自然循環鍋爐汽包水位動態模型及特性分析

史　洋，李　崇，尹　萍，郝青哲

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021；2.河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊　050200)

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自然循環鍋爐汽包水位動態模型及特性分析

史洋1，李崇1，尹萍2，郝青哲1

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021；2.河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊050200)

摘要：由于自然循環鍋爐汽包水位直接影響機組整個熱力系統的穩定性和可靠性，為此建立了汽包水位的動態模型并對鍋爐負荷、給水壓力及給煤量3個影響汽包水位變化的主要因素進行了分析研究，結果表明，通過對汽包水位的動態特性分析有助于運行人員控制汽包水位的變化，確保機組安全運行。

關鍵詞：鍋爐；汽包水位；動態特性

保持汽包的正常水位是汽包鍋爐和汽輪機安全運行的重要條件之一。鍋爐缺水事故80%是由于虛假水位引起的，由于鍋爐蒸發系統處于動態質量及能量交換過程中，汽包水位不僅與汽包進出口流量及溫度有關，而且與流量及溫度的變化速度有關[1-2]。當汽包進出口流量變化時，如開大給水閥，會使得汽包水位先降低再升高，形成虛假水位[3]。正確計算實際水位在變工況下的動態特性直接關系到鍋爐甚至整個熱力系統運行的穩定性和可靠性[3-5]。汽包水位過高，使汽包蒸汽空間高度減小，汽水分離效果下降，將會引起蒸汽帶水，使蒸汽品質惡化；水位嚴重過高時，蒸汽大量帶水，過熱汽溫急劇下降，蒸汽管道、汽輪機等金屬溫度發生劇變，產生嚴重的熱應力和熱變形，甚至發生水沖擊，造成設備損壞。汽包水位過低，致使下降管進口帶汽、循環流動壓頭降低，嚴重時會破壞水循環，使水冷壁管超溫過熱，嚴重缺水時，還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴重事故[6]。因此，加強對水位的監視和調整對汽包鍋爐的安全運行至關重要。

1汽包水位動態模型的建立

建立汽包系統數學模型的難點在于系統中有些具有不同的參數，如系統中有部分液體是出于未飽和狀態，其過冷度隨工況不同而發生變化。鍋爐自然循環系統如圖1所示。為了順利建立模型，作如下簡化：汽包內的工質混和速度很快，可以不考慮蒸汽過熱與液態工質局部欠焓及溫度的不均勻性，認為汽包內工質處于均勻的飽和狀態；工質蒸發與凝結速度很快，當汽包壓力發生變化時，相應的飽和壓力和溫度也發生變化；汽包金屬溫度為飽和水的溫度，其內表面與流動的水或汽水混合物直接接觸，金屬與工質之間的放熱系數很大，所以在穩態工況下金屬的溫度與其內部工質的溫度相差不多。

圖1　鍋爐自然循環系統

物質平衡：進入系統的質量-離開系統的質量=系統質量的增量，即

(1)

式中：Δ為擾動后某參數與擾動前該參數穩定值之差；Dsm為省煤器進入汽包的給水流量；Dbq為飽和蒸氣的流量；Dp為排污水的流量；V為整個汽包循環系統中工質體積，V′為飽和水所占的體積，V″為飽和蒸氣所占的體積；ρ′為飽和蒸氣的密度；ρ″為飽和水的密度；τ為時間。

汽包循環系統蒸汽體積平衡方程式為：

V″=V″x+V″s

(2)

式中：V″x為水位下空間的蒸汽體積；V″s為水位上空間的蒸汽體積。

假設系統在一個擾動下，dτ時間內汽包水位升高dh,則對應的汽包水位以上蒸汽體積減少dV″s，即

dV″s=-Abdh

(3)

式中：Ab為汽包水位面截面積。

利用下列2個關系式：

(4)

(5)

式(4)、(5)中：p為汽包壓力。

將式(2)-(5)代入到式(1)，整理后可得:

(6)

式(6)等號右邊的3項反映了3種影響水位變化的因素，第1項為蒸發設備內部質量不平衡因素的影響；第2項為汽壓變化引起汽水密度變化而影響水位的因素，前面的負號表示水位與汽壓變化的方向相反；第3項為水位以下蒸汽容積變化對水位變化的影響因素。

式(6)中關于汽壓變動速度作如下推導，目的是定量觀察影響汽壓變化速度的因素，進而確定影響水位變化的因素。

系統總能量平衡方程式：進入系統的能量-離開系統的能量=系統能量的增量，即

(7)

式中：igs為省煤器的給水焓；i″為飽和蒸氣焓值；i′飽和水焓值；ΔQzf為蒸發區的蒸發吸熱量；Gjs為金屬的有效質量；Cjs為金屬的比熱；tb為水的飽和溫度。

另外，利用到以下關系：

i″=i′+r

(8)

式中：r為氣化潛熱。

igs=i′-iqh

(9)

式中：iqh為給水欠焓。

(10)

對式(1)、(7)-(10)進行整理得到：

(11)

其中，b1-b5分別為與工作壓力有關的常數，其表達式為：

鍋爐汽包水位在變工況時的變化規律相當復雜，難以準確確定的因素也較多，可略去汽包受到兩相流動中隨機因素的干擾，決定汽包水位變動的主要有下列2個方面：汽包循環系統中飽和水體積V′；汽包循環系統中水面以下蒸氣體積V″x(包括了上升管中蒸氣體積和汽包中水面以下蒸氣體積)。忽略系統中未飽和水的體積，則有：

(12)

將式(12)代入到式(6)可推出系統中飽和水體積的變化

(13)

汽包中水面以下蒸氣體積和上升管中蒸氣體積的變化規律相同，可以合并考慮，V″x不但取決于蒸氣的產量，而且也取決于蒸氣的壓力，即

(14)

上升系統蒸氣流量變化：

(15)

靜態額定工況下的上升管中的蒸氣體積V″x0已由水循環計算得出，可以認為其他工況下的V″x與蒸氣產量Dzf成線性變化。

(16)

(17)

水位下空間蒸氣體積與蒸氣壓力的關系也類似于式(17)，但符號相反，

(18)

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

(19)

從式(19)中可以看出除去系統的質量不平衡及能量不平衡直接對水位的影響外，也會通過壓力的變化影響到水位的變化，這就使水位的變化呈現較為復雜的規律性是假水位現象的來源。

2汽包水位動態特性分析

2.1鍋爐負荷擾動動態特性

電站鍋爐實際運行過程中常常進行變負荷，汽包水位的動態特性與鍋爐負荷的擾動密切相關[2,4]。當負荷發生擾動時，鍋爐蒸發受熱面中水的消耗量將發生變化，必然引起汽包水位隨時間變化。若鍋爐負荷突然降低，而鍋爐給水量和燃燒未調整或來不及調整，則汽包內的壓力驟升，水的飽和溫度也隨之升高，這就導致蒸發管中部分汽液化，使汽包水位面以下汽的體積減小，汽包水位降低(如圖2中曲線1)，然而，鍋爐負荷的突然降低，且給水量不變情況下，必將使出汽包的蒸汽的流量比進入省煤器的給水流量小，從而引起汽包水位的升高(如圖2中曲線2)，圖2中曲線3(曲線1和曲線2的疊加)是實際運行過程中水位變化曲線，鍋爐負荷突然降低，水位本應上升，但從示計表中卻出現了水位下降的現象，這就是所謂的虛假水位，這時如果還開大給水閥的開度，一旦虛假水位消失，汽包內的水位會迅速升高，嚴重時還會造成安全事故。所以在實際運行過程中，鍋爐負荷突然變化時，必須正確分析，嚴格監視汽包水位，防止水位事故的發生。

圖2　鍋爐負荷擾動水位隨時間的變化

2.2給水壓力擾動的動態特性

汽包水位的變化與給水壓力有關[6]，給水壓力變化時，將使給水流量發生變化，從而破壞了給水量與蒸發量的平衡，引起水位變化。鍋爐負荷和燃燒工況不變，當給水壓力升高時，給水流量增加，一方面使進入汽包內的給水量大于蒸發量而使水位上升，如圖2中曲線2；另一方面溫度較低的給水進入汽包，吸收了飽和水和飽和汽的一部分熱量，使汽包水位下面的蒸汽體積瞬時減小，水位面下降，如圖2中曲線1。2個本文責任編輯：楊秀敏

因素的相互疊加便形成了實際水位變化曲線3(曲線1和曲線2的疊加)，鍋爐的給水壓力增大導致給水量增大，水位本應升高，但是從示計表中看到水位是先有一個下降過程，然后再升高，這時如果不了解汽包水位的動態特性，加大給水閥門的開度，使給水量進一步增大，一旦虛假水位消失，造成汽包水位的急劇上升，嚴重時會造成安全事故。

2.3給煤量擾動動態特性

汽包水位的動態特性與給煤量的擾動有密切關系[4]，給煤量擾動水位隨時間的變化，見圖3。

圖3　給煤量擾動水位隨時間的變化

鍋爐負荷和給水量都未作出改變，鍋爐給煤量增加時，爐膛的熱負荷將增大，工質的吸熱量增加，汽包內產生的飽和蒸氣量增大，這樣，蒸汽流量大于給水流量而使水位有下降的趨勢，如圖3中曲線1，但蒸發強度的增強使汽包水位以下蒸汽體積增大，從而使水位有上升趨勢，如圖3中曲線2。2個因素的相互疊加便形成了實際變化曲線3，汽包的進水量不變，但產汽量卻增大，實際汽包中的水量減少，水位面下降，但實際操作過程中水位先上升后下降，產生所謂虛假水位。

3結論

a. 分析了鍋爐汽包水位系統并對鍋爐汽包水位進行了詳細的動態分析，推導出了汽包水位的動態微分方程，從該微分方程中我們可以看出，除去系統的質量不平衡及能量不平衡直接對水位的影響外，也會通過壓力的變化影響到水位的變化。

b. 分析了鍋爐負荷、給水壓力、給煤量等擾動因素對汽包水位動態特性的影響，對虛假水位有了一個清晰的認識，使鍋爐運行人員能夠準確地了解在各種變工況情況下汽包水位的動態特性，指導鍋爐安全運行。

參考文獻:

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[3]盧權.鍋爐負荷變化時汽包緊急放水量計算分析[J].電力科學與工程,2007(9):23-26.

[4]陳鴻偉.鍋爐汽包水位動態特性分析[J].電站系統工程,2008(3):21-22.

[5]馬文通.汽包水位的一種快速動態簡化仿真模型[J].鍋爐技術,2007(5):4-6.

[6]陳鴻偉.鍋爐汽包水位影響因素分析[J].電站系統工程,2007(3):31-33.

本文責任編輯：靳書海

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

中圖分類號：TK223.67

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)01-0020-03

作者簡介：史洋(1986-)，男，工程師，主要從事電站鍋爐節能和優化運行等方面試驗及技術研究工作。

收稿日期：2015-09-22