燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐的動(dòng)態(tài)特性仿真

周旭東 康英偉

摘 要：為了解決傳統(tǒng)能源利用率較低的問(wèn)題，同時(shí)回收再利用傳統(tǒng)能源的多余熱量，即余熱的回收再使用問(wèn)題。本文通過(guò)模塊化建模方法，建立了燃蒸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐基本部件比較精細(xì)的通用模型及描述各個(gè)模塊之間聯(lián)系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并針對(duì)某電廠實(shí)際運(yùn)行的余熱鍋爐加入不同擾動(dòng)，觀察其動(dòng)態(tài)輸出特性。響應(yīng)曲線表明該模型有助于判斷汽水側(cè)動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)余熱鍋爐工作效率的影響，可見(jiàn)對(duì)余熱鍋爐的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究可以為余熱鍋爐的工作特性及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：余熱鍋爐；模塊化建模；汽水系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.146

0 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量加熱余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功。其中余熱鍋爐是承接燃?xì)庋h(huán)和蒸汽循環(huán)的重要中間環(huán)節(jié)，因此它的工作狀態(tài)可以直接影響到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。

基于以上觀點(diǎn)，了解余熱鍋爐工作的動(dòng)態(tài)特性是很有必要的，通過(guò)對(duì)余熱鍋爐整體系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，本文將依次建立余熱鍋爐煙氣側(cè)、單相區(qū)、兩相區(qū)和輔助部件等模塊的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。為了提高各個(gè)模塊的模型精度，本文采用集總參數(shù)來(lái)描述各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)對(duì)每個(gè)模塊做一定條件的假設(shè)與簡(jiǎn)化，從而列出其數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，并在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建余熱鍋爐的整體系統(tǒng)仿真圖，最后選取適當(dāng)?shù)膮?shù)變量在所建仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上討論自然循環(huán)余熱鍋爐的動(dòng)態(tài)特性[1]。

1 自然循環(huán)余熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)

燃蒸聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐基本結(jié)構(gòu)由煙道系統(tǒng)、各個(gè)換熱模塊以及輔助部件組成。由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較高，為了充分利用這部分熱量，本文中煙氣流向與各個(gè)換熱面采用逆流方式布置，如下圖1所示。高溫?zé)煔鈴挠抑磷笸ㄟ^(guò)煙道依次與過(guò)熱器、蒸發(fā)器、省煤器交換熱量后排入大氣。冷凝水經(jīng)過(guò)給水泵加壓后送入省煤器中，通過(guò)吸收煙氣的熱量完成預(yù)熱后進(jìn)入汽包中，與汽包中的飽和水混合后進(jìn)入蒸發(fā)器。由于蒸發(fā)器內(nèi)下降管和上升管之間存在壓力差，工質(zhì)在壓差作用下從下降管進(jìn)入上升管，與煙氣換熱后完成變相，汽水混合物通過(guò)汽水導(dǎo)管流入汽包中完成自然循環(huán)流動(dòng)。隨著上升管吸熱量的不斷增加，汽包內(nèi)的飽和蒸汽排出進(jìn)入過(guò)熱器，與煙氣換熱后變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽經(jīng)氣閥節(jié)流送入透平中做功，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，最后排入冷凝器，完成水的自然循環(huán)[2]。

2 余熱鍋爐各部件的數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)余熱鍋爐各個(gè)受熱部件管內(nèi)介質(zhì)在與煙氣的換熱過(guò)程中是否發(fā)生相變將它們分為單相區(qū)和兩相區(qū)。其中省煤器、過(guò)熱器和再熱器均為單一介質(zhì)的無(wú)相變換熱過(guò)程，都為單相區(qū)，可以建立通用的單相區(qū)數(shù)學(xué)模型[3]。蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)由水變?yōu)槠旌衔?，所以為兩相區(qū)模型，其和汽包共同構(gòu)成余熱鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)。

2.1 單相區(qū)數(shù)學(xué)模型（以省煤器為例）

下面以單相區(qū)的省煤器為例，分析其工作過(guò)程。如下圖2所示，單相區(qū)模型入口參數(shù)主要包括工質(zhì)的入口流量、密度、焓值和溫度，出口參數(shù)主要包括工質(zhì)的出口流量、密度、焓值和溫度。省煤器中工質(zhì)與煙氣的換熱過(guò)程主要是煙氣對(duì)管壁金屬的放熱過(guò)程和工質(zhì)向管壁金屬的吸熱過(guò)程，還包括工質(zhì)的物性參數(shù)方程，具體方程描述可參考文獻(xiàn)[4]。過(guò)熱器工質(zhì)的換熱過(guò)程與省煤器類似，可用相同的數(shù)學(xué)模型處理。

工質(zhì)的狀態(tài)方程為水和水蒸氣的物性參數(shù)方程，由水和水蒸氣性質(zhì)的IF97計(jì)算公式導(dǎo)出，通過(guò)這兩個(gè)狀態(tài)方程的橋梁作用，使工質(zhì)的質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程可以耦合起來(lái)。這樣公式（1）～（8）就可以描述余熱鍋爐單相區(qū)模型各個(gè)狀態(tài)變量隨時(shí)間的變化情況。代入具體的參數(shù)就可以在Matlab/Simulink平臺(tái)上得出工質(zhì)出口溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

2.2 兩相區(qū)數(shù)學(xué)模型（以蒸發(fā)器為例）

根據(jù)蒸發(fā)系統(tǒng)的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，本文在一定假設(shè)條件下將蒸發(fā)系統(tǒng)分為三個(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行建模：汽包模型、下降管模型和上升管模型[6]。下圖3為自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖，它表明了汽包、下降管、上升管和汽水導(dǎo)管之間的連接關(guān)系，同時(shí)注明了介質(zhì)的循環(huán)流向。

2.2.1 汽包模型

在建立鍋爐汽包模型過(guò)程中，汽包壓力和汽包水位是可以反映汽包運(yùn)行狀態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)，尤其是汽包水位，它反映了汽包內(nèi)蒸汽負(fù)荷和給水量之間的質(zhì)量平衡關(guān)系。汽包的壓力、水位由汽側(cè)和水側(cè)的質(zhì)量平衡方程以及汽包整體的能量平衡方程、工質(zhì)物性參數(shù)方程所確定[7]。

上圖3中，分別為省煤器出口流量和焓值；分別為下降管工質(zhì)的平均流量和平均焓值；分別為汽水導(dǎo)管工質(zhì)出口流量和焓值；分別為汽包出口飽和蒸汽流量和焓值；為汽包連續(xù)排污流量；為汽包內(nèi)飽和水焓值；為被省煤器來(lái)水所凝結(jié)的飽和蒸汽量；為汽包內(nèi)汽側(cè)壓力下降時(shí)的附加蒸發(fā)量[8]。

水側(cè)質(zhì)量平衡方程：

為上升管截面積。

3 余熱鍋爐各模塊的動(dòng)態(tài)仿真

通過(guò)添加容積模塊、氣閥模塊和透平模塊等輔助部件，將各個(gè)模塊組合連接起來(lái)可以得到余熱鍋爐系統(tǒng)整體的仿真圖如下圖4所示：

本文主要研究余熱鍋爐對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣變化和蒸汽輪機(jī)流量變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這不僅關(guān)系到余熱鍋爐運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性，同時(shí)也是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)整體優(yōu)化的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)燃機(jī)排氣溫度、排氣量分別加入階躍擾動(dòng)，來(lái)研究汽包壓力、汽包水位以及過(guò)熱蒸汽的流量、溫度變化情況，對(duì)于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)余熱鍋爐的優(yōu)化與設(shè)計(jì)具有重要意義。下面針對(duì)某電廠具體的余熱鍋爐給出其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，某余熱鍋爐主要參數(shù)如下：燃?xì)廨啓C(jī)排氣流量533.2 kg/s，排氣溫度490 ℃，省煤器入口給水溫度260 ℃，飽和汽包壓力16.5 MPa，過(guò)熱蒸汽流量45 kg/s。在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上編制各模型對(duì)應(yīng)的程序，將上述具體數(shù)值賦予相應(yīng)參數(shù)，可以得到各個(gè)研究變量的仿真結(jié)果如下各圖所示：其中實(shí)線表示燃?xì)鉁囟入A躍擾動(dòng)10%時(shí)的響應(yīng)曲線，虛線表示燃?xì)饬髁侩A躍擾動(dòng)10%時(shí)的響應(yīng)曲線。

圖5給出了汽包壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。隨著上升管吸熱量的不斷增加，管內(nèi)介質(zhì)的產(chǎn)汽量也隨之增加，通過(guò)汽水導(dǎo)管進(jìn)入汽包使汽包壓力也不斷上升。隨著汽包壓力的上升，汽包排氣量也會(huì)隨之增加，而蒸汽流量的變化也會(huì)影響汽包壓力的變化，當(dāng)某一時(shí)刻上升管的產(chǎn)汽量和汽包的排氣量達(dá)到平衡后汽包壓力便會(huì)趨于平衡狀態(tài)。

圖6給出了過(guò)熱蒸汽流量隨時(shí)間的變化規(guī)律。在汽輪機(jī)閥門開(kāi)度保持不變的情況下，隨著汽包壓力的不斷上升，汽包排氣量會(huì)增加，過(guò)熱器出口的過(guò)熱蒸汽流量也會(huì)隨之增加。因此過(guò)熱蒸汽流量的變化趨勢(shì)和上圖5中汽包壓力的變化趨勢(shì)大致相同。

圖7給出了汽包水位隨時(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)對(duì)煙氣溫度或煙氣流量加入階躍擾動(dòng)時(shí)，隨著上升管吸熱量的不斷增加，兩相區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡通過(guò)汽水導(dǎo)管進(jìn)入汽包內(nèi)液面以下，從而使汽包水位剛開(kāi)始有略微的上升，即出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象。同時(shí)隨著汽包壓力的不斷上升，汽包蒸發(fā)量也會(huì)隨之增加，使得最后汽包蒸發(fā)量大于省煤器給水流量，從而導(dǎo)致汽包水位不斷降低，沒(méi)有自平衡能力。

圖8給出了過(guò)熱蒸汽溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。開(kāi)始階段隨著上升管吸熱量的不斷增加，兩相區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的氣泡，使汽包排出的蒸汽溫度升高，從而導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度也會(huì)隨之升高。當(dāng)汽包排出的蒸汽流量大于上升管的產(chǎn)汽量時(shí)，過(guò)熱蒸汽溫度會(huì)略微降低一點(diǎn)，最后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

關(guān)于燃蒸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中余熱鍋爐的運(yùn)行特性仿真，許多文獻(xiàn)和專家學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，并建立了不同的數(shù)學(xué)模型[11，12]。而本文采用模塊化建模的方法建立了燃蒸聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐汽水系統(tǒng)中各個(gè)模塊的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膮?shù)得到了輸出變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）該模型能夠較準(zhǔn)確地反映在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中過(guò)熱蒸汽的流量和溫度的變化規(guī)律，以及在煙氣擾動(dòng)作用下所發(fā)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且所建數(shù)學(xué)模型運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度。

（2）本文所建模型可為余熱鍋爐控制系統(tǒng)研究提供可靠的非線性對(duì)象模型，同時(shí)為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的整體仿真提供了良好的子系統(tǒng)模型。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61573239）；上海市自然科學(xué)基金（15ZR1418600）

作者簡(jiǎn)介：周旭東（1994-），男，河南新野人，碩士研究生，研究方向：大型火電機(jī)組的建模與仿真。

*為通訊作者