360MW 机组汽包压力及水位仿真模型研究发表时间: 2010-3-3作者：向贤兵，向上摘要：一、汽包压力及水位数学模型的建立本文以某电厂 360MW 机组锅炉为研究对象，将其蒸发区作为一个集中参数对象处理 1，经过一定假设和合理简化，推导和建立额定负荷下的汽包压力和水位数学模型。汽包水位集中参数的物理模型如图 1 所示。1.1 基本假设对系统进行简化，并做如下假设1：(1) 蒸发区是一个各点具有相同状态参数的对象，其中各点压力和温度相同，即压力和温度仅为时间的函数，而与空间无关，是一个集中参数模型； (2)蒸发区内工质均处于饱和状态；(3)饱和蒸汽和饱和水的密度与焓仅是压力的函数； (4)因管内壁换热系数很大，管子金属温度与工质饱和温度一致。1.2 汽包压力数学模型l, 2汽包压力数学模型的输出信号是汽包压力，其输入信号是给水量、给水焓、炉膛热负荷（蒸发区吸热量）和汽包出口蒸汽量。由蒸发系统的质量平衡可以得到：式中，P w、P s 分别为饱和水、汽的密度， kg/m3。根据假设(3)可得： 式中，P b 为汽包压力，MPa 。由于蒸发区汽水总容积不变，即 Vw+Vs=常数，故有：式（2）、式（1）可得：根据蒸发系统的能量守衡，可以得到：式中，h sm 为给水焓，kJ/kg;t j 为饱和温度，；m j 为有效金属质量，kg; cj 为金属比热容，kJ/kg;hs、h w 为饱和蒸汽及饱和水的焓，kJ/kg。从式（4）可求得 dVw/dt，并代入式（ 6）得：式中，h q 为给水欠焓；h q=hw-hsm;r 为汽化潜热，r=h s-hw。式中，I p 为蒸发区热惯性，即在单位压力变化时，蒸发区所释放（或存储）的热量。可用锅炉额定工作点的有关参数计算得到，其仅取决于锅炉的类型和参数，与容量无关。1.3 汽包水位数学模型2,3蒸汽在水中的停留时间为 t=H/E，水中蒸汽容积为 DsH/E，其中 s 为饱和蒸汽的比体积，所以汽包实际水容积为 Vw+Dvs H/E。 设汽包截面积为 F，可得到容积平衡方程：对式(9)微分可得： 由式(9)可得：由式(1)、(4)(6)可推得：将式(13)代入式(11) 可得： 由式(15)可见，汽包水位不仅与给水流量、蒸汽流量的平衡有关，也与蒸发系统吸热量及汽包压力变化有关。1.4 模型中系数的计算在饱和状态，汽、水的状态参数如饱和水的比体积 w(m3/kg)、比焓 iw(kJ/kg)与饱和汽的比体积 s(m3/kg)、比焓 is(kJ/kg)都是汽包压力 pb 的函数。在 14.7-19.6MPa 的压力范围内，可用多项式近似公式计算4。 二、汽包水位动态特性仿真分析s2.1 仿真模型的建立选用通用仿真软件 Matlab 作为仿真平台6，根据式(7)、式 (15)，在 Matlab/Simulink 中搭建汽包水位仿真模型并进行封装(图 2)。 由图 2 可见，蒸发区仿真模型的输入量有吸热量 Q、给水流量 w 、蒸汽流量 D，输出量有汽包压力 Pb、汽包水位 H。通过修改对应的汽轮机调节阀开度（u 1、u 2、u 3）即可进行动态特性试验，并通过示波器观察响应曲线。2.2 汽轮机调节阀开度增大 10%在额定工况下，汽轮机调节阀开度增大 10。图 3、图 4 和图 5 分别给出了在此扰动下汽包压力、蒸汽流量和汽包水位的阶跃响应曲线。由图 3 可见，当汽轮机调节阀开度突然增大时蒸汽流量将随之增大，汽包出口热量增加，但进入炉膛的热量没有变化，导致热量的不平衡，造成汽包压力下降。由图 4 可见，主蒸汽流量增大，造成汽包压力下降及汽轮机调节阀前压力下降。这样，主蒸汽与再热蒸汽流量将逐步下降，最后达到稳定状态。汽包压力下降导致单位工质的汽化潜热增加，由于辐射热量不变，最终的蒸发量比原数值略小。由图 5 可见，汽包压力的下降使工质饱和温度降低，汽包内的水释放蓄热量，产生附加蒸发量，从而使汽包水室的汽泡数量增加。另外，由于汽包压力下降，单个汽泡的体积增大，两者同时促使汽水混合物体积急剧膨胀，使汽包水位快速上升，产生虚假水位。随着汽包的水耗量增加，在给水量未增加和蒸汽逸出水面后，汽包水位随之下降。因此，当汽轮机调节阀扰动时汽包水位变化的动态特性表现为具有惯性、无自平衡能力的特征。2.3 给水流量增加 10%在额定工况下，给水流量增加 10。图 6、图 7 和图 8 分别给出了在给水流量扰动下汽包压力、蒸汽流量和汽包水位的阶跃响应曲线。由图 6 可见，给水流量阶跃增加后，由于温度较低的给水进入省煤器、汽包和水循环系统，从原有的饱和汽水中吸收了一部分热量，造成汽包压力下降。由图 7 可见，由于汽包压力下降，汽轮机调节阀开度不变，主蒸汽压力下降，主蒸汽流量也将随之减少。由图 8 可见，当给水流量阶跃增加后，由于温度较低的给水进入省煤器、汽包和水循环系统，从原有的饱和汽水中吸收了一部分热量，使水面下汽泡容积有所减小，造成汽包水位暂时下降，产生虚假水位。另外，使进入汽包内的给水量大于蒸发量，汽包水位最终上升。因此，当给水流量扰动时，水位变化的动态特性表现为有惯性、无自平衡能力的特征。2.4 燃料量减少 10%在额定工况条件下，燃煤量扰动减少 10。图 9、图 10 和图 11 分别给出了在此扰动下汽包压力、蒸汽流量和汽包水位的阶跃响应曲线。 由图 9 可见，当燃料量减少时，由于水冷壁吸热量减少使得水冷壁汽化减弱，锅炉的蒸发能力降低，造成汽包压力下降。有图 10 可见，由于汽包压力下降，汽轮机调节阀开度不变，主蒸汽压力下降，主蒸汽流量也将随之减少。由图 11 可见，燃料量阶跃减少，造成汽包水位暂时下降，产生虚假水位，但由于给水量没有变化及汽包出口流量的减小，使汽包水位最终上升。因此，当燃料扰动时，水位变化的动态特性表现为具有惯性、无平衡能力的特征。三、结论以某电厂亚临界 360MW 机组锅炉为对象，把蒸发区作为一个集中参数对象处理，通过假设和合理简化，推导了额定负荷下汽包压力和水位的数学模型。在 Matlab/Simulink 平台搭建了仿真系统，得出各种扰动下的系统主要变量的特性曲线。仿真试验表明，所建模型各系数为压力的函数，模型具有明显的时变性与非线性，可用于检验控制系统在大范围内的控制性能或用在仿真机上。同时，也可用于锅炉汽包压力水位、蒸发量的动态特性研究。