火電機(jī)組快速甩負(fù)荷過程除氧器動態(tài)特性研究

叢日學(xué)，于曉輝，孟祥玉，王 迪，陳立軍

(1．吉電股份二道江發(fā)電公司，吉林通化134003;2．東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)在對電力需求不斷增大的同時，對于電網(wǎng)供電的可靠性也提出了更高的要求．如何保證設(shè)備安全并能夠及時的恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，為電網(wǎng)恢復(fù)贏得寶貴時間，最小程度的減少損失，成為關(guān)注重點(diǎn)．

快速甩負(fù)荷(Fast Cut Back，F(xiàn)CB)是指機(jī)組在正常運(yùn)行時，因機(jī)組內(nèi)部故障或外部電網(wǎng)故障而與電網(wǎng)解列，瞬間甩掉全部對外供電負(fù)荷，并保持鍋爐在最低負(fù)荷運(yùn)行，維持發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行［1～3］．

機(jī)組在FCB時負(fù)荷變化劇烈，相應(yīng)的機(jī)組各部分參數(shù)變化很快，對熱力系統(tǒng)輔機(jī)的安全性沖擊較大，其中對于除氧器的影響最大．在FCB過程中，由于進(jìn)出除氧器的工質(zhì)平衡被打破，會造成除氧器水位的劇烈波動［4～5］．因此為了研究FCB過程中除氧器水位變化機(jī)理及過程特性，本文建立了除氧器分段數(shù)學(xué)模型，并提出FCB過程中除氧器水位控制策略，為今后的火電機(jī)組FCB試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)和理論基礎(chǔ)．

1 除氧器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 除氧器結(jié)構(gòu)介紹

除氧器的本體包括除氧頭和貯水箱兩部分，貯水箱亦稱除氧水箱或給水箱．

除氧頭可分為:淋水盤式、噴霧式、噴霧填料式、噴霧淋水盤式、膜式和旋膜式等．

貯水箱容積:根據(jù)我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL5000－2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定．貯水箱的貯水量，宜按照下列要求確定:(1)200 MW及以下機(jī)組為10 min的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時的給水消耗量;(2)200 MW以上機(jī)組為5 min的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時的給水消耗量．

1.2 除氧器模型建立

為了反映除氧器內(nèi)部凝結(jié)水的狀態(tài)及結(jié)構(gòu)對其運(yùn)行性能的影響，本文針對除氧器的結(jié)構(gòu)和除氧特征，提出了根據(jù)蒸汽在除氧器內(nèi)的流動過程將除氧器分為噴霧除氧階段、對流混合換熱階段和鼓泡階段等三段進(jìn)行建模［6］．除氧器分段建模示意圖，如圖1所示．

圖1 除氧器分段模型示意圖

本文以集總參數(shù)法為基礎(chǔ)，根據(jù)除氧器的工作原理和能量守恒定律建立除氧器分段模型，另外模型考慮到了除氧器內(nèi)可能發(fā)生的物性變化(如:凝結(jié)水的動態(tài)蒸發(fā)和凝結(jié)等)．在建立除氧器模型時，做了以下簡化和假設(shè):視給水為不可壓縮流體;模型不考慮與界面上的換熱影響;除氧區(qū)和貯水箱壓力相等并假設(shè)流體與環(huán)境間無能量交換［7］．

(1)噴霧除氧階段

凝結(jié)水從盤式恒速噴嘴噴出進(jìn)入除氧器汽空間霧化，并和蒸汽充分接觸換熱，然后落入水空間流向出水口．此階段為噴霧除氧階段，在此階段蒸汽與凝結(jié)水霧化液滴進(jìn)行換熱，傳熱性能依凝結(jié)水霧化程度確定［8］，其傳熱方程為

式中:k1為噴霧除氧階段的換熱系數(shù);Δt為換熱溫差，℃;AW為霧化液滴的表面積，cm2;Ts為除氧器壓力下凝結(jié)水的飽和溫度，℃;T1i、T1o為凝結(jié)水在噴霧段的進(jìn)出口溫度，℃;WC為凝結(jié)水質(zhì)量流量，kg/h;C1為噴霧段凝結(jié)水的平均比熱容，kJ/(kg·K);λ為水的導(dǎo)熱系數(shù);Pr為凝結(jié)水的普朗特?cái)?shù);Re為凝結(jié)水的雷諾數(shù);qm為凝結(jié)水質(zhì)量流量，kg/h;L為噴口至霧化液滴結(jié)束的距離，m;dW為液滴的平均直徑，m，根據(jù)Turner實(shí)驗(yàn)值計(jì)算液滴平均直徑;v為噴嘴出口速度，m/s．

此階段飽和蒸汽與霧化液滴換熱，根據(jù)能量守恒計(jì)算蒸汽的凝結(jié)量為

式中:GN1為噴霧除氧階段的蒸汽凝結(jié)量，kg/h;Ten為環(huán)境溫度，℃;ke為環(huán)境散熱凝結(jié)系數(shù);h1i、h1o為凝結(jié)水進(jìn)出口焓，kJ/kg;hss、hsw分別為除氧器壓力下的飽和蒸汽、飽和水焓，kJ/kg．

(2)混合換熱階段

在混合換熱階段的加熱蒸汽一方面通過沿筒體軸向均勻分布的排管與凝結(jié)水換熱，這屬于橫掠管束換熱;另一方面則通過排管從水下送入除氧器經(jīng)過鼓泡段后與凝結(jié)水直接混合加熱，使蒸汽和飽和水進(jìn)一步充分接觸．此階段的換熱效率與除氧器內(nèi)蒸汽排管的結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)能量守恒建立能量方程式

式中:M2為混合換熱階段出口蒸汽流量，kg/h;h2為混合換熱段出口蒸汽焓，kJ/kg;G1O為噴霧除氧段出水量，kg/h;MZ為除氧器總的進(jìn)汽流量包括抽汽和輔助蒸汽流量，kg/h;hZ為混合蒸汽進(jìn)汽焓，kJ/kg;M3為鼓泡段出口蒸汽流量，kg/h;h3為鼓泡段蒸汽出口焓，kJ/kg;GN2為混合換熱段蒸汽凝結(jié)量，kg/h;h2O為混合換熱段凝結(jié)水出口焓，kJ/kg;M'Z為蒸汽排管出口蒸汽流量，kg/h;h'Z為蒸汽排管的蒸汽出口焓，k J/kg;Qen為混合換熱段向環(huán)境的散熱量，kJ．

混合換熱階段蒸汽的凝結(jié)量計(jì)算公式如下:

(3)鼓泡階段

此階段內(nèi)加熱蒸汽通過鼓泡管噴射至飽和水中，同時擾動水流，使蒸汽泡和飽和水進(jìn)一步充分接觸，加強(qiáng)換熱，并將凝結(jié)水中的溶解氧及其它不凝結(jié)氣體從水中帶出水面，進(jìn)行深度除氧，鼓泡階段換熱狀況與鼓泡裝置有關(guān)，其傳熱方程如下:

式中:k3為鼓泡段換熱系數(shù);T3為鼓泡段蒸汽出口溫度，℃;AG為鼓泡換熱面積，m2;T3O、T2O為鼓泡段和混合換熱段凝結(jié)水出口溫度，℃;G2O為混合換熱段凝結(jié)水出口質(zhì)量流量，kg/h;C2為鼓泡段凝結(jié)水的平均比熱容，k J/(kg·K)．

此階段蒸汽的凝結(jié)量計(jì)算公式如下:

式中:GN3為鼓泡段蒸汽凝結(jié)量，kg/h;h3O、h2O分別為鼓泡段和混合換熱段凝結(jié)水出口焓，kJ/kg;h'2為蒸汽排管中的蒸汽進(jìn)入鼓泡段時的焓值，kJ/kg．

(4)水位計(jì)算

式中:LW為除氧器水位，m;MW為除氧器中剩余的凝結(jié)水量，kg;ρ為水箱中凝結(jié)水的密度，kg/m3;R為水箱Lw的當(dāng)量半徑，m．

2 模型正確性驗(yàn)證

除氧器分段模型主要包括噴霧除氧段、混合換熱段、鼓泡段及除氧器熱力參數(shù)計(jì)算等子模型．利用Matlab/Simulink仿真平臺對以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行二次建模，如圖2所示．

圖2 Simulink仿真圖(水位部分)

本文選用某600MW超臨界機(jī)組除氧器(型號:GC－2010/GS－180)，加熱汽源為四級抽汽，運(yùn)行方式為定壓－滑壓－定壓．

表1 除氧器技術(shù)參數(shù)

在除氧器模型輸入?yún)?shù)中，有些參數(shù)取自現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有些參數(shù)參考機(jī)組相近工況歷史數(shù)據(jù)，這樣可以使得模型的仿真更接近機(jī)組實(shí)際工況．對不同工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表2所示．

表2 某超臨界600MW機(jī)組除氧器分段模型模擬結(jié)果

由表2可見，除氧器分段模型基本比較清晰準(zhǔn)確的反映了除氧器3段凝結(jié)水的狀態(tài)，模擬誤差平均值最大為0．081 5%，方差最大為0．006 9%，證明該除氧器分段模型能夠正確分析除氧器各工況下工作狀態(tài)和各熱力參數(shù)的變化情況．

3 FCB除氧器水位仿真

當(dāng)機(jī)組因電廠或電網(wǎng)故障導(dǎo)致機(jī)組FCB后，汽輪機(jī)低壓旁路打開后所用的減溫水取自凝結(jié)水泵出口，流量很大，因此凝結(jié)水泵所需供水量只有一半到達(dá)除氧器［9］．

為此本文以該600 MW機(jī)組為基礎(chǔ)提出了控制策略:由于FCB后各參數(shù)變化劇烈，原有正常工況下的三沖量控制方式已無法對除氧器水位進(jìn)行良好的控制，所以除氧器水位調(diào)節(jié)應(yīng)立即由三沖量控制切換至單沖量控制［10］．同時在FCB指令出現(xiàn)后，除氧器水位控制閥開度自動上限引入邏輯，維持凝結(jié)水量，在調(diào)節(jié)除氧器水位的同時保護(hù)凝結(jié)水水位．在除氧器出口方面，由于FCB過程中工質(zhì)出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象，整個系統(tǒng)中的工質(zhì)總量無法在短時間內(nèi)補(bǔ)充，所以限制給水量上限并在FCB信號解除后延時120 s可以保護(hù)除氧器水位，隨后汽動給水泵以一定的速率降低出力，使除氧器水位保持在一個相對安全的高度．

按照本文提出的控制策略對該600 MW機(jī)組除氧器模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行了擬合后分別得到了FCB過程除氧器的進(jìn)汽流量與時間變化曲線、凝結(jié)水至除氧器流量與時間變化曲線和除氧器出口給水流量與時間變化曲線分別如圖3、圖4和圖5所示．

圖3 除氧器進(jìn)汽流量(kg/s)

圖4 凝結(jié)水至除氧器流量(kg/s)

圖5 除氧器出口給水流量(kg/s)

將上述變化曲線輸入到除氧器模型中，仿真運(yùn)行1 200 s后得到除氧器水位變化曲線，如圖6所示．由圖6可見，除氧器初始水位為2 100 mm，隨著FCB指令的發(fā)出，其水位不斷下降，最低降至1 540 mm，經(jīng)過調(diào)整上限凝結(jié)水流量開度，確保其在1 100 t/h－1 200 t/h，并且在FCB時調(diào)低除氧器水位控制閥開度上限，除氧器水位控制由三沖量轉(zhuǎn)為單沖量控制，2臺汽動給水泵繼續(xù)運(yùn)行，除氧器水位逐漸上升并趨于穩(wěn)定，全程水位處于安全范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)flash現(xiàn)象，一切正常．

4 結(jié) 論

本文以某超臨界600 MW機(jī)組為例，根據(jù)除氧器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與特征建立了除氧器分段模型，并以除氧器在不同工況下的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對該分段模型與未分段模型的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明分段模型的精度及穩(wěn)定性都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的未分段模型，可用于深入分析除氧器的熱力特性．

經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的FCB除氧器水位控制策略保證了在機(jī)組或電網(wǎng)出現(xiàn)故障應(yīng)用FCB功能時，除氧器水位變化在機(jī)組可承受的合理范圍內(nèi)．因此，對今后的火電機(jī)組FCB試驗(yàn)具有一定的借鑒與指導(dǎo)意義．

圖6 FCB工況下除氧器水位變化曲線

參考文獻(xiàn)

［1］ 張炳文，李天巍，李勇．汽輪機(jī)低壓缸末級葉頂間隙泄露流動的數(shù)值研究［J］．東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(6):36－42．

［2］ 鄧彤天，王迪，周云龍．火電機(jī)組FCB關(guān)鍵控制技術(shù)綜述［J］．電站系統(tǒng)工程，2014，30(5):69－72．

［3］ 周云龍，王迪，陳立軍．100%負(fù)荷下FCB初期主蒸汽壓力變化特性仿真［J］．熱力發(fā)電，2014，43(11):69－73．

［4］ 廖詩武，曾凱文，姚偉，等．火電快速甩負(fù)荷機(jī)組動態(tài)仿真建模［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，(4):212－220．

［5］ 郎坤．汽輪機(jī)系統(tǒng)FCB過程機(jī)理建模及控制策略研究［D］．吉林:東北電力大學(xué)，2016．

［6］ 蔡文剛，蔡錫．火電廠除氧器［M］．北京:中國電力出版社，2007:31－35．

［7］ 鄧少翔，霍敏，胡念蘇．1000MW機(jī)組快速甩負(fù)荷工況下除氧器水位仿真及預(yù)測［J］．熱力發(fā)電，2015，44(2):101－105．

［8］ 劉佳青，劉瀟清．基于系統(tǒng)動力學(xué)的電廠除氧器建模與仿真［J］．山東電力技術(shù)，2011，11(1):69－72．

［9］ 傅喻帥．火電機(jī)組快速切負(fù)荷過程給水控制策略與應(yīng)用［J］．廣東電力，2013，26(3):96－98．

［10］ 李力．除氧器液位控制策略技術(shù)研究［J］．華電技術(shù)，2016，38(3):10－13．