（热能工程专业论文）600mw机组自然循环锅炉蒸发区数学模型及数字仿真.pdf

东南人学坝士学位沦义摘要 摘要 锅炉是。种系统复杂、体积庞大和价格昂贵的能晕转换设备，其中尤以锅炉蒸发区的特性最为 复杂。蒸发区的特性对锅炉的运行控制方式以及控制参数的设定肯着直接的影响。随着锅炉容量的 不断增大和热力参数的继续提高，锅炉蒸发区特性对整个锚炉及发电机组安全性的影响也越显重 要，这就对锅炉蒸发区特性的研究工作提出了更高要求。 本文综台分析丁汽包锅炉蒸发区的已有数学模季9 及建模方法，以巴威公司2 0 0 0 t h 临界自然 循环锅炉为研究对象，用理论分析的方法建立r 其蒸发区机理性数。学模型。 关丁汽包虚假水位产生的分析，现有文献均认为是由十水r 汽容积引起的。基丁准动态训算分 析和蒸发k 完整模型的动态仿真试验，本文确定蒸发区循环管路贮质量变化也是引起虚假水位的重 要影响因素。特别是在压力上升、水r 汽容积变化1 i 人的情况f ，蒸发区循环管路贮质量变化的作 用更是不可忽略的。 针对以往l q 静态曲线求取锅炉汽包水f 汽容积的不合理问题，综合考虑了水f 蒸汽容积产生 和消逝的机理，建立了新的能反映水及金属热惯性影响的水p 汽容积机 $ 性计算模掣。 文r _ 所建自然循环锅炉蒸发k 模丌u 较之般模型可以更准确更有效地反映蒸发区动态特性，文 中结论完善了锅炉汽包虚假水位现象的理论自￥释，对汽包锅炉的运行雨j 控制有重要的指导意义。 关键词：锅炉、蒸发区、动态特性、仿真、虚假水情 东南人学坝l 学位论文 a b s l t a c t a b s t r a c t b o i l e rt h a th a sc o m p l e xs y s t e m ，l a r g ec u b a g ea n dh i g h l yc o s ti su s e dt oc o n v e r te n e r g y a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ci nt h ea r e ao f e v a p o r a t i o n i s e s p e c i a l l yc o m p l e x ，t h e c h a r a c t e r i s t i ci nt h ea r e ao fe v a p o r a t i o nh a sm o r ed i r e c te f f e c tt ot h er u n n i n gm e t h o do f b o i l e ra n dt h es e t t i n go fc o n t r o lp a r a m e t e r t h ec a p a c i t yo ft h eb o i l e ri sc o n t i n u o u s l y i n c r e a s e da n dt h ep a r a m e t e ro ft h e r m a ld y n a m i c si si m p r o v e dg r e a t l y w i t hi t ，t h e s t m c t u r eo fb o i l e ri sm o r ec o m p l e x ，a n dt h em a n a g e m e n to ft h es y s t e mb e c o m e sm o r e s t r i c t l y t h i sw i l lb r i n gf o r w a r dm o r er e q u i r e m e n t st or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h e a r e ao fe v a p o r a t i o n t h i sp a p e rh a sc o n c l u d e dt h em e t h o do fh o wt oe s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e d e v e l o p m e n tp r o g r e s so ft h i sm o d e l ，t h e nu s e de v a p o r a t i o na r e a i n2 0 0 0 t hb o i l e r s y s t e m sw h i c hp r o d u c e db yb & wa s ar e s e a r c ho b j e c t ，e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e lb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d s o m ee x i s t i n gp a p e r sc o n s i d e r e dt h a tt h ef a l s ew a t e rl e v e li sr e l a t e dt ot h es t e a m c u b a g e i nw a t e r b a s e do ns t a n d a r dd y n a m i ca n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o no fn e ww a t e rl e v e l m o d e l ，t h i sp a p e ri n d i c a t e st h a tt h ec h a n g i n gm a s ss t o r a g ei ne v a p o r a t i o na m a i sa l s oa n i m p o r t a n tf a c t o ro ff a l s ew a t e rl e v e l e s p e c i a l l yw h e nt h ep r e s s u r e a s c e n d sa n dn o s t e a m c n b a g ee x i s t si nw a t e r ，t h ec h a n g i n gm a s ss t o r a g ei sm o r ep r o m i n e n t c o m p a r e d t oo t h e r e v a p o r a t i o n a r e a m o d e l s ，t h i s m o d e lc o u l dr e f l e c td y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cm o r ea c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y t h ec o n c l u s i o ni sr e f e r a b l ef o r t h e e x p l a n a t i o no fp h y s i c a lp h e n o m e n a i ne v a p o r a t i o na m aa n df o rt h ed e s i g n i n ga n ds e t t i n g o ft h ec o n t r o ls y s t e m s k e y w o r d ：b o i l e r ，e v a p o r a t i o na r e a ，d y n a m i cc h a r a c t e r ，s i m u l a t i o n ，f a l s ew a t e rl e v e l p h e n o m e n a i i 东南大学学位论文独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中刁i 包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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划本研究所做的任何贡献均已 在论文巾作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名监日期：垄班争0 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中幽科学技术信息研究所、围家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 了文档的内容利纸质论文的内容桐一致。除在保密期内的保密论义外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 聱婴垒 导师签名： 圆嫩 p b ￥、 日期 东南大学硕十学位论文 符号说叫 符号说明 变量 说明 压力 强制热流强度 流量 t 质焓 容积 工质密度 t 质比容 汽化潜热 欠焓 金属质量 温度 金属热容 热惯性 贮质量 时间 水位 容器截面积 平均截面蒸汽份额 出口截面含汽率 放热系数 高度份额 省煤器来水分配份额 单位 m p a k j s k g s k j k g m j k g m 3 m 3 k g k j k g k j k g l g k k j k g k k g m p a 垤 s m m k j ，s k “ 柏 p q d h y p ， r 嘶蟛r o j m f f 尹 工 k y b 东南人学坝上学位论义 符号说叫 符号 s m x j 肺 q s 驴 g r 1 w b h 玎 力 巧 船 h q 咖 p x h x q 即 g s s x 1 ，2 ，3 下标 说明 省煤器环节 下降管环 水冷壁环节 汽水导管环节 汽包环节 过热器环节 有效金属 饱和参数 蒸发 附加 水冷壁金属 水冷壁热水段 含汽段 连续排污 额定l 况 循环管路 新汽 高压缸排汽 给水 水r 分段编号 上标 说明 饱和水参数 饱年汽参数 2 东南人学坝士学位论史第章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着科学技术的进步和我国电力工业的发展要求，火力发电机组不断向大容量高参数的方向发 展。截止2 0 0 4 年，我国3 0 0 b l w 匕上上机组总装机容量为1 2 7 9 8 0 m w ，占火电机组总装机容量的3 9 4 ， 而0 4 年我国新增3 0 0 m w 以上机组5 2 台，其总容量却 新增装机总容量的5 9 3 “。可见，大女g 化 和复杂化是电站系统及其设簧发展的必然趋势。作为许多单元机组 1 勺重要组成部分，锅炉一直以来 就是一种系统复杂、体积庞人平价格昂贵的能量转换设备，其人型化必将带米了一系列新的卜程课 题，如何更准确有效地预测整个系统的性能，如何在i 况变动时更方便及时的调整系统参数，这些 都成为现阶段【酉待解决的棘于问题。 为了使锅炉在安全状态下运行，早神吨站的安装稠试阶段就要做人量的试验，运行稳定一段时 间斤，就要着手凋整其运行参数或是对其进行改造，以寻求更高的经济性。出于对机组安全性的考 虑，如果针对锅炉设备实物米进行理论分析，不仅代价昂贵，并且过程繁琐幽难甚至无法实现。冈 此我们需要为它建立某种虚拟的数学模型，通过对模型的研究，我们f 刮样可以得至u 和研究实物相似 的结论。这种用模茸4 米模仿锅炉真实系统的方法就称为锅炉仿真”1 。 早在1 9 9 1 年美国国家关键技术委员会就曾高度评价仿真技术：“仿真与建模可以应削：d ：j l 乎所 有州其他方法需要进行繁重的实际实验或是直接试验也许不能实现甚至根本 i 可能实现的情况。” 同样，锅炉仿真与建模i _ , j - 以给t 程的设计研究以及操作培训带来很多力便。众所周知，大8 q 火电站 机2 r 是一套具有较高危险f 生的系统。通常情况f ，它足以稳定r 苛效的状态运行的，出现问题时，如 果不妨碍生产的进行，电站一般不会停机检修。但是，故障的存在毕竟带来了安全隐患，因此可以 通过仿真的方法来分析故障原因。新的l h 站员l 要进行电站的起停操作培训，礼实物s j l 2 h 上进行操 作显然是不现实的可以通过使州此机组的仿真系统对员i 一进行培训。另外，由于锅炉系统的复杂 性，仍有许多物埋现象的产生机理不为人所知，而锅炉的许多部何是不可能通过人为观察来进行实 验的。在这种情况r ，就可以给产生不明物理现象的部位建立模型来达到解释其产牛原因的日的。 根据研究任务的不同，有时需要建矗锅炉的整体模型，有时只需建：一个局部的模型；所建的模型 可以只反映系统的某一种物理现象，也可以同时反映几种物理现象的变化关系。当然，研究模型和 研究实物所得绵论的相似群度取次j 一所建立模型的精度。 山_ 卜可见，为电厂设备建立仿真模型可以给科研和生产带米许多方便，即节约n 戎本义提高了 效率。因此，围内外众多乖扫研1 作者都莉致力于电站设备模l ! 的仿真训院r = 作。 1 2 锅炉模型的建立方法与发展 根据研究和开发人员以往的经验以及对现有锅炉数学模犁的归纳来看，锅炉系统建模的方法有 佻种，分别为机理建模方法和辨识建模方法”。 1 机理建模方法。 机理建模方法是基于物理或是化学定律基础f j 的建模方法。一般说来实际锅炉系统都比较复 杂，必须在适当的假设条什f 对其进行一定程度的理想化后”。，才能应削定律进行建模。模l ! 应h j 目的的不同，决定着简化条件和假设方式的不同。对丁具有明确的内部结构与运行机制的系统而言， 通常可以建立一个十分复杂的机理模型。但由丁仿真计算时间的要求，使得模型的建立过程小能考 虑得月u 么深入。因此机理建模要从模型的精度羽i 计算的复杂程度两方面进行考虑。己有的锅炉系统 东南火学坝十学位论文 第章绪论 的大部分模型都趄由机理建模方法得到的，l i 且多为了满足模型计算的实时性要求而进行了较大的 简化，如典型的是将分布参数的锅炉对象化为集总参数对象建模”。从用 一研究和仿真目的的机理 模型发展历史来看，机理模犁是随着计算机软件和硬件的发展而越来越详细的，模型的精度也越来 越高。由丁建模时的假没条件，以及仿真时计算方法具有误差等诸多冈素的存存，模型与实际系统 之间总是存在着差别。 2 辨识建模方法。 辨识建模方法历史悠久，它是对未知内部结构和机制的实际系统或是用机理建模方法无法建立 模型的系统的无可替代的有效建模方法。辨识建模首先必颁拥有实际系统的输入与输出的观测数 据，因此待建模的系统必颁已经客观存在。辨识建模法需要从两个方面对实际系统进行辨识，即结 构辨识和参数辨识。现在己经发展出许多经典的方法，如最小乘法、极人似然法等等。但这些 成果主要集中在线性系统领域，对非线性系统的辨识，比较成功的通用方法j f 不多见”。近年来 随着神经网络的发展，并把神经网络理论逐渐应用于非线性系统的辨识领域，j 使得辨识建模方法 取得了很大的成就，其应用1 ：锅炉建模领域的研究也越米越多。 由丁机理建模法建立的模型能够详缩地描述系统内部的机制，所以机理模型可以称为“向箱” 模型。而辨识方法建立的模型只能从系统外部的输入与输出来拟合实际系统的行为，不能够反映系 统的内部变化，因此辨识模1 9 可以被称为“黑箱”模型。机理分忻建模方法能够充分地描述系统输 入输出数据之间的关系以及内部的联系和运动规律。但是如果对系统的先验知识，解羊u 学握比较 少，系统又比较复杂，j j 【i j 很雄求得有效的机理模型。在此情况下，人们通常削系统辨识技术来建模。 但是，辨识模型也有很多的缺陷，因为它只反映输入和输小之间的关系特性，对系统内部联系及信 息不能充分反映。其实，应崩佃种方法进行系统建模，需要综合考虑各方而冈素，根据砌f 究目的不 同，确定其最佳的建模方法”“。 山丁l b 站锅炉系统属于复杂大系统，直接对其进行建模比较凼难。因此在进行数学建模之前， 一般先对实际系统进行非数学上的处理，这些非数学的做法受经验的影自较大。复杂_ 人系统建模之 前要经过系统分解和集总参数化两个过群。 系统分解，又称模块化建模方法。早在模拟机仿真时代模块化建模方法的思想就己经存在，当 时人们为j ，对用微分方程描述的控制系统进行仿真，将微分方科分解为由一些典型元件近接起米的 模拟幽。这种原始的模块化建模方法由于不是按_ l 实际系统的物理设备及建模的目的进行划分的， 同时子模型的描述、子模型的连接等方面也不够完善，因此有较大的局限性。1 一先进的仿真学概 念”“文章中，o r e n 和z e i g l e r 第一次系统地阐述了传统仿真与建模方法的缺陷，提出了建模与实 验分离，模! 基于系统理论、1 f 过 2 建模以及建立模型库等系列新概念，才为模块化建模开辟了 新途径。系统分解是复杂大系统数学建模的重要前提步骤，其做法是：首先将大系统分解为若干个 独立的子系统，再利崩相应的理沦分别对各个子系统建立模型，然后再将这些模型组织起米以构成 大系统的整体模型。模块化建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的而子系统 又可以分解成更为简单的子系统。但是系统的分解方法受经验的影响很大，很多研究名提出了自己 的分解原则“。虽然这些原则各有不同，但是总的目的都是要使系统模聚的建模过群简单、易于 处理。 电站锅炉系统的部什普遍具有分布参数特点，为了简化模犁，可将建模对象集总参数化，用 集总参数代表分砷j 参数。集总参数模型巾特征变量的取法也具有很大的人为性，如可取入口参数或 出口参数以及入r 的平均参数等等。单段的集中参数模型般来说误莘较大，为了使集总参数模 型更加逼近分布参数对象，叫以增加模型的分段数。 1 3 汽包锅炉蒸发区的特点及其研究意义 锅炉蒸发区作为汽包锅炉系统极其重要的细成部分，其动态过f 2 直接决定了整个锅炉的动态特 东南人学坝上学位论文 第一章绪论 性。锅炉蒸发区一般具有以f j l 个方面的特点： 1 分布参数 锅炉蒸发区沿锅炉本体纵向布置，一般占有很大的空间，其中的工质处于不同的热力状态，各 处参数都不相同。因而绝人部分参数都是j 维空间的函数，具有明显的分布参数特点。描述j t l - 类系 统状态的控制方程一般由偏微分方程组成。 2 两相流动 工质在锅炉蒸发区，特别是水冷壁部分吸收热量发生相变，构成了极其剧烈币嗉乱的传热传质 过程。目前，两相流动及换热过程的机理还在研究之中，很多问题还有待探讨。 3 复杂的耦合性 锅炉蒸发区中包含着复杂的物理过程，各子系统之间紧密耦台。一个子系统或者一个过程参数 的变化会带来许多方面的后果。例如，当吸热量变化的叫候，蒸汽流量会发生相应变化，蒸汽乐力 随之改变，从而引起整个蒸发区各部分参数的改变。 4 非线性 描述锅炉蒸发医巾 作介质动态过程的质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程都是非线 性的微分或偏微分方程。 止是南于锅炉蒸发慝的以上儿方面特点，使得对蒸发区物理现象的解释尤其困难。汽包锅炉由 于具有包括汽包神：内的循环管路，其系统内的物理过程更为复杂。 汽包压力，汽包水位，进“ 口流量等作为汽包锅炉蒸发区内重要的指标参数，必须对其进行严 格的测量控制，稍有不甚就会带来安全隐患。为此，必须加强对锅炉蒸发区特性分析方面的研究j 一 作，建立和构造山与实际系统运行规则更为接近的理想数学模型，为锅炉的砹计雨i 运行t 作提供科 学的理论指导。 1 4 汽包锅炉蒸发区动态模型的研究现状 同锅炉整体的建模方法一样，汽包锅炉蒸发区的建模方法也包括机理建模雨l 辨识方法建模两种。 文献 1 8 儿1 9 在蒸发区机理建模方面做了一定的研究工作。文献 2 0 给山，一种利州e l m a n 动 态神经网络和机理模型互补的建模方法，证明了州神经网络逼近1 r 线十牛离散动态系统的可行 性，而文献 2 1 建立了对理论模型进行修止的精确数学模犁，外与神经网络的辨识能力相结合， 提出了与以往不同的神经网络和物理定律的组合建模方法。通过对它们的研究，不难发现这 些建模方法还存存以下请多问题： 1 集总参数模型难于再现分布参数特性较强的系统的动态特性。过去，为了保证模型的实时性， 通常将锅炉的各子系统都简化成一个个集总参数模型。可是像锅炉蒸发区这样具有复杂内部物理、 化学过程的r 系统，一个简荦的集总参数模型白然难以再现实际系统的所有动态特性； 2 由于机理模型通常都是在一定的假设条什r 得到的，因而小可避免地引入经验或半经验公式造 成的不确定参数，致使机理模型同样也不能完全反映系统的所有动态特性。比如影响汽包水位的水 r 汽容积模型，通常是建立在静态的经验f 抖1 线上的，其仿真结果与实际情况偏差较人。 3 获取全t 况的建模数据很难。用系统辨识的方法来建立仿真模型，主要就是靠掌握人量的输入、 输山数捌，才能使模雪! 更好地逼近真实工况。可是锅炉蒸发区布置在锅炉本体内部，系统的监删点 雨j 采样点很少，获取全1 况的建模数据相当困难，这就直接影响了模型的准确性： 1 川神经网络辨识建模，由于所形成的网络模矸! 是经验性的，缺乏物i l 基础，使用时外推效果不 好。并且神经网络的学习算法能力有限。1 i 仅收敛速度慢，迭代次数多，而且对初值的选择较为苛 刻。| 而直接影响了神经网络模型的神线应削。 其实，解挑问题要抓住问题的主要矛盾，要建立怎样的模型，首先要明确建模的日的。在开发 l b 站仿真机叫，山丁面向的对象是整个机绸，因此，蒸发区通常被划分为一个或少数儿个环m 如 东南人学坝上学位论文第一章绪论 自然循环锅炉的蒸发区，往往将其整个地建立集总参数模型，认为蒸发区为一个具有相同状态参 数的集中容量，其中箨处【：质的压力和温度同步变化，随时相等，并且蒸发区内的上质都处于饱和i 状态。这种处理比较简单，但是不完全符合实际情况，有时甚至偏差很人。对于强制循环汽包锚炉 的蒸发i 再，不饱和工质比较多，因此会相虑的划分成多个环饥很多时候，水冷壁被当作一个独立 的玎、仃进行建模。由丁水冷壁内的上质为两相流动，并且有一个模糊的1 ：质相变点，所以对整个水 冷壁作集总参数处理虽然可以满足电站培训仿真机的基本要求，但仍然不够精确。如果对系统性能 进行预测性的分析，可以应用神经刚络建立辨识性模型，因为系统的内部变化并1 ；是令人关心的问 题。如果建模的目的就是为了研究蒸发f 疆物理现象的产生机理，那么就只能应用机理建模方法，并 且必须将整个模型按照精度的要求进行细分。 建立合理的蒸发区数学模型的难点主要集中在环节模块的划分上。如果模型的精度不够高，就 无法对蒸发区的许多复杂物理现象做出合理的解释。比如当跳负荷或者燃料量突然变化的时候，往 往会发生虚假水伉现象。以往的解释只是基_ 丁宏观上定性的分析，并没有量化，因而无法验证这些 解释的正确性。精确地建立蒸发区动态模型，能更好的解释此类现象以及验证以往结论的止确性。 1 5 本文的研究内容 本课题将以由巴威公司制造的2 0 0 0 t h 亚临界高参数 j 然循环钭炉为研究对象，利用分环1 ，集 总参数法建立其蒸发i 并机理数学模拟，研究蒸发区的动态特性。重点研究汽包虚假水位的影响因素 雨冰f 汽容积的计算模型。除绪论外，全文主要内容如i - ： 第二章针对目前关丁锚炉汽包水位模型的不完善以及虚假水位产生原因分析的不完整，利州分 环1 ，集总参数法建立自然循环锅炉蒸发的数学模型。模犁中重点考虑蒸发r ：循环管路贮质量变化 对水位的影响。为正确反映水r 汽容私 对虚 陧水位的影响，建模过程中未采用常规的以静态曲线为 依据确定水r 汽容移 的方法，而是基于水下汽容积的形成年| i 消逝机理，建意了新的水下汽容积动态 计算模型。 第二章为实现锅炉蒸发医的动态仿真补充了蒸发区辅助模型，丰要有高压缸、过热器、省煤器 和给水泵模型。i 均述模块化建模方法的原理和步骤，并结合完整模q 给出数字仿真方法。 第四章从准动态定性分析和动态仿真试验两个方面分析了循环管路贮质鼙变化则水位的影响。 其l | _ j ，准动态定性分析方法是利川蒸发区的水循环计算分析工况突变报短时间内的动态过程， 继而得到期间循环管路贮质量的变化情况。动态仿真利削前述蒸发区的全部模型，从压力变 化和热负荷变化两方面，进行了五绷不同阶跃扰动试验。基于仿真试验结果验证模型的止确 性，分析蒸发区的动态特性，包括分析衙环管路贮质量变化对虚假水位的影响。 本文所建模型能止确反映自然循环锅炉蒸发区的动态特性；证明了循环管路贮质量变化是虚假 水位产生的原冈之：补充了产生虚假水何的理论分析；水下汽窬积的机理性动态计算模型完善了 j 然循环锅炉蒸发i 并的模型，对提高其应_ = | 正确性有重要作削。 6 东南大学埘士学位论文 第一章绪论 1 6 自然循环锅炉蒸发区基本规范 1 6 1 锅炉基本规范 本文所研究的锅炉由美国b a b c o c k w i l c o x 公司制造，为亚临界一次再热自然循环 单汽包半露天煤粉炉，丰要设计参数见表1 1 。 表1 1 主要设计参数 额定 1 0 0 8 0 5 0 3 0 项目单位运行运行运行运行 负荷 负荷负荷负荷负荷 蒸发量 t h2 0 0 01 7 4 51 6 0 01 ( ) 0 06 0 0 燃料量t h2 7 7 92 4 7 32 3 3 61 5 3 79 22 主汽温度 5 4 l5 4 l5 4 15 4 15 3 5 刊执器口乐力m p a1 7 3 91 7 2 11 7 1 31 2 1 71 0 5 4 省煤器进口温度 2 7 52 6 82 5 72 3 62 1 2 省煤器出口温度 2 9 92 9 2 2 8 42 6 42 4 2 再热汽流量t h1 7 0 01 5 2 4 1 4 0 88 9 65 4 5 再热器进口汽温 3 2 53 1 43 0 4 2 9 93 0 3 再热器进口汽压m p a3 9 i3 2 82 9 81 7 0 12 3 再热器出口汽压m p a3 7 53 1 42 8 51 1 61 】8 再热汽温 5 4 15 4 15 4 15 4 14 9 6 再热器压降m p a 01 6o 1 40 130 0 80 0 5 过热器压降m p a1 2 80 9 80 8 30 4 6 o 2 0 汽包压力m p a1 8 5 61 8 0 81 78 61 2 5 31 0 6 5 炉膛山口烟温 l 0 0 59 6 89 5 38 3 57 0 4 锅炉效率 9 38 79 4 0 69 4 0 79 4 1 69 4 0 2 1 6 2 蒸发区主要部件规范 锅炉蒸发区主要由汽包、r 降管、水冷鼙、汽水导管以及联结它们的联箱构成，由于再 区域受热l 况和流速人小存柏：差异，这些部分的金属材料和结构参数各不相同。以下给1 了 蒸发k 及与之相连的各部分其土要结构参数以及金属的材料规格。 1汽包 表】一2 汽包州范 名称单位数值 内径 m m18 3 5 1 5 厚度( 直筒封头)1 9 0 5 1 6 5 简体直段长度 2 5 5 ( ) 【) 7 东由大学坝十学位论文 第一章绪论 2 炉膛 3f 降管 重量t2 7 8 材质s a 2 9 9 设计压力m p a1 9 6 5 中心标高m6 7 9 2 额定水位线 m m7 1 7 5 表1 3 炉膛规范 名称单位数值 炉膛宽度 1 9 5 0 0 炉膛深度 1 7 4 0 0 炉膛容积 m 31 6 0 6 0 顶棚标高6 3 6 5 0 炉底水冷壁倾角5 0 。 有效辐劓热负荷w m 22 3 3 7 8 0 _ 二级过热器进口划温1 1 6 0 断面热负荷w m 24 6 5 9 5 9 0 燃烧器区域热负荷w m 21 0 5 4 1 2 0 炉膛出口划气量 k g s 6 7 39 斤墙水冷壁h 集箱标高7 9 9 0 后墒水；= 争壁上集箱标高 6 4 6 5 0 炉膛山口烟湍 1 ( ) 0 5 表1 4 下降管规范 数量四根 村质 s a l 0 6 c 尺寸 # 1 、柑中5 5 25 4 7 6 # 2 、样3m 6 6 0 5 7 4 受热面 下列表给出了各主要受热面管r 的设计规范和材质规范 表1 5 燃烧室和对流通道规范 管径间距 名称类型材料 i m m ) ( m m ) 燃烧室内螺纹管 6 3 57 6 2s a 2 1 0 a 1 燃烧器区水冷壁内螺纹管 6 357 62s a 2 1 3 t 1 2 炉顶光管7 6 2 4 4 51 5 2 4 l1 4 3s a 2 1 3 t 1 2 灰斗内螺纹管6 357 6 2s a 2j ( ) a 1 对流通道光管4 4 51 1 4 3s a 2 1 3 t 1 2 对流通道隔墙光管 4 4 5 1 】4 3 s a 2 】3 t 1 2 表】一6 过热器规范 1 名称 烟气流速管径闻距 材料 ( 1 1 1 s )( m m )( m m ) 8 东南大学硕+ 学位论文第一章绪论 + 级f 卧式进口) 1 2 7 5 0 8 5 7 1 1 4 3 s a 2 1 3 t 1 2 一级( 立式进口)9 15 0 82 2 8 6s a 2 1 3 t 1 2 一级( 屏式)5 0 81 3 7 1 6s a 2 1 3 t 1 2 二级( 入口管束进口)1 1 35 0 86 0 9 6s a 2 1 3 t 2 一级( 出口管束进口) 1 3 15 0 83 0 4 8s a 2 1 3 t 1 2 表l 一7 再热器规范 烟气流速 管径间距 名称材料 ( m s ) n n m ln n m 、 立式第一组管束( 进口)1 4 95 7 2 5 0 82 2 86s a 2 1 3 t 2 2 立式第二组管束( 进口) 1 4 35 7 22 2 8 6s a 2 1 3 t 2 2 卧式( 进u )1 2 96 351 1 4 3s a 2 1 3 t 2 卧式( 出口) 9 85 7 21 1 4 3s a 2 】3 t 1 2 表1 8 省煤 捌范 烟气流速管径间拦巨 名称材料 ( m s )( m m )( m m ) 卧式( 再热器进口)7 _ 85 0 81 1 43s a l 7 8 c 卧式r 一级讨孰器讲几17 95 0 _ 81 1 43s a l 7 8 c 卧式f 再热器出口) 7 25 0 81 1 4 3s a l 7 8 c 卧式( 一级过热器出l ) 8 65 0 81 1 4 3s a l 7 8 c 1 6 31 0 0 稳态运行负荷下汽水循环特性规范 1 0 0 运行负荷下的汽水循环特性由汽水循环计算得出，结构参数参考上表卜2 一表卜8 ，稳 定r 况卜i ：质参数归纳于表卜9 。 表卜91 0 0 稳态运行负荷下t 质参数 1 0 0 项目单位 运行负荷 蒸发量 t h1 7 4 5 燃料量 t h2 4 73 主汽温度 5 4 1 寸执器出口压力m p a 1 7 2 1 省煤器进口压力 m p a 1 8 5 2 省煤器山口温度 2 9 2 省煤器出口焓 k j k g 1 2 9 3 2 过热器压降 m p a 0 9 8 连续排污量 t h2 6 1 7 5 省煤器山口水流量 t h 1 7 7 1 1 7 5 汽包压力 m p a1 8 0 8 9 东南人学坝士学位论义第一章绪论 饱和温度 3 5 7 3 6 饱和水焙 k j k g 1 7 3 5 4 9 饱和汽焓 k j k g 2 5 0 6 2 6 饱和l 水比容m 弧g o 0 0 18 4 5 7 饱和汽比容 m 3 k g 0 0 0 7 4 3 1 3 饱和水密度w m 3 5 4j 7 9 9 饱和汽密度吲m 3 1 3 45 6 6 采用文献 2 2 的方法计算得到循环特- l 生参数如下： 循环倍率：3 4 1 循环水流龟( 汕) ：5 9 5 0 4 5 0 东南大学坝上学位论义 第一章自然循王 、锅炉蒸发区数学模型的建靠 第二章自然循环锅炉蒸发区数学模型的建立 白然循环锅炉蒸发区在整个单元机组中占有很大的体积和热容量，发现极人的热惯性，| = l ：眦 在机组变工况时可以提供良好的缓冲。在机组运行的过程中，汽包胜力和汽包水位足两个主要的输 出参数，无论在机组的安全陡还是经济性方面都有着重要的意义，闪此建模过程中应给予重点关注。 本章将给山合理的条件假设和环1 ，划分，并列出模型的基本数学方程。 2 1 条件假设 在臼然循环锅炉的蒸发区内，大部分1 j 质处丁- 饱和状态。给水自省煤器进入汽包后，随即j ，汽 包内部1 质接触并混合，其中部分被立即加热剑饱乖i 状态，男一部分m 0 与汽包l 卜l 的饱和水混合后 进入下降管，这两部分的比例主要取决于汽包内部清洗装置的形式。在本课题锅炉中，汽包内没有 清洗装置，省煤器来水将直接引入r 降管，由于锅炉形式为自然循环，在一定负荷范围内，循环倍 率较火，所以下降管内的水欠焓不会太大，仍接近丁：饱雨i 状态。冈此可以认为，在稳态| ：j 况f ，整 个蒸发区内的l ：质都处于或者接近饱和状态。部分不饱和水的存在主要是由t + 从省煤器进入汽包的 水没有达到饱和温度；其次是由 i 水柑f 降符内流动时温度基本不变，而随着静压的增加，水的欠 热也逐渐变大”。 现代电厂锅炉的高度都有几十米，本课题中锅炉也不例外，从下降箭卜集箱剑汽包中心线，落 差近六十米，冈而蒸发区内】：质的压力处处不同，压差可达十分之儿个兆帕。此锅炉正常运行负荷 f 的i 作压力在1 8 个兆巾自左右，可见上质压著对rj ：作压力相比还是很小的。因此蒸发区压力町 _ 1 = 一个集总参数表示。 j 然循环锅炉蒸发区包括汽包，下降管，水冷壁，汽水导管，集箱笛部什，这些部件的制作材 料均为金属，其内表面与流动的水或汽水混合物“拉接触，金属与：质之间的放热系数很大，所以 在稳态工况r 金属的温度与其内部： 质的温度相差不多。但是在动态过程中，只有构件内表面以及 其附近的一层金属的温度能够随着t 质的温度儿乎同步地变化。冈此可以近似取这部分金属的温度 等丁： 质的温度，认为这部分金属能与i + 质同时释放或贮存热量，参于j 质的动态活动。反之，与 r 质接触面较远的金属层温度的变化较之上质温度变化要慢的多，在动态过程r r l ，这部分金属温度 并小会紧随i 质温度l m 改变。从热惯性的角度来看，可以认为这部分会属是无效的，称之为无效金 属，而热惯性小的部分金属则被称为有效金属。 基丁以上说叫，在简化物理模型的基础上，可以对系统捉如下儿点假设： 1 忽略蒸发区上质流动的阻力和重力爪头变化的影响，各处上质的压力同步变化，随时相等，蒸 发区压力州个集总参数p 表示； 2 锅炉j f 常运行的动态过程中，f 降管内： 质不发生倒流，认为f 降管中的t 质不可压缩； 3 除下降管外，蒸发区其余部分的工质均处于饱和状态。在r 降管内受密度变化影响较小的方群 中，工质的参数亦可认为饱和参数； 4 部分金属的温度与饱和温度同步变化； 5 计煤器来水4 i 带蒸汽，在下降管入口处全部引入f 降箭。 2 2 简化处理及环节划分 从锅炉蒸发区规范中可以看山，受热而斫，苴的情况比较复杂炉膛6 u 后墙以及侧墒布置的箭子 根数个同，箭子的内径4 i 同，并h | _ 王= 度也小一样。应该注意的是，在实际运行过程巾，由于各同路 东南大学坝士学位论文 第二章自然循环锅炉蒸发区数学模型的建矗 吸热不均及绕墙布置不同等因素的影响，各循环同路的水动力特性是不样的，虽然为每条循环凹 路单独建立模型可以使整体模型更为精确，但每条回路的模型基本形式是一致的，单独建模将会使 上作量* u - h 算量增加。本文建模的主要目的是研究汽包压力和汽包水位的变动，必须对蒸发区进行 简化处理。处理方法如下： 1 将同类并联管束合并为一根，合并后的管子高度和原单根管r 相同，存积和金属质量为管束体 积和金属质量的总和； 2 将下降管下集箱容积和金属量折算并入下降管； 3 由于水冷壁上集箱是不吸热的，因此将上集箱容积平u 金属量折算并入汽水导管； 4 由于风烟系统模型在本课题研究之外，蒸发区传热过程吸热量拟定为强制热流，在稳态时，强 制热流强度的计算公式为 q l b = d q b ( h ”一h ) + d s m ( h 一h s m ) ( 2 - 1 ) 式巾：q l b 一强制热流强度( k j s ) ； d q b 一蒸发量( k g s ) ； 。一饱和水焓( k j 虹) ： 日”一饱和蒸汽j 焓( k j k g ) ： d s m 一省煤器来水流量( k g s ) ； h s m 一省煤器来水焓( k j k g ) 。 锅炉蒸发医的划分a j 以有多种不同的方法。所划分的环节数多，其结果就可能越接近丁实际过 程，但随着方程数目的增多，求解计算量也将增大，误差积累现象严重。圳此划分环节时席该综合 考虑以上冈素。 在汽包内，汽水共存，可以认为全部： 质处r 饱和状态，除了输入输出i 质所带的热量外，o o 外界基本没有直接的热交换；在f 降管内，工质全部是单相流动的水：神：上升管内水冷甓段，工质 也是饱和的蒸汽羽眯，但是通过水冷壁管吸收烟气放热q l b ，而汽水导管段不吸收热晕。根据这些 特点，可以将蒸发区划分为汽包、r 降管、水冷晕和汽水导管四个大的环节。另外，考虑到蒸发区 落著较高，管段较长，可以将人环节分段为更为详细的小环节。 汽包、r 降管以及汽水导管不吸热，可以将其有效金属并入上质考虑，有效金属系数的取值参 考文献 3 。在本文中，汽包有效金属系数取0 5 ，下降箭年汽水导管有效金属系数取1 。而对于吸 热的水冷壁金属，由于其热惯性会使工质吸热产生延迟，为了反映这一现象，可j 奇其作为一个独立 的环m 莲行处理，以提高模型的精度。 此外，整个下降管的t 作条件虽然基本相同，但是当其进口1 质焓改变时，其出口：f ：质焓反应 的延迟时间较长，在大型锅炉中常在l o s 以l 。为了反映山这种延迟，可以把r 降管按长度分为两 段，各自作为独立的环节，使整个f 降管具有多容环1 ，的特性。 在水冷壁内，r 降管引来的水具有一定的欠焓，要经过一段高度后才能达到饱和，因此会有一 段单相的热水存在于水冷壁中，i 单相工质区和两相工质区的特性是不相同的，应该把水冷鼙i 勾含 有热水段的的部分单独考虑，可并入一部分汽水混合区划为一个环节。余下的两相i 又高度较高，冈 而按长度细分为两个环节。 综合以上素，本文将模野! 划分为汽包、下降管1 段、f 降管2 段、水冷颦金属、水冷肇热水 段、水冷壁汽水混合1 段、水冷壁汽水混合2 段、汽水导管八个环= 扎 按前段简化并划分t f 亓的各环节结构数据汇总如表2 - 1 所示。简化雨恻分后的物理模型如图2 1 所示。 2 东南人学坝上学位论史第二章自然循环锅炉蒸发区数学模型的建立 表 l 蒸发区简化模型数据参数 结构参数 高度k 度金属质量有效金属质量容积 单位 k gk g m 3 汽包 2 5 5 0 0 ( ) 02 7 8 0 0 0 ，o o1 3 9 0 0 0 o o6 7 4 0 f 降管1 段 3 4 0 6 5 5 03 4 0 6 5 5 09 6 8 0 3 4 07 2 6 0 2 5 52 6 7 4 下降管2 段 2 4 7 5 6 0 03 0 8 5 2 o o8 7 6 7 1 6 46 5 7 5 3 7 32 4 2 2 水冷壁热水段j9 9 7 6 6 71 9 9 7 6 6 71 6 2 3 8 3 3 3 4 0 0 1 水冷壁汽水混合1 段 19 9 7 6 6 719 9 7 6 6 716 2 3 8 3 3 34 0 0 l 水冷壁汽水混合2 段 l9 9 7 6 6 7l9 9 7 6 6 71 6 2 3 8 3 3 34 0 0 1 汽水导管 0 0 018 7 2 9 5 06 4 4 7 8 0 94 8 3 5 8 5 73 3 0 3 水冷壁金属 4 8 7 1 4 9 9 9 汽包 图21 蒸发区简化模掣和环节划分示意剀 3 东南人学坝士学位论文第二章白然循环锅炉蕉发区数学模型的建扛 2 3 分环节数学模型的建立 2 3 1 下降管环节 首先将下集箱并入下降管，然斤将模块均分为两部分，分别为下降管1 段和下降管2 段 其动态特性均表现为入口上质流量和t 质焓对出口工质焓的影响。 1 下降管1 段 其模型示意图如图2 2 所示。 下 隆 管 1 段 图2 2 下降管1 段模型示意图 质量平衡方程 d x j j = d x 能量守恒方程 m h r d x j l h x j 。= 鲁r w j , p 删。+ m j x j , c j t j ，】 d x h x = d s m ( 1 - b ) h s m + 【d x - d s m ( 1 一b ) l h 其中：删。一f 降管1 段山口流量； d x 一下降管入口流量； 协一r 降管入r 焓； , q x j ，下降管1 段出口焓； v 巧一r 降管1 段容积； 4 f 2 2 、 ( 2 - 3 ) f 2 4 1 肉刻测矧到l剐， 东南人学坝士学位论文 第一章自然循环锅炉蒸发区数学模型的建讧 p 一饱和水密度 m j x j 一下降管1 段有效金属质量 a一金属热容( 根据金属材质，这里取0 4 7k j k g 。c ) 甄一下降管1 段金属温度； b 一省煤器来水进入汽包被立即加热至饱和状态的份额。 由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 雨1 ( 2 - 4 ) 可得h x j 计算公式 删，：竺：二! 兰竺。妾：兰盏薹：竺! ! 釜萋b ， dgfj ”。7 等式( 2 5 ) 右侧的分子项表示了影响下降管1 段出| _ _ | 焓的因素。可以看出，h x j l 的变化与 下降管1 段的入口焓、入口流量以及压力的变化率有关，其中中括号内的项代