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用简单换热器模型开发的吹灰优化控制系统点击：1763 日期：[ 2014-04-26 22:06:22 ] |
| 用简单换热器模型开发的吹灰优化控制系统 1.祁智明 2.高文彦 3.郭 勇 4.杨 波 4.李 政 (1.中国国电集团公司,北京 100034;2.北京力通高科技发展公司,北京 1000853.北京拓普泰达科技公司,北京 100089;4.清华大学,北京 100084) [摘要]简要介绍了简单换热器模型的原理、功能以及验证试验结果。由于简单换热器模型能够根据锅炉受热面进、出口处工质的温度和压力,计算烟气和汽(水)的质量流量;可以不使用受热面的结构参数,计算受热面导热热阻的变化量。所以,采用该模型开发电站锅炉吹灰优化控制系统,能够解决传统方式存在的流量计算精度低、污垢热阻计算不准确等问题。给出了吹灰优化控制系统的开发实例。 [关键词] 锅炉;换热器;受热面;热阻;吹灰控制 [中图分类号]ＴＫ227 [文献标识码]Ａ [文章编号]10023364(2006)03004204 1 优化吹灰控制系统的必要性 电站运行过程中,受热面积灰是影响锅炉运行安全性、经济性的主要因素之一。因此,电站锅炉大部分都配置了蒸汽吹灰系统对受热面的积灰进行吹扫。目前,电站吹灰系统普遍采用定时全面对锅炉各个受热面进行吹扫的运行方式,这种吹灰方式虽然简单易行,却存在着很大的盲目性和不少的问题。例如:定时全面吹灰可能导致一部分受热面因为被过度吹扫,管壁外层氧化膜遭到频繁破坏,增大了金属的磨损量,容易引发管壁泄漏事故;当受热面污染严重时,又不能及时吹灰,排烟损失增大,锅炉效率降低。由于采用定时吹灰的蒸汽耗量约占蒸汽总产量的1%,直接使锅炉热效率降低约0.7%[1]。吹灰系统的运行方式对锅炉运行安全性和经济性均有较大影响,因此,很有必要对吹灰系统运行方式进行优化控制。 2 开发吹灰优化控制系统的困难 对吹灰系统进行优化控制,首先需要确定受热面的积灰程度,再根据受热面允许的污染程度决定是否需要进行吹灰。因此,实现吹灰系统优化控制的关键在于能准确计算出表征受热面积灰程度的指标。目前常用的指标有:灰污热阻Ｒｆ、传热有效度比Φ、清洁因子ＣＦ[2]。指标计算的基本方法是热平衡法,大致分两步:第一步,利用系统实际测量流量,根据热平衡原理计算出各个受热面蒸汽(或水)的流量,并计算出受热面的换热系数Ｋ;第二步,根据传热学的经验公式计算出蒸汽侧(或水侧)或烟气侧的对流换热系数ｈ,然后根据指标的定义式求出受热面实际的洁净指标。从原理上讲,采用这种方法能够计算出受热面的污垢热阻变化量,能够对吹灰控制系统进行优化。但是,在实际使用中却存在污染指标计算精度不高,灰污热阻变化判断不准的问题。主要原因是:(1)在传热系数Ｋ的计算过程中,需要使用大量的准确的流量值,但实际系统的流量测点配置不足,且测量精度不高,导致流量测量值和计算值不准;(2)由于在对流换热系数ｈ的计算过程中,需要用到一些传热学经验公式,但是受热面结构的复杂性和运行工况的多变性使得实际系统的具体条件超出了经验公式的适用范围,致使污垢热阻的计算值误差比较大。所以,热平衡法不适合用于对吹灰系统进行优化控制。大量的工程实践也表明,在目前的测试条件下,要进一步提高流量和传热系数的计算精度,技术上存在着几乎无法克服的困难。因此,需要尝试新的建模方法,使用新的监测指标来提高流量计算精度,提高受热面灰污变化的监测精度。为此,提出了简单换热器模型,并使用该模型开发了吹灰优化控制系统。 3 简单换热器模型及其功能的验证试验 3.1 简单换热器模型的原理 简单换热器模型采用系统分析的方法,将锅炉受热面看作冷、热流体发生相互作用的场所,并用抽象函数表示换热器与流体的作用。根据热力学基本定律,利用近世代数、泛函分析以及图论等现代数学工具定义表征换热器性能的新指标ＥＴＡ,并证明ＥＴＡ指标与换热过程的ＫＡ一一对应且单调递减。其中,ＫＡ是换热器传热面积与换热过程的传热系数Ｋ的乘积。ＥＴＡ的物理意义是,在换热器的入口和出口处,高温流体与低温流体具有的最大做功能力之和的比值。 由于计算ＥＴＡ指标不需要换热工质的流量和换热器的几何参数,而且与参与换热的工质种类、换热过程中是否发生相变都无关。所以,使用简单换热器模型可以简化受热面污垢热阻的计算过程,并极大地提高计算精度。 3.2 简单换热器模型的基本功能 简单换热器模型可以根据换热器进、出口处工质的温度和压力,计算出换热工质的流量,以及无需使用换热器的结构参数评价换热器的传热性能。 3.3 基本功能的验证试验 3.3.1 流量计算功能 任选一台机组,建立8号高压加热器(高加)的简单换热器模型。向模型输入所有的进、出口处的温度和压力后进行流量计算。将模型计算流量与现场表计测量流量进行比较。简单换热器模型在某350ＭＷ机组8号高加上的试验结果见表1。 表1所列数据表明,简单换热器模型的计算流量与运行表计测量值之间的偏差小于3%,说明这种流量计算方法是正确的,也可以用这种方法来计算锅炉受热面的工质流量。 3.3.2 换热器性能评价功能 由于换热过程的传热系数不能直接测量,所以换热器性能评价功能的验证只能在仿真平台进行。试验原理如图1所示。 图1中:Ｔｉ,Ｐｉ(ｉ=1,2,3,4)表示换热器进出口的温度和压力,下标1,3表示高温流体的进出口,下标2,4表示低温流体的进出口,Ｇ1,Ｇ2表示简单换热器模型计算的流量,Ｇ10,Ｇ20表示仿真试验已知的流量,ＫＡ0表示仿真试验已知的传热面积与换热系数的乘积,ＫＡ表示简单换热器模型的计算值。换热器1是一个ＫＡ可变的换热器(根据参考文献[3]第84页例2.2设计)。 在仿真试验过程中,保持换热器的入口条件不变,即:Ｔ1=255℃,Ｐ1=0.95ＭＰａ,Ｇ1=19.4ｋｇ/ｓ;Ｔ2=188℃,Ｐ2=0.76ＭＰａ,Ｇ2=23.6ｋｇ/ｓ。改变换热器的污垢热阻值ＲＦＳＮ,变化范围是(0.00007～0.0005)(ｍ2·Ｋ)/Ｗ,进行换热器的变工况校核计算。将变工况计算结果Ｔ3,Ｐ3,Ｔ4,Ｐ4,连同Ｔ1,Ｐ1,Ｔ2,Ｐ2共8个参数送入换热器1的简单换热器模型。 简单换热器模型能够计算出换热工质的质量流量Ｇ1,Ｇ2,以及换热器的污垢热阻值ＲＦＳＮ。进入换热器1的流量Ｇ10、Ｇ20和ＲＦＳＮ是已知量,直接送到误差分析单元,作为验证简单换热器模型计算精度的基准值。验证简单换热器模型功能的仿真试验数据见表2。 仿真试验表明,简单换热器模型能够不使用对流换热系数ｈ的计算公式,直接计算出换热器导热热阻值的变化。 4 吹灰优化控制系统的实现 4.1 优化控制原理 (1)利用简单换热器模型计算出换热工质的流量,以此工质流量并根据相应受热面的物理结构,按照传热系数定义公式求得ＫＡ; (2)利用简单换热器模型的换热器性能评价功能,求出受热面导热热阻的变化量。对于锅炉受热面而言,可以忽略金属管壁导热热阻的变化,认为运行中受热面导热热阻的变化量等于烟气侧积灰热阻的变化量。这样就确定了积灰程度的变化量; (3)根据各锅炉受热面的传热特性和吹灰优化目标,确定各受热面允许的积灰热阻值,实现吹灰控制系统的优化。 4.2 优化控制系统的工作流程 图2为某135ＭＷ机组开发的吹灰优化控制系统的主界面。 该系统采用模块化的设计方案,包括6个功能块:ＤＣＳ数据接口模块、换热器工作状态计算模块、换热器合理工作区域生成模块、换热器性能评价模块、用户界面模块和小型数据库模块。模块之间的工作流程如图3所示。各模块的具体功能如下: (1)ＤＣＳ数据接口模块 对从ＤＣＳ或ＳＩＳ来的压力、温度等信号进行数据预处理生成计算数据。 (2)换热器工作状态计算模块 利用从数据库(ＤＢＭ)中读取的温度和压力计算换热工质的流量,生成描述换热器工作状态的数据ＧＤＡＴＡ (3)工作区域生成模块 从数据库中读入描述换热器设计的数据ＩＮＩＴＩＡＬＤＡＴＡ,生成描述洁净换热器性能的数据ＲＦＳＤＡＴＡ。 (4)换热器性能评价模块 从数据库(ＤＢＭ)中读入换热器实时工作状态数据ＳＴＡＴＵＳＤＡＴＡ,以及理想换热器状态数据ＲＦＳＤＡＴＡ,生成换热器状态评价数据ＥＶＡＬＵＤＡＴＡ。 (5)用户界面模块 从数据库中读取输出数据ＵＳＥＲＤＡＴＡ,显示到相应的位置;接受用户手动输入输出数据,例如,系统起停指令、预警指标、燃煤成分(ＧＡＳＭＩＸ)等数据。 4.3 系统特点 (1)由于采用简单换热器模型,该系统能够准确判断锅炉受热面的积灰程度,为各种积灰管理方式提供可靠的和必需的基础数据,并且能够图形化显示各换热器的积灰程度及其变化过程。 (2)系统能够完整地再现各换热器的工作状态,包括各个受热面烟气流量,蒸汽和水的流量,各换热器的合理工作区域,各换热器最佳吹灰剩余时间并记录各换热器积灰变化过程。 (3)系统能够在3个层次上对吹灰进行优化控制。1)可以使用洁净度指标进行吹灰决策,能够根据受热面实际的污垢热阻值运行吹灰系统,正确地解决了何时吹及吹哪里的问题;2)根据能耗最小原则确定单个受热面的吹灰受益,采用吹灰受益指标进行吹灰决策,实现经济吹灰;3)使用锅炉整体吹灰受益指标进行吹灰决策,实现最优化积灰管理。 5 结 论 (1)验证数据表明,简单换热器模型的流量计算误差不大于2.8%,导热热阻变化量的计算误差不大于2.5%。 (2)利用简单换热器模型开发的吹灰优化控制系统,能够克服热平衡法存在的缺点,计算精度能够满足实时监视锅炉受热面积灰变化的要求。 (3)利用简单换热器模型开发的吹灰优化系统已经通过了离线试验和仿真验证,但尚需在工程实践中进行进一步试验完善。根据设备的具体情况,合理地制定吹灰系统投运判别准则,以解决定时全面吹灰运行方式带来的安全隐患和经济效率低的问题。 [参 考 文 献] [1] 阎维平,梁秀俊,周健,等.300ＭＷ燃煤电厂锅炉积灰结渣计算机在线监测与优化吹灰[Ｊ].中国电机工程学报,2000,20(9). [2] 周俊虎,靳彦涛,杨卫娟,等.电站锅炉吹灰优化的研究应用现状[Ｊ].热力发电,2003,(4). [3] 史美中,王中铮.换热器原理与设计(第二版)[Ｍ].南京:东南大学出版社,1996. [4] 岑可法,樊建人,池作和,等.锅炉和热交换器的积灰结渣磨损和腐蚀的防止原理与计算[Ｍ].北京:科学出版社,1994. |
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