船用增压锅炉过热器出口蒸汽温度响应锅炉负荷突减仿真分析

朱 泳，张 平

（海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913）

0 引言

增压锅炉响应负荷突减的能力是检验锅炉变工况安全运行的重要指标，也是衡量蒸汽动力舰船规避风险、安全运行的重要参数[1]。增压锅炉的负荷剧降会导致汽包压力升高，引起炉水饱和温度上升，同时，由于流经过热器的蒸汽流量下降，而过热器外的烟气状态未发生改变，所以过热蒸汽温度也会持续上升。而过热器金属管壁由于过热蒸汽温度的上升和因过热蒸汽流速的下降而引起的换热能力下降等因素的共同作用，温度将会变得更高，危及过热器乃至锅炉安全。因此，过热器出口蒸汽温度对于判定过热器、增压锅炉的安全性具有重要作用。

目前增压锅炉装置的动态特性数学模型和仿真模型已经能够解算出锅炉负荷剧降带来过热蒸汽流量突减后，锅炉汽压和水位随时间的变化规律[2-5]，但对于蒸汽流量突减后过热器出口蒸汽温度的变化情况却鲜有研关注。

2 过热器出口蒸汽温度数学模型

增压锅炉过热器吸收上升管束出口烟气热量，将锅炉汽包出口的饱和蒸汽加热，温度提高形成过热蒸汽。过热器汽侧动态数学模型主要用于汽包出口蒸汽流量和过热蒸汽物性参数的计算，其主要由过热器管内工质的质量守恒方程、能量守恒方程、工质状态方程及传热方程组成，建模过程中以过热器出口参数值代表过热器环节的集总参数。

过热器管内蒸汽的质量平衡方程[6]

式中：Dbs为饱和蒸汽流量，kg/s；Dbh为由汽包引至微过热蒸汽调配装置的饱和蒸汽流量，kg/s；Dgrso为过热器出口过热蒸汽流量，kg/s；Vgr为过热器容积，m3；ρgrso为过热器出口蒸汽密度，kg/m3。

过热器管内蒸汽的能量平衡方程

式中：hgrso为过热器出口工质的比焓，kJ/kg；hs为饱和蒸汽比焓，kJ/kg；Qgrs为过热器金属管壁向管内蒸汽的放热量，kJ/s，可由式（3）表示[7]。

式中：Kgrs为过热器金属管壁向管内蒸汽的传热系数；Tgrw和Tgrso分别为过热器金属管壁温度、过热器出口蒸汽温度，℃。

过热器动态数学模型中，将过热器金属管壁作为一个单独环节处理，其蓄热方程为

式中：Qgrg为烟气与过热器金属管壁的辐射及对流换热总量，kJ/s；mgr为过热器金属管壁的质量，kg；Cgr为过热器金属管壁的比热容，kJ/(kg·K)。

最后，过热器管内蒸汽的动量方程为

式中：Pgrso为过热蒸汽压力，MPa；fgrs为过热器管内流动阻力系数。

综上所述，过热器动态数学模型是根据汽包输入参数Ps及hs、过热器烟气侧输入参数Qgrg、过热器输出参数Dgrso、锅炉汽包输出参数Dbh等参数，根据式（1）～式（5），计算过热器出口蒸汽温度Tgrso、Dbs、Qgrs、Tgrw、Pgrso5个参数。

3 仿真模型

3.1 过热器Simulink 仿真模型

构建上述过热器出口蒸汽温度数学模型后，本文采用Matlab/Simulink仿真工具箱建立了过热器汽侧动态数学模型的仿真模型。见图1。

图1 过热器汽侧模块框图

3.2 仿真曲线及计算结果

建立仿真模型后，给定某型增压锅炉的全工况运行参数（根据不同标准进行了归一化或脱密处理）[8]：锅炉燃料消耗量B为100%、空气过余系数αkq为100%、汽轮给水机组上水量Djjsi为63.2%、过热器出口蒸汽流量Dgrso为60.4%、由汽包引至微过热蒸汽调配装置的饱和蒸汽流量Dbh为2.7%，而后开始对增压锅炉装置全负荷稳态运行工况进行仿真，通过仿真计算得增压锅炉装置的主要运行参数：汽包压力Ps为100%、过热器出口蒸汽温度Tgrso为100%、锅炉水位H为100%。在此基础上，假定燃料消耗量、空气过余系数、给水量及由汽包引至微过热蒸汽调配装置的饱和蒸汽流量不变的基础上，锅炉全负荷稳态运行3.5τ后，分别在0.2τ、0.7τ、3.5τ及7.1τ时间内降低30%负荷，即过热器出口过热蒸汽流量Dgrso由60.4%变为42.3%，随后保持负荷Dgrso稳定，则过热蒸汽温度Tgrso响应负荷Dgrso突减的情况，如图2所示。

图2 不同负荷突减时间下过热器出口蒸汽温度

1）负荷Dgrso的突减会造成过热器出口蒸汽温度Tgrso的持续上升。这是因为过热蒸汽温度Tgrso与负荷Dgrso、烟气能量、蒸汽与过热器金属管壁之间的对流换热系数3方面因素相关。一方面，随着负荷Dgrso的降低，烟气能量并未发生变化，所以蒸汽温度Tgrso应有上升的趋势；另一方面，随着负荷Dgrso的降低，过热器内蒸汽流速逐渐降低，从而蒸汽与金属管壁的对流换热系数降低，导致金属对蒸汽的放热量降低，因此负荷突减过程中，对流换热系数对过热器出口蒸汽温度Tgrso有降低作用。但是，由于负荷Dgrso及烟气能量对蒸汽温度Tgrso的上升作用大于对流换热系数降低对蒸汽温度Tgrso的降低作用，所以过热器出口蒸汽温度Tgrso最终上升。同时由于能量的不平衡，烟气对金属的持续加热，最终导致金属管内蒸汽温度Tgrso的持续上升，而锅炉过热器金属管壁的温度升幅应该更大。

2）负荷Dgrso突减速率越大、时间越短，过热器出口蒸汽温度Tgrso在负荷突减时间内的上升速度就越快。其原因是，负荷突变时间越短，单位时间内负荷突减量就越大，从而单位时间内流过过热器的蒸汽流量也就越低；结合烟气能量不变，单位时间内过热器出口蒸汽温度Tgrso上升幅度也就越大。

3）由0.2τ曲线可得在负荷突减时间内，过热器出口蒸汽温度Tgrso的上升速度逐渐降低，至负荷Dgrso稳定后上升速度降至最低且保持不变。其原因是随着负荷Dgrso的降低，过热器内蒸汽与金属管壁的对流换热系数逐渐降低，导致蒸汽吸热量增幅的下降，最终出现蒸汽温度Tgrso上升速度降低的现象；至负荷Dgrso稳定后，蒸汽与金属管壁的对流换热系数降至最低且保持不变，所以过热器出口蒸汽温度Tgrso的上升速度降至最低且保持不变。

4）由图中2 条曲线可得，不同负荷Dgrso突减时间下，负荷Dgrso稳定后，过热器出口蒸汽温度Tgrso的上升速度因负荷Dgrso及烟气能量相等而相等。

4 结论

仿真分析了锅炉在燃烧量不变的前提下，锅炉负荷突减导致过热器蒸汽流量突减时，过热器出口蒸汽温度的变化情况。得出结论，锅炉负荷突减会造成过热器出口蒸汽温度的上升，且负荷突减幅度越大，过热器出口蒸汽温度的上升速度就越大。