600 MW超临界机组回热加热器动态模型

陈雷宇，韩佳园，胡胜利

（安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051）

600 MW超临界机组具备较好的经济性、负荷适应性和高耦合度等特征，被广泛应用在火电厂直流锅炉组建过程中。随着电力技术的不断提升，电力企业对直流锅炉的管控逐渐自动化和数字化[1-2]。在科学技术推动下，更好地管控直流锅炉运行状态是电力企业关注重点之一。因此学者纷纷提出了直流锅炉超临界机组回热加热器动态模拟模型，如都静等人和钟达文等人均提出了直流锅炉机组数值模型。前者通过构建直流锅炉金属管道模型，从不同容积和热惯性角度对直流锅炉回热加热器进行了模拟[3]，但该方法在应用过程中模拟回热加热器温度过于笼统，无法模拟其不同区域温度，因此应用效果不佳。后者则依据直流锅炉内水汽的流动性特点，建立多孔介质模型[4]，利用该模型实现直流锅炉回热加热器动态模拟，但该方法仅从热传导角度入手，存在一定的片面性。基于此，本文建立了600 MW超临界机组回热加热器动态模型，以实现直流锅炉在600 MW超临界情况下回热加热器动态模拟。

1 超临界机组回热加热器动态模型

1.1 直流锅炉回热加热器结构与参数

直流锅炉回热加热器由省煤器、炉膛、低温过热器等若干个配件组成，其结构如图1所示。

根据图1可知，直流锅炉受热面内的工质流动是通过给水泵的压力推动的。在受到水泵提供的压力作用下，水从高压加热器，经过低温过热器，进入屏式过热器[5]。然后，水被分为两部分，其中一部分输送到中压罐内，另一部分经过末级过热器后送到高压罐内。直流锅炉内来自高压缸的水经过省煤器、低温再热器后，经过汽水分离器进行汽水分离后输送到注水罐内，上述过程即为直流锅炉600 MW 超临界机组回热加热器动态过程[6]。该直流锅炉600 MW超临界机组在全负荷情况下参数如表1所示。

1.2 超临界机组回热加热器分段动态模型构建

依据表1 的全负荷情况下直流锅炉600 MW 超临界机组参数，建立由单相受热管集总参数模型、过热区模型、过热器与再热器动态数学模型等组成的超临界机组回热加热器分段动态模型，利用该动态模型模拟直流锅炉600 MW超临界机组回热加热器动态。

1.2.1 回热加热器集总参数模型

回热加热器总参数模型是描述直流锅炉600 MW超临界机组回热加热器当前参数动态变化的模型，以600 MW超临界机组出口参数作为集总参数，并充分结合该机组内介质密度与温度之间的关系，建立其单相受热管集总参数模型。

令D1、D2分别表示直流锅炉高压缸进气量和排气量，则集总参数连续方程表达式为

其中V表示直流锅炉高压缸总容积，ρ2表示介质密度，d表示直流锅炉高压缸区域距离，τ表示常数。

建立单相受热管能量守恒方程

其中A2表示回热加热器放热数值，H1、H2分别表示回热加热器出口比焓和内能。

建立回热加热器放热方程和其金属平衡方程

其中B1表示回热加热器初始热度值，B2表示金属平衡初始热度值，Tj表示计算时刻，T2表示回热加热器放热完成时刻，cj表示可变参数，Mj表示单位长度比热容数值。

利用式（1）-（3）可获取到直流锅炉600 MW 超临界机组参数回热加热器放热集总参数数值。

1.2.2 过热区动态模型

依据直流锅炉600 MW超临界机组参数回热加热器放热集总参数建立其过热区动态模型。由于直流锅炉抽气时抽取的是过热蒸汽[7-9]，该过热蒸汽在回热加热器内冷却阶段实现首次热传递。其第二次热传递发生在直流锅炉饱和凝结阶段，过热蒸汽释放热能后，其饱和凝结成饱和疏水聚集在直流锅炉设备底部。过热蒸汽第三次热传递是在直流锅炉注入加热器内疏水，其与疏水相结合完成第三次热传递[10-11]。综上，过热蒸汽热传递过程在建立回热加热器过热区动态模型时，需先计算直流锅炉的给水温度。

按照热传导理论，过热蒸汽凝结过程为相变热过程，因此建立回热加热器三段热传导方程。回热加热器冷却段换热量为

其中Xsc表示冷却段对流传热系数。回热加热器凝结段换热量为

其中Xnc表示凝结段对流传热系数。回热加热器疏水段换热量为

由式（4）-（6）共同组成回热加热器三段热传导方程。其中Xs、Xn、Xd均表示其相对应阶段的换热系数；Fs、Fn、Fd均表示其相对应阶段的换热面积；Ts、Tn、Td均表示其相对应阶段的出水口温度；φ表示影响系数；Te、Ta分别表示初始出水口温度和计算时刻出水口温度。

表示给水侧三段吸热系数，Rw表示污垢热阻数值，则回热加热器相对应阶段的换热系数Xi计算公式如下：

其中R表示回热加热器导热热阻数值；xi表示回热加热器外侧管放热系数。

依据式（4）-（6）的结果，计算回热加热器各阶段给水出口温度，其表达公式如下

其中Gf、δp分别表示水流量和比热容，Mδ表示有效金属热容，Vρδp表示回热加热器内部给水热熔。

依据上述回热加热器温度数值，建立其过热区动态模型。令B1、B3分别表示回热加热器热水段进出口流量，则其质量守恒方程为

其中μ表示热水段长度，ρ表示介质密度，ηww表示回热加热器管横截面积。令u2表示回热加热器热水段工质内能，建立其能量守恒方程

其中h1、h3分别表示回热加热器进出口工质晗值。令p1、p3分别表示回热加热器热水段进出口工质压力，则其动量守恒方程为

其中ζ2表示回热加热器热水段阻力系数。令λ表示传热系数，建立回热加热器管内传热方程为

其中t2表示热水段总参数代表位置的工质温度，tm2表示热水点代表点位置管壁温度。

1.2.3 蒸发区动态模型

回热加热器蒸发区域的过热区完全不同，其蒸发区内的工质状态为汽相和液相两种[12-13]。因此，在建立回热加热器蒸发区动态模型时，当汽相和液相混合时，不考虑两种相的相对流速，同时忽略混合相流动时产生的压力损失，将回热加热器内管压力看作均值，也忽略掉汽相和液相在运动过程中的损耗[14-15]，以其恒定值作为参数。

建立回热加热器蒸发区连续方程为

其中Esm表示省煤器出口给水量，Ezf、Vzf、ρzf分别表示立回热加热器蒸发区入口进水量、容积和蒸汽密度。

令Qzff表示回热加热器蒸发区金属管内壁对工质的传热数值，Hsm表示省煤器出口工质比焓数值，则回热加热器蒸发区能量守恒方程为

其中Uzf表示工质内能；Hzf表示省煤器入口工质比焓。

建立回热加热器蒸发区管内放热方程

其中Ezff表示回热加热器蒸发区管内放热数值，nzf表示指数，该数值通常取值为0.65，Dzfj表示回热加热器蒸发区出口金属温度，Xzf表示比例系数。

依据式（17）的结果，建立回热加热器蒸发区金属蓄热方程

其中Mzfi表示回热加热器蒸发区金属质量；其比热容则由czfi表示。

经过上述步骤构建回热加热器过热区动态模型和蒸发区动态模型，利用这两个模型实现其在600 MW超临界机组状态下的动态模拟。

2 实验分析

以型号为JY-ZGL-1 型直流锅炉回热加热器为实验对象，通过MATLAB仿真软件搭建该直流锅炉回热加热器运行环境，然后利用本文模型模拟其600 MW超临界机组状态下的动态情况。

在模拟之前，先测试本文模型的可靠性。以回热加热器过热区温度为指标，在仿真软件内模拟回热加热器过热区温度为阶跃上升状态，利用本文模型计算其温度并与模拟值相对比，分析本文模型的可靠性。实验结果如图2所示。

图2 可靠性测试结果

分析图2可知，当回热加热器过热区温度呈现较复杂的阶跃式上升状态时，本文模型对其计算数值与仿真软件模拟数值完全相同，这说明本文模型计算回热加热器过热区温度极为精准，可有效用于后续在600 MW超临界状态下对其进行模拟。

在MATLAB 仿真软件内模拟该直流锅炉的调节阀开度增加8%，使用本文模型模拟该直流锅炉回热加热器的过热区和蒸发区主蒸汽温度和主蒸汽流量变化情况，结果如图3所示。

图3 直流锅炉开度增加时回热加热器不同区域主蒸汽温度和主蒸汽流量变化情况

分析图3可知，直流锅炉在600 MW超临界状态下开度增加8%后，其回热加热器不同区域主蒸汽温度和主蒸汽流量数值均出现不同程度变化。回热加热器过热区和蒸发区主蒸汽温度在开度增加时出现上升状态，且此时蒸发区主蒸汽温度略低于过热区，但随着时间增加，过热区和蒸发区的主蒸汽温度曲线出现重合，直流锅炉在600 MW 超临界状态下开度增加后，可调整回热加热器内整体温度。从主蒸汽流量角度分析，在直流锅炉在600 MW 超临界状态下开度增加时，过热区和蒸发区的主蒸汽流量出现骤然上升状态。随着时间增加，其过热区和蒸发区的主蒸汽流量呈现缓慢下降趋势，当其下降到一定程度后开始保持平稳状态。但过热区的主蒸汽流量始终高于蒸发区，其原因在于蒸发区内工质是汽相和液相两种状态，液相流动较慢且占据空间较大，导致该区域主蒸汽流量稍低。

在MATLAB 仿真软件内调整直流锅炉设备参数，使其负荷降低，分析直流锅炉在负荷降低情况下回热加热器蒸发区水冷壁流量，结果如图4所示。

图4 回热加热器蒸发区水冷壁流量变化情况

分析图4可知，当直流锅炉负荷降低时，回热加热器蒸发区水冷壁流量出现大幅度波动趋势，随着时间增加，水冷壁流量先出现上升趋势然后再呈现缓慢下降趋势，但下降后的水冷壁流量略高于初始值。出现上述状况原因为：直流锅炉负荷骤然下降使回热加热器蒸发区水冷壁和省煤器内管阻力系数发生了变化，导致流经该区域的水流量发生振荡，水冷壁流量出现波动趋势。当直流锅炉负荷趋于稳定后，回热加热器水冷壁流量也逐渐趋于稳定。

以回热加热器蒸发区域中间点温度为实验指标，在MATLAB 仿真软件内模拟总给煤量不同情况下，直流锅炉在600 MW 超临界时机组功率变化情况和回热加热器中间点温度变化情况，结果如表2 所示。

表2 不同给煤量时600 MW超临界时机组功率与回热加热器中间点温度变化情况

分析表2可知，当该直流锅炉的给煤量不断增加时，其600 MW 超临界时机组功率和回热加热器中间点温度均呈现上升状态。其中600 MW超临界时机组功率增加幅度相差不大，在给煤量达到230 t/h之前，回热加热器中间点的温度呈现出明显的上升趋势，当直流锅炉给煤量超过240 t/h后，回热加热器中间点温度虽然依然在增加，但增加幅度稍小。

综合上述实验结果，本文模型可有效模拟直流锅炉600 MW超临界机组回热加热器在不同状况下过热区和蒸发区主蒸汽温度、流量等变化情况，具备良好的应用效果。

3 结论

本文构建600 MW超临界机组回热加热器动态模型，并以某直流锅炉为例使用MATLAB仿真平台搭建运行环境，在600 MW超临界情况下，对机组回热加热器进行了动态模拟。从模拟结果可看出：当直流锅炉开度增加8%后，回热加热器过热区和蒸发区的主蒸汽温度和主蒸汽流量均呈现上升趋势，但过热区的主蒸汽温度和主蒸汽流量数值略高于蒸发区；当直流锅炉负荷降低时，回热加热器蒸发区水冷壁流量受其内壁和省煤器阻力系数变化出现振荡趋势，但随着时间增加其流量曲线逐渐降低并保持相对平稳。