（动力工程及工程热物理专业论文）给水泵汽轮机汽源切换方式模拟.pdf

中文摘要 摘要 锅炉给水泵是火力发电设备中重要的辅机之一，给水泵功率约占机组额定功 率的2 一4 。相对电动给水泵，在3 0 0 m w 以上机组选用汽轮机拖动给水泵不仅 能提高机组热效率减少厂用电消耗，而且其运行稳定性和调节性能良好，因此， 采用辅助汽轮机驱动给水泵已成为大功率汽轮发电机组中常用的方式。 在我国北方富煤贫水地区，为减少机组运行时大量的水资源消耗，均采用空 冷凝汽器机组，对保障当地经济发展起到了重要的作用。对于采用直流锅炉的空 冷机组，当给水泵汽轮机排汽直接进入空冷系统时，由于其运行受气候变化的影 响较大，所以对于给水泵汽轮机的运行，不仅要考虑快速升降负荷时对驱动透甲 做功能力的影响，还要考虑在背压突变及其它特殊工况下如何满足给水需求。 在正常工况下，当工作用低压汽源不能满足给水泵汽轮机做功需求时，将切 换备用高压汽源对其供汽。因此在某些需要进行汽源切换的特殊工况下，汽源切 换方式对给水系统的快速响应能力影响较大。本文运用模块化建模软件m m s ，根 据仿真目的，在适当假设和简化基础上，搭建了6 0 0 m w 直冷机组锅炉及汽机汽水 系统模型，在1 0 0 t - m c r 工况下进行了背压突变和低压进汽阀门故障关闭等仿真 实验，对给水泵汽轮机汽源切换方式进行了比较和分析，并且对外切换给水泵汽轮 机的调节方式进行了研究和对比。仿真实验结果表明：在背压变化不大的工况下， 外切换机组运行得更加稳定，但是内切换方式对背压突变的适应能力更强，适合 长期在背压变化较大工况下运行的机组；在背压突变和低压进汽阀故障关闭的工 况下，相对于低压调门全开时便开启高压调门进行汽源切换的外切换给水泵汽轮 机，采用高压调门控制低压调门进汽压力的调节方式，能够更快速地响应外界干 扰，减小外界干扰对机组稳定运行的不利影响。 关键词：直冷，给水泵汽轮机，切换，仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t i 认ct b o i l e rf e e dp u m pi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta u x i l i a r ye q u i p m e n t si nt h ep o w e r p l a n t i t sp o w e ri s a b o u t2 - 4 o ft h eu n i tr a t e dp o w e r c o m p a r ew i t hu s i n gt h e m o t o r - d r i v e nf e e dw a t e rp u m p ，u s et h es t e a m d r i v e nf e e dw a t e rp u m pi nt h ep o w e r p l a n t s w h i c hr a t e dp o w e ri sh i g h e rt h a n3 0 0 m w , h a v em o r ep r o f i t s u s i n gt h e s t e a m d r i v e nf e e dw a t e rp u m p ，c a nn o to n l yr a i s et h eu n i tt h e r m a le f f i c i e n c y , c o n t r o l t h ef e e dw a t e rf l o we a s i e r , c a na l s ok e e pt h er u n n i n gm o r es t a b l e s o ，u s i n gt h es t e a m t u r b i n ed r i v et h ef e e dw a t e rp u m pb e c o m et h eg e n e r a lw a yi nt h eh i g h - p o w e ru n i t s i no u rn o r t h e r nr e g i o n ，w h e r ei sr i c hi nc o a la n dp o o ri nw a t e r , i no r d e rt os a v et h e w a t e ri nt h ep o w e rg e n e r a t i o n ，t h eu n i t sw o u l dc h o o s et h ea i r - c o o l e dc o n d e n s e r i tt a k e s a ni m p o r t a n tp a r tt oe n s u r et h el o c a le c o n o m i cg r o w t h i nt h ed i r e c ta i r - c o o l e du n i t ，t h e e f f e c to fb a c kp r e s s u r ec a n n o tb ei g n o r e d t ok e e pt h er u n n i n gs t e a d y , w em u s tc o n s i d e r t h a th o wt o s a t i s f yt h eb o i l e r f e e d w a t e rr e q u i r e m e n tu n d e rt h es p e c i a lw o r k i n g c o n d i t i o n ，l i k et h eq u i c k l yr i s eo ft h eb a c kp r e s s u r e i nt h en o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，w h e nt h ew o r k i n gl o wp r e s s u r es t e a mc a n n o t s a t i s f yt h ep o w e rc o n s u m eo ft h et u r b i n ed r i v i n gt h ef e e dw a t e rp u m p ，t h es o u r c eo ft h e d r i v e n t u r b i n ew o r k i n gs t e a mw i l ls w i t c ht ot h eh i g hp r e s s u r e a sar e s u l t ，t h ew a yh o w t os w i t c ht h ew o r k i n gs t e a mf r o ml o wp r e s s u r es o u r c et oh i g hp r e s s u r es o u r c e ，h a v i n ga s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef e e dw a t e rs y s t e mu n d e rs p e c i a lw o r k i n g c o n d i t i o n i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o np u r p o s e s ，a n do nt h eb a s i so f a s s u m p t i o n sa n ds i m p l i f i e d ，t h em o d e lo fw a t e r s t e a ms y s t e mo ft u r b i n ea n db o i l e r s y s t e m f o r6 0 0 m wd i r e c ta i r - c o o l e du n i t si se s t a b l i s h e di nt h em o d u l a rp l a t f o r m p r o v i d e sb ym m s w i t ht h em o d e l ，t h i sp a p e r t a k e ss o m es i m u l a t i o nu n d e rt h es p e c i a l w o r k i n gc o n d i t i o n ，l i k et h eb a c kp r e s s u r es u d d e n l yr i s eu po rt h el o wp r e s s u r es t e a m i n l e t 、sv a l v eq u i c k l yc l o s e db yf a u l t s i ns u c hc o n d i t i o n s ，w et a k eac o m p a r eb e t w e e n i n n e rs t e a ms o u r c es w i t c ha n de x t e r n a ls t e a ms o u r c es w i t c h ，a n da l s ot a k eac o m p a r e b e t w e e nt w oa d j u s t m e n tm e t h o d si nt h ef e e dw a t e rp u m pd r i v e n t u r b i n ew h i c hu s et h e e x t e r n a ls t e a ms o u r c es w i t c h s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t ：i nt h ec o n d i t i o nw h i c ht h e b a c kp r e s s u r ec h a n g e sal i t t l e ，t h ei n n e rs t e a ms o u r c es w i t c hi sab e t t e rw a yt ok e e pt h e r u n n i n gs t e a d y , b u tu n d e rt h ec o n d i t i o nw h i c hb a c kp r e s s u r ec h a n g e sal o t ，t h ee x t e r n a l s t e a ms o u r c es w i t c hw a yi sb e t t e r ；i nt h ew o r k i n gc o n d i t i o nw h i c ht h eb a c kp r e s s u r e s u d d e n l yr i s ea n dt h el o wp r e s s u r es t e a mi n l e tv a l v eb eq u i c k l yc l o s e db yf a u l t s ，t h e i i i 重庆大学硕士学位论文 a d j u s t m e n tm e t h o dw h i c hu s et h eh i g hp r e s s u r es t e a mt oc o n t r o lt h ep r e s s u r eo ft h el o w p r e s s u r es t e a mi n l e tv a l v eh a saf a s t e rr e s p o n s et ot h ee x t e r n a li n t e r f e r e n c e k e y w o r d s ：d i r e c ta i r - c o o l e d ，f e e dw a t e rp u m pt u r b i n e ，s w i t c h ，s i m u l a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 锅炉给水泵是火力发电设备中重要的辅机之一，其功率约占机组额定功率的 2 一4 。汽动给水泵不仅稳定性和调节性能好，而且能提高机组热效率减少厂用 电消耗，因此在大功率火力发电机组中，采用辅助汽轮机驱动给水泵已成为目前 常用的驱动方式担 3 。另一方面，大功率火电机组在燃用大量煤炭的同时，也耗用 大量水资源，为了保障我国北方富煤贫水地区国民经济发展对电力的需求，空冷 凝汽器机组得到了快速发展【4 5 ，6 7 i 。由于空冷机组的运行受气候因素影响较大，所 以目前还存在一些设计和运行方面的问题需要研究瞵j 。对于直流锅炉系统，因为给 水泵汽轮机排汽直接进入空冷系统，所以风速和气温等气候因素的变化会造成给 水泵汽轮机背压变化范围和幅度的加大 9 , 1 0 , 1 1 。当背压变化较剧烈，低压汽源再不 能满足给水泵汽轮机做功需求时，给水泵汽轮机将切换至备用高压汽源来驱动。 在此类需要汽源切换的特殊工况下，给水泵汽轮机的汽源切换方式对给水系统的 可靠性，以及机组运行的稳定性和经济性将产生较大的影响。采取合理的汽源切 换方式能够提高机组在背压变化较大或者其他需要进行汽源切换的特殊工况下运 行的安全性和经济性。 1 1 汽源切换方式 1 1 1 内切换禾n g l , 切换 目前，给水泵汽轮机的汽源切换方式分为内切换和外切换两种。一般来说， 内切换是指汽源切换过程在给水泵汽轮机本体内实现，如果汽源切换过程发生在 汽轮机本体以外，则称其为外切换。西屋公司对其定义为：凡有两个蒸汽室，一 个为高压蒸汽室，另一个为低压蒸汽室，且汽源的切换是在给水泵汽轮机调节器 所控制的阀系统内完成的，称为内切换；凡有一个蒸汽室，并有一个减温减压器， 汽源的切换是在减温减压器内完成的，称为外切换。这两大切换方式在世界上都 有大量的应用，内切换机组多用于美国，外切换机组多用于欧ne 1 2 , 1 3 】。 内切换系统结构见图1 1 ，高压蒸汽和低压蒸汽先是分别进入给水泵汽轮机汽 缸前部的高压和低压蒸汽室，再通过蒸汽室对应的高、低压喷嘴组进入汽缸做功。 内切换型给水泵汽轮机允许两种不同参数汽源进入【l4 1 ，如图1 2 所示，汽缸上部为 低压蒸汽室，大概占汽缸3 4 圆周，包含8 个腔室，每个腔室对应1 个低压调节阀 和1 组低压喷嘴，通过调节阀对蒸汽流量进行控制。高压蒸汽室位于汽缸下部， 一般只有1 个调节阀和1 组高压喷嘴，所以高压调节阀也被称为第9 阀。通过高 压调节阀进行汽源切换，并由其控制高压蒸汽流量。 重庆大学硕士学位论文 图1 1 内切换系统 f i g 1 1i n t e rs t e a ms o u r c es w i t c hs y s t e m 图1 2 内切换系统给水泵汽轮机汽缸结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo ff e e dw a t e rp u m pt u r b i n ei ni n t e rs t e a ms o u r c es w i t c hs y s t e m 外切换系统结构如图1 3 所示，高压蒸汽经切换后，被引入给水泵汽轮机供汽 系统，通过管道切换阀后的减温减压装置进入低压供汽管道，同低压蒸汽一起驱 动给水泵汽轮机做功。不同于内切换，外切换型给水泵汽轮机只允许一种参数蒸 汽进入，所以其汽缸前部只有1 个低压蒸汽室，其配置了4 个低压调节阀和4 组 低压喷嘴，由调节阀控制低压蒸汽流量，因此管道切换阀即高压调节阀，也被称 为第5 阀。该系统通过管道切换阀进行汽源切换，以及控制高压蒸汽流量。 管灌镯换褥 图1 3 外切换系统 f i g 1 3e x t e r n a ls t e a ms o u r c es w i t c hs y s t e m 2 1 绪论 1 1 2 备用汽源的选择以及应用 机组正常运行时，给水泵汽轮机由低压抽汽驱动，当机组负荷过低或者低压 蒸汽不能满足给水泵汽轮机做功时，将切换至备用高压汽源来驱动，备用高压汽 源一般选择再热冷段蒸汽、高压缸抽汽或者新蒸汽。根据不同的备用汽源和切换 方式的选择，在火电机组中出现了以下几种较普遍的形式 1 5 , 1 6 , 1 7 】： 备用汽源选择抽汽的内切换系统。此系统在机组正常运行时，由来自中压 缸排汽或低压缸抽汽驱动给水泵汽轮机，在机组启动和低负荷等低压蒸汽参数较 低的工况下引入来自再热冷端或者高压缸抽汽的高压蒸汽以满足给水需求。法国 法尔斯通公司的6 0 0 m w 机组，以及美国通用的第一代给水泵汽轮机均是采用这类 切换系统。在机组快速减负荷带厂用电工况下，出于对再热器的安全考虑，主蒸 汽经高压旁路快速减温减压器后进入再热器，此时再热冷端蒸汽能够驱动给水泵 汽轮机做功，但随着主汽参数的下降，再热器不再需要保护，高压旁路减温减压 器被关闭，此时再热冷端蒸汽由于温度压力较高，不再适合驱动给水泵汽轮机， 将由电动泵进行给水。所以，此系统不适合机组带厂用电运行，以及停机不停炉 的工况。 备用汽源选择新蒸汽的内切换系统。不同于抽汽内切换，此系统在给水需 要时引入的是高温高压新蒸汽驱动给水泵汽轮机，在系统设计选材时会对材料的 抗温抗压性能有所考虑，其高压蒸汽室和连接给水泵汽轮机的高压蒸汽通道均采 用抗高温抗高压的材料，能够承受满负荷下新蒸汽的温度、压力冲击。新蒸汽内 切换系统能够满足机组快速减负荷带厂用电，以及停机不停炉等特殊工况下锅炉 的给水需求。我国的谏壁电厂国产3 0 0 m w 机组，以及陡河、宝钢电厂的日本进口 机组，还有瑞士b b c 公司出口美国的一些机组均是采用的此类切换系统。 备用汽源选择抽汽的外切换系统。此系统在特殊工况下引入高压缸抽汽或 者再热冷端蒸汽驱动给水泵汽轮机。不同于抽汽内切换，切换汽源后，高压蒸汽 和低压蒸汽先在给水泵汽轮机外部低压蒸汽通道汇流，然后一起进入其汽缸前的 蒸汽室，再经喷嘴组驱动汽轮机做功。类似于抽汽内切换，抽汽外切换型给水泵 汽轮机也不适合机组带厂用电和停机不停炉的工况。英国电气公司的3 0 0 m w 机 组，日本大井电厂3 5 0 m w 机组，以及瑞士爱雪维斯公司的1 1 5 m w 机组都采用的 此类切换系统。 备用汽源选择新蒸汽的外切换系统。同新蒸汽内切换系统，此类切换方式 也能够满足机组快速减负荷带厂用电等特殊工况下的给水需求，具体措施是在新 蒸汽进入给水泵汽轮机蒸汽通道前安装一个快速减温减压器，以减小机组快速减 负荷时新蒸汽压力和温度剧烈升高对给水泵汽轮机安全运行带来的不利影响。俄 罗斯哈尔科夫汽轮机工厂的5 0 0 m w 机组和列宁格勒金属工厂8 0 0m w 、1 2 0 0 m w 重庆大学硕+ 学位论文 机组在改造后，均是采用的此类切换系统。新汽外切换系统在最近的应用中，也 出现了一些改进，比如使用主汽轮机高压旁路的减温减压器代替给水泵汽轮机入 口蒸汽通道前的减温减压器，比如将新汽外切换同抽汽外切换相结合，根据主机 负荷变动逐级进行切换。以上改进不仅简化了系统节省了投资，而且提高了机组 运行的灵活性和经济性。 1 2 模块化建模 本文在建立对象机组模型时，采用的是模块化建模方法，比起传统建模方法， 模块化建模具有建模周期短、易调试、通用性强等优点。 1 2 1 模块及其划分原则 所谓模块，最初是在计算机组建过程中，将其硬件按功能划分，具有相同功 能的部分就作为一个模块，由不同功能的模块组成计算机整个系统。在仿真领域， 模块就是承载不同功能的程序单元，并能够被单独编译和调用，而模块化就是将 庞大的主程序划分成一个个程序单元，即模块。对仿真程序的模块化，增加了其 易读性和易调性。在对仿真程序模块化，也就是进行模块的划分时，提出了两条 从大量仿真工作经验中总结出的原则【1 8 , 1 9 , 2 0 1 。第一原则，基于仿真程序的易读性、 易调性和可靠性，在对其划分模块过程中，按不同功能划分大、中、小各层次模 块的同时还要充分考虑各层次模块的独立性，使基本程序单元被单独提出时，能 够易读和易调。第二原则是建立在机组仿真基础上的，基于模块的规范性和通用 性，要求在对电站仿真程序模块化过程中，针对独立的物理设备或部件进行模块 的划分，这些模块必须层次清晰、不能再分，而且其数学独立性要高，并具有良 好的兼容性。 随着模块化仿真技术的推广和发展，机组仿真程序的开发工作将会更加自动 化、规范化和通用化 2 1 , 2 2 , 2 3 】。 1 2 2 模块化建模概念及特点 通过按照上节所述两大原则进行划分的模块，根据仿真目的，组成一个较合 适的模型，这一过程就是模块化建模。模块化建模的基本步骤有以下几点：首先 确定仿真对象，根据仿真目的对其进行简化，然后从模块库中提取出需要的模块， 将模块以一定的关系连接成对象模型，最后在模型中输入所需参数，模块化建模 便完成。模块化建模有以下几个特点： 降低了建模工作的难度，将复杂的建模工作分解为模块的选取和连接，使 得更多的人能参与到建模工作中，便于加快建模速度和仿真技术的普及。 基于模块的规范性和通用性，建模工作能够轻易分解成数个较小系统的组 合，每个较小的系统都可由相关的团队来建立，最后可以轻易将各个系统组合在 4 1 绪论 一起，这样就大大缩短了建模周期。 模块化建模其模块连接规则的普遍性和通用性，能够为仿真人员节省大量 的建模时间。 1 2 3 仿真环境 工欲善其事，必先利其器。仿真环境对于仿真工作的顺利进行有着重要的影 响。一个完备的仿真环境不仅能够提高仿真工作的速度，而且对仿真结果的质量 也是一种保障，应该具备以下内容 2 4 , 2 5 , 2 6 ： 模块库：模块库中的模块是经过验证的，表征某个物理部件的某种语言写 成的子程序。模块库可以方便地被访问，并且可以扩充和修改。 模型库：存放建立的模型的地方，建立的模型以可执行文件方式随时准备 被调用。模型库中还应存放与模型配对的仿真实验文件。 数据库：以文件形式存放仿真结果或中间结果的地方，以及存放其它文件 及表格的目录的地方。 算法库：提供各种仿真积分算法。 支持软件的操作管理系统。 支持语言：如f o r t r a n ，a c s l 及其编译系统。 现代仿真系统和分布式控制系统( d c s ) i 程，都使用支撑软件作为开发工具和 仿真环境。国内外有关公司均拥有自行开发的这类软件，比较著名的有加拿大c a e 公司的r o s e ，美国a b b 公司的c e t r a n ，法国汤姆森公司的f l o w n e t 、 l o g e n e t 和r e g a n e t ，芬兰f o r t u mn u c l e a rs e r i c e sl t d 的a p r o s ；国内主要有 清华大学的g n e t ，华北电力大学的s t a r 一9 0 ，重庆大学的s w s 等支撑软件。 1 3 模块化建模系统m m s 本文搭建模型的仿真平台为模块化建模系统m m s ( m o d u l a rm o d e l i n gs y s t e m ) ， 它是美国电力研究所e p r i 与b & w 公司共同推出了一款基于电厂仿真的模块化建 模系统。m m s 是热动力系统模块化建模的先驱，经过多年的发展，已成为世界最 优秀的电站热力系统仿真软件之一，其涉及领域包括：电站设计、控制系统设计 和分析、对系统的稳态和动态特性预测，以及仿真培训装置的开发。 模块化建模系统m m s 是款一体化图形建模系统，采用a c s l 语言( a d v a n c e d c o n t i n u o u ss i m u l a t i o nl a n g u a g e ) 编写源程序，根据电站中具体设备和部件来划分模 块，经过数年的改进和开发，其模块库包含了各类型电厂中的常见设备。存运用 m m s 建模时，首先从模块库中提取所需模块，为了方便辨认，各模块均采用工程 图标表示；然后将各模块按一定的规则连接起来，为了确保模型方程组的封闭， 不同类型的模块必须相互交错连接【27 j 【2 9 j ；最后在模块中输入设备或部件相应的参 重庆人学硕士学位论文 数，包括物理参数和运行参数，就完成了模型的建立。m m s 系统将自动参数化生 成模型中所需要的参数，并生成a c s l 源程序，软件可以将其编译成f o r t r a n 程序，通过编译后的模型就能够执行用户命令进行仿真了。 模块化建模系统m m s 是款非常成熟的仿真软件，它不仅具有仿真精度高、建 模自由度高、使用方便、模型可视化等优点，而且功能强大，兼容性好。因此随 着当代仿真技术的发展，m m s 在电站设计和改进、控制系统设计和分析、机组运 行热力系统分析、硬件回路的仿真研究、以及开发仿真培训装置等方面得到了更 加广泛的应用 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 】，其用户遍布世界上2 0 多个国家、地区的7 0 多家单位3 4 , 3 5 。 1 4 本文主要工作 运用仿真技术对火电机组热力系统进行动态分析是一种安全、快速而且有效 得研究方法。出于经济性和安全性的考虑，很多电站实验可以先通过仿真实验来 验证。给水泵汽轮机是火电机组中重要的辅机之一，特别是对于空冷机组，研究 在背压变化较大，以及其它低压汽源不能满足给水泵功率需求的特殊工况下的给水 泵汽轮机汽源切换方式，对提高机组在特殊工况下运行的可靠性有着重要意义。 本文在m m s 平台上建立起6 0 0 m w 直冷机组的锅炉和汽轮机汽水系统模型， 基于空冷凝汽器背压突变和低压进汽阀故障关闭等特殊工况，设计了仿真实验， 分别模拟了内、外切换机组的主要参数在特殊工况下的动态过程，并根据实验结 果进行了比较，通过比较结果分析了内、外切换方式的特点，探讨了两种切换方 式对特殊工况的适应能力。此外，为了进一步研究汽源切换对给水系统可靠性的 影响，本文还对外切换给水泵汽轮机的调节方式进行了研究和比较。 2 仿真对象及分析 2 仿真对象及分析 本文根据研究目的，确立以东方集团的6 0 0 m w 超超临界直冷机组为实际模拟 对象机组，包括其锅炉部分和汽轮机部分。 2 1 锅炉 2 1 1 概述 仿真对象锅炉为东方6 0 0 m w 等级超超临界、单炉膛，n 型布置、平衡通风、 一次中间再热、前后墙对冲燃烧、尾部双烟道、复合变压运行、直流锅炉，其设 计参数见表2 1 。 表2 1 锅炉设计参数 t a b l e2 1t h ed e s i g np a r a m e t e ro f b o i l e r b m c r 工况单位6 0 0 m w6 6 0 m w 2 1 2 汽水流程 锅炉汽水流程主要包括给水的汽化过热过程和高压缸排汽的再热过程，如图 2 1 所示。 重庆大学硕士学位论文 汽水分离器顶棚过热器包墙过热器低温过热器屏式过热器 末级过热器低温再热器高温再热器过热器一级减温器 过热器二级减温器0 d 再热器事故减温器 图2 1 锅炉汽水流程示意图 f i g 2 1t h es t e a ma n df e e df l o wd i a g r a mo fb o i l e r 给水汽化过热流程：自给水管路出来的水通过位于尾部后竖井烟道下部的 省煤器进口集箱进入省煤器蛇形管主受热面，再从省煤器出口集箱一端引出的下 水连接管进入水冷壁系统。水冷壁系统主要分为下部螺旋水冷壁和上部垂直管屏 水冷壁。经水冷壁加热以后的工质分别由6 根连接管沿切向逆时针向下倾斜1 5 0 进入启动分离器，分离出的水通过连接管进入分离器下方的贮水罐，分离出的蒸 汽由连接管引入顶棚，再从顶棚出口集箱经连接管进入包墙过热器，经过包墙系 统加热后进入低温过热器。低温过热器布置在后竖井烟道的后烟道内，分为水平 段和垂直段，整个低温过热器为顺列布置，蒸汽与烟气逆流换热。经过低温过热 器加热后，蒸汽经大口径连接管及一级减温器后引入屏式过热器分配集箱，分配集 箱与每片屏式过热器进口集箱相连，每片屏式过热器出口集箱与汇流集箱相连，蒸 汽在汇流集箱中混合，并经第二级减温器后，进入高温过热器。经高温过热器加 热后，蒸汽达到额定参数，经出口集箱及蒸汽导管进入汽轮机高压缸。 高压缸排汽再热流程：汽轮机高压缸排汽通过连接管进入低温再热器进口 集箱，低温再热器由水平段和垂直段两部分组成。再热蒸汽经低再加热后进入出 口集箱，在集箱内轴向混合后经左右交叉导管进入高温再热器。通过高温再热器 2 仿真对象及分析 的加热，蒸汽的焓和温度达到设计值，经过导管返回到汽轮机中压缸。 2 1 3 调温手段 过热器设有两级喷水，在低温过热器至屏式过热器，屏式过热器至末级过热器 之问的连接管上均装有喷水减温装置。减温水来自省煤器出口，同一级减温设有 左右两个喷水点，两侧减温管路分别用单独的调节阀调节左右两侧管路上的喷水 量，以消除左右侧汽温偏差。喷水点示意图如下： 图2 2 喷水点示意图 f i g 2 2t h ew a t e rs p r a ys p o t s 再热器汽温采用尾部烟气挡板调节，通过改变烟气挡板开度的大小来调节尾 部后竖井烟道的烟气流量，从而达到调节再热汽温的目的。同时，在低温再热器 至高温再热器管段上设有事故喷水。 2 2 汽轮机 仿真对象汽轮机为东方汽轮机厂生产的6 0 0 m w 等级超超临界、一次中间再 热、三缸四排汽、单轴、直接空冷、8 级回热汽轮机，额定出力6 3 0 m w ，额定转 速3 0 0 0 r m i n ，其主要技术参数见表2 2 。 表2 2 汽轮机主要设计特性参数 t a b l e2 2t h em a i nd e s i g np a r a m e t e ro ft u r b i n e 一i i 一 项目数据项目数据 额定功率 6 3 0 m w 额定转速 3 0 0 0 r m i n 最大连续运行功率6 7 6 m w额定主蒸汽压力2 5 m p a 额定主蒸汽流量18 0 4 9 0 0 k g h额定主蒸汽温度 6 0 0 0 c 额定高压缸排汽压力4 7 9 8 m p a额定高压缸排汽温度 3 4 8 6 0 c 额定再热蒸汽进口压力4 318 m p a额定再热蒸汽温度6 0 0 0 c 再热蒸汽额定进汽量 1 4 6 5 3 4 0 k g h 设计背压 1 3 k p a 热耗率( t h a 工况) 7 7 7 9 k j k w h 给水回热级数8 ( 3 + 1 + 4 1 9 重庆大学硕士学位论文 2 3 仿真模型图 本文根据仿真对象的特点，在m m s 平台上建立起包括锅炉、汽轮机及其热力 系统的较完整的动态数学模型如图2 3 、图2 4 所示，主要包括锅炉的汽水系统、 蒸发系统、过热蒸汽系统、再热蒸汽系统、减温水系统，汽轮机本体及其热力系 统。 炉膛部分屏式过热器高温过热器高温再热器低再垂直段 附加受热面3 低温再热器 低温过热器省煤器( 1 0 ) 附加受热面2 ( 1 1 ) 附加受热面1 图2 3 锅炉模型示意图 f i g 2 3t h em o d e lo fb o i l e r 高压缸中压缸低压缸0 给水泵汽轮机高压加热器1 高压加热器2高压加热器3 除氧器 给水泵 低压加热器1 0 1 ) 低压加热器20 勾低压加热器30 萄轴封加热器蚴凝结水泵 图2 4 汽轮机模型示意图 f i g 2 4t h em o d e lo ft u r b i n e 2 仿真对象及分析 2 4 模型的简化 上述模型根据所要达到的仿真目的和实际的物理对象，构成的基本原则如下： 完全相同的设备选用一个为代表，其余的相关特性取相同的值。例如：汽轮机 将两个低压缸用一个等效的低压缸模拟；7 加热器用一个等效加热器进行模拟； 给水泵只模拟一台等效泵。在对仿真设备进行选择时，对机组瞬态特性影响较 小的设备采用简化模型表示，如加热器的疏水管道。对瞬态特性没有影响的设备 不在仿真之列。发电机负荷直接表现为转子的阻力矩。轴封供汽、主汽门漏 汽、调节汽门漏汽一并在入口边界前考虑。 根据一体化的建模原则和仿真研究目的，在建立锅炉和汽机子模型时，对锅 炉和汽机子系统进行了简化和归并，以卜是建模时所进行的简化处理： 根据研究目的，模型中没有包含空气预热器，在建立仿真模型时用烟气边 界模块代替。即用边界模块参数来代替空预器出口空气参数。 在锅炉子模型中，对低温过热器和省煤器作了等效处理。实际系统中省煤 器由两组换热器组成，但模型中只用了一个省煤器模块，也就是说在模型中把实 际系统中四组换热器的受热面集中到一个受热面上来代替省煤器，低温过热器也 将其垂直段和水平段作了归并，用一个过热器模块模拟。 锅炉的顶棚管及水平烟道与后竖井的包墙管中的区域，换热方式包括对流 换热和辐射换热，不过换热总量不大。根据实际锅炉机组受热面的布置情况，模 型将这部分受热面分为三段模拟，即附加受热面1 、附加受热面2 和附加受热面3 ， 其中附加受热面1 主要模拟高过前段、高过中问汽室、高过后段、高过后汽室、 高再前汽室、高再前段、高再中间汽室、高再后段以及高再后汽室部分的顶棚受 热面；附加受热面2 主要模拟前包墙拉稀管、垂直低再前汽室、垂直低再、前转 向室、低再水平1 、中间汽室及低再水平2 部分的包墙受热面，其余包墙受热面用 附加受热面3 模拟。 在锅炉模型中，除了锅炉与汽机之间的一、二次汽管道外，其余所有容积 较小的联络管及集箱都被合并到与它们相邻的受热面模块中。喷水减温器作为独 立的部件加入模型中，但它们的容积及金属质量都与它们的后续管段或受热面合 并。 建立汽轮机及热力系统子模型是以机组的原则性热平衡图为基础进行的， 对于汽轮机部分，高、中、低压缸的划分按抽汽的性质进行。透平模块没有考虑 漏汽的影响，在本模型中透平漏汽用边界条件模拟，工况变化时不考虑漏汽量的 变化。 本文仿真研究不涉及具体的空冷系统，所以没有包括在模型中，而是用边 界来代表机组的背压。 重庆大学硕士学位论文 在回热系统中，由于给水加热器模块中已考虑了疏水冷却器的作用，因此 系统中的外置式疏水冷却器不作为一个独立环节考虑，而是归入高压加热器一起 考虑；两台并联运行的锅炉给水泵用一台等效泵代替，前置泵归入除氧器，用水 头代替。 2 5 控制系统 由于建立机组的动态数学模型的目的在于研究机组对象的动态特性，因此所 谓加入控制系统指的是：所加入的控制系统是用于控制模型中的那些无自平衡能 力的变量或者是实际运行中必须保持在某种范围内或是必须保持为某个规定值的 那些变量，而不是模拟某个真实的控制系统。模型中加入控制系统后，并不影响 分析对象的动态特性，因为控制系统在模型中最重要的作用体现在模型找稳态， 使所控制的量在获得的模型稳态中满足要求。当要研究对象的动态特性时，即可 以在模型稳态的基础上，把所加入的控制系统拆除，从而达到研究对象本身动态 特性的目的。在建立机组的模型时拟控制的量有以下几种： 锅炉燃料给水比值控制。直流炉给水控制系统的控制任务就是通过控制给 水流量实现最佳燃料水比配合，保证汽水分离器出口微过热蒸汽( 中间点) 的参 数值在适当的范围。控制方案拟采用以改变给水流量作为负荷的调节手段，而以 燃料量跟踪给水流量，保持规定的燃水比，作为过热汽温的粗调。因此该方案以 给水流量作为主动流量，调节锅炉负荷，以燃料量作为从动流量，跟随给水流量 变化，调节燃水比及汽温； 蒸汽温度，如所研究的问题需要考虑汽温控制，则需要对过热汽温和再热 汽温加以控制，其控制方案最好与现场一致。在通常用途的机组模型中，蒸汽温 度的控制可不加入模型中，因为汽温的变化往往就是所要研究的问题之一，如果 模型得到了精确的参数化，则所获得的模型稳态可以保证汽温与现场数据( 或设 计数据) 一致； 给水加热器和除氧器的水位，由于这些水位均为无自平衡能力，因此在模 型中也必须对它们加以控制； 机组为滑压运行方式，给水加热器及除氧器的压力随负荷变化而变化。 2 6 主要设备结构参数 2 6 1 高加结构参数 1 2 2 仿真对象及分析 表2 3 高加结构参数 t a b l e2 1t h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro fh i 吐一p r e s s u r ef e e dw a t e rh e a t e r 一t - 一 项目l 捍高加2 群高加3 群高加 1 3 2 6 2 低加结构参数 表2 4 低加结构参数 ! 鲨! 宝：兰：! 卫星：业! 坐：宝p 坚璺翌宝! 竺2 11 2 ：2 1 宝! ! 旦! ! ! ! 宝璺兰呈! 竺垒宝呈! 竺 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ _ _ _ l l _ - _ _ l _ _ _ _ _ l _ _ _ i _ _ _ l _ - _ _ _ _ l _ _ _ l _ l l 。一 项目 一 墨苎堡垫鱼塑重垫 ! 型垂塑 壳侧总传热面积m 2 1 2 0 0 1 2 0 0 1 0 5 0 加热器总传热面积m 2 1 2 0 0 1 2 0 01 0 5 0 疏水出口温度 1 2 2 71 0 1 8 5 9 3 加热蒸汽入口温度 2 4 8 3 1 8 4 81 1 8 0 给水入口温度 1 1 7 1 9 6 2 5 3 7 给水出1 2 1 温度 1 3 7 0 11 7 19 6 2 给水流量( k g p a ) 1 3 5 9 1 2 91 3 5 9 1 2 9 6 7 9 5 6 5 加热蒸汽入口流量( k g h ) 4 7 0 5 4 4 7 9 1 64 5 6 0 0 疏水出口流量( k g m ) 4 7 0 5 4 9 4 9 7 0 9 4 0 8 5 凝结区传热率( k w ) 3 6 2 7 4 3 6 4 4 3 3 5 8 6 9 疏冷区传热率( k w ) 11 6 3 2 4 5 25 6 7 5 蒸冷区传热率( k w ) 管侧压损( m p a ) o 1 0 10 1 换热管外径( m m ) 1 61 6 1 6 换热管管内径( m m ) 1 4 21 4 2 1 4 2 换热管有效管长( r a m ) 9 5 3 7 9 5 3 7 1 3 0 3 2 管侧通道数目 2 2 2 每通道的管子数量 1 2 6 9 1 2 6 98 4 8 壳侧总蒸汽体积( m 3 ) 1 8 1 81 8 总管侧体积( m 3 ) 3 53 5 3 正常水位( 壳体底部为零) ( m m ) 2 2 0 2 2 0 2 2 0 壳体长度( 有效柱体长度) ( m m ) 1 1 8 0 0 1 1 8 0 01 4 7 7 0 管束开始淹没时的水位( 咖) 2 8 4 2 8 42 8 0 所有管束淹没时的水位( m m ) 1 3 1 6 1 3 1 6 1 1 2 0 换热管子导热系数( 1 【j m 2 h ) 1 4 3 0 2 6 6 0 91 3 8 7 4 7 9 6 2 1 2 0 2 4 5 7 2 5 换热管密度( k g m 3 ) 8 0 3 0 8 0 3 08 0 3 0 垫垫笪些垫坠星：望 ! 兰! 堡! ：! 兰! 兰! 兰 1 4 2 仿真对象及分析 2 6 3 除氧器结构参数 表2 5 除氧器结构参数 t a b l e2 5t h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro fd e a e r a t o r 项目设计值 贮水箱直径 水箱容积 相对于给水泵吸水口的高度压头 贮水箱正常水位高度 除氧器运行压力 3 8 6 0 m m 2 3 5 m 3 1 7 m 6 0 0 m m 0 1 4 7 m p a 1 1 9 6 m p a 2 6 4 锅炉本体结构参数 表2 6 锅炉本体结构参数 t a b l e2 6t h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro fb o i l e r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 项目 单位设计值 1 5 重庆大学硕士学位论文 1 6 3 数学模型和仿真算法 数学模型和仿真算法 本研究所涉及的超超临界机组热力系统的数学模型基于质量、能量、动量守 恒方程和水蒸汽性质计算方程，依据实际系统的流程和结构，采用模块化建模方 法第二原则合理划分模块。根据仿真目的，在进行仿真建模时，系统各热力设备 均采用集中参数法建模。 3 1 直流锅炉蒸发区模型 3 1 1 概述 直流锅炉虽然有省煤器，蒸发区和过热器三种受热面，但是按照一次工质的 状态而言，