660 MW直流機組動態(tài)特性仿真研究

史一濤，張愛麗，徐二樹

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水環(huán)所，河北 石家莊 050000；3.華北電力大學(xué)，北京 102200）

660 MW直流機組動態(tài)特性仿真研究

史一濤1，張愛麗2，徐二樹3

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水環(huán)所，河北 石家莊 050000；3.華北電力大學(xué)，北京 102200）

依據(jù)守恒定律建立機組設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，基于CyberSim平臺得到仿真算法，建立660 MW超臨界仿真模型［1］。在此基礎(chǔ)上進行了機組不同負荷下的擾動試驗，結(jié)果表明：不同擾動對于機組壓力、溫度的動態(tài)響應(yīng)特性不同，在機組動態(tài)特性給水流量擾動條件下，隨著機組負荷升高，水動力穩(wěn)定性提高；在給煤量擾動條件下，隨著機組負荷升高，主汽溫度波動幅度逐漸增大；在負荷擾動條件下，主汽壓力、溫度波動都比較劇烈，應(yīng)防止超溫爆管現(xiàn)象的發(fā)生。

直流鍋爐；仿真建模；模塊化；動態(tài)特性

目前，超臨界直流機組具有煤耗低、清潔、環(huán)保等特點，已成為火電機組實現(xiàn)節(jié)能降耗、減少污染物排放最有效的技術(shù)。但直流機組熱慣性小，在運行工況發(fā)生變化時，主汽參數(shù)更容易發(fā)生波動，蒸汽參數(shù)頻繁波動會降低金屬管的運行壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致爆管，這些不穩(wěn)定工況嚴(yán)重影響機組安全、穩(wěn)定、高效運行，因此研究超臨界機組動態(tài)特性對于機組優(yōu)化運行具有重要意義。

在超超臨界機組系統(tǒng)模塊化建模研究方面，瑞典專家K.J.Astrom等人長期致力于汽包鍋爐汽水側(cè)系統(tǒng)的實時動態(tài)特性研究，華北電力大學(xué)徐二樹等人建立了500 MW超臨界機組鍋內(nèi)過程的全工況實時動態(tài)仿真模型［2］，西安交通大學(xué)的黃錦濤、陳聽寬建立的蒸發(fā)受熱面仿真模型，較好地仿真出水冷壁運行的動態(tài)特性［3］。本文在文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上重點研究機組在不同負荷下的動態(tài)特性。

1 機組概況

本文以某電站660 MW超臨界直流機組系統(tǒng)為研究對象，水冷壁為螺旋管圈布置，燃燒器采用切圓燃燒方式，給水經(jīng)省煤器后引入水冷壁，然后依次通過分離器、爐頂過熱器、分隔屏過熱器等受熱面送往汽輪機高壓缸，機組主要參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐各工況下主要參數(shù)

2 機組仿真建模

2.1 建模基本假設(shè)［4］

a.并聯(lián)管道等效為1根受熱管；

b.管中流動阻力集中于入口處；

c.管道內(nèi)外側(cè)換熱強度均勻；

d.只考慮管道的徑向傳熱；

e.管道內(nèi)質(zhì)量、能量均守恒。

2.2 水冷壁模型

超臨界直流鍋爐水冷壁內(nèi)工質(zhì)經(jīng)歷亞臨界、超臨界壓力過程，管內(nèi)存在加熱、蒸發(fā)、過熱3個階段，沒有固定的汽水分界面，3段長度隨著熱負荷及給水流量等而變化，因此按照汽、液相變點建立如圖1所示的水冷壁物理模型［5－9］。

圖1 水冷壁的物理模型

a.水冷壁出口流量Wf7

式中：Wf1為水冷壁工質(zhì)入口流量，t／h；ρ2、ρ4、ρ6分別為水冷壁加熱、蒸發(fā)、過熱段密度，kg／m3；V13、V35、V57分別為水冷壁加熱、蒸發(fā)、過熱段的體積，m3；t為時間，s。

b.水冷壁出口蒸汽焓值H7

式中：H1為水冷壁工質(zhì)入口焓值，kJ／kg；v3、v5、v7分別為水冷壁加熱、蒸發(fā)、過熱段的出口流速，m／s；Qf為工質(zhì)吸熱量，kJ。

c.水冷壁出口壓力P7

式中：P1為水冷壁工質(zhì)入口壓力，MPa；f為摩擦系數(shù)；l13、l35、l57分別為水冷壁工質(zhì)加熱、蒸發(fā)、過熱段的長度，m；Wf3、Wf5、Wf7分別為水冷壁加熱、蒸發(fā)、過熱段的出口流量，t／h；g為重力加速度；θ為工質(zhì)流速與重力方向的夾角。

d.蒸汽與金屬的放熱量Qf

式中：M13、M35、M57分別為水冷壁工質(zhì)加熱、蒸發(fā)、過熱段的金屬質(zhì)量，kg；t2m、t4m、t6m分別為水冷壁工質(zhì)加熱、蒸發(fā)、過熱段的金屬溫度，℃；Cp為水冷壁的比熱容，kJ／（kg·K）；Qg為煙氣的放熱量，kJ。

2.3 模塊化

本文基于北京四方CyberSim仿真平臺，采用模塊化的思路，建立分離器、過熱器、再熱器等機組所有設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，將機組設(shè)備數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成仿真算法，按照電站機組系統(tǒng)，建立超臨界機組仿真模型［10］。通過表2中主要受熱面出口參數(shù)設(shè)計值、仿真值的對比可見，最大誤差不超過0.55%，該模型能夠準(zhǔn)確模擬實際機組不同負荷下的動態(tài)特性。

表2 100%工況設(shè)計值與仿真值對比

3 仿真試驗分析

3.1 機組60%負荷動態(tài)仿真試驗

進行機組60%負荷時給水流量、給煤量、負荷擾動試驗，并得到相應(yīng)變化曲線如圖2～圖4所示。

當(dāng)給水流量擾動時，主汽溫度升高，波動幅度在3℃左右，主汽壓力先降低后升高，波動幅度在0.3 MPa左右；當(dāng)給煤量擾動時，主汽溫度先降低后升高，波動幅度在4℃左右，主汽壓力先降低后升高，波動幅度在1 MPa左右；當(dāng)負荷擾動時，主汽溫度上升，波動幅度在6℃左右，主汽壓力下降，波動幅度在1.2 MPa左右。

3.2 機組75%負荷動態(tài)仿真試驗

進行機組75%負荷時給水流量、給煤量、負荷擾動試驗，并得到相應(yīng)變化曲線如圖5～圖7所示。

圖2 給水流量擾動曲線

圖3 給煤量擾動曲線

圖4 負荷擾動曲線

圖5 給水流量擾動曲線

圖6 給煤量擾動曲線

圖7 負荷擾動曲線

當(dāng)給水流量擾動時，主汽流量下降，主汽溫度升高，波動幅度在7℃左右，主汽壓力先降低后升高，波動幅度較?。划?dāng)給煤量擾動時，主汽流量減少，主汽溫度先降低后升高，波動幅度在6℃左右，主汽壓力先降低后升高；波動幅度在0.8 MPa左右；當(dāng)負荷擾動時，主汽流量下降，主汽溫度先降低后升高，波動幅度在13℃左右，主汽壓力下降，波動幅度在1 MPa左右。

3.3 機組100%負荷動態(tài)仿真試驗

進行機組100%負荷時給水流量、給煤量、負荷擾動試驗，并得到相應(yīng)變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8 給水流量擾動曲線

圖9 給煤量擾動曲線

圖10 負荷擾動曲線

當(dāng)給水流量擾動時，主汽溫度先升高后降低，波動幅度在1℃左右，主汽壓力先降低后升高，波動幅度在0.4 MPa；當(dāng)給煤量擾動時，主汽溫度先降低后升高，波動幅度在7℃左右，主汽壓力下降，波動幅度在1.2 MPa；當(dāng)負荷擾動時，主汽溫度先降低后升高，波動幅度在12℃左右，主汽壓力先降低后升高，波動幅度在1 MPa左右。

4 結(jié)束語

本文建立660 MW超臨界機組仿真模型，能夠準(zhǔn)確反映不同負荷下的動態(tài)特性，在此基礎(chǔ)上進行了機組不同負荷下的擾動試驗，并得出相應(yīng)結(jié)論，為同類型機組的動態(tài)特性仿真研究提供借鑒。

［1］ 李 智，高 軍，曹福毅.QX－1／115／70－AⅡ型供熱鍋爐系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（11）：50－53.

［2］ 徐二樹，李恕康，孫志英，等.大容量超臨界直流鍋爐鍋內(nèi)過程全工況實時仿真數(shù)學(xué)模型及動態(tài)特性［J］.動力工程，2003，23（4）：2 500－2 505.

［3］ 黃錦濤，陳聽寬.超臨界直流鍋爐蒸發(fā)受熱面動態(tài)過程特性［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，1999，19（9）：71－75.

［4］ 章臣越.鍋爐動態(tài)特性極其數(shù)學(xué)模型［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［5］ 王宗琪，王 陶，章臣越.直流鍋爐啟動分離器數(shù)學(xué)模型與仿真［J］.熱能動力工程，1997，12（1）：60－63.

［6］ 王廣軍.熱力系統(tǒng)動力學(xué)及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［7］ 金小華.大型循環(huán)流化床鍋爐爐膛仿真模型［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（3）：29－32.

［8］ 林宗虎，陳立勛.鍋內(nèi)過程［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

［9］ 林宗虎.汽液兩相流和沸騰傳熱［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1987.

［10］ 曹福毅，薛建生.通用型火電機組DCS仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.東北電力技術(shù)，2006，27（5）：29－32.

Simulation and Research on 660 MW Supercritical Once?through Unit Dynamic Characteristics

SHI Yi?tao1，ZHANG Ai?li2，XU Er?shu3
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 310030，China；2.Institute of Hyrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang，Hebei 050000，China；3.North China Electric Power University，Beijing 102200，China）

According to the law of conservation of establishing the unit device mathematical model and based on CyberSim platform forming simulation algorithm，the 660 MW supercritical simulation model is established.Which correctly reflects the dynamic charac?teristics of one through unit.Finally，different load disturbance experiment is carried out，results of which show that under the condi?tion of disturbance feedwater，the hydrodynamic is becoming more and more stably with the increase of load；under the condition of disturbance to the coal，with the increase of load，the main steam temperature fluctuations increase gradually；under the condition of load disturbance，temperature wave are severe and we should prevent overtemperature detonation tube.

Once?through；Simulation modeling；Modular；Dynamic characteristics

TM621.2

A

1004－7913（2015）05－0023－04

史一濤（1986—），男，碩士，工程師，主要從事火力發(fā)電廠鍋爐專業(yè)運行、節(jié)能、環(huán)保方面工作。

2015－02－12）