三分仓回转式空气预热器的建模与仿真

三分仓回转式空气预热器的建模与仿真程芳真蒋滋康(北京清华大学)摘要该文介绍了三分仓回转式空气预热器的特点和建模方法 ,并给出了在各种运行工况下的仿真结果 ,并进 行了分析 。该模型已成功应用于实际仿真对象 ,具有较高的精度与较好的动态特性 ,并可以适应包括故障在 内的各种工况的仿真运行 。图 5 参 3主题词 :电站锅炉回转式空气预热器仿真数学模型到二次风侧 ,但当一次风机出现故障时 ,可能导致一次风压力反而小于二次风压力 ,从而出现相反 方向的漏风) ,在建模过程中 ,对 3 种工质之间的 漏风应考虑为双向的 ;由于预热器转子转速较慢 ,为了能够正确地对其动态过程进行模拟 ,我们需要考虑转子横 截面上温度分布的不均匀性 。对象简介三分仓回转式空气预热器是回转式空气预热 器的一种 ,外壳的扇形顶板和底板 ,把转子流通截 面分割为三部分 ,这三部分两端分别与烟气道 、一 次风道和二次风道相通 , 扇形角度分别为 180、60和 120。 这种空气预热器与普通二分仓回转式空气预热器相比 ,由于它多出一个通道 ,且具有变转速的 特性 ,所以它的建模方法与其它类型的空气预热器相比具有很大的不同 ,有着较大的难度 。0数学模型由于分段后各段形式相同 ,以下只列出单段 的数学模型 。单段预热器示意图如图 1 所示 。转 子的同一部位与工质的接触顺序为 : 一次风 二 次风 烟气 一次风 。2建模原则在模型的建立过程中 ,我们将遵循以下原则 :由于空气预热器具有较大的换热系数 , 为 使模型具有良好的动态特性和精确度 ,需将其划 分为若干段进行计算 ;分段后 ,对每段的一次风 、二次风 、烟气和 金属壁均采用集中参数的数学模型进行建模 ;由于回转式空气预热器具有较大的漏风量 ,且随着运行时间的增加会变得越来越大 ,故在 建模过程中必须加以充分的考虑 ;由于它具有电动马达和气动马达两套转速不同的传动装置 ,且要考虑故障时的仿真 ,需要认 真考虑转子转速对传热系数的影响 ;考虑到各种特殊情况 ( 如在正常情况下一次风压力大于二次风压力 ,漏风是从一次风侧漏1图 1 预热器计算示意图2 . 1一次风侧数学模型能量守恒方程 :GapoCapot apo=Gapi Capi t api - Gapla Capla t apla( 1)( 2)-= f a ( t api)Gaplg Caplg t aplg + Q apCapi1997 02 07 收到来稿10 发 电 设备1997 年第 10 期= f a ( t apo )( 3)Capo式中 :Gapi 一次风进口流量 ;t api 一次风进口温度 ; Capi 一次风进口比热 ; Gapo 一次风出口流量 ;t apo 一次风出口温度 ;Capo 一次风出口比热 ;kg/ sJ / ( kg)kg/ sJ / ( kg)Gapla 一次风侧与二次风侧漏风流量 ( 漏出为正) ;kg/ st apla 一 次 风 侧 与 二 次 风 侧 漏 风 温 度 ;Capla 一次风侧与二次风侧漏风比热 ; J / ( kg)Gaplg 一次风侧与烟气侧漏风流量 ( 漏出为正) ;kg/ st aplg 一次风侧与烟气侧漏风温度 ;Caplg 一 次 风 侧 与 烟 气 侧 漏 风 比 热 ;J / ( kg)Q ap 金属壁对一次风放热量 ;漏风温度 、比热方程W 00t apGaplat apla=t as 特殊Gapla于分由( 6)f a ( t aplg)f g ( t aplg) 00GaplgGaplgCaplg=w a( 16)Casla = f a ( t asla)( 17)t ast agGaslgGaslg 00t aslg=scus( 19)换热方程1997 年第 10 期发电 设 备11 Gnas ( tQ as = as k as as mas as换热方程)( 20)- tQ g = g k g Gg ( t g -ngt mg)( 29)Ggsi + Ggso( 21)Gas=2G + Ggi go( 30)Gg =式中 :kas 二次风与金属壁换热系数 ;2W/ 式中 :k g 烟气与金属壁换热系数 ;W/ nas 二次风与金属壁换热修正指数as 二次风吸热修正系数Gas 二次风平均流量 ;kg/ sn g 烟气与金属壁换热修正指数g 烟气放热修正系数Gg 烟气平均流量 ;kg/ st mas 二次风侧金属壁温度 ;2 . 3烟气侧数学模型能量守恒方程t mg 烟气侧金属壁温度 ;2 . 4金属壁温数学模型Ggo Cgo t go=Ggi Cgi t gi + GglpCglpt glp +( 22) ( 23)( 24)apM m Cm d t mapn ( t mg -t map )M m Cm=Ggls Cgls t gls -Q g- Qdap36060CgiCgo式中 := f g ( t gi)= f g ( t go )( 31)()as M m Cm d t masM m Cmnt map -t mas=-Q asd36060Ggi 烟气进口流量 ;t gi 烟气进口温度 ; Cgi 烟气进口比热 ; Ggo 烟气出口流量 ;t go 烟气出口温度 ;Cgo 烟气出口比热 ;kg/ sJ / ( kg)kg/ sJ / ( kg)( 32)g M m Cm d t mg M m Cm n ( t mas - t mg)=+ Q gd36060( 33)式中 :ap 一次风通道扇形角度 ;度as 二次风通道扇形角度 ;度g 烟气通道扇形角度 ;度M m 转子有效金属质量 ;kgCm 金属比热 ;J ( kg)n 预热器转子转速 ;r/ min时间 ;sGglp 烟气侧与一次风侧漏风流量 ( 漏进为正) ;kg/ st glp 烟气侧与一次风侧漏风温度 ;Cglp 烟气 侧 与 一 次 风 侧 漏 风 比 热 ;J / ( kg)Ggls 烟气侧与二次风漏风流量 ( 漏进为正) ;kg/ s仿真结果和分析根据上面建立的数学模型 ,我们利用计算机 进行了仿真 ,并将其应用在福州 350M W 电站仿 真中 ,取得了与现场基本一致的结果 。下面我们 列出其中的几种典型工况的动态仿真结果 ,各图 中曲线分别为一次风 、二次风和烟气出口温度 。 特别需要注意的是 ,由于烟气流向与空气流向是 相反的 ,故正常状况下的烟气出口温度低于一次 风和二次风出口温度 。3 . 1转速变化在正常运行中 ,若预热器电动马达突然出现 故障 ,气动马达马上投入运行 ,此时预热器转子转 速突然由 1 . 11r/ min 下降到 0 . 3r/ min ,动态响应 曲线如图 2 所示 。3t gls 烟气侧与二次风侧漏风温度 ;Cgls 烟 气 侧 与 二 次 风 侧 漏 风 比 热 ;J / ( kg)Q g 金属壁对烟气放热量 ;漏风温度 、比热方程Wt apt gGglpGglp 00t glp=( 26) 00t ast gGglsGglst gls=( 28)12 发 电 设备1997 年第 10 期慢于烟气 ,而二次风出口温度变化更慢 。但由于烟气与空气为逆向流动 ,故当烟气进口温度升高 后 ,一次风和二次风出口温度升高较多 ,而烟气出 口温度则升高相对较少 。3 . 3 二次风流量增大在正常运行中 ,预热器二次风流量由于某种 原因突然增大后 ,其动态响应曲线如图 4 所示 。 由曲线可以看出 ,在开始阶段 ,二次风出口温 度很快降低 ,但由于转子能量转移的滞后和转子 转动顺序的影响 ,烟气出口温度变化稍慢于二次风 ,一次风出口温度变化则更慢 。图 2 转速由 1 . 11r/ min 降低到 0 . 3r/ min 时的温度变化曲线根据金属壁温方程可知 ,当转速降低时 ,将意 味着由于“转动引起的转子金属能量转移”( 以下 简称转子能量转移) 速度降低 ,从而使得各通道壁 温发生变化 。我们前面已经提到 ,转子转动顺序 是由烟气侧至一次风侧 ,再由一次风侧至二次风 侧 。对于烟气侧 ,由于其金属壁温较高 ,转子能量 转移速度的降低将导致烟气出口温度的升高 ; 对 于一次风侧 ,开始时由于高温烟气侧来的转子能 量转移减少 ,金属壁温和出口温度会有所下降 ,但 随着烟气侧金属壁温的升高 ,很快又会上升 ,甚至 高于原来的温度 ; 对于二次风侧 , 由于同样的原 因 ,出现与一次风侧相似的结果 ,最初的一次风侧 金属壁温的下降 ,加剧了二次风出口温度的下降 , 但也随着后来一次风侧金属壁温的上升而有所上 升 。3 . 2烟气进口温度升高在正常运行中 ,预热器进口烟气温度由于某 种原因 (如尾部烟道再燃烧) 突然上升 ,其动态响应曲线如图 3 所示 。图 4 二次风流量增大 25 %时的温度变化曲线3 . 4 漏风量增加在正常运行中 ,当预热器各工质间漏风 (主要 是从空气侧漏向烟气侧) 增大后 ,其动态响应曲线 如图 5 所示 。由曲线可以看出 , 由于漏风量的增大 , 一次风 、二次风以及烟气出口温度均会升高 ,但一次风 和二次风表现更加明显 。因为此时烟气出口流量 也会增大 ,将造成锅炉排烟损失增加 。图 3 烟气进口温度升高 100 时的温度变化曲线由曲线可以看出 ,在开始阶段 ,烟气出口温度 很快随之升高 ,但由于转子能量转移的滞后和转 子转动顺序的影响 ,使得一次风出口温度变化稍图 5 漏风量增加 100 %时的温度变化曲线结论4( 下转第 29 页)1998 年第 1 期发电 设 备29 操纵电磁阀 ,使大小活塞阀碟上部都与排汽管道 P0 相通 ,进汽压力 Pc 经过大活塞阀碟上四 周小孔 a 进入腔室 b ,进汽压力 Pc 作用在小活塞 阀碟上的力克服小弹簧的预压缩力 ,使小活塞阀 碟打开 ,并上移行程 L 2 ,与大活塞阀碟密合 ,切断 了小孔 c 与进汽压力 Pc 的通路 ,这样大活塞阀碟 上部腔室 d 由于与排汽管道相通 ,腔室 d 中的压 力迅速降低 (降低速度决定于针阀节流的大小) , 则进汽压力 Pc 在大活塞阀碟上的作用力克服大 弹簧预压缩力 , 使大活塞阀碟打开并上移行程 L 1 ,阀碟与阀盖接触面 f 密合 ,因此阀门在开启状 态时汽体也不会泄漏 ,实现了开启时的自密封 。2 . 2 阀门在开启位置时要进行关闭 ,见图 3操纵电磁阀 ,使大小活塞阀碟上部都与进汽 压力 Pc 相通 ,使腔室 e 内压力达到 Pc 值 ,则小活 塞阀碟在压力 Pc 及小弹簧力作用下而关闭 , 这 时进汽压力通过小孔 a 腔室 b 和小孔 c 进入大活 塞阀碟上部 ,压力达到 Pc 值 ,则在大活塞阀碟上 所产生的力和大弹簧的压缩力作用下 ,克服阀后 蒸汽压力 P 作用在大活塞阀碟上的向上力 ,使大 活塞阀碟向下移动而关闭阀门 ,在阀门关闭状态时 ,阀座通过阀前压力 Pc 和大弹簧作用力而密封 。2 . 3 可调针阀的调整阀盖上的可调针阀是用来调节大活塞阀碟的 动作速度 ,以防止速度太快而敲坏阀门型线造成漏汽 ,而阀盖上的另外 2 只螺塞和阀壳上的 1 只 螺塞 ,主要是在阀门试验调整时装配压力表用 ,在 性能试验合格应拆去压力表 ,仍用螺塞闷住后方 可出厂 。结语由于这种新型截止阀只需要少许的控制操作 能量 ,并由介质开动 ,所以很适用于遥控或自动运 行的设备 ,其关闭时间为 1s 左右 ,其口径系列为100500 mm ,公称压力为 0 . 25 2 . 5M Pa ,工作温度小于 400 ,不仅可以用作截止阀 ,也可用作 止回阀 ,其应用范围十分广泛 ,希望能在电站 、石 油和化工行业中发挥独特作用 。3作者简介 武万才 ,泽隆高新技术有限公司总经理 , 长期从事电炉、阀门工业陶瓷等产品开发与研究 ,在电炉技术和新型陶 瓷阀门( 密封件) 生产制造有独到之处。( 上接第 12 页)由以上仿真结果和分析可以看到 ,我们对三 分仓回转式空气预热器的建模完全可以达到对现 场对象进行仿真的目的 。考虑到仿真的实际要 求 ,我们将其分为 4 段进行计算 ,如果要将其应用 于分析研究 ,则应分得更细一些 ,以达到更加逼真 的结果 。清华大学热能工程系 ,1992 . 7陈学俊 ,陈听宽. 锅炉原理. 机械工业出版社 ,1981清华大学热能工程系. 实时仿真培训系统. 清华大学讲义 ,199223第一作者简介 程芳真 , 男 , 1969 年生. 1992 年毕业于清华大学热能工程系 ,1994 年攻读硕士学位 , 1996 年初提前攻博 , 将 于 1998 年初毕业。目前主要从事电站仿真、计算机监控及图形 化自动建模方面的研究工作。参考文献1 程芳真. 天津市电力工业局 50 M W 机组模拟培训器的研制.( 上接第 24 页)Yamamoto , A. Interactio n Mechanisms Bet ween Tip2L eakageFlow and t he Passage Vo rtex in a Linear Roto r Cascade . ASM E Jo urnal of Turbo machinery ,1988 ,Vol . 110 :329338Yamamoto , A. Endwall Flow/ Lo ss Mechanisms in a Linear Turbine Cascade wit h Blade Tip Clearance . ASM E Jo urnal of Turbo machinery ,Vol . 111 :264275Mo rp his , G. , and Bindo n , J . P. The Flow in a Seco nd StageNozzle of a Low Speed Axial Turbine and it s Effect o n TipClearance Lo ss Develop ment . Internatio nal Gas Turbine andAeroengine Co ngress and Expo sitio n , The Hague , Net herlands2J une 1316 ,199456第一作者简介 韩万今 ,55 岁 ,硕士 ,教授 ,主要从事叶轮机械气动热力学、涡轮机原理和风机等方面的科研与教学工作。71998 年第 1 期发 电 设 备45 ABSTRACTZhej iang Un iversity) , Chen L ing2hong , Zhou Hao , Jiang Xiao. Research on aChi Zuo2he ( Hangzhou ,Ne w Dense/ Lean Bif ilar Combust ion Techn ique of Pulverized Coal . Po wer Equipment , 1998( 1) :24The paper describes a new dense/ lean Bifilar co mbustio n technique co mpo sed of a buffet dispenser fo r co ncent ratio n regulatio n and a V shaped flame stabilizer . Spacially interspersed belt s of dense p ulverised coal are fo r med in f ro nt of t he right and lef t dense/ lean dispenser and t he ho rizo ntal flame stabilizer . These p ul2 verized coal belt s p rovide very f avo urable co nditio ns fo r ignitio n and stabilizatio n . Figs 7 , tables 3 and ref s2 .Pan Wei2guo ( Shangha i , Shangha i College f or Electric Po wer) , Chi Zuo2he , Chen Ke2fa . Research on the Flo w Resistance of Horizontal Po wder Feeding Pipes of Pulveriz ing Systems in Po wer Plant Boilers. Po wer Equipment , 1998( 1) :58The paper discusses t he way of o btaining t he f rictio nal coefficient ofsolid/ gas t wo p hase flow s inho rizo ntal pipes. An empirical fo r mula fo r calculating t he f rictio nal flow coefficient of p ulverized coal feed2ing pipes was elabo rated by using analysis and regressio n met ho ds fo r t reating t he experimental data , o b2 tained o n a large scale mo deling rig , p roviding herewit h a met ho d , co nfo r ming bet ter to act ual engineering realit y , fo r calculating t he flow resistance of ho rizo ntal pow der feeding pipes. Figs 4 and ref s 9 .Cheng Fang2zhen ( Beij ing , Qinghua Un iversity) , Jiang Zi2kang. Model iz ing and Simulat ion of a Rotat2ing Three Compartment Air Preheater. Po wer Equipment , 1998( 1) :912The paper describes t he peculiarities and way mo delizing of rotating air p reheaters wit h t hree co mpart2 ment s , p resent s and disusses simulatio n result s of vario us operatio nal co nditio ns. This mo del . successf ully applied to act ual cases of simulatio n , is mar ked by high p recisio n and goo d dynamic characteristics and is suitable fo r simulating vario us mo des of operatio n , including t ho se of f ailures. Figs 5 and ref s 3 .Zhu Bing ( Shangha i , Shangha i Stea m Turbine Co. Ltd. ) , Chen Le2hua . Upkeep and Ma intenance ofStea m Turbines. Po wer Equipment , 1998( 1) :1319The paper discusses in detail t he up keep and maintenance of t he 300M W steam burbine in power plant s during operatio n as well as during standstill perio ds. Met ho ds of up keep during standstill are reco mmended. Fig 1 and table 1 .Han Wan2j in ( Harbing , Harbing Un iversity of Technology) , L i Xiao2f eng , Zhang Xiue2l i , Huang j ie.Inf l uence of Bla de Tip Clearances on the Development and D istribut ion of Stea m Turbine Ca sca deLosses. Po wer Equipment , 1998( 1) :2024Wit h t he help of mini quint uple o rifice p ro bes , t he dist ributio n of aero dynamic parameters , f ro m in f ro nt to behind a cascade , were st udied alo ng 19 surf aces , including wit hin blade tip clearances well . The flow pat ter n alo ng t he top wall and