超临界直流锅炉的启动和工作过程的仿真外文翻译资料

超临界直流锅炉的启动和工作过程的仿真

重点：

详细建立了超临界直流锅炉启动系统的组件模型。

采用Six-equation解决两相流在制作蒸发器模型的过程中被采用。

根据稳态的设计数据进行验证展现了很好的协议。

对两种不同的冷启动过程的动态模拟进行验证。

摘要：

电力需求的迅速扩大导致了中国用电多的地区和用电少的地区之间的差距，由于燃煤超临界发电厂需要经常启动，电厂的运行变得更加灵活。在启动过程中，由于运行参数设计不合理，多瞬态现象是不可避免的，在变化的工作条件下总是出现集中排放，在变化的工作条件下总是出现集中排放，难以确保实际电厂的操作人员按照设计曲线启动锅炉。本文介绍了一种用于模拟600兆瓦超临界锅炉启动动态过程的新动态模型。将两相流的Six-equation解决方案应用于蒸发器建模，并模拟了30%锅炉最大连续等级（BMCR）从点火到负载的过程。结果表明，该模型是合理的，可以清楚的观察到动态行为。此外，这些证明了控制策略是可取的，同时启动过程的燃料消耗可以提供给实际发电厂的操作员。经验证的模型与进一步优化锅炉启动过程有很大关系。

1.介绍

近年来，由于中国经济的快速发展，电力需求增长迅速。而中国的能源资源结构决定了超过65%的电能来自化石燃料电厂。传统的发电厂、燃烧化石燃料都使排放增加导致温室效应。为了解决大型能源消耗和污染物排放严重问题，高蒸汽参数和大容量装置的发展是不可避免的。 因此，超临界机组和超超临界机组的发展成为重要的解决方案。这些机组的特征需要被更好的理解。

在中国，负荷的峰值与谷底之间的电力需求差异大于30%。经常运行的电网要有更好的灵活性。由于核电厂一般以基地运行，水力发电厂的份额小于化石燃煤发电厂，化石燃煤电厂必须频繁启动。对于启动过程，由于操作参数设计不合理，多次瞬态现象相当复杂，在变化的工况下始终出现过多的排放，确保锅炉的动态参数符合要求的设计曲线。此外，分离器必须顺利完成干湿状态转换过程，启动系统的控制策略至关重要。这对启动和电厂运营带来了巨大的挑战。为了避免缩短设备的使用寿命，启动过程的操作特性必须被更好的了解。然而由于潜在的风险，在商业化石燃料电厂进行实验是非常昂贵和严格的。数学模拟成为研究中的有用工具。 一些研究已经解决了锅炉系统中的重要问题，如超超临界锅炉系统中的垂直水壁、超临界锅炉的蒸发系统和超临界锅炉系统中的水壁。

最近一些关于超临界直流单元建模的研究被发表。Alobaid等人建立了一个超临界直流锅炉系统，其中包括一个热回收发生器。该系统模型是在名为Advanced Process Simulation Software（APROS）的商业仿真软件中开发的。该模型通过了满载和部分负载条件的设计参数进行的验证。

鼓风机启动仿真程序（DBSSP）由Li等人编写，模拟化石燃煤电厂的启动过程。 由Fortran语言开发的具有模块化结构的程序能够将点火过程建模至35%锅炉最大连续等级（BMCR）。斯塔克洛夫等人描述了亚临界发电厂的完整系统模型。为了验证模型，本文进行了两种稳态的仿真（100％负载和105％负载）。然后，在27.5%~100%的负载范围内研究了动态特性。 Oko等人通过仿真工具gPROMS建立了500兆瓦亚临界燃煤电厂的大型模型。而100%负载下的稳态验证表明，模拟结果与测量值之间的误差小于5%。然后，一些动态验证表明，该模型可以正确地模拟发电厂在100%和70%之间的性能。

Schuhbauer等人已经开发了700 ac锅炉的模型。蒸汽/水侧通过模块化建模软件进行模拟。燃烧部分用三维计算流体动力学软件计算。通过比较所有热交换器中热流的模拟结果与热力学设计值，对全负荷系统模型进行了表征。然后，从20%到80%的负载，通过耦合模型的动态模拟研究了倾斜燃烧器角度对再热蒸汽温度的影响。

Liu等人已经建立了一个超临界直通式汽车模型，可用于整体系统控制方法的设计。 50%负载和100%负载之间的模型验证证明该模型是准确的，动态模拟表明该模型的响应与实际过程完全一致。

在这些研究中进行了稳态验证和动态验证。然而没有涉及超临界直流锅炉的低负荷模拟。为确保电厂稳定运行同时为操作人员提供参考燃油曲线，对东方锅炉公司制造的600 MW超临界直流锅炉的启动过程模拟进行调查具有重要意义。起动系统包括分离器，储罐和水控制阀。启动系统从空载运行到30%负载，由水控制阀和循环泵控制。此外，在一些研究中，通过对主要蒸汽温度，压力和质量流量的动态行为以及自然循环锅炉或储水罐的水位进行模拟，对发电厂的动态特性进行了描述，考虑锅炉的这些参数，估算了超临界直流锅炉启动过程的动态特性。

本文的结构如下，首先表示了锅炉模型的方程，并通过6个方程准确地求解了蒸发器的两相流。其次，通过将稳态仿真结果与设计值进行比较来验证该模型。然后，对600 MW超临界直流锅炉进行动态仿真，通过比较模拟结果与设计值之间的主蒸汽温度，压力和质量流量，对启动系统的主要动态特性进行了讨论，并观察水位和分离器温度的变化。为了验证，模拟是在两组设计参数下进行的。最后对仿真结果进行了讨论和总结。

2.数学建模

2.1 单元说明

在本文提出的模型中，模拟了超临界直流锅炉的主要组成部分，包括炉、水壁、分离器、储水箱、循环泵、过热器、节能器等。超临界直流锅炉的系统如图1所示。

节能器位于锅炉后部的下轴上，沿着流动方向排列。给水在节能器中预热，然后，水被送到锅炉的出口，通过集中下降器进入水壁的进水头，在炉子底部被热气体加热，然后进入炉拱下面的混合集水器。在密集混合后，水被转移到上部水壁和分离器。

为了回收工作介质和热量，使用了循环泵建立循环系统。启动循环系统包括分离器、储水箱、锅炉循环泵（BCP）、BCP流量控制阀、储罐水位控制阀、排水闪蒸罐和排水泵。 在锅炉点火时，蒸发器产生饱和蒸汽，然后从分离器分离的蒸汽被带到过热器。同时，水直接泵入储水箱，大部分水通过BCP循环回到节能器中与供水混合，其余的水被转移到排水闪蒸罐。

2.2一般假设和基本方程

此外，为了得到方程的推导需要进行一些简化。在系统模拟时需要进行一些假设：

①省略了每个模拟部分炉内温度的空间分布，然后通过将炉子分离成许多部分来进行校正；

②完整的燃烧要假定一个稳定的火焰，因此对燃烧建模需要一个工作点；

③所需的空气量与燃烧的理论空气消耗量一致；

④烟气流量并不是启动过程相对于全负荷的一个问题，只有辐射热传递是在过热器中建模的。对流传热被省略。

此外，包括在超临界直流锅炉中的热液压模块由不同的模型进行模拟。最常用的模型是气液两相流模型。通过考虑质量平衡、动量平衡和能量平衡模拟热液压模块。此外，在两相流模型中要考虑界面传热系数和摩擦系数。

图1超临界直流锅炉启动系统图

2.2.1均匀流动模型

当使用集总参数法对锅炉建模时，在均匀模型中采用质量，流量和能量守恒方程的混合物守恒方程。该模型认为具有液相和气相的模块的速度和温度是相同的。因此，使用该模型来模拟单相流模块是合理的，包括过热器和节能器。

质量守恒：

动量守恒：

能量守恒：

在这些方程中，表示通过壁传递的热量，是流体和墙壁表面之间的摩擦力，空间离散和时间离散化被应用于偏微分方程，交错离散化方案用于空间离散化。然后，在网格的不同空间中，解决了不同的参数。例如，在网格的中间计算状态参数，在不同网格的连接处，解决了流量相关参数。当计算焓时，利用一级逆风方案。同时，隐式方法用于时间离散化，压力、空隙率和焓的线性方程组按顺序求解。通过网孔的压力和焓，可以得到密度。

2.2.2两相模型

由于存在于水和蒸气之间的边界滑移，需要两相模型来建模水壁系统。确定质量、动量和能量的1D保守性，用于两相解决方案。在这些方程中，采用了一些经验相关性，如壁与界面之间的摩擦和传热。流量参数和方程可以完全描述热传递，水和蒸气分别有三个方程。 因此，两相流模型需要六个方程。

质量守恒：

动量守恒：

能量守恒：

在这些方程中，下标k是w =水或v =蒸气，i表示水和蒸气之间的界面,m表示金属壁。 术语C是指水与蒸汽之间的质量交换率，F表示摩擦力，Q表示热流。在动量平衡方程中，最后三个项表示阀的摩擦损耗的摩擦和泵的头部。在第6个等式中，术语h是包括动能的总焓。

对于墙壁和流体，存在三个不同的传热区域：用于液体流动的润湿壁区域、用于蒸汽流动的干燥壁区域和存在两相流动的过渡区域。因此，方程式中的壁热传递是指不同区域的热传递相关性不同。在每个区域中，需要知道最小膜沸腾温度和不同的临界热通量。

式中的界面摩擦由流动区域中的流动类型决定。像墙壁传热的相关性一样，的形式在每个区域也不同。 水壁内的流动可以是分层流动或非分层流动，不同流量类型相关的加权平均值可用于解决两相流之间的界面摩擦，如分层率R。

2.2.3分离器型号

图2是分离器的原理图，其中在启动过程中实现相分离。从水壁流出的水蒸气混合物进入分离器，从分离器底部分离出来的水分为两种不同的流动类型，分别为循环的和排出的。 蒸汽与液体表面的上部分离，因此，假设只有两个出水是水和蒸汽，由水和蒸气界面分隔的分离器体积有两个区域。因此，质量平衡方程和动量平衡方程写成如下：

质量守恒：

动量守恒：

在上述等式中，下标vw、v、w、m表示蒸汽-水混合物流体、从分离器离开的蒸汽、水分离器和分离器的金属分别分开。是分离器中蒸汽区的体积，V是水区的体积、D是流量、q是密度、h是焓、U是工作液体的内部能量。术语M是分离器的质量、C是分离器的比热容、术语是分离器的温度。这是在分离器壁面的温度等于分离器中的工作流体时做出的假设。

2.3

超临界直流锅炉启动系统由VTT芬兰开发的商业软件包APROS进行模拟。启动系统模型包括高精度的水/蒸汽流动路径，而高压加热器出口被建模为入口边界条件，高压涡轮机段被建模为出口边界条件，烟气路径由燃料和空气入口到尾部烟道出口建模。

根据快速完全燃烧的假设，燃料和空气的燃烧在一个节点中建模。然后，从燃烧节点流出的高温气体通过辐射与水壁交换热量。装有水壁的炉子由分为热交换器分为五层，除了最低层外，每个层中有四个分开的热交换器表示四个方向的热传递过程。气体升到炉顶，它与压板过热器和高温过热器交换热量，然后气体从炉中流出并进入尾气道，气体继续与低温过热器、再热器和节能器交换热量，分离器和储水箱在一个模块中建模。水位、控制阀、BCP（锅炉循环泵）和BCP流量控制阀分别建模，最终的超临界直流锅炉启动系统模型代表了非常高的细节和精度。例如，蒸发器和锅炉启动循环系统网络如图3和图4所示。

蒸发器由五层交换器建模，在蒸发器的底部，从节能器流出的水在下部集管中混合，其由一个不透水的管道建模。 因此，省略了头部和环境之间的热传递过程。这种建模考虑被引用到文献[25]。位于上水壁和下水壁之间的中间混合头也由一个绝热管模拟，其中水/蒸汽可以更平均地混合。在蒸发器的上部，来自上混合头的水/蒸汽将被压入分离器。

图3蒸发器模型

图4锅炉启动循环系统模型

锅炉启动循环系统网由分离器、储水箱、排水阀、BCP和BCP流量控制阀组成。在锅炉启动循环系统中有很多参数，如储水箱的水位和水的流量需要被控制。锅炉的控制电路启动循环系统如图5所示。

图5储水箱控制电路的水位

在锅炉启动循环系统网中，排水阀控制储水箱水位具有重要作用。BCP流量控制阀对控制水壁流量具有重要作用。因此，为了保持储水箱的水位在10米以内，已经采用了PI控制器来控制作为排水阀2的执行机构。但排水阀2的控制策略只适用于10米左右的水位，当在蒸发器中产生蒸汽时，会出现假水位现象。

储水箱的水位上升很快，因此在水位超过14.1米后，快速排水阀门1打开。采取这种控制策略，保持水位低于报警水平15m。排水阀3的功能是转移控制策略。储水箱的水位低于8m时，排水阀3关闭。在这种情况下，储水箱水位的控制策略将切换到BCP流量控制阀。当储水箱的水位在4.4m到8.8m的范围内时，BCP流量控制阀1将在PID控制器下操作。当储水箱的水位低于4.3m时，BCP流量控制阀3将被快速关闭。这一行动的目的是将运行状况从循环转移到一次。对于BCP流量控制阀2，主要功能是使水壁的水流量保持恒定在循环状态。

3. 稳态下的模型验证

本文使用的模型是为了模拟600兆瓦超临界直流锅炉的启动过程而建立的。为了评估该模型，模拟了在40%THA（涡轮热接收）下的稳态，这是设计数据中与起动过程最接近的状态。

使用设计参数建立了系统模型，在复杂动态模拟启动过程之前，必须进行稳态验证。选择40%THA下的边界条件作为参考条件，然后模型无干扰直到稳态运行。

4.模拟结果的讨论

模拟了两种冷启动过程：72小时关机后长时间关机和启动启动。启动时间从起火到30%负载，模拟时间分别为350分钟和848分钟。 在这些模拟过程中，一些参数可以表示动态特征，因此，将高超级加热器出口的蒸汽流量和温度与设计值进行比较。一些参数可能表现出启动过程的干湿状态转变现象，因此，将观察分离器的水位和分离器的蒸汽/水的温度。

4.1长时间关机后的冷启动

在长时间停机后的冷启动过程中，模拟结果与主蒸汽温度和主蒸汽质量流量设计值的比较如图6所示。在温度比较形态中，模拟值（蓝线）在805分钟之前略低于设计值（黑线），从那时起，模拟值逐渐升高。由于集总参数假设导致热惯性的偏斜，当燃料流量增加时，主蒸汽质量流量和模拟温度升高得更快，当涡轮运行时，最大的温差发生在375分钟。工厂模拟主蒸汽温

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