李美宝，史一涛

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，郑州 450008；2.华电电力科学研究院，杭州 310030）

660MW超临界压力直流锅炉机组数学模型及仿真

李美宝1，史一涛2

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，郑州 450008；2.华电电力科学研究院，杭州 310030）

在分析660MW超临界直流锅炉机组热力特性基础上，根据能量守恒、质量守恒、动量守恒定律，建立了660MW超临界直流锅炉的动态仿真模型。对机组给水量扰动、功率扰动和燃料量扰动进行了动态试验，试验结果表明，该模型能够准确地模拟实际机组的动态特性。

直流锅炉；仿真建模；动态特性

0 引言

随着科学技术的不断进步，火力发电机组不断向大容量、高参数的方向发展，超临界机组具有高效、清洁的特点，其装机容量也在不断增大。机组锅炉的结构越来越复杂，从汽水系统、风烟系统到燃烧系统都有较大的改进。因此，建立超临界直流锅炉单相受热面的仿真模型对机组运行的安全性和经济性具有重要的指导意义。

省煤器、过热器、再热器等受热面可简化为一根单相介质换热器模型。本文采用模块化建模思想，建立压力流量、焓温通道的集中参数数学模型，该模型具有物理意义明确、模型简单、求解方便且能保证一定精度的优点。

1 仿真对象

本文研究对象为马鞍山发电厂660MW超临界变压运行螺旋管圈直流锅炉，该锅炉为单炉膛四角切圆燃烧方式、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型燃煤锅炉。锅炉额定负荷给水流量为2 101 t／h，主蒸汽压力为25.4 MPa，主蒸汽温度为571℃，再热蒸汽压力为4.53 MPa，再热蒸汽温度为569℃，锅炉汽水系统如图1所示。

2 超临界直流锅炉数学模型

蒸汽系统是超临界压力直流锅炉仿真中的重要组成部分之一，锅炉主蒸汽温度、再热蒸汽温度、蒸汽压力等是锅炉运行的重要参数。大型锅炉的过热器、再热器及其相连管系具有管道较长、蒸汽存储容积较大的特点，是典型的分布参数对象。在锅炉受热面中，过热器、再热器、省煤器、空气预热器内的工质都为单相介质，换热过程及特点是相似的，为了更好地说明这个问题，需要建立一个通用的单相介质换热器模型，管道的物理模型如图2所示。

图1 锅炉汽水系统

图2 管道的物理模型

图2中：Q为管道换热量；qV1为蒸汽进口流量；H1为蒸汽进口焓；qV2为蒸汽出口流量；H2为蒸汽出口焓。

2.1 模型的简化假设

（1）并联管道等效为一根受热管，通流面积为各个管道之和。

（2）烟气侧参数变化快速，换热热流均匀分布。（3）管道中的蒸汽流动阻力集中于联箱入口，联箱内的压力分布均匀。

（4）管道内外侧换热强度均匀，只考虑径向传热。

（5）忽略管道壁厚的影响，内外管壁无温差。

2.2 压力流量通道数学模型

2.2.1 蒸汽出口质量流量

式中：qm2为蒸汽出口质量流量；qm1为蒸汽入口质量流量；A为管道截面面积；ρ为蒸汽密度；v为蒸汽流速；t为时间。

2.2.2 蒸汽出口质量流量和焓

式中：Hf1为蒸汽入口焓；Hf2为蒸汽出口焓；qm为蒸汽平均质量流量；f为阻力系数。

2.3 焓温通道数学模型

2.3.1 蒸汽出口焓

式中：Qf为蒸汽吸热量；h为比焓。

2.3.2 蒸汽与金属间放热量

式中：Kf为蒸汽侧放热系数；Tm为金属热力学温度；αf1为蒸汽侧导热系数；αf2为蒸汽侧对流系数；Tf为蒸汽平均热力学温度；Tf1为蒸汽入口热力学温度；Tf2为蒸汽出口热力学温度；qV0.8为体积流量。

2.3.3 烟气与金属间放热量

式中：Kg为烟气侧放热系数；Tg为烟气热力学温度；Tm为金属热力学温度；αg1为烟气侧导热系数；αg2为烟气侧对流系数；αg3为辐射放热系数；qV0.65为烟气体积流量；Tg1烟气入口热力学温度；Tg2为烟气出口热力学温度；qV2为烟气出口体积流量；qV1为烟气入口体积流量；Qg为烟气吸热量。

2.3.4 金属蓄热量

式中：cp为金属定压比热；m为金属管质量；Qg烟气吸热量；Qf蒸汽吸热量；Qm为金属蓄热量。

3 超临界直流锅炉仿真模型

本文采用模块化建模思想，所谓模块化建模是根据电站的系统构成，建立电站仿真模型的单元（给水泵、风机、加热器等）。在每一个算法中，有温度、压力、流量等参数输入、输出，通过改变模块的物理特性系数，建立机组的仿真模型。

对660MW超临界压力直流锅炉而言，通过分析直流锅炉燃烧传热过程的物理特性，搭建电站系统中的流体网络，各个流体网络模块构成不同的子系统（如给水系统、抽气系统、风烟系统等），最终建立电站热力过程快慢不同的压力-流量通道和焓-温通道仿真模型。根据模型通道的时间常数进行离散积分，以提高仿真模型的效率。

本文建立的660MW超临界压力直流锅炉仿真模型具有较好的静态精度，表1列出了机组100%工况的模拟值与实际设计值之间的比较结果。从表1中的数据可以看出，各受热面的出口温度相对误差不超过0.5%，各出口压力的相对误差不超过0.5%，各出口流量的相对误差不超过0.05%，各个受热面出口烟温的相对误差不超过0.05%。

4 仿真试验及结果

在马鞍山发电厂660MW超临界压力直流机组仿真机上进行扰动试验，通过试验对660MW超临界压力直流锅炉锅内过程数学模型的动态特性进行了检验，扰动试验结果如下。

4.1 给水量扰动

保持给煤量、汽轮机调速汽门开度不变，喷水自动解列，机前压力调节器投入，超温保护不投入，给水量扰动试验（挠动量5%），机组扰动前、后主要参数见表2。

4.2 汽轮机功率扰动

保持给煤量不变，喷水调节切手动，给水调节切自动，机炉协调投入，汽轮机额定功率减小10%，机组扰动前、后主要参数见表3。

4.3 燃煤量扰动

保持给水量、汽轮机调速汽门开度不变，给水调节切手动，喷水减温调节切手动，额定给煤量减5%的扰动，机组扰动前、后主要参数见表4。

表1 100%工况设计值与仿真值对比

表2 给水量阶跃扰动

表3 功率阶跃扰动

表4 给煤量阶跃扰动

5 结论

本文采用模块化的理论分析方法建立了660 MW超临界直流锅炉锅内过程的动态数学模型，该模型能够准确地模拟机组冷态启动、热态启动、正常停炉及可能出现的事故工况下热力过程的动态变化，具有良好的静态和动态特性。

从机组的动态扰动试验看：直流锅炉的动态特性不同于汽包锅炉，直流锅炉运行中的关键是要严格控制煤水比、给煤量及给水量的变化，这些参数对汽温变化都有大幅度的影响。本文建立的仿真模型已应用于马鞍山电厂机组的整个运行工况的仿真，同时该模型可用于优化机组的设计，在预测机组变工况时，对于其主要性能参数的计算具有重要作用。

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（本文责编：王书平）

TK 11+2：TK 22

：A

：1674-1951（2015）01-0013-03

李美宝（1989—），男，河南辉县人，助理工程师，工学硕士，从事电厂节能方面的研究工作（E-mail：2858082698＠qq. com）。

2014-05-30；

2014-09-01