电站锅炉再热系统动态特性数学模型的研究与应用VIP

第 4 3卷第 2期 2 0 1 2年 3月 锅 炉技术 B0I LER TECH N0L0GY Vo 1 4 3。NO 2 M a r 2 O 1 2 电站锅炉再热 系统动态特 性数学模型 的研 究与应 用 闻雪平 ，王文欢 ，王爱晨 ，何 明福 ，周 日，潘卫 国 ( 上海 电力 学院 能源 与环 境工程学 院，上海2 0 0 0 9 0 ) 摘要 ： 通过对 电站锅 炉再 热器系统的分析 ， 基于质量守恒 、 动量守恒 、 能量守 恒 、 管道金 属蓄热平 衡方程和 热力参数之 间的关系式 ， 建立 了对流换热式再热 系统的动态计算模型 ， 并以 6 0 0 Mw 电站锅炉 机组为例 ， 将 由 模型计算得 出的结果与实际运行数据分 析 比较 ， 验 证 了再热 器动态 模型 的精度 和合理 性 ， 能够较 好地反 映机 组 的动态特 性 。研究结果将为机组 动态 过程的定量分析 和仿 真打下 良好基础 。 关键词 ： 火 电机组 ；再热器 ；动态模型 ；实时数据 中图分类号 ： T K2 2 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 1 7 - 0 4 0 前 言 火 电机组 中 ， 锅 炉作 为复杂 的能量转 化 系 统 ， 在 发 生 大 幅度 的扰 动 时 ， 其 各 个 部 件 的安 全 性和经济性都会受 到较大 的影响， 而且动态运行 时存 在很 大 的能 量损 失 ， 同 时也 会 消 耗 更 多 的燃 料。因此 ， 对这些 动态过程进行研 究 ， 将建 立 的 动态 数学 模 型用 于在 线 预 测 ， 或 者 用 于 离线 分 析 计算 ， 从 而 为 预 测 锅 炉 再 热 器 运 行 特性 、 调 节 和 控制 设备 运行 状态 、 减 少运 行 损 失 提 供切 实 可 靠 的依 据， 对于提高整个机组 的安全性、 经济性 和 可靠 性 ， 具 有 重要 的 意义 。 1 锅炉动态 特性研究现状 目前 研 究 锅 炉 动 态 特 性 的手 段 主要 是 建 立 系统的动态特性数学模型 ， 并用精确的数学方法 或软 件计 算 ， 得 到可 以 反 映锅 炉 动 态 特性 的 曲线 或数 据 。 国内外 许 多 学 者 对 锅 炉 的 动 态 模 型进 行 了 研究 ， 取得 了许多相关研究成果_ 】 。尤其是 F P De Me l l o _ 2 在 1 9 9 1 年 给 出 了 通用 的大 型 单 元 机组 的协 调 控 制 系 统 非 线 性 模 型 。美 国 电 力 研 究 院 E P R I 在火 电机组运 行 性能 分析 领域 进行 了 大量的研究工作 ， 1 9 8 4年开发出 MMS( Mo d u l a r Mo d e l i n g S y s t e m) 软件 ， 用于火 电机组 的动态特 性分析以及评价各种 扰动工况对机组 运行的影 响 ， 为动态 模 型 的建 立 和准 确 反 映 现 场运 行 状 况 作 出 了贡 献 。 国 内 清 华 大 学 、 上 海 交 通 大 学 、 东 南大 学 以及 华 北 电力 大 学 都 对 锅 炉 动 态模 型 也 有大量的研究工作。如文献E 3 3 中采用模块化建 模 方 法 对 电站 锅 炉 系 统 中 的 过 热 、 再 热 蒸 汽 系 统 、 蒸 发 系 统 建 立 了较 为精 细 的动 态数 学 模 型 。 这些 工作 都 将 为 未来 研 究 通 用 且 准确 的 动 态模 型奠 定基 础 。 锅 炉的动 态模 型 一 般 都 是用 来 研 究 压 力 、 温 度和流量等热力学参数 的变化过程 。动态模 型 包括质量守恒 、 能量守恒 、 动量 守恒等定律列出 的基 本方 程式 和传 热 方 程 、 工 质 热 力 学状 态 参 数 方程 ， 以及各种状态变量之间的静态关系式 。列 方程 式 过程 中采 用 集 总 参 数 方 法 研 究 再 热 器 动 态特性数学模型 。 2锅炉再热 器系统组成 本文 以某 6 0 0 MW 电站锅 炉 作 为建 模 对象 。 该锅 炉 为亚 临界 压力 ， 一 次 中 间再 热 控制 循 环 汽 包锅 炉 ， 单 炉 膛 型露 天布置 ， 额 定 负荷工 况下 ， 机 组 功率 3 0 0 Mw ， 过 热 蒸 汽 流 量 2 0 0 8 t h ， 过 热蒸 汽压 力 1 7 5 MP a ， 再 热蒸 汽 流量 1 6 4 9 t h ， 再 热 蒸汽 出 口压力 3 6 3 MP a ， 再热 蒸汽 出 口温 度 5 4 1 。 再热 器 为一 种单 相 介 质换 热 器 ， 其 换 热 面 由 很 多 并 联 的管 子 组 成 。本 锅 炉 再 热 器 系 统 由 3 部分组成 ： 墙式辐射再热器 、 屏式 再热器和末 级 再 热 器 。这 三 级 受 热 面 之 间 用 集 中 的大 直 径 管 收稿 日期 ： 2 O l 1 0 9 1 5 ； 修 回日期 ： 2 O l 1 一l O一3 1 作者简介 ： 闻雪平 ( 1 9 8 8一 ) ， 女 ， 在读硕士 ， 主要从事 电站锅 炉节能方面的研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 锅 炉 技术 第 4 3卷 道和 三通连 接 。再热 器结 构组 成 图如 图 1 。由于 屏式 和末级 再 热器 换 热方 式 为对 流 换 热 ， 本 文对 此 两级再 热器 动态 特性 进行研 究 。 再 图 1 再热器系统结构组成 图 墙式 辐 射 再 热 器 布 置 于 炉 膛 上 方 的前 墙 和 两侧墙的前部 ， 并遮盖部分水冷壁管 ， 前墙、 两侧 墙分 别 布置换 热管 。 屏式再热器布置在炉膛折焰角上方 ， 后屏过 热 器后 方 ， 每 1 6根 管 子并 联 为 1片 ， 共 有 5 O片 。 管 子规 格 为 6 3 4 mm， 材 料 为 1 2 c r 1 Mo V 和 S A2 1 3 一 T9 1 。烟气侧的受热面积为 3 4 5 7 I T I 。 末 级再 热器 布置 在 折 焰角 水 平 烟道 内 ， 末 级 过热器之前 ， 共 7 6片， 每片 由 1 0根并联管组成， 管子规格和材料与屏式再热器一样 ， 烟气侧的受 热面 积为 3 4 5 7 i T I 。 3 动态模型的建立 本文 建 立 动 态 模 型 的 目的是 研 究 汽 温 的变 化规律。考虑到烟气侧和蒸汽侧 的时间常数相 差很 大， 建立模型时以蒸汽侧 为研究对象 ， 主要 研究 再 热器 出 口汽温变 化率 的动 态变 化特 性 。 建立动态模型时的考虑如下条件 ： ( 1 )锅 炉汽水 系 统 中 ， 工质 的压力 一 流量 的变 化 比温度一 焓 的变化快得多 ， 即工质压力一 流量通 道的时间常数比焓一 温通道 的时间常数相 比小得 多。因此 ， 在求解温度随时间变化率 的公式中近 j一 似认 为 ： u p 一0 。 U r ( 2 )考虑 管壁 金属 的蓄 热对 整个 动态 过程 的 影响。因此， 在建立模型时考虑管壁金属蓄热平 衡方程。在这里 ， 金 属热容量合并人 工质侧 ， 金属温度近似等于工质温度 ， 从而增大工质热容 量 ， 增 大过 程 时间 常数 。 ( 3 )考虑各级再热器压降不 同、 换热量不同 以及具体参数不同， 如果 以再热器系统作为一个 整体考虑 ， 则总结果将无法精确反映各部分 的动 态 变化 特 性 。故 将 整 个 再 热 器 系 统 按 级 分 成 3 段 进 行 模 拟 ： 末 级 再 热 器 、 屏 式 再 热 器 和 墙 式 再 热 器 。 ( 4 )采用 以 出 口参数 作 为集 中参数 的动 态数 学模 型求解 。 再热 器对 象 的数 学 模 型包 括 质 量 守恒 、 动 量 守恒 、 能 量守 恒 、 管 道 金 属 蓄 热平 衡 方 程 和热 力 参数 之 间的关 系式 ， 具体公 式 如下 ： 质量 守恒 方程 ： 塞 一 V d p 一_ D E D 。 ( 1 ) 动 量守 恒方 程 ： P - p= ( 2 ) 能量守 恒方 程 ： v 一 d p ( H 丁 o - P 一 ) 一 Q +( D。 H。 一D。 Ho ) 一 ( D。 Ho ) ( 3 ) 管道 金属 蓄热平 衡方 程 ： Qw -Q 一Mj j d t j ( 4 ) 热 力学方 程 ： H C p t ( 5) 蒸 汽 的热力 参数 之 间的关 系式 ： hh( ， ) ( 6 ) 联 立上 面 6个方 程 式 ， 并 按上 述 建 立 动态 模 型时需 考虑 的 4个条 件 ， 求 解 得 出计 算 再 热器 出 口蒸汽温度随时间变化率 的表达式为 ： d r Vp等c C ( 7 ) + M 1 式 中 ： V 换 热管道 的容 积 ， m。 ； F等效受热管通流面积 ， m ； 流体局部阻力系数 ； Q 蒸 汽与金属壁 面之间 的换 热量 ， k w ； Q广烟气与金属壁 面之 间的换 热量 ， k W ； D 出 口工质流 量 ， k g s ； H 一 出 口工 质焓 ， J ； M 一 管 道金 属 的质量 ， k g ； C ， 管道 金属 的 比热容 ， k J ( k g ) ； lD j 管道 金属 的密 度 ， k g m。 ； t 管道 金属 的金 属温 度 ， ； Di 入 口工质 的 流量 ， k g s ； H广一 入 V 1 工质 的焓 ， J ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 闻雪平 ， 等 ： 电站锅 炉再热系统动态特性数学模 型的研究与应用 1 9 P i 入 口工 质 的压 力 ， MP a ； i人 口工 质 的流 速 ， m s ； p i 入 口工 质 的密度 ， k g m。 ； H 管 内流体 的焓 ， J ； P 管 内流体 的压力 ， MP a ； D管内流体 的密度 ， k g m。 ； c 管内流体的定压比热容， k J ( k g ) ； 管内流体 的平均内能， J ； t 管 内流体 的温度 ， 。 以上模 型 并 不 能 正 确 反 映 墙 式 再 热 器 的 动 态 特性 ， 这 是 因为实 际运 行 时对 于墙 式 再 热 器 的 影 响 因素 有很 多 ： 尤其 是 炉 膛 内部 燃 烧 过 程 所 引 起 的不 确 定 因素 ， 以及 其 换 热 方 式包 含 对 流 换热 和辐射换热 ， 本文所建立模型只适用于对流式再 热系 统 ， 故 不 适 用 于 墙 式 换 热 器 ， 其 动 态 特性 研 究 工作 可 以在 以后 进行 深入 研究 。 4 计算 及结果分析 模 型计 算 时为 机组 现 场 实 际 变工 况 运 行 ， 现 将末级再热器 和屏 式再热器计算工 况选取分别 如 表 1和 表 2所 示 。计 算 过 程 中有 关 参 数 的选 取 如表 3所 示 。 表 1 末 级再 热器 计 算工 况 表 3 计 算参 数选 取 通过计算得出结果并进行分析 ： ( 1 )应用动态模型计算得出末级再热器 出口 温 度 的 曲线 图 ， 如 图 2所 示 。从 对 比 图 可 看 出 ， 模 型计 算 结 果 与 实 际运 行 数 据 具 有 相 近 的变 化 趋势和很好 的吻合度 ， 最大误差为 0 9 0 9 6 。 ( 2 )通过动态模型计算得出屏式再热器出 口 温度的曲线 图， 如图 3所示 。从对 比图可看 出 ， 模型计算结果与实 际运行数据具 有相同的变化 趋势 ， 最大误差为 3 1 8 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 O 锅 炉 技术 第 4 3卷 6 5 0 6 0 0 堇5 5 0 5 00 45 O 4o 0 3 5 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 t mi n 图 2 末级再热器出 口温度计算结果与实际数据对 比图 6 0 0 5 5 0 5 o o 4 50 4 0 0 35 0 30 0 25 0 U 2 4 6 1 U l Z t mi n 图 3 屏式再热器出 E l 温度计算结果与实际数据对 比图 通过分别采用动态数学模 型计算 和电厂机 组的运行实时数据分析 ， 得 出理论分析所建立 的 计算模型具有较高的精度 ， 这将对 以后建立更加 完善的电站锅 炉动态特性数学模型具有重要 的 参 考 价值 。 5 结 语 ( 1 )建 立 电站锅 炉对流 式再 热 系统 的动态模 型时， 考虑了质量守恒 、 能量守恒 、 动量守恒等定 律列 出的基本方程式和金属管壁传 热方程、 工质 热力学状态参数方程 以及各种 状态变量之间的 静 态关 系 式 。并 采 用集 总参 数 方 法 研 究 再 热 器 动态 特性 。 ( 2 )通过对屏 式再热器 、 末级再 热器 出 口工质 的温度随时间变化率的计算 ， 并与实 际运行时得 到 的实 际值 进行 比较分 析 ， 两 者 的变化 趋 势一 致 ， 说明所 建立 的动态 模 型具 有较 高 的合 理 性 和 精度 。 ( 3 )由于考 虑 了管道 金 属 的蓄 热影 响 ， 因 此 本 文列 出 的动 态 数 学 模 型 能 更 好 地 反 映 动 态 特 性 ， 为对 机组 动态 过程 的定量 分 析 和仿 真 工 作 打 下 良好基 础 。 ( 4 )本文将动态模型算法应用于已知电厂运 行 中 ， 计 算 得 出的再 热器 出 口温度 可 以进 行再 热 器设备 安 全检测 、 预 测 变化 趋 势 并及 时 调 整运 行 参数 以保 证 电 厂运 行 正 常 运 行 。并 未 将 模 型应 用 于仿真 机 ， 并 得 出 动态 响应 特 性 曲线 。在 以后 的研 究 中可 以具 体 应 用 到 仿 真 机 上 得 出 动 态 扰 动 响应 曲线 以得到 独 立性 更 强 、 用 于 培训 工 作 的 整套动态性能研究系统 。 参考 文献 ： 1 韩璞 ， 刘长 良， 李 长青火 电站仿真 机原 理及应 用 M 天 津 ： 天津科技出版社 ， 1 9 9 8 2 Me l l o F De B o i l e r mo d e l s f o r s y s t e m p e r f o r ma n c e s t u d i e s J I EEE Er a n s a c t i o n s o n P o we r S y s t e ms ， 1 9 9 1 ， 6( 1 )： 6 6 7 4 I- 3 郭喜燕 ， 杨勇 平 ， 宋 子平 锅炉 汽水 系统动 态过 程仿 真 J 工程热物理学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 9 ) ： 3 8 1- 4 郑建学 ， 陈听宽 ， 陈学俊 ， 杨冬 单 相受热 管动力学模 型 J 力学进展 ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 4 ) ： 5 3 8 5 4 7 5 A S a n c h e z L o p e z ， G Ar r o y o F i g u e r o a ， A Vi l l a v i e e n c i o Ra mi r e z Ad v a nc e d c o n t r o l a l g o r i t h m s f o r s t e a m t e mp e r a t u r e r e g u l a t i o n o f t h e r ma l p o we r p l a n t s J E l e c t r i c a l P o we r a n d En e r g y S y s t e ms ，2 0 0 4， 2 6( 1 O) ： 77 9 7 8 5 6 章 臣樾 锅炉动态特性及 其数学模 型 M 北京 ：水利 电力 出版社 ，1 9 8 7 ： 8 2 5 7 3李旭 再热 汽温 的动态 特性 与控制 J 动力 工程 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 2 )： 1 5 01 5 4 1- 8 郭喜燕 火 电机组动态过程性能在线 监测研究 D 北京 ： 华 北电力 大学 ( 北京) ， 2 0 0 4 9 郭喜燕 火电机组瞬态 性能研究 1- D 北京 ： 华 北 电力大学 ( 北 京 ) ， 2 0 0 0 1 o S h o r S W W，Mo d u l a r Mo d e l i n g S y s t e m( MMS ) R Vo l u me 5：S u ma r r y Re p o r t ，EP RI CS NP一 3 01 6 ，1 9 8 7 Th e St u d y a n d Ap p l i c a t i o n o n t h e Dyn a m i c M o d e o f t h e Bo i l e t R e h e a t e r S ys t e m W EN Xu e - p i n g， WANG W e n - h u a n， WANG Ai - c he n，HE M i n g - f u， ZHOU Yu e ， PAN W e i - g u o ( S c h o o l o f En e r g y a n d En v i r o n me n t a l En g e n e e r i n g ，S h a n g h a i Un i v e r s i t y o f El e c t r i c P o we r ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t： By a na l y z i ng t h e bo i l e r r e he a t e r s y s t e m ，ba s e d o n ma s s c o ns e r v a t i o n，mo m e nt u m c o ns e r v a t i o n， e ne r gy c o ns e r v a t i o n， p i p e l i ne m e t a l r e g e ne r a t i o n b a l a n c e e qu a t i o n a n d t he ( 下转 第 5 5页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 卢 兰志 ， 等 ： 耐 磨损防护用 F e C r Mo C B S i 系非 晶涂 层的性能研究 5 5 参 考文 献 ： 1 J e a n i n e T， De Ma s i Ma r c i n ， Gu p t a D KP r o t e c t i v e c o a t i n g s i n t h e g a s t u r b i n e e n g i n e J S u r f a c e a n d Co a t i n g s Te e h n o l o g y，1 9 9 4 ( 6 8 6 9 )： 1 9 2高彩 桥摩擦 金属 学 M 哈尔滨 ：哈尔滨工 业大 学 出版 社 ， 1 9 8 8 3赵雁潮 ，魏琪 ， 栗卓新 ，等热喷涂技术在锅炉管道 防护中 的应用进展 E J 材 料保 护 ， 2 0 0 6 ，3 9( 8 ) ： 4 3 4 6 4 章熙康 非 晶态材 料 及应 用 M 北京 ： 北京 科学 技术 出版 社 ， 1 9 8 7 ： 1 0 E 5 3马仁殿 铁基块体非 晶合金 的制备 与性 能研究 D 济南 ： 山 东大学 ， 2 0 0 7 E 6 C h e n Q J ， F a n H B， Y e L， e t a 1 E n h a n c e d g l a s s f o r mi n g a b i l i t y o f F e - C o - Z r - Mo W- B a l l o y s wi t h Ni a d d i t i o n J Ma t e r i a l s Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g， 2 00 5， 4 0 2： 1 88 1 9 2 E 7 3 L a n g f o r d J I A r a p i d me t h o d f o r a n a l y z i n g t h e b r e a d t h o f d i f f r a c t i o n a n d s p e c t r a l l in e s u s i n g t h e Vo i g t f u n c t i o n J J o u r n a l o f Ap p l i e d Cr y s t a 1 l o g r a p h y， 1 9 7 8， 1 1 ( 1 )： 1 0 1 4 E 8 3于会生 ， 罗 守福 ， 王永 瑞 化学 沉积 Ni P及 N i C u P合 金镀 层晶化行为的 比较口 材料工程 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 1 9 2 2 9 赵新彬 ， 吴嘉伟 ， 倪晓俊 ， 等 等离子喷涂 F e C r Mo S n P B S iC非 晶合金涂 层 的 电磁屏 蔽 性能 J 金 属 功 能材 料 ， 2 0 0 8 ， 1 5 ( 4 )： 1 9 2 1 1 0 潘继 岗， 樊 自栓 ， 孙冬柏 ， 等 超音 速火焰 喷涂 F e基非 晶合 金涂层的性能研究 刀 材料工程 ， 2 0 0 5 ， ( 9 ) ： 5 3 5 5 P r o p er t i e s o f F e Cr M o CBSi W e a r - r es i s t a n t Pr o t e ct i v e Co a t i n g s LU L a n - z h i ， WEI Qi ， L I Hu i ( 1 Be ij i n g J i n we i We l d i n g Ma t e r i a l L i mi t e d Co mp a n y ， Be i J i n g 1 0 2 2 0 6 ，C h i n a ； 2 Co l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，Be i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 1 2 4， Ch i n a ) Abs t r a e t： Fi v e Fe Cr M oCBSi c or e d wi r e s whi c h ha v e d i f f e r e n t Si a nd B c o nt e nt we r e de s i gne dCo a t i ng s we r e p r e pa r e d by a r c s p r a y i n g t e c hn o l o g y Th e pha s e c o m p os i t i o n，a mo r ph ous ph a s e c o nt e nt ，t he r ma l s t a bi l i t i e s，mi c r o s t r u c t u r e a nd ha r dn e s s o f t he c o a t i ng w e r e a n a l y z e d Th e a b r a s i ve we a r r e s i s t a n t p r o p e r t i e s a t t e mpe r a t ur e of 5 0 0 o f t he c oa t i ng s we r e a l s o s t u di e dThe r e s ul t s s h owe d t h a t a m o r ph ou s ph a s e c o nt e nt i n t he c oa t i ng s v a r i e d f r o m 4 7 t o 65 1 wi t h di f f e r e nt a dd i t i on o f Si a nd B e l e m e nt i n t he c o a t i n gs，bu t t he y h a v e t he s a me Tk ( 8 5 3 K) W i t h t h e i n c r e a s e o f a mo r p h o u s p h a s e c o n t e n t i n t h e c o a t i n g，t h e HV h a r d n e s s a n d a b r a s i v e we a r r e s i s t a n t p r o p e r t y o f t h e c o a t i n g i n c r e a s e d Th e c o a t i n g wh i c h h a s 6 a t o m s c o nt e nt of Si a nd 1 2 a t o ms c o nt e nt o f B h a s t he h i ghe s t a m o r pho us pha s e c o nt e nt o f 6 5 1 ，t h e a v e r a g e h a r d n e s s o f t h e c o a t i n g i s 1 3 0 2 1 HV0 1 ，t h e r e l a t i v e we