（动力工程及工程热物理专业论文）600mw超临界直流锅炉水冷壁系统建模与仿真.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 目前6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 等级的超( 超) 临界高参数发电机组已成为我国发电 企业的主力军，其供电效率可分别达到4 2 和4 5 ，与同容量亚临界机组供电相 比，其效率大幅提高。尽管超( 超) 临界机组有很大的优势，但是人们对超临界 机组在设计和实际运行中存在的许多问题及机组的动态特性的了解和掌握仍然不 够深入和全面。因此，全面分析和掌握超( 超) 临界锅炉的技术和运行特点，对 机组的动态特性研究、运行调整分析、事故预测等工作具有非常重要的意义。 本文以东方锅炉集团公司的d g l 9 5 0 2 5 4 i i8 型的6 0 0 m w 超临界直流锅炉作 为研究对象，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模型来完 成超临界锅炉水冷壁系统的模拟。论文主要研究工作如下： 1 、在亚临界状态下，将水冷壁按照水冷壁管内工质所处的状态的不同划分为 热水段、蒸发段和过热段三个部分；对于每个部分，从基本的守恒方程出发，根 据建模对象的特点选取适当的集总参数，通过二次建模建立亚临界状态下对象的 集总参数移动边界模型。 2 、在超临界状态下，工质没有经过蒸发直接由水变为水蒸气，汽水之间没有 明显的分界线。通过分析在超临界状态下汽水的性质，以同一压力下的最大比热 点为划分界限将工质划分为类似于亚临界状态下的热水段和过热段两个部分，并 对其建立移动边界数学模型。 3 、分别在亚临界和超临界工况下对模型进行了多种情况的仿真试验研究。 论文研究结果表明本文所建立的模型能够有效地模拟出在亚临界和超临界两 种状态各外部扰动情况下水冷壁的动态特性，同时有效地实现了亚临界和超临界 之间的模型切换，简化了亚临界和超临界状态下的数学模型及其动态特性计算。 此外，论文从汽水区域的划分标准出发，尝试解决了超临界压力工质水与蒸汽的 相变处理问题。 关键词：超临界直流锅炉，水冷壁，动态特性，数学模型 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，6 0 0 m w , i0 0 0 m wo fs u p e r c r i t i c a lp o w e ru n i to ru l t r a - s u p e r c r i t i c a l p o w e ru n i t a r et h em a i nf o r mo fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nu s e di no u rc o u n t r y t h e e f f i c i e n c yo ft h e mc a nr e a c h4 2 a n d4 5 ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hi sm u c hh i g h e rt h a n s u b c r i t i c a lp o w e ru n i ta tt h es a m eu n i tc a p a c i t y a l t h o u g ht h es u p e r c r i t i c a lp o w e ru n i t h a sm a n ya d v a n t a g e s ，d u et ot h el a c ko fk n o w l e d g ea b o u ti ta n ds o m ep r o b l e m si nt h e d e s i g na n da c t u a lo p e r a t i o nl e a dt ot h el e s su n d e r s t a n d i n go ft h ed y n a m i cf e a t u r e so f s u p e r c r i t i c a lp o w e ru n i tw e l l t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru st ol e a r na n dm a s t e r t h et e c h n o l o g ya n do p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs u p e r c r i t i c a lp o w e ru n i ti no r d e rt ot a k e o v e rd y n a m i cf e a t u r e ss t u d y , r u n n i n ga n a l y s i sa n da c c i d e n tf o r e c a s t t h i st h e s i st a k e sd g l 9 5 0 2 5 4 一i i8s 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 es t u d y o b je c tw h i c hi sd e s i g n e db yd o n g f a n gb o i l e rg r o u p t h en o n l i n e a rl u m p e dp a r a m e t e r m o v i n gb o u n d a r ym a t h e m a t i c a lm e t h o du s e dt ob u i l dt h ew a t e r - s t e a ms y s t e mm o d e l w h i c hi ss u i t a b l ef o rl a r g ed i s t u r b a n c ea n dw h o l ew o r k i n gc o n d i t i o n u n d e rt h es u p e r c r i t i c a lc o n d i t i o n ，w a t e ri nt h ep i p ed i r e c t l yc o n v e y si n t os t e a m w i t h o u te v a p o r a t i o np r o c e s sa n dt h e r e a r en oo b v i o u sb o u n d sb e t w e e nt h ew a t e ra n d s t e a m a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ft h ew o r k i n gm e d i u mu n d e rt h es u p e r c r i t i c a l c o n d i t i o ni nt h ep i p e ，t h em a x i m a ls p e c i f i ch e a ta tt h es a m ep r e s s u r ei su s e da st h e t r a n s i t i o np o i n tt od i v i d et h ew h o l es y s t e mi n t ot w op a r t sw h i c ha r es i m i l a rt o u n d e r c o o l i n ga n ds u p e r h e a t i n gs e c t i o n sa tt h es u b c r i t i c a lc o n d i t i o n i nt h i st h e s i s ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tu n d e rt h es u b c r i t i c a lc o n d i t i o n a n ds u p e r c r i t i c a lc o n d i t i o nr e s p e c t i v e l yw i t ht h es a m ee x t e r n a ld i s t u r b a n c e s ，a n d s i m u l a t i o no ft h et r a n s c r i t i c a lp r o c e s sf r o m5 0 t o10 0 l o a di se n f o r c e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h em e t h o dp r o p o s e di nt h i s p a p e rc a ns w i t c he f f e c t i v e l yb e t w e e n s u b c r i t i c a la n ds u p e r c r i t i c a lc o n d i t i o n ，a n ds i m p l i f ym a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e c o m p u t a t i o no fd y n a m i cn a t u r e f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sp r e s e n t st h ec r i t e r i o nf o rt h e m e t h o do fd i s t i n g u i s h i n gt h ew a t e ra n ds t e a mu n d e rs u p e r c r i t i c a lc o n d i t i o n ，w h i c hc a n b eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo f p h a s e t r a n s i t i o n i i 墅盔学硕士学位论文 英文摘要 k e yw o r d s ：s 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 r , w a t e rw a l l ，d y n a m i cb e h a v i o r , m a t h e m a t i c a lm o d e l i i i 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 英文符号 q t j 1 ，” d p h p u q 。 、， 月 三 c y f 主要符号表 中文名称 工质吸热量 管壁金属温度 饱和汽比容 工质流量 工质压力 工质比焓 工质流速 工质密度 工质内能 管壁金属吸热量 饱和水比容 管段截面积 环节长度 单位管长金属比热 时间 v i 黼娜哦娜h眺蚵u娜趣秆m u s 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 能源是人类生存的物质基础。随着国民经济的快速发展和人民生活消费水平 的稳步上升，国家对能源的依存度也越来越高。因此，如何合理有效地开发可利 用能源，提高一次能源的利用率显得尤为重要。超临界火电机组作为一种能源利 用技术，越来越受到国家的重视。目前6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 等级的超( 超) 临界高 参数发电机组已成为我国发电企业的主力军，其供电效率可分别达到4 2 和4 5 ， 与同容量亚临界机组供电相比，其效率大幅提高。相对于亚临界机组，超临界机 组最主要具有煤耗低，热效率高，可以进行变压运行等优点，能够很好地满足我 国对能源巨大消耗的需求。 随着超临界高参数大容量机组的普及，锅炉形式向着大型化和复杂化发展， 问题随之产生，比如如何有效地调整和优化整个机组运行的性能，如何在运行工 况发生变化时进行适时的参数调节，使机组能安全、高效的运行，成为急需解决 的难题。由于锅炉的设计、运行和调试都需要深入掌握其特性机理，基于安全性 和经济性等方面的考虑，需要人们去寻找一种方便、有效的掌握锅炉对象特性的 方法。随着近年来计算机仿真技术的飞速前进，通过计算机仿真模拟技术来研究 这些问题，建立合适的模型对工质的传热、流动、锅炉炉膛内的燃烧等特性进行 分析，成为研究超临界锅炉机组特性的重要手段。 1 1 课题的意义与背景 能源是人类生存发展、社会进步的前提和保障，对国民经济的持续、快速发 展和人民生活水平的不断提高起着举足轻重的作用。 几百年以来，依靠煤炭、石油、天然气等不可再生能源，人类社会取得了巨 大的进步和发展。然而，人们在享受物质精神生活的同时，大量化石燃料的使用 也给人类带来一系列严重问题：可用的化石能源越来越少，环境污染越来越严重。 面临的能源危机和环境污染将成为2 1 世纪的最严重的挑战。据世界己探明的能源 进行计算【l 】，煤炭剩余资源大约为1 0 0 年，天然气大约为5 0 - 6 0 年，石油大约为 3 0 - - 4 0 年。能源探明总储量的结构为：原煤8 9 3 4 ，天然气1 3 ，原油3 5 ， 水能5 9 。天然气、石油作为一次能源，目前消费比例呈大幅上升趋势。由于国 内资源的紧缺和生产能力的制约，使得能源尤其是石油资源主要依赖大量的进口， 从而对外依赖性不断提高。国家统计局2 0 0 8 年统计数据显示【2 】，2 0 0 7 年中国石油 消费总量为3 6 5 7 0 万吨，而石油生产量仅为1 8 6 3 2 万吨，进口量达到了2 1 1 4 0 万 吨。能源剩余可采总储量的结构为：原煤5 8 8 ，原油3 4 ，天然气1 3 ，水能 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 6 5 ，从能源总储量角度出发【3 】，中国能源总储量只占了世能源总储量的3 9 ， 同时从人均的角度出发，中国人均拥有量只为世界平均水平的1 9 4 ，这就意味着， 中国是一个能源非常短缺的国家。 能源对我国的经济发展起着至关重要的作用，人们的日常生活、工业生产都 与能源息息相关。为解决日益紧张的能源危机，我国逐步大力推进新能源的应用， 调整电力行业结构，支持水电，风电，核电等清洁能源的发展。但是在未来很长 的一段时间内，火电依然会占据电力行业主导作用。据相关数据显示【4 】，2 0 0 0 年底 全国发电机组总装机容量为3 1 5 亿千瓦，其中火电机组装机容量为2 3 7 亿千瓦，占 总装机容量7 5 2 4 ；n 2 0 l o 年底，全国发电机组装机总容量增长为9 5 4 亿千瓦，火 电机组装机容量累计达到7 0 2 亿千瓦，占总装机容量的7 3 5 8 。火电机组的总装机 容量比例有所下降，但是在未来一段时间内我国无法改变以煤为主要燃料的电力 生产模式。 火电机组作为主要燃煤消耗大户，每年煤炭消耗量占我国一次能源消耗总量 的7 0 。然而由于我国燃煤进行电力发电存在煤炭消耗过高、环境污染严重等问题， 严重妨碍了我国电力行业的发展。据调查显示【5 j ，2 0 1 0 年我国火电机组平均供电煤 耗率为3 9 9 9 ( k w h ) ，比发达国家先进技术( 3 2 0 9 0 ( w h ) ) 高7 0 - - 8 0 9 ( k w h ) 。同时资 源大量浪费，环境严重破坏越来越受到国家的重视。 超临界技术的提出正是顺应了时代的要求，为燃煤发电提供了一条有效降低 煤炭消耗的可行途径。超临界机组是一种大型的、节能和技术先进的高参数火电 机组。超临界机组的主蒸汽压力约2 4 m p a ，对应的主蒸汽在5 4 0 , - - , 5 6 0 。c ，对应的发 电效率为4 2 , - 4 5 t 6 。7 】，发电效率比亚临界机组提高3 6 ，经济效益高，低污 染，是一种值得继续大力发展研究的能源利用形式。 如今，我国的火电机组正在朝大容量、超( 超) 临界参数的发展道路迈进。 截止2 0 0 9 年底，我国所拥有的亚临界( 3 0 0 m w ) 及以上的火电机组占有率达到 6 7 1 t 引。但是峰谷差的不断扩大，对我国火电机组的调峰能力提出了新的要求， 单元机组的稳定、安全、经济运行对我国电网配送起着至关重要的作用，因此在 配合超临界机组技术的基础上，深入开展对火电机组进行模拟仿真研究，能最大 程度的保证机组在最佳状态下运行。 在超临界直流锅炉中，水冷壁是十分关键的设备，研究其在变工况条件下的 水动力特性、流动和传热特性是锅炉设计、调试、实验研究以及运行的必要前提。 本文以超临界机组直流锅炉水冷壁动态特性的研究为核心，通过采用非线性集总 参数法建立水冷壁的数学模型并进行数值仿真研究，从而获得其动态特性。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 超临界压力机组的主要特点 超临界压力锅炉作为超临界火电机组的主体设备，经过几十年的实践运行和 技术改造，经济性和可靠性逐渐提高。相比亚临界压力机组，超临界压力机组在 提高能源利用率、减少供电煤耗、降低c 0 2 ，s 0 2 排放浓度等方面的优势显著，主 要体现在以下几个方面【9 j ： ( 1 ) 锅炉容量大和主蒸汽参数高。 提高锅炉容量和主蒸汽参数一直以来是锅炉发展的主要方向。扩大单机机组 容量能够使发电容量显著增长从而满足电力工业生产发展的需求，同时能使电力 建设投资下降，运行费用减少，设备维护费降低。在其它相同条件下，当单机锅 炉容量增大1 倍时，钢材使用率能减少5 2 0 。相比亚临界锅炉，电厂的热效率 能够提高3 - - 一6 ，从而使电厂经济性提高大约1 8 。 ( 2 ) 热效率高、热耗低。 相比亚临界机组，超临界机组主蒸汽压力和主蒸汽温度都明显提高。当主蒸 汽与再热蒸汽温度相同，锅炉主蒸汽压力从1 6 7 m p a ( 亚临界) 上升到2 4 2 m p a ( 超临 界) 时，能使机组热耗降低1 8 2 1 ；同样当主蒸汽压力为2 4 2 m p a 时，再热段 蒸汽温度从亚临界的5 3 8 。c 提高到超临界的5 6 6 。c ，还可使热耗降低o 6 o 7 ， 综合考虑这两个因素，可推测在热耗方面，超临界机组比亚临界机组降低2 5 左 右，因此能够有效减少燃料的消耗，提高电厂经济效益。 ( 3 ) 运行的灵活性和安全性 超临界压力直流锅炉没有汽包，不存在因汽包上下壁的温度差所引起的安全 问题。直流锅炉没有汽包，水容量大大减少，而且其壁面的金属材料具有质量轻 的特点，相对于汽包锅炉，直流锅炉的储热能力较小，锅炉的各个部分能够快速 的加热或冷却，所以其负荷变化速度快，启动时间和对负荷的响应时间大幅度缩 短，使超临界机组具有更好的灵活性和可靠性，便于进行调峰，大大提高了对中 间负荷和机组调峰的适应能力，同时锅炉的启动或停止速度快。比如丹麦v e s t k r a f t 电厂，其中当3 号炉运行的负荷高于5 0 m c r 时，对应的负荷改变率约为7 m i n ， 当运行的负荷低于5 0 m c r 时，对应的负荷改变率约为4 m i n 。 对于超临界机组，只能采用直流锅炉形式。在直流锅炉中，没有汽包，整个 锅炉是由单个或多个的管子并联，再用集水连箱把并联的管排连接起来而成。由 给水泵为管内的工质提供动力，水和蒸汽依次经过各个受热面，完成加热、蒸发、 过热等过程。 在汽包锅炉中，水经过各个受热面后，一次循环只有少量的水蒸发变成蒸汽， 大部分的水在汽包中的汽水分离器分离出后经过下降管流回并再次循环，而在直 流锅炉中，工质仅通过一次，全部的水完成蒸发变成过热蒸汽，锅炉的循环倍率 。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 为1 ，即在稳定工况下，给水量等于蒸发量。 直流锅炉没有汽包，在运行过程中还具有以下特点： ( 1 ) 由于没有汽包，蒸发受热面和过热器之间没有分离器等装置进行阻隔，因 此，热水、蒸发和过热等过程之间没有固定的界限，即在不同工况下热水段、蒸 发段和过热段的长度会发生改变。 ( 2 ) 由于没有汽包，直流锅炉一般不能连续排污，给水带入锅炉的盐类除了蒸 汽带走一部分外，其余的都将沉积在锅炉的受热面中。因此直流锅炉对给水品质 的要求很高。 ( 3 ) 在直流锅炉的蒸发受热面中有时会出现一些如流动不稳定、脉动等问题， 这是直流锅炉所特有的流动现象，其能直接影响到锅炉的安全运行。 ( 4 ) 汽包锅炉中由于循环倍率很高，蒸发受热面出口处的蒸汽含量一般很低， 蒸发受热面管内的换热形式一般属于泡状沸腾，因而受热面的壁温只略高于工质 的温度。在直流锅炉的蒸发受热面中，给水从开始沸腾一直到完全蒸发，在高的 热流密度、高含气率条件下，就可能出现传热恶化而使管内工质处于膜态沸腾状 态，这时受热面的壁温会急剧升高，影响水冷壁的安全。因此，防止水冷壁管内 发生传热恶化是直流锅炉设计和运行中必须注意的问题。 ( 5 ) 在直流锅炉中，蒸发受热面进口和出口不像汽包锅炉那样能构成回路，汇 合在一起，而是存在着压差，其大小为蒸发受热面在流动过程中的压降，因此直 流锅炉需要给水泵压头更高。 ( 6 ) 启动时自然循环锅炉中的蒸发受热面是靠锅炉水冷壁内水的自然循环而 得到冷却保护，在直流锅炉中则要有专门的系统来保证在启动时有足够的水量流 经蒸发受热面，保护受热面而使其不至于被烧坏。当压力增高时，直流锅炉无汽 水分离问题，汽水密度差减小。以使得在超临界压力时直流锅炉仍能安全、可靠 的运行；对汽包锅炉来说，只能在亚临界压力以下工作。 1 3国内外超i 临界压力机组的发展状况 1 3 1 国外超临界压力机组的发展状况 超临界直流锅炉这个概念，最初是捷克人马克本生于1 9 1 9 年提出【1 0 】，1 9 2 3 年 德国西门子公司采用了他的设计方案，并建成了第一台试验性的超临界机组。 1 9 5 7 年，美国在p h i l o 电厂建成并试产了第一台超临界机鲑t ( 1 2 5 m w ) ，其主蒸 汽压力达到31 m p a ，由于过高的蒸汽参数超过了当时材料技术，因此超临界机组的 经济效益难以体现i l 。 随后日本于1 9 6 7 年从美国引进第一台6 0 0 m w 超临界机组【1 2 】，从2 0 世纪7 0 年代 开始，美国的一些公司，比如g e 及西屋公司相继把自己的超临界技术卖给了欧洲 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 和日本。正是这一举动，使得超临界火电机组从8 0 年代开始在欧洲及日本的市场 上盛行，同时，由于材料使用技术地快速发展、计算机控制技术结合滑压运行方 式的引入，以及对电厂化学中的水动力特性方面认识的深入，美国早期面临的超 临界机组难题，其中最主要的安全、可靠性等问题逐步得到了解决。到了1 9 8 5 年， 美国超临界机组的稳定运行和经济性甚至已经超过了当时的亚临界机组水平。根 据实践，通过设计改造，已经形成了一批历经考验的新结构、新设计，大大提高 了机组的可靠性、经济性、运行灵活性 1 3 - 1 4 j 。 1 3 2 国内超临界压力机组的发展状况 据相关统计，我国拥有的煤炭储量大约是1 0 0 0g t ，但是在世界上我国人均拥 有量尚属中等水平【l5 1 。同时亚临界机组及其以下的火电机组煤炭消耗量大幅度增 加，使得我国的煤炭供需矛盾非常突出，因此采用先进的超临界火电技术，对我 国现有的火电机组结构进行设计和改造，已刻不容缓。 在6 0 年代初期，我国上海锅炉厂就开始着手对带内螺纹管直流锅炉进行研究。 7 0 年代初，上海、哈尔滨锅炉厂还相继制造出了试验性超临界锅炉( 1 2 t h 和1 5 t h ) 1 6 - 17 | ，截止目前己运行4 0 年。紧接着从8 0 年代后期，我国开始把着眼点落在了 发展超临界机组上，使得我国能够快速拥有超临界火电机组的研制开发技术，在 “七五”规划内重点引入超临界机组的全套电厂所需设备并及时应用于电厂建设当 中，当时就出现了一批超临界的火电机组【1 8 。2 0 j ，如华能上海石洞口第二发电厂 ( 2 6 0 0 m w ，2 4 2 m p a ，5 3 8 0 c 5 6 6o c ) ，华能南京热电厂( 4 x 3 0 0 m w ) ，内蒙伊敏电 厂( 4 x 5 0 0 m w ，2 2 5 m p a ，5 4 0o c 5 4 0o o ，天津盘山电厂h x 5 0 0 m w ，2 2 5 m p a ，5 4 0 o c 5 4 0o o ，漳州后石电厂( 6 x 6 0 0 m w ，2 4 2 m p a ，5 3 8o c 5 6 6o o ，上海外高桥电厂 ( 2 x 9 0 0 m w ，2 4 9 m p a ，5 3 8o c 5 6 6o c ) 等超临界机组也相继投产。 1 3 3 超临界压力直流锅炉相关课题研究现状 在国外，美国的c e 、德国西门子公司、日本三菱公司和瑞士苏尔寿公司主要 研究了变工况运行下的超临界压力锅炉的内螺纹管垂直管屏水冷壁方案，内螺纹 管具有改善传热特性和降低压降等特点，因此在直流锅炉内采用这种结构的水 冷壁能够实现滑压工况运行，不仅在亚临界压力下低负荷范围内，能够在一定 程度上克服因水冷壁内工质的沸腾带来的传热恶化等问题，在超临界高负荷运 行压力范围内，也能起到抑制膜态沸腾的作用，即使蒸汽比热处于变化较大的 区域，也能在一定程度上起到降低壁温，增强传热的作用。这种方案使现代变 压工况运行直流锅炉技术变得更加完善，其他如丹麦、韩国、俄罗斯、德国等国 家也都很重视这个计划，并都相继对其开展了研究。同时电站仿真技术在国外发 展也比较成熟，已经形成了一系列专用系统软件。比如美国电力研究所( e p r i ) 在 1 9 7 8 年就与b & w 公司成功研制了m m s ( m o d u l a rm o d e l i n gs y s t e m ) ，即模块化建 重庆大学硕士学位论文1 绪论 模系统1 2 1 1 。这种模块化建模系统仍是目前世界上最有代表性最完整的电站仿真软 件。 在国内，几家知名锅炉厂与西安交通大学携手，深入研究了超临界锅炉水冷 壁系统内工质的传热特性和阻力特性，并进行了一系列相应的实验研究。同时西 安交通大学的陈听宽教授等人 2 2 - 2 3 1 以多相流国家重点实验室为基础，开展了大量 关于超临界锅炉内螺纹管水冷壁内工质的流动特性与传热特性的实验研究，并得 到了在不同参数、不同条件下的壁温分布、单相及双相对流换热系数等重要实验 数据，最后提出了计算关联式，为超临界锅炉水冷壁的设计提供了重要的理论依 据。在动态特性研究方面，章臣樾( 东南大学) ，倪维斗( 清华大学) 、吕崇德( 清 华大学) 、范永胜( 清华大学) 等 2 4 - 2 6 】人对锅炉内过程数学模型的建立做了大量的 前期研究工作。王广军等提出了基于l a g r a n g e 流体定点追踪思路的动态数值计算 模型，它是适用于大扰动下全工况运行仿真的非线性集总参数移动边界的动态特 性数学模型四j 。 1 4 研究的内容和方法 超临界与亚临界机组数学模型的建立有一定的类似。相对而言，亚临界锅炉 机组的模拟仿真研究较为成熟【2 8 j ，因此，当进行超临界机组建模时可以适当地参 考，比如：单相区段( 再热器、过热器等) 的数学模型和一些辅助设备数学模型。 但是超临界机组的直流炉与亚临界机组的汽包炉相比，其建模过程中最大的差异 表现在水冷壁系统。水冷壁中工质的流动状态伴随实际运行工况的变化而不断变 化。因此在建模过程中会带来很多新的问题，例如如何划分模型区段以及不同状 态之间模型方程的建立以及相互转换等。 当水蒸气压力超过临界压力时，会相应地产生一系列内部变化，使得原先应 用于汽水分离而设计的自然循环汽包炉不再适用，超临界机组的压力锅炉必须采 用直流锅炉。而对于直流锅炉，蒸发受热面是建模与仿真的重点和核心。目前对 锅炉受热面的建模与仿真研究主要有以下方法【2 9 。3 0 】： ( 1 ) 分布参数模型 这种方法主要针对锅炉的焓温计算。针对平衡方程组，若直接对偏微分方程 组进行数值解析，在保证数值精度的前提下，迭代计算需要很长时间。对此德国 学者提出了一种近似解析的非线性分布参数模型 3 1 】。同时锅炉实际运行下的动态 过程一般都是非线性的，也应该由非线性模型来描述它，但是有时可以在一定的 小范围内对模型采用线性化能够很好的对模型进行简化。线性模型在一定范围内， 可较好地模拟出对象的分布参数特性，但不能适用大范围的实际工况变化。 ( 2 ) 集总参数模型 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 为简化问题，在建立动态数学模型时，通常假设受热管内同一横截面上的工 质参数是均匀一致的，并在截面位置上选取一些主要参数代表点，以这一点工质 的参数为这一环节的非线性集总参数。非线性集总参数模型是一个以时间为变量 的方程组，直流锅炉的全工况集总参数数学模型能够很好地表现锅炉蒸发受热面 的性质，并且数值解析方法相对简单。这类模型主要有固定边界模型、移动边界 模型、单相介质模型和双相介质模型等。 固定边界法是一种集总参数模型的建模方法，其主要思路是把水冷壁分割为 几个固定的截面进行研究，采用非线性集总参数法计算各个区域工质所流过的换 热过程；移动边界法则是将水冷壁划分为几个不固定的区域，各区域随工况的变 动而变化。相对于固定边界法，移动边界法能更好的模拟出水冷壁内工质的参数 动态特性。因此本文采用移动边界非线性集总参数模型。 以上各类模型各有优势、但也存在不足。综合考虑这些模型，非线性集总参 数移动边界模型计算相对简单，并可在一定程度上克服适用性窄，模型粗糙等弊 端，这种动态模型能较好地适用于机组大扰动下的动态模拟仿真，能较准确地反 映出实际水冷壁系统工质的动态特性。因而本文采用非线性集总参数移动边界法 来建立水冷壁受热面的数学模型并模拟和仿真不同运行状态下的动态特性。集总 参数移动边界模型可以通过增加受热段的段数从而来提高模型精确度，使其动态 模型与实际运行工况更为吻合。 1 5 本章小结 本章主要对课题的背景和意义、超临界机组的发展优势、超临界机组仿真模 拟技术进行了概括，说明了超临界火电机组相比亚临界机组的优势、其发展历史 和现有的技术水平，阐明了超临界锅炉机组仿真技术的必要性，最后，对本论文 所需要的研究内容和方法做出了介绍。 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象介绍 2 仿真对象介绍 2 1 锅炉整体布置 本文研究的对象为东方锅炉集团的d g l 9 5 0 2 5 4 1 7 8 型的6 0 0 m w 超临界直流锅 炉，锅炉为超临界参数、w 型火焰燃烧、垂直管圈水冷壁、变压运行直流锅炉、 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。锅 炉采用定滑一定或定滑运行方式，锅炉负荷连续变化率按以下数值：在7 0 一1 0 0 b m c r 时，不小于每分钟5 m c r ；在5 0 一7 0 b m c r 时，不小于每分钟 3 b m c r ；在5 0 b m c r 以下时，不小于每分钟2 b m c r 。 锅炉主要参数见表2 1 ，表2 2 。设计和校核均为筠连、芙蓉矿区的无烟煤， 煤种主要参数具体见表2 3 。 表2 1 锅炉主要参数表 t a b l e 2 1m a i np a r a m e t e r so ft h eb o i l e r 表2 2 锅炉特性参数表 t a b l e 2 2p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h eb o i l e r 8 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象介绍 项目 单位 b r l t h a5 0 t h a 省煤器重位压降m p a0 1 60 1 6 0 1 6 省煤器进口压力m p a 2 8 3 62 7 8 01 5 1 2 省煤器出口温度。c 3 2 73 2 1 2 8 7 旦动分离器温度 。c 4 1 74 1 7 3 5 1 表2 3 设计和校对煤种基础特性参数 t a b l e 2 3p a r a m e t e r so fd e s i g n e dc o a la n dc h e c kc o a l 鱼签 笪呈望垡 堡盐堡登堕垫堡壁 煤料品种 无烟煤无烟煤 收到基水份m a r 9 5 0 9 0 0 工业分析 空气干燥基水份m a d 1 9 0 2 4 0 收到基灰份a a r 3 2 2 5 3 5 4 8 干燥无灰基挥发份v d a f 7 5 0 9 6 收到基低位发热量 q n e t a r k j k g 1 9 2 0 0 18 0 0 0 元素分析 收到基碳c a r 5 0 5 04 7 5 9 收到基氢h a r 2 1 02 0 2 收到基氧o a r 2 1 7 2 3 0 收到基氮 n a r068 0 6 6 收到基硫 s a r 2 8 02 9 5 哈氏可磨系数h g i6 2 6 2 灰熔融性 变形温度d t 1 11 0 1 0 6 0 软化温度s t 11 9 0 l1 9 0 半球温度h t 1 2 3 0 1 2 1 0 鎏塾望鏖 f t 1 2 9 01 2 7 0 - _ _ _ - l l _ - - _ _ _ l _ _ - l _ _ l - - _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ 一_ 2 2 锅炉主要系统及基本结构 2 2 1 锅炉主要尺寸 锅炉本体的主要尺寸如表2 4 中所示。 9 2 2 2 汽温调整 在稳定工况下，过热汽温在5 0 1 0 0 b m c r 、再热汽温在6 0 1 0 0 b m c r 负荷范围时，保持稳定在额定值。 过热器的蒸汽温度主要由水和煤的比率来控制，两级喷水减温进行汽温微 调。水煤比的控制温度主要取自设置在屏式过热器出口集箱上的温度测点、设置 在汽水分离器前的水冷壁出口混合集箱上及顶棚出口的温度测点，作为温度修正。 正常运行时，再热蒸汽出口温度是通过调整低温再热器和省煤器烟道出口 的烟气调节挡板来调节。对于煤种变化的差异带来的各部分吸热量之偏差，通过 调整烟气分配挡板之开度，可稳定地控制再热蒸汽温度。 再热器喷水流量控制：在通常的负荷下，再热器喷水流量调节阀设定为再 热蒸汽温度+ a ，在出现紧急情况再热蒸汽温度异常高时使用： 当锅炉出现主燃料跳阀或蒸汽中断时，在手动控制再热器喷水流量控制系 统的同时，应把再热器喷水调节阀调到全关闭。 为了减少减温器的热应力，应考虑当负荷大幅度上升时，为防止再热器的 喷水延迟，应下调喷水设定值，但在负荷变化很小时，应锁定设定值的转换，以 免调节阀频繁地开闭。一旦减温水调节阀打开，应待其蒸汽温度稳定后，再慢慢 地使之全闭。 2 2 3锅炉汽水系统 1 0 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象介绍 来自高压加热器的给水进入省煤器入口联箱，入口联箱位于尾部烟道下部， 加热升温后的给水从省煤器出口联箱出来后依次经过集中下降管和下连接管进入 水冷壁入口联箱，在进入锅炉四周的水冷壁，包括冷灰斗水冷壁、拱部水冷壁、 中部水冷壁、中部水冷壁、过渡段水冷壁和上部水冷壁。经过水冷壁出口混合联 箱汇合后进入汽水分离器。当进入分离器的工质为湿蒸汽时，经过分离器后分离 出水和蒸汽，分离出来的水进入储水箱，蒸汽依次经过顶棚过热器、后竖井和水 平包墙、低温过热器、屏式过热器、高温过热器；当进入分离器的工质完全为蒸 汽时，分离器只起到连接的作用，所有经过分离器的工质进入顶棚过热器。汽水 流程图如图2 1 所示。 喷水减温器，主要用于调节过热蒸汽温度，一般被布置在低温过热器与屏式 过热器之间，或者屏式过热器与高温过热器之间。汽机高压缸排汽会进入高温再 热器后，再经过再热器的出口集箱进入中压缸。 锅炉给水及蒸汽质量： 补给水量在正常时为1 9 5t h ，即按照b m c r 的1 计算； 启动或事故时的给水量为5 8 5t h ，即按照b m c r 的3 0 计算； 本机组锅炉给水采用加氧、加氨联合处理方式，确保给水品质合格。 给水处理方式在启动时按挥发处理，正常时按加氧处理。 去中压缸 去高压缸一 o 来自高压 加热器 来自高压缸 鲁- 一 1 。省煤器2 冰拎壁 3 汽水分离器4 顶棚过热器 5 包墙过热器6 低温过热器 7 屏式过热器8 高温过热器 9 低温再热器l o 。高温再热器 n 储水罐 图2 1 锅炉汽水流程 f i 9 2 1f l o wc h a r to f t h es t e a m w a t e rs y s t e m 重庆大学硕士学位论文 2 仿真对象介绍 2 2 4 锅炉烟、风、循环泵流程 两台三分仓空预器存储由送风机送来的空气，这些空气热量来自锅炉的热烟 气，其中部份一次冷风与一次热风混合送入磨煤机，然后进入煤粉燃烧器，此处 的煤粉燃烧器布置在前、后墙拱部，二次风受热进入燃烧器风箱，剩余部分二次 风从燃烧器的上部喷口进入。 当锅炉启动和低负荷运行时，为保证水冷壁管内工质流速，因而辅助增加再 循环管路。从储水罐出口引出这条管路，通过闸阀、电动闸阀等设备后到达省煤 器入口处的给水管路。 再循环泵管路指省煤器出口连接管_ 再循环泵、储水罐水位调节阀_ 储水罐 _ 过热器二级减温水的管路，主要e l 的是对再循环泵、储水罐水位调节阀及其各 自的进口管道进行暖管，以防止在再循环泵、储水罐水位调节阀及其进口管道出 现热冲击对再循环泵、阀门和管道产生疲劳伤害。 2 2 5 锅炉设备基本结构 省煤器 位于后竖井后烟道下部，沿烟道宽度方向顺列布置，由水平段蛇形管和垂直 段吊挂管两部分组成，两部分之间通过省煤器中间集箱过渡，省煤器垂直段吊挂 管对布置在后烟道上部的低温过热器蛇形管屏起吊挂作用。给水从炉侧从省煤器 进口集箱中部两个接口处引入，经省煤器水平段蛇形管和垂直段吊挂管，进入布 置在顶棚之上的省煤器出口集箱，然后经锅炉两侧的集中下降管、下水分配集箱 和若干下水连接管引入位于锅炉前后墙的水冷壁进口集箱。 省煤器水平段蛇形管采用传热、防磨性能优良的h 型鳍片管，逆流布置，鳍片 管出口为布置在烟道内的前后两根省煤器中间集箱，中间集箱出口为省煤器垂直 段吊挂管，沿烟道深度方向布置前、后两排。 省煤器垂直段吊挂管除承受省煤器系统白重外，还支撑布置在省煤器上部的 低温过热器蛇形管圈，并通过吊挂管的吊挂装置将荷载直接传递到锅炉顶部的钢 架上。 为了防止省煤器管排的磨损，在省煤器管束与四周包墙膜式壁管屏间设有阻 流板，在每组鳍片管上排迎流面和边排蛇形管及弯头区域均设置了防磨盖板。省 煤器进口集箱位于后竖井环形集箱下部的护板区域，进口集箱的荷载由生根于烟 道内的桁架梁支撑。给水管道在省煤器进口集箱正下方从锅炉右侧穿过护板后从 集箱左右侧的中间位置引入，穿护板处的给水进口管道上设有防旋装置，护板内 的给水进口管道悬吊在上方的烟道内桁架上。 炉膛 炉膛分为上、下两部份，下炉膛呈双拱形，炉底排渣口与炉底除渣装置相接。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象介绍 燃烧器被布置在拱上，向下喷出燃烧形成“w ”型火焰。 下炉膛四面墙由若干垂直优化内螺纹管及鳍片连接组成。管子从冷灰斗转向 垂直墙时，每个角部靠近侧墙的若干管子形成翼墙。下炉膛及拱部区域设置有卫 燃带。拱部区、冷灰斗区域管屏重量及燃烧器、大风箱重量通过设置在拱部上方 的重载非标恒吊支吊到平台梁上。 上炉膛在炉拱至混合集箱之间的水冷壁采用与下炉膛相同的优化内螺纹管。 在前后墙炉拱拐点上方设有燃尽风开孔，两侧墙和前后墙燃尽风上方设有一定数 量的吹灰器。 水冷壁 经省煤器加热的给水经过连接管进入水冷壁四面墙的下集箱，工质经过下炉 膛加热后进入折焰角下方的混合集箱进行充分混合，然后进入上部水冷壁，最后 通过连接管道进入汽水分离器。 为了减少管间的温度偏差，在折焰角下方，工质通过过渡段水冷壁进入中间 混合集箱，然后进入上部水冷壁。中间混合集箱更能保证汽水两相分配的均匀性， 进一步减少了水冷壁出口的温度偏差，保证了水冷壁工作的安全性。 上部水冷壁采用垂直管屏，由前侧上部管屏、侧部管屏和凝渣管等组成。水 平烟道底部出来的汽水混合物进入凝渣管进口集箱及水平烟道侧部进口集箱，此 集箱的设置进一步降低了温度偏差。来自上部水冷壁出口集箱的水冷壁出口工质 需要再次通过连接管才能进入水冷壁出口汇集集箱，最后由连接管引入启动分离 器，具体的结构见图2 2 。 图2 2 水冷壁主要分布图 f i g2 2d i s t r i b u t i o no ft h ew a t e r - s t e a ms y s t e m 重庆大学硕士学位论文 2 仿真对象介绍 锅炉启动系统 锅炉采用的内置式启动循环系统，特点是带有再循环泵。由汽水分离器、储 水罐、再循环泵流量调节阀、储水罐水位控制阀、疏水扩容器( 一体式) 、疏水泵等 组成。 在锅炉启动处于循环运行方式时，饱和蒸汽经汽水分离器分离后进入顶棚过 热器，饱和水进入储水罐。大部分的水通过锅炉再循环泵( b c p ) 和再循环流量调节 阀回流到省煤器入口，与锅炉给水在省煤器进口混合。少部分水通过储水罐水位调 节阀引至一体式疏水扩容。 启动分离器和储水罐 在炉前和水冷壁混合集箱出口布置启动分离器，采用的模式为旋风分离式。 管内工质经过水冷壁加热后，通过连接管分别沿切向向下倾斜1 5 0 进入两分离器， 分离出来的蒸汽和水分别通过分离器上、下方的连接管进入储水罐和顶棚入口集 箱。启动分离器下部出水口处装有阻水设备和消旋器。启动分离器和储水罐顶部 结构为锥形封头，并且封头都开孔相连于连接管。启动分离器和储水罐结构如图 2 3 、图2 4 所示。 图2 3 启动分离器 f i g2 3v a p o rl i q u i ds e p a r a t o r 图2 4 储水罐 f i g2 4w a t e rs t o r a g et a n k 过热器 过热器受热面主要可分为四部份，第一部份为顶棚及后竖井烟道四壁和其分 隔墙；第二部份是低温过热器，位于尾部竖井后烟道内：第三部份是屏式过热器， 位于炉膛上部；第四部份是高温过热器， 过热器系统的蒸汽走向可具