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直流炉单相介质换热器的建模与仿真点击：1668 日期：[ 2014-04-26 21:53:45 ] |
| 直流炉单相介质换热器的建模与仿真 王秀霞,李帅华,刘伟 (华北电力大学控制科学与工程学院,河北保定071003) 摘要：本文对火电厂直流炉单相介质换热器的集总参数模型的计算及建立过程做了详细论述。并在模型中增加了辐射换热系数及对数温压计算,使模型精度提高,刚度下降。仿真结果更加接近实际情况。 关键词：单相介质;换热器;模型 中图分类号：TP13文 献标识码：B 文章编号：1003-7241(2009)12-0028-03 1·引言 锅炉的每一个或几个串联的受热管可当作一个换热器,一台锅炉的本体主要是几个串联的换热器[1]。热力设备的动态特性在很大程度上取决于其换热器的动态特性,因而对换热器模型的研究是很有意义的。而换热器的实际工作过程又是非常复杂的,它既涉及到介质的流动、介质与金属的传热,又涉及到质量与能量的储存与释放,以及介质的状态变化等。描述换热器模型的基本方程是动量,质量及能量守恒方程、蓄热方程、传热方程和状态方程等。 国内外已有许多学者对换热器数学模型进行了研究,现有的模型主要可以分为三种:即集总参数模型,线性分布参数模型以及非线性分布参数模型。若按照管内工质的状态可分为单相换热器和两相换热器的数学模型[2]。本文对单相换热器的集总参数数学模型进行了论述,并在激励式仿真机中进行了仿真验证。超临界机组中直流炉的各级过热器再热器、省煤器等,在启动的初期和正常运行时都可以抽象为单相介质换热器。工质在换热器内的流动过程中,一方面吸收来自金属管壁的热量而温度逐渐升高;另一方面由于流动损失而压力逐渐降低,它的特点是工质在受热过程中不发生相变。 2·方法论述与假设 为简化问题,在建立单相集总参数模型时,将单相介质的状态参数看成是均与一致。并在空间位置上选定一个有代表性的点,利用这一点介质的参数作为环节的集总参数。集总参数的代表点通常有三种取法:即:进口点,中间点,出口点。以入口参数作为集中参数将产生不稳定的响应,以进出口参数平均值作为集中参数将导致阶跃响应曲线起始段产生不正确的负偏移。这种现象已被Thal-Larsen[3]和高建强[8]及文献[1]所解释。而选用出口参数作为集总参数则建模简单,模型数值求解方便,物理意义明确,其动态响应结果比较令人满意。建立以对流传热为主,并考虑辐射传热的单相受热管模型时候,我们通常要对其做一些简化假设:热负荷沿管长均匀分布;工质流动阻力集中在管的出口处,每一段管内工质的压力是均匀分布的;忽略介质比热与密度的变化,而考虑工质及管壁金属的蓄热的影响。 3·单相介质换热器模型 换热器的换热计算,是利用对流方程,烟气侧与工质侧的热平衡方程,分别从对流传热和热平衡的角度来表达对流受热面的对流换热量。而且还要在必要的地方附加与工程实际有关的修正系数。本模型仿真了单相介质换热器的动态传热和流动过程,对换热器的外部积灰和内部结垢以及管壁泄漏等过程也给予仿真。适用于火电机组直流炉的过热器、再热器及省煤器模型。 3.1基本方程[4、5、6、7] 建模时考虑到减温水对能量及质量的影响,列出如下: 3.2烟气侧与蒸汽侧换热计算 3.3修正系数的选取[9] 在进行传热计算时,烟气侧的换热系数包括了辐射换热系数和对流换热系数。传热温压按算术平均温压计算,再进行对数温压修正,使整个传热过程的温压为对数温压。 计算对流换热系数dξ,本模型只考虑顺列管束: 工质侧换热系数计算,总的传热系数计算如下,其中灰污系数S与吹灰器的工作状态有关: 4·模型仿真 没有汽包的直流炉动态特性有别于汽包炉,运行中最大的特点是必须严格保持煤水比。在变负荷时,直流炉表现出反应时间常数短且参数变化幅度大等特点。对燃料量,给水量,减温水量一定扰动的情况下,直流炉的这些动态特性在下面的仿真曲线中明显得以反映。 在Ovation仿真实验平台600MW满负荷的基础上,得出仿真实验结论:若给水量维持不变,燃料量扰动-2%,即在A磨煤机上减少大概5t给煤,会引起换热器蒸汽温度下降约30℃,蒸汽压力几乎不变,如图1所示;若燃烧量不变,给水量扰动-5%,即在A,B气泵上各减约60的转速,则会引起换热器蒸汽温度上升约25℃,蒸汽压力几乎不变,如图2所示;由现场经验得知,对于同一情况的汽包炉,温度的变化则几乎很小。当喷水减温指令由10%增加20%,会引起换热器蒸汽气温下降约10℃,蒸汽压力近乎不变,如图3所示。 6·结束语 在简要分析和现场运行经验的基础上,分析了直流炉单相换热器模型建立的基本方法与计算过程,并且在模型中增加了辐射换热系数及对数温压计算。仿真验证表明,模型修正系数的选取在一定程度上更加逼真的反映了直流炉的动态特性,符合现场运行的实际情况。该修正模型已经应用于某电厂600MW超临界直流炉仿真模型中。 参考文献: [1]章臣樾.锅炉动态特性及其数学模型[M].北京:水利水电出版社,1987. [2]樊建,蒋晓肖等．电站仿真技术的研究与发展[J].微计算机信息.2009,25(13):249-251. [3]THAL-LARSEN H.Dynamics of heat exchangeand their models [J].Engineering Transfer of the ASME,1960,82(3):494-499. [4]冯俊凯．沈幼庭,锅炉原理及计算[M].北京:科学出版社,1992. [5]朱予,东张婷,朱志峰,李太兴.电站锅炉运行中换热器传热熵产的试验研究[J],能源研究与信息,2008,24(1),34-36. [6]马俊杰,余敏,杨茉,等．换热器特性参数和热力性质熵产分析[J].工程热物理学报.2006,29(10):226—230． [7]高建强,祁在山,马良玉,王兵树.锅炉单相介质换热器的作者简介:王秀霞(1965-),女,本科,工程师,研究方向:自动化。通用性能分析仿真模型.华北电力大学学报,2001,28(3),89-91. [8]G A O J Q,L i n Y J,W a n g B S A n a l y z i n gSimulation Model of Power Plant Thermal System and ItsApplication[c],Proceedings of International Fossil Simulationand Training Meeting 2000.San Diego USA,2000 394—398. [9]高建强,王兵树、佟振声电站锅炉机组分析型仿真数学模型及其应用[J].华北电力技术,2000,(11):l8—21． |
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