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1、直流锅炉冷态启动过程仿真分析_产品创新数字化(PLM)_CAE 1引言启动和停运是火电机组最重要和最基本的动态过程。在启停过程中，既要最小限度地消耗机组的使用寿命，又要尽量地缩短启停时间和减小启停损失以获得最大的热经济性。无疑地，加强大型发电设备合理启停方式的研究，对于保障机组乃至整个电网运行的可靠性和经济性均有十分重要的实际意义。本文对某台1900t/h直流锅炉由冷态到纯直流运行阶段的启动过程的动态特性进行了初步的仿真研究，着重分析了燃烧率及高压缸旁通阀开度控制规律对启动过程的影响。 2过程数学模型及数值方法简介图1为某厂600MW火电机组的1900t/h直流锅炉一次汽水系统图。该锅炉水冷壁
2、下部分为螺旋上升管带，上部分采用一次垂直上升管屏。根据锅炉性能设计要求，在35%负荷以上时，锅炉启动系统解列，内置式汽水分离器处于干态运行，仅作为一个蒸汽通道。1-给水泵；2-省煤器；3-水冷壁；4-内置分离器；5-顶棚及包覆管；6-烟井侧墙；7-前屏；8-一级喷水减温器；9-后屏；10-二级喷水减温器；11-末级过热器；12-汽机进汽调门；13-高压缸；14-高压旁通阀；15-疏水阀图11900t/h锅炉一次汽水系统Fig.1 The primary steam-water system for1900t/h boiler 2.1锅炉受热面数学模型及数值方法锅炉汽水系统中两类受热面的能量平衡
3、关系可由下面的全微分方程描述1,2：（1） 式中及y分别代表系统的时间坐标和空间坐标，Tf为参数f（，y）随流动时间变化的时间常数。对于单相受热面有：f（，y）t（，y）a（，y）tj（，y）Tf（，y）Fcpnfn对于系统中的双相区段，则f（，y）x（，y）a（，y）u（uu）Tf（，y）r（uu）且 式中t,及p分别为工质的温度、密度和压力，n、cp和F分别为工质与金属间的换热系数、工质的定压比热和通流面积，tj、fn及qn分别为受热面金属温度、单位长度受热面内的换热面积和换热量，x和r分别为双相工质的质量含汽率和工质的汽化潜热，上标及分别表示饱和水及饱和蒸汽。给定时间步长，对式(1)在内
4、积分，并假定a（，y）及Tf（，y）在内保持不变，则近似为f（，yy）a（，y）a（，y）f（，y）eTf（，y）（2）式中y为工质在时间内流过的距离，即y*w（，y）。工质流速w及压力的瞬态分布情况则由质量守恒方程和动量方程确定，详见文献3。 2.2汽水分离器数学模型在锅炉由冷态到纯直流运行的启动过程中，分离器的工质将由过冷水逐步过渡为过热蒸汽。定义分离器内工质的干度xfl为xfl（HflH）（HH）（3）则分离器内工质的压力pfl可分别按下列关系确定：pflpfl0（xfl0）(4)（5）(6) 式中Vfl为分离器容积，D1b、Dfl和Dps分别为水冷壁出口工质流量、由分离器进入过热器的蒸
5、汽流量和分离器的疏水流量，fl、Hfl和Hqfl分别为分离器内工质的平均密度、焓和流出分离器的蒸汽焓，pfl0为分离器的启动压力，Ifl为分离器的热惯性系数，其确定方法与自然循环锅炉汽包的热惯性系数相同.同理，定义x1b（H1bH）（HH）（7）则分离器水位hfl按下式确定：（8）式中Ffl为分离器的水位面积。汽水分离器的疏水量由下式确定：（9）式中kps、p0和Aps分别为分离器疏水阀的阻力系数、疏水阀后压力及疏水阀的通流面积，g为重力加速度。根据机组设计性能，Aps按下式计算：ApskA（hfl2）（hfl2.0m）Aps0（hfl2.0m）式中kA为比例系数。 3高压旁通阀开度设置对启动
6、过程的影响该锅炉配有AF六台磨煤机，对应于AF层煤粉燃烧器，每两层燃烧器之间设置一层轻油枪和一层重油枪。机组在启动过程中燃烧率(占额定负荷下燃烧率的份额)、高压旁通阀开度A的变动规律及本文仿真过程所采用的初始条件如下：(1) 在初始时刻，整个系统处于冷态，系统温度取为30，分离器水位为2m，分离器疏水阀关闭。(2) 在=500s时，锅炉开始进水。给水温度为120，给水流量为184.7kg/s。(3) 在=800s时，锅炉开始点火。启动运行规程规定：=800s时，AB及CD层轻油枪先后点火，轻油流量为2.810-3m3/s；=1400s时，AB层重油枪点火，重油流量为2.310-3m3/s；pf
7、l升至0.5MPa时重油流量增至4.610-3m3/s，停掉AB及CD层轻油枪，重油流量增至6.910-3m3/s。当过热蒸汽流量达到额定负荷的5%后，重油流量增至9.210-3m3/s，20min后增至11.510-3m3/s；启动一台磨煤机(燃烧率为额定负荷的20%)，并将重油流量降至4.610-3m3/s；启动第二台磨煤机，重油流量降为零。(4) 高压旁路系统参与启动控制过程。机组运行规程规定高压旁通阀按如下规律变动：旁通阀初始开度为0.2，当主蒸汽压力升为0.1MPa时，阀门逐步开大，藉以减缓压力的上升速度。当旁通阀开度达到规定的最大值0.6时，保持最大开度不变；当主汽压力达到8.0M
8、Pa时，逐渐开大高压缸进汽调门，同时关小高压旁通阀。由于缺乏详细的操作规程，在本文的计算过程中，认为高压旁通阀在2000s内全部关闭。图2中给出仿真计算过程中所涉及的三种旁通阀开度设置及相应的高压缸进汽调门开度变动规律，图3中给出了燃烧率的两种不同变动规律。以上两图中的曲线1均按启动操作规程设置。图4及图5为当A及按启动规程变动时水冷壁出口工质干度x1b及分离器内工质干度xfl和过热蒸汽流量Dgr的变化过程。图6图9为当高压旁通阀开度设置不同时，锅炉主要热力参数的变动过程(其中曲线1、2、3、分别与图2中的阀门开度相对应，燃烧率的变动规律为图3中的曲线1)。由图4及图5可见，由于分离器金属与分
9、离器内原有的过冷水的蓄热作用，在点火初期xfl的增加滞后于x1b。当=1200s时，水冷壁出口工质已达饱和状态，而此时xfl0，进入其中的饱和蒸汽被迅速凝结，故分离器压力(图6中的曲线1)维持不变，过热蒸汽流量为零，过热器处于干烧状态。当xfl0后，pfl开始上升，过热蒸汽流量随pfl的升高而不断增加。当xfl=1.0时，hfl=0，标志着锅炉已转入纯直流运行工况，而此时水冷壁出口工质干度已达1.15，即为微过热蒸汽。显然，在0.0xfl1.0阶段，分离器中工质温度只与pfl有关；而当锅炉转入直流运行时，此温度除继续受pfl影响外，更主要地则取决于分离器中过热蒸汽焓的大小。由于此时进入分离器的
10、工质已具有相当的过热度，分离器中工质的焓值很快升为与水冷壁出口工质焓值相当，从而导致在系统开始转入纯直流运行方式的瞬间，分离器金属及其内部工质具有很高的温升率(图7)。在锅炉启动过程中，对此应予以充分重视。图2高压旁通阀开度设置情况Fig.2 Setting the high pressure by-pass valve opening图3两种燃烧率变动规律Fig.3 Two kinds of change of combustion rate图4工质质量含汽率响应特性Fig.4 The response characteristic ofsteam ratio in 1.0 kg water
11、图5过热蒸汽流量响应特性Fig.5 The response characteristic offlow of superheat steam图6分离器压力响应特性比较Fig.6 The comparison of the response characteristicof the pressure in separator图7分离器工质温度响应特性比较Fig.7 The comparison of the response characteristicof the temperature in separator图8过热汽温响应特性比较Fig.8 The comparison of the
12、response characteristicof superheat steam temperature图9高压旁通蒸汽流量响应特性比较Fig.9 The comparison of the response characteristicof the steam flow in the high pressure by-path比较图6图9中的有关曲线可以发现，在相同的燃烧率变动工况下，高压旁通阀开度Amin及Amax设置得愈小，分离器压力上升速率愈快，达到高压缸冲转压力(pgr8MPa)所需的时间愈短。但与此同时，分离器金属及其内部工质温度的变动速度也将随之加大。特别是在系统转入纯直流运行
13、方式的瞬间，旁通阀开度设置愈小，分离器温度变动率的增幅愈大。这是因为，在上述三种工况下，水冷壁出口工质及分离器中工质焓的变化情况基本相同，而在相同的焓值大，压力愈大，所对应的工质温度也就愈高。 4燃烧率变动规律对启动过程的影响在图3中，曲线2所对应的工况与曲线1的区别在于，自pfl0.5MPa直至第一台磨煤机投入运行的时间内一直保持重油流量为11.510-3m3/s(即重油流量由原来的2.310-3m3/s突升为11.510-3m3/s)，其余时间两者燃烧率的变化规律一致。图10图14为两种燃烧率变动规律下锅炉主要热力参数的变化情况。由图10、图11可见，燃烧率变动工况对分离器压力及工质温度上
14、升速度的影响十分明显。与旁通阀开度对启动工况的影响不同的是，由于在系统转入纯直流运行方式后，两种燃烧率变动工况所对应的分离器压力及工质焓值趋于一致，故在xfl=1.0附近，分离器内工质温度的变化速率并无明显差别。此外，由图13及图14中的曲线可以发现，在启动过程的初始阶段，由于过热蒸汽流量很低，燃烧率大幅度跃变非常容易导致过热器金属的瞬时超温现象。需要说明，当xfl0时，过热蒸汽流量Dgr=0，故在此期间图8及图13中的过热汽温曲线并无实际意义(为便于绘图，在此期间取过热图10分离器压力响应特性比较Fig.10 The comparison of the response characteristicof the pressure in separator图11分离器工质温度响应特性比较Fig.11 The comparison of the response characteristicof the temperature in separator图12过热蒸汽流量变动特性比较Fig.12 The comparison of the changingcharacteristic of superheat图13过热汽温响应特性比较Fig.13 The comparison of the response characteristicof superheat steam
