火电机组快速甩负荷过程除氧器动态特性研究

2018-05-21丛日学于晓辉孟祥玉陈立军

东北电力大学学报 2018年2期

丛日学，于晓辉，孟祥玉，王迪，陈立军

(1．吉电股份二道江发电公司，吉林通化134003;2．东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

进入新世纪以来，随着我国经济的快速发展，各行各业在对电力需求不断增大的同时，对于电网供电的可靠性也提出了更高的要求．如何保证设备安全并能够及时的恢复机组运行，为电网恢复赢得宝贵时间，最小程度的减少损失，成为关注重点．

快速甩负荷(Fast Cut Back，FCB)是指机组在正常运行时，因机组内部故障或外部电网故障而与电网解列，瞬间甩掉全部对外供电负荷，并保持锅炉在最低负荷运行，维持发电机带厂用电运行［1～3］．

机组在FCB时负荷变化剧烈，相应的机组各部分参数变化很快，对热力系统辅机的安全性冲击较大，其中对于除氧器的影响最大．在FCB过程中，由于进出除氧器的工质平衡被打破，会造成除氧器水位的剧烈波动［4～5］．因此为了研究FCB过程中除氧器水位变化机理及过程特性，本文建立了除氧器分段数学模型，并提出FCB过程中除氧器水位控制策略，为今后的火电机组FCB试验提供了数据依据和理论基础．

1 除氧器系统数学模型

1.1 除氧器结构介绍

除氧器的本体包括除氧头和贮水箱两部分，贮水箱亦称除氧水箱或给水箱．

除氧头可分为:淋水盘式、喷雾式、喷雾填料式、喷雾淋水盘式、膜式和旋膜式等．

贮水箱容积:根据我国电力行业标准DL5000－2000《火力发电厂设计技术规程》的规定．贮水箱的贮水量，宜按照下列要求确定:(1)200 MW及以下机组为10 min的锅炉最大连续蒸发量时的给水消耗量;(2)200 MW以上机组为5 min的锅炉最大连续蒸发量时的给水消耗量．

1.2 除氧器模型建立

为了反映除氧器内部凝结水的状态及结构对其运行性能的影响，本文针对除氧器的结构和除氧特征，提出了根据蒸汽在除氧器内的流动过程将除氧器分为喷雾除氧阶段、对流混合换热阶段和鼓泡阶段等三段进行建模［6］．除氧器分段建模示意图，如图1所示．

图1 除氧器分段模型示意图

本文以集总参数法为基础，根据除氧器的工作原理和能量守恒定律建立除氧器分段模型，另外模型考虑到了除氧器内可能发生的物性变化(如:凝结水的动态蒸发和凝结等)．在建立除氧器模型时，做了以下简化和假设:视给水为不可压缩流体;模型不考虑与界面上的换热影响;除氧区和贮水箱压力相等并假设流体与环境间无能量交换［7］．

(1)喷雾除氧阶段

凝结水从盘式恒速喷嘴喷出进入除氧器汽空间雾化，并和蒸汽充分接触换热，然后落入水空间流向出水口．此阶段为喷雾除氧阶段，在此阶段蒸汽与凝结水雾化液滴进行换热，传热性能依凝结水雾化程度确定［8］，其传热方程为

式中:k1为喷雾除氧阶段的换热系数;Δt为换热温差，℃;AW为雾化液滴的表面积，cm2;Ts为除氧器压力下凝结水的饱和温度，℃;T1i、T1o为凝结水在喷雾段的进出口温度，℃;WC为凝结水质量流量，kg/h;C1为喷雾段凝结水的平均比热容，kJ/(kg·K);λ为水的导热系数;Pr为凝结水的普朗特数;Re为凝结水的雷诺数;qm为凝结水质量流量，kg/h;L为喷口至雾化液滴结束的距离，m;dW为液滴的平均直径，m，根据Turner实验值计算液滴平均直径;v为喷嘴出口速度，m/s．

此阶段饱和蒸汽与雾化液滴换热，根据能量守恒计算蒸汽的凝结量为

式中:GN1为喷雾除氧阶段的蒸汽凝结量，kg/h;Ten为环境温度，℃;ke为环境散热凝结系数;h1i、h1o为凝结水进出口焓，kJ/kg;hss、hsw分别为除氧器压力下的饱和蒸汽、饱和水焓，kJ/kg．

(2)混合换热阶段

在混合换热阶段的加热蒸汽一方面通过沿筒体轴向均匀分布的排管与凝结水换热，这属于横掠管束换热;另一方面则通过排管从水下送入除氧器经过鼓泡段后与凝结水直接混合加热，使蒸汽和饱和水进一步充分接触．此阶段的换热效率与除氧器内蒸汽排管的结构有关，根据能量守恒建立能量方程式

式中:M2为混合换热阶段出口蒸汽流量，kg/h;h2为混合换热段出口蒸汽焓，kJ/kg;G1O为喷雾除氧段出水量，kg/h;MZ为除氧器总的进汽流量包括抽汽和辅助蒸汽流量，kg/h;hZ为混合蒸汽进汽焓，kJ/kg;M3为鼓泡段出口蒸汽流量，kg/h;h3为鼓泡段蒸汽出口焓，kJ/kg;GN2为混合换热段蒸汽凝结量，kg/h;h2O为混合换热段凝结水出口焓，kJ/kg;M'Z为蒸汽排管出口蒸汽流量，kg/h;h'Z为蒸汽排管的蒸汽出口焓，k J/kg;Qen为混合换热段向环境的散热量，kJ．

混合换热阶段蒸汽的凝结量计算公式如下:

(3)鼓泡阶段

此阶段内加热蒸汽通过鼓泡管喷射至饱和水中，同时扰动水流，使蒸汽泡和饱和水进一步充分接触，加强换热，并将凝结水中的溶解氧及其它不凝结气体从水中带出水面，进行深度除氧，鼓泡阶段换热状况与鼓泡装置有关，其传热方程如下:

式中:k3为鼓泡段换热系数;T3为鼓泡段蒸汽出口温度，℃;AG为鼓泡换热面积，m2;T3O、T2O为鼓泡段和混合换热段凝结水出口温度，℃;G2O为混合换热段凝结水出口质量流量，kg/h;C2为鼓泡段凝结水的平均比热容，k J/(kg·K)．

此阶段蒸汽的凝结量计算公式如下:

式中:GN3为鼓泡段蒸汽凝结量，kg/h;h3O、h2O分别为鼓泡段和混合换热段凝结水出口焓，kJ/kg;h'2为蒸汽排管中的蒸汽进入鼓泡段时的焓值，kJ/kg．

(4)水位计算

式中:LW为除氧器水位，m;MW为除氧器中剩余的凝结水量，kg;ρ为水箱中凝结水的密度，kg/m3;R为水箱Lw的当量半径，m．

2 模型正确性验证

除氧器分段模型主要包括喷雾除氧段、混合换热段、鼓泡段及除氧器热力参数计算等子模型．利用Matlab/Simulink仿真平台对以上数学模型进行二次建模，如图2所示．

图2 Simulink仿真图(水位部分)

本文选用某600MW超临界机组除氧器(型号:GC－2010/GS－180)，加热汽源为四级抽汽，运行方式为定压－滑压－定压．

表1 除氧器技术参数

在除氧器模型输入参数中，有些参数取自现场数据，有些参数参考机组相近工况历史数据，这样可以使得模型的仿真更接近机组实际工况．对不同工况下的数据进行模拟计算，结果见表2所示．

表2 某超临界600MW机组除氧器分段模型模拟结果

由表2可见，除氧器分段模型基本比较清晰准确的反映了除氧器3段凝结水的状态，模拟误差平均值最大为0．081 5%，方差最大为0．006 9%，证明该除氧器分段模型能够正确分析除氧器各工况下工作状态和各热力参数的变化情况．

3 FCB除氧器水位仿真

当机组因电厂或电网故障导致机组FCB后，汽轮机低压旁路打开后所用的减温水取自凝结水泵出口，流量很大，因此凝结水泵所需供水量只有一半到达除氧器［9］．

为此本文以该600 MW机组为基础提出了控制策略:由于FCB后各参数变化剧烈，原有正常工况下的三冲量控制方式已无法对除氧器水位进行良好的控制，所以除氧器水位调节应立即由三冲量控制切换至单冲量控制［10］．同时在FCB指令出现后，除氧器水位控制阀开度自动上限引入逻辑，维持凝结水量，在调节除氧器水位的同时保护凝结水水位．在除氧器出口方面，由于FCB过程中工质出现了不平衡现象，整个系统中的工质总量无法在短时间内补充，所以限制给水量上限并在FCB信号解除后延时120 s可以保护除氧器水位，随后汽动给水泵以一定的速率降低出力，使除氧器水位保持在一个相对安全的高度．

按照本文提出的控制策略对该600 MW机组除氧器模型的输入参数进行了拟合后分别得到了FCB过程除氧器的进汽流量与时间变化曲线、凝结水至除氧器流量与时间变化曲线和除氧器出口给水流量与时间变化曲线分别如图3、图4和图5所示．

图3 除氧器进汽流量(kg/s)

图4 凝结水至除氧器流量(kg/s)

图5 除氧器出口给水流量(kg/s)

将上述变化曲线输入到除氧器模型中，仿真运行1 200 s后得到除氧器水位变化曲线，如图6所示．由图6可见，除氧器初始水位为2 100 mm，随着FCB指令的发出，其水位不断下降，最低降至1 540 mm，经过调整上限凝结水流量开度，确保其在1 100 t/h－1 200 t/h，并且在FCB时调低除氧器水位控制阀开度上限，除氧器水位控制由三冲量转为单冲量控制，2台汽动给水泵继续运行，除氧器水位逐渐上升并趋于稳定，全程水位处于安全范围内，没有出现flash现象，一切正常．