电厂仿真再热器动态特性建模仿真论文.docx

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电厂仿真再热器动态特性建模仿真论文

再热器动态特性建模与仿真论文

O仿真目的

为了进一步提高电厂循环热效率，控制汽轮机末级叶片的蒸汽温度在允许的范围内，大容量机末级叶片的蒸汽温度在允许的范围内，大容量机组广泛采用中间再热循环。

再热器出口蒸汽参数对汽轮机中、低压缸的做功能力和安全运行都有很大影响。

因此，建立较为准确的再热系统动态特性模型，对于指导机组运行、提高机组运行稳定性和经济性具有重要意义。

国内外众多学者都曾对锅炉再热器模型做过。

相关研究。

张琴舜等【1】对核电站再热器的基本结构和原理进行分析，建立了动态数学模型，并进行了仿真研究。

黄景涛等【2】采用支持向量回归算法。

对再热汽温进行回归建模，利用现场实测数据进行回归分析，建立了对象的数据模型。

李旭等[3]依据再热器的结构参数和热力参数，给出了再热器动态特性的简便计算公式，研究设计了再热汽温的控制系统。

刘吉臻等[4]通过机制分析，提出了再热期望焓升的概念来反映单位流量再热蒸汽的吸热能力，并对其进行了非线性偏最小二乘建模，并结合现场数据对异常的再热器出口汽温进行了分析，依模型给出了再热汽温运行的优化方法。

闻雪平等[51通过对电站锅炉再热器系统的分析，建立了对流换热式再热系统出口温度的动态计算模型，并利用某电厂屏式再热器、末级再热器的运行数据进行了模型的仿真验证。

Prieto等[6-7]建立了再热器三维热力动态模型，并利用某350MW机组数据，验证了模型的有效性。

以上学者主要针对再热器出口温度进行了机理建模或数据建模，并未对出口蒸汽流量和压力的动态特性进行分析。

因此，对再热器的动态特性研究迫切需要一个内容全面的数学模型。

笔者在借鉴前人模型的基础上，结合600MW亚临界机组再热器的结构，基于质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，分别建立了水及水蒸气状态参数模型、压力一流量通道模型和焓一温通道模型。

选用Matlab中的Simulink仿真平台构建模型，并利用机组实际运行数据进行仿真，证实了该模型能够描述再热器出口的主蒸汽流量、压力和温度的动态特性。

再热器结构原理图

再热器的结构示意图示于图1管内为加热蒸汽,管外为循环蒸汽。

通过U型管束用管内蒸汽加热循环蒸汽。

1研究对象简介

研究对象为大唐盘山电厂3号600MW机组，该机组锅炉选用哈尔滨锅炉有限责任公司制造的HG一2023／17．6一YM4型锅炉，为一次中间再热、固态排渣、单炉膛、半露天Ⅱ型布置、全钢构架悬吊结构的亚临界控制循环汽包炉。

在额定负荷工况下，锅炉主要设计参数如表1所示。

再热器为一种单相介质换热器，其换热面由许多管子并联而成，管外为热介质，管内为冷介质。

本锅炉再热系统由墙式再热器、屏式再热器和末级再热器组成。

墙式再热器为低温再热器，布置在水冷壁上部的前墙和两侧墙的前部，直接吸收炉膛的辐射热；屏式再热器布置在后屏过热器之后、折焰角的上方，吸收锅炉辐射传热和烟气的对流传热；末级再热器布置在水平烟道中，为对流式换热面，吸收烟气的对流传热；再热器进口导管上装有喷水减温器。

再热器系统结构简图如

图1所示

在机组运行中再热气温受燃烧波动的影响较大．原设计调节手段为燃烧器摆角调节，但对切圆燃烧扰动较大，而且调节范围不足，存在较大延迟，一致性差，故采用喷水减温作为主要调节方式[4]。

2模型对象的假设

从整体出发，在保证一定精度的前提下，综合考虑实际锅炉的测点以及模型仿真速度，对再热器的运行过程进行合理简化，将墙式再热器、屏式再热器和末级再热器按流程顺序连成一再热器整体，并采用集中参数建模法[8]对其建模。

简化的再热器系统模型如图2所示。

图2中：

D为工质质量流量，kg／s；h为工质焓值，kJ／kg；P为工质压力，MPa；t为工质温度，℃；Q为再热器有效吸热量，包括炉膛辐射传热和烟气对流传热，kJ；下标spray表示喷水输入。

对再热器建模做了如下假设：

由于喷水减温器体积较小，忽略减温器的动态特性；外部对再热器的传热是沿管长方向均匀分布的强制热流；将金属热容与工质合并考虑，假定受热面金属温度与工质温度同步变化；忽略烟气、管壁和工质之间的轴向传热，只考虑径向传热；以再热器出口参数为集中参数模型的代表参数。

3数学模型的建立

结合600Mw亚临界机组再热器的结构，基于质量守恒、能量守恒和动量守恒方程，建立了压力一流量通道、焓一温通道两个子模型；根据电厂实测数据，用双线性拟合法拟合了一定范围内的水及水蒸气状态参数公式；针对再热器进口未安装流量测点和有效吸热量不可测问题，确定了再热器进口流量和有效吸热量计算公式。

3．1压力一流量通道模型

取整个再热器内的蒸汽作为分析对象，应用质量守恒方程的表达式为：

式中：

V为再热器容积，m^3；ρ为蒸汽密度，kg／m^3。

根据工质的状态参数方程，可知密度p是压力P和温度t的二元函数，可得：

由于压力的动态变化远比温度的快，因此可忽略温度变化对工质密度的影响，则式

（1）可改写

为：

对再热器内的蒸汽，应用动量守恒方程的表达式为：

式中：

ζ为流动阻尼系数，其值通常可根据额定负荷下设计参数来确定【9】。

3．2焓一温通道模型

对整个再热器内的工质，根据能量守恒方程的表达式为：

式中：

Q为再热器内工质吸热量，kJ。

管壁金属热平衡方程的表达式为：

式中：

Mj为再热器管道金属总质量，kg；Cj为金属比热容，kJ／（kg·℃）。

根据工质的状态参数方程，可知密度ρ和焓值h是压力P和温度t的二元函数，可得：

将式（6）、式（7）代入式（5），又根据建模假设条件（3），则式（5）可改写为：

3．3水及水蒸气状态参数模型

由前面建立的再热器仿真模型可知，在模型中需要计算大量的水及水蒸气的物理状态参数，主要包括：

减温水焓值

再热器进口焓值

再热器出口焓值

和密度

。

对于这些参数，可以通过易测的压力P和温度T来确定，则比焓h和密度ρ的表达式为：

式中：

f（·，·）采用文献[10]中的双线性拟合法，寻取，f（·，·）的简化函数式。

根据电厂实测数据，拟合压力范围在8．0～11.5MPa，温度范围在130～180℃的减温水焓值；拟合压力范围在1．6～3．6MPa，温度范围在270～340℃的再热器进口蒸汽焓值；拟合压力范围在1．4～3．4MPa，温度范围在500～560℃的再热器出口蒸汽焓值和密度：

式中：

Al、A2、A3、A4为4×4的拟合矩阵。

3．4再热器进口流量和有效吸热量的确定

由于该机组在再热器进口没有安装蒸汽流量测点，只能依靠软测量来获取。

本文选用许多厂家常用的定系数法来确定再热器进口蒸汽流量，其表达式为：

再热器的有效吸热量主要来源于炉膛辐射传热和高温烟气对流传热，本文基于文献[11]提出的风量氧量热量信号来替代再热器的有效吸热量，解决再热器吸热量不可测问题。

锅炉总热量的表达式为：

由于再热器有效吸热量与整个锅炉发热量相关，且有较好的比例关系，则：

4模型验证

为了验证所建模型的正确性，利用Matlab中的Simulink仿真平台搭建再热器动态模型，并且选取机组一天的实际运行数据用于模型验证。

模型的输入量均采用实测数据，仿真结果如图3～6所示。

图3是该机组在一天中大范围变负荷工况下机组负荷变化图，负荷变化范围为300～600MW，说明本文选用的数据能够体现再热器实际动态特性。

图4是仿真出口流量与主蒸汽流量之间的对比，可以看出，再热器出口流量能够很好地跟踪主蒸汽流量的变化。

图5是仿真出口压力与实测压力的对比，图中放大部分是00：

10到00：

50时间段两者的对比，可以看出，两者吻合程度非常好。

图6是仿真出口温度与实测温度的对比，仿真结果与现场数据较吻合，验证了所建模型的正确性。

5、再热器物理仿真模型

整个仿真模型主要包括:

一个5m长的铝质循环水槽,为水槽提供水的干扰水箱（内有测温热阻及加热器）,在水槽中排列均匀的4支热电阻,置于水槽中的电加热器及其附近的喷水器和风扇,示意图

如图所示。

此外,还有许多支持此仿真模型的其它子系统（如测控界面、干扰水箱水位、水温测控子系统、循环水缸水位、水温、水压测控子系统及接口箱、连线等）在此未画出。

由于用计算机作为控制器,本液槽变工况液体的仿真装置和仿真方法对复杂液体温度的非线性、时变、变参数、变干扰等特性的仿真更为准确、完整、真实;对复杂液体温度控制方法的研究、筛选和编程更为全面、简便、直观。

6、结论

利用大唐盘山电厂600Mw亚临界机组的运行数据，根据动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程，采用机理分析法建立了再热系统集中参数模型。

该模型能够描述再热器出口的主蒸汽流量、温度和压力的动态特性，为有效分析汽轮机中压缸进气参数动态变化和进一步建立汽轮机模型打下良好基础。

1）引入由风量和烟气氧量构造的热量信号，解决了再热器有效吸热量不可测问题。

2）通过机组的实际运行数据对模型进行验证，表明该模型在机组变负荷条件下，能够反映再热器系统输出的变化趋势，证实了模型具有一定合理性。

3）再热器出口温度预测曲线与实际曲线存在一定偏差，这是由于采用了集中参数处理方法和多种简化的结果，这正是该研究工作有待完善的一个重要方面。

目前,整个模拟控制系统的硬件已在实验室安装完毕,包括主、子系统的前后向通道（安装在一个接口箱中）及插于主板总线槽中的接口板（PC7483）,软件尚在设计及调试的进程中。

形象的组态王画面使人机接口更加易于交互、操作,内嵌的C程序使控制的编程更加灵活。

未来的发展方向,将完善再热器的仿真模型（比如以蒸汽代替水流）,更加贴切、完善地模拟再热器。

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