自然循环锅炉汽包水位动态模型及特性分析

史　洋，李　崇，尹　萍，郝青哲

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄　050021；2.河北华电石家庄鹿华热电有限公司，石家庄　050200)



自然循环锅炉汽包水位动态模型及特性分析

史洋1，李崇1，尹萍2，郝青哲1

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021；2.河北华电石家庄鹿华热电有限公司，石家庄050200)

摘要：由于自然循环锅炉汽包水位直接影响机组整个热力系统的稳定性和可靠性，为此建立了汽包水位的动态模型并对锅炉负荷、给水压力及给煤量3个影响汽包水位变化的主要因素进行了分析研究，结果表明，通过对汽包水位的动态特性分析有助于运行人员控制汽包水位的变化，确保机组安全运行。

关键词：锅炉；汽包水位；动态特性

保持汽包的正常水位是汽包锅炉和汽轮机安全运行的重要条件之一。锅炉缺水事故80%是由于虚假水位引起的，由于锅炉蒸发系统处于动态质量及能量交换过程中，汽包水位不仅与汽包进出口流量及温度有关，而且与流量及温度的变化速度有关[1-2]。当汽包进出口流量变化时，如开大给水阀，会使得汽包水位先降低再升高，形成虚假水位[3]。正确计算实际水位在变工况下的动态特性直接关系到锅炉甚至整个热力系统运行的稳定性和可靠性[3-5]。汽包水位过高，使汽包蒸汽空间高度减小，汽水分离效果下降，将会引起蒸汽带水，使蒸汽品质恶化；水位严重过高时，蒸汽大量带水，过热汽温急剧下降，蒸汽管道、汽轮机等金属温度发生剧变，产生严重的热应力和热变形，甚至发生水冲击，造成设备损坏。汽包水位过低，致使下降管进口带汽、循环流动压头降低，严重时会破坏水循环，使水冷壁管超温过热，严重缺水时，还可能造成汽包干锅和水冷壁烧损等严重事故[6]。因此，加强对水位的监视和调整对汽包锅炉的安全运行至关重要。

1汽包水位动态模型的建立

建立汽包系统数学模型的难点在于系统中有些具有不同的参数，如系统中有部分液体是出于未饱和状态，其过冷度随工况不同而发生变化。锅炉自然循环系统如图1所示。为了顺利建立模型，作如下简化：汽包内的工质混和速度很快，可以不考虑蒸汽过热与液态工质局部欠焓及温度的不均匀性，认为汽包内工质处于均匀的饱和状态；工质蒸发与凝结速度很快，当汽包压力发生变化时，相应的饱和压力和温度也发生变化；汽包金属温度为饱和水的温度，其内表面与流动的水或汽水混合物直接接触，金属与工质之间的放热系数很大，所以在稳态工况下金属的温度与其内部工质的温度相差不多。

图1　锅炉自然循环系统

物质平衡：进入系统的质量-离开系统的质量=系统质量的增量，即

(1)

式中：Δ为扰动后某参数与扰动前该参数稳定值之差；Dsm为省煤器进入汽包的给水流量；Dbq为饱和蒸气的流量；Dp为排污水的流量；V为整个汽包循环系统中工质体积，V′为饱和水所占的体积，V″为饱和蒸气所占的体积；ρ′为饱和蒸气的密度；ρ″为饱和水的密度；τ为时间。

汽包循环系统蒸汽体积平衡方程式为：

V″=V″x+V″s

(2)

式中：V″x为水位下空间的蒸汽体积；V″s为水位上空间的蒸汽体积。

假设系统在一个扰动下，dτ时间内汽包水位升高dh,则对应的汽包水位以上蒸汽体积减少dV″s，即

dV″s=-Abdh

(3)

式中：Ab为汽包水位面截面积。

利用下列2个关系式：

(4)

(5)

式(4)、(5)中：p为汽包压力。

将式(2)-(5)代入到式(1)，整理后可得:

(6)

式(6)等号右边的3项反映了3种影响水位变化的因素，第1项为蒸发设备内部质量不平衡因素的影响；第2项为汽压变化引起汽水密度变化而影响水位的因素，前面的负号表示水位与汽压变化的方向相反；第3项为水位以下蒸汽容积变化对水位变化的影响因素。

式(6)中关于汽压变动速度作如下推导，目的是定量观察影响汽压变化速度的因素，进而确定影响水位变化的因素。

系统总能量平衡方程式：进入系统的能量-离开系统的能量=系统能量的增量，即

(7)

式中：igs为省煤器的给水焓；i″为饱和蒸气焓值；i′饱和水焓值；ΔQzf为蒸发区的蒸发吸热量；Gjs为金属的有效质量；Cjs为金属的比热；tb为水的饱和温度。

另外，利用到以下关系：

i″=i′+r

(8)

式中：r为气化潜热。

igs=i′-iqh

(9)

式中：iqh为给水欠焓。

(10)

对式(1)、(7)-(10)进行整理得到：

(11)

其中，b1-b5分别为与工作压力有关的常数，其表达式为：

锅炉汽包水位在变工况时的变化规律相当复杂，难以准确确定的因素也较多，可略去汽包受到两相流动中随机因素的干扰，决定汽包水位变动的主要有下列2个方面：汽包循环系统中饱和水体积V′；汽包循环系统中水面以下蒸气体积V″x(包括了上升管中蒸气体积和汽包中水面以下蒸气体积)。忽略系统中未饱和水的体积，则有：

(12)

将式(12)代入到式(6)可推出系统中饱和水体积的变化

(13)

汽包中水面以下蒸气体积和上升管中蒸气体积的变化规律相同，可以合并考虑，V″x不但取决于蒸气的产量，而且也取决于蒸气的压力，即

(14)

上升系统蒸气流量变化：

(15)

静态额定工况下的上升管中的蒸气体积V″x0已由水循环计算得出，可以认为其他工况下的V″x与蒸气产量Dzf成线性变化。

(16)

(17)

水位下空间蒸气体积与蒸气压力的关系也类似于式(17)，但符号相反，

(18)

将式(13)、(14)、(15)、(17)、(18)代入到式(12)可得汽包水位微分方程如下：

(19)

从式(19)中可以看出除去系统的质量不平衡及能量不平衡直接对水位的影响外，也会通过压力的变化影响到水位的变化，这就使水位的变化呈现较为复杂的规律性是假水位现象的来源。

2汽包水位动态特性分析

2.1锅炉负荷扰动动态特性

电站锅炉实际运行过程中常常进行变负荷，汽包水位的动态特性与锅炉负荷的扰动密切相关[2,4]。当负荷发生扰动时，锅炉蒸发受热面中水的消耗量将发生变化，必然引起汽包水位随时间变化。若锅炉负荷突然降低，而锅炉给水量和燃烧未调整或来不及调整，则汽包内的压力骤升，水的饱和温度也随之升高，这就导致蒸发管中部分汽液化，使汽包水位面以下汽的体积减小，汽包水位降低(如图2中曲线1)，然而，锅炉负荷的突然降低，且给水量不变情况下，必将使出汽包的蒸汽的流量比进入省煤器的给水流量小，从而引起汽包水位的升高(如图2中曲线2)，图2中曲线3(曲线1和曲线2的叠加)是实际运行过程中水位变化曲线，锅炉负荷突然降低，水位本应上升，但从示计表中却出现了水位下降的现象，这就是所谓的虚假水位，这时如果还开大给水阀的开度，一旦虚假水位消失，汽包内的水位会迅速升高，严重时还会造成安全事故。所以在实际运行过程中，锅炉负荷突然变化时，必须正确分析，严格监视汽包水位，防止水位事故的发生。

图2　锅炉负荷扰动水位随时间的变化

2.2给水压力扰动的动态特性

汽包水位的变化与给水压力有关[6]，给水压力变化时，将使给水流量发生变化，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，引起水位变化。锅炉负荷和燃烧工况不变，当给水压力升高时，给水流量增加，一方面使进入汽包内的给水量大于蒸发量而使水位上升，如图2中曲线2；另一方面温度较低的给水进入汽包，吸收了饱和水和饱和汽的一部分热量，使汽包水位下面的蒸汽体积瞬时减小，水位面下降，如图2中曲线1。2个本文责任编辑：杨秀敏

因素的相互叠加便形成了实际水位变化曲线3(曲线1和曲线2的叠加)，锅炉的给水压力增大导致给水量增大，水位本应升高，但是从示计表中看到水位是先有一个下降过程，然后再升高，这时如果不了解汽包水位的动态特性，加大给水阀门的开度，使给水量进一步增大，一旦虚假水位消失，造成汽包水位的急剧上升，严重时会造成安全事故。

2.3给煤量扰动动态特性

汽包水位的动态特性与给煤量的扰动有密切关系[4]，给煤量扰动水位随时间的变化，见图3。

图3　给煤量扰动水位随时间的变化

锅炉负荷和给水量都未作出改变，锅炉给煤量增加时，炉膛的热负荷将增大，工质的吸热量增加，汽包内产生的饱和蒸气量增大，这样，蒸汽流量大于给水流量而使水位有下降的趋势，如图3中曲线1，但蒸发强度的增强使汽包水位以下蒸汽体积增大，从而使水位有上升趋势，如图3中曲线2。2个因素的相互叠加便形成了实际变化曲线3，汽包的进水量不变，但产汽量却增大，实际汽包中的水量减少，水位面下降，但实际操作过程中水位先上升后下降，产生所谓虚假水位。

3结论

a. 分析了锅炉汽包水位系统并对锅炉汽包水位进行了详细的动态分析，推导出了汽包水位的动态微分方程，从该微分方程中我们可以看出，除去系统的质量不平衡及能量不平衡直接对水位的影响外，也会通过压力的变化影响到水位的变化。

b. 分析了锅炉负荷、给水压力、给煤量等扰动因素对汽包水位动态特性的影响，对虚假水位有了一个清晰的认识，使锅炉运行人员能够准确地了解在各种变工况情况下汽包水位的动态特性，指导锅炉安全运行。

参考文献:

[1]冯俊开.锅炉原理及计算[M].北京:科学出版社,1998.

[2]黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整[M].北京:中国电力出版社,2007.

[3]卢权.锅炉负荷变化时汽包紧急放水量计算分析[J].电力科学与工程,2007(9):23-26.

[4]陈鸿伟.锅炉汽包水位动态特性分析[J].电站系统工程,2008(3):21-22.

[5]马文通.汽包水位的一种快速动态简化仿真模型[J].锅炉技术,2007(5):4-6.

[6]陈鸿伟.锅炉汽包水位影响因素分析[J].电站系统工程,2007(3):31-33.

本文责任编辑：靳书海

Dynamic Model and Properties Analysis of Natural CirculationBoiler Drum Water Lever

Shi Yang1,Li Chong1,Yin Ping2, Hao Qingzhe1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.Hebei Hudian Shijiazhuang Luhua Power Generation Company, Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:The drum level directly affects thd stability and reliability of the unit of thermal system.The dynamic model of mass balance and energy balance was built when the level of drum water in unsteady state in this paper.The boiler load,feed water pressure and the coal feed amount,the three main factors of affecting drum water level are analyzed,it will help operators to control the change of the drum water level to ensure the safety of the unit operation.

Key words:boiler;drum water level;dynamic characteristics

中图分类号：TK223.67

文献标志码：A

文章编号：1001-9898(2016)01-0020-03

作者简介：史洋(1986-)，男，工程师，主要从事电站锅炉节能和优化运行等方面试验及技术研究工作。

收稿日期：2015-09-22