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浅析锅炉水包数学模型及控制方法 朱月珍， 等 浅析锅炉水包数学模型及控制方法 朱 月珍 ，范新 强 ( 兰州城市学院 甘肃兰州， 7 3 0 0 7 0 ) 摘 要：锅炉汽包水位是现代 电厂锅炉 安全运行 的重要监控参数 。 本文在综合分析 了以往汽包蒸发区数学模 型 的基础上， 针对锅炉蒸发区的特点 ， 依据质量和能量平衡， 建立 了汽包水位非稳态数学模型，并提 出了水位控制 的方法 ， 对汽 包锅 炉的安全运行和控制具有参考 意义。 关键 词：汽包水位：数学模 型；虚假水位；水位控 制 Ab s t r a c t ： Th e d r u m l e v e l i s a n i mp o r t a n t mo n i t o r p a r a me t e r o n t h e s a f e o p e r a t i o n o f b o i l e r i n p r e s e n t Th i s p a p e r c o n c l u d e d ma t h e ma t i c a l mo d e l s o fe v a p o r a t i o n a r e ainb o i l er i np a s t p a p e r s Ac c o r d i n gt othe c h a r a c t e r i s t i c s o f the e v a p o r a t i o na r e a , ama the ma ti c a l mo d e l ingb a s e do nma s san d e n e r g yb a l an c ewa s d e v e l o p e du n d er un s t e a d y s t a t e F r o m the r e s e a r c h , theme thod o fl e v e l c o n t r o l Was p r o p o s e d , a n dthecon c l u s i o nh a s r e f e r e n c ev alu ef o rthe s a f eo per a t i o n a n d c o n tr o l l ingo f s t e a m bo i l er 一 Ke ywo r d s ： d r u m l e v e l ； ma t h e ma t i c a l mod e l i n g ； f a ls ewa t e r l e v e l ； l e v e l Co n t r o l 中图分类号：T P 2 7 3 文献标识码 ：B 文章编号：1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 O 1 2 ) 0 卜0 0 8 8 0 3 0 绪论 本文针对 单汽包 自然 循环锅 炉，利用质量平衡 和能 量平衡， 结合分环节集总参数法， 建立锅炉蒸发 非稳态 数学模型， 最终推 导出水位变动方程 。 接着分析影响水位 变化的主要阕素， 对汽包十锅及满水事故发生原因进行研 究 ， 并提 出相应 处理措施 。以燃煤量扰动为例，进行仿实 验 ， 提 出水位 控制方法 ， 为现场 1 = 作人员提供 技术参考 。 1 蒸发系统特性及其建模思想 锅 炉蒸发 系统是锅炉 仿真 中的核 心部分 ， 它 的建模 涉及 一 些对汽机和锅炉安全运行至关重要的监控参数，诸 如汽包压 力、 汽包水位等 。 蒸发系统的动态特性对现代火 力发电 锅炉 的运行特性有 决定性的影响。因此 ， 正确地 对 蒸发系统建模直接关 系到整个锅炉仿真 的真实程度 。 锅炉 蒸发区 般具 有以下几个方面 的特 点 ： ( 1 ) 分布参数 锅炉 蒸发 区的 质处 于不 同的热 力状态 ，各处参 数 都不相 同。 且大部分参数都是三维空间的函数，具有明显 的分布参数特点 ， 其控 制方 程 一般 由偏微分方程组成 。 ( 2 ) 两相流动 工质 在锅炉 蒸发区 ，尤其是水 冷壁部分 吸收热量发 生相变 ，构成 了极其剧烈和紊 乱的传热传质过程 。 ( 3 ) 系统的复杂性 锅炉 蒸发 区中包含着 复杂的物理过程 ， 当工质吸 热 量 发生变化时， 产汽量就会发生相应变化， 蒸汽压力也随 之 改变， 从而 引起整个 蒸发区各参数的改变 。 ( 4 ) 非线性 锅 炉蒸发 区中 质动 态过程 的质 量守恒 、 能量 守恒 方程 ， 大 多采用 非线性的微分或偏微分方程 。 蒸发系统模 型在整体 上 ， 应属于非线性 分布参 数的 收稿 日期： 2 0 1 1 0 9 2 8 88 数学模 型。 然而 ， 通 过对其 蒸发过程及流动情 况的分析 ， 一 般采用非线性分环节集 总参数模 型来描述蒸发系统 的 动态特性 。 通过建立有关参数 的动态数学模型及部分稳态 计算， 就能把蒸发系统产汽 、 水位变化等整个动态过程逼 真 的描述 出来 。 2 锅炉汽包水位非稳态数学模型的建立 本文依据 集总参 数分段法 把蒸 发区划 分为下 降管、 上_丁 1 管 、 水冷壁金 属、汽水 导管 、 汽包等 五个 环节。 ( 1 ) 下降管环节 有些模型把下 降管划分 为两个环节 ，本文将下 降管 整体作 为一个环 节处理 ， 其 中工质 为过冷 水 ， 无 沸腾 发 生 。 质量平衡方程 ： D x h ： D j 。 能量平衡方程 ： D x ， H ， =( 1 一日 ) H + 【 厂( 1 一口 ) H 可 得： Dv H t H a p ) a a p +M C ， a ) 生 式中： D 为下降管入 口流量 ： D 为下降管出口流量， 相当于循环水量 ： H 为下降管入 口焓 ： H 为下降管出口焓， 即循环水出口焓 ： V 为下降管容积 ： p 为饱和水密度 ： D 为省煤器给水流量 ： H 为省煤器给水焓 ： M 为下降管有效 金属质量： C ： 为金属热容， 根据金属材质， 这里取 0 4 7 k J k g ： T 为下降管金属温度 ： a 为进入汽包的给水被立 P J J n 热至饱和蒸汽 的比例系数 。 ( 2 ) 水冷壁金属环节 水冷壁 ， 也就是上升管 系，其金属质量热容会 使 l ： 质 吸热延迟 。 因此 ， 将上升管系金属作为 一个独立环节来处 理 ， 来提高模型 的准确性 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 1 2年第 1 期 ( 总第 1 5 9期) 传热方程： 一 ： c， d T -j b 其中： Q 为水冷壁烟气侧得到热流量 ： H 为饱和水 焓 ： H ” 为饱和蒸汽焓 ： Q 为工质蒸发吸热量 ： M 。 为水冷壁 金 属质量 。 ( 3 ) 上升管环节 在上升 管区段 ，由于下 降管来水不 饱和而 不能立刻 开始沸腾 ， 因而需要确定沸腾 点， 沸腾点之前的上升管内 为单相水， 对应的单相水管段为热 水段 ， 其余部分为汽水 混合段。 根据上升管区段的特 点， 建模过程 中划分为单相 热水段和 汽水混合段来考 虑 。 热水段 出 口流量计算： D O p X 其中 ： O 为热水段出口流量 ： H 为热水段出口焓 ： V 为热水段水容积 ： V ”为热水段汽容积 ：p”为饱和汽密 度 ： O 为热水段蒸发量 ； X 为热水段 出口截面含汽率： n 为热水段 附加蒸发量 ： r为汽化潜热 ： Y 为热水段热水高度 ： k 为比例系数 ， 对于 高压锅炉 直立水冷 壁管可 近似 的取 k = 0 9 5 ： x 为热水段含汽空间蒸汽平均干度 ： F 为热水段 附加蒸发 系数 。 ( 4 ) 汽水导管环节 汽 水 导管不吸 收烟气 热量 ，由于 上联箱 也不吸 收热 量 ， 所 以把上联箱并 入汽 水导管环节 一起考虑 。 汽水 导管出 口流量计 算： + D 一 D oh h x h h + 一p q s U 一 U i xq x 其中： 3 q 为汽水导管出口流量： v q 为汽水导管水容积： V q 。 ” 为汽水导管汽容积 ： X 为汽水导管出口截面含气率 ： k为比 例系数， 此处取 k = 1 ： i 为汽水导管有效金属量 。 ( 5 ) 汽包环节 省煤器给水 凝结的饱和蒸汽 量： 水侧平 衡： Dg 。 + D q ( 1 - X q s ) + D n J + D Di p - Do q b 一- ( V q 6 P) 汽侧平 衡： Dq s x 一D 一 Dq b D 翻b = 曲 p 省煤器给水凝结 的饱和蒸汽量：D , - a D ( H - H 一 ) 其中： D q b 为汽包出 口蒸汽流量 ： O x lj 为下降管流量 ： 3 为连续排污量 ： V q b 为汽包容积 ： V q b 为汽包水容积 ： V ”为 汽包蒸汽容积 ： i 为汽包有效金属质量 ： n n lj 为因省煤器给 水欠焓导 致凝结的饱和蒸 汽量 。 3 锅炉水位控制方法的研究 3 1 针对汽包干锅、满水等事故的分析与处理 汽 包正常水 位的标准线 一般是 定在 汽包 中心 线 以下 1 O 0 2 0 0 m m 处， 在水位标准线的5 0 m m以内为水位允许波 动范 围。 3 1 1 汽包满水 ( 1 ) 汽包满水现象 a ) 所有水位计指示水位高， 水位报警信号出现； b ) 给 水流量不正常地大于蒸汽流量；C ) 严重满水时， 主汽温度 急剧下降 ， 主汽管道 内发 生水冲击 ， 法兰不严密处向外 冒 汽； d ) 蒸汽含盐量增大。 ( 2) 汽包满水原因分析 a) 给水 自动调节失灵 ， 运行人 员监视不够或误操作； b ) 给水泵调节系统或给水调节 阀故障； C ) 水位计指示不正 确 ， 造成运行人员误判断而操作失误；d )负荷突然变化或 水位保护 失灵 ， 水位控 制调整不当 。 ( 3 ) 现场处理措施 a )发现水位升 高超过正常水位时 ， 校对汽、 水流量及 各水位计指示是否 一致， 指示是否正确； b)当汽包水位高 于 + 1 0 0 m m时， 应将水位控制倒为手动调整， 降低给水泵转 速或关小给水阀； c ) 当水位超过+ l 5 0 m m( I I 值时) ， 事故放 水 门应 自动开启 ， 否 则立 即手动 开启 ， 待水位 正常后 关 闭；d)因汽动给水泵调速系统故障 ， 无法降低转速时 ， 开 启备用泵， 停故障泵：e ) 水位高至+ 3 O O m m时， M F T 应动作 ， 否则立即手动停炉； f )水位调整过程中， 严密监视汽温及 减温水变化， 尽量维持汽温稳定； g ) 停炉后恢复正常水位 ， 其它按正常停炉进行处理； h )待满水原因查明并消除， 水 位放至 正常后 ， 经值 长同意后方可点火 。 3 1 2 汽包缺水 ( 1 ) 汽包缺水现象 a ) 所有水位计指示均偏低 ， 报警信号 出现b ) 给水流 量 不正常地小于蒸汽流量 ( 给 水投 自调 时， 若因省煤器 、 水冷壁管爆破时相反) ； c)严重缺水时， 过热蒸汽温度升 高 。 ( 2 ) 汽包缺水原因分析 a ) 水位 自调失灵或运行人员监视不够 ， 调整不及时或 误操作；b ) 给水泵调速系统或给水调节阀故障； c ) 水位计 指示不正确 ， 造成运行人员误判断而操作失误；d ) 给水泵 或给水管道故障； e) 锅炉给水 门、 放水 门排污系统严重泄 漏； f ) 水冷壁、 省煤器严重爆破：g ) 负荷突然变化， 水位控 制 调整不 当。 ( 3) 现场处理措施 a)发现汽包水位低于正常水位 时， 应对照汽、 水流 量 ， 校对各水位计指示是否一致， 指示是否正确；b )当水 位降至一 1 0 0 m m时， 将水位控制倒为手动调整， 调整给水泵 转速或开大给水阀， 停止排污； c ) 当水位降至一 1 5 0 m In 时， 经加大给水量， 汽包水位 仍不见上升 ， 及 时增开一台给水 泵； d ) 水位低至一 3 0 0 m m 时， M F T 应动作， 否则立即手动停炉； e)保护动作停炉后应加强上水，恢复汽包正常水位 ， 在查 明水位低 原 因并消 除后 ， 汇报值 班长 ，同意 后可重新 点 火；f) 在水位调整过程 中， 严密监视汽温变化 ， 尽量维持 汽温稳 定；g )如锅炉严重缺水， 所有水位计均显示不出水 位 ， 严 禁 向汽包上水；如需上水须经总 工程师 批准。 3 2 锅 炉水位控制方法 当锅炉 内部扰动造 成汽包水 位动态变 化，而给水泵 调节失灵不能调整给水量， 从而对锅炉安全运行造成威胁 ( 下转第9 2页 ) 89 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于F P G A和u C l i n u x的显示系统 孙爱良， 等 代 图形视窗环境 的功能部件 。 它的结构设计使其可方便 地加入不同的显示、鼠标、 触屏 以及键盘等设备。 M i C r o w l n d o w s 将图形显示的内存空间作为f r a m e b u f f e r 进行存取 操作， 这样在用户程序空间中可作为 内存映射区域来直接 控制图形显示 ， 可使得用户在编写图形程序的时候不再需 要去了解底层硬件。 在a1 t e r a官方发布的l i n u x中包含 了 m i c r o w i n d o w s ， 需要在内核配置时， 选上m i c r o wi n ， 并选 择相应 的应用软件及硬件支持即可。这里我们设计一个简 单的h e l l o w o r 1 d 程序进行验证 。 输入以下命令进行编译 n i o s 2 1 i n u x U C I i b c g c c 一 0 h e l i o h e l I o C 1 i b n a n o X a 一 1 P t h r e a d e l f 2 f 1 t ， 最终完成的系统效果演示如图6 所 7 。 一 图6 系统效果演示图 4 结 语 本文设计 了一种基于F P G A 和u C l i n u x 的显示系统， 首 先设计了显示I P 核 ， 该I P 核功能强大 ， 易于升级， 在 S O P C 设计 中， 只需要将 I P核加入即可， 系统升级方便 。 然后通 过N I O S 2软处理器稳定运行u C1 i n u x 操作系统， 并在其上实 现图形界面m i c r o wi n的移植， 使系统具有优越的图形显示 功能。 基于u C 1 i n u x 和F P G A的显示系统可以大大节约开发 成本， 节省开发周期 ， 具有广泛的使用范 围及应用前景 。 参考 文献 1 夏宇闻， 黄 然等 V e r i l o g S O P C 高级实验教程 M 北京航 航天大学出版社， 2 0 0 9 ， 9 2 李 俊 嵌入式L i n u x设备驱动开发详解华清远见嵌入式培训中 心 M 北京邮电出版社， 2 0 0 8 ， 3 3 赵克坤， 基 = A R M * IJ 嵌入式L i n u x 的图形编程 M 清华大学出版 社， 2 0 0 9 ， 9 4 蔡伟纲 N i O S I I 软件架构解析 M 西安电子科技人学 版社， 2 0 0 7， 1 1 5 毛德操， 胡希明 L I N U X 内核源代码情景分析 M 浙江大学 版 社， 2 0 0 1 ， 9 ( 上接第8 9页 ) 时 ， 可以采 取一系列水位控 制措施 ， 暂 时缓 解水位变化 ， 为检 查原 冈赢 得 时间 ， 保 证锅 炉的安全 运行 。 如前 文所 述，燃煤量增加造成汽包水位迅速下 降的情况，为避免汽 包干锅 等恶性事故的发生， 可启用备用泵给水 ， 以维持汽 包水位 ， 通过编程 算 ， 备用给水量随时间的依变关系如 图1 所永。 图1 燃