史　洋，李　崇，尹　萍，郝青哲

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊　050021；2.河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊　050200)

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自然循環(huán)鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)模型及特性分析

史洋1，李崇1，尹萍2，郝青哲1

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021；2.河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊050200)

摘要：由于自然循環(huán)鍋爐汽包水位直接影響機(jī)組整個(gè)熱力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為此建立了汽包水位的動(dòng)態(tài)模型并對(duì)鍋爐負(fù)荷、給水壓力及給煤量3個(gè)影響汽包水位變化的主要因素進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，通過對(duì)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性分析有助于運(yùn)行人員控制汽包水位的變化，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：鍋爐；汽包水位；動(dòng)態(tài)特性

保持汽包的正常水位是汽包鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件之一。鍋爐缺水事故80%是由于虛假水位引起的，由于鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)質(zhì)量及能量交換過程中，汽包水位不僅與汽包進(jìn)出口流量及溫度有關(guān)，而且與流量及溫度的變化速度有關(guān)[1-2]。當(dāng)汽包進(jìn)出口流量變化時(shí)，如開大給水閥，會(huì)使得汽包水位先降低再升高，形成虛假水位[3]。正確計(jì)算實(shí)際水位在變工況下的動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系到鍋爐甚至整個(gè)熱力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[3-5]。汽包水位過高，使汽包蒸汽空間高度減小，汽水分離效果下降，將會(huì)引起蒸汽帶水，使蒸汽品質(zhì)惡化；水位嚴(yán)重過高時(shí)，蒸汽大量帶水，過熱汽溫急劇下降，蒸汽管道、汽輪機(jī)等金屬溫度發(fā)生劇變，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力和熱變形，甚至發(fā)生水沖擊，造成設(shè)備損壞。汽包水位過低，致使下降管進(jìn)口帶汽、循環(huán)流動(dòng)壓頭降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞水循環(huán)，使水冷壁管超溫過熱，嚴(yán)重缺水時(shí)，還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故[6]。因此，加強(qiáng)對(duì)水位的監(jiān)視和調(diào)整對(duì)汽包鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1汽包水位動(dòng)態(tài)模型的建立

建立汽包系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)在于系統(tǒng)中有些具有不同的參數(shù)，如系統(tǒng)中有部分液體是出于未飽和狀態(tài)，其過冷度隨工況不同而發(fā)生變化。鍋爐自然循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。為了順利建立模型，作如下簡化：汽包內(nèi)的工質(zhì)混和速度很快，可以不考慮蒸汽過熱與液態(tài)工質(zhì)局部欠焓及溫度的不均勻性，認(rèn)為汽包內(nèi)工質(zhì)處于均勻的飽和狀態(tài)；工質(zhì)蒸發(fā)與凝結(jié)速度很快，當(dāng)汽包壓力發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的飽和壓力和溫度也發(fā)生變化；汽包金屬溫度為飽和水的溫度，其內(nèi)表面與流動(dòng)的水或汽水混合物直接接觸，金屬與工質(zhì)之間的放熱系數(shù)很大，所以在穩(wěn)態(tài)工況下金屬的溫度與其內(nèi)部工質(zhì)的溫度相差不多。

圖1　鍋爐自然循環(huán)系統(tǒng)

物質(zhì)平衡：進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量-離開系統(tǒng)的質(zhì)量=系統(tǒng)質(zhì)量的增量，即

(1)

式中：Δ為擾動(dòng)后某參數(shù)與擾動(dòng)前該參數(shù)穩(wěn)定值之差；Dsm為省煤器進(jìn)入汽包的給水流量；Dbq為飽和蒸氣的流量；Dp為排污水的流量；V為整個(gè)汽包循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)體積，V′為飽和水所占的體積，V″為飽和蒸氣所占的體積；ρ′為飽和蒸氣的密度；ρ″為飽和水的密度；τ為時(shí)間。

汽包循環(huán)系統(tǒng)蒸汽體積平衡方程式為：

V″=V″x+V″s

(2)

式中：V″x為水位下空間的蒸汽體積；V″s為水位上空間的蒸汽體積。

假設(shè)系統(tǒng)在一個(gè)擾動(dòng)下，dτ時(shí)間內(nèi)汽包水位升高dh,則對(duì)應(yīng)的汽包水位以上蒸汽體積減少dV″s，即

dV″s=-Abdh

(3)

式中：Ab為汽包水位面截面積。

利用下列2個(gè)關(guān)系式：

(4)

(5)

式(4)、(5)中：p為汽包壓力。

將式(2)-(5)代入到式(1)，整理后可得:

(6)

式(6)等號(hào)右邊的3項(xiàng)反映了3種影響水位變化的因素，第1項(xiàng)為蒸發(fā)設(shè)備內(nèi)部質(zhì)量不平衡因素的影響；第2項(xiàng)為汽壓變化引起汽水密度變化而影響水位的因素，前面的負(fù)號(hào)表示水位與汽壓變化的方向相反；第3項(xiàng)為水位以下蒸汽容積變化對(duì)水位變化的影響因素。

式(6)中關(guān)于汽壓變動(dòng)速度作如下推導(dǎo)，目的是定量觀察影響汽壓變化速度的因素，進(jìn)而確定影響水位變化的因素。

系統(tǒng)總能量平衡方程式：進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)能量的增量，即

(7)

式中：igs為省煤器的給水焓；i″為飽和蒸氣焓值；i′飽和水焓值；ΔQzf為蒸發(fā)區(qū)的蒸發(fā)吸熱量；Gjs為金屬的有效質(zhì)量；Cjs為金屬的比熱；tb為水的飽和溫度。

另外，利用到以下關(guān)系：

i″=i′+r

(8)

式中：r為氣化潛熱。

igs=i′-iqh

(9)

式中：iqh為給水欠焓。

(10)

對(duì)式(1)、(7)-(10)進(jìn)行整理得到：

(11)

其中，b1-b5分別為與工作壓力有關(guān)的常數(shù)，其表達(dá)式為：

鍋爐汽包水位在變工況時(shí)的變化規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，難以準(zhǔn)確確定的因素也較多，可略去汽包受到兩相流動(dòng)中隨機(jī)因素的干擾，決定汽包水位變動(dòng)的主要有下列2個(gè)方面：汽包循環(huán)系統(tǒng)中飽和水體積V′；汽包循環(huán)系統(tǒng)中水面以下蒸氣體積V″x(包括了上升管中蒸氣體積和汽包中水面以下蒸氣體積)。忽略系統(tǒng)中未飽和水的體積，則有：

(12)

將式(12)代入到式(6)可推出系統(tǒng)中飽和水體積的變化

(13)

汽包中水面以下蒸氣體積和上升管中蒸氣體積的變化規(guī)律相同，可以合并考慮，V″x不但取決于蒸氣的產(chǎn)量，而且也取決于蒸氣的壓力，即

(14)

上升系統(tǒng)蒸氣流量變化：

(15)

靜態(tài)額定工況下的上升管中的蒸氣體積V″x0已由水循環(huán)計(jì)算得出，可以認(rèn)為其他工況下的V″x與蒸氣產(chǎn)量Dzf成線性變化。

(16)

(17)

水位下空間蒸氣體積與蒸氣壓力的關(guān)系也類似于式(17)，但符號(hào)相反，

(18)

將式(13)、(14)、(15)、(17)、(18)代入到式(12)可得汽包水位微分方程如下：

(19)

從式(19)中可以看出除去系統(tǒng)的質(zhì)量不平衡及能量不平衡直接對(duì)水位的影響外，也會(huì)通過壓力的變化影響到水位的變化，這就使水位的變化呈現(xiàn)較為復(fù)雜的規(guī)律性是假水位現(xiàn)象的來源。

2汽包水位動(dòng)態(tài)特性分析

2.1鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性

電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中常常進(jìn)行變負(fù)荷，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性與鍋爐負(fù)荷的擾動(dòng)密切相關(guān)[2,4]。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，鍋爐蒸發(fā)受熱面中水的消耗量將發(fā)生變化，必然引起汽包水位隨時(shí)間變化。若鍋爐負(fù)荷突然降低，而鍋爐給水量和燃燒未調(diào)整或來不及調(diào)整，則汽包內(nèi)的壓力驟升，水的飽和溫度也隨之升高，這就導(dǎo)致蒸發(fā)管中部分汽液化，使汽包水位面以下汽的體積減小，汽包水位降低(如圖2中曲線1)，然而，鍋爐負(fù)荷的突然降低，且給水量不變情況下，必將使出汽包的蒸汽的流量比進(jìn)入省煤器的給水流量小，從而引起汽包水位的升高(如圖2中曲線2)，圖2中曲線3(曲線1和曲線2的疊加)是實(shí)際運(yùn)行過程中水位變化曲線，鍋爐負(fù)荷突然降低，水位本應(yīng)上升，但從示計(jì)表中卻出現(xiàn)了水位下降的現(xiàn)象，這就是所謂的虛假水位，這時(shí)如果還開大給水閥的開度，一旦虛假水位消失，汽包內(nèi)的水位會(huì)迅速升高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成安全事故。所以在實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐負(fù)荷突然變化時(shí)，必須正確分析，嚴(yán)格監(jiān)視汽包水位，防止水位事故的發(fā)生。

圖2　鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)水位隨時(shí)間的變化

2.2給水壓力擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性

汽包水位的變化與給水壓力有關(guān)[6]，給水壓力變化時(shí)，將使給水流量發(fā)生變化，從而破壞了給水量與蒸發(fā)量的平衡，引起水位變化。鍋爐負(fù)荷和燃燒工況不變，當(dāng)給水壓力升高時(shí)，給水流量增加，一方面使進(jìn)入汽包內(nèi)的給水量大于蒸發(fā)量而使水位上升，如圖2中曲線2；另一方面溫度較低的給水進(jìn)入汽包，吸收了飽和水和飽和汽的一部分熱量，使汽包水位下面的蒸汽體積瞬時(shí)減小，水位面下降，如圖2中曲線1。2個(gè)本文責(zé)任編輯：楊秀敏

因素的相互疊加便形成了實(shí)際水位變化曲線3(曲線1和曲線2的疊加)，鍋爐的給水壓力增大導(dǎo)致給水量增大，水位本應(yīng)升高，但是從示計(jì)表中看到水位是先有一個(gè)下降過程，然后再升高，這時(shí)如果不了解汽包水位的動(dòng)態(tài)特性，加大給水閥門的開度，使給水量進(jìn)一步增大，一旦虛假水位消失，造成汽包水位的急劇上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成安全事故。

2.3給煤量擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性

汽包水位的動(dòng)態(tài)特性與給煤量的擾動(dòng)有密切關(guān)系[4]，給煤量擾動(dòng)水位隨時(shí)間的變化，見圖3。

圖3　給煤量擾動(dòng)水位隨時(shí)間的變化

鍋爐負(fù)荷和給水量都未作出改變，鍋爐給煤量增加時(shí)，爐膛的熱負(fù)荷將增大，工質(zhì)的吸熱量增加，汽包內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸氣量增大，這樣，蒸汽流量大于給水流量而使水位有下降的趨勢(shì)，如圖3中曲線1，但蒸發(fā)強(qiáng)度的增強(qiáng)使汽包水位以下蒸汽體積增大，從而使水位有上升趨勢(shì)，如圖3中曲線2。2個(gè)因素的相互疊加便形成了實(shí)際變化曲線3，汽包的進(jìn)水量不變，但產(chǎn)汽量卻增大，實(shí)際汽包中的水量減少，水位面下降，但實(shí)際操作過程中水位先上升后下降，產(chǎn)生所謂虛假水位。

3結(jié)論

a. 分析了鍋爐汽包水位系統(tǒng)并對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)態(tài)分析，推導(dǎo)出了汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程，從該微分方程中我們可以看出，除去系統(tǒng)的質(zhì)量不平衡及能量不平衡直接對(duì)水位的影響外，也會(huì)通過壓力的變化影響到水位的變化。

b. 分析了鍋爐負(fù)荷、給水壓力、給煤量等擾動(dòng)因素對(duì)汽包水位動(dòng)態(tài)特性的影響，對(duì)虛假水位有了一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，使鍋爐運(yùn)行人員能夠準(zhǔn)確地了解在各種變工況情況下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性，指導(dǎo)鍋爐安全運(yùn)行。

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本文責(zé)任編輯：靳書海

Dynamic Model and Properties Analysis of Natural CirculationBoiler Drum Water Lever

Shi Yang1,Li Chong1,Yin Ping2, Hao Qingzhe1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.Hebei Hudian Shijiazhuang Luhua Power Generation Company, Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:The drum level directly affects thd stability and reliability of the unit of thermal system.The dynamic model of mass balance and energy balance was built when the level of drum water in unsteady state in this paper.The boiler load,feed water pressure and the coal feed amount,the three main factors of affecting drum water level are analyzed,it will help operators to control the change of the drum water level to ensure the safety of the unit operation.

Key words:boiler;drum water level;dynamic characteristics

中圖分類號(hào)：TK223.67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9898(2016)01-0020-03

作者簡介：史洋(1986-)，男，工程師，主要從事電站鍋爐節(jié)能和優(yōu)化運(yùn)行等方面試驗(yàn)及技術(shù)研究工作。

收稿日期：2015-09-22