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。拿溫度分布來說，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)非常快的過程，認(rèn)為進(jìn)入爐膛后立即完成燃燒；碳的燃燒延續(xù)過程較長(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說可視為常數(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)。可以看出，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程綜合模型及模擬計(jì)下轉(zhuǎn)第35頁頻器的操作信號(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。 　　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。