面向控制的过热蒸汽温度动态特性分析

　　以某超临界600MW机组直流锅炉为研究对象，采用Lagrange流体质点追踪的方法建立了受热面的参数分布模型，并结合汽水分离模型、炉膛燃烧模型，建立了超临界压力直流锅炉数学模型，对其在给水量、燃烧率扰动下的高温过热器出口蒸汽温度的动态特性进行仿真试验;建立了基于仿真试验结果的高温过热器在3个典型负荷点处出口蒸汽温度对给水量、燃烧率扰动的传递函数辨识模型。仿真试验结果表明，当工况变化较大时，模型参数也将有比较大的变化。

　　1 直流锅炉的数学模型

　　1.1 受热面的参数分布模型[l]

　　受热面内工质及受热面金属热力参数的瞬态分布特性由基本方程描述为：

　　在系统的不同区域，流体的状态参数方程分别为：

　　根据式(l)~式(8)的简化假定条件，两相区工质混合物的混合温度、混合密度及混合焓应满足以下关系：

　　式(1)～式(11)中，d/dτ= ，为流体参数的全导数;z和τ分别代表系统的空间坐标和时间坐标;t、H、ρ和p分别代表管内工质流体的温度、比焙、密度、压力;w为工质的流速;x为工质两相流体的质量含汽率;ρ"和ρ'分别代表汽相和液相工质的饱和密度;H"和H'分别代表汽相工质和液相工质的饱和焓;tbh代表相应压力下工质的饱和温度;tj为金属温度;θ 为管外空气温度;qn和qw分别为内、外侧金属壁单位长度热负荷;an和aw分别为换热管内、外两侧的对流换热系数;ξ为管内工质的流动阻力系数。以上各参数均为时间τ和空间坐标z的函数。cj和mj分别为金属的比热容和单位长度的金属质量;F为工质的通流面积;fn和fw分别为单位长度的管内换热面积和管外换热面积。

　　2.2 汽水分离器数学模型

　　汽水分离器是超临界压力直流锅炉中最重要的压力容器，当锅炉负荷低于35%时，由炉膛上部水冷壁切向进入汽水分离器的工质是水和蒸汽两相混合物，分离出的水进入再循环系统，蒸汽则进入过热器系统继续进行加热。当锅炉负荷大于35%时，汽水分离器中通过的是微过热蒸汽，此时汽水分离器仅仅起连接通道的作用[2]。

　　在锅炉由冷态到纯直流运行状态的起动过程中，分离器的工质将由过冷水逐步过渡为过热蒸汽。定义分离器内工质的干度xf1为：

　　xf1=(Hf1-H')/(H"-H') (12)

　　而分离器内工质的压力Pf1可分别按下式确定：

　　式中：Vf1为分离器容积;D1b、Df2和Dps分别为水冷壁出口工质流量、由分离器进入过热器的蒸汽流量和分离器的疏水流量;ρf1、Hf1和Hf1,q分别为分离器内工质的平均密度、焓和流出分离器的蒸汽焓;Pf10为分离器的起动压力;If1为分离器的热惯性系数，其确定方法与自然循环锅炉汽包的热惯性系数相同。