船用增壓鍋爐過熱器出口蒸汽溫度響應鍋爐負荷突減仿真分析

朱 泳，張 平

（海軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913）

0 引言

增壓鍋爐響應負荷突減的能力是檢驗鍋爐變工況安全運行的重要指標，也是衡量蒸汽動力艦船規避風險、安全運行的重要參數[1]。增壓鍋爐的負荷劇降會導致汽包壓力升高，引起爐水飽和溫度上升，同時，由于流經過熱器的蒸汽流量下降，而過熱器外的煙氣狀態未發生改變，所以過熱蒸汽溫度也會持續上升。而過熱器金屬管壁由于過熱蒸汽溫度的上升和因過熱蒸汽流速的下降而引起的換熱能力下降等因素的共同作用，溫度將會變得更高，危及過熱器乃至鍋爐安全。因此，過熱器出口蒸汽溫度對于判定過熱器、增壓鍋爐的安全性具有重要作用。

目前增壓鍋爐裝置的動態特性數學模型和仿真模型已經能夠解算出鍋爐負荷劇降帶來過熱蒸汽流量突減后，鍋爐汽壓和水位隨時間的變化規律[2-5]，但對于蒸汽流量突減后過熱器出口蒸汽溫度的變化情況卻鮮有研關注。

2 過熱器出口蒸汽溫度數學模型

增壓鍋爐過熱器吸收上升管束出口煙氣熱量，將鍋爐汽包出口的飽和蒸汽加熱，溫度提高形成過熱蒸汽。過熱器汽側動態數學模型主要用于汽包出口蒸汽流量和過熱蒸汽物性參數的計算，其主要由過熱器管內工質的質量守恒方程、能量守恒方程、工質狀態方程及傳熱方程組成，建模過程中以過熱器出口參數值代表過熱器環節的集總參數。

過熱器管內蒸汽的質量平衡方程[6]

式中：Dbs為飽和蒸汽流量，kg/s；Dbh為由汽包引至微過熱蒸汽調配裝置的飽和蒸汽流量，kg/s；Dgrso為過熱器出口過熱蒸汽流量，kg/s；Vgr為過熱器容積，m3；ρgrso為過熱器出口蒸汽密度，kg/m3。

過熱器管內蒸汽的能量平衡方程

式中：hgrso為過熱器出口工質的比焓，kJ/kg；hs為飽和蒸汽比焓，kJ/kg；Qgrs為過熱器金屬管壁向管內蒸汽的放熱量，kJ/s，可由式（3）表示[7]。

式中：Kgrs為過熱器金屬管壁向管內蒸汽的傳熱系數；Tgrw和Tgrso分別為過熱器金屬管壁溫度、過熱器出口蒸汽溫度，℃。

過熱器動態數學模型中，將過熱器金屬管壁作為一個單獨環節處理，其蓄熱方程為

式中：Qgrg為煙氣與過熱器金屬管壁的輻射及對流換熱總量，kJ/s；mgr為過熱器金屬管壁的質量，kg；Cgr為過熱器金屬管壁的比熱容，kJ/(kg·K)。

最后，過熱器管內蒸汽的動量方程為

式中：Pgrso為過熱蒸汽壓力，MPa；fgrs為過熱器管內流動阻力系數。

綜上所述，過熱器動態數學模型是根據汽包輸入參數Ps及hs、過熱器煙氣側輸入參數Qgrg、過熱器輸出參數Dgrso、鍋爐汽包輸出參數Dbh等參數，根據式（1）～式（5），計算過熱器出口蒸汽溫度Tgrso、Dbs、Qgrs、Tgrw、Pgrso5個參數。

3 仿真模型

3.1 過熱器Simulink 仿真模型

構建上述過熱器出口蒸汽溫度數學模型后，本文采用Matlab/Simulink仿真工具箱建立了過熱器汽側動態數學模型的仿真模型。見圖1。

圖1 過熱器汽側模塊框圖

3.2 仿真曲線及計算結果

建立仿真模型后，給定某型增壓鍋爐的全工況運行參數（根據不同標準進行了歸一化或脫密處理）[8]：鍋爐燃料消耗量B為100%、空氣過余系數αkq為100%、汽輪給水機組上水量Djjsi為63.2%、過熱器出口蒸汽流量Dgrso為60.4%、由汽包引至微過熱蒸汽調配裝置的飽和蒸汽流量Dbh為2.7%，而后開始對增壓鍋爐裝置全負荷穩態運行工況進行仿真，通過仿真計算得增壓鍋爐裝置的主要運行參數：汽包壓力Ps為100%、過熱器出口蒸汽溫度Tgrso為100%、鍋爐水位H為100%。在此基礎上，假定燃料消耗量、空氣過余系數、給水量及由汽包引至微過熱蒸汽調配裝置的飽和蒸汽流量不變的基礎上，鍋爐全負荷穩態運行3.5τ后，分別在0.2τ、0.7τ、3.5τ及7.1τ時間內降低30%負荷，即過熱器出口過熱蒸汽流量Dgrso由60.4%變為42.3%，隨后保持負荷Dgrso穩定，則過熱蒸汽溫度Tgrso響應負荷Dgrso突減的情況，如圖2所示。

圖2 不同負荷突減時間下過熱器出口蒸汽溫度

1）負荷Dgrso的突減會造成過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的持續上升。這是因為過熱蒸汽溫度Tgrso與負荷Dgrso、煙氣能量、蒸汽與過熱器金屬管壁之間的對流換熱系數3方面因素相關。一方面，隨著負荷Dgrso的降低，煙氣能量并未發生變化，所以蒸汽溫度Tgrso應有上升的趨勢；另一方面，隨著負荷Dgrso的降低，過熱器內蒸汽流速逐漸降低，從而蒸汽與金屬管壁的對流換熱系數降低，導致金屬對蒸汽的放熱量降低，因此負荷突減過程中，對流換熱系數對過熱器出口蒸汽溫度Tgrso有降低作用。但是，由于負荷Dgrso及煙氣能量對蒸汽溫度Tgrso的上升作用大于對流換熱系數降低對蒸汽溫度Tgrso的降低作用，所以過熱器出口蒸汽溫度Tgrso最終上升。同時由于能量的不平衡，煙氣對金屬的持續加熱，最終導致金屬管內蒸汽溫度Tgrso的持續上升，而鍋爐過熱器金屬管壁的溫度升幅應該更大。

2）負荷Dgrso突減速率越大、時間越短，過熱器出口蒸汽溫度Tgrso在負荷突減時間內的上升速度就越快。其原因是，負荷突變時間越短，單位時間內負荷突減量就越大，從而單位時間內流過過熱器的蒸汽流量也就越低；結合煙氣能量不變，單位時間內過熱器出口蒸汽溫度Tgrso上升幅度也就越大。

3）由0.2τ曲線可得在負荷突減時間內，過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的上升速度逐漸降低，至負荷Dgrso穩定后上升速度降至最低且保持不變。其原因是隨著負荷Dgrso的降低，過熱器內蒸汽與金屬管壁的對流換熱系數逐漸降低，導致蒸汽吸熱量增幅的下降，最終出現蒸汽溫度Tgrso上升速度降低的現象；至負荷Dgrso穩定后，蒸汽與金屬管壁的對流換熱系數降至最低且保持不變，所以過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的上升速度降至最低且保持不變。

4）由圖中2 條曲線可得，不同負荷Dgrso突減時間下，負荷Dgrso穩定后，過熱器出口蒸汽溫度Tgrso的上升速度因負荷Dgrso及煙氣能量相等而相等。

4 結論

仿真分析了鍋爐在燃燒量不變的前提下，鍋爐負荷突減導致過熱器蒸汽流量突減時，過熱器出口蒸汽溫度的變化情況。得出結論，鍋爐負荷突減會造成過熱器出口蒸汽溫度的上升，且負荷突減幅度越大，過熱器出口蒸汽溫度的上升速度就越大。