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360MW机组汽包压力及水位仿真模型研究 发表时间:2010-3-3 作者：向贤兵，向上 摘要： 一、汽包压力及水位数学模型的建立??? 本文以某电厂360MW机组锅炉为研究对象，将其蒸发区作为一个集中参数对象处理[1]，经过一定假设和合理简化，推导和建立额定负荷下的汽包压力和水位数学模型。汽包水位集中参数的物理模型如图1所示。????????? 1.1 基本假设??? 对系统进行简化，并做如下假设[1]：??? (1) 蒸发区是一个各点具有相同状态参数的对象，其中各点压力和温度相同，即压力和温度仅为时间的函数，而与空间无关，是一个集中参数模型；??????? ??? (2)蒸发区内工质均处于饱和状态；??? (3)饱和蒸汽和饱和水的密度与焓仅是压力的函数； ??? (4)因管内壁换热系数很大，管子金属温度与工质饱和温度一致。1.2 汽包压力数学模型[l, 2]??? 汽包压力数学模型的输出信号是汽包压力，其输入信号是给水量、给水焓、炉膛热负荷（蒸发区吸热量）和汽包出口蒸汽量。??? 由蒸发系统的质量平衡可以得到：?????? 式中，Pw、Ps分别为饱和水、汽的密度，kg/m3。??? 根据假设(3)可得：?????? 式中，Pb为汽包压力，MPa。??? 由于蒸发区汽水总容积不变，即Vw+Vs=常数，故有：?????? ??? 式（2）、式（1）可得：?????? ??? 根据蒸发系统的能量守衡，可以得到：?????? 式中，hsm为给水焓，kJ/kg;tj为饱和温度，；mj为有效金属质量，kg; cj为金属比热容，kJ/kg;hs、hw为饱和蒸汽及饱和水的焓，kJ/kg。??? 从式（4）可求得dVw/dt，并代入式（6）得：??????? 式中，hq为给水欠焓；hq=hw-hsm;r为汽化潜热，r=hs-hw。??????? 式中，Ip为蒸发区热惯性，即在单位压力变化时，蒸发区所释放（或存储）的热量。可用锅炉额定工作点的有关参数计算得到，其仅取决于锅炉的类型和参数，与容量无关。1.3 汽包水位数学模型[2,3]??? 蒸汽在水中的停留时间为t=H/E，水中蒸汽容积为DυsH/E，其中υs为饱和蒸汽的比体积，所以汽包实际水容积为Vw+Dvs H/E。??? 设汽包截面积为F，可得到容积平衡方程：??????? ??? 对式(9)微分可得：??????? ??? 由式(9)可得：????? ? ??? 由式(1)、(4)~(6)可推得：????? ? ??? 将式(13)代入式(11)可得：???????? ??? 由式(15)可见，汽包水位不仅与给水流量、蒸汽流量的平衡有关，也与蒸发系统吸热量及汽包压力变化有关。1.4 模型中系数的计算??? 在饱和状态，汽、水的状态参数如饱和水的比体积υw(m3/kg)、比焓iw(kJ/kg)与饱和汽的比体积υs(m3/kg)、比焓is(kJ/kg)都是汽包压力pb的函数。在14.7-19.6MPa的压力范围内，可用多项式近似公式计算[4]。 二、汽包水位动态特性仿真分析[s]2.1 仿真模型的建立??? 选用通用仿真软件Matlab作为仿真平台[6]，根据式(7)、式(15)，在Matlab/Simulink中搭建汽包水位仿真模型并进行封装(图2)。??????? ??? 由图2可见，蒸发区仿真模型的输入量有吸热量Q、给水流量w 、蒸汽流量D，输出量有汽包压力Pb、汽包水位H。通过修改对应的汽轮机调节阀开度（u1、u2、u3）即可进行动态特性试验，并通过示波器观察响应曲线。2.2 汽轮机调节阀开度增大10%??? 在额定工况下，汽轮机调节阀开度增大10％。图3、图4和图5分别给出了在此扰动下汽包压力、蒸汽流量和汽包水位的阶跃响应曲线。??????? ??????? ??????? ??? 由图3可见，当汽轮机调节阀开度突然增大时蒸汽流量将随之增大，汽包出口热量增加，但进入炉膛的热量没有变化，导致热量的不平衡，造成汽包压力下降。??? 由图4可见，主蒸汽流量增大，造成汽包压力下降及汽轮机调节阀前压力下降。这样，主蒸汽与再热蒸汽流量将逐步下降，最后达到稳定状态。汽包压力下降导致单位工质的汽化潜热增加，由于辐射热量不变，最终的蒸发量比原数值略小。??? 由图5可见，汽包压力的下降使工质饱和温度降低，汽包内的水释放蓄热量，产生附加蒸发量，从而使汽包水室的汽泡数量增加。另外，由于汽包压力下降，单个汽泡的体积增大，两者同时促使汽水混合物体积急剧膨胀，使汽包水位快速上升，产生虚假水位。随着汽包的水耗量增加，在给水量未增加和蒸汽逸出水面后，汽包水位随之下降。因此，当汽轮机调节阀扰动时