DCS中锅炉给水密度的一种简化计算方法

杨海生，王旻昕

（1.河北省电力研究院，石家庄市，050021；2.西柏坡发电有限责任公司，石家庄市，050400）

0 引言

给水流量作为大型机组运行中的主要测量流量，直接参与汽包水位自动调节。随着对机组经济性的日异重视，许多机组的性能监测系统采用了分散控制系统（distribution control system，DCS）中的给水流量对机组的性能进行在线计算，这对DCS中给水流量的准确计算提出了很高的要求。

目前，大多数机组DCS中给水流量的计算公式为

式中：qmax、Δpmax、ρfmax分别表示流量喷嘴的刻度流量、差压上限及设计工作参数下（对应于刻度流量）的密度；qc、Δp、ρf分别表示实际的流量、差压及密度。

而在密度修正计算中，通常并不直接进行密度计算，认为液体的密度只与温度有关。目前多数机组DCS中采用式（2）进行修正：

式中：tmax及t分别表示流量喷嘴的设计工作温度及实际工作温度。

实际运行表明，这种计算方法在tmax及t存在较大偏差时会引起较大的计算误差。

如何在DCS中实现给水密度的相对准确及简捷的计算，对于准确计算给水流量具有重要意义，本文将介绍一种简化计算方法。

1 水密度的常用计算方法

1.1 水和水蒸气热力学性质IAPW IFC97与IFC67计算公式

水和水蒸气作为一种常规工质，其热力学性质计算中主要采用IAPWS IFC计算公式。目前IFC97为最新标准，IFC97与IFC67公式在使用范围、区域划分、计算精度上有一定区别，但在工业蒸汽流量测量常用范围内，2公式计算结果偏差极小。

IFC计算公式由于涉及大量数值计算，在DCS中采用的难度较大。

1.2 查表法

这种方法需要把水蒸气密度表数据装入计算机中，并根据实际运行工况的温度、压力，从表中查出相应的密度值。

这种方法的缺点是需要存储大量的密度数据，也不便于在DCS中得到应用。

2 新的水密度简化计算公式

2.1 计算方法的基本原理

由于水物理性质的复杂性，给水密度除与给水温度有关外，还与给水压力存在一定关系。压力、温度对水密度的影响中，温度的作用是主要的。

对于某一类型的机组（如亚临界机组），锅炉给水介质主要运行参数如压力、温度只能在某一特定范围内变化。以亚临界机组为例，正常运行中给水压力变化范围为5～24 MPa，给水温度变化范围为100～280℃。

密度公式拟合中，可选取某一基准运行工况，并将压力、温度对密度的影响分别进行考虑。基准工况下的运行参数为常用机组运行参数。例如，对于亚临界机组，基准工况选取参数为压力16 MPa，温度240℃。

拟合的密度公式可表示为

式中：ρ及ρb分别表示实际密度与基准工况的密度，kg/m3；f（p）与f（t）分别表示实际运行压力与实际运行温度对密度的修正系数。

2.2 温度对密度修正系数的拟合

根据基准工况的工作压力，计算不同给水温度下的密度变化，并转化为修正系数，最终得到温度与密度修正系数对应表（或拟合函数f（t））。

首先，计算温度与密度修正的函数。基于16 MPa设计工作压力的数据如表1所示。

表1 基准压力、不同温度的密度及修正系数Tab.1 Density and its correction coefficients under datum pressure and various temperatures

由表1拟合出的多项式公式可表示为

2.3 压力对密度修正系数的拟合

根据基准工况的工作温度，计算不同给水压力下的密度变化，并转化为修正系数，最终得到压力与密度修正系数对应表（或拟合函数f（p））。

基于240℃的基准工作温度的数据如表2所示。

表2 基准温度、不同压力的密度及修正系数Tab.2 Density and its correction coefficients under datum temperature and various pressures

由表2拟合出的多项式公式可表示为

2.4 密度拟合计算公式的误差分析

对6～24 MPa压力范围，100～280 ℃温度范围的给水密度，采用不同方法进行了计算比较，结果如表3所示。

从计算结果来看，在12～20 MPa给水压力范围内，2种计算方法的结果偏差在0.3%之内。采用拟合公式计算给水流量，引起的误差在0.15%以内。

表3 不同计算方法的给水密度比较Tab.3 Comparison of feedwater densities calculated by different methods

当给水压力在6～8 MPa范围内时，虽然最大偏差达到了0.73%，但考虑到正常运行中高压加热器投运时的锅炉最终给水温度一般均高于160℃，因此实际运行中最大偏差为0.574%，由此引起给水流量计算误差在0.28%以内。

综合以上分析，对于亚临界机组，在锅炉给水正常参数变化范围内，采用IFC97计算方法得到的密度与采用拟合公式得到的结果最大偏差为0.574%，可以满足现场给水流量密度修正的精度要求。

3 结论

（1）提出了一种考虑实际给水压力与给水温度影响的密度计算方法。在密度计算中，选取某一基准运行工况，并将压力、温度对密度的影响分别进行考虑。

（2）实例计算表明，在任意实际锅炉给水运行参数下，采用简化计算方法可以得到与IFC97理论计算公式偏差很小的计算结果，既能够满足实际工程精度需要，又便于在DCS中实施。

[1]王彦生.给水流量测量精度的提高[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2006（3）：74-76.

[2]郑金龙.关于水蒸汽流量测量中的密度计算[J].计量与测试技术，2007（6）：21-21.

[3]赵庆炜.汽水流量测量的密度校正与专用校正装置和研制[J].热力发电，1983（1）：43-45.

[4]林万超.火电厂热系统节能理论[M].西安：西安交通大学出版社，1994.

[5]郑体宽.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2001.

[6]沈维道.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[7]赵常兴.汽轮机组技术手册[M].北京：中国电力出版社，2007.

[8]IAPWS IFC97,IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam[S].

[9]IAPWS IFC67,IAPWS Industrial Formulation 1967 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam[S].

[10]American Society of Mechanical Engineers.ASME Steam Properties for Industrial Use[M].New York:ASME Press,1998.