（控制理论与控制工程专业论文）超临界直流锅炉系统建模与仿真.pdf

- 。只 、 ，“ 盘 ： 薯 菇茹 -一一、慕y p w f 声明尸明 i i i ii i i1 1 11 11f fi ii ii if y 17 8 5 6 9 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超临界直流锅炉系统建模与仿真， 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，论文中不包含其他人已经发 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他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：麴笙 日期： 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) 作者签名：碴兰生 导师签名： 1 3 期：垫掣 日期： 壁一 兰 f f 量 p t j 0t 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电力技术的发展，火电机组越来越趋向高参数、大容量。为了避免或减少 运行人员误操作事故的发生以及加强运行人员对事故的处理能力，建立火电机组全 工况实时仿真模型对运行人员进行培训，具有极其重要的意义。 本文以6 0 0 m w 超i 临界直流锅炉为研究对象，对其直流锅炉系统的建模问题进行 了研究，并仿真了其动态特性，主要内容包括：炉膛燃烧和辐射模型，单相换热器 集中参数模型，直流锅炉水冷壁动态数学模型。 将所建模型在p s k 仿真平台上进行试验，验证了模型计算结果的可靠性。论文 最后指出了一些需要进一步研究的问题。 关键字：直流锅炉，管内工质，动态特性，数学模型，仿真 a b s t r a c t t h et h e r m a lp o w e ru n i th a sh i g h e rp a r a m e t e ra n dc a p a c i t yw i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i ct e c h n o l o g y i no r d e rt op r e v e n tt h et h i n g st h a tt h ea c c i d e n to fo p e r a t o r so p e r a t e t h em a c h i n e si m p r o p e r l yf r o mo c c u r r i n g ，a n dt oe n h a n c et h et r e a t m e n tc a p a c i t yo f a c c i d e n tf o ro p e r a t o r s ，t h er e a l - t i m es i m u l a t i o nm o d e l so ff u l lw o r k i n gs c o p eo fp o w e r p l a n t sc a n b es e tu p ，i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot r a i nt h eo p e r a t o r s t h ea u t h o rt a k e s6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a lo n c e - t h r o u g hb o i l e ra st h er e s e a r c ho b j e c ti n t h i sp a p e r , a st ot h ep r o b l e mo fs e tu pm o d e la b o u tp r o c e s si n s i d et h eb o i l e rt oc a r r yo na r e s e a r c h ，a n ds i m u l a t ei t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ：t h el u m p e d m o d e lo fr a d i a t i o na n dc o m b u s t i o n ，t h el u m p e dm o d e lo fs i n g l e - p h a s eh e a te x c h a n g e r , t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fw a t e rw a l l t h em o d e l sa r et h e ni n p u t t e di n t ot h ep s ks i m u l a t i o ns y s t e m t h er a t i o n a l i t yo ft h e m o d e li sp r o v e d f i n a l l y , s o m ep r o b l e m sw h i c hn e e df u r t h e rr e s e a r c ha r ep o i n t e do u t l is h u a i h u a ( 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 m ay o n g g u a n g k e yw o r d s ：o n c e - t h r o u g hb o i l e r ，w o r k i n gf l u i di nt h et u b e ，d y n a m i c s ，m a t h e m a t i c m o d e l ，s i m u l a t i o n ；i，；， 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论= 1 1 1 引言1 1 2 锅炉的数学模型：1 1 3 锅炉系统的简化与建模方法4 1 4 本文研究的主要工作9 1 5 研究对象的主要参数l0 第二章炉膛燃烧和辐射模型1 2 2 1 引言1 2 2 2 炉膛换热模型分析与假设1 2 2 2 1 线性模型12 2 2 2 非线性模型15 2 2 3 分析与假设1 6 2 3 炉膛燃烧和辐射的修正模型l7 2 3 1 绝热燃烧温度修正1 7 2 3 2 炉膛辐射换热的数学模型1 8 2 4 模型对比验证2 0 2 5 结论2 1 第三章单相介质换热器模型2 2 3 1 引言2 2 3 2 建模方法分析与比较 3 4 1 2 2 3 2 1 嵌套结构的集总参数模型2 4 3 2 2 链式结构的集总参数模型2 6 3 2 3 移动参数模型2 7 3 3 单相介质换热器模型2 9 3 3 1 烟气侧换热系数2 9 3 3 2 工质侧换热系数3 0 3 3 3 对数温压修正系数3 0 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 4 换热量及金属管壁温度31 3 3 5 出口参数j 3l 3 4 模型仿真结果3 2 3 5 结论3 4 第四章水冷壁动态过程建模与仿真3 5 4 1 引言3 5 4 2 建模对象及简化3 5 4 3 亚临界工况下水冷壁蒸发区数学模型3 6 4 4 超临界工况下汽水区域的划分3 9 4 5 模型仿真结果3 9 4 5 17 5 工况下模型动态仿真3 9 4 5 21 0 0 工况下模型动态仿真4 0 4 6i l 吉论。 l l 第五章仿真支撑系统及扰动试验4 2 5 1 仿真支撑系统介绍4 2 5 1 1 初步设计4 3 5 1 2 详细设计4 5 5 1 3 仿真模型调试4 5 5 2 整体机组模型扰动实验4 5 第六章结论与展望4 8 参考文献，4 9 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 lidlp 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 对水蒸汽动力装置循环理论分析表明，提高循环蒸汽的初参数和降低循环的终 参数都可以提高循环的热效率。除此之外，采用再热循环和回热循环也可以提高循 环的热效率。事实表明，提高蒸汽参数与发展大容量机组相结合是提高常规火电厂 效率、减少环境污染和降低单位容量造价的途径。与同容量亚临界火电机组的热效 率相比，在理论上采用超临界参数可提高效率2 2 5 。目前，世界上先进的超临 界机组效率已达到4 7 , - - - , 4 9 。此外，先进的大容量超临界机组具有良好的启动、运 行和调峰性能，适用于各种参数等特点，能够很好的满足电网负荷的调峰要求，并 可在较大的负荷范围( 3 0 - - 9 0 额定负荷) 内变压运行，变负荷速率多为5 m i n 。 这些显著优势使得高效、清洁的超临界机组成为了国家电网中的主力机组。 尽管超临界机组有诸如上述的很多优势，但人们对超临界机组的认识以及在实 际运行中还存在的许多问题。为了使超临界机组安全而经济地运行，对其动态特性 深入的研究、运行调整分析、事故预测等工作就变得十分重要。设计人员和运行人 员不仅要掌握超临界机组的稳态过程，还要了解他们的动态特性，而直流锅炉是机 组中的主要设备之一，它的工作过程极为复杂乜1 。这样，对整个机组的研究重点也 就集中在直流锅炉上。而要实际地在大容量、高参数机组的直流锅炉上进行试验， 不仅人力、物力较为困难，尤其是在现场生产中是不允许人为设置事故和事故重演 的，这就使得由于条件限制而难于达到满意的试验结果。 解决的有效手段便是为直流锅炉系统建立数学模型并进行仿真研究来掌握其动 态特性。尽管计算机技术的发展为直流炉动态数学模型的广泛应用提供了有利的条 件，然而针对具体的直流锅炉系统热力过程的某些工作机理，人们至今尚未充分掌 握。因此，如何建立一个比较符合实际而又相当简单的直流锅炉系统数学模型，是 本文要研究的课题。本文将从基本过程出发，运用热力学理论建立它的局部动态模 型，然后把这类局部模型综合起来，进一步研究其整体动态特性。 1 2 锅炉的数学模型 锅炉是一种机构复杂，体积庞大的能量转换系统，对这种设备的研究一般都要 借助于模型。而根据不同的研究任务，需建立局部模型或者是整体模型。对建立的 模型大致可以分为物理模型和数学模型，本课题我们只对数学模型做探讨。 所谓数学模型，概括的说就是用一系列数学方程，包括代数方程和微分方程， 华北电力大学硕士学位论文 描述每一个具体过程，最终组成一个联立的方程组。数学模型虽然比较抽象，但他 可以比较全面的反映一个复杂系统的性质。当对一个系统的内部机理比较清楚的时 候，就可以利用数学模型对系统进行研究。而从建模的对象来看，锅炉数学模型分 为炉内过程数学模型和锅内过程数学模型d 1 。炉内过程数学模型主要包括空( 烟) 气 与煤的颗粒的湍流气固两相流动和热交换，燃料燃烧以及烟气与受热面的辐射和对 流传热，以及烟气各组分浓度变化的物理和化学过程；锅内过程数学模型则主要包 括管内单相流体( 水、蒸汽) 、两相流体( 饱和水与蒸汽) 的流动以及与受热面之间的 换热，工质的压力变化和水位变化等动态过程。 锅炉的数学模型又可分为静态数学模型和动态数学模型。静态数学模型是用来 描述系统在稳定状态下或平衡状态下各种输入变量与输出变量的关系。在锅炉正常 运行中，如果输入的物质与能量一直保持不变，例如将燃料量与给水保持在某一定 值，则输出的蒸汽温度与压力也最终会稳定在某一数值上。这时整个锅炉是处于平 衡态的，而其内部各系统的参数也将保持不变。当某一输入变化时，这种平衡就遭 到破坏，经过一段时间，系统又达到新的平衡态。这些稳定工况下个参数之间的关 系便可以用静态数学模型来加以描述。由于静态数学模型主要用于系统的设计和校 核计算，所以一般具有较高的精度。 动态数学模型则是用来描述系统在不稳定的状态下各种变量随时间变化的关 系。当系统由一个稳态转变为另一个稳态时，哪些参数会发生变化，变化的速率以 及大小如何，这些都是动态数学模型要研究的问题。从理论上看，静态数学模型和 动态数学模型有着很密切的关系，动态数学模型在一定情况下包括了静态数学模 型。我们用数学公式的推理也可以看出，若假定动态数学模型的动态项，即对时间 的导数项为零，则动态数学模型就可以转化为静态数学模型了。由此可见静态数学 模型是动态数学模型的极限和基础，在仿真系统上使用的都是动态数学模型。 目前对超临界直流锅炉系统动态数学模型的研究主要集中在以下几方面h 1 ： 1 建立直流锅炉设备的精细数学模型。这类模型主要用于锅炉系统设计或特性 分析，为改进设计提供必要的依据。建模时要尽可能详细地反映内部物理、化学过 程，能够对对象进行“全尺寸 性能仿真，可以灵活地改变外界条件、结构及不同 的原材料，从而进行方案比较。这类模型进行必要简化后也可以用于实时仿真系统。 2 非线性及分布参数对象的处理方法。从本质上讲热力系统都是非线性系统， 用小偏差线性化研究是一种常用的方法。而对一些具有分布参数的对象的建模，处 理时要简单而且有足够的工程精度。 3 模型简化与实时化，由于实际系统的复杂性，所得模型经常是高阶、非线性、 时变的偏微分方程。在建立模型的过程中如何针对不同的实用目的，对复杂模型进 行简化是非常关键的。在最优控制、自适应控制，模型参考、模型跟踪控制，性能 2 ，i9 华北电力大学硕士学位论文 评估、故障前期诊断，实时仿真培训系统中，都需要合适的实时模型。利用实际运 行数据和模型计算数据偏差来修正模型重要参数的在线模型修正技术，是实时模型 研究的重要内容。 4 面向对象的图形化建模。对一些相对复杂的热动力系统，诸如直流锅炉的燃 烧系统、汽水过程，通过典型模块的搭接，能方便快速地分析其动态特性，并能够 在配置了控制系统后研究其闭环特性。 目前，国内外学者在文献 5 1 7 中对炉内过程和锅内过程数学模型的建立做 了大量的工作。比较有代表性的是东南大学的章臣樾，清华大学的倪维斗、吕崇德、 范永胜等。其它学者也对火电机组直流锅炉的动态模型进行了大量研究。总结起来 这些模型大部分是采用机理法建立的，建模时也考虑了对象的分布参数特性，得到 的模型由微分方程或偏微分方程及代数方程组成。其仿真结果较为精确，多用于对 象动态特性分析、控制系统改进或控制算法研究。基于热力学系统动态模型的研究 现状及电力生产的需求，有必要建立一种可以直接在软件平台上运行的直流炉模 型。建模时可以将模型的具体结构及参数封装起来，只提供模型的输入、输出作为 接口，并给出相应的说明( 如物理含义、单位等) ，以便与控制系统的连接从内容 上大致分可以为以下三种： 9 1 线性模型和非线性模型 “ 锅炉运行的实际动态过程本质上是非线性的，应该由非线性模型来描述它的动 态特性，但是有时会在小范围内对模型进行线性化以便得到模型的解析解、线性模 型在一定范围内可以较好地反映对象的分布特性，但是不能适用于大范围的工况变 化。 。 2 分布参数与集总参数模型 实际工质状态参数的变化不仅是时间的函数，也是空间位置的函数，具有明显 的分布参数特性。在建模时、为了简化计算，通常认为管内同一横截面上的工质参 数是一致的，只是沿着工质的流动方向发生变化，将三维分布参数简化为一维分布 参数模型。在数值计算过程中，常采用分段集总模型来逼近分布参数模型。在实际 工程中，除极少对精度要求极高的分析性工作外，一维分布参数模型足以满足工程 要求。 集总参数模型则是仅含有一个时间变量t 的常微分方程组，这种模型的优点是 计算时间和占用内存都很小，但是其动态过程与实际过程偏差相对较大，可以通过 增加分段数和其他方法来提高集总参数模型的精度，使其动态响应与实际过程更加 接近，这也是本文的研究内容之一。 3 单相模型与两相模型 华北电力大学硕士学位论文 单相模型有两个概念：一是模型中的管内工质为单相介质；二是模型中的管内 工质虽为汽水混合物，但在建模时把它们视为均相流体且不考虑汽水两相之间的相 互影响和参数的差异( 如流速差异等) 。 当管内工质是单相的水或汽时，模型比较简单，相关的研究也较为广泛，目前 己有较多的利用集总参数模型来近似模拟分布参数特性的高精度建模方法，其中既 有非线性模型，也有线性模型。当管内工质为汽水混合物时，模型就变得复杂的多， 在两相流动和热交换方面至今还有一些过程无法用理论性模型描述，而只能采用一 些存在不同程度误差且适用范围有限的经验公式。所以在实际建模过程中需要对其 做出一些简化。 上述各类模型都有其自身特点，因而在建模时根据各种模型的优点，并结合具 体的仿真对象、目的和要求，建立能够更好地反映锅炉实际动态特性的数学模型， 这便是此项研究工作的意义所在。 1 3 锅炉系统的简化与建模方法 作为火电站三大主要设备之一的锅炉，按蒸发量的大小可分为小型、中型、大 型u 引。目前，除自备电厂及小型供热机组外，新投产的电站一般都配备3 0 0 m w 及以 上的大型机组，所配锅炉均为1 0 0 0 t h 以上的大型锅炉。按工质循环方式可分为自 然循环炉、复合循环炉、直流锅炉。国内较多的为自然循环锅炉和直流锅炉n 们。 由于锅炉的类型繁多，即使是同一类锅炉，由于燃用煤种的不同，其结构也有 较大的差别。因此，在建立锅炉系统仿真模型时，要根据具体情况，按锅炉的结构 及特性建立锅炉系统的仿真模型。 一个完整的超临界直流锅炉系统数学模型应该是可以用来对其正常运行、启停、 事故等全部工况进行仿真研究。但在建立数学模型的时候，要注意根据研究任务的 不同来划分模型的主要部分和次要部分旺引。对主要部分应该充分考虑各种因素，而 对次要部分则要高度简化。例如在建立锅炉数学模型的时候，由于锅炉内部同时进 行着多种复杂的物理和化学过程，要在一个模型中全面考虑这些过程几乎是不太可 能的。但可以根据需要分别建立燃烧模型，传热模型，单相介质换热器模型，水冷 壁模型，在每个模型中考虑相应的主要因素，而忽略其他相对不重要的因素。直流 锅炉的热力系统图如图1 - 1 所示： 4 华北电力大学硕士学位论文 来自高压 图1 - 1 直流锅炉热力系统图 该热力系统包括了直流锅炉的主要设备乜，如省煤器、炉膛、( 低温、 屏式、末级) 过热器、( 低温、高温) 再热器、汽水分离器、储水罐。与实 际机组的直流锅炉相比，该系统在结构和形式上都进行了简化，但通过该系统的建 模实例，可以全面说明各系统及设备的建模方法及各系统间是如何相互连接以构成 一个整体锅炉模型。 对于该火电站的热力系统，建立锅炉模型时，可将锅炉分为炉膛，单相介质换 热器( 过热器、再热器) ，亚临界下两相流受热管( 水冷壁) 三大个部分，分别建立各 部分的数学模型，再将各部分模型连接在一起，得到锅炉的整体模型。 为了使锅炉的动态数学模型及其计算不至于过分复杂，建模时一般先对其进行 非数学手段的处理，通常有以下两个步骤2 1 ： ( 1 ) 系统分解，即模块化建模方法，这是对锅炉这样复杂系统建模的重要前提步 骤。先将整个锅炉系统分解为若干个独立的子系统，利用相应的理论分别对各个子 系统建立模型，然后再将这些子模型组成系统的整体模型。系统的分解方法受经验 的影响很大，虽然分解原则各有不同，但其目的都是使系统的模型建模过程简化并 易于实现。 ( 2 ) 集总参数化。锅炉系统的各个部件大都具有分布参数的特点，为了便于仿真 华北电力大学硕士学位论文 实现，可用集总参数代替分布参数进行对象建模。集总参数模型中代表参数的取法 具有多样性，如选取其进口参数或出口参数以及进出口参数的平均值等。单个分段 的集总参数数学模型误差较大，为使仿真模型更加逼近分布参数对象，可增加模型 的分段数。深入研究并掌握锅炉的动静态特性，利用其为锅炉建立数学模型，并使 模型满足实时仿真的可靠性和稳定性需求，无论对锅炉的设计、运行，还是控制都 具有重要的指导意义。 直流锅炉系统的建模方法可以分为机理建模方法和辨识建模方法。其中机理建 模方法是基于质量守恒、能量守恒等基本定律的建模方法，建模时要综合考虑模型 的精度和计算的复杂度，通常做出假设使实际系统简化。现有的直流锅炉系统的大 部分模型都是通过机理建模方法而得，并且需要进行较大的简化后才可满足实时计 算的要求。随着计算机软硬件技术的发展，机理模型变得更加深入、细致，模型的 精度也越来越高，但由于机理模型存在假设条件以及计算方法误差等因素，因此不 可避免地与实际系统间产生偏差。辨识建模方法是对内部结构和机制未知的实际系 统建模的有效方法，辨识建模可通过对实际系统输入输出数据的处理来拟合实际系 统的动态过程，目前其主要研究领域集中于线性系统。神经网络的发展使得辨识建 模方法在非线性系统的研究领域内取得了很大的进展。本文的研究对象是个已知的 系统，适合采用机理建模方法。 在建立锅炉系统仿真模型时，可做出如下假设瞳朝： ( 1 ) 采用集总参数法。忽略系统参数在空间的分布情况，只考虑时间导数项。( 例 如，过热器，再热器，省煤器等单项介质换热器被简化为一根等效受热管。整个管 子金属温度一致，热量只沿径向传递) ( 2 ) 假定烟气，空气，水蒸汽都为理想气体。满足理想气体状态定律。 ( 3 ) 建立烟气侧动态模型时，一般忽略不计，只考虑平衡状态的关系。这是由于 烟气的蓄热能力与金属及工质侧相比很小，可以忽略不计。 ( 4 ) 各系统满足如下基本的物理及热力学定律。( 质量守恒，能量守恒，动量守 恒，传热方程，热力学状态参数方程等) 质量守恒： ， ( p 功m 既一 ( 卜1 ) 口f 其中：矿系统容积 p 工质密度 既入口质量流量 形。出口质量流量 6 能量守恒： 矿挈= 小+ 级( 1 - 3 ) 其中：日焓值 k 入1 2 焓值 出口焓值 瓯吸热量 注意：以上的p ，h 为集总参数，即整个系统的平均参数。这个参数在实际建 模中有两种取法：( 1 ) 取为出口参数( 2 ) 取入l z l 、出口参数平均值。前一种方法得到 的模型比较简单，但精度稍差。后一种方法得到的模型较复杂，但精度稍高。 动量守恒： 根据牛顿第二定律，考虑到作用在流体上的表面力，质量力，及表面摩擦力， 可以推得，对于不可压粘性流体定长流动的伯努力方程： 搿 ；二 z l + 鲁+ 竖2 9 = z 2 + 鲁+ 竖2 9 + k ( 1 - 4 ) 一l p g 。 p g w “ 其中：k 、圪入口及出口平均流速 z l 、z 2 入口及出i z l 的高度 日、入口及出1 3 的压力 ， g 重力加速度 丸管道上总的能量损失 h 。= 以+ k 沿程阻力损失t “矮 5 ) 局部阻力损失心= 善蓦 ( 1 6 ) 式中：五沿程阻力系数 d 、卜一管道内径与管长 善局部阻力系数 华北电力大学硕士学位论文 一_ _ 近似计算：五。= 岛i v - - ，其中毛为总的阻力损失系数。 z g 当管道的高度及管内流速变化不大时即z 1 2 z 2 ，k 2 啦暑= 鲁帆，则 暑一昱：昭 ，：包p i v 2 。而在工程上经常使用质量流量，形：助y ，为管道截面 积，代入上式得： 冀一与= 毛p 导= 每7 w 2 = 岛等 ( ，_ 7 ) 其中心为管道的摩擦阻力，只与管道形状，粗糙度，及流体的物性有关。 综上可得关系： 娶：圪一( 1 - 8 ) p 其中，置，昱入口及出口压力。 传热方程： 炉内高温气体与水冷壁及辐射过热器的换热以辐射传热为主，满足四次方定律， 当水冷壁为黑体时，所吸收辐射热量可以按照斯蒂芬一玻尔兹曼定律( 描述了黑体辐 射力随着表面温度的变化规律) 计算： q = 嘿巧 ( 卜9 ) 其中，烟气黑度 互烟气温度 仃黑体辐射常数，p = 5 6 7 x 1 0 _ 8 w ( m 2 k 4 ) 烟气一金属的对流传热可近似按下面公式计算： g = 毛略8 ( 乙一乙) 金属一工质的对流传热可近似按下面公式计算： q 2 = 屯秽j ( 乙一z ) 其中，毛，岛系数 吃，形烟气流量，工质流量 t ，乙，互烟气，金属表面，工质的平均温度 8 ( 1 - 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 热力学状态参数方程： 常用的热力学参数为压力p ，温度丁，焓日，熵s ，比容v 。已知五个参数中的 任意两个，就可以根据曲线表格和经验公式求的第三个。 仿真模型中常以压力、温度计算为主，由压力、温度推导焓，熵，比容，或由 焓、压力推导温度。 h = h ( p 、r ) ，s = s ( p 、丁) ，v = v ( p 、t ) ，t = r ( e 、日) 以上公式主要用于水及过热蒸汽的计算，当处于饱和状态时，由任意一个参数， 便可推导出其他四个参数。 1 4 本文研究的主要工作 本课题以由上海电气集团股份有限公司设计制造的超临界参数变压直流锅炉为 研究对象，该锅炉现已应用于某电厂2 6 0 0 m w 机组。对其炉膛辐射与燃烧、管内工 质单相区和水冷壁动态过程分别建立机理性数学模型，通过计算机数字仿真对其动 态特性进行了仿真试验，并对结果予以分析。 主要内容包括： ( 1 ) 炉膛燃烧和辐射模型 根据煤粉燃烧理论和配风方式，分析现有基于辐射放热四次方定律的非线性模 型，采用射线平均长度的方法，建立零维烟气模型。该模型可以反映燃烧器倾角变 化对主蒸汽温度的影响，满足不同负荷下的要求，但是对总风量扰动过于敏感的现 象。当总风量增加时，主蒸汽压力下降，主蒸汽温度上升。根据电厂运行人员的经 验，在实际运行现场，增加总风量几乎不会对主蒸汽压力造成影响( 除非总风量增 加的非常多) ，对主蒸汽温度的影响也较小。出现这种情况的主要原因在原模型计 算绝热燃烧温度公式不尽合理，并给出了修正的模型。 ( 2 ) 单相受热面集中参数模型 在锅炉的单相区段，以直流锅炉的过热器管段为对象，对国内学者近年来所提 出的嵌套结构集总参数模型、链式结构集总参数模型和移动参数模型建模方法做出 了分析和比较，得到了它们在不同扰动下的响应特性。并在此基础上论述了火电厂 直流炉单相介质换热器的集总参数模型的计算及建立过程。 ( 3 ) 水冷壁动态过程数学模型 关于直流锅炉蒸发区仿真的文献中，建模方法主要集中于均相模型和两相模型 上。其中均相模型分段简单，计算方便，但存在模型切换、代表参数选取、二次建 模等难点，且没有考虑汽水两相之间的作用；而两相模型则考虑了两相区内汽水之 间的相对滑移，以及流体的动量变化对其动态特性的影响，机理性和通用性更好， o 华北电力大学硕士学位论文 但其中要用到大量的经验公式和系数，复杂且难以对其进行改进。 本文归纳了直流锅炉亚临界工况下蒸发区模型的建立方法及其发展过程，并以 理论分析的方法建立了直流锅炉水冷壁动态模型并在计算机上进行仿真，验证了模 型的合理性。此模型可承受较大的扰动，能够模拟锅炉变工况下蒸发区内工质不同 状态的变换过程，可以正确反映汽水蒸发段的动态变化规律，为今后的研究工作提 供参考。 ( 4 ) 介绍了实验所用的仿真支撑系统，并说明了搭建机组模型的过程与方法。最 后将所建模型在p s k 仿真平台上进行仿真试验，对机组整体模型进行了不同的阶跃 扰动试验，得到了主要操作变量扰动下主要监控参数的动态响应过程，其结果可为 解释直流锅炉的物理现象以及控制系统的设计和整定提供一定的参考，验证了模型 计算结果的可靠性。 ( 5 ) 水和水蒸汽性质计算在模型仿真中占有很大的份量，每一时间步都需要对水和 水蒸汽的物理参数进行更新。对水和水蒸汽的模型常有两种处理方法：根据水蒸汽性质 表建立网格点，通过插值方法计算；采用多项式分区拟合水和水蒸汽的性质。第一种方 法精度高，但耗内存；第二种方法由于拟合公式的压力适用范围较小，对超临界工况进 行仿真时误差较大。本文根据最新的水和水蒸汽热力性质工业公式( i a p w s - - i f 9 7 ) 的简 化公式建立了一套水和水蒸汽的计算程序，由于计算机性能的快速提高，采用这种方 法既可保证计算的速度，同时计算结果又具有很高的精度。 论文最后指出了一些需要进一步研究的问题。 1 5 研究对象的主要参数 制造厂：东方锅炉厂 型号：d g l 9 0 0 2 5 4 - 1 1 1 型 型式：超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、 固态排渣、全钢构架、全悬吊结构n 型锅炉，三分仓回转式空气预热器。 燃烧方式：四角切圆 点火方式：高能电火花轻油一煤粉 油枪雾化方式：点火油枪机械雾化、助燃油枪蒸汽雾化 汽温调节方式：过热器为二级喷水减温调节，再热器采用烟气挡板调温 最低稳燃负荷：3 5 b m c r 最低直流负荷：2 5 b m c r 1 0 华北电力大学硕士学位论文 表1 1 研究对象主要设计参数( 燃用设计煤种) 名称单位 b m c rb r l 过热蒸汽流量t h 1 9 0 5 1 8 1 4 过热器出口蒸汽压力 m p a ( g ) 2 5 42 5 3 过热器出口蒸汽温度 5 7 1 5 7 l 再热蒸汽流量t h1 5 5 6 1 1 4 7 7 7 再热器进口蒸汽压力 m p a ( g ) 4 6 1 4 4 7 再热器出口蒸汽压力 m p a ( g ) 4 4 24 2 9 再热器进口蒸汽温度 3 2 43 1 9 再热器出口蒸汽温度 5 6 9 5 6 9 省煤器进口给水温度 2 8 82 8 4 总燃料消耗量t h2 3 3 4 2 2 4 3 炉膛截面热负荷 m w m 34 8 7 4 亍6 8 炉膛容积热负荷m w m 3 8 1 7 8 7 8 5 9 炉膛有效投影辐射受热面负荷 k w m 2 2 1 2 42 0 4 1 燃烧器区域面积热负荷 k w m 21 6 2 1 5 6 锅炉计算热效率( 按低位发热量) 9 3 0 59 3 1 4 炉膛出口过剩空气系数 1 1 41 1 4 省煤器出口过剩空气系数 1 1 5 1 1 5 n o x 排放浓度( 以0 ：= 6 计)m g n m 2 5 0 0 过热器一级喷水量t h7 6 2 7 2 6 过热器二级喷水量t h 7 6 2 7 2 6 给水温度 2 8 82 8 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章炉膛燃烧和辐射模型 锅炉在额定工况下运行时，炉膛内每个受热面的吸热量所占的锅炉有效利用热 的比例是一定的。在燃料性质和过量空气系数等不变的条件下，增大锅炉负荷会导 致其辐射传热量的份额减少，对流传热量的份额增大。这时的锅炉排烟温度会有所 升高，排烟热损失相应会增加，单位燃料量的有效利用热将减少，也就是锅炉的热 效率下降。因此，由于炉膛内辐射和对流传热特性的影响，其各个受热面的吸热量 所占燃料量有效利用热的比例是随着锅炉负荷的变化而变化的。炉内工况也会很明 显地影响着烟气辐射放热对炉内各个受热面的分配系数阻4 1 。在对流烟道里，由于各 个受热面所处位置的不同，他们的对流传热特性有弱有强，以至于他们的吸热量也 会随负荷的变化产生不同的规律。 由此可见，炉膛燃烧和辐射模型直接影响着整个锅炉模型的动态特性。在锅炉 模型中，对于炉膛内各个受热面吸热量的变化规律，不能将其简化为每个受热面的 吸热量都与燃料量成正比例关系，这样过分简化会直接导致所建立的模型将不能正 确的反映锅炉真实的运行特性。而应该根据他们的工作条件分别考虑。 2 2 炉膛换热模型分析与假设 目前炉膛换热模型基本上可以分为两种乜1 ；一种是线性模型，采用前苏联锅炉热 力计算标准中的古尔维奇公式进行计算。另外一种是基于辐射放热四次方定律的非 线性模型，采用射线平均长度的方法，建立摆动式燃烧器调节火焰中心位置的零维 烟气模型。该模型可以反映燃烧器倾角变化对主蒸汽温度的影响，满足不同负荷下 的要求。本文所作的工作即以此模型为基础。 2 2 1 线性模型 根据国内常用的锅炉热力计算公式，通过一些近似和简化来建立一个线性化的 模型。在锅炉负荷变化时，如果过量空气系数、热空气温度、炉内火焰中心温度都 保持不变或近乎不变，则炉膛出口温度只是燃料量b 的函数，计算公式： 驴毒 m ( 二) 仉。+ 1 其中：炉膛出1 3 烟气温度 乃燃料的绝热燃烧温度 ( 2 - 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 m 反映火焰中心位置在炉膛里相对高度的经验系数 b 一一反映炉膛黑度、辐射受热面的面积、烟气容积等的系数 由上述假设得知无，m ，b 均为不变的定值，因此公式( 2 1 ) 可以变为： 譬：局等 ( 2 2 ) b 、7 个个 岛= 0 6 学) o ( 2 - 3 ) 口 其中，岛即燃料量变化对炉膛出e l 温度变化的传递函数。括号下标“0 ”表示对 其中所有参量都取某一工况的稳态值。 炉内烟气热平衡方程： q = 矽b q ( 艺一) ( 2 - 4 ) 其中，q ，一一炉内烟气在单位时间内的辐射放热量 矽一锅炉的保热系数 巧一一单位燃料所生成的烟气( 乃) 的平均比热容量 根据公式( 2 4 ) 和公式( 2 3 ) 可得：、， 竽匆等 ，(2-5) q f j b = ( 1 0 6 警) 。 ( 2 - 6 ) 其中，七，即燃料量变化对炉内烟气辐射放热量变化的传递系数。假定在较大负 荷范围内可以不考虑烟气辐射放热对各区受热面分配系数的改变，则对于吸收炉膛 辐射热量的各个受热面，都可以采用这个传递系数。 忽略漏风给系统增加的热量，在锅炉对流传热区的传热方程和热平衡式为： q = k 瓦a ( 2 7 ) 伤= 缈b 瓦p 一t ”) ( 2 8 ) 其中，q d 单位时间的对流传热量 么对流受热面的传热面积 z 平均传热温差 k 传热系数 1 3 华北电力大学硕士学位论文 万对应于单位燃料量的烟气量在该传热区的进、出口烟温范围内的 平均比热容量 丁，丁”进、出口烟气温度 为了使得所得模型即接近实际又不过分复杂，对传热温差和传热系数的计算方 法需要进行合理的近似和简化，说明如下： ( 1 ) 取烟气平均温度r 和工质平均温度之差作为平均传热温差疋，并忽略锅炉正 常运行中工质温度的变化，即得： r = 丢p + t 。) ( 2 9 ) 瓦= 丁 ( 2 1 0 ) ( 2 ) 忽略管壁对金属放热的热阻，近似认为传热系数k 与烟气对管壁的放热系数 成正比。由于烟气对管壁的放热系数即对流放热系数和辐射放热系数口，之和， 故得：k = 毛( 口d + 口，) ( 2 11 ) 其中毛为常系数。 ( 3 ) 认为对流放热系数只与烟气的流速有关，同时假定受热面为顺列管束，可得： = 屯w o 石5 ( 2 1 2 ) 其中乜为常系数。 ( 4 ) 认为烟气的容积流量只决定于燃料量b 和烟气的热力学温度z ，而忽略其他 因素( 如漏风) 的影响，则得： w - - 缸b t ( 2 1 3 ) 其中效为常系数。 ( 5 ) 近似认为烟气辐射放热系数口，与烟气温度的三次方成正比，而不考虑烟气性 质的改变，则得： 口，= 屯t 3 ( 2 1 4 ) 其中心为常系数。 由于古尔维奇公式假定过量空气系数、热空气温度、火焰中心位置的条件近乎 不变，建模时采用了线性化和某一工况的稳定值，所以该模型只适用于较小负荷变 化范围。在低负荷和较大范围变动工况下，采用该模型会产生较大的误差。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 非线性模型 炉内过程的复杂性决定了炉膛的多维模型仍然处于研究阶段，所以炉膛的传热 计算至今仍主要采用零维( 集总参数) 的半经验方法进行的。 由于以某一环节的出口参数作为它的集总参数已经是建立动态模型的常用方 法，所以该模型是用炉膛出v 1 烟温作为炉内烟气的代表性温度。下面列出原有的比 较简单的模型公式： = + b ( 2 1 5 ) 其中，炉膛出口烟气流量 鹏单位时间内进入炉膛的空气量 鱿= 饼b r ，+ l 鹏 ( 2 一1 6 ) 其中，鱿一一单位时间内进入炉膛的热量 饼燃料应用基的低位热值 仉炉膛燃烧效率 一一进入炉内空气的质量比热 l 肌一一进入炉内空气的温度 绌= k s t 卫( 艺一瑶8 ) ( 2 1 7 ) q f = k ，( 艺一掣) ， ( 2 一1 8 ) 鳊= k z ) ( 艺一露) ( 2 一1 9 ) 其中，如曰，绋，鳊一一分别为水冷壁，炉内辐射受热面，炉膛出1 2 1 对流受热 面，在单位时间内吸收炉内烟气的辐射放热量 t s , j , ，昂，对应上述三种受热面的金属热力学温度 k 蚴，睇，与上述三种受热面传热有关的系数 炉膛出1 2 1 烟温 鲒= + 绋+ q d ( 2 2 0 ) 皱一如= 其中，如单位时间内炉内烟气的辐射放热量 c o o 炉膛出e l 烟气的质量比热 1 5 ( 2 - 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 由模型上述所列公式可以看出，进入炉内空气的温度兀胧要通过单位时间内进入 炉膛的热量骁才能影响炉膛出口烟温，从而影响整个受热面的传热量。绝热燃 烧温度的计算公式如下： t o ：= 望o ( 2 2 2 ) - q g ”7 其中，q g 绝热燃烧温度下烟气的质量比热 实际上t o 与对各受热面传热量的影响是同时存在的，而t o 的影响在公式 ( 2 1 6 ) ( 2 2 1 ) 并没有反映，。而因此，取i 1 亿+ ) 取代上述公式( 2 - 1 7 ) ( 2 - 2 1 ) 中的是更贴近实际的，而且式中，坼，的值也要做相应的改变。 2 2 3 分析与假设 一般情况下过量空气系数均大于l 。在煤的燃烧量不变的情况下，总风量增加 时，由于风温总是低于炉内温度，所以采用零维方法计算的绝热燃烧温度下降。由 公式( 2 一1 7 ) 可知，绝热燃烧温度的下降会使得水冷壁吸收的辐射热量减少，所以造 成主汽压力的下降。这是该零维模型本身的固有现象，即基于四次方定律的炉膛燃 烧和辐射模型对总风量的扰动比较敏感。当总风量增加时，主蒸汽压力下降，主蒸 汽温度上升。根据电厂运行人员的经验，在实际运行现场，增加总风量几乎不会对 主蒸汽压力造成影响( 除非总风量增加的非常多) ，对主蒸汽温度的影响也较小。本 章节对此进行了分析，指出计算绝热燃烧温度采用集中参数方法，是造成现象的主 要原因，并提出修改的方法。 根据煤粉燃烧理论，一般情况下，燃烧在动力燃烧区和过渡燃烧区进行乜引。在 动力燃烧区，由于化学反应速率较低，耗氧率很低，所以煤粉粒子表面氧的浓度