锅炉汽包水位动态模型的研究

锅炉汽包水位动态模型的研究

1锅炉汽包动态特性的认识由于错误的水位，80%的锅炉缺水发生。由于锅炉蒸发系统处于动态质量及能量交换过程中,汽包水位不仅与汽包进出口流量及温度有关,而且与流量及温度的变化速度有关。当汽包进出口流量变化时,如开大给水阀,会使得汽包水位先降低再升高,形成虚假水位。正确计算实际水位在变工况下的动态特性直接关系到锅炉甚至整个热力系统运行的稳定性和可靠性。为了提高余热锅炉设计水平、改进其性能及确定控制策略等,许多学者在汽包的建模与仿真方面进行了深入地研究。传统的建模方法通常将液面下小气泡作为一个集总系统,其动态响应速度与容积大小成反比,当液面下工质干度较小时,气泡容积也较小,系统需要很小的仿真步长才能保证模型收敛,拖慢了整个热力系统的仿真速度。另外,传统对汽包水位的处理方法由于涉及到汽包压力、温度、密度以及汽包形状等过多相互藕合的参数,在建立水位模型时会涉及到物性偏导数的计算,其处理方法过于复杂,计算量大。新方法通过对汽包水位变动涉及到的复杂过程进行适当简化与假设,将汽包分为2个集总系统,通过液面下工质干度确定溢出水面的蒸汽量,建立了能够适应大范围变工况的锅炉汽包水位简化动态模型。最后在仿真研究基础上,讨论汽包水位的变工况动态特性。2汽包水位的确定正常运行工况下,汽包内工质包括气液两相,底部工质接受来自省煤器的不饱和欠焓水和来自上升管的饱和状态气液两相流,上升管中的饱和水蒸气一部分与欠焓水抵消而凝结为饱和水,另一部分经过液面下工质以小气泡的形式逐渐溢出水面。因此水面下工质并非是单纯液相的水,而是含有一部分饱和蒸汽、具有一定干度的气液混合物。将液面下的小汽泡与饱和水集总为具有一定干度的气液混合物,建模原理如图1所示,并作如下假设:(1)汽包内的工质混和速度很快,可以不考虑蒸汽过热与液态工质局部欠焓及温度的不均匀性,认为汽包内工质处于均匀的饱和状态;(2)工质蒸发与凝结速度很快,当汽包压力发生变化时,相应的饱和压力和温度也发生变化,这时汽包内工质发生水的动态蒸发和蒸汽的动态凝结;(3)将水面下的工质看作是具有一定干度的气液混合物,上升管出口工质与汽包底部工质混合后,水蒸气通过水面溢出。获取汽包水位模型的关键是确定水蒸气溢出液面的流量。蒸发器吸热后由上升管将热量以饱和蒸汽的形式带回汽包。在浮力驱动下,饱和蒸汽向上漂移一定的时间,最后溢出液面,这一过程可以近似看作是以液面下工质集总系统的蒸汽比摩尔分数为推动力的液面下饱和蒸汽向液面的传质过程。则溢出液面的蒸汽流量是液面下饱和蒸汽浓度的单值函数:式中:Wev——溢出液面的动态蒸汽流量;kev——总传质系数;Xl——液面下工质平均干度。将汽包内工质整体与液面下工质分别看作2个集总系统,由汽包整体系统确定汽包内所含工质平均密度与汽包压力,通过液面下系统确定汽包水位,仿真模块结构如图2所示。汽包内工质与液面下工质质量平衡式中:V——汽包体积;ρ——汽包内工质平均密度;We、Wr、Wd、Wv——给水、上升管汽水混合物、下降管、流出汽包的蒸汽。由汽包内工质与水面下工质能量平衡,有式中:he、hr、hd、hv、hev——给水、上升管出口、下降管入口、饱和蒸汽、溢出水面蒸汽焓值;u、ul——汽包内工质、水面下工质平均内能。由假设1得式中:hl——水面下工质平均焓值,可由ul计算。汽包内工质平均干度式中:uw、uv——饱和水、饱和蒸汽内能;ρw、ρv——饱和水、饱和蒸汽密度。其中饱和状态下的物性参数都是汽包压力p的函数,由汽包内工质的质量平衡关系式(2)与能量平衡关系式(4)可以得出汽包内工质的密度和内能,从而可以利用式(7)计算出汽包的压力p。液面下工质平均干度由水面下工质的质量平衡关系式(3)与能量平衡关系式(5)可以得出水面下工质的平均内能,由式(7)求出汽包压力p后,饱和状态下其它物性参数可由p确定,从而式(8)仅是水面下工质平均密度ρl的函数,由此可以解出ρl,结合式(3)可以确定出液面下工质的体积,进而得到汽包内各状态参数。汽包水位与液面下工质质量、密度、汽包形状有关,对于常用的两端半球形的水平放置圆筒汽包其中θ=2cos−1(r−Lr)(10)θ=2cos-1(r-Lr)(10)式中:Vl——水面下工质体积;W——汽包总长度;L——液面距汽包底的高度。从而汽包水位为:3单次给水扰动汽包水位是确定锅炉工作状态的重要参数,关系到整个热力系统运行的稳定性和安全性。通过对汽包内水位变化与液面下工质干度的关系进行简化假设,在机理模型的基础上建立了汽包水位的动态仿真模型。利用新方法建立的动态仿真模型具有计算量小、稳定性高、仿真速度快的特点,对汽包排气量和给水量分别加入10%的阶跃扰动,其仿真验证结果如图3、4所示。从图中可以看出,汽包排气量阶跃增加,造成汽包压力下降,引起液面下工质急剧汽化,水位升高,出现了虚假水位现象。同时汽包内工质温度也随着饱和压力的降低而降低。随后,由于汽包进出口流量的不匹配,汽包内工质质量不断减少,溢出液面蒸汽量增大,在进出气相区工质流量逐渐趋于平衡后,汽包温度和压力变化趋势变缓,汽包水位逐渐下降。由图4可以看出,汽包给水量阶跃增加,汽包水位经过一定延时后上升,这是由于液面下工质处于汽液混合的两相流状态,增加的给水量需要抵消一部分液面下气态工质的体积,从而造成水位上升延时。由于给水量增加,抵消了一部分汽包内饱和蒸汽体积,造成汽包内工质干度下降,汽包压力降低。同时汽包温度也随着汽包压力降低而下降。另一方面,在给水量阶跃与排气量各自阶跃扰动同为10%的情况下,汽包温度和压力受给水量变化的扰动小于受排气量变化的扰动。这是由于给水所含内能小于过热蒸汽所含内能,从而给水扰动小于排气扰动对汽包工作状态的影响。4锅炉变工况时的虚假水位现象(1)将水面下工质看成有一定干度的气液混合物,根据汽包工作机理建立汽包水位模型,能够正确反映出锅炉变工况运行时的虚假水位现象。