（控制理论与控制工程专业论文）超超临界机组蒸汽发生器模型分析及应用研究.pdf

华北电力人学硕十! 学位论文摘要 摘要 发展超超临界机组发电技术凭借其高效、清洁等多方面的优点成为解决我国电 力能源问题的一个良好途径。深入研究超超临界机组工作、运行特性，为机组协调 控制提供依据，是目前超超临界机组发展技术中的一个关键问题。本文深入研究超 超临界机组蒸发区部分静态和动念特性，对机组不同工况下的燃水比特性进行了实 验研究，建立了水冷壁蒸汽发生器动态模型，通过系统辨识确定模型参数，并对在 实际协调控制过程中蓄热的应用做了一定分析讨论。 关键词：超超临界，燃水比，蒸发区，建模 a b s t r a c t t bd e v e l o pt h eu l t r a s u p e r c r i t i c a lp o w e ru n i ti sa ne m c i e n tw a yt os o l v et h ep o w e r s o u r c ep r o b l e m so fo u rc o u n t r yb ym e a n so fi t sh i g he f j e i c i e n c y e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a n ds oo n r e s e a r c ho nt h eu l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i tc h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n ga n d1 1 啪m i n g d e e p l yi no r d e rt op r o v i d et h eb a s i so fc o o p e r a t i v ec o n t r o li sak e yi s s u et e c h n o l o g yi n u l t r a - s u p e r c r i t i c a lu n i td e v e l o p m e n t t h i sa n i c l es t u d i e su l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i ts t e a m i n g z o n es t a t i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 觚dt h ev a r i e t yo ft h cf h e l f e e dr a t i of o l l o w i n g w i t ht h el o a d ，e s t a b l i s h i n gt h es t e 锄g e n e r a t o rd y n 锄i cm o d e la n df i xt h ep a r 锄e t e 瑙b y s y s t e n li d e n t i f i c a t i o n ，觚dd i s c u s st h eu s eo fs t o r a g eh e a ti nt h er e a lc o o p e r a t i v ec o n t r 0 1 w a n gt a o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f n i uy u g u a n g k e yw o r d s ：u l t r a - s u p e r c r i t i c a l ，f u e i f e e dw a t e rr a t i o ，s t e a m i n gz o n e ，m o d e h n g 华北电力人学硕一卜! 学何论文摘要 摘要 发展超超临界机组发电技术凭借其高效、清洁等多方面的优点成为解决我国电 力能源问题的一个良好途径。深入研究超超临界机组工作、运行特性，为机组协调 控制提供依据，是目前超超临界机组发展技术中的一个关键问题。本文深入研究超 超临界机组蒸发区部分静态和动念特性，对机组不同工况下的燃水比特性进行了实 验研究，建立了水冷壁蒸汽发生器动态模型，通过系统辨识确定模型参数，并对在 实际协调控制过程中蓄热的应用做了一定分析讨论。 关键词：超超临界，燃水比，蒸发区，建模 a b s t r a c t t bd e v e l o pt h eu l t r a s u p e r c r i t i c a ip o w e ru n i ti sa ne m c i e n tw a yt os o l v em ep o w e r s o u r c ep r o b l e m so fo u rc o u n t r yb ym e a n so fi t sh i g he f j e i c i e n c y e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a n ds oo n r e s e a r c ho nt h eu l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i tc h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n ga n d1 1 啪m i n g d e e p l yi no r d e rt op r o v i d et h eb a s i so fc o o p e r a t i v ec o n t r o li sak e yi s s u et e c h n o l o g yi n u l t r a - s u p e r c r i t i c a lu n i td e v e l o p m e n t t h i sa n i c l es t u d i e su l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i ts t e a m i n g z o n es t a t i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 觚dt h ev a r i e t yo ft h cf h e l f e e dr a t i of o l l o w i n g w i t ht h el o a d ，e s t a b l i s h i n gt h es t e 锄g e n e r a t o rd y n 锄i cm o d e la n df i xt h ep a r 锄e t e 璐b y s y s t e n li d e n t i f i c a t i o n ，觚dd i s c u s st h eu s eo fs t o r a g eh e a ti nt h er e a lc o o p e r a t i v ec o n t r 0 1 w a n gt a o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f n i uy u g u a n g k e yw o r d s ：u l t r a - s u p e r c r i t i c a l ，f u e i f e e dw a t e rr a t i o ，s t e a m i n gz o n e ，m o d e h n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超超临界机组蒸汽发生器模型分 析及应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 至蕴 日 期： 2 呻3 6 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日 期：三一：! ：厂 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 1 1 1 行业背景 第一章引言 电力行业是国民经济的重要基础行业，是国家经济发展战略的重点和先 行产业。随着我国经济持续健康发展，用电量的需求也随之增长。其中火电 机组是我国电力行业的支柱，火电机组的发展水平成为我国经济发展决定性 因素之一，是人民生活水平提高的重要保证。但是目前我国火电机组存在的 诸多问题成为制约我国电力行业发展的重要桎梏。主要表现在： ( 1 ) 大批低效率的小机组在运行，耗煤低、高效的火电机组所占比率低。 常规小火电机组比例过大，单机容量偏小。这些机组不仅降低了经济效益， 同时也增加了可观的污染物排放量。 ( 2 ) 各级容量机组的平均经济性与国外同等容量先进机组经济性差距大。 ( 3 ) 洁净煤发电技术处于开始阶段。采用洁净煤燃烧技术机组、常压循环 流化床、增压循环流化床联合循环、整体煤气化联合循环发电机组比例当低， 装有脱硫设备的机组比例不高。 ( 4 ) 电源调峰性能较低。目前燃煤火电机组降负荷运行是电网调峰的主要 手段，调峰性能差，且调峰经济性较差。 ( 5 ) 排放性能差，环境污染严重。煤燃烧所引起的环境问题是全世界共同 面临的难题，我国燃煤污染防治技术起步较晚，大部分电厂难以达到排放标 准。煤燃烧所排放的s 0 2 占全国排放量的8 7 ，n o 。排放总量将随着燃煤机 组的大幅度增加而增加。如不采取有效的治理措施，在未来的5 1 0 年内， n o 。排放总量将超过s 0 2 称为电力行业第一大酸雨气体污染物。 1 1 2 发展超超临界机组的必要性和可行性 超超临界机组的发电效率比我国主要采用的亚临界机组高出1 0 ，比超 临界机组高出6 8 。2 0 0 2 我国把开发超超临界锅炉列为国家8 6 3 重大项目攻 关计划，2 0 0 3 年原国家经贸委和科技部都把超超临界锅炉列入国家重大技术 装备研制计划。 超超临界机组发电技术的优点主要表现在以下几方面：机组整体效率 高，超超临界机组效率可以达到4 3 以上，高于超临界机组和亚临界机组。 华北电力大学硕士学位论文 单机容量大，超超临界机组的单机容量可以达到1 0 0 0 m w 以上，与其他洁净 煤发电技术相比可以很大程度上降低机组的单位造价。可靠性好，在目前的 洁净煤发电技术中，超超临界机组发电技术运行可靠性能最高。环保指标先 进，超超临界机组具有明显的排放优势，在达到高发电效率的同时通过采用 烟气脱销、烟气脱硫等技术降低污染物的排放。 我国人均煤炭存量低，而预计在2 0 2 0 年我国发电用煤将达到1 5 亿吨左 右。这就需要采用有效的措施提高煤炭利用率，减少用煤总量。超超临界机 组可高效率利用燃煤进行发电，可以大大节省煤炭的使用量。 通过对国外3 0 0 m w 、6 0 0 m w 亚临界机组技术的成功引进和消化吸收过 程及国产化过程，说明我们已经具有引进超超临界机组并国产化的科研能力 和制造能力。各大专院校和科研单位对超超临界机组的重视和深入研究更为 我国发展超超临界机组提供了有力的技术支持。 综上所述超超临界机组在我国有其发展的客观必要性和可行性，是解决 我国用电紧张和环境问题的有效途径。在我国发展超超临界机组符合我国能 源产业政策和国民经济快速发展的需要。 国内从2 0 世纪9 0 年代逐步引进超临界机组，目前国内已投入和正在设 计制造的6 0 0 m w 超临界、超超临界机组1 5 3 台。这个数字还在不断变化。 到2 0 2 0 年，中国全国预计装机9 5 0 g w ，火电机组占6 0 以上，超超临界技 术还有相当的发展空间。2 0 0 6 年1 1 月2 8 日，我国第一台百万机组华能玉环 电厂一号机组顺利经过土建、安装、调试、并网试运环节，正式投入商业运 行。国电泰州电厂、邹县发电厂百万机组也顺利投产，此外，浙能舟山六横 电厂2 1 0 0 0 m w ，广东国华粤电台山二期工程6 1 0 0 0 m w ，国华浙能发电有 限公司( 宁海电厂) 二期工程2 x 1 0 0 0 m w ，天津北疆发电厂4 1 0 0 0 m w ，华能 海门电厂4 1 0 0 0 m w ，平海电厂8 1 0 0 0 m w 燃煤超超临界发电机组均处于规 划或建设中，可见百万机组的广阔前景【1 ，2 1 。 1 1 3 超超临界锅炉运行关键问题 在超超临界压力下运行的锅炉，水冷壁中工质温度随吸热量的变化而变 化，而水冷壁出口工质温度的变化必然首先直接影响到过热汽温。因此，中 间点温度作为控制过热汽温的超前信号或首要参考温度显然是十分关键的。 另外，中间点温度的变化不仅与水冷壁的吸热量有关，而且与水冷壁进口工 质温度和流量有关。因此，中间点温度的控制对于防止水冷壁发生膜态沸腾 或类膜态沸腾以及防止水冷壁管壁过热也是十分重要的。 以汽水分离器出口工质温度( 中间点温度) 作为汽温调节的导前信号，根 2 华北电力大学硕士学位论文 据中间点温度调节燃水比，不仅可减小汽温调节的滞后时间，还可以及时控 制水冷壁的工质温度，防止水冷壁发生传热恶化。 中间点温度的控制是超超临界锅炉设计和运行中的理论性和技术性极 强的问题。由于大型电站锅炉的煤质变化较大，进一步增加了问题的复杂性。 比如燃料的燃烧特性导致的炉膛火焰温度分布发生变化，辐射和对流传热比 例随之变化，引起同一负荷下水冷壁吸热量变化。又如煤质的积灰结渣特性 以及运行调节水平都会影响水冷壁和其他受热面的吸热比例变化。 合理控制中间点温度可使烟气温度最高的区域中保持较低的金属管壁 温度，可减轻金属的高温腐蚀，减轻积灰和结渣，提高水冷壁管子的寿命和 运行可靠性【2 1 。 1 2 机组模型研究现状 目前火电机组建模有两个主要研究方向：一是侧重于实验数据分析的简 化模型，或者称为实验建模；一是侧重于机理分析的模块化模型，或者称为 机理建模【3 l 。两者各有优缺点：实验模型能够反映机组的主要动态特性和非 线性特性，具有简化的形式，适合用于控制算法设计；机理模型能够比较全 面地反映机组各种参数之间的内在关系，适合于通过仿真研究机组各项输入 输出之间的特性及控制算法性能评估。 关于火电厂机组建模的研究，国外在机理建模方面，早如r a yr 于1 9 7 6 年【7 1 y u t a k as u z u k i 于1 9 7 9 年建立了机组仿真模型【8 】；近如f l ”n m 和 m a l l e y m 于1 9 9 9 年建立汽包锅炉全仿真模型等等【9 1 。实验建模的主要研究 者为a s 打o m 、b e l l 、m e l l o 等人【3 - 6 1 。 o b e l l 和a s 仃o m 在1 9 7 9 年给出了一个基于p 1 6 g 1 6 机组的数学模型【i o 】。 该机组为一个汽包式燃油1 6 0 m w 的汽轮发电机组。这个数学模型为一个低 阶的m i m o 非线性模型，该模型是通过理论分析和实验修正的方法得到的， 并成功地在实际运行机组上得到验证。b e n 和a s t r o m 的数学模型被大量地 采用，以用于设计和评价基于非线性模型的现代控制器。随着控制理论以及 汽轮发电机组的发展，该模型已经显示出它的局限性。主要体现在： ( 1 ) 该模型未充分体现锅炉过程中的大时间迟延，因此在此基础上设计 与评价的控制器具有一定的局限性。 ( 2 ) 它不是一个通用的数学模型，因此该模型的概念难以扩展到类似的 柳细匕。 f p d em e l l o 在1 9 9 1 年给出了一个通用的大型单元机组的协调控制系统 华北电力人学硕士学位论文 的非线性模型【6 】。该模型结构为一个低阶非线性模型。根据这个非线性模型 结构可以方便地将数学模型扩展到其他类似的机组上。 w a t a r os h i n o h a r a 在1 9 9 6 年描述了一个超临界直流炉机组的简化状态空 间模型【l ，该模型被用于设计一个非线性控制器。 o 2 0 0 0 年a s t r o m 和b e l l 建立了汽包锅炉水冷壁和汽包环节的复杂动态模 型【4 】，描述了复杂的锅炉动态性能，该模型不便之处是很难找到这些所需参 数。 2 0 0 1 年刘长良等人提出了用于控制系统研究的3 0 0 m w 机组锅炉动态模 型【1 2 1 。该模型采用机理法建立，主要依据为质量守衡、能量守衡等基本定律， 以燃料量、给水量、汽机调门开度作为输入，汽包压力、汽包水位、蒸汽流 量作为输出，模型中各参数具有明确的物理意义，大部分可根据设计数据计 算求得，其余可根据现场试验数据进行辨识求得。该模型反映了实际系统的 时变性及非线性，可用于基于模型的锅炉控制算法的研究，也可用于火电站 实时仿真机上。 2 0 0 3 年曾德良等人介绍了一种通用的锅炉非线性动态模型【1 3 1 。通过对 5 0 0 m w 汽轮机发电机组上的两个扰动实验的讨论分析，解决了实际锅炉蓄 热系数、磨煤机动态和水冷壁动态的求取问题。该文根据燃料量扰动试验中 的主蒸汽流量和锅炉的蓄热系数与汽包压力的微分的乘积构造出热量信号， 替代锅炉总有效吸热量，以求取磨煤机动态和水冷壁动态模型的传递函数， 有效地解决了很难通过传感器准确测量的锅炉总有效吸热量问题。该模型可 用于分析各种控制系统的性能和评价不同控制算法。 田亮等人总结前人的研究经验，针对3 0 0 m w 6 0 0 m w 火电机组主流机 型，建立其5 0 1 0 0 负荷范围简化的非线性动态模型并对其主要特性进行 分析，总结出了一套确定模型参数的方法并且对模型进行了验证【1 4 】。 屹= 矿 k ，、州 g 誓= 驾m 蝎厂口 ( 1 - 1 ) k t 等一n e + k 3 晰 p t = p d k2 ( k ，b ) 。 其中7 可解释为进入磨的实际燃烧率；迟延时间f 主要取决于系统结 构，一般在l5 3 5 秒范围内；为锅炉燃料指令；q 为制粉惯性；为锅 4 华北电力大学硕士学位论文 炉燃烧率；c 6 锅炉蓄热系数；办为汽包压力；k 为燃料量指令增益；k 为 过热器阻力系数；墨为汽轮机增益；只为机前蒸汽压力；“，为汽轮机调门开 度；k ，为汽轮机动态时间；f 为机组功率。 对建立的非线性模型进行小偏差线性化，得到不同负荷压力工作点下对 象的线性模型，并利用非线性测度的概念对其进行了分析。另外采用机理分 析和数理统计相结合的方法，对模型中主要参数的变化规律和变化范围进行 研究，使模型更具实用价值。 对于汽包炉来说，能量之间的平衡关系能够表现为物质之间的平衡关 系。而汽包内饱和蒸汽压力能够反映物质间平衡关系，进而可以反映能量间 平衡关系。对于直流锅炉，这一特性有所变化。由于没有汽包的缓冲作用， 当能量工质输入失衡时，这一变化将直接影响过热汽温，也很难用简单的一 个状态参数反映能量间平衡关系。因而建立类似于汽包炉的简化模型方程存 在很大的难度。但在仿真模型的研究与建立方面取得了一定的成果。 国内清华大学的范永胜等人建立了适用于大扰动全工况仿真的非线性 集总参数移动边界的蒸汽发生器动态数学模型，解决了亚临界与超i 临界以及 水冷壁出口蒸汽为干态与湿态的模型切换问题，并对各个集总环节的代表参 数的选取问题进行了研究【1 5 川】。 清华大学李运泽等人，提出整体线性化二次建模方法，统一并简化超临 界及亚临界压力下直流锅炉蒸发过程的数学模型和动态特性计算【1 8 】。该方法 中，根据最新的水和水蒸汽计算公式，将蒸发受热面统一划分为过冷水段， 过渡段和过热蒸汽段。所建的三段模型不但成功地避免了超临界工况与亚临 界工况问的模型切换，而且消除了由区段划分欠妥所引起模型刚性无限加剧 问题。 采用适用于大扰动全工况仿真的非线性集总参数移动边界的蒸汽发生 器动态数学模型和非线性固定边界方法取得模型的两种方式都以精确仿真 为目的，偏重于理论研究，建模极其复杂，不太适用于进行实际工程控制方 面的应用。 1 3 论文的主要工作 尽管我国在超超临界机组制造技术上取得了很大的进步，但是与国外相 比，不论是在制造技术还是控制技术上依然存在着很大的差距。本文研究的 目的是通过机理研究和实验辅助、验证，对超超临界机组蒸汽发生器的静态、 动态特性运行特征和简化模型进行研究，为更进一步去熟悉和掌握超超临界 华北电力大学硕士学位论文 机组的有关性能和特点，以便对机组的优化、故障诊断和协调控制系统设计 等方面提供很好的依据。 ( 1 ) 介绍超超临界直流锅炉汽水流程的结构和特点。直流锅炉模型特性的 变化体现在汽水系统中，而制粉系统、风烟系统、汽轮机调门、汽轮机动态 环节同汽包锅炉是一致的。 ( 2 ) 研究超超临界直流锅炉状态参数静态特性，包括汽温静态特性和汽压 静态特性。对无再热器的直流锅炉，建立热平衡式，从理论上分析各种因素 对汽温和汽压的影响。 ( 3 ) 燃水比特性的研究。基于机组运行数据计算燃水比，包括运行工况选 择与数据筛选、数据处理与单工况燃水比建模、曲线拟合与全工况燃水比建 模与检验等，分析了影响燃水比准确性的主要因素。本文计算方法具有通用 性，计算结果可直接应用于超超临界机组燃水比控制。 ( 4 ) 研究了超超临界锅炉水冷壁的工作特性，动态过程中状态参数的动态 特性，包括锅内工质贮存量的变化，汽温汽压变化特性。 ( 5 ) 建立水冷壁的动态平衡方程，分析水冷壁中的蓄热分布，确定状态参 数，并研究在超超临界工况下焓与温度、压力之间的关系。 ( 6 ) 研究系统辨识确定模型参数的方法，包括开环求法和闭环求法。并对 在实际控制过程中蓄热的应用做了一定研究。 本文从结构上分为三个部分：第一部分包括第二章，主要介绍超超临界 直流锅炉汽水流程的结构和特点，研究直流锅炉状态参数静态特性以及对燃 水比特性的研究。第二部分包括第三章，研究了超超临界锅炉水冷壁的动态 特性，并建立了动态平衡方程。第三部分为研究确定动态平衡方程参数的方 法，以及实际控制过程中的应用。第五章是本文的总结和后期的展望。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章对象机理分析及静态特性 2 1 直流锅炉汽水流程结构及特点 锅炉的汽水流程以内置式汽水分离器为分界点，从水冷壁入口集箱到汽 水分离器为水冷壁系统，从分离器出口到过热器出口集箱为过热器系统，另 有省煤器系统、再热器系统和启动系统。 顶 后水冷壁 水平烟道 吊挂管出二侧包墙 图2 一l 水系统流程图 7 华北电力大学硕士学位论文 水冷壁系统与过热器系统的分界点为汽水分离器，自水冷壁下集箱的入 口导管开始到汽水分离器贮水箱出口导管为止均属于水冷壁系统，其流程见 图2 1 。由省煤器出口的工质通过二根大直径供水管送到二只水冷壁进水汇 集装置，再用较多的分散供水管送到各水冷壁下集箱，再分别流经下炉膛前、 后及二侧水冷壁，然后进入中间混合集箱进行混合以消除工质吸热偏差，然 后进入上炉膛前、后、二侧墙水冷壁，其中前墙水冷壁上集箱和二侧水冷壁 上集箱出来的工质引往顶棚管入口集箱经顶棚管进入布置于后竖井外的顶 棚管出口集箱，至于进入上炉膛后水冷壁的工质，先后流经折焰角和水平烟 道斜面坡进入后水冷壁出口集箱，再通过二汇集装置分别送往后水冷壁吊挂 管和水平烟道二侧包墙管，由后水冷壁吊挂管出口集箱和水平烟道二侧包墙 出口集箱引出的工质也均送往顶棚管出口集箱，由顶棚管出口集箱引出二根 大直径连接管将工质送往二只后竖井工质汇集集箱，通过连接管将大部分工 质送往后竖井的前、后、二侧包墙管及中间分隔墙。所有包墙管上集箱出来 的工质全部用连接管引至后包墙管出口集箱，然后用连接管引至布置于锅炉 后部的二只汽水分离器，由分离器项部引出的蒸汽送往一级过热器进口集 箱，进入过热器系统。 超临界或超超临界直流机组不同于汽包炉的重要一点就是汽水启动分 离器的运行特点。欧洲国家、日本及我国运行的超临界或超超临界均采用内 置式汽水分离器系统。内置式汽水分离器系统在锅炉启停及正常运行过程 中，汽水分离器均投入运行，起汽水分离作用，而在锅炉正常运行期间，汽 水分离器只作为蒸汽通道。内置式启动分离器设在蒸发区段和过热区段，汽 水分离器与蒸发和过热器间没有任何阀门，系统简单，操作方便，无外置式 启动系统那样的分离器解列或投运操作，从根本上消除了汽温波动问题。 对于超临界或超超临界机组，由于水不存在汽化阶段，不存在汽包。其 特性同汽包锅炉有明显的区别。在汽包锅炉汽水行程中，汽包、下降管、水 冷壁构成一个小的水循环回路，水在锅炉中加热、蒸发、过热的过程有较明 显的分界面。而直流锅炉没有内部水循环回路，它将锅炉给水，一次性加热 为过热蒸汽，水在锅炉中的加热、蒸发、过热的过程没有明显的分界面。 汽包在运行中，除了作为汽水分离器之外，还作为能量工质失调的缓冲 器。当能量工质输入失衡时，汽包中的汽水空间可以暂时维持两者之间的平 衡关系。例如，当给水流量大于燃料热量时，蒸发量保持不变，汽包水位上 升，暂时维持各个受热面的热平衡：当燃料热量大于给水流量时，蒸发量增 加，汽包水位下降，仍然可以暂时维持各个受热面的热平衡，保持过热蒸汽 温度基本不变。因此，过热汽温、给水统与锅炉负荷耦合相对较弱，可以分 华北电力大学硕士学位论文 别控制。 对于直流锅炉，这一特性有所变化。由于没有汽包的缓冲作用，当能量 工质输入失衡时，这一变化将直接影响过热汽温。例如，当给水流量大于燃 料热量时，汽水分界面后移，锅炉蒸发量增加，过热蒸汽吸热量减少导致过 热汽温降低；当燃料热量大于给水流量时，汽水分界面前移，过热蒸汽吸热 量增加导致过热汽温升高。这种影响非常剧烈，单独依靠减温水无发维持过 热汽温稳定。 在直流锅炉中，当能量工质失配时，整个汽水流程中工质的焓都要发生 变化，离锅炉出口越近，变化越大，同时迟延也越大。虽然锅炉出口汽温可 以反映能量工质的平衡关系，但迟延很大，作为调节信号是不合适的。选用 加热过程中水温，虽然延迟小，但变化小不灵敏。蒸发过程中的汽水混合物 温度保持不变，焓值难以测量。所以直流锅炉一般采用中间点温度( 微过热汽 温) 来反映能量工质的平衡关系【1 9 】。 超超临界直流锅炉的中间点选在汽水分离器出口，原因是汽水分离器出 口温度毹更早、更迅速、不受其它因素影响地反映出主蒸汽温度变化趋势， 且在锅炉负荷( 3 5 1 0 0 ) m c r 范围内，汽水分离器出口始终处于过热状态， 温度测量准确、灵敏。当中间点温度( 焓) 稳定时，过热汽温的变化量大大减 少，与机组负荷压力给水系统耦合很小，可以单独控制，从而大大提高控 制效果。 直流锅炉模型特性的变化体现在汽水系统中，而制粉系统、风烟系统、 汽轮机调门、汽轮机动态环节同汽包锅炉是一致的。 2 2 直流锅炉状态参数静态特性 2 2 1 汽温静态特性 由于直流锅炉各级受热面串联连接，水的加热与汽化、蒸汽的过热三个 阶段的分解点在受热面中的位置不固定而随工况变化。因此，直流锅炉汽温 的静态特性不同于汽包锅炉。 对无再热器的直流锅炉，建立热平衡式： q ( 略一j j l 。) = e ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中q 为给水流量，等于蒸汽流量；b 为主蒸汽焓；丸为给水焓； 为锅炉燃料量；以为单位锅炉燃料量所产生的热量；为锅炉热效率。 对于一个新的工况( 上角加”) ，令： 9 华北电力大学硕士学位论文 等钠务；等；叫等。叩 则新工况的热平衡式为： 如( 0 一s 。) = e g 刁 整理后可得 心2 知考戤地 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 对于原工况，= l 、= l 、g = 1 ；g = l ；，7 = 1 ；s = l ，则上式为 b 2 蓍疋+ k ( 2 - 4 ) 对上面公式分析如下： ( 1 ) 假设新工况的燃料发热量、锅炉热效率、给水焓都和原工况相同，即 口= l 、，7 = 1 、s = l ，而负荷不同。则有以下几种情况：g = 1 ，即原工况 和新工况的燃料量和给水量保持比例( 也就是说燃水比保持不变) 。比较式 ( 2 3 ) 与( 2 4 ) ，可得，= 1 、j l 。t _ ，。因此，在上述假定条件下，主蒸汽温度 保持不变。所以，直流锅炉负荷变化时，在锅炉燃料发热量、锅炉热效率、 给水焓不变的情况下，保持适当的燃水比，主汽温度可保持稳定。这也是直 流锅炉运行特性与汽包锅炉的运行特性不同之一。 ( 2 ) 如果新工况的燃料发热量变大( g 1 ) ，则， 1 ，即b j i l 矿，主蒸汽温 度增高；假如新工况锅炉热效率下降( 穆 1 ) ，则， 1 ，即k j i l 盯，主汽温度 下降；新工况给水焓下降即s l ，则， 1 ) ，汽轮机调速汽阀开度不变，也有三种情况。 1 ) 燃料量随给水流量增加，保持g 比值，由于蒸汽量增大使汽压上升。 2 ) 燃料量不变，减小减温水量来保持汽温，则汽压不变。 3 ) 燃料量和减温水都不变，如汽温下降在许可范围内，则汽压上升。 2 3 影响超超临界锅炉汽温特性的主要因素 2 3 1 燃水比是主要影响因素 超超临界锅炉以燃水比作为过热蒸汽温度的主要调节手段，首先是以炉 膛换热的能量平衡为基础，为了提高燃水比的调节效果，过热器系统的吸热 特性必须是以辐射为主，即根据燃水比变化特性决定系统的吸热特性。 2 3 2 工质热物理特性和运行压力的影响 变压运行的超超临界锅炉一般在6 3 m c r 负荷以下处于亚临界压力范 围内运行。压力由2 0 m p a 降低至1 0 m p a 时，汽化热由5 8 5 k j l 【g 增加到 1 3 1 5 8 k j l 【g ，饱和温度由3 6 5 7 降低至3 1 1 【2 们。此时水冷壁中工质温度随 吸热量增加基本不变，汽温变化特性主要取决于过热器系统吸热特性和运行 压力。 在6 3 m c r 负荷以上进入超临界压力范围内运行，过热蒸汽温度除了 随运行压力变化外，还要随工质热物性和中间点温度变化，而后者对过热蒸 汽温度的影响更大。即随压力提高，工质的定压比热容降低，例如：压力为 2 2 5 m p a 的拟临界温度为3 7 5 ，最大定压比热容为8 8 6 4 k j ( k g ) ；压力为 3 0 m p a 的拟临界温度为4 0 2 ，最最大定压比热容为2 6 5 3 k j ( k g ) 。即随 运行压力提高，中间点温度升高，定压比热容大幅度减小；同时，过热器中 蒸汽温度已经远高于比热容最大的拟临界温度，定压比热容进一步减小。可 见，屏式过热器吸热量的少量增加都会引起蒸汽温升的大幅度提高。 2 3 3 中间点温度的影响 影响中间点温度的因素很多， 成分和燃烧特性变化、燃烧调节、 除了燃水比以外，省煤器进口水温、煤质 运行压力、省煤器和水冷壁的积灰和结渣 华北电力大学硕士学位论文 程度、摆动式燃烧器的调节特性、减温水量的变化、制粉系统与汽水系统的 动态耦合特性等因素都会影响中间点温度。中间点温度的控制原则是保持 1 5 的微过热度，以避免过热器带水和超前信号失效。中间点温度过高，水 冷壁出口段成为过热器，危及水冷壁的安全运行。根据超超临界锅炉的运行 经验，中间点温度每变化1 ，低负荷时对过热汽温的影响达l o ，高负荷 时的影响大约为5 。不同的超超临界锅炉，这些数据的变化未必相同，但 变化趋势应该一致。 虽然影响中间点温度的因素比较多，但在正常运行条件下，最主要的因 素是运行压力和温度决定的水冷壁中工质的焓。 2 3 4 煤质变化的影晌 煤质变化传导致燃水比变化，并改变燃烧工况以汽水系统受热面的辐 射、对流传热比例，既影响中间点温度，又直接影响过热器吸热特性，从而 影响汽温特性。 。 煤质特性的影响首先表现为发热量、挥发分、水分、灰分等因素对炉膛 辐射热量及其热负荷分布特性，进而影响水冷壁中间点温度。理论分析可知： 随着燃煤发热量提高，炉膛内燃烧放热量相对增加，炉膛温度水平提高，水 冷壁接受的辐射换热量增加，致使水冷壁工质吸热量提高。水分增加，炉膛 平均温度水平下降，水冷壁辐射换热量呈减少趋势。而灰分增加对水冷壁辐 射吸热量具有双重影响：即一方面炉膛容积内灰粒子浓度增加，固体粒子的 辐射份额提高，增强了火焰的辐射能力，致使水冷壁吸热量增加；但另一方 面灰分增加会导致燃烧效率下降或火焰温度分布变化，受炉膛出口烟温提高 的影响，水冷壁吸热量会有一定程度减少；但从水冷壁辐射换热量的总趋势 来看，因为同一类煤质的灰分增加时，一般会引起煤质发热量降低，相对于 单位( k g ) 燃料的水冷壁吸热量减少，如果不及时调整燃料量就会引起工质温 度降低。 2 4 燃水比特性的研究 燃水比在机组运行范围内并不为一固定常数，而是随机组负荷及运行操 作环境而变化。理论分析表明低负荷时由于给水温度较低，单位质量工质所 需的吸热量增加，需要按能量平衡关系增加燃料量，燃水比升高，而高负荷 时正好相反。 文献 1 9 采用了随负荷变化的燃水比，并用于直流锅炉协调控制，但对 其变化规律没有给出详细说明；文献 2 l 】讨论了超临界直流锅炉中间点温度 1 2 华北电力大学硕十学位论文 控制问题，给出了大工况范围内的燃水比变化规律，但其结论只是理论上的 定性说明，并没有在实际数据基础上的定量分析。 本节给出基于机组运行数据计算燃水比的方法，包括运行工况选择与数 据筛选、数据处理与单工况燃水比建模、曲线拟合与全工况燃水比建模与检 验等，分析了影响燃水比准确性的主要因素。本节计算方法具有通用性，计 算结果可直接应用于超超临界机组燃水比控制。 2 4 1 工况选择与数据筛选 本文研究对象为某1 0 0 0 m w 超超临界机组，感兴趣的负荷区间为 5 0 0 m w 1 0 0 0 m w ，所有数据均取自监控信息系统( s i s ) 。 为了准确描述燃水比与机组负荷间的关系，特选择了以下1 1 个工况点： 5 0 0 m w 、5 5 0 m w 、6 0 0 m w 1 0 0 0 m w 。 2 4 1 1 机组运行工况稳定性判别准则 所谓机组稳定运行工况是一个相对的概念，表示机组在该工况下主要参 数在一个较小范围内波动。由于此时不考虑工况点变换时的动态调整过程， 使问题得以大大简化，计算准确度也相应提高。在基于机组实际运行数据的 分析时，稳定性判断及数据筛选变得尤其重要。 稳定工况定义： 取一段时间长度为h 的数据( h h o ) ，在此区间内机组参数满足以下条 件： i n 。一n 。i 。l n l 一p m 抽i p l t 雌一k i t l q 。一q 。i i i l t 。时，警i p o 。在亚临界压力下，在2 0 0 s t 5 6 0 0 的范 围内，热水的定压比热( c ：署l p ) 以及比容随温度的增量( 暑l p ) 随温度的 上升是增加的，而过热蒸汽的比热以及比容对温度的增量随温度的增加而减 小。 从以上的分析可知：在超临界压力下，蒸汽发生器中存在两种热力学性 质明显不同的工质，以准临界温度为界，当工质温度t t 0 时，工质的热力学性质也是比较一致的，且类似于亚临界压力的 过热蒸汽的热力学性质【1 6 】。 3 2 状态参数的动态特性 3 2 1 动态过程锅内工质贮存量的变化 将直流锅炉受热面简化为省煤器、水冷壁、过热器三个受热段串联组成。 如图3 2