1、再热器动态特性建模与仿真对于超临界机组，其过热汽温和再热汽温是电厂最重要的控制参数之一，影响到机组的经济性和安全性 。一般来，讲控制系统的运行质量主要取决于机组的动态特性，因此对大容量直流锅炉，有必要提供动态特性的定量计算， 对于超临界机组的过热器和再热器，到目前为止提出合适的模型用于控制系统的仿真计算，依然存在一定的难度。 机理建模法是结构参数和热力参数计算控制器模型的方法，可以对机组的动态特性预先进行计算， 笔者利用机理建模法对大容量直流锅炉的过热器和再热器的动态特性进行了定量计算1.仿真的目的：仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用
2、仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测，分析和评价等系统问题。通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。再热器的结构与运行参数：再热器的作用：将汽轮机高压缸的排汽加热到与过热蒸汽温度相近或更高的再热温度，然后再送到中压缸及低压缸中膨胀做功。 提高循环热效率；使汽轮机末级叶片的蒸汽湿度控制在允许范围内。二.过热器和再热器的型式和结构1、对流式布置在锅炉对流烟道内，主要吸收烟气对流传热。 根据烟气和管内蒸汽的
3、相互流向，可分为：逆流、顺流和混合流三种传热方式。根据管子排列方式分为：顺列、错列布置方式。根据管子的布置方式可分为：立式和卧式。 受热面结构布置的设计结构尺寸：一定的横向节距 s1 和纵向节距 s2；管内工质质量流速：保证受热面的可靠冷却；减少管内蒸汽压降（特别是再热器） 。管外烟速：保证传热性能和防止积灰、磨损。2、半辐射式布置在炉膛上部或炉膛出口烟窗处，既接收炉内的直接辐射热，又吸收烟气的对流热的受热面。大型锅炉中一般设置：分隔屏（前屏、大屏）和屏式过热器。其作用：减少烟气扰动和旋转；降低炉膛出口烟温，防止对流受热面结渣；改善过热蒸汽或再热蒸汽的汽温特性。结构特点：横向节距 s1 大，纵
4、向节距 s2 小；设置定位和夹持管；热负荷高，热偏差大，结构设计要求：合适的质量流速、管材、管径、管长和合理布置。3、辐射式布置在炉内壁面上直接吸收炉膛辐射热的过热器。4.顶棚过热器和包覆过热器（附加受热面）再热器的系统布置一般采用对流式，分低温和高温两级，两者之间直接过渡，无中间连接集箱，以降低再热蒸汽的压降。设事故喷水减温系统。再热器的汽温特性再热器的汽温特性原则上与过热器的汽温特性相似，但又有其不同的特点 。再热器的汽温受进口汽温影响，其工质进口参数决定于汽轮机高压缸的排汽参数。定压运行时，锅炉负荷降低，汽轮机高压缸排汽温度降低，再热器的进口汽温也随之降低，所以出口汽温一般随之下降。变压
5、运行时，锅炉负荷降低，高压缸排汽温度升高，在再热器吸热量不变的条件下，再热器出口汽温一般升高。再热器的运行保护设有旁路系统，其作用是在锅炉启动、停炉和汽轮机甩负荷时保护再热器。此外(1)在汽轮机甩负荷或负荷较少时，锅炉可以在较高负荷下运行以维持燃烧稳定，并使过热和再热汽温尽量接近额定值。这时，锅炉多余的蒸汽经旁路送入凝汽器。(2)在汽轮机启动时，尤其是热态启动时，会发生蒸汽温度和汽缸壁温不相协调的情况，可以通过旁路系统来使锅炉汽温满足汽轮机的要求。对流式过热器和再热器示意图(a)逆流；(b)顺流；(c)混合流逆流式：具有最大的传热温压；可以节省金属耗量；金属壁温可能很高。常用于过、再热器的低温
6、级（进口级） 。顺流式：传热温压小；所需受热面较多；金属壁温较低。多用于蒸汽温度较高的最末级（即高温级） 。立式：支吊简单，但不易疏水；卧式：便于疏水，但支吊复杂，需要设置悬吊管。对流过、再热器的结构布置三.再热器结构特点及技术特性为了提高蒸汽进入低压缸的品质，汽水分离再热器壳体内加入两级再热器，对循环蒸汽进行再热处理。汽水分离再热器中的再热部分具有高压和低压两组再热管束，一根循环蒸汽进汽接管和二根排气接管。两组管束分别从两端插入壳体内部。进，排气接管位于同一封头上，进汽接管轴向，排汽接管沿径向装于壳体顶部，进，排汽接管均由碳钢板卷制而成。蒸汽经过汽水分离器中下部 V 型分离元件之后，自下向上
7、流动，依次进入一，二级再热器。其中第一级再热器加热蒸汽来自高压缸第一级抽汽，第二级再热器的加热蒸汽来自新蒸汽抽汽。两组在热管束有着相似的设计，分别以组件形式制造，汽再热器管束有封头，分隔板，管板，换热管，包板及支撑板等组成。封头采用球形封头，用以增加空间，同时也方便维修。其中再热管束为带肋片的 U 形传热管，其结构如图：再热器的传热特点汽水分离再热器中的再热器与给水加热器等常见的换热器不同，常见的换热器管内为循环蒸汽，管外为加热蒸汽。而再热器恰恰相反，再热器传热面试金属管，热量通过换热管传递，加热蒸汽在换热管内部冷凝放热，释放的热量被管内壁吸收，金属管内外壁通过热传导传递给管外壁，外部循环蒸汽
8、则通过对流换热的方式将传递出来的热量吸收，完成由管内加热蒸汽至循环蒸汽的热量传递。再热器外部循环蒸汽在加热过程中被加热至过热蒸汽，而再热管束内部换热时逐渐冷凝属于凝结换热，在流体的凝结过程中流体的流型会发生变化，流型发生变化导致在热管内壁的换热机理发生变化，换热系数也相应的发生变化四.再热器模型的机理建模机理建模是根据实际系统工作的内在机理及其运动规律，在某种假设条件下，写出代表其物理过程的方程，结合其边界条件与初始条件，再采用适当的数学处理方法，来得到输入输出变量之间的关系即受控系统的数学模型。建立模型时假定：1)沿管长方向吸热均匀；2)忽略介质比热，密度的变化；3)忽略流动的动态过程(流量
9、不变）再热器模型的仿真第一种建模方法下系统模型静态工况测试负荷稳定工况下，仿真该系统的重要监测参数与现场实验测量值比较见表 l。该表是摘取仿真机中参数与在相应负荷下现场实验测量或机组热平衡图得到的参数对比自动生成的。可以看出采用传热单元数方法建模可以精确地仿真该模型的静态特性，误差都在 2以内。下面对模型进行动态仿真实验。在保定华仿科技有限公司开发的 APNs1000 系统下，对再热器的模型进行仿真实验，第一级再热器进口流量变化仿真分析(s 一ru)。第一级再热器的汽源来自于高加系统。对分离器出来的蒸汽进行第一次加热，改变其进口流量，关闭阀门，随着乏汽加热器流量的突然下降，再热器出口的温度大幅
10、降低，由原来的 2781降低到 253。新蒸汽加热器的进口流量有微微增加。以蒸发生器的母管作为边界分别供给新蒸汽系统，汽轮机主体系统等，当乏汽流量下降，压力必然升高，导致新蒸汽加热器的进口流量会有少量增加。再热气温动态特性计算五.再热器数学建模与仿真研究1.再热器数学模型的建立根据前面对汽水分离再热器工作原理的描述，对汽水分离再热器中的再热器部分进行数学建模。汽水分离再热器中再热管束水平放置，循环蒸汽横掠顺排管束，自下而上依次进行两级再热。循环蒸汽吸热存在一定的过热度，因此管外再热过程相对简单。但是管束内部再热蒸汽在加热的过程中属于蒸汽冷凝过程。在冷凝的过程中，蒸汽由气相向液相转变，存在一个相
11、变过程。由于相变过程中换热过程相对复杂，对于不同气液组分情况下的换热系数并不相同，其换热过程具有分布参数的特点。故采用分布参数法对再热器进行数学模型，首先对模型进行假设：1)再热器额的壳侧部分采用集总参数的方法进行数学模型循环蒸汽在壳侧流动吸热，蒸汽变为过热蒸汽，在进行换热过程中并没有分布参数的特点，因此对其进行集总参数建模。2）再热器管束进行分区计算再热器中有 100 多根管束，如果采用分步参数进行建模计算量较大，并不能满足实时性的要求。因此并不能完全采用分步参数法进行建模。同时由于管内换热过程中存在相变的过程集总参数法建模并不能完全反应其换热过程，因此将换热管束进行分段处理，在换热计算过程
12、中各段采用不同的换热系数对换热过程进行计算。3）单节点内沿管长方向温度不变单节点内采用集总参数法进行建模仿真，不考虑再热管束沿管长方向进行温度变化4）不考虑再热器各传热段中的不凝结气体的影响由于再热器中不凝结气体含量较低，对整体的换热过程影响较小。固不考虑其对换热特性 的影响 建立分区的数学模型，将两级再热管束按照如图所示进行均分。2 程序编写流程通过对数学模型的建立，离散化处理之后，对数学模型进行编程求解。同样应用模块化方法思想对数学模型进行求解计算，模块主要分以下几个模块：数据输入模块，数据输出模块，变量定义模块，初始化模块，换热系统计算模块，水和水蒸气性质计算模块，以及管束换热计算模块。
13、主要模块如图所示：明确了模块与模块的调用关系后，通过模块化思想，应用 Fortran 语言对主程序进行编程，程序的总体流程图，如下图所示：3仿真对象介绍为了验证所建立的再热器数学模型的准确以及仿真算法的可行性，本文以大亚湾汽水分离再热器中的再热器部分进行了研究对象，大亚湾中再热器结果采用的是双流程 U 形管表面式热交换器，两级再热管束分别为高压缸抽汽再热管束和新蒸汽再热管束，其中每级再热器的 U 形管数为1321根，U 形管的直管段长为1.5米。传热管内径为13.3mm，外径为19.05mm。材料均为 SA268（GRADE TPXM-8）不锈钢，运行工质参数由下表给出：4 稳态计算结果本文首
14、先通过稳态计算对模型进行验证计算，多额定工况下两集再热以及循环蒸汽出口处的蒸汽参数进行计算，计算结果如表：表中给出了文爱工况下再热器再热过程的计算结果，通过从表的结果能够得出结论，再热器的再热过程中的主要参数与设计值大部分误差较小，均小于1%，证明了模型的准确性，能够反映再热器的再热过程。5动态特性仿真研究经过汽水分离器分离之后的蒸汽经过两级再热器的再热之后进入低压缸做工，而再热管束内冷凝立体则进入冷凝管。再热器主要作用是将循环蒸汽加热，因此动态分析是以循环蒸汽的参数为主要分析对象六.结论与讨论本文对核电机组的再热器模型用了两种方法进行建模。两种方法都能很好地反映再热器部分的静态特性，非常精确
15、。在动态特性方面，用换热单元数算法由于是对金属壁温的简化，所以不能良好地模拟动态过程。而用单向介质换热器的机理法建模能够很好地解决这个问题。通过机理分析法对超临界机组的过热器和再热器的动态特性进行了计算得 出 某超临界机组锅炉的过热器和超临界机组的再热器的数学模型可供仿真研究参考七.参考文献1陈济东等大亚湾核电站系统及运行M北京：原子能出版社，1994：4594612于明义，翁史烈核蒸汽轮机再热器的动态建模J上海铁道大学报1998：I 一 63韩璞，刘长良李长青火电站仿真机原理及应用M天津科学技术 jJ；版社，1998：16917I4马进。王兵树，马永光核能发电原理D北京：中国电力出版社2006：3325郑昶李旭朱子良锅炉单相区段动态特性的计算方法锅炉技术 6李旭再热汽温的动态特性与控制动 力 工 程
