)由于超臨界壓力區(qū)域內(nèi),工質(zhì)的流動和傳熱特性同亞臨界壓力區(qū)域內(nèi)工質(zhì)的流動與傳熱特性有著明顯的差異,可以通過對換熱系數(shù)的改變來實現(xiàn),因此,對于不同的區(qū)域應采用不同的換熱系數(shù)。換熱系數(shù)的選取可采用相關的計算公式,同時在軟件的調(diào)試過程中加以調(diào)整。2.2出口參數(shù)集總參數(shù)對于每一個分段,采用集總參數(shù)建模時,模型的代表參數(shù)原則上可以選擇進出口之間的任何一點的參數(shù),常見的方法有兩種,選取出口參數(shù)或進出口參數(shù)的算術平均值,前者偏重反映介質(zhì)參數(shù)在管段內(nèi)的變化結果,后者偏重反映整個管段內(nèi)的介質(zhì)參數(shù)的平均值。由于水冷壁內(nèi)存在兩相區(qū)域,如果使用進出口參數(shù)的平均值作為集總參數(shù),在某種擾動下,各環(huán)節(jié)的參數(shù)如焓、溫度、壓力、流量等會產(chǎn)生負偏移,而且采用這種方法二次建模比較復雜,因此本文采用出口參數(shù)為集總參數(shù)。同時加入了入口參數(shù)的修正環(huán)節(jié),以便克服在階躍擾動下所產(chǎn)生的蹺蹺板現(xiàn)象,采用入口參數(shù)修正方法多次在單相受熱管的仿真模擬中使用,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體式模型,沒有將熱水段、過渡段與微過熱段加以區(qū)分,沒有給出相變的邊界,如何判斷蒸汽出口的狀態(tài)值得考慮。為了彌補整體式模型的這個缺陷,本模型加入了蒸汽干度的計算,對于每一個分段計算出蒸汽的干度值,通過干度可以判斷某一段出口處的蒸汽狀態(tài)。關于蒸汽干度可以有兩種表達方式:X=ΗΜ-ΗWΗS-ΗW(7)或X=VΜ-VWVS-VW(8)在超臨界狀態(tài)下通過特殊處理仍然可以得到這一標志參數(shù)。3外高橋電廠蒸發(fā)設備的改進應用上述模型經(jīng)過二次建模后開發(fā)的實時仿真軟件,已經(jīng)應用在外高橋電廠仿真機上,為了反映蒸發(fā)區(qū)域的動態(tài)特性,進行了增加燃燒率、給水流量、入口水焓、以及出口壓力的階躍擾動試驗。3.1蒸發(fā)器的壓力隨熱如圖3所示,當保持給水流量與汽輪機調(diào)速汽門開度不變時,即保持分離器的壓力不變,突然加大燃料量,燃料釋放的熱量瞬時增加,提高了管壁的金屬溫度,各個分段所吸收的熱量突然增加,從而縮短了熱水段與蒸發(fā)段的長度,而過熱段的長度增加,蒸發(fā)器出口的汽溫、焓都有不同程度的增加。同時,蒸發(fā)器內(nèi)的產(chǎn)汽量瞬時增加,使分離器的壓力有所上升。由于給水流量、汽機調(diào)門開度固定,出口介質(zhì)的流量有一定的上升,然后回落至正常值,因此過熱蒸汽的壓力上升幅度不大。3.2流量對蒸發(fā)的影響如圖4所示,當保持燃燒率與汽輪機調(diào)速汽門開度以及給水的熱力參數(shù)不變時,突然增加給水流量,由于未飽和水的流量增加,熱水段、蒸發(fā)段的長度增加,過熱段的長度減小,金屬的壁溫下降,從而使蒸發(fā)器出口的蒸汽溫度、蒸汽焓下降,由于流量的增加過熱蒸汽出口壓力上升。3.3不同水流量蒸發(fā)段的階躍變化如圖5所示,當保持燃燒率與汽輪機調(diào)速汽門開度以及給水流量的不變時,突然改變給水的熱力參數(shù),即階躍增加給水的焓值,由于給水的欠焓減小,熱水段、蒸發(fā)段的長度瞬時減少,過熱段的長度增加,金屬的壁溫有所上升,從而使蒸發(fā)器出口的蒸汽溫度、蒸汽焓以及所產(chǎn)生的蒸汽流量均上升,但由于給水流量不變,出口蒸汽流量增加后,然后回落至原來的值,過熱蒸汽的出口壓力有所上升。3.4飽和水下降如圖6所示,當保持燃燒率與給水流量和熱力參數(shù)不變時,突然開大汽機的調(diào)門,增加蒸汽流量,從而使分離器的壓力減小,出口流量由于出口壓力的減小而瞬時增加,然后回落到初始值,由于壓力的下降而導致飽和水焓下降,飽和汽焓上升,同時燃燒率的不變,熱水段變短、蒸發(fā)段的長度將增加,過熱段的長度減小,金屬的壁溫下降,從而使蒸發(fā)器出口的蒸汽溫度、蒸汽焓均下降。從上面分析與試驗可以看出:直流鍋爐的運行與調(diào)整和汽包鍋爐相比較,各類參數(shù)的反應非常迅速,靈敏性要大得多,因此其操作要更加嚴格,在汽包鍋爐的操作中,關于溫度的控制一般要求在70%～100%負荷時,汽溫的波動在-5℃～10℃之間,而對于直流鍋爐在35%～100%的范圍內(nèi)都要控制在這一波動范圍。4超聲直流鍋爐蒸發(fā)器模型的階躍擾動測試本文在總結前人的研究成果的基礎上,結合外高橋機組的特性,同時考慮了仿真機的實時性問題建立了一套整體式的適應于全工況的超臨界直流鍋爐蒸發(fā)器的仿真模型,通過實際的軟件調(diào)試,對受熱面的熱量分配規(guī)律、以及傳熱系數(shù)的變化情況進行了調(diào)整,使得該模型能夠滿足外高橋電廠的鍋爐特性,通過對模型的階躍擾動測試分析,可以證實本模型的合理性。目前,該仿真機已經(jīng)通過了出廠和現(xiàn)場的測試,運用仿真機的測試結果,可以得到機組的動態(tài)變化趨勢,為實際機組的操作以及優(yōu)化運行提供了依據(jù)和指導。相對燃燒率qD——水/蒸汽質(zhì)量流量,kg/sρ——工質(zhì)密度,kg/m3A——管內(nèi)工質(zhì)橫截面積,