燃气—蒸汽联合循环机组余热锅炉的动态特性仿真

    周旭东 康英伟

    摘 要：为了解决传统能源利用率较低的问题，同时回收再利用传统能源的多余热量，即余热的回收再使用问题。本文通过模块化建模方法，建立了燃蒸联合循环机组余热锅炉基本部件比较精细的通用模型及描述各个模块之间联系的系统结构模型，并针对某电厂实际运行的余热锅炉加入不同扰动，观察其动态输出特性。响应曲线表明该模型有助于判断汽水侧动态过程对余热锅炉工作效率的影响，可见对余热锅炉的动态特性进行仿真研究可以为余热锅炉的工作特性及其控制系统的设计提供一定的理论依据。

    关键词：余热锅炉；模块化建模；汽水系统；动态特性；仿真

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.146

    0 引言

    燃气-蒸汽联合循环发电系统利用燃气轮机排气的热量加热余热锅炉，产生蒸汽推动汽轮机做功。其中余热锅炉是承接燃气循环和蒸汽循环的重要中间环节，因此它的工作状态可以直接影响到整个发电系统运行的稳定性和高效性。

    基于以上观点，了解余热锅炉工作的动态特性是很有必要的，通过对余热锅炉整体系统进行模块划分，本文将依次建立余热锅炉烟气侧、单相区、两相区和辅助部件等模块的动态数学模型。为了提高各个模块的模型精度，本文采用集总参数来描述各个模块的动态特性。通过对每个模块做一定条件的假设与简化，从而列出其数学模型表达式，并在Matlab/Simulink平台上搭建余热锅炉的整体系统仿真图，最后选取适当的参数变量在所建仿真系统的基础上讨论自然循环余热锅炉的动态特性[1]。

    1 自然循环余热锅炉的基本结构

    燃蒸联合循环余热锅炉基本结构由烟道系统、各个换热模块以及辅助部件组成。由于燃气轮机排气温度较高，为了充分利用这部分热量，本文中烟气流向与各个换热面采用逆流方式布置，如下图1所示。高温烟气从右至左通过烟道依次与过热器、蒸发器、省煤器交换热量后排入大气。冷凝水经过给水泵加压后送入省煤器中，通过吸收烟气的热量完成预热后进入汽包中，与汽包中的饱和水混合后进入蒸发器。由于蒸发器内下降管和上升管之间存在压力差，工质在压差作用下从下降管进入上升管，与烟气换热后完成变相，汽水混合物通过汽水导管流入汽包中完成自然循环流动。随着上升管吸热量的不断增加，汽包内的饱和蒸汽排出进入过热器，与烟气换热后变为过热蒸汽经气阀节流送入透平中做功，推动蒸汽轮机发电，最后排入冷凝器，完成水的自然循环[2]。

    2 余热锅炉各部件的数学模型的建立

    根据余热锅炉各个受热部件管内介质在与烟气的换热过程中是否发生相变将它们分为单相区和两相区。其中省煤器、过热器和再热器均为单一介质的无相变换热过程，都为单相区，可以建立通用的单相区数学模型[3]。蒸发器内介质由水变为汽水混合物，所以为两相区模型，其和汽包共同构成余热锅炉的蒸发系统。

    2.1 单相区数学模型（以省煤器为例）

    下面以单相区的省煤器为例，分析其工作过程。如下图2所示，单相区模型入口参数主要包括工质的入口流量、密度、焓值和温度，出口参数主要包括工质的出口流量、密度、焓值和温度。省煤器中工质与烟气的换热过程主要是烟气对管壁金属的放热过程和工质向管壁金属的吸热过程，还包括工质的物性参数方程，具体方程描述可参考文献[4]。过热器工质的换热过程与省煤器类似，可用相同的数学模型处理。

    工质的状态方程为水和水蒸气的物性参数方程，由水和水蒸气性质的IF97计算公式导出，通过这两个状态方程的桥梁作用，使工质的质量平衡方程和能量平衡方程可以耦合起来。这样公式（1）～（8）就可以描述余热锅炉单相区模型各个状态变量随时间的变化情况。代入具体的参数就可以在Matlab/Simulink平台上得出工质出口温度动态响应曲线。

    2.2 两相区数学模型（以蒸发器为例）

    根据蒸发系统的工作原理和组成结构，本文在一定假设条件下将蒸发系统分为三个环节分别进行建模：汽包模型、下降管模型和上升管模型[6]。下图3为自然循环蒸发系统示意图，它表明了汽包、下降管、上升管和汽水导管之间的连接关系，同时注明了介质的循环流向。

    2.2.1 汽包模型

    在建立锅炉汽包模型过程中，汽包压力和汽包水位是可以反映汽包运行状态的两个重要参数，尤其是汽包水位，它反映了汽包内蒸汽负荷和给水量之间的质量平衡关系。汽包的压力、水位由汽侧和水侧的质量平衡方程以及汽包整体的能量平衡方程、工质物性参数方程所确定[7]。

    上图3中，分别为省煤器出口流量和焓值；分别为下降管工质的平均流量和平均焓值；分别为汽水导管工质出口流量和焓值；分别为汽包出口饱和蒸汽流量和焓值；为汽包连续排污流量；为汽包内饱和水焓值；为被省煤器来水所凝结的饱和蒸汽量；为汽包内汽侧压力下降时的附加蒸发量[8]。

    水侧质量平衡方程：

    为上升管截面积。

    3 余热锅炉各模块的动态仿真

    通过添加容积模块、气阀模块和透平模块等辅助部件，将各个模块组合连接起来可以得到余热锅炉系统整体的仿真图如下图4所示：

    本文主要研究余热锅炉对燃气轮机排气变化和蒸汽轮机流量变化的动态响应特性，这不仅关系到余热锅炉运行的高效性和稳定性，同时也是联合循环发电系统整体优化的关键因素。通过对燃机排气温度、排气量分别加入阶跃扰动，来研究汽包压力、汽包水位以及过热蒸汽的流量、温度变化情况，对于联合循环发电系统余热锅炉的优化与设计具有重要意义。下面针对某电廠具体的余热锅炉给出其动态响应特性，某余热锅炉主要参数如下：燃气轮机排气流量533.2 kg/s，排气温度490 ℃，省煤器入口给水温度260 ℃，饱和汽包压力16.5 MPa，过热蒸汽流量45 kg/s。在Matlab/Simulink仿真平台上编制各模型对应的程序，将上述具体数值赋予相应参数，可以得到各个研究变量的仿真结果如下各图所示：其中实线表示燃气温度阶跃扰动10%时的响应曲线，虚线表示燃气流量阶跃扰动10%时的响应曲线。

    图5给出了汽包压力随时间的变化规律。随着上升管吸热量的不断增加，管内介质的产汽量也随之增加，通过汽水导管进入汽包使汽包压力也不断上升。随着汽包压力的上升，汽包排气量也会随之增加，而蒸汽流量的变化也会影响汽包压力的变化，当某一时刻上升管的产汽量和汽包的排气量达到平衡后汽包压力便会趋于平衡状态。

    图6给出了过热蒸汽流量随时间的变化规律。在汽轮机阀门开度保持不变的情况下，随着汽包压力的不断上升，汽包排气量会增加，过热器出口的过热蒸汽流量也会随之增加。因此过热蒸汽流量的变化趋势和上图5中汽包压力的变化趋势大致相同。

    图7给出了汽包水位随时间的变化规律。当对烟气温度或烟气流量加入阶跃扰动时，随着上升管吸热量的不断增加，两相区内会产生大量的气泡，这些气泡通过汽水导管进入汽包内液面以下，从而使汽包水位刚开始有略微的上升，即出现“虚假水位”现象。同时随着汽包压力的不断上升，汽包蒸发量也会随之增加，使得最后汽包蒸发量大于省煤器给水流量，从而导致汽包水位不断降低，没有自平衡能力。

    图8给出了过热蒸汽温度随时间的变化规律。开始阶段随着上升管吸热量的不断增加，两相区内产生大量的气泡，使汽包排出的蒸汽温度升高，从而导致过热蒸汽温度也会随之升高。当汽包排出的蒸汽流量大于上升管的产汽量时，过热蒸汽温度会略微降低一点，最后趋于稳定。

    4 结论

    关于燃蒸联合循环发电系统中余热锅炉的运行特性仿真，许多文献和专家学者都对其进行了深入的研究，并建立了不同的数学模型[11，12]。而本文采用模块化建模的方法建立了燃蒸联合循环余热锅炉汽水系统中各个模块的动态数学模型，并通过选取适当的参数得到了输出变量的动态响应曲线，根据响应结果可以得到以下结论：

    （1）该模型能够较准确地反映在机组变负荷运行过程中过热蒸汽的流量和温度的变化规律，以及在烟气扰动作用下所发生的动态响应，且所建数学模型运行稳定，具有较高的动态响应精度。

    （2）本文所建模型可为余热锅炉控制系统研究提供可靠的非线性对象模型，同时为联合循环机组的整体仿真提供了良好的子系统模型。

    参考文献：

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    [7]裘浔隽，杨瑜文，林中达.余热锅炉的动态数学模型及数字仿真[J].动力工程学报，2002，22（06）：2078-2083.

    [8]毛晓飞，任挺进.余热锅炉汽水系统动态数学模型及仿真[J].锅炉技术，2005，36（02）：4-8.

    [9]毛晓飞，任挺进.余热锅炉汽水系统动态数学模型及仿真[J].电站系统工程，2004，36（06）：17-20.

    [10]党自立.基于Matlab/Simulink的锅炉建模及其动态特性研究[D].北京：华北电力大学，2014.

    [11]Flynn M E，Malley M J O.A drum boiler model for long term power system dynamic simulation[J].IEEE Transactions on Power Systems（S0885-8950），1999，14（01）：209-217.

    [12]章臣樾.鍋炉动态特性及其数学模型[M].北京：水利电力出版社，1987.

    基金项目：国家自然科学基金（61573239）；上海市自然科学基金（15ZR1418600）

    作者简介：周旭东（1994-），男，河南新野人，硕士研究生，研究方向：大型火电机组的建模与仿真。

    *为通讯作者