電站鍋爐燃燒系統(tǒng)和蒸發(fā)系統(tǒng)仿真模型的建立

在現(xiàn)代仿真系統(tǒng)在某些領(lǐng)域的高精度要求的前提下，如果仍采用上述方法就不能滿足需要。因此該文在建立精確的模型方面做了嶄新的嘗試，燃燒系統(tǒng)采用維的燃燒模型，水冷壁就采用分布參數(shù)模型。 　　雖然增加了方程的數(shù)量，但仍能滿足實(shí)時(shí)仿真的需要。52參5關(guān)鍵詞鍋爐仿真；燃燒模型；蒸發(fā)系統(tǒng)模型基于物理定律建立的電站鍋爐模型已廣泛應(yīng)用到不同的目的，這些模型從較為簡(jiǎn)單的線性模型，到較為復(fù)雜的非線性模型。用于控制系統(tǒng)的模型較簡(jiǎn)單；用于人員培訓(xùn)的仿真系統(tǒng)的模型較為復(fù)雜，要求模型計(jì)算的實(shí)時(shí)性，但精度要求不高；用于控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試等目的要求模型的精度很高。目前電站鍋爐系統(tǒng)的燃燒模型普遍采用零維穩(wěn)態(tài)模型，與之相應(yīng)的爐膛水冷璧模型采用集總參數(shù)模型1.現(xiàn)代仿真系統(tǒng)在某些領(lǐng)域的高精度要求的前提下，如果仍采用上述方法模型精度受到方法本身的限制。本文從建模角度重新考慮，建立了種全新的高精度的仿真模型維考慮虛假水位現(xiàn)象和金屬壁動(dòng)態(tài)特性的汽包集總參數(shù)模型。本文用該模型對(duì)某臺(tái)210界的電站鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，著重考察了模型在蒸汽流量擾動(dòng)和燃料量擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，仿真結(jié)果說(shuō)明了模型具有較高的精度。 　　1爐膛燃燒模型的建立電站鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐膛內(nèi)的燃燒傳熱流動(dòng)過(guò)程是十分復(fù)雜的，爐膛內(nèi)的有關(guān)參數(shù)如溫度煙氣成分等分布是十分不均勻的，而且是高速脈動(dòng)的。拿溫度分布來(lái)說(shuō)，爐膛中心高周低；燃燒器區(qū)高爐膛出口低。零維的燃燒模型將爐膛內(nèi)有關(guān)參數(shù)做均處理，而且方程是個(gè)十分經(jīng)驗(yàn)的公式，所以零維模型與實(shí)際系統(tǒng)之間有很大差距。 　　這個(gè)差距同時(shí)影響到兩個(gè)系統(tǒng)汽水系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)模型的精度。因此改進(jìn)零維模型具有十分重要的意義。本文建立了爐膛溫度具有維分布模型的具體建立過(guò)程詳文獻(xiàn)2.與之不同的是，為了滿足實(shí)時(shí)仿真要求，本文對(duì)傳熱模型作了簡(jiǎn)化。 　　第，流動(dòng)模型的建立采用均勻混合反應(yīng)器模擬燃燒器區(qū)域煙氣流動(dòng)，并用簡(jiǎn)化的柱塞流反應(yīng)器模擬爐膛上部區(qū)域的宏觀流動(dòng)過(guò)程。將爐膛分成個(gè)區(qū)域下混合反應(yīng)區(qū)域13沿上混合反應(yīng)區(qū)域1他2柱塞流反應(yīng)區(qū)域，尺。燃料和空氣混合物由燃燒器噴口直接均勻的進(jìn)入下混合反應(yīng)區(qū)，13沿的燃燒產(chǎn)物按均布的原則進(jìn)入與之相串聯(lián)的上混合反映區(qū)，在13尺2進(jìn)步反應(yīng)后進(jìn)入柱塞流反應(yīng)區(qū)。爐內(nèi)理想反應(yīng)器的空間分布第，燃燒模型的建立燃燒模型實(shí)質(zhì)上是燃料與空氣中的氧化反應(yīng)釋放化學(xué)能的模型。煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒分為揮發(fā)份的燃燒和煤粉中碳的燃燒。其中揮發(fā)份的燃燒是個(gè)非?？斓倪^(guò)程，認(rèn)為進(jìn)入爐膛后立即完成燃燒；碳的燃燒延續(xù)過(guò)程較長(zhǎng)，確定它的公式文獻(xiàn)6. 　　第，傳熱模型的建立傳熱模型是煙氣的放熱與水冷壁吸熱關(guān)系間的能量守衡模型。傳熱模型的網(wǎng)格的劃分方法為沿爐膛的高度方向上劃分成若干層并認(rèn)為每層內(nèi)的溫度分布是均勻的，分別對(duì)每層建立能量守衡方程。此處與文獻(xiàn)5將爐膛劃分成更細(xì)小的網(wǎng)格不同上述的種模型結(jié)合在起構(gòu)成了爐膛煤粉燃燒系統(tǒng)的整體模型。該維模型由組非線性代數(shù)方程組成，需要迭代方法進(jìn)行求解。由于模型只與爐膛結(jié)構(gòu)煤粉成分和配比的空氣量有關(guān)，并且模型是穩(wěn)態(tài)的，因此對(duì)特定的鍋爐來(lái)講只有燃料的供給量和相應(yīng)空氣的配比量變化時(shí)，才有必要進(jìn)行重新進(jìn)行模型求解，這樣減小了計(jì)算機(jī)在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的計(jì)算量。 　　2水冷壁模型傳統(tǒng)的水冷壁模型是用集總參數(shù)法建立的。 　　水冷壁模型的參數(shù)取自入口和出口參數(shù)，應(yīng)用物理定律物質(zhì)守恒能量守恒動(dòng)量守恒建立方程。該方法的主要缺點(diǎn)是，不能考慮水冷壁沿爐膛高度上受熱不均勻的情況，不能反映水冷壁工質(zhì)流動(dòng)傳熱對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間延遲特性，集總參數(shù)建模時(shí)，由于人為選取特征參數(shù)而產(chǎn)生的建模方法的固有缺欠。因此用集總參數(shù)法建立的水冷壁模型在研究水冷壁對(duì)某些變量的擾動(dòng)的響應(yīng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，尤其是對(duì)在燃料擾動(dòng)時(shí)模型反映不出水冷壁的延遲特性。因此集總參數(shù)模型當(dāng)被用到要求模型精確很高的研究目的是不實(shí)用的。 　　分布參數(shù)的水冷壁模型。水冷壁工作原理2.忽略了重力和工質(zhì)流速對(duì)能量方程的影響，利用隨體導(dǎo)數(shù)法，基于能量守恒動(dòng)量守恒質(zhì)量守恒定律建立水冷壁的數(shù)學(xué)模型水位主要是通過(guò)汽包內(nèi)的汽水動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換速率總的數(shù)學(xué)模型為dx2其中乃7為隨體導(dǎo)數(shù)；為單位水冷壁對(duì)工質(zhì)的熱流密度，針對(duì)特定高度段的水冷壁來(lái)說(shuō)可視為常數(shù)；迅4和從。為水冷壁上升管中汽水混合物的平均焓值平均密度和平均流速；為壓力為時(shí)間；1為水冷壁高度；為摩擦阻力其中為水冷壁上升管汽水混合物中水蒸汽份額；為水蒸汽的汽化潛熱；6分別為飽和水蒸汽和飽和水的密度。 　　飽和蒸汽看成是可壓氣體則有其中為壓縮系數(shù)。 　　飽和狀態(tài)下汽水混合物的溫度與壓力之間的關(guān)系為5其中為相對(duì)壓力；6為平衡狀態(tài)時(shí)該壓力下將式4與5代入式1和2中，并對(duì)式6式7對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得水冷壁的微分方程其中狀態(tài)向量，戶，系數(shù)?？梢钥闯?，水冷壁模型為5階的微分方程。 　　上述微分方程的積分由水冷壁的最低點(diǎn)開(kāi)始，初始參數(shù)為水冷壁的入口參數(shù)。將方程8對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，空間隨時(shí)間起變化，81=心8這種積分方程可以充分反映水冷壁的延遲特性。 　　3汽包模型汽包的工作原理3.該模型主要以反映虛假水位及汽包壁溫動(dòng)態(tài)特性為建模目標(biāo)。虛假汽包內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量平衡方程汽包內(nèi)工質(zhì)的總能量平衡方程汽液雙相間由于物質(zhì)交換而引起的液相側(cè)質(zhì)量平衡方程汽包金屬壁上半部分與汽側(cè)進(jìn)行能量交換汽包金屬壁下半部分與液側(cè)進(jìn)行能量交換方程14為階微分方程，方程中的系數(shù)與時(shí)間有關(guān)，分別由式9，13確定。水位的計(jì)算方法為公式9，15中丑為函值，從為質(zhì)量，為質(zhì)量流速，為比熱，為溫度，2為傳熱量，為汽包液面以下所含水蒸汽的體積，71為最低水位時(shí)液體容積，為汽包下部液體對(duì)金屬換熱，Qsd為汽包上半部氣體對(duì)金屬的換熱，Qk為汽包下半部分金屬對(duì)環(huán)境的放熱，3為汽包上半部分金屬對(duì)環(huán)境的放熱；腳標(biāo)，1為汽水混合物，為水冷壁上升管工質(zhì)參數(shù)平均值，mu為汽包上半部分金屬，1為汽包下半部分金屬，為給水，為金屬，8為水蒸汽為水冷壁循環(huán)水，1為液體。 　　4仿真擾動(dòng)時(shí)，所建立的新型模型對(duì)汽包水位及蒸汽壓力響應(yīng)的仿真，著重研究本文的燃燒和汽水模型是否能反映燃料擾動(dòng)時(shí)的延遲現(xiàn)象。仿真對(duì)象是某臺(tái)210厘1的燃煤鍋爐，該鍋爐為單汽包自然循環(huán)抽吸力平衡送風(fēng)固態(tài)排渣煤粉爐，其過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)設(shè)有級(jí)噴水減溫器。鍋爐系統(tǒng)主要參數(shù)1和2. 　　仿真條件1汽包水位由，1調(diào)節(jié)，仿真系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，主蒸汽流量作士5的階躍擾動(dòng)時(shí)仿真汽包水位和蒸汽壓力的響應(yīng)；2水位仍由，1控制器調(diào)節(jié)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，燃料作士3階躍擾動(dòng)時(shí)，仿真汽包的水位和蒸汽壓力的變時(shí)間⑷3上為當(dāng)蒸汽流量產(chǎn)生十5階躍擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線，為當(dāng)蒸汽流量產(chǎn)生5階躍擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線化。 　　工業(yè)分析元素分析序號(hào)單位設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)額定蒸發(fā)量汽包工作壓力過(guò)熱蒸汽溫度給水溫度水冷壁管受熱面積水冷壁管直徑水冷壁管數(shù)量汽包直徑汽包長(zhǎng)度汽包正常水位化為燃料發(fā)生3階躍擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線0為燃料發(fā)生+3階躍擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線包水位與壓力的響應(yīng)曲線；為當(dāng)蒸汽流量發(fā)生負(fù)的階躍擾動(dòng)時(shí)，汽包水位與壓力的響應(yīng)曲線。從4和。中可以看出，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生十5的階躍擾動(dòng)時(shí)，汽包水位突然增高；當(dāng)蒸汽流量發(fā)生5的階躍擾動(dòng)時(shí)，汽包的水位有個(gè)突然降低的響應(yīng)。這就是所謂的虛假水位現(xiàn)象。從鍋爐壓力的響應(yīng)曲線4的，3可以看出，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生正的階躍擾動(dòng)時(shí)，汽包壓力緩慢降低，最終達(dá)到個(gè)穩(wěn)定值；當(dāng)蒸汽流量發(fā)生相反的階躍擾動(dòng)時(shí)，壓力的變化方向則相反，并最終也達(dá)到個(gè)穩(wěn)定值。另外從中還可以看到，鍋爐汽包內(nèi)的水位與壓力對(duì)蒸汽流量發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)延遲并不明顯，這是因?yàn)閮烧邔?duì)蒸汽流量的響應(yīng)延遲時(shí)間實(shí)際上是很短的。5為燃料發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線，其中1為燃料發(fā)生3擾動(dòng)時(shí)，汽包水位和壓力的響應(yīng)曲線；0為燃料發(fā)生+3擾動(dòng)時(shí)汽包水位和壓力的響應(yīng)曲線。從中可明顯看到，燃料擾動(dòng)時(shí)水位和壓力的響應(yīng)有延遲。在燃料負(fù)擾動(dòng)時(shí)響應(yīng)延遲時(shí)間大約為20，3左右，燃料正擾動(dòng)時(shí)響應(yīng)3擾動(dòng)時(shí)，由于蒸汽產(chǎn)生率的減少，水位變化總的趨勢(shì)是逐漸升高的，但由于控制器的存在，被逐漸調(diào)整到零位；同理，在燃料發(fā)生十3的擾動(dòng)時(shí)，由于產(chǎn)出蒸汽的增加，水位總的變化趨勢(shì)是逐漸減少，但控制器的作用也逐漸回到零位。上述水位變化的情況可以在中清楚地看到。但從和兩中還可以看到，水位在反映出總的變化趨勢(shì)之前，總由個(gè)相反的幅度較小的變化，這主要是由于汽包內(nèi)水位以下含汽率變化的影響。當(dāng)燃料減少時(shí)，汽包水位以下液體內(nèi)含汽率突然減少；燃料增加時(shí)，汽包水位以下液體含汽率有個(gè)短暫的突然增加的緣故。 　　5結(jié)論燒系統(tǒng)和汽水雙相系統(tǒng)的仿真模型；燃燒系統(tǒng)為維模型水冷壁為分布參數(shù)模型汽包模型考慮了虛假水位和金屬壁的動(dòng)態(tài)特性，并應(yīng)用該模型對(duì)某臺(tái)容量為210厘1的燃煤鍋爐進(jìn)行了仿真。 　　從仿真結(jié)果分析可以看出，本文建立的模型能夠反映鍋爐汽水系統(tǒng)的典型動(dòng)態(tài)特性，尤其是能夠反映燃料擾動(dòng)時(shí)汽包水位和壓力響應(yīng)的延遲特性，仿真結(jié)果進(jìn)步說(shuō)明了模型具有較高的精度。參考文獻(xiàn)韓小海，等。切圓燃燒鍋爐爐膛傳熱過(guò)程綜合模型及模擬計(jì)下轉(zhuǎn)第35頁(yè)頻器的操作信號(hào)接線不通或極性接反。 　　5給粉機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速菜單顯給粉機(jī)反饋轉(zhuǎn)速正常而設(shè)置轉(zhuǎn)速不正常是因?yàn)?中組態(tài)形連線不正確。 　　3變頻器運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)和解決給粉機(jī)控制菜單操作給粉機(jī)變頻器啟動(dòng)前應(yīng)首先看啟允許指令是否發(fā)出。若用鼠標(biāo)點(diǎn)動(dòng)人。啟允許還沒(méi)發(fā)出應(yīng)查看給粉機(jī)備用狀態(tài)中該機(jī)是否掛牌或查看該機(jī)次風(fēng)量是否達(dá)到允許值風(fēng)量13允許啟動(dòng)，風(fēng)量9給粉機(jī)跳閘。若變頻器有故障信息顯應(yīng)將給粉機(jī)電源開(kāi)閘后再合閘或由運(yùn)行人員手動(dòng)將該變頻器置0，將故障信息清除以利于變頻器再啟動(dòng)。 　　由電機(jī)學(xué)可知，相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是=4.4在基頻以下調(diào)速時(shí)，要保持不變，需使=常數(shù)，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，定子相電壓，盡即價(jià)=常數(shù)。在基頻以下調(diào)速屬于恒磁通恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在低頻運(yùn)行時(shí)，和都較小，定子阻抗上分擔(dān)的壓降相對(duì)較大，電動(dòng)機(jī)得到的轉(zhuǎn)矩較小，在煤粉稍為板結(jié)時(shí)易形成堵轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)過(guò)載跳閘。單純加大起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)較小則磁通迅速飽和，易引起電動(dòng)機(jī)過(guò)流跳閘。參數(shù)厘口。網(wǎng)最小頻率原設(shè)定為4只2，變頻器啟動(dòng)困難，運(yùn)行后頻繁跳閘。因此，我們首先采取低頻補(bǔ)償方法將心加16技控制選擇設(shè)置為。庸希，賞，全設(shè)定。將最低運(yùn)行頻率提高至8只2，并相應(yīng)調(diào)整了轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線。2. 　　BreakFreqency為15Hz.在此基礎(chǔ)上我們又將給粉電動(dòng)機(jī)與給粉渦輪轉(zhuǎn)速比由131改造為27即將口瓜歷9設(shè)置提高了1倍為16只2. 　　這樣變頻器經(jīng)啟動(dòng)即在1犯2運(yùn)行，從根本上消除了變頻器低頻運(yùn)行的影響，改進(jìn)后給粉機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩明顯增大。 　　4號(hào)機(jī)在啟動(dòng)8號(hào)給水泵時(shí)，由于啟動(dòng)電流很大造成廠用電系統(tǒng)電壓下降較大。變頻器低電壓跳閘電壓為85，其邏輯掉電時(shí)間為0.58.因400母線電壓在0.58不可能恢復(fù)常態(tài)值，全部給粉變頻器跳閘。變頻器跳閘聯(lián)鎖熱工滅火保護(hù)動(dòng)作造成給粉機(jī)次電源跳閘，爐膛滅火。由于參數(shù)6088，31電網(wǎng)掉電故障中的85值不可改動(dòng)，因此啟動(dòng)8號(hào)給水泵時(shí)變頻器跳閘難以避免。現(xiàn)將給粉機(jī)次電源采用相交流UPS不停電電源供電，從根本上解決啟動(dòng)8號(hào)給水泵時(shí)變頻器跳閘的問(wèn)。 　　4結(jié)論矢量型變頻器的編碼器輸出數(shù)字量代替模擬量使轉(zhuǎn)速反饋可精確到1轉(zhuǎn)，提高了4號(hào)機(jī)組的自動(dòng)化控制水平。 　　4號(hào)爐共20臺(tái)給粉機(jī)。當(dāng)給粉電動(dòng)機(jī)使用滑差控制時(shí)單機(jī)耗電2.2kW，改用變頻器控制后在額定轉(zhuǎn)速時(shí)單機(jī)耗電0.2kW0.3kW，節(jié)能效果顯著。