660MW超临界压力直流锅炉机组数学模型及仿真.pdf

第 3 7卷 第 1期 2 0 1 5年 1月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo l I 3 7 No 1 J a n 2 01 5 6 6 0 MW 超 临界压力直流锅炉机组 数学模型及仿真 李关宝 ， 史一涛 ( 1 国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心， 郑州4 5 0 0 0 8 ； 2 华电电力科学研究院， 杭州3 1 0 0 3 0 ) 摘要 ： 在分析 6 6 0M W 超临界直流锅炉机组热力特性基础上 ， 根据能量守恒 、 质量 守恒 、 动量守恒定律 ， 建立了 6 6 0 MW 超临界直流锅炉的动态仿真模型。对机组给水量扰动、 功率扰动和燃料量扰动进行了动态试验， 试验结果表明， 该模型 能够准确地模拟 实际机组的动态特性 。 关键词 ： 直流锅炉； 仿真建模； 动态特性 中图分类号： T K 1 1 2： T K 2 2 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 1 3 0 3 O 引言 随着科学技术 的不断进步 ， 火力发 电机组不断 向大容量 、 高参数 的方 向发展 ， 超临界 机组具有高 效 、 清洁的特点 ， 其装机容量也在不断增大。机组锅 炉的结构越来越复杂， 从汽水系统、 风烟系统到燃烧 系统都有较大的改进。因此 ， 建立超临界直流锅炉 单相受热面的仿真模型对机组运行的安全性和经济 性具有重要的指导意义 。 省煤器 、 过热器、 再热器等受热面可简化为一根 单相介质换热器模型。本文采用模块化建模思想 ， 建立压力流量 、 焓温通道 的集中参数数学模型 ， 该模 型具有物理意义明确 、 模型简单 、 求解方便且能保证 一 定精度 的优点。 1 仿真对 象 本文研究对象为马鞍山发 电厂 6 6 0 MW 超临界 变压运行螺旋管圈直流锅炉 ， 该锅炉为单炉膛 四角 切圆燃烧方式 、 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 型燃煤锅炉 。锅 炉 额定负荷给水流量为 2 1 0 1 t h ， 主蒸汽压力为 2 5 4 MP a ， 主蒸汽温度为 5 7 1 ，再热蒸汽压力 为 4 5 3 MP a ， 再热蒸汽温度为 5 6 9 ， 锅炉 汽水 系统如 图 1 所示 。 2 超临界直流锅炉数学模型 蒸汽系统是超临界压力直流锅炉仿真中的重要 组成部分之一 ， 锅 炉主蒸汽温度 、 再热蒸汽温度、 蒸 汽压力等是锅炉运行的重要参数。大型锅炉的过热 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 3 0 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 4 0 9 0 1 给 水 来 左 中 间 一 一 网 冈 一一 圉 - 集 _ 黼 _一 省 箱 分 离 器 A 煤 水 前 水 炉 后 末 器 冷 中 冷 顶 屏 级 出 壁 一 间 壁 过 过 过 热 口 下 集 上 热 器 器 集 集 箱 集 器 栅 _一 一 一 堕 箱 箱 后 箱 _ 一 由 _分 离 器 B 间 L L 二 集 箱 右 由 间 集 箱 去汽 轮机 图 1 锅 炉 汽 水 系 统 器 、 再热器及其相连管系具有管道较长 、 蒸汽存储容 积较大的特点 ， 是典型 的分布参数对象。在锅炉受 热面中， 过热器、 再热器 、 省煤器 、 空气预热器 内的工 质都为单相介质， 换热过程及特点是相似的， 为了更 好地说明这个问题 ， 需要建立一个通用的单相介质 换热器模型 ， 管道的物理模型如图 2所示。 l l I l Q 图 2管 道 的物 理 模 型 图2中： Q为管道换热量 ； g 为蒸汽进 口流量 ； 日 为蒸汽进 口焓 ； g 为蒸汽出V I 流量； 为蒸汽出 口焓 。 2 1 模型的简化假设 ( 1 ) 并联管道等效为一根受热管， 通流面积为 各个管道之和。 ( 2 ) 烟气侧参数变化快速 ， 换热热流均匀分布。 ( 3 )管道中的蒸汽流动阻力集 中于联箱入 口， 1 4 华 电技 术 第 3 7卷 联箱内的压力分布均匀。 ( 4 ) 管 道 内外 侧换 热 强度 均 匀 ， 只 考虑 径 向 传热。 ( 5 ) 忽略管道壁厚的影响， 内外管壁无温差。 2 2压力流量通道数学模型 2 2 1 蒸汽出 口质量流量 =g m I A ， ( 1 ) 式 中： q ， 为蒸汽出 口质量流量 ； g 为蒸汽人 口质量 流量 ； 4为管道截面面积 ； p为蒸汽密度 ； 为蒸汽流 速 ； t 为时间。 2 2 2 蒸汽出口质量流量和焓 n 2 巩= ， 一 ， ( 2 ) q ： ， ( 3 ) 一， j ， 式 中： 。 为蒸汽入 口焓； 为蒸汽出15焓 ； g 为蒸 汽平均质量流量 ； f为阻力系数。 2 3焓温通道数学模型 2 3 1 蒸汽出口焓 = ( g m l 一 + Q ) ， ( 4 ) 式 中： Q 为蒸汽吸热量 ； 为比焓 。 2 3 2 蒸汽与金属问放热量 Q =K f ( r mT f )， ( 5 ) Kf= f + o f 2q ， ( 6 ) + 7 1 ： ， ( 7 ) 式中： K f 为蒸汽侧放热系数； T m 为金属热力学温度 ； o ，为蒸汽侧导热系数； c t 为蒸汽侧对流系数 ； T f 为 蒸汽平均热力学温度 ； T f 为蒸汽入 12 I 热力学温度 ； 为蒸汽出1 5热力学温度 ； q 为体积流量 。 2 3 3 烟气与金属间放热量 Q =K g ( )， ( 8 ) Kg ： O t g 1 +Ot g 2 q “ + g 3 ， ( 9 ) g ： ， ( 1 0 ) g 一， l u ： ，( 1 1 ) 式中： 为烟气侧放热系数； T g 为烟气热力学温度； 为金属热力学温度 ； c t 为烟气侧导热系数 ； t x 为 烟气侧对流系数 ； 为辐射放热系数 ； g 为烟气 体积流量 ； T s 烟气入 口热力学温度 ； ： 为烟气出 口 热力学温度 ； g 为烟气出 口体积流量 ； 为烟气人 口体积流量 ； Q 为烟气吸热量 。 2 3 4 金属蓄热量 d T Q =m c =Q 一Q ， ( 1 2 ) U 式中： C 为金属定压 比热 ； m为金属管质量 ； Q 烟气 吸热量 ； Q 蒸汽吸热量 ； Q 为金属蓄热量。 3 超临界直流锅炉仿真模型 本文采用模块化建模思想， 所谓模块化建模是 根据 电站 的系统构成 ， 建 立 电站 仿真模 型 的单元 ( 给水泵 、 风机 、 加热器等 ) 。在每一个算法中， 有温 度 、 压力 、 流量等参数输入 、 输出， 通过改变模块的物 理特性系数 ， 建立机组 的仿真模型。 对 6 6 0 MW 超临界压力直流锅炉而言 ， 通过分 析直流锅炉燃烧传热过程的物理特性 ， 搭建电站 系 统中的流体网络 ， 各个流体 网络模块构成不同的子 系统 ( 如给水系统 、 抽气系统 、 风烟系统等) ， 最终建 立电站热 力 过程 快慢 不 同 的压力 一流 量 通 道 和 焓 一温通道仿真模型。 根据模型通道 的时 问常数进 行离散积分 ， 以提高仿真模型的效率 。 本文建立的 6 6 0 MW超 临界压力直流锅炉仿 真 模型具有较好 的静 态精度 ， 表 1列 出了机组 1 0 0 工况的模拟值与实际设计值之间的比较结果。从表 1中的数据可 以看出， 各受热面的出口温度相对误 差不超过 0 5 ， 各 出 口压力 的相 对误 差 不 超过 0 5 ， 各出口流量的相对误差不超过 0 0 5 ， 各个 受热面出口烟温的相对误差不超过 0 0 5 。 4 仿真试验及结果 在马鞍山发电厂 6 6 0 M W 超临界压力直流机组 仿真机上进行扰动试验 ， 通过试验对 6 6 0 M W 超 临 界压力直流锅炉锅内过程数学模型的动态特性进行 了检验 ， 扰动试验结果如下。 4 1 给水量扰动 保持给煤量 、 汽轮机调速汽门开度不变 ， 喷水 自 动解列 ， 机前压力调节器投入 ， 超温保 护不投入 ， 给 水量扰动试验( 挠动量 5 ) ， 机组扰动前 、 后主要参 数见表 2 。 4 2汽轮机功率扰动 保持给煤量不变 ， 喷水调节切手动， 给水调节切 自动 ， 机炉协调投入 ， 汽轮机额定功率减小 1 0 ， 机 组扰动前 、 后主要参数见表 3 。 4 3 燃煤量扰动 保持给水量 、 汽轮机调速汽 门开度不变 ， 给水调 节切手动 ， 喷水减温调节切手动 ， 额定给煤量减 5 的扰动 ， 机组扰动前 、 后主要参数见表 4 。 第 1 期 李美宝， 等 ： 6 6 0 MW 超临界压力直流锅 炉机组数 学模型及仿真 1 5 表 1 1 0 0 工况设计值与仿真值对 比 5 结 论 本文采 用模块化 的理论分 析方法 建立 了 6 6 0 MW 超临界直流锅炉锅内过程 的动态数学模 型， 该 模型能够准确地模拟机组冷态启动 、 热态启动 、 正常 停炉及可 能 出现的事故工况下热 力过程 的动态 变 化 ， 具有 良好 的静态和动态特性 。 从机组的动态扰动试验看 ： 直流锅炉的动态特 性不同于汽包锅炉 ， 直流锅炉运行中的关键是要严 格控制煤水 比、 给煤量及给水量的变化 ， 这些参数对 汽温变化都有大幅度 的影响。本文建立 的仿真模型 已应用于马鞍山电厂机组的整个运行工况的仿真 ， 同时该模 型可用于优化机组 的设计 ， 在预测机组变 工况时 ， 对于其主要性能参数的计算具有重要作用 。 参考文献 ： 1 徐二树 ， 李恕康， 孙志英， 等 大容量超临界直流锅炉锅 内过程全工况实时仿真数学模型及动态特性 J 动力 工程 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 4 ) ： 2 5 O 0 2 5 0 5 2 曾德良， 赵征， 陈彦桥 ， 等 5 0 0 MW机组锅炉模型及试验 分析 J 中国电机工程学报， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 5 ) ： 1 4 91 5 2 3 任挺进， 谢茂清 ， 李志刚， 等 锅炉单相受热面链式建模 新方法 J 中国电机工程学报， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 7 51 7 8 4 章臣樾 锅炉动态特性及数学模型 M 北京： 水利电力 出版社 ， 1 9 8 7： 3 1 4 5 5 雷玉兰 自然循环锅炉锅内过程的仿真模型 D 北京 ： 华北电力大学， 2 0 0 9 6 郭喜燕， 杨勇平 ， 宋之平 锅炉汽水系统动态过程仿真 J 工程热物理学报 ， 2 0