660 MW直流机组动态特性仿真研究

史一涛，张爱丽，徐二树

（1.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030；2.中国地质科学院水环所，河北 石家庄 050000；3.华北电力大学，北京 102200）

660 MW直流机组动态特性仿真研究

史一涛1，张爱丽2，徐二树3

（1.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030；2.中国地质科学院水环所，河北 石家庄 050000；3.华北电力大学，北京 102200）

依据守恒定律建立机组设备的数学模型，基于CyberSim平台得到仿真算法，建立660 MW超临界仿真模型［1］。在此基础上进行了机组不同负荷下的扰动试验，结果表明：不同扰动对于机组压力、温度的动态响应特性不同，在机组动态特性给水流量扰动条件下，随着机组负荷升高，水动力稳定性提高；在给煤量扰动条件下，随着机组负荷升高，主汽温度波动幅度逐渐增大；在负荷扰动条件下，主汽压力、温度波动都比较剧烈，应防止超温爆管现象的发生。

直流锅炉；仿真建模；模块化；动态特性

目前，超临界直流机组具有煤耗低、清洁、环保等特点，已成为火电机组实现节能降耗、减少污染物排放最有效的技术。但直流机组热惯性小，在运行工况发生变化时，主汽参数更容易发生波动，蒸汽参数频繁波动会降低金属管的运行寿命，严重时会导致爆管，这些不稳定工况严重影响机组安全、稳定、高效运行，因此研究超临界机组动态特性对于机组优化运行具有重要意义。

在超超临界机组系统模块化建模研究方面，瑞典专家K.J.Astrom等人长期致力于汽包锅炉汽水侧系统的实时动态特性研究，华北电力大学徐二树等人建立了500 MW超临界机组锅内过程的全工况实时动态仿真模型［2］，西安交通大学的黄锦涛、陈听宽建立的蒸发受热面仿真模型，较好地仿真出水冷壁运行的动态特性［3］。本文在文献调研的基础上重点研究机组在不同负荷下的动态特性。

1 机组概况

本文以某电站660 MW超临界直流机组系统为研究对象，水冷壁为螺旋管圈布置，燃烧器采用切圆燃烧方式，给水经省煤器后引入水冷壁，然后依次通过分离器、炉顶过热器、分隔屏过热器等受热面送往汽轮机高压缸，机组主要参数如表1所示。

表1 锅炉各工况下主要参数

2 机组仿真建模

2.1 建模基本假设［4］

a.并联管道等效为1根受热管；

b.管中流动阻力集中于入口处；

c.管道内外侧换热强度均匀；

d.只考虑管道的径向传热；

e.管道内质量、能量均守恒。

2.2 水冷壁模型

超临界直流锅炉水冷壁内工质经历亚临界、超临界压力过程，管内存在加热、蒸发、过热3个阶段，没有固定的汽水分界面，3段长度随着热负荷及给水流量等而变化，因此按照汽、液相变点建立如图1所示的水冷壁物理模型［5－9］。

图1 水冷壁的物理模型

a.水冷壁出口流量Wf7

式中：Wf1为水冷壁工质入口流量，t／h；ρ2、ρ4、ρ6分别为水冷壁加热、蒸发、过热段密度，kg／m3；V13、V35、V57分别为水冷壁加热、蒸发、过热段的体积，m3；t为时间，s。

b.水冷壁出口蒸汽焓值H7

式中：H1为水冷壁工质入口焓值，kJ／kg；v3、v5、v7分别为水冷壁加热、蒸发、过热段的出口流速，m／s；Qf为工质吸热量，kJ。

c.水冷壁出口压力P7

式中：P1为水冷壁工质入口压力，MPa；f为摩擦系数；l13、l35、l57分别为水冷壁工质加热、蒸发、过热段的长度，m；Wf3、Wf5、Wf7分别为水冷壁加热、蒸发、过热段的出口流量，t／h；g为重力加速度；θ为工质流速与重力方向的夹角。

d.蒸汽与金属的放热量Qf

式中：M13、M35、M57分别为水冷壁工质加热、蒸发、过热段的金属质量，kg；t2m、t4m、t6m分别为水冷壁工质加热、蒸发、过热段的金属温度，℃；Cp为水冷壁的比热容，kJ／（kg·K）；Qg为烟气的放热量，kJ。

2.3 模块化

本文基于北京四方CyberSim仿真平台，采用模块化的思路，建立分离器、过热器、再热器等机组所有设备的数学模型，将机组设备数学模型转换成仿真算法，按照电站机组系统，建立超临界机组仿真模型［10］。通过表2中主要受热面出口参数设计值、仿真值的对比可见，最大误差不超过0.55%，该模型能够准确模拟实际机组不同负荷下的动态特性。

表2 100%工况设计值与仿真值对比

3 仿真试验分析

3.1 机组60%负荷动态仿真试验

进行机组60%负荷时给水流量、给煤量、负荷扰动试验，并得到相应变化曲线如图2～图4所示。

当给水流量扰动时，主汽温度升高，波动幅度在3℃左右，主汽压力先降低后升高，波动幅度在0.3 MPa左右；当给煤量扰动时，主汽温度先降低后升高，波动幅度在4℃左右，主汽压力先降低后升高，波动幅度在1 MPa左右；当负荷扰动时，主汽温度上升，波动幅度在6℃左右，主汽压力下降，波动幅度在1.2 MPa左右。

3.2 机组75%负荷动态仿真试验

进行机组75%负荷时给水流量、给煤量、负荷扰动试验，并得到相应变化曲线如图5～图7所示。

图2 给水流量扰动曲线

图3 给煤量扰动曲线

图4 负荷扰动曲线

图5 给水流量扰动曲线

图6 给煤量扰动曲线

图7 负荷扰动曲线

当给水流量扰动时，主汽流量下降，主汽温度升高，波动幅度在7℃左右，主汽压力先降低后升高，波动幅度较小；当给煤量扰动时，主汽流量减少，主汽温度先降低后升高，波动幅度在6℃左右，主汽压力先降低后升高；波动幅度在0.8 MPa左右；当负荷扰动时，主汽流量下降，主汽温度先降低后升高，波动幅度在13℃左右，主汽压力下降，波动幅度在1 MPa左右。

3.3 机组100%负荷动态仿真试验

进行机组100%负荷时给水流量、给煤量、负荷扰动试验，并得到相应变化曲线如图8～图10所示。

图8 给水流量扰动曲线

图9 给煤量扰动曲线

图10 负荷扰动曲线

当给水流量扰动时，主汽温度先升高后降低，波动幅度在1℃左右，主汽压力先降低后升高，波动幅度在0.4 MPa；当给煤量扰动时，主汽温度先降低后升高，波动幅度在7℃左右，主汽压力下降，波动幅度在1.2 MPa；当负荷扰动时，主汽温度先降低后升高，波动幅度在12℃左右，主汽压力先降低后升高，波动幅度在1 MPa左右。

4 结束语

本文建立660 MW超临界机组仿真模型，能够准确反映不同负荷下的动态特性，在此基础上进行了机组不同负荷下的扰动试验，并得出相应结论，为同类型机组的动态特性仿真研究提供借鉴。

［1］ 李 智，高 军，曹福毅.QX－1／115／70－AⅡ型供热锅炉系统的仿真数学模型［J］.东北电力技术，2012，33（11）：50－53.

［2］ 徐二树，李恕康，孙志英，等.大容量超临界直流锅炉锅内过程全工况实时仿真数学模型及动态特性［J］.动力工程，2003，23（4）：2 500－2 505.

［3］ 黄锦涛，陈听宽.超临界直流锅炉蒸发受热面动态过程特性［J］.西安交通大学学报，1999，19（9）：71－75.

［4］ 章臣越.锅炉动态特性极其数学模型［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［5］ 王宗琪，王 陶，章臣越.直流锅炉启动分离器数学模型与仿真［J］.热能动力工程，1997，12（1）：60－63.

［6］ 王广军.热力系统动力学及其应用［M］.北京：科学技术出版社，1997.

［7］ 金小华.大型循环流化床锅炉炉膛仿真模型［J］.东北电力技术，2012，33（3）：29－32.

［8］ 林宗虎，陈立勋.锅内过程［M］.西安：西安交通大学出版社，1989.

［9］ 林宗虎.汽液两相流和沸腾传热［M］.西安：西安交通大学出版社，1987.

［10］ 曹福毅，薛建生.通用型火电机组DCS仿真系统的研究与实现［J］.东北电力技术，2006，27（5）：29－32.

Simulation and Research on 660 MW Supercritical Once⁃through Unit Dynamic Characteristics

SHI Yi⁃tao1，ZHANG Ai⁃li2，XU Er⁃shu3
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 310030，China；2.Institute of Hyrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang，Hebei 050000，China；3.North China Electric Power University，Beijing 102200，China）

According to the law of conservation of establishing the unit device mathematical model and based on CyberSim platform forming simulation algorithm，the 660 MW supercritical simulation model is established.Which correctly reflects the dynamic charac⁃teristics of one through unit.Finally，different load disturbance experiment is carried out，results of which show that under the condi⁃tion of disturbance feedwater，the hydrodynamic is becoming more and more stably with the increase of load；under the condition of disturbance to the coal，with the increase of load，the main steam temperature fluctuations increase gradually；under the condition of load disturbance，temperature wave are severe and we should prevent overtemperature detonation tube.

Once⁃through；Simulation modeling；Modular；Dynamic characteristics

TM621.2

A

1004－7913（2015）05－0023－04

史一涛（1986—），男，硕士，工程师，主要从事火力发电厂锅炉专业运行、节能、环保方面工作。

2015－02－12）