600 MW超臨界機(jī)組的復(fù)合相變換熱器仿真研究

，

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

目前，大型燃煤火電機(jī)組仍在總發(fā)電容量中占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，我國大多火電機(jī)組存在發(fā)電煤耗過高、污染物排放嚴(yán)重等問題，這與國家對電力高效、環(huán)保、節(jié)能的要求仍然有較大差距。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，近幾年來，提高機(jī)組的運(yùn)行效率、挖掘節(jié)能潛力已成為各電廠日益重視的課題[1]。鍋爐已經(jīng)有近百年的發(fā)展歷史，作為發(fā)電的主要能源設(shè)備，人們對于其效率研究幾乎達(dá)到了極限。雖然，當(dāng)鍋爐的排煙溫度降低之后，可以降低燃料的消耗，同時(shí)能夠提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，但是當(dāng)排煙溫度過低時(shí)，鍋爐煙道尾部的受熱面可能會(huì)產(chǎn)生低溫腐蝕現(xiàn)象，影響機(jī)組運(yùn)行。造成受熱面發(fā)生低溫腐蝕的原因主要有兩個(gè)方面，一是酸露點(diǎn)，另一個(gè)即為受熱面溫度，當(dāng)受熱面溫度降低到酸露點(diǎn)以下時(shí)受熱面就會(huì)產(chǎn)生低溫腐蝕現(xiàn)象，給設(shè)備帶來損壞，設(shè)備無法正常運(yùn)行，從而影響到機(jī)組運(yùn)行，帶來嚴(yán)重的損害。

為切實(shí)解決低溫腐蝕問題，并同時(shí)避免排煙熱損失，上海交通大學(xué)的楊本洛教授綜合運(yùn)用“傳熱學(xué)、熱力學(xué)、現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、鍋爐汽輪機(jī)原理等”等多學(xué)科的理論知識(shí)，首創(chuàng)發(fā)明了FXH即復(fù)合相變換熱器技術(shù)與裝置的專利[2]，該技術(shù)通過改變鍋爐的尾部溫度和最低壁面溫度之間的線性關(guān)系，使得鍋爐排煙溫度過低時(shí)所引起的低溫腐蝕的難題得到了有效解決，并且鍋爐余熱的思路得到了新的發(fā)展，鍋爐節(jié)能的思路也得到了拓展[3]，提供了科學(xué)的技術(shù)支持。

復(fù)合相變換熱器技術(shù)是一種在防止低溫腐蝕的前提下讓低溫?zé)煔庥酂岬玫匠浞掷玫募夹g(shù)。在電廠投運(yùn)使用的情況可以看出FXH技術(shù)在回收低溫余熱這一領(lǐng)域帶來了革命性的突破[4]。復(fù)合相變換熱器技術(shù)能夠充分發(fā)揮相變潛熱在傳輸熱量方面的優(yōu)勢，并且換熱器的各個(gè)組成部分能夠得到靈活的配置，既能有效避免低溫腐蝕，相變傳熱的高效性也能得到充分的發(fā)揮，這樣就可以維持換熱器壁面溫度與出口的煙溫之間的溫差在一個(gè)較小的范圍之內(nèi)。受熱面結(jié)露的可能性大大降低，同時(shí)高效的降溫節(jié)能和提高熱效率的目的也能夠?qū)崿F(xiàn)。

復(fù)合相變換熱器技術(shù)和常規(guī)的空預(yù)器的壁溫設(shè)計(jì)理念不同，也和一般的節(jié)能技術(shù)如熱管技術(shù)存在著差異。熱管作為一種傳熱元件具有高效導(dǎo)熱的導(dǎo)熱能力，它通過在全封閉的真空管殼內(nèi)通過工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，其有許多優(yōu)點(diǎn)比如：極高的導(dǎo)熱性、不錯(cuò)的等溫性、可以任意改變冷熱兩側(cè)傳熱面積，并且還可遠(yuǎn)距離傳送熱量、對溫度可控可調(diào)等。但相比別的換熱技術(shù)它的抗氧化與耐高溫的能力較差。不過，一般通過在裝置前部安裝一套陶瓷換熱器可以有效改善[5-6]。對于低壓省煤器換熱器而言，需具備換熱系數(shù)高，防磨，抗腐等優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)系統(tǒng)排煙溫度較低時(shí)，壁面溫度會(huì)低于酸露點(diǎn)。當(dāng)壁面溫度確定后，即使壁溫可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)控，但是其調(diào)整的進(jìn)出口煙溫的變化范圍比較小，相比于復(fù)合相變換熱器其節(jié)能效益較差[7]。

通過以上比較，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合相變換熱器不僅可以大幅度地降低排煙溫度，讓大量的低溫余熱得到有效的回收利用[8]；而且在降低排煙溫度同時(shí)，保持煙道尾部換熱器的壁面溫度始終高于煙氣的酸露點(diǎn)，減緩結(jié)露引起的堵灰和低溫腐蝕的現(xiàn)象，大大減少了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用；同時(shí)保證了換熱器的最低壁面溫度始終處于運(yùn)行人員可調(diào)可控的狀態(tài)，使其具備一定幅度的溫度調(diào)節(jié)能力，讓排煙溫度和壁溫保持相對的穩(wěn)定，以便能適應(yīng)鍋爐工作燃燒時(shí)發(fā)生的變化[9]。復(fù)合相變換熱器是一個(gè)比傳統(tǒng)換熱器更加高效，經(jīng)濟(jì)，安全的換熱設(shè)備。

本文的研究對象為山西興能古交600 MW機(jī)組的復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，分析其運(yùn)行特性。所做的工作主要有以下三點(diǎn)：

(1)通過分析，建立相變換熱器系統(tǒng)各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的建立以質(zhì)量、動(dòng)量和能量平衡方程為基礎(chǔ)。并且在數(shù)學(xué)模型建立完成之后開發(fā)對應(yīng)的仿真算法。

(2)建立相變換熱器系統(tǒng)的仿真模型，之后將該仿真模型集成到原600 MW機(jī)組仿真系統(tǒng)中，通過仿真實(shí)驗(yàn)研究相變換熱器系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

(3)通過在100%負(fù)荷工況下投入相變換熱器系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，分析了投入相變換熱器對機(jī)組運(yùn)行特性的影響。通過閥門擾動(dòng)試驗(yàn)對相變換熱器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行相應(yīng)的研究。通過降負(fù)荷仿真實(shí)驗(yàn)，分析機(jī)組運(yùn)行特性，并分析該系統(tǒng)對機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)模型及建模

1.1 復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

首先需要根據(jù)質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒原理建立復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在建模的過程中可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的簡化，這樣有助于進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，此時(shí)需要注意，簡化時(shí)要保證模型具有一定的精度，否則會(huì)影響仿真結(jié)果。數(shù)學(xué)模型的建立有助于將該系統(tǒng)和原機(jī)組耦合。

1.1.1 工質(zhì)側(cè)換熱系數(shù)

當(dāng)水露點(diǎn)的溫度高于工質(zhì)溫度時(shí)，管壁傳給工質(zhì)的顯熱Qsh和工質(zhì)中的汽化潛熱Qr共同組成了管壁對工質(zhì)的傳熱量

(1)

式中η——對數(shù)溫壓修正系數(shù)；

hwater——工質(zhì)換熱系數(shù)；

Tmetal——管壁溫度；

sq——換熱面積；

Din——管內(nèi)徑；

Dout——管外徑。

在求解工質(zhì)汽化潛熱的時(shí)候，可以通過計(jì)算換熱過程的析水量，計(jì)算出進(jìn)口處的汽化潛熱和出口處的汽化潛熱，再求得平均值，這樣我們就得到了換熱過程的汽化潛熱。在計(jì)算汽化潛熱時(shí)進(jìn)行了一定的簡化，因?yàn)閷?shí)際中想要準(zhǔn)確計(jì)算汽化潛熱是十分困難的，簡化沒有影響到結(jié)果精度

Qr=Mwaterr

(2)

上述公式中，r為工質(zhì)進(jìn)口和出口的汽化潛熱量的平均值，汽化潛熱的求解可以通過計(jì)算進(jìn)出口溫度下的飽和水焓和飽和汽焓，該溫度下的汽化潛熱即為兩者相減得到的差值。這樣就可以得到r，即為進(jìn)口汽化潛熱和出口汽化潛熱的平均值。

管壁對工質(zhì)的換熱量即為顯熱和汽化潛熱的和

Qwatermet=Qsh+Qr

(3)

1.1.2 工質(zhì)側(cè)換熱系數(shù)煙氣對管壁的換熱量

依據(jù)換熱方程，再加上對管徑的修正，我們可以得到煙氣對管壁的換熱量，即為

(4)

式中hgas——煙氣側(cè)換熱系數(shù)；

Tgin——進(jìn)口煙氣溫度；

Tgout——出口煙氣溫度。

1.1.3 對數(shù)溫壓修正系數(shù)

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要引入一個(gè)修正系數(shù)對熱量進(jìn)行修正，這主要是因?yàn)槠骄鶞囟仍谟?jì)算時(shí)會(huì)有一定的偏差，影響計(jì)算結(jié)果的精度。此處用來修正熱量的修正系數(shù)采用的是對數(shù)溫壓修正系數(shù)，這樣計(jì)算的結(jié)果會(huì)更加正確，接近實(shí)際情況。

對數(shù)溫差的計(jì)算

ΔTm1=Tgin-Twout

(5)

ΔTm2=Tgout-Twin

(6)

(7)

對數(shù)溫壓系數(shù)的確定

(8)

式中η——對數(shù)溫壓修正系數(shù)；

ΔTm——對數(shù)溫差；

Tgin、Twin——進(jìn)口煙氣、工質(zhì)溫度；

Tgout、Twout——出口煙氣、工質(zhì)溫度。

1.1.4 壁溫的求解

當(dāng)壁面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)換熱量沒有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，由于換熱過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，所以壁面溫度一直處于不停變化的狀態(tài)，當(dāng)壁面內(nèi)外的換熱量平衡時(shí)，壁溫不再發(fā)生變化

(9)

式中Mmetal——金屬的質(zhì)量；

Cmetal——金屬比容。

1.1.5 出口工質(zhì)溫度的求解

想要求解工質(zhì)出口溫度，首先要知道工質(zhì)出口壓力和焓值，工質(zhì)出口溫度則可以根據(jù)兩者之間的關(guān)系得到，下面給出出口工質(zhì)焓的計(jì)算公式

(10)

式中ρwater——工質(zhì)平均密度；

Vwater——冷卻器工質(zhì)的容積；

hwout——出口工質(zhì)焓；

fmw——工質(zhì)進(jìn)出口質(zhì)量流量。

這樣出口工質(zhì)溫度Twout就可以通過已知的工質(zhì)焓值hwout和出口壓力Pwout求得

Twout=f(Pwout,hwout)

(11)

1.1.6 煙氣出口溫度的求解

煙氣出口溫度的求解與工質(zhì)出口溫度的求解方法有一定的相似性，但通過定比熱容法可以直接求得煙氣出口溫度，這里可以用進(jìn)口和出口的平均比熱容作為煙氣的比熱容

(12)

式中ρgas——平均煙氣密度；

Cpgas1——煙氣平均比熱容；

Vgas——冷卻器煙氣的容積；

fmgin和fmgout——進(jìn)口煙氣質(zhì)量流量、出口煙氣質(zhì)量流量；

Cpgas11和Cpgas12——進(jìn)口煙氣比容、出口煙氣比容；與對數(shù)溫壓修正系數(shù)的計(jì)算中一樣;

Tgin和Tgout——進(jìn)口煙氣溫度、出口煙氣溫度。

1.2 復(fù)合相變換熱器仿真模型

對于復(fù)合相變換熱器模塊(FXH)，建立的模塊示意圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合相變換熱器模塊

與圖1中輸入、系數(shù)、輸出相互對應(yīng)的說明見表1所示。

表1 復(fù)合相變換熱器算法說明表

2 復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 投入復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

文中利用PanySimu仿真支撐系統(tǒng)建立的復(fù)合相變換熱器模型進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真模型的基礎(chǔ)是古交電廠600 MW仿真模型，首先對100%負(fù)荷工況下，投入復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的情況進(jìn)行了模擬，通過觀察該條件下各參數(shù)的變化情況，分析機(jī)組運(yùn)行特性。此時(shí)凝結(jié)水經(jīng)過復(fù)合相變換熱器的流量為186.59 t/h。本次仿真實(shí)驗(yàn)得到參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)投運(yùn)后參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

初始階段，火電機(jī)組在600 MW額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間。之后選擇將復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)投入使用，由通過入口的閥門控制約有總凝結(jié)水流量的五分之一進(jìn)入相變換熱器進(jìn)行加熱。當(dāng)投入系統(tǒng)后，有凝結(jié)水進(jìn)入相變換熱器，由于剛開始沒有水在加熱器中所以剛開始水的溫度為0 ℃，之后被尾部煙氣加熱后到達(dá)86 ℃左右穩(wěn)定，尾部的煙氣放出熱量后維持在107 ℃。換熱器中的水流出換熱器后與凝結(jié)水混合后一起進(jìn)入低壓加熱器，換熱器中流出的水由于在換熱器中有熱量交換，所以攜帶一部分熱量，凝結(jié)水溫度由原來的54 ℃提高到了61 ℃。投運(yùn)復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)后，該系統(tǒng)能夠與原機(jī)組保持良好的耦合狀態(tài)，該耦合系統(tǒng)運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)不良狀況，并且各熱力參數(shù)變化趨勢與系統(tǒng)工作原理一致，沒有出現(xiàn)沖突。所以利用該模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真是可行的。

2.2 閥門擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在原機(jī)組600 MW工況下，投入復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)，并保證該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，主凝結(jié)水經(jīng)過軸封加熱器后分成兩股流量，一部分凝結(jié)水先流入復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)，最后混合進(jìn)入低壓加熱器，另一部分凝結(jié)水則直接進(jìn)入低壓加熱器，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，此時(shí)調(diào)節(jié)凝結(jié)水進(jìn)入復(fù)合相變換熱器的閥門開度，使進(jìn)入的凝結(jié)水流量由186.59 t/h增加到246.24 t/h，得到的一系列參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 凝結(jié)水量擾動(dòng)后參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

由圖中看出，進(jìn)入相變換熱器的凝結(jié)水流量由186.592 t/h增加到246.24 t/h，由于凝結(jié)水流量增加，從復(fù)合相變換熱器流出的凝結(jié)水溫度降低，由94 ℃下降到89 ℃，尾部煙道的煙氣溫度也由126 ℃變?yōu)?18 ℃，相變換熱器的金屬壁溫由118 ℃下降為113 ℃。這是由于參加換熱的總凝結(jié)水量增加，這樣會(huì)有更多的熱量被凝結(jié)水吸收，出口煙溫因此而降低，換熱器的出口煙氣溫度同時(shí)會(huì)引起換熱器壁溫的降低。通過DCS的協(xié)調(diào)控制，改變閥門開度對整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行沒有影響。

2.3 降負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

在原機(jī)組滿負(fù)荷的工況下，投入復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)，通過DCS的協(xié)調(diào)控制，耦合機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行降負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，在DCS協(xié)調(diào)控制下，將降負(fù)荷速率設(shè)定為為12 MW/min，使負(fù)荷降低至420 MW，降負(fù)荷過程中得到一系列參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 降負(fù)荷后參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

在機(jī)組降負(fù)荷時(shí)，直接導(dǎo)致主汽流量降低，主汽壓力降低，煙氣流量降低。但是通過降負(fù)荷時(shí)的參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，主汽溫度、排煙溫度和換熱器的金屬壁溫下降幅度不大，并且后面三者還有一個(gè)上升的趨勢。那是因?yàn)殡S著負(fù)荷的下降，鍋爐的效率不斷下降。由于低效率，給煤量增多，導(dǎo)致排煙溫度變化不明顯，后面反而有升高的趨勢。換熱器的壁面溫度變化基本與排煙溫度變化一致。

3 結(jié)論

本文研究對象為某600 MW機(jī)組的復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)，通過一系列的仿真實(shí)驗(yàn)對該系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。得到的結(jié)論如下：

(1)該復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的耦合方案為：從機(jī)組軸封加熱器出口引出一部分凝結(jié)水并使其流入復(fù)合相變換熱器，在復(fù)合相變換熱器中吸收煙氣余熱，有效提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。該方案是通過分析復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得出的。

(2)通過仔細(xì)分析復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的原理，利用質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒原理建立了復(fù)合相變換熱器的數(shù)學(xué)模型。復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)仿真模型的建立主要運(yùn)用模塊化建模方法，并通過仔細(xì)分析三種工質(zhì)的流程建立，之后把建立好的仿真模型集成到600 MW火電機(jī)組仿真系統(tǒng)中。

(3)對各模塊分別設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，做了一系列仿真實(shí)驗(yàn)。通過投入復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)、閥門擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)以及降負(fù)荷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)投運(yùn)后，原火電機(jī)組運(yùn)行情況良好，發(fā)電功率也沒有受到不良影響，各參數(shù)變化符合工作原理；說明用來進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真所建立的模型是可行的，該復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)的運(yùn)行特性得到了準(zhǔn)確地反映，而且集成后原火電機(jī)組能運(yùn)行沒有受到不良影響，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性也能得到有效的提高。

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