富氧燃燒鍋爐單相受熱管動態(tài)特性的仿真研究

高正陽，于 航

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著溫室效應(yīng)的影響越來越顯著，對排放的CO2進(jìn)行捕集與封存 (CCS)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題[1～3]，而富氧燃燒技術(shù)由于回收 CO2技術(shù)簡單、成本較低成為其中有效的方案之一[4]。常規(guī)鍋爐排煙中CO2的濃度約為14%，分離并回收煙氣中CO2代價較高;富氧燃燒技術(shù)，也稱為煙氣再循環(huán)煤燃燒技術(shù)，產(chǎn)生的煙氣中CO2的濃度可提高到90%以上，可以直接將排出的煙氣冷卻、壓縮為液態(tài)CO2，同時由于常壓下SO2的沸點(diǎn)低于CO2的三相點(diǎn)溫度，在CO2液化同時SO2也被液化，可以減少脫硫設(shè)備投入，而由于煙氣再循環(huán)，NOx的排放也相應(yīng)減少[5]。

但是，由于燃燒條件不同，產(chǎn)生的煙氣成分發(fā)生變化，導(dǎo)致煙氣的熱物性參數(shù)改變，煙氣與爐內(nèi)對流受熱面間的對流與輻射換熱特性也必然發(fā)生變化[6]。對富氧燃燒條件對流受熱面換熱規(guī)律進(jìn)行研究，確定此條件下對流受熱面的動態(tài)換熱特性，是富氧燃燒鍋爐對流受熱面優(yōu)化設(shè)計與運(yùn)行的基礎(chǔ)，目前在此方面進(jìn)行的研究很少，國內(nèi)外主要研究燃燒機(jī)理、污染物排放特性[7～8]等方面。

因此本文選取單相受熱面為研究對象，利用通用系統(tǒng)仿真平臺Matlab，根據(jù)質(zhì)量及能量守恒、模塊化建模思想建立電站鍋爐單相受熱面仿真算法模型，并應(yīng)用建立的模型對再熱工質(zhì)的動態(tài)換熱過程進(jìn)行研究。

1 仿真模型

1.1 單相受熱面數(shù)學(xué)模型

基于電站鍋爐單相換熱器結(jié)構(gòu)，將受熱面簡化為一段逆流管道[10]，簡化后的物理模型如圖1所示。

圖1 單相受熱管物理模型Fig.1 Physical model of the single phase flow heat delivery tube

本文選擇受熱面出口參數(shù)作為代表參數(shù)建立受熱面的集總參數(shù)模型，建模過程基于以下簡化假設(shè)[11]:

(1)任意管段橫截面的流體特性均勻;

(2)將各并聯(lián)管子組合成一根大管道，其流量等于各并聯(lián)管束流量之和;

(3)換熱器為逆流換熱，沿管長方向吸熱均勻;

(4)將金屬的熱容并入工質(zhì)側(cè)，增大過程的時間常數(shù)，過程響應(yīng)緩慢，使模型更接近于實(shí)際情況;

(5)忽略煙氣、管壁和工質(zhì)的軸向?qū)?

(6)在穩(wěn)定工況下，水冷壁的入口與出口質(zhì)量流量相等。

受熱面的流動、換熱數(shù)學(xué)模型是由動量、質(zhì)量及能量守恒方程、蓄熱方程、傳熱方程和狀態(tài)方程等組成，通過這些方程建立起受熱面的動力學(xué)模型。

質(zhì)量守恒方程:

工質(zhì)側(cè)能量守恒方程:

煙氣側(cè)能量守恒方程:

煙氣側(cè)換熱方程:

工質(zhì)側(cè)換熱方程:

式中:D1，D2分別為工質(zhì)進(jìn)出口流量;W1，W2為煙氣進(jìn)出口流量;Ty，Tw，Tg分別為煙氣、金屬管壁、工質(zhì)溫度;αy，αg為煙氣、工質(zhì)側(cè)換熱系數(shù);Fy，Vy，V分別為煙氣側(cè)換熱面積、煙氣側(cè)容積、工質(zhì)側(cè)容積。

工質(zhì)參數(shù)狀態(tài)方程:

1.2 模型參數(shù)的計算

在鍋爐對流換熱計算中，確定煙氣物性是計算對流傳熱量的基礎(chǔ)，由于富氧燃燒產(chǎn)物與常規(guī)空氣條件下不同，用常規(guī)計算物性的方法計算存在誤差，本文采用ASPEN軟件計算富氧煙氣熱物理性質(zhì)，ASPEN軟件包含大量性質(zhì)模型，可用于求解大部分物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)[12]。

富氧條件下，煙氣成分發(fā)生變化，導(dǎo)致煙氣側(cè)換熱與空氣方式下有所不同，富氧方式下管壁表面對流和輻射換熱系數(shù)較空氣氣氛升高，而工質(zhì)側(cè)對流換熱系數(shù)與常規(guī)空氣相同。

本文采用的煙氣側(cè)對流換熱系數(shù)計算公式為:

式中:Re=ud/ν，其中ν為煙氣運(yùn)動粘度，m2/s;u為管間最大煙氣流速，m/s;k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計算如下:

Prf與Prw分別為煙氣溫度與受熱面壁溫對應(yīng)的普朗特數(shù)，用來考慮溫壓和熱流方向?qū)Ψ艧嵯禂?shù)的影響。

本文所計算的Re范圍內(nèi)，m，n和w的值均為實(shí)驗(yàn)系數(shù)[13]，實(shí)驗(yàn)確定 m=0.6，n=0.36，w=0.25。

由于富氧燃燒產(chǎn)生的煙氣中三原子氣體占絕大部分，導(dǎo)致煙氣輻射特性發(fā)生變化，目前尚無成熟的計算方法，本文采用寬帶關(guān)聯(lián)k模型計算富氧燃燒煙氣輻射特性[14～16]。

1.3 數(shù)學(xué)模型程序化

Matlab是一種通用的系統(tǒng)仿真軟件，其編程語言的編譯執(zhí)行速度較慢，同時由于原始編寫的程序代碼是公開的，算法和數(shù)據(jù)的保密性較差，而C語言具有保密性好和執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此將兩種編程語言相結(jié)合提出了Cmex-S函數(shù)。Cmex-S函數(shù)在求解一階微分方程時，不必將微分方程轉(zhuǎn)為差分方程，可以直接求解[9]。

由式(1)～(6)構(gòu)成了單相受熱管的數(shù)學(xué)模型，通過Cmex-S函數(shù)將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真程序，并建立仿真模塊。仿真程序中將蒸汽流量、入口焓、入口溫度、入口壓力，煙氣流量、入口溫度、設(shè)置為輸入;將蒸汽溫度、煙氣溫度、金屬管壁溫度設(shè)置為輸出且為連續(xù)狀態(tài)變量。

2 模塊庫及應(yīng)用實(shí)例

2.1 模塊庫

根據(jù)相關(guān)模塊的數(shù)學(xué)模型，編寫函數(shù)建立了單相換熱器、減溫閥等模塊，同時由于水蒸氣參數(shù)隨溫度壓力發(fā)生改變，建立了水蒸氣參數(shù)模塊，并與單相換熱器模塊封裝在一起。仿真之前對本模型中模塊定制對話框和圖標(biāo)，使其具有良好的用戶界面。將建立的模塊庫加載為Simulink工具箱。部分模塊如圖2所示。

圖2 模塊庫Fig.2 Module library

2.2 仿真應(yīng)用實(shí)例

以某300 MW燃煤鍋爐為對象進(jìn)行仿真。該鍋爐為亞臨界參數(shù)、單爐膛∏形布置、單汽包、自然循環(huán)、平衡送風(fēng)、一次中間再熱、固態(tài)排渣煤粉爐。主要參數(shù)為:工質(zhì)壓力3.797 MPa，流量為849.23 t/h，入口溫度為475℃;煙氣入口溫度為1 133℃，流量為392.96 t/h。

通過直接調(diào)用用戶建立的模塊庫中的模塊，按照實(shí)際過程流程連接，建立系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The system simulation model

3 仿真結(jié)果及分析

載入鍋爐額定運(yùn)行情況作為仿真的初始狀態(tài)，仿真過程采用定步長，步長為0.1 s。系統(tǒng)模型仿真解法器選擇ode45，它是一種性能良好的通用解法器。

富氧氣氛下工質(zhì)入口流量及煙氣進(jìn)口流量擾動的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示;圖5顯示出了常規(guī)空氣條件下進(jìn)行同樣擾動的仿真試驗(yàn)結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為仿真響應(yīng)時間，縱坐標(biāo)為出口溫度相對變化量。

對比圖4(a)、圖5(a)，當(dāng)蒸汽進(jìn)口流量擾動5%，仿真參數(shù)入口流量從0.562 kg/s增加到0.590 1 kg/s，富氧條件下工質(zhì)出口溫度降低約3.2℃，仿真響應(yīng)時間約為70 s?？諝鈿夥障鹿べ|(zhì)出口溫度降低了約3.5℃，仿真響應(yīng)時間約為100 s左右。對比空氣條件，富氧燃燒條件下工質(zhì)汽溫響應(yīng)時間縮短了約30 s左右，工質(zhì)出口溫度變化下降了約0.3℃

對比圖4(b)、圖5(b)，當(dāng)煙氣進(jìn)口流量擾動5%，從109.15 kg/s下降到106.693 kg/s，富氧氣氛下工質(zhì)出口溫度下降了約4.2℃，仿真響應(yīng)時間約為90 s?？諝鈼l件下工質(zhì)出口溫度下降了約4.6℃，動態(tài)響應(yīng)時間約為140 s。與空氣條件對比，富氧燃燒條件下仿真響應(yīng)時間縮短了約50 s左右，工質(zhì)出口溫度變化下降了約0.4℃。

富氧氣氛下工質(zhì)入口工質(zhì)溫度及煙氣進(jìn)口溫度擾動的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示;圖7示出了常規(guī)空氣燃燒條件下進(jìn)行相同擾動的仿真試驗(yàn)結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為仿真響應(yīng)時間，縱坐標(biāo)為出口溫度相對變化量。

對比圖6(a)、圖7(a)，當(dāng)入口蒸汽溫度升高10℃，仿真參數(shù)入口蒸汽溫度從492℃增加到502℃時，富氧氣氛下工質(zhì)出口溫度升高了約6.099 5℃，仿真響應(yīng)時間約為96 s?？諝馇闆r下工質(zhì)出口溫度升高了約5.214 0℃，仿真響應(yīng)時間約為120 s。相比空氣氣氛，富氧燃燒條件下汽溫響應(yīng)時間縮短了約24 s左右，工質(zhì)出口溫度變化升高了約0.885 5℃

對比圖6(b)、圖7(b)，當(dāng)煙氣入口溫度升高10℃，從889.294 4℃升高到899.294 4℃時，富氧氣氛下工質(zhì)出口溫度升高了約4.201 2℃，動態(tài)響應(yīng)時間約為90 s?？諝鈿夥障鹿べ|(zhì)出口溫度升高了約3.579 5℃，動態(tài)響應(yīng)時間約為138 s。相比空氣氣氛，富氧燃燒條件下汽溫響應(yīng)時間縮短了約48 s左右，工質(zhì)出口溫度變化上升了約0.621 7℃

通過對比圖4、圖5以及圖6、圖7可得，各種擾動條件下，工質(zhì)出口溫度動態(tài)響應(yīng)曲線變化趨勢富氧氣氛與空氣條件下基本一致，但由于富氧燃燒方式下受熱面的整體換熱方式與空氣條件下不同，導(dǎo)致富氧氣氛下工質(zhì)出口參數(shù)的響應(yīng)時間以及參數(shù)變化量發(fā)生變化。分析可知，由于富氧燃燒產(chǎn)生的煙氣成分三原子氣體占90%以上，煙氣物性參數(shù)與常規(guī)空氣條件下不同，導(dǎo)致富氧氣氛下煙氣側(cè)的對流以及輻射換熱系數(shù)發(fā)生變化使得煙氣側(cè)換熱加強(qiáng)，蒸汽側(cè)換熱變化較少，而實(shí)現(xiàn)相同換熱量時鍋爐對流受熱面面積相對變小，從而引起管壁金屬的質(zhì)量和蓄熱能力下降，煙氣與工質(zhì)間換熱熱阻減小，工質(zhì)出口溫度變化的熱慣性下降。因此當(dāng)入口工質(zhì)流量以及煙氣進(jìn)口流量增加時，煙氣側(cè)變化導(dǎo)致的工質(zhì)出口參數(shù)變化幅度變大同時由于富氧氣氛換熱增強(qiáng)，工質(zhì)吸熱量的下降幅度較少;當(dāng)入口工質(zhì)溫度以及煙氣進(jìn)口溫度擾動時，由于富氧換熱的增強(qiáng)，導(dǎo)致富氧條件下工質(zhì)出口變化幅度較空氣條件下增大，響應(yīng)時間縮短。

4 結(jié)論

(1)在Matlab通用系統(tǒng)軟件平臺上，綜合Cmex-S函數(shù)、模塊封裝、初始狀態(tài)設(shè)定等設(shè)計方法，構(gòu)建了富氧氣氛下單相受熱管換熱的動態(tài)仿真模型及模型庫，仿真結(jié)果表明，所建仿真模型穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確、動態(tài)趨勢合理。

(2)通過仿真實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)富氧氣氛下單相受熱管的動態(tài)特性的變化趨勢與空氣條件下基本一致，但由于煙氣物性及換熱特性變化，富氧氣氛下工質(zhì)出口參數(shù)的響應(yīng)時間縮短，對各種擾動敏感。因此鍋爐機(jī)組運(yùn)行過程中，要求對各種擾動進(jìn)行更加快速的響應(yīng)調(diào)節(jié)，這對運(yùn)行人員的運(yùn)行能力要求更高，本文仿真結(jié)果為富氧條件下機(jī)組單相受熱面動態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)提供了參考。