鍋爐汽包水位動態(tài)模型的研究

鍋爐汽包水位動態(tài)模型的研究

1鍋爐汽包動態(tài)特性的認識由于錯誤的水位，80%的鍋爐缺水發(fā)生。由于鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)處于動態(tài)質(zhì)量及能量交換過程中,汽包水位不僅與汽包進出口流量及溫度有關(guān),而且與流量及溫度的變化速度有關(guān)。當汽包進出口流量變化時,如開大給水閥,會使得汽包水位先降低再升高,形成虛假水位。正確計算實際水位在變工況下的動態(tài)特性直接關(guān)系到鍋爐甚至整個熱力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。為了提高余熱鍋爐設(shè)計水平、改進其性能及確定控制策略等,許多學者在汽包的建模與仿真方面進行了深入地研究。傳統(tǒng)的建模方法通常將液面下小氣泡作為一個集總系統(tǒng),其動態(tài)響應(yīng)速度與容積大小成反比,當液面下工質(zhì)干度較小時,氣泡容積也較小,系統(tǒng)需要很小的仿真步長才能保證模型收斂,拖慢了整個熱力系統(tǒng)的仿真速度。另外,傳統(tǒng)對汽包水位的處理方法由于涉及到汽包壓力、溫度、密度以及汽包形狀等過多相互藕合的參數(shù),在建立水位模型時會涉及到物性偏導(dǎo)數(shù)的計算,其處理方法過于復(fù)雜,計算量大。新方法通過對汽包水位變動涉及到的復(fù)雜過程進行適當簡化與假設(shè),將汽包分為2個集總系統(tǒng),通過液面下工質(zhì)干度確定溢出水面的蒸汽量,建立了能夠適應(yīng)大范圍變工況的鍋爐汽包水位簡化動態(tài)模型。最后在仿真研究基礎(chǔ)上,討論汽包水位的變工況動態(tài)特性。2汽包水位的確定正常運行工況下,汽包內(nèi)工質(zhì)包括氣液兩相,底部工質(zhì)接受來自省煤器的不飽和欠焓水和來自上升管的飽和狀態(tài)氣液兩相流,上升管中的飽和水蒸氣一部分與欠焓水抵消而凝結(jié)為飽和水,另一部分經(jīng)過液面下工質(zhì)以小氣泡的形式逐漸溢出水面。因此水面下工質(zhì)并非是單純液相的水,而是含有一部分飽和蒸汽、具有一定干度的氣液混合物。將液面下的小汽泡與飽和水集總為具有一定干度的氣液混合物,建模原理如圖1所示,并作如下假設(shè):(1)汽包內(nèi)的工質(zhì)混和速度很快,可以不考慮蒸汽過熱與液態(tài)工質(zhì)局部欠焓及溫度的不均勻性,認為汽包內(nèi)工質(zhì)處于均勻的飽和狀態(tài);(2)工質(zhì)蒸發(fā)與凝結(jié)速度很快,當汽包壓力發(fā)生變化時,相應(yīng)的飽和壓力和溫度也發(fā)生變化,這時汽包內(nèi)工質(zhì)發(fā)生水的動態(tài)蒸發(fā)和蒸汽的動態(tài)凝結(jié);(3)將水面下的工質(zhì)看作是具有一定干度的氣液混合物,上升管出口工質(zhì)與汽包底部工質(zhì)混合后,水蒸氣通過水面溢出。獲取汽包水位模型的關(guān)鍵是確定水蒸氣溢出液面的流量。蒸發(fā)器吸熱后由上升管將熱量以飽和蒸汽的形式帶回汽包。在浮力驅(qū)動下,飽和蒸汽向上漂移一定的時間,最后溢出液面,這一過程可以近似看作是以液面下工質(zhì)集總系統(tǒng)的蒸汽比摩爾分數(shù)為推動力的液面下飽和蒸汽向液面的傳質(zhì)過程。則溢出液面的蒸汽流量是液面下飽和蒸汽濃度的單值函數(shù):式中:Wev——溢出液面的動態(tài)蒸汽流量;kev——總傳質(zhì)系數(shù);Xl——液面下工質(zhì)平均干度。將汽包內(nèi)工質(zhì)整體與液面下工質(zhì)分別看作2個集總系統(tǒng),由汽包整體系統(tǒng)確定汽包內(nèi)所含工質(zhì)平均密度與汽包壓力,通過液面下系統(tǒng)確定汽包水位,仿真模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽包內(nèi)工質(zhì)與液面下工質(zhì)質(zhì)量平衡式中:V——汽包體積;ρ——汽包內(nèi)工質(zhì)平均密度;We、Wr、Wd、Wv——給水、上升管汽水混合物、下降管、流出汽包的蒸汽。由汽包內(nèi)工質(zhì)與水面下工質(zhì)能量平衡,有式中:he、hr、hd、hv、hev——給水、上升管出口、下降管入口、飽和蒸汽、溢出水面蒸汽焓值;u、ul——汽包內(nèi)工質(zhì)、水面下工質(zhì)平均內(nèi)能。由假設(shè)1得式中:hl——水面下工質(zhì)平均焓值,可由ul計算。汽包內(nèi)工質(zhì)平均干度式中:uw、uv——飽和水、飽和蒸汽內(nèi)能;ρw、ρv——飽和水、飽和蒸汽密度。其中飽和狀態(tài)下的物性參數(shù)都是汽包壓力p的函數(shù),由汽包內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量平衡關(guān)系式(2)與能量平衡關(guān)系式(4)可以得出汽包內(nèi)工質(zhì)的密度和內(nèi)能,從而可以利用式(7)計算出汽包的壓力p。液面下工質(zhì)平均干度由水面下工質(zhì)的質(zhì)量平衡關(guān)系式(3)與能量平衡關(guān)系式(5)可以得出水面下工質(zhì)的平均內(nèi)能,由式(7)求出汽包壓力p后,飽和狀態(tài)下其它物性參數(shù)可由p確定,從而式(8)僅是水面下工質(zhì)平均密度ρl的函數(shù),由此可以解出ρl,結(jié)合式(3)可以確定出液面下工質(zhì)的體積,進而得到汽包內(nèi)各狀態(tài)參數(shù)。汽包水位與液面下工質(zhì)質(zhì)量、密度、汽包形狀有關(guān),對于常用的兩端半球形的水平放置圓筒汽包其中θ=2cos?1(r?Lr)(10)θ=2cos-1(r-Lr)(10)式中:Vl——水面下工質(zhì)體積;W——汽包總長度;L——液面距汽包底的高度。從而汽包水位為:3單次給水擾動汽包水位是確定鍋爐工作狀態(tài)的重要參數(shù),關(guān)系到整個熱力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。通過對汽包內(nèi)水位變化與液面下工質(zhì)干度的關(guān)系進行簡化假設(shè),在機理模型的基礎(chǔ)上建立了汽包水位的動態(tài)仿真模型。利用新方法建立的動態(tài)仿真模型具有計算量小、穩(wěn)定性高、仿真速度快的特點,對汽包排氣量和給水量分別加入10%的階躍擾動,其仿真驗證結(jié)果如圖3、4所示。從圖中可以看出,汽包排氣量階躍增加,造成汽包壓力下降,引起液面下工質(zhì)急劇汽化,水位升高,出現(xiàn)了虛假水位現(xiàn)象。同時汽包內(nèi)工質(zhì)溫度也隨著飽和壓力的降低而降低。隨后,由于汽包進出口流量的不匹配,汽包內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量不斷減少,溢出液面蒸汽量增大,在進出氣相區(qū)工質(zhì)流量逐漸趨于平衡后,汽包溫度和壓力變化趨勢變緩,汽包水位逐漸下降。由圖4可以看出,汽包給水量階躍增加,汽包水位經(jīng)過一定延時后上升,這是由于液面下工質(zhì)處于汽液混合的兩相流狀態(tài),增加的給水量需要抵消一部分液面下氣態(tài)工質(zhì)的體積,從而造成水位上升延時。由于給水量增加,抵消了一部分汽包內(nèi)飽和蒸汽體積,造成汽包內(nèi)工質(zhì)干度下降,汽包壓力降低。同時汽包溫度也隨著汽包壓力降低而下降。另一方面,在給水量階躍與排氣量各自階躍擾動同為10%的情況下,汽包溫度和壓力受給水量變化的擾動小于受排氣量變化的擾動。這是由于給水所含內(nèi)能小于過熱蒸汽所含內(nèi)能,從而給水擾動小于排氣擾動對汽包工作狀態(tài)的影響。4鍋爐變工況時的虛假水位現(xiàn)象(1)將水面下工質(zhì)看成有一定干度的氣液混合物,根據(jù)汽包工作機理建立汽包水位模型,能夠正確反映出鍋爐變工況運行時的虛假水位現(xiàn)象。