船用增壓鍋爐過熱器出口蒸汽溫度響應(yīng)鍋爐負(fù)荷突減仿真分析

朱 泳，張 平

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913）

0 引言

增壓鍋爐響應(yīng)負(fù)荷突減的能力是檢驗鍋爐變工況安全運行的重要指標(biāo)，也是衡量蒸汽動力艦船規(guī)避風(fēng)險、安全運行的重要參數(shù)[1]。增壓鍋爐的負(fù)荷劇降會導(dǎo)致汽包壓力升高，引起爐水飽和溫度上升，同時，由于流經(jīng)過熱器的蒸汽流量下降，而過熱器外的煙氣狀態(tài)未發(fā)生改變，所以過熱蒸汽溫度也會持續(xù)上升。而過熱器金屬管壁由于過熱蒸汽溫度的上升和因過熱蒸汽流速的下降而引起的換熱能力下降等因素的共同作用，溫度將會變得更高，危及過熱器乃至鍋爐安全。因此，過熱器出口蒸汽溫度對于判定過熱器、增壓鍋爐的安全性具有重要作用。

目前增壓鍋爐裝置的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型和仿真模型已經(jīng)能夠解算出鍋爐負(fù)荷劇降帶來過熱蒸汽流量突減后，鍋爐汽壓和水位隨時間的變化規(guī)律[2-5]，但對于蒸汽流量突減后過熱器出口蒸汽溫度的變化情況卻鮮有研關(guān)注。

2 過熱器出口蒸汽溫度數(shù)學(xué)模型

增壓鍋爐過熱器吸收上升管束出口煙氣熱量，將鍋爐汽包出口的飽和蒸汽加熱，溫度提高形成過熱蒸汽。過熱器汽側(cè)動態(tài)數(shù)學(xué)模型主要用于汽包出口蒸汽流量和過熱蒸汽物性參數(shù)的計算，其主要由過熱器管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、工質(zhì)狀態(tài)方程及傳熱方程組成，建模過程中以過熱器出口參數(shù)值代表過熱器環(huán)節(jié)的集總參數(shù)。

過熱器管內(nèi)蒸汽的質(zhì)量平衡方程[6]

式中：Dbs為飽和蒸汽流量，kg/s；Dbh為由汽包引至微過熱蒸汽調(diào)配裝置的飽和蒸汽流量，kg/s；Dgrso為過熱器出口過熱蒸汽流量，kg/s；Vgr為過熱器容積，m3；ρgrso為過熱器出口蒸汽密度，kg/m3。

過熱器管內(nèi)蒸汽的能量平衡方程

式中：hgrso為過熱器出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg；hs為飽和蒸汽比焓，kJ/kg；Qgrs為過熱器金屬管壁向管內(nèi)蒸汽的放熱量，kJ/s，可由式（3）表示[7]。

式中：Kgrs為過熱器金屬管壁向管內(nèi)蒸汽的傳熱系數(shù)；Tgrw和Tgrso分別為過熱器金屬管壁溫度、過熱器出口蒸汽溫度，℃。

過熱器動態(tài)數(shù)學(xué)模型中，將過熱器金屬管壁作為一個單獨環(huán)節(jié)處理，其蓄熱方程為

式中：Qgrg為煙氣與過熱器金屬管壁的輻射及對流換熱總量，kJ/s；mgr為過熱器金屬管壁的質(zhì)量，kg；Cgr為過熱器金屬管壁的比熱容，kJ/(kg·K)。

最后，過熱器管內(nèi)蒸汽的動量方程為

式中：Pgrso為過熱蒸汽壓力，MPa；fgrs為過熱器管內(nèi)流動阻力系數(shù)。

綜上所述，過熱器動態(tài)數(shù)學(xué)模型是根據(jù)汽包輸入?yún)?shù)Ps及hs、過熱器煙氣側(cè)輸入?yún)?shù)Qgrg、過熱器輸出參數(shù)Dgrso、鍋爐汽包輸出參數(shù)Dbh等參數(shù)，根據(jù)式（1）～式（5），計算過熱器出口蒸汽溫度Tgrso、Dbs、Qgrs、Tgrw、Pgrso5個參數(shù)。

3 仿真模型

3.1 過熱器Simulink 仿真模型

構(gòu)建上述過熱器出口蒸汽溫度數(shù)學(xué)模型后，本文采用Matlab/Simulink仿真工具箱建立了過熱器汽側(cè)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的仿真模型。見圖1。

圖1 過熱器汽側(cè)模塊框圖

3.2 仿真曲線及計算結(jié)果

建立仿真模型后，給定某型增壓鍋爐的全工況運行參數(shù)（根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸一化或脫密處理）[8]：鍋爐燃料消耗量B為100%、空氣過余系數(shù)αkq為100%、汽輪給水機(jī)組上水量Djjsi為63.2%、過熱器出口蒸汽流量Dgrso為60.4%、由汽包引至微過熱蒸汽調(diào)配裝置的飽和蒸汽流量Dbh為2.7%，而后開始對增壓鍋爐裝置全負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行工況進(jìn)行仿真，通過仿真計算得增壓鍋爐裝置的主要運行參數(shù)：汽包壓力Ps為100%、過熱器出口蒸汽溫度Tgrso為100%、鍋爐水位H為100%。在此基礎(chǔ)上，假定燃料消耗量、空氣過余系數(shù)、給水量及由汽包引至微過熱蒸汽調(diào)配裝置的飽和蒸汽流量不變的基礎(chǔ)上，鍋爐全負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行3.5τ后，分別在0.2τ、0.7τ、3.5τ及7.1τ時間內(nèi)降低30%負(fù)荷，即過熱器出口過熱蒸汽流量Dgrso由60.4%變?yōu)?2.3%，隨后保持負(fù)荷Dgrso穩(wěn)定，則過熱蒸汽溫度Tgrso響應(yīng)負(fù)荷Dgrso突減的情況，如圖2所示。

圖2 不同負(fù)荷突減時間下過熱器出口蒸汽溫度

1）負(fù)荷Dgrso的突減會造成過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的持續(xù)上升。這是因為過熱蒸汽溫度Tgrso與負(fù)荷Dgrso、煙氣能量、蒸汽與過熱器金屬管壁之間的對流換熱系數(shù)3方面因素相關(guān)。一方面，隨著負(fù)荷Dgrso的降低，煙氣能量并未發(fā)生變化，所以蒸汽溫度Tgrso應(yīng)有上升的趨勢；另一方面，隨著負(fù)荷Dgrso的降低，過熱器內(nèi)蒸汽流速逐漸降低，從而蒸汽與金屬管壁的對流換熱系數(shù)降低，導(dǎo)致金屬對蒸汽的放熱量降低，因此負(fù)荷突減過程中，對流換熱系數(shù)對過熱器出口蒸汽溫度Tgrso有降低作用。但是，由于負(fù)荷Dgrso及煙氣能量對蒸汽溫度Tgrso的上升作用大于對流換熱系數(shù)降低對蒸汽溫度Tgrso的降低作用，所以過熱器出口蒸汽溫度Tgrso最終上升。同時由于能量的不平衡，煙氣對金屬的持續(xù)加熱，最終導(dǎo)致金屬管內(nèi)蒸汽溫度Tgrso的持續(xù)上升，而鍋爐過熱器金屬管壁的溫度升幅應(yīng)該更大。

2）負(fù)荷Dgrso突減速率越大、時間越短，過熱器出口蒸汽溫度Tgrso在負(fù)荷突減時間內(nèi)的上升速度就越快。其原因是，負(fù)荷突變時間越短，單位時間內(nèi)負(fù)荷突減量就越大，從而單位時間內(nèi)流過過熱器的蒸汽流量也就越低；結(jié)合煙氣能量不變，單位時間內(nèi)過熱器出口蒸汽溫度Tgrso上升幅度也就越大。

3）由0.2τ曲線可得在負(fù)荷突減時間內(nèi)，過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的上升速度逐漸降低，至負(fù)荷Dgrso穩(wěn)定后上升速度降至最低且保持不變。其原因是隨著負(fù)荷Dgrso的降低，過熱器內(nèi)蒸汽與金屬管壁的對流換熱系數(shù)逐漸降低，導(dǎo)致蒸汽吸熱量增幅的下降，最終出現(xiàn)蒸汽溫度Tgrso上升速度降低的現(xiàn)象；至負(fù)荷Dgrso穩(wěn)定后，蒸汽與金屬管壁的對流換熱系數(shù)降至最低且保持不變，所以過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的上升速度降至最低且保持不變。

4）由圖中2 條曲線可得，不同負(fù)荷Dgrso突減時間下，負(fù)荷Dgrso穩(wěn)定后，過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的上升速度因負(fù)荷Dgrso及煙氣能量相等而相等。

4 結(jié)論

仿真分析了鍋爐在燃燒量不變的前提下，鍋爐負(fù)荷突減導(dǎo)致過熱器蒸汽流量突減時，過熱器出口蒸汽溫度的變化情況。得出結(jié)論，鍋爐負(fù)荷突減會造成過熱器出口蒸汽溫度的上升，且負(fù)荷突減幅度越大，過熱器出口蒸汽溫度的上升速度就越大。