燃氣—蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐的動態特性仿真

周旭東 康英偉

摘 要：為了解決傳統能源利用率較低的問題，同時回收再利用傳統能源的多余熱量，即余熱的回收再使用問題。本文通過模塊化建模方法，建立了燃蒸聯合循環機組余熱鍋爐基本部件比較精細的通用模型及描述各個模塊之間聯系的系統結構模型，并針對某電廠實際運行的余熱鍋爐加入不同擾動，觀察其動態輸出特性。響應曲線表明該模型有助于判斷汽水側動態過程對余熱鍋爐工作效率的影響，可見對余熱鍋爐的動態特性進行仿真研究可以為余熱鍋爐的工作特性及其控制系統的設計提供一定的理論依據。

關鍵詞：余熱鍋爐；模塊化建模；汽水系統；動態特性；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.146

0 引言

燃氣-蒸汽聯合循環發電系統利用燃氣輪機排氣的熱量加熱余熱鍋爐，產生蒸汽推動汽輪機做功。其中余熱鍋爐是承接燃氣循環和蒸汽循環的重要中間環節，因此它的工作狀態可以直接影響到整個發電系統運行的穩定性和高效性。

基于以上觀點，了解余熱鍋爐工作的動態特性是很有必要的，通過對余熱鍋爐整體系統進行模塊劃分，本文將依次建立余熱鍋爐煙氣側、單相區、兩相區和輔助部件等模塊的動態數學模型。為了提高各個模塊的模型精度，本文采用集總參數來描述各個模塊的動態特性。通過對每個模塊做一定條件的假設與簡化，從而列出其數學模型表達式，并在Matlab/Simulink平臺上搭建余熱鍋爐的整體系統仿真圖，最后選取適當的參數變量在所建仿真系統的基礎上討論自然循環余熱鍋爐的動態特性[1]。

1 自然循環余熱鍋爐的基本結構

燃蒸聯合循環余熱鍋爐基本結構由煙道系統、各個換熱模塊以及輔助部件組成。由于燃氣輪機排氣溫度較高，為了充分利用這部分熱量，本文中煙氣流向與各個換熱面采用逆流方式布置，如下圖1所示。高溫煙氣從右至左通過煙道依次與過熱器、蒸發器、省煤器交換熱量后排入大氣。冷凝水經過給水泵加壓后送入省煤器中，通過吸收煙氣的熱量完成預熱后進入汽包中，與汽包中的飽和水混合后進入蒸發器。由于蒸發器內下降管和上升管之間存在壓力差，工質在壓差作用下從下降管進入上升管，與煙氣換熱后完成變相，汽水混合物通過汽水導管流入汽包中完成自然循環流動。隨著上升管吸熱量的不斷增加，汽包內的飽和蒸汽排出進入過熱器，與煙氣換熱后變為過熱蒸汽經氣閥節流送入透平中做功，推動蒸汽輪機發電，最后排入冷凝器，完成水的自然循環[2]。

2 余熱鍋爐各部件的數學模型的建立

根據余熱鍋爐各個受熱部件管內介質在與煙氣的換熱過程中是否發生相變將它們分為單相區和兩相區。其中省煤器、過熱器和再熱器均為單一介質的無相變換熱過程，都為單相區，可以建立通用的單相區數學模型[3]。蒸發器內介質由水變為汽水混合物，所以為兩相區模型，其和汽包共同構成余熱鍋爐的蒸發系統。

2.1 單相區數學模型（以省煤器為例）

下面以單相區的省煤器為例，分析其工作過程。如下圖2所示，單相區模型入口參數主要包括工質的入口流量、密度、焓值和溫度，出口參數主要包括工質的出口流量、密度、焓值和溫度。省煤器中工質與煙氣的換熱過程主要是煙氣對管壁金屬的放熱過程和工質向管壁金屬的吸熱過程，還包括工質的物性參數方程，具體方程描述可參考文獻[4]。過熱器工質的換熱過程與省煤器類似，可用相同的數學模型處理。

工質的狀態方程為水和水蒸氣的物性參數方程，由水和水蒸氣性質的IF97計算公式導出，通過這兩個狀態方程的橋梁作用，使工質的質量平衡方程和能量平衡方程可以耦合起來。這樣公式（1）～（8）就可以描述余熱鍋爐單相區模型各個狀態變量隨時間的變化情況。代入具體的參數就可以在Matlab/Simulink平臺上得出工質出口溫度動態響應曲線。

2.2 兩相區數學模型（以蒸發器為例）

根據蒸發系統的工作原理和組成結構，本文在一定假設條件下將蒸發系統分為三個環節分別進行建模：汽包模型、下降管模型和上升管模型[6]。下圖3為自然循環蒸發系統示意圖，它表明了汽包、下降管、上升管和汽水導管之間的連接關系，同時注明了介質的循環流向。

2.2.1 汽包模型

在建立鍋爐汽包模型過程中，汽包壓力和汽包水位是可以反映汽包運行狀態的兩個重要參數，尤其是汽包水位，它反映了汽包內蒸汽負荷和給水量之間的質量平衡關系。汽包的壓力、水位由汽側和水側的質量平衡方程以及汽包整體的能量平衡方程、工質物性參數方程所確定[7]。

上圖3中，分別為省煤器出口流量和焓值；分別為下降管工質的平均流量和平均焓值；分別為汽水導管工質出口流量和焓值；分別為汽包出口飽和蒸汽流量和焓值；為汽包連續排污流量；為汽包內飽和水焓值；為被省煤器來水所凝結的飽和蒸汽量；為汽包內汽側壓力下降時的附加蒸發量[8]。

水側質量平衡方程：

為上升管截面積。

3 余熱鍋爐各模塊的動態仿真

通過添加容積模塊、氣閥模塊和透平模塊等輔助部件，將各個模塊組合連接起來可以得到余熱鍋爐系統整體的仿真圖如下圖4所示：

本文主要研究余熱鍋爐對燃氣輪機排氣變化和蒸汽輪機流量變化的動態響應特性，這不僅關系到余熱鍋爐運行的高效性和穩定性，同時也是聯合循環發電系統整體優化的關鍵因素。通過對燃機排氣溫度、排氣量分別加入階躍擾動，來研究汽包壓力、汽包水位以及過熱蒸汽的流量、溫度變化情況，對于聯合循環發電系統余熱鍋爐的優化與設計具有重要意義。下面針對某電廠具體的余熱鍋爐給出其動態響應特性，某余熱鍋爐主要參數如下：燃氣輪機排氣流量533.2 kg/s，排氣溫度490 ℃，省煤器入口給水溫度260 ℃，飽和汽包壓力16.5 MPa，過熱蒸汽流量45 kg/s。在Matlab/Simulink仿真平臺上編制各模型對應的程序，將上述具體數值賦予相應參數，可以得到各個研究變量的仿真結果如下各圖所示：其中實線表示燃氣溫度階躍擾動10%時的響應曲線，虛線表示燃氣流量階躍擾動10%時的響應曲線。

圖5給出了汽包壓力隨時間的變化規律。隨著上升管吸熱量的不斷增加，管內介質的產汽量也隨之增加，通過汽水導管進入汽包使汽包壓力也不斷上升。隨著汽包壓力的上升，汽包排氣量也會隨之增加，而蒸汽流量的變化也會影響汽包壓力的變化，當某一時刻上升管的產汽量和汽包的排氣量達到平衡后汽包壓力便會趨于平衡狀態。

圖6給出了過熱蒸汽流量隨時間的變化規律。在汽輪機閥門開度保持不變的情況下，隨著汽包壓力的不斷上升，汽包排氣量會增加，過熱器出口的過熱蒸汽流量也會隨之增加。因此過熱蒸汽流量的變化趨勢和上圖5中汽包壓力的變化趨勢大致相同。

圖7給出了汽包水位隨時間的變化規律。當對煙氣溫度或煙氣流量加入階躍擾動時，隨著上升管吸熱量的不斷增加，兩相區內會產生大量的氣泡，這些氣泡通過汽水導管進入汽包內液面以下，從而使汽包水位剛開始有略微的上升，即出現“虛假水位”現象。同時隨著汽包壓力的不斷上升，汽包蒸發量也會隨之增加，使得最后汽包蒸發量大于省煤器給水流量，從而導致汽包水位不斷降低，沒有自平衡能力。

圖8給出了過熱蒸汽溫度隨時間的變化規律。開始階段隨著上升管吸熱量的不斷增加，兩相區內產生大量的氣泡，使汽包排出的蒸汽溫度升高，從而導致過熱蒸汽溫度也會隨之升高。當汽包排出的蒸汽流量大于上升管的產汽量時，過熱蒸汽溫度會略微降低一點，最后趨于穩定。

4 結論

關于燃蒸聯合循環發電系統中余熱鍋爐的運行特性仿真，許多文獻和專家學者都對其進行了深入的研究，并建立了不同的數學模型[11，12]。而本文采用模塊化建模的方法建立了燃蒸聯合循環余熱鍋爐汽水系統中各個模塊的動態數學模型，并通過選取適當的參數得到了輸出變量的動態響應曲線，根據響應結果可以得到以下結論：

（1）該模型能夠較準確地反映在機組變負荷運行過程中過熱蒸汽的流量和溫度的變化規律，以及在煙氣擾動作用下所發生的動態響應，且所建數學模型運行穩定，具有較高的動態響應精度。

（2）本文所建模型可為余熱鍋爐控制系統研究提供可靠的非線性對象模型，同時為聯合循環機組的整體仿真提供了良好的子系統模型。

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基金項目：國家自然科學基金（61573239）；上海市自然科學基金（15ZR1418600）

作者簡介：周旭東（1994-），男，河南新野人，碩士研究生，研究方向：大型火電機組的建模與仿真。

*為通訊作者