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300MW原理型仿真機(jī)鍋爐建模
發(fā)布時(shí)間:2013-09-28 19:09 來(lái)源:未知
1、引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)用電量的需求逐步增加,發(fā)電機(jī)組不斷增多。同時(shí)機(jī)組向著高參數(shù)、大容量方向發(fā)展,電廠控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平也越來(lái)越高。由于電廠自動(dòng)化水平的提高,運(yùn)行人員逐漸減少,而且在正常滿負(fù)荷情況下,操作人員幾乎不需要進(jìn)行操作,使得電力專(zhuān)業(yè)學(xué)生在實(shí)際電廠中學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)減少。電力系統(tǒng)院校肩負(fù)著培養(yǎng)電力人才的任務(wù),傳統(tǒng)的課本講解和電廠實(shí)習(xí)已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要。為適應(yīng)電力院校對(duì)在校學(xué)生的培訓(xùn)要求,我們以STAR - 90仿真支持系統(tǒng)為基礎(chǔ),對(duì)某發(fā)電廠的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用模塊化建模方法,開(kāi)發(fā)了300 MW火電機(jī)組原理型仿真機(jī)。該仿真機(jī)的仿真對(duì)象來(lái)源于實(shí)際機(jī)組,同時(shí)又針對(duì)學(xué)校培訓(xùn)的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn),既保留了電廠的主要設(shè)備和過(guò)程,又對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。該模型對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)、停爐、故障和正常運(yùn)行操作進(jìn)行了仿真,給電力專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供了良好的培訓(xùn)環(huán)境,可以滿足電力專(zhuān)業(yè)學(xué)生和電廠運(yùn)行人員的培訓(xùn)要求。
2、仿真對(duì)象概述
300 MW火電機(jī)組原理型仿真機(jī)仿真的對(duì)象為某發(fā)電廠1#機(jī)組,鍋爐由哈爾濱鍋爐廠制造,型號(hào)為HG1025/18.2 -YM6型,與上海汽輪機(jī)廠N300 - 16. 7/538/538型汽輪機(jī)及上海電機(jī)廠QSFN - 300 -2型發(fā)電機(jī)匹配成單元機(jī)組。鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、控制循環(huán)、單爐膛、固態(tài)排渣煤粉爐。制粉系統(tǒng)采用中速磨,正壓直吹冷一次風(fēng)機(jī)形式,鍋爐呈Ⅱ形布置,三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,采用平衡通風(fēng),擺動(dòng)式燃燒器四角布置切園燃燒。鍋爐采用刮板式撈渣機(jī)作為出渣裝置。
額定工況(88.3%MCR)主要參數(shù)如下:
過(guò)熱蒸汽流量 905.3 t/h
過(guò)熱蒸汽出口壓力 17. 26MPa
過(guò)熱蒸汽出口溫度 540℃
再熱蒸汽流量 745. lt/h
再熱蒸汽進(jìn)口壓力 3 .41MPa
再熱蒸汽進(jìn)口溫度 317.3qC
再熱蒸汽出口溫度 540℃
給水溫度 273.1℃
排煙溫度 123.9℃
3、控制循環(huán)鍋爐的仿真模型
3.1STAR - 90模塊化建模和仿真支撐平臺(tái)簡(jiǎn)介
仿真機(jī)模型的開(kāi)發(fā)是建立在STAR - 90模塊化建模和仿真支撐平臺(tái)上的。STAR - 90模塊化建模方法來(lái)源于系統(tǒng)分解的思想。由于實(shí)際系統(tǒng)設(shè)備眾多,連接關(guān)系復(fù)雜,難以用單一的函數(shù)或程序來(lái)模擬。根據(jù)系統(tǒng)分解的思想,將系統(tǒng)分解為若干個(gè)功能獨(dú)立、可分別調(diào)試的模塊,各個(gè)模塊完成一定的功能,由支撐系統(tǒng)完成模塊之間的連接。采用這種方法降低了建模的難度,便于模型的查錯(cuò)、調(diào)試和修改,而且各種模塊所使用的算法可以重復(fù)使用,提高軟件開(kāi)發(fā)的效率。模型建立的基礎(chǔ)是模型算法庫(kù)。模型算法是以電廠中的設(shè)備、管道、控制邏輯為對(duì)象編制的子程序,具有通用性。這些算法分為過(guò)程算法和通用算法兩類(lèi)。過(guò)程算法是針對(duì)電廠中的設(shè)備、管道,根據(jù)物質(zhì)守恒、能量守恒、動(dòng)量平衡的原理,嚴(yán)格按照物理過(guò)程,利用歐拉法對(duì)微分方程進(jìn)行差分而建立的,如汽包算法、爐膛燃燒算法、過(guò)熱器算法、磨煤機(jī)算法等等。通用算法完成邏輯運(yùn)算功能,如邏輯與算法、邏輯非算法。
STAR - 90模塊化建模和仿真支撐系統(tǒng)支持多個(gè)模型同時(shí)運(yùn)行,在線模塊化建模、在線調(diào)試、擴(kuò)充和修改,可以大大縮短仿真機(jī)的建設(shè)周期,是一種先進(jìn)的仿真支撐軟件。
3.2鍋爐仿真模型
根據(jù)實(shí)際電廠的流程和仿真機(jī)的仿真范圍,鍋爐模型分為汽水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、制粉燃燒系統(tǒng)3個(gè)部分。
3.2.1汽水系統(tǒng)
鍋爐安裝3臺(tái)爐水循環(huán)泵,保證了水冷壁在各個(gè)工況下能夠得到足夠的冷卻。循環(huán)倍率較低,約為2左右。鍋爐給水經(jīng)省煤器及省煤器吊管進(jìn)入汽包,與爐水相混合后進(jìn)入下降管,再經(jīng)爐水循環(huán)泵升壓后在水冷壁中受熱形成汽水混合物。汽水混合物進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離;水繼續(xù)循環(huán);飽和蒸汽從汽包引出進(jìn)入過(guò)熱器。過(guò)熱蒸汽經(jīng)頂棚過(guò)熱器和后墻包覆及側(cè)墻包覆,進(jìn)入水平低溫過(guò)熱器和垂直低溫過(guò)熱器。然后依次流經(jīng)分隔屏、后屏、末級(jí)過(guò)熱器,送至汽輪機(jī)的高壓缸作功。過(guò)熱汽系統(tǒng)設(shè)有兩級(jí)噴水減溫。第一級(jí)減溫器設(shè)在低溫過(guò)熱器出口,進(jìn)行粗調(diào);第二級(jí)減溫器設(shè)在后屏出口用于微調(diào)主汽溫度。過(guò)熱器采用二級(jí)噴水。第一級(jí)噴水減溫器設(shè)于低溫過(guò)熱器到分隔屏過(guò)熱器的大直徑連接管上。減溫水來(lái)自給水泵出口,最大噴水量為102.5t/H。
為防止鍋爐超壓,在過(guò)熱器出口設(shè)有兩個(gè)彈簧安全閥和一個(gè)電磁泄放閥。
機(jī)組的高低壓旁路系統(tǒng)容量為30%,并在鍋爐尾部豎井下集箱處設(shè)有5%的起動(dòng)疏水旁路。它的作用是在鍋爐起動(dòng)升溫升壓時(shí),控制過(guò)熱汽溫和主汽壓力匹配,以滿足汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的要求。
自汽輪機(jī)高壓缸排出作功后的冷再熱蒸汽首先進(jìn)入墻式輻射再熱器,然后流經(jīng)屏式再熱器和末級(jí)再熱器,再送至汽輪機(jī)中壓缸作功。在墻式再熱器入口設(shè)有事故噴水減溫器,用于事故情況下的噴水減溫。再熱器正常調(diào)溫主要靠燃燒器的擺動(dòng),改變爐膛內(nèi)火焰中心的高度進(jìn)行調(diào)節(jié),但再熱汽溫調(diào)節(jié)延遲較大,當(dāng)燃燒器擺角調(diào)整不過(guò)來(lái)時(shí),則采用事故噴水進(jìn)行再熱汽溫調(diào)調(diào)整。采用事故噴水調(diào)整再熱汽溫,會(huì)增加再熱蒸汽流量,增加中、低壓缸的作功量,使機(jī)組的熱效率降低,因此正常應(yīng)采取擺動(dòng)燃燒器角度調(diào)整再熱汽溫。過(guò)剩空氣百分比的改變對(duì)再熱器和過(guò)熱器的調(diào)溫也有一定的作用。在墻式輻射再熱器入口裝有三個(gè)彈簧安全閥,末級(jí)再熱器出口裝有兩個(gè)彈簧安全閥,以防止鍋爐超壓。
在建立汽水系統(tǒng)模型的過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際電廠的流程,將汽水系統(tǒng)的設(shè)備與STAR-90模型算法庫(kù)的算法相對(duì)應(yīng),通過(guò)模型模塊變量搭接來(lái)建立設(shè)備的換熱模型和流動(dòng)模型。
在建模過(guò)程中,為反映過(guò)熱汽和再熱汽的兩側(cè)汽溫偏差和煙溫偏差,利用了單相介質(zhì)換熱器算法。將各級(jí)過(guò)熱器、各級(jí)再熱器分為A、B兩側(cè),分別建立換熱模型。在建摸中注意使過(guò)熱器、再熱器模型能反映出換熱過(guò)程以及泄漏、積灰等故障現(xiàn)象和吹灰對(duì)其換熱的影響。對(duì)于鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng),模型采用下降管算法、水冷壁算法、汽包算法構(gòu)成,使其能夠良好地反映水循環(huán)特性;同時(shí)能夠反映出給水流量變化,燃料變化、主汽門(mén)開(kāi)度變化、噴水量變化時(shí)對(duì)汽包壓力、汽包水位和主汽流量的影響。利用閥門(mén)算法、流量算法,聯(lián)箱算法和壓力節(jié)點(diǎn)算法以及汽包算法,建立了工質(zhì)流動(dòng)的模型。其中包括主蒸汽流動(dòng)、再熱汽流動(dòng)、過(guò)熱汽和再熱汽的噴水減溫、旁路系統(tǒng)以及安全門(mén)、對(duì)空排汽門(mén)、電磁泄放閥、疏水門(mén)的開(kāi)關(guān)過(guò)程。對(duì)各種閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間和流通量嚴(yán)格依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)參數(shù)進(jìn)行整定。其開(kāi)啟、關(guān)閉條件與現(xiàn)場(chǎng)保持完全一致,使它的影響能夠在模型中得到正確反應(yīng)。
3.2.2風(fēng)煙系統(tǒng)
風(fēng)煙系統(tǒng)包括二次風(fēng)系統(tǒng),一次風(fēng)系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。
二次風(fēng)系統(tǒng)的作用是向爐膛提供煤粉燃燒所需要的空氣,保證煤粉在爐膛中完全燃燒。二次風(fēng)系統(tǒng)包括兩臺(tái)送風(fēng)機(jī),兩臺(tái)回轉(zhuǎn)式空氣予熱器和各自的擋板。空預(yù)器為三分倉(cāng)結(jié)構(gòu),空預(yù)器前設(shè)有暖風(fēng)器,以提高空預(yù)器入口風(fēng)溫。兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)出口設(shè)有聯(lián)絡(luò)管和平衡門(mén),用以平衡風(fēng)壓。二次風(fēng)由送風(fēng)機(jī)升壓后,經(jīng)暖風(fēng)器,在空預(yù)器中加熱后進(jìn)入二次風(fēng)箱,經(jīng)燃燒器送至爐膛助燃。
一次風(fēng)系統(tǒng)用來(lái)提供攜帶和干燥煤粉的,鍋爐設(shè)有兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)。冷風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)機(jī)升壓后分成兩路,一路直接進(jìn)入磨煤機(jī)稱(chēng)為冷一次風(fēng),另一路經(jīng)空預(yù)器加熱成為熱一次風(fēng),熱一次風(fēng)和冷一次風(fēng)在進(jìn)入磨煤機(jī)前都有調(diào)節(jié)擋板,調(diào)節(jié)冷一次風(fēng)擋板的目的是為了使進(jìn)入磨煤機(jī)的總一次風(fēng)量滿足磨煤機(jī)磨煤的要求,調(diào)節(jié)熱一次風(fēng)擋板的目的是為丁維持磨煤機(jī)出口溫度在75℃。熱一次風(fēng)和冷一次風(fēng)混合后送至磨煤機(jī),以干燥和攜帶煤粉,經(jīng)一次風(fēng)管送煤粉至爐膛燃燒。
煙氣系統(tǒng)的作用是排出煙氣,維持爐膛負(fù)壓。煙氣系統(tǒng)設(shè)有兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)。燃料在爐膛燃燒產(chǎn)生的煙氣,由尾部煙道排出,經(jīng)電除塵器凈化后,由兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)通過(guò)煙囪排入大氣。煙風(fēng)系統(tǒng)流程圖省略。
在建模過(guò)程中,對(duì)應(yīng)風(fēng)煙系統(tǒng)的設(shè)備,按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際流程建立相應(yīng)的模塊。
對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)中的一次風(fēng)機(jī)采用離心風(fēng)機(jī)算法來(lái)模擬;對(duì)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)算法來(lái)模擬。對(duì)閥門(mén)、空氣預(yù)熱器、馬達(dá)等設(shè)備分別采用相應(yīng)的閥門(mén)算法、空氣預(yù)熱器算法和馬達(dá)算法來(lái)建立模塊。采用爐內(nèi)燃燒算法和輻射換熱算法來(lái)計(jì)算爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物和換熱量。利用流量算法和壓力節(jié)點(diǎn)算法來(lái)計(jì)算工質(zhì)流量。用此方案建立的風(fēng)煙系統(tǒng)模型能夠良好地反映一次風(fēng)機(jī)、送引風(fēng)機(jī)和各自馬達(dá)在工況變動(dòng)情況下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)、擋板開(kāi)度、燃燒器投入數(shù)量變化情況下能夠反映空氣系統(tǒng)流量、壓力、溫度的變化。采用的爐膛燃燒和換熱算法能夠反映煤種煤量變化、風(fēng)量變化、燃燒器角度變化對(duì)爐內(nèi)燃燒工況和換熱量的影響。在建模時(shí)注意了使各設(shè)備的流程控制的邏輯條件與現(xiàn)場(chǎng)保持完全一致。
3.2.3制粉燃燒系統(tǒng)
鍋爐采用正壓直吹式制粉燃燒系統(tǒng),共配有五臺(tái)ZGM -95型中速磨煤機(jī)。每臺(tái)磨煤機(jī)分別帶一層四角燃燒器。鍋爐帶額定負(fù)荷時(shí),四臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行,一臺(tái)備用。鍋爐設(shè)有兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī),熱一次風(fēng)從空預(yù)器出來(lái)后,與冷一次風(fēng)混合,送至磨煤機(jī),以干燥和攜帶煤粉。原煤從原煤斗進(jìn)入給煤機(jī),經(jīng)給煤機(jī)出口門(mén)落入磨煤機(jī),在磨煤機(jī)中經(jīng)過(guò)碾壓變成煤粉,由一次風(fēng)帶入磨煤機(jī)上部的煤粉分離器,合格的煤粉輸送到爐膛進(jìn)行燃燒,較粗的顆;氐侥ッ簷C(jī)內(nèi)部繼續(xù)研磨。在磨煤機(jī)底部設(shè)有排渣門(mén),以排出混在煤中的雜物。
因磨煤機(jī)是正壓運(yùn)行的,所以每臺(tái)磨煤機(jī)配有一臺(tái)密封風(fēng)機(jī),將密封空氣送入制粉系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的動(dòng)靜間隙處,防止熱風(fēng)和煤粉向外噴出。
鍋爐點(diǎn)火油及助燃油為輕柴油,點(diǎn)火油經(jīng)霧化后,通過(guò)油槍進(jìn)入爐膛,多余的油經(jīng)回油母管流出,鍋爐共配有12支油槍?zhuān)秩龑硬贾,總出力?5%MCR。
鍋爐采用切園燃燒方式,燃燒器四角布置。燃燒器形式為可擺動(dòng)的直流式煤粉燃燒器,最大擺動(dòng)角度為士300。整個(gè)燃燒器分五層布置,每一層燃燒器由一臺(tái)中速磨煤機(jī)供粉,一、二次風(fēng)噴口呈均等配風(fēng)方式間隔布置。制粉燃燒系統(tǒng)圖省略。
建模過(guò)程中,采用磨煤機(jī)算法來(lái)模擬中速磨煤機(jī)。對(duì)于磨煤機(jī)出口門(mén)、入口門(mén)、冷熱風(fēng)擋板、油槍用閥門(mén)算法來(lái)模擬。采用流量算法和壓力節(jié)點(diǎn)算法來(lái)計(jì)算空氣流量和煤、油流量。以此方案建立的模型能夠良好地反映磨煤機(jī)在煤種變化、進(jìn)口風(fēng)溫和風(fēng)量變化情況下,磨煤機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,也正確地反映了磨煤機(jī)馬達(dá)電流的變化和制粉系統(tǒng)的異常工況及磨煤機(jī)啟停對(duì)燃燒的影響。
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