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重庆大学 硕士学位论文 超临界压力锅炉汽水系统分布参数动态数学模型 姓名：刘远鹏 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：王广军 20050301 重庆大学硕士学位论文中文摘要 I 摘要 直流锅炉是为适应调峰的需要而发展起来的， 因此直流锅炉在各种变动工况下 的动态特性以及对扰动的敏感性直接影响着锅炉的变负荷能力及安全经济运行。 目前，国内对超临界压力直流锅炉的研究还处于初级阶段，因此，建立适用于超 临界火电机组的动态数学模型并进行仿真研究分析，对掌握机组动态特性起着关 键性的作用。 本文以东方锅炉集团公司的一台 1900/ t h超临界压力直流锅炉为研究对象， 在 分析机组结构和特性的基础上，从机组的工作机理出发，以质量、能量、动量守 恒定律为依据，将流体力学领域中的Lagrange流体质点追踪思想用于机组运行特 性的分析上，建立了适用于超临界压力直流锅炉汽水系统单相、双相受热面的非 线性分布参数通用动态数学模型，该模型适合于大扰动全工况变化的数值仿真计 算，充分体现了过程热力参数的分布特性和环节中能量输送过程的时滞特性，并 对模型通过计算机仿真得出各种扰动下系统主要变量的响应曲线，从理论上分析 了仿真结果的合理性。 本文在过程的数学描述、数值分析以及实际应用等方面进行了系统的研究分 析，将双相受热面统一划分为热水段、蒸发段和微过热段三段，所建立的双相受 热面模型不但成功地避免了超临界工况与亚临界工况间的模型切换，而且消除了 由区段划分欠妥所引起的模型刚性无限加剧的问题，统一并简化了超临界及亚临 界压力下直流锅炉双相区段的数学模型和动态特性计算，而且提出了利用相变点 工况作为超临界压力下划分汽水区域的标准，解决了超临界压力下水与蒸汽的相 变点问题。 本文模型不但可用于发电机组的优化设计和运行特性的工程分析， 以及系统过 程中的定量分析与性能评价，同时适用于电站运行人员实时仿真培训。 关键词：超临界压力直流锅炉，汽水系统，动态特性，分布参数，通用数学模型， 实时仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 II ABSTRACT In order to adapt the demand of modulation peak to develop oncethrough boiler, its dynamic characteristic under various working conditions and sensitivity to all kinds of disturbances will directly influence various load ability and safe economy function of boiler. The study of supercritical pressure oncethrough boiler in home are in an initial stage at the present. accordingly, it is critical effect to grip the dynamic characteristic of unit which establish the dynamic mathematical model of supercritical fossil power unit and do research analysis on simulation. In this paper, taking one 1900t/h supercritical pressure oncethrough boiler installed in East boiler company as subject investigated, analyzing the structure and characteristic of unit, from the mechanism of units, based on the law of quality conservation, energy conservation and momentum conservation, having Lagrange fluid particle tracing idea in hydrodynamics field application in analyzing of unit operational characteristic, author build up the nonlinear distributed parameter general dynamic mathematical model of single- phase heating surface or diphase heating surface in the steam- water system for supercritical pressure oncethrough boiler, which is suitable numerical calculation and simulation for large scale disturbance and full working conditionschange,andenoughmaterializingdistributedcharacteristicof thermodynamicparameterinprocessandtimelagcharacteristicofenergy transportation in tache. The transient responses curve of the system main variables under severaldisturbance are computed by Computer Simulation for the model, and theoretical analysis shows that the simulation results are reasonable. The article covers the full research on such aspects as mathematic description, numerical analysis method and their practical applications. The diphase heating surface is divided into a hot water section, a evaporation section and a micro overheat section , the problems of model switching are avoided successfully between subcritical and supercritical working condition in the model of The diphase heating surface, and the model can be used for between subcritical and supercritical working condition without causing the model stiff infinity prick up problem. The mathematical model and dynamic characteristic account is unified and predigested for the diphase heating surface of oncethrough boiler under subcritical and supercritical pressure, and 重庆大学硕士学位论文英文摘要 III propose that the working conditions at phase change point could be used as divide criterion between water region and steam region under supercritical pressure, the problems are solved successfully between water and steam phase change point under supercritical pressure. The model not only using optimization design and engineering analysis of operational characteristic in power generation unit, and quantitative analysis and performance evaluation of system process, but also applying realtime simulation training to power plant run personnel. Keywords: Supercritical Pressure Oncethrough Boiler, Steamwater System, Dynamic Characteristic, Distributed Parameter, General Mathematical Model, Realtime Simulation 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1绪论 1.1 课题背景 随着燃料价格的不断上涨， 常规火力发电设备的发展是逐渐提高蒸汽参数和增 大机组容量，以提高热效率和降低成本。在今后 2030 年内，世界主要能源仍将 以化石燃料为主，为缓解利用化石燃料造成的环境污染，要求更加广泛地使用电 力。我国早在 1985 年就已经提出能源工业的发展要以电力为中心，1995 年又提 出能源建设要以电力为中心，这个方针完全符合世界发展趋势。发达国家几乎把 污染最严重的煤炭的全部或大部分用于发电。 随着我国国民经济的快速发展，我国发电设备的装机容量正以 78%的速度在 逐年增加，我国发电设备结构中，火电机组目前仍占 75%左右，而火电机组中绝 大部分为燃煤机组，这种趋势将持续相当长时间。这就对环境保护提出了更高的 要求。 在我国来看，1995 年全国供电煤耗平均为 404/()gkw h，约比世界先进水平 高出 6070/()gkw h，且环境污染严重，能源利用率低和环境污染问题是目前国 内火力发电厂存在的 2 个突出问题，也是制约我国电力工业乃至整个国民经济可 持续发展的重要因素。为解决这一问题，早在 1994 年制定的“电力工业科学技术 发展规划”中提出了一系列措施，其中包括“发展大容量、高效低污染的常规火 电机组(超临界压力机组)及积极开发洁净煤发电新技术等” 。 在 1999 年国家经贸委 根据“国务院办公厅转发国家经贸委关于关停小火电机组有关意见的通知”1。 制定丁关停小火电机组的实施意见，其总体目标是单机容量50MW以下(含 )50MW的常规小火电机组在 2003 年底前基本关停。1999 年，中国工程院与矿业 工程学部共同在北京主办了“高效超临界压力发电技术研讨会” ，其共同认为：提 高能源利用率是实现我国可持续发展战略目标的最有效、最经济的途径。发展高 效超临界大型火力发电机组，缩小与世界先进水平的差距，对提高能源利用率及 环境保护有重要作用。预计到 2005 年，我国的发电装机容量为 390GW，其中燃 煤机组约 70%。由于国家对环保要求越来越高，加快建设和发展高效超临界火电 机组是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重的最现实、最有效的途径。 整体煤气化联合循环(IGCC)和增压流化床(PFBC)是比较先进的洁净煤发电技 术,也是妥善解决节能与环保的主要手段之一。但该项技术在德国、西班牙以及美 国、日本等工业发达国家尚属示范运行和工业化试验阶段，在我国还是新兴技术， 作为未来烘烧发电的首选技术,需进一步消化吸收和研究开发。当然在国外，超临 界压力机组技术则是一项比较成熟的技术，在发达国家已得到广泛应用，目前正 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 向超超临界技术方向发展。 在国外，超临界机组无论是在安全性、经济性还是适应性上来说，其技术已经 成熟并以掌握，在提高大容量机组比例的广泛市场上，已具有不可争辩的竞争力。 为解决我国一次能源不足的制约，节约能源，降低煤耗已成为电力部门的重要目 标，采用高效率机组势在必行，不仅从容量等级上提高，更要结合其提高蒸汽初 参数。根据国外的经验，采用优化的超临界或超超临界技术，电厂效率可能提高 至 45%以上，可与联合循环电站效率相蓖美。 本论文就是在这种背景下，完成了东方锅炉厂型号为 DG1900/25.41 的超 临界压力锅炉汽水系统的分布参数动态数学模型。该模型采用 Lagrange 流体质点 追踪方法对汽水系统建立了通用模型，采用 Fortran 编程，并进行计算机仿真。为 超临界压力直流锅炉的设计、运行、改造等提供了理论基础。 1.2 国内外相关研究概述 1.2.1 超临界压力锅炉的现状 锅炉是火力发电厂的主要设备之一， 它随着电力事业的发展而不断发展。 技术 和经济以及社会的快速发展对电力工业提出了更高的要求，这也为锅炉的发展明 确了方向。 超临界参数机组因其较高的循环热效率， 吸引着动力设备制造业以及电厂的兴 趣。苏、美、日本和德国等在 50 年代就开始研制，目前全世界约有 500 台超临界 参数机组在运行，总发电量约为 2 亿千瓦2。在 50 年代，由于当时不够成熟的技 术，如采用微正压燃烧等技术，从而引发了烟气泄漏热膨胀处理等问题，加上当 时由于能源价格相对低廉，开发新能源设备的动力不足，人们的注意力只停留在 对现有设备的改造和提高上，对超临界压力机组的认识不足，因此超临界技术在 美国的发展一度较为缓慢。 究其原因主要是： 初期生产速度过快。 实际上在 Philo 电厂投入运行之前，就已经接受了MW450机组的订货，10 年之后就发展到 MW1300的规模。容量猛增 10 倍，设计研制过程难免粗制滥造。 初参数的选 择片面追求高效率。Philo 电厂的MW125机组，蒸汽压力高压为 a MP31，脱离了当 时工业的综合实力，因此机组的利用率较差。美国超临界火电技术的发展为此付 出了代价。尽管到 1980 年，美国的超临界压力机组已投运 170 余台，但到后来， 美国就几乎停止了超临界技术的发展，而已亚临界压力汽包炉为主。 前苏联则坚持发展超临界技术，依靠自己的技术力量，经多次技术改进，超临 界技术相对比较成熟，发展了 500MW、800MW 和 1200MW 的系列产品，而且新 建的 300MW 以上机组，只采用超临界参数。目前超临界机组运行的总台数已超过 200 台，是世界上超临界机组运行台数最多的国家。但其在技术上的发展和改进步 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 子不大，锅炉笨重、工艺粗糙、金属性能与检测手段都有待提高。在阀门、辅机、 吹灰装置、控制系统等方面，比其它工业发达国家还有较大差距。日本则采用引 进其它国家的先进技术，并加以消化吸收的方法，技术发展很快，至 1985 午前后， 其超临界压力机组的台数就已占到日本装机容量的 59以上，目前在日本新建的 450MW 以上机组均为超临界压力机组，正向超超临界技术发展3。第 1 台负荷为 700MW，蒸汽参数为 30.9MPa621566566的机组已于 1989 年投人运行， 其经济性和可靠性均达到较高水平。70 年代，日本发现联邦德国生产的带盘旋上 升的旋管圈锅炉，能经济快速起停，且方便调峰运行。他们立刻着手改造美国引 进的直管系统，仅 3 年左右时间，从设计、制造、加工工艺到生产流程就进行了 彻底的变革。随着适宜带基本负荷的核电站的兴起，日本的超临界机组能自如地 适应变压运行、带周期性负荷的要求。 欧洲以德国发展超临界技术最早，如今丹麦则拥有世界上净效率最高的超临 界压力机组，其发电效率达 45.3。近年来，美国总结了超临界技术的经验与教 训，认为在超临界技术发展过程中所遇到的问题并非超临界蒸汽参数所致，在吸 取其它国家先进经验的同时，经不断改进和完善，美国超临界压力机组的可用率 已与亚临界压力机组相当。1992 年底又投运了 1 台 300MW，蒸汽参数为 24.1MPa 638538的超临界压力燃煤机组，又重新发展超临界技术。人们在提高蒸 汽参数的同时，也努力改进汽轮机通流部分设计与燃烧技术，技术日臻成熟。 我国在 60 年代初期，上海锅炉厂就开始了带内螺纹管直流锅炉的研制。70 年 代初，上海、哈尔滨还相继制造了 12t/h 和 5t/h 的超临界试验锅炉，至今已安装试 运 20 多年。我国为迅速掌握超临界机组的发电技术，在“七五”计划中决定引进 超临界机组的成套设备。 如最早的华能上海石洞口第二发电厂(2600 MW)和华能 南京电厂(2300MW)以及最近的伊敏发电厂(2500MW)和盘山电厂(2500MW) 等。但已投运和正在安装的机组均为进口设备，最大单机容量为 800MW，正设计 的机组单机容量为 900MW，也为进口设备，且俄罗斯机组占据了较大份额。经一 段时间的运行实践，积累了丰富的运行经验，随着设备国产化份额不断增加，设 备成本也不断降低。 在我国，超临界技术的发展也可走引进、仿制、创新之路，最近，国家发展计 划委员会已确定沁北电厂2600 MW机组作为超临界压力机组国产化的依托单位 工程，标志着我国超临界压力机组的发展进入一个新阶段。在东方锅炉制造的华 能沁北电厂一期工程 1 号 60 万千瓦超临界机组锅炉一次水压成功后，机组又一次 并网成功。这标志着我国超临界机组国产化技术取得成功。 1.2.2 超临界压力锅炉的发展趋势 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 超临界压力锅炉经过 40 多年的运行实践和技术改造，技术日臻成熟，运行的 经济性和可靠性不断提高，与亚临界压力锅炉相比，超临界压力锅炉在提高能源 转化率、降低供电煤耗、减少 2 CO排放等方面有明显优势。超临界压力锅炉的发 展趋势大体可以由以下几个方面来说明。 锅炉容量和蒸汽参数 锅炉容量和提高蒸汽参数是锅炉的主要发展方向。近几十年来，单台机组容 量不断增大是一个总的趋势。扩大单机容量可使发电容量迅速增长以适应生产发 展的需要，同时可以使基建投资下降，设备费用降低，减少运行费用以及节约金 属材料消耗。 在其它条件相同时， 锅炉容量增大1倍， 钢材使用率可减少5%到20%， 所需管理人员也可减少。另外，根据国外的经验机组容量达到 1000MW 附近时， 单位造价呈现出饱和的趋势 4。在 50 年代至 70 年代，大容量机组不断出现。美 国于 1973 年投运了 1300MW 机组，锅炉容量为 4398t/h；前苏联与 1981 年投运一 台 1200MW 的超临界压力直流锅炉，锅炉容量为 3950t/h。 从济角度出发，电力工业要求发电设备具有更大的可用率，此外，目前机组带 负荷方式趋向于带中间负荷，这就要求发电设备具有更大的灵活性。由于大机组的 可用率相对较低，每年故障和计划检修停机时间都比较长，再加之 1000MW 以上 机组的运行灵活性有所不足，故近 20 年来国外工业发达国家火力发电机组的单机 容量一直稳定在 500MW 到 800MW 之间。 随着机组容量的增大，提高电厂的热效率就更为迫切，提高蒸汽参数和采用蒸 汽再热是提高电厂热效率的有效措施。蒸汽压力由超高压提高到亚临界，可使电厂 经济性提高大约 1.7%；由压临界压力提高到超临界压力，电厂经济性又可提高大 约 1.8%5。目前，超临界压力机组的蒸汽参数正向超超临界方向发展，有望将电站 效率提高至 45%以上。 煤种和燃烧技术 燃料价格的上涨是推动锅炉技术发展的一个主要动力。发展高参数大容量锅 炉的目的就是提高锅炉机组热效率，节约燃料。由于煤炭供应紧张，促使锅炉燃 用劣质煤、难烧的贫煤、无烟煤等，这也推动了劣质煤燃烧技术的发展。 低污染燃烧技术是近期锅炉发展的一大趋势。 为了满足日益严格的环保要求， 合理组织炉内燃烧工况，完善低 x NO 燃烧器，开发炉内脱硫脱氮技术尤为重要。 近三四十年来，人们在解决锅炉燃烧生成的硫氧化物和氮氧化物的污染问题上取 得很大进展。已开发了选择性催化还原脱氮技术和低氧化氮燃烧器，使氮氧化物 的排放得到控制；已有几种烟气脱硫方法在许多锅炉上得到应用；燃烧中脱硫的 硫化床燃烧锅炉和炉内喷钙也取得了成功。目前，人们正在继续寻求更为经济有 效的低污染煤炭燃烧技术，如直接燃煤的燃气蒸汽联合循环、整体煤气化增 重庆大学硕士学位论文1 绪论 5 湿燃气轮机等煤炭清洁燃烧新方案。在不久的将来，以超临界压力蒸汽循环燃煤、 高效、低污染的新一代火电机组将在电力工业中出现。 运行可靠性和灵活性 发电厂三大主机中，锅炉的事故率较高，超温爆管是常见事故。因此，提高锅 炉及其辅机的可靠性是始终应该注意研究解决的问题。近年来，安全运行观点越 来越占优先考虑的地位。锅炉的可靠性涉及到设计、设备制造、运行维护和生产 管理等各个方面。 运行灵活性中最主要的要求是可以调峰运行，即可以带低负荷，可以两班制 运行。世界各国都十分重视开发调峰机组。美国自 80 年代初就规定：凡今后生产 的火电机组一律参加调峰运行。日本由于以核电机组作为基本负荷机组，故火电 机组都必须承担调峰负荷。为了使大型锅炉适应变负荷运行需要，国外大型锅炉 普遍在高热负荷区采用内螺纹管。超临界压力直流锅炉受热面的壁厚较薄，升降 负荷的速率可大些，以适应带中间负荷和机组调峰要求。如丹麦 Vestkraft 电厂 3 号炉在负荷高于 50%MCR 时，一般负荷变化率为 7%/min，在负荷低于 50%MCR 时，一般负荷变化率为 4%/min；日本碧南火电厂 1 号炉在 100%50%ECR 时，一 般负荷变化率为 3%/min，紧急情况下负荷变化率能达到 5%/min，在 50%30% ECR 时，一般负荷变化率为 1.5%/min6。 自 90 年代初以来，最新的超临界锅炉已将电站效率从 42%左右提高到 47%。 除经济效益外，循环效率的提高也带来了相当大的环境效益，减少了单位发电的 CO2、 SO2 和 NOx 的排放量。 未来欧洲技术发展目标是， 进一步提高蒸汽参数 （到 约 375bar,700/720） ，使效率达到 55%。 1.2.3 发展超临界压力锅炉的意义 现代高新技术的发展以及能源的短缺，火力发电机组的经济性倍受重视。世 界上许多国家都采用大容量高参数锅炉，包括超临界压力参数锅炉。就发电系统 而言，锅炉参数对电厂的经济性具有更重要的意义。 (1)采用超临界压力锅炉的机组可靠性好 美国的早期燃煤超临界机组可用率仅为(6469)，但最新报道表明：美国 600 一 800MW 等级两次中间再热的超临界机组平均可用率已达 90， 高于同容量 等级的亚临界参数机组，美国 1300MW 机组的可用率都达到 92%以上。日本制造 的超临界机组其可用率更高，大多都在 95%以上。据北美电力可靠性委员会预测， 美国燃煤超临界锅炉的强迫停机率将继续降低，这意味着超临界机组的可靠性正 在进一条提高。 我国电厂超临界压力机组运行的实绩也说明其可靠性好，在 1997 年，石洞口 重庆大学硕士学位论文1 绪论 6 电厂的两台 600MW 超临界机组，其等效可用系数分别达到 88.24%与 96.53%， 高于国内已投运的其它 600MW 压临界机组。 华能南京两台 300MW 超临界机组等 效可用系数分别为 84.6%与 95.21%。 就整个发电系统而言，锅炉“四管漏泄”是影响机组可靠性的主要因素。当 锅水压力超过临界压力 22064MPa 时7，它在锅炉内被加热到临界温度 37399 后，水全部变成蒸汽，不存在汽液两相共存的情况，也就不会发生两相流动时 的膜态沸腾；而在亚临界压力下，两相流动时，容易发生膜态沸腾，导致壁温飞 升，甚至爆管的传热恶化。这是超临界参数机组具有较高可靠性的原因之一。 为了提高锅炉运行的可靠性和灵活性，大容量锅炉一定要提高锅炉的可控性， 配备完善的自动化装置。现代锅炉需要监视的信号以及需要操作的阀门和挡板均 很多，必须要有完善的检测和控制手段，并具有高度自动化水平。目前，已普遍 使用计算机实行监控，并用数字技术和模拟技术实行机炉协调控制、锅炉调节控 制、炉膛安全监控等，以及实现许多辅机的顺序控制和就地控制。 (2) 超临界压力锅炉的机组经济性好 采用超临界压力参数可提高循环效率 从热力学上讲，提高初压相当于提高工质动力循环的平均吸热温度，从而提 高循环热效率；另一方面从亚临界压力提高至超临界压力，促使锅水的沸点提高， 这就增加了凝结水加热到饱和水所需热量，从而扩大了回热的范围，进一步改善 了循环的效率。 采用超临界压力参数可提高整个电厂效率 凝气式发电厂效率 ndc 可用下试表示： djgdglndc 1 （1.1） 式中 gl 为锅炉效率， gd 为管道效率， 1 为蒸汽循环热效率， 为汽轮机的相对 内效率， j 为汽轮机的机械效率， d 为发电机的效率。 由式(1.1)可知，当其它条件不变时，蒸汽压力由亚临界提高至超临界，使其 循环效率( 1 )提高，从而使整个发电厂具有较高的效率。 具有超临界压力锅炉的机组的煤、热耗率低 凝气式发电厂的热耗率 ndc q、煤耗率 b 可表示为： ndcndc q/1（1.2） )/(1 ndc r dw Qb（1.3） 式中 r dw Q为燃料应用基低位发热量，kgkJ /。 由式(1.2)、(1.3)可知，当其它条件不变时，由于采用超临界压力参数后，电厂 重庆大学硕士学位论文1 绪论 7 效率的提高，可使整个发电厂的热耗率及煤耗率降低。据计算8，当其它参数相同 时，从亚临界压力 18MPa 提高至超临界压力 25MPa，机组热耗降低约(182) ，又如超临界机组(2354MPa，538538)与亚临界机组(1657MPa,538538 )比较,热耗可下降(23)。 (3)超临界压力锅炉金属耗量低 由于在温度相近时，超临界压力下蒸汽比容比亚临界压力下蒸汽比容小，更因 为应用了超临界压力参数后热效率的提高, 汽耗率下降， 这样产生一定功率而必需 流经管道的蒸汽容积流量显著减少，从而可以缩小设备，特别是管道阀门等部件 的尺寸和重量。 超临界压力参数的锅炉，在正常运行时，不存在汽水两相共存的情况，从而也 不需要对汽水进行分离的笨重的锅筒，这也使锅炉金属耗量减少。 1.2.4 超临界压力锅炉动态数学模型的研究现状 随着社会对能源需求的增长，各种大容量火电机组不断涌现，机组结构更趋复 杂，自动控制水平越来越高，机组安全经济运行的指标愈来愈严格，这就要求设 计和运行人员都必须掌握机组的运行特性。 建立机组的数学模型， 进行仿真研究， 是获得机组特性的一个很有效的手段9。 通过建立数学模型来判断机组动态特性的优劣，分析锅炉结构参数改变对机组动 态特性的影响，设计合理的控制系统，进行有效的仿真研究。 电站仿真技术在国外发展的技术比较成熟，已经形成了一系列专用系统软件。 例如， 美国的 EAI （ElectronicAssociate Inc） 公司、 Link 公司、 G.E （General Electric） 公司、C.E（Combustion Engineering）公司等，还有日本三菱公司，英国中央电力 局 CEGB 等都有自己的产品。国内在这方面也具有一定的水平和能力，清华大学 于 1976 年开始进行大型火电机组的动态数学模型及实时仿真的研究工作，并与 1982 年研制成我国第一套火电机组的模拟培训装置10。采用传统的建模方法所建 立的模型没有通用性，重复性的劳动太多，对于建模的技术要求也很高。所以需 要一种通用的、使用方便的、有效的电站机组的动态特性和运行分析的仿真软件 包。 美国电力研究所 （EPRI） 于 1978 年会同 B&W 公司研制成功了 MMS （Modular Modelling System） ，即模块化建模系统11。模块化建模系统是目前世界上最完整 最有代表性的电站仿真软件。 在 30 年代， 大多数研究者仅仅把热工控制对象看作具有集总容积的线性环节， 根据对象输入、输出间的传递函数研究系统在各种输入扰动作用下的响应特性。 由于所建立的数学模型本身过于简化，在具体应用过程中，模型中的许多特征参 数只能根据实验结果确定。在这一段时间，人们对电站锅炉的动态特性的掌握， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 8 主要是依赖实验测试方法。 到目前为止，从国内研究和开发的全工况实时仿真培训系统来看，对锅炉汽 水系统的数学模型几乎均为传统的集总参数模型。采用这种模型可以满足定性仿 真和一般培训仿真的精度要求，但随着仿真技术向工程分析仿真、全程控制系统 的定量分析与仿真研究等领域深入，传统的集总参数模型则不能满足要求。为了 满足这一要求，将锅炉和汽机所有单相区段的模型改为采用高精度的集总参数动 态修正模型是必要的。为了提高集总参数模型接近分布参数对象的精度，增加建 模区段的分段数是一种有效的方法12。高精度的集总参数动态修正模型能充分反 映热工对象的分布参数特性，静态误差远小于线性化分布参数模型。具有建模简 单、计算方便以及实用性强的特点，既适用于全工况高精度实时仿真培训系统研 究，又适用于电站全程控制系统仿真研究，具有广泛的工程应用前景13。 在 50 年代初期，人们开始研究热力设备线性分布参数模型14。在 1962 年及 1971 年， M.Enns 等人分别对单相和双相受热环节的线性化分布参数模型进行了深 入研究15，得出了描述锅炉单、双相受热面在各种典型输入扰动作用下动态响应 特性的传递关系式。此类分布参数数学模型可以对电站锅炉等热力设备在小扰动 工况下的动态特性进行较为精确的分析。 线性化分布参数模型在某一工况点附近以及小扰动的情况下能较好的反映热 工对象的分布参数特性，以次为基础能够方便地进行控制系统的仿真研究，所得 结果与现场调试情况较为吻合，因而被广泛的应用于热工对象控制系统的设计与 研究工作中。但该模型静态误差较大，不适用于大扰动全工况仿真，也不适用于 电站全程控制系统仿真研究。 六十年代末期， 随着火力发电机组容量的不断提高和机组参数与电网调峰任务 的加强，特别是在采用滑参数运行方式的超临界压力火电机组的投产，设计和运 行人员要求对机组在全工况范围内的动态品质进行掌握。为此，人们在火电机组 非线性数学模型及其数值仿真方法等方面进行了广泛的深入研究1622，并为火电 机组全工况实时数字仿真培训系统的研制与开发奠定了必要的理论基础。 美国 EPRI (Electrical Power Research Institute)在火电机组运行性能分析领域进 行了大量的研究工作，于 1984 年成功地开发出 MMS (Modular Modelling System)， 并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2324。 在目前，建立可靠的数学模型和分析方法，对火电机组运行性能进行定量评价， 从而为机组的设计和运行提供优化依据， 一直成为 EPRI 研究发展规划中的一项主 要内容2527。 时变参数的非线性分布参数模型相对于原线性化分布参数模型来说， 时变参数 的非线性分布参数模型对负荷或工况变动范围的适应性增强，比较适用于大范围 重庆大学硕士学位论文1 绪论 9 的控制系统的仿真研究。然而该模型的静态误差仍然很难消除，因而在国内外的 电站培训仿真机上一般均很少使用。 七十年代末期，原西德斯图加特大学与 VEW 动力公司联合，开发了一种适合 于火电机组大状态变动工况下，运行特性分析的非线性事变数学模型及相应的计 算机软件，并于 1984 年获得了阶段性的试验验证28。在此期间，原苏联的中央锅 炉汽轮机研究院和全苏热工研究所等部门，积极地进行包括蒸发系统两相流动不 稳定性在内的超临界压力火电机组运行性能分析数学模型的研究工作。 在国内，近十几年来火电机组仿真技术获得了发展，大型发电机组实时仿真 培训系统相继投入运行，特别是在火电机组模块化仿真系统的研制方面完成了大 量的工作29。目前，从总体来说，有关利用数学模型对火电机组运行性能进行全 面的工程分析领域的科研工作还刚刚起步，与国外先进水平还不能相比。 目前，对超临界压力直流锅炉的研究还不成熟，在压临界到超临界区域对水和 水蒸汽的热物性的变化情况，还没有比较全面系统的数学模型。水和水蒸汽性质 国际联合会于 1997 年通过的新型水和水蒸汽热力性质工业公式 （IAPWSIF97） 是目前最适合应用的计算模型30。对于直流锅炉蒸发受热面，目前都是采取分段 方式对每一段建立移动边界集总参数模型，这种模型会导致系统的病态问题。根 据研究结果，在现有条件下利用上述模型实现直流锅炉发电机组的全工况实时仿 真已经十分艰难。采用集总参数建模的方法，严格限制了对蒸发系统两相流体水 动力不稳定性的分析。 国内在直流锅炉建立模型理论研究的最新成果主要是：基于 Lagrange 流体质 点追踪思想的动态计算模型，适用于大扰动全工况仿真的非线性集总参数移动边 界的动态数学模型31。但还没有采用此模型开发出实用性的全工况实时仿真培训 系统。国内在超临界直流锅炉的设计与制造、运行与控制等方面均落后于国际先 进水平，因而迫切需要开发能用于定性和定量分析的全工况仿真系统。 超临界压力直流锅炉蒸发系统动态特性的研究已有多年历史， 采用的数值计算 方法和数学模型也较多。但当机组运行工况变动较大时，其模型的精度难以保证。 伴随着计算机技术的发展以及对象本身工作条件和运行方式的改变，这一课题目 前仍处于不断发展之中。 1.3 汽水系统建模方法及对象描述 1.3.1 汽水系统建模的方法 目前锅炉汽水系统的建模方法一般有以下三种：即集总参数模型，线性分布 参数模型以及非线性分布参数模型32。 集总参数模型 重庆大学硕士学位论文1 绪论 10 为简化问题，在建立数学模型时， 将受热管内的介质状态参数看成是均 匀一致的，并在空间位置上选定一个有 代表性的点，利用这一点介质的参数作 为环节的集总参数。在这种简化假定下 建立的模型就是集总参数模型。集总参 数的代表点通常有三种取法，即：进 口点，中间点，出口点。上述三种 不同的选取方法可以得出三种类型的 集总参数模型，即以入口参数作为集总 参数的数学模型，以进出口参数值的平 均值作为集总参数的数学模型以及以 出口参数作为集总参数的数学模型，其 图 1.1入口温度阶跃增加时出 口温度的响应 Fig1.1 The respond of export temperature when increase step of entry temperature 1 不考虑介质密度变化，以进、出口平 均温度作为集总参数；2 考虑介质密度变 化，以进、出口平均温度作为集总参数；3 以出口参数作为集总参数；4 多分段，以 出口参数为集总参数；5 分布参数 中以入口参数作为集总参数将产生不稳定的响应，以进出口参数的平均值作为集 总参数将导致阶跃响应曲线起始段产生不正确的负偏移，如图 1.1 所示。 采用集总参数建模方法可以建立锅炉机组的全工况整体数学模型，其结果在 定性方面是可以令人接受的，并且模型数值求解方法相对来说比较简单。由于大 多数热工对象(特别是焓温通道)具有典型的分布参数特征， 工质在流动过程中被逐 步加热，使状态参数发生变化，而使集参数模型虽然能反映对象的非线性，但无 法体现热工对象的分布参数特点。 线性化的分布参数模型 这种模型主要针对锅炉的焓温通道，锅炉焓温通道具有明显的分布参数特性。 对原始偏微分方程首先进行线性化处理，然后再进行拉普拉氏变换，最后根据初 始条件和边界条件得到焓温通道的传递函数。 最后所得到传递函数是超越函数。该方法是较早的一种模型处理方法，当时 的数字计算机还比较落后，仿真计算一般采用模拟计算机。利用其来模拟热工对 象的动态特性，在小扰动工况下，具有足够高的精度，且能较充分地反映热工对 象的分布参数特性，模型最终得到的各种传递函数也可以作为自动控制系统的设 计依据，且用频域上的传递函数来设计控制器是比较方便的。但是线性化分布参 数模型不能直接用来进行锅炉机组的大扰动全工况情况，所以必须对其加以修正。 非线性化的分布参数模型 这种方法也主要针对锅炉的焓温通道。对于其平衡方程组，若直接采用偏微 分方程数值解法，且在保证精度和数值稳定性的前提下,迭代计算很长时间。对此 德国学者提出了一种近似解析的方法。建立了热工对象的非线性分布参数模型， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 11 它适用于大扰动全工况仿真。R.Dolezal 等采用该方法成功地完成了锅炉启动过程 以及各种事故工况的仿真，并通过现场测试证明了模型的有效性。该方法不产生 计算过程中的数值不稳定，并能充分地反映热工对象的非线性分布参数特性，且 还能比较准确地反映金属壁温的变化规律。不足的是由于近似解析的表达式相当 复杂，且含有指数项，所以计算时间较长，很难满足在线实时的要求。另外文献 33- 34中也给出了超临界直流锅炉一些可供参考的数学模型，但上述模型或过于 简单、或过于复杂不便于应用35。 1.3.2 建模对象的描述 本论文是以东方锅炉厂一台蒸发量为 1900/ t h的超临界压力直流锅炉为研究 对象。在额定工况下，本锅炉由于是超临界参数，由水加热到过热蒸汽的过程不 再存在汽水混合物的两相共存状态，而是始终只有或是水或是蒸汽的单相工质。 该直流锅炉带汽水分离器，从锅炉启动到正常负荷，汽水分离器始终处于工作状 态。当该汽水分离器成干式运行时，相当于一个蒸汽通道；成湿式运行时，起汽 水分离器作用，类似于汽包。当汽水分离器从湿式切换到干式时，或由干式切换 到湿式时，有一控制切换过程。另外，该锅炉的分离器系统采用开放式系统，在 湿式运行时，其疏水经扩容器直接回收至除氧器，所以不存在闭式系统中有可能 出现的压力不稳定情况。 本文建模范围：工质侧从给水泵开始经省煤器入口到低压缸排气，包括再热 系统。将整个锅炉汽水系统划分成单个相连的环节，基本上以每一个换热器作为 一个环节，其中水冷壁又分成三段：热水段、蒸发段、微过热段。在模型中，所 有容积较小的连接管以及中间集箱合并到与之相邻的受热面环节中，两个喷水减 温器作为独立环节。对于锅炉受热面、连接管和集箱等，认为它们的有效金属部 分的温度变化分别与其内部工质的温度变化同步，即在所有环节中把金属的热容 量与工质合并。 下面是东锅提供的 100%负荷下的主要稳态热力计算数据： 锅炉蒸发量：1900t/h 二次蒸汽消耗量：1607.6 t/h 给水温度：284 给水压力：29.0MPa 过热蒸汽温度：571 过热蒸汽压力25.4MPa 再热蒸汽压力（进出）4.774.57MPa 再热蒸汽温度（进出）322569 重庆大学硕士学位论文1 绪论 12 1.4 本论文的主要工作及特点 1.4.1 本论文的主要工作 现代高新技术的发展以及能源的短缺，致使火力发电机组的经济性倍受重视， 自动控制水平越来越高，机组安全经济运行的指标也愈来愈严格，这就要求大力 提高火电机组实时仿真技术。到目前为止，从国内研究和开发的全工况实时仿真 培训系统来看，对锅炉汽水系统的数学模型几乎均为传统的集总参数模型。采用 这种模型可以满足定性仿真和一般培训仿真的精度要求，但随着仿真技术向工程 分析仿真、全程控制系统的定量分析与仿真研究等领域深入，传统的集总参数模 型则不能满足要求。因此，开发能够实现超临界火电机组实时仿真的非线性分布 参数动态模型具有较强的现实意义。 本论文主要完成以下工作： 建立全压力（包括超临界压力区域）水和水蒸汽状态参数及热物性计算模 块，该计算模块用 Fortran 编程，其适用于超临界火电机组的实时仿真。比如用压 力 P 和温度 T 求焓 h、比容 v、比热 Cp、比熵 s；用焓 h、比容 v、比热 Cp 和压力 P 求温度 T 或用焓 h、比容 v、比热 Cp 和温度 T 求压力 P 等； 建立强制流动汽水系统分布参数的动态过程数学模型， 利用该模型对超临 界压力直流锅炉水冷壁系统的水动力特性进行计算仿真分析，将双相受热面统一 划分为热水段、蒸发段和微过热段三段，所建立的双相受热面模型不但成功地避 免了超临界工况与亚临界工况间的模型切换，而且消除了由区段划分欠妥所引起 的模型刚性无限加剧的问题，统一并简化了超临界及亚临界压力下直流锅炉双相 区段的数学模型和动态特性计算。 开发超临界压力直流锅炉汽水系统仿真模块， 分析了分布参数动态过程数 学模型的数值仿真方法； 对超临界压力直流锅炉汽水系统动态过程进行仿真试验研究与分析， 关键 是对锅炉在满负荷超临界压力下以纯直流方式运行过程进行仿真分析，以及在亚 临界压力下运行过程进行仿真分析。而且提出了利用相变点工况作为超临界压力 下划分汽水区域的标准，解决了超临界压力下水与蒸汽的相变点问题。 本文将流体力学领域中 Lagrange 流体质点追踪思想与方法用于汽水系统运行 特性和模型分析上，该动态计算模型适用于热工过程的定量分析与实时仿真。 1.4.2 本论文的主要特点 本文以建立超临界压力直流锅炉汽水系统分布参数动态数学模型为目标， 对过 程进行数学描述、数值分析、仿真试验研究与分析，主要特点在于： 利用流体力学领域中的 Lagrange 流体质点追踪思想，对研究对象的运行 j 乒 重庆大学硕士学位论文1 绪论 13 特性进行分析；为了克服所建立模型的动态误差以及保证机组运行特性能进行全 面的定量分析，故将研究的目标放在流体体系上，并随该体系一起运动，即采用 Lagrange 方法研究流体在其运动过程中热力学状态参数的变化规律，也就是采用 移动参数进行描述过程变化规律。 对过程建立非线性分布参数动态数学模型， 为锅炉全工况实时仿真培训系 统的研制与开发奠定理论基础； 提出受热面动态过程的动态计算模型， 同时具有对过程定量分析以及实时 仿真的功能，克服“病态”现象，真实地反映了过程热力参数的分布特性以及时 滞特性； 利用动态模型对锅炉蒸发系统的水动力特性进