余热锅炉单相受热面动态数学模型及仿真

　　0　引　言

　　采用基于动态数学模型的计算机仿真是研究联合循环机组整体动态特性及其控制策略的有利工具[1,2]。三压再热余热锅炉系统复杂,根据管内工质状态可分为单相受热面和双相受热面两类。余热锅炉中的省煤器、过热器和再热器都是单相工质受热面,它们的特点是在这些管道中流动的是单相的水或水蒸汽,工质在流动过程中不发生相变。这些受热面在余热锅炉总受热面中占很大的比例,其工作性能直接影响着整个机组的安全经济运行水平[3]。因此,研究单相介质受热面的动态特性,对了解余热锅炉的动态特性具有重要意义。

　　目前动态数学模型主要有分布参数模型和集总参数模型两类。分布参数模型形式复杂,求解困难,难于实现实时运算,极少用于整个系统动态特性的分析。而集总参数模型形式简单,易于求解,可以实现实时仿真运算,而且精度一般能够满足工程需要,可全面分析整个系统的动态特性。因此,集总参数模型在系统特性仿真研究中得到普遍应用[2~8]。

　　本文采用集总参数法建立了三压再热余热锅炉单相介质受热面的数学模型,通过仿真试验研究余热锅炉单相受热面的动态特性。

　　1　模型的建立

　　1·1　模型简化

　　单相工质受热面大多数为管式结构,本文的研究对象为顺列布置单相受热管,如图1所示。建模时,将受热面的模型简化为一根无限长的单管,如图2所示,并假设: a·把所有并联管用一根等效的受热管来代表,其介质通流面积为并联各管的通流面积之和;长度与单管长度一样; b·燃气对管壁金属及金属对管内工质都只有径向放热,管壁四周的径向传热强度均匀。c·沿管长方向无导热和其它热交换,换热只在径向进行。d·由于余热锅炉一般采用小管径,忽略管壁的导热热阻,即管壁径向无温差。e·认为管内工质充分混和,各截面参数均匀分布。

　　该数学模型由若干个代数和微分方程组成,与工质的物性函数一起构成封闭的方程组,采用数值迭代方法求解[2]。为了实时仿真的需要,模型中的微分方程采用欧拉法迭代求解,由于热力系统存在较大的惯性,其过渡过程时间常数也较大,只要选择合适的计算步距,采用欧拉法迭代求解,可保证方程求解过程是绝对稳定的[6]。

　　1·3　工程模块化仿真模型

　　大型联合循环机组设备流程复杂,要建立整个系统的仿真模型,需要采用合适的建模手段,以提高建模和验模效率。本文以一体化模型开发平台(IMMS)为基础,利用模块化建模方法,建立单相介质受热管仿真模型[9,10]。实现模块化建模的关键是单个仿真算法应进行标准化和通用化的设计。首先,将上面的单相介质换热器的数学模型转换成计算机程序,即仿真算法,并将仿真算法处理成标准化的输入、输出和系数形式。另外,使所建立的算法可以适用于工作原理相同的设备,其工作过程可用同一数学模型描述,通过设置不同的系数反映其不同的结构特性[9,10]。例如,余热锅炉中的过热器,再热器和省煤器工作原理相同,在建模时统一考虑,建立单相介质换热器的通用算法。