锅炉汽水

锅炉汽水（共3篇）

锅炉汽水 篇1

蒸汽管道的载荷作用力有多种多样, 可通过管道内的介质反应产生力、通过各种管件重量而集中合成力、管道支吊架、来自外界的温度环境所反应出来的应力, 等等, 这些力都可使管道的外表发生变形。

1 对锅炉汽水管道的应力分析

火力发电厂锅炉汽水管道的工作环境要具备两种条件:第一, 有一定的压力。第二, 有适宜的温度。以往的计算方法过于复杂, 而且准确度低, 不能从整体看出管系的分布情况, 于是, 人们开始利用ANSYS PIPING MODELS方法来进行应力分析。

1.1 应力限制的最大范围及其分析

管道的一次应力是受外部支吊架的力和自身产生的重量所影响, 且内力和外力必须保持平衡, 若是它的重量无限的增加, 超过所能承受的力度, 则会破坏管道的形体。为了防止管道的承受力超过限度而破裂, 要留出适宜的宽裕度。在承受力的同时, 或受外界的热胀冷缩而发生的变形属于二次应力。它跟一次应力有所差别, 它是通过变形来适应与外力的平衡。若是变形次数过多, 也会对管道附件造成损害, 因此, 要注意应力的循环次数及范围。在我国规定的交变应力的合理次数频数应该为7 000次, 若超出这个范围, 会加重管道的劳损, 甚至破裂。若管道的应力、应变达到或超出上线后, 管道材料就有了可塑性。在超出变形范围后, 可以把超出的应力作为经过塑性变化后的量度。最大应力的范围只要在2倍以内, 就可以得出管道的弹性变化。依据管道应力所承受的应力理论, 管道材料在不断循环中发生的变形, 长时间后会处于弹性状态。管道的材料、结构若遭到破坏, 就可确定其超过自身所承受的两倍的力。应力应变的最大范围不能超过两倍的极限力度, 各锅炉厂家在应力计算中应以此为依据。

1.2 对管系设计参数及材料参数的分析

对机组的参数计算分析, 可以火电厂锅炉为英国拨伯葛动力有限公司制造的亚临界压力自然循环汽包型锅炉为例。该汽轮机型式为亚临界、三缸双排汽、单轴、一次中间再热凝汽式, 额定功率为362.5。管系有3个阀门, 重量分别为21 500 N、20 000 N、18 000 N。管系共有8个支吊架, 其中5处安装弹簧吊架, 3处为导向支架。保温材料为硅酸钙, 密度220 kg/m3, 厚度150 mm。各弹簧吊架所承受载荷、位移等不同数额会对应不同的参数。在15节点时, 数量为1, 计算位移的x、y、z数值都不同, 热态载荷、热位移、刚度、最大载荷、安装载荷参数也不一样。

2 锅炉汽水管道的应力计算

2.1 一次应力与二次应力

一次应力是指正应力, 属于非自限性, 在内压和机械器具的重量之间进行平衡控制。一次应力的管道材料要达到火力发电厂汽水管道应力技术规程和美国ASME标准的弹性要求, 均非自限性规定管道工作状态。表现在管道上即由内压、自重等承受的重量都属于这一类。当管道材料的承受范围达到极限后, 会发生一系列情况, 即产生塑性变形, 严重时直接破坏管道。管道计算完成后可以进行验算, 确保其安全性和可靠性, 一般情况下不会对其验算, 只有在特殊的情况下, 才会验算。如遭遇8级地震的部位或是周边需要建设厂房时才需要验算。在验算期间, 地震所产生的力度不能完全验算在内, 取其中的1/2即可。二次应力是指剪应力, 结构自身的形体变化和外界的压力连续产生的力的作用, 它属于自限性。通常表现为在管道上即由热胀冷缩及位移受约束时所产生的应力, 这类应力不会直接破坏管道, 但是, 可使管道的材料塑性变形、屈服, 导致管道的不稳定, 从而发生突发的情况。管道的热胀情况发生后, 管道的材质受热会出现初始的热应力, 当这种应力过高, 超出它所承受的范围, 就会使管道发生蠕变屈服;另一方面, 管道若是处于冷缩的状态下往往会像反方向发展。这是管道的自弹现象, 也被称为管道冷紧度的自拉模式。由于在自拉的过程中, 它的量度很难把握, 它会时而松时而紧, 管系在冷缩热胀交替的循环中, 它的总量是不会出现太大变化的。在管道应力的计算过程中, 往往会发生意想不到的突发情况, 因此维持平衡最为重要。

2.2 管系应力的计算

管系的应力分析采用ANSYS PIPING MODELSo的方法, 管系计算模型的两端分别为汽缸出口、除氧器进汽口, 其中包括直管段、阀门、支管段、支吊架包括弹簧吊架和导向支架处理。坐标系的设置为X轴正方向, Y轴正方向为竖直向上, Z轴正方向为锅炉侧指向汽机房侧。按钢材在计算温度下的弹性模量计算, 根据管道运行时不同工况分别有按热胀、端点附加位移、热胀冷缩的紧度状况、自身产生的重量和外界连续的荷载力及支吊架对机器的反作用力。

3 结语

分析并研究锅炉厂管道的一次与二次应力的参数分析计算, 及对所要计算的应力范围进行控制, 避免导致管道的破裂。其结果可为我国锅炉汽水管道的发展打下坚实的理论与实践基础。

参考文献

[1]王致祥.管道应力分析与计算[M].北京:水利电力出版社, 1983.

[2]唐永进.压力管道应力分析 (第二版) [M].北京:中国石化出版社, 2010.

[3]刘纯, 陈红冬.锅炉汽水管道应力计算研究[C]//第九届电站金属材料学术年会论文集 (第二卷) .2011, 48-49.

[4]黎雄.火电厂锅炉汽水管道应力计算研究[J].现代商贸工业, 2010, (8) :73-76.

锅炉汽水 篇2

21世纪以来,超临界及超超临界火电机组飞速发展,并成为中国主力火电机组,由于超临界及超超临界锅炉为直流锅炉,与常规亚临界汽包炉的最大的差别是其汽水系统,而直流炉未设置汽包,取而代之的是汽水分离器。汽水分离器在整个机组启动、升负荷过程中起着非常重要的作用,而建立其准确的数学模型不仅能较好的模拟直流锅炉的启动和停机过程中动态特性,更重要的是能更好地指导运行人员对直流锅炉进行正确的调整。

1 仿真对象介绍

本文选取清河发电厂600 MW超临界机组HG-1900/25.4-HM2型锅炉为研究对象,该锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式汽水分离器及再循环泵启动系统的本生直流锅炉,其主要特点是带有4只汽水分离器和1个贮水箱,并带有炉水循环泵,锅炉运行在35%BMCR以下运行时,循环泵投入运行,利用循环泵建立蒸发系统的工质循环,保证水冷壁在低负荷下良好的冷却效果所需的最小流量,给水经省煤器和水冷壁加热后、形成汽水混合物,流入汽水分离器,经汽水分离后的热水被循环泵重新送入省煤器。当锅炉负荷大于35%BMCR时,锅炉处于干态运行,循环泵停运,汽水分离器只起蒸汽通道的作用。

2 数学模型建立

根据汽水分离器工作过程的分析,取1只汽水分离器为研究对象,如图1所示为汽水分离器简化模型。由于汽水分离器是1个压力容器以及有一定厚壁的部件,为了建模方便作如下假设[1]。

a)采用集总参数法,忽略汽水分离器内工质参数沿空间的分布情况;

b)汽水分离器金属温度与工质温度相同,且与工质温度同步变化。根据工质的物理特性和汽水分离器的工作原理,按照质量守恒、能量守恒、动量守恒等建立汽水分离器的数学模型,即质量守恒方程[2]:

式中,ρw为汽水分离器水的密度,kg/m3;ρs为汽水分离器汽的密度,kg/m3;Vw为汽水分离器水空间容积,m3;Vs为汽水分离器汽空间容积,m3;V为汽水分离器总容积,m3;D1为汽水分离器进口工质流量,kg/s;Ds为汽水分离器排汽流量,kg/s;Dw为汽水分离器排水流量,kg/s。

由(1)式可分解为水侧质量守恒方程和汽侧质量守恒方程,即:

水侧质量守恒方程:

式中,Dse为压力变动时系统自蒸发量,kg/s;Dhe为水冷壁受热蒸发量,kg/s。

汽侧质量守恒方程:

能量守恒方程:

式中,us为汽水分离器中汽的内能,kJ/kg;uw为汽水分离器中水的内能,k J/kg;Mm为汽水分离器有效金属质量,kg;Cm为汽水分离器有效金属比热,kJ/(kg·℃);Tm为汽水分离器有效金属温度,℃;h1为汽水分离器进口工质焓,k J/kg;hs为汽水分离器排汽焓,kJ/kg;hw为汽水分离器排水焓,kJ/kg。

当汽水分离器处于湿态运行时,工质处于饱和状态,而饱和状态参数之间是单值函数关系,因此有[3]:

将(5)式求导并将(2)(3)(4)(6)代入方程得:

式中,P为分离器内工质压力,MPa;K为单位转换系数。

由蒸汽干度计算的定义可得出:

将上式代入(7)式,经整理后可以写为:

可以得到汽水分离器中水容积的变化率及饱和汽密度变化率为:

则根据式(12)即可求出分离器水位变化方程。当水冷壁出口工质达到过热,分离器开始由湿态向干态转换,水冷壁出口过热蒸汽所释放的热量全部用于分离器中饱和水的汽化,当分离器水位为零时,分离器转为干态运行,汽水分离器只起蒸汽通道的作用,这时假定分离器内的压力和温度与水冷壁出口参数相等且同步变化。

3 仿真建模及结果分析

本文仿真建模及试验调试均以北京恒和大风软件公司的仿真引擎Simuengine为支撑平台。对所建立的模型进行静态比较和动态分析,汽水分离器静态精度反映了整个仿真系统精度的重要因素,而动态特性的正确与否直接决定了整个系统的性能。

静态精度比较,主要是锅炉在100%、75%、50%和30%的额定工况下达到稳定运行,对主要参数给水流量、分离器压力以及分离器温度进行其规程规定的设计参数值和仿真机调试值进行比较,比较结果见表1。

由表1在4个不同工况下仿真机组运行参数稳定值与设计值比较结果可以看到,相对误差最大没有超过2%,证明该模型在稳态和静态运行上具有一定的精度。

动态运行分析,锅炉的启停过程是是机组最基本的动态过程,也是检验汽水分离器动态特性最重要的过程。

锅炉的启动升负荷过程以机组并网带负荷后为初始条件,分离器以湿态方式运行,如图2所示,随着负荷的升高,燃料量和给水流量不断增加,分离器的入口焓值也随着增加,分离器的压力随着给水压力的变化也逐渐升高,当分离器进入湿态转干态运行时,分离器水位迅速下降,在强烈的蒸发作用下主汽流量相对于给水流量出现波动,进去干态运行后,给水流量和主汽流量同步变化。继续升温升压,压力可以由亚临界稳定的升高到超临界,仿真各参数并没有出现剧烈的波动。

降负荷过程与启动升负荷过程正好相反,如图3所示,降负荷采用滑参数运行,给水流量,燃料量逐渐减少,分离器压力随着给水压力的降低也逐渐降低,当分离器入口蒸汽由过热变为饱和状态时,随着蒸汽干度的降低,分离器水位逐渐上升,分离器进入湿态运行。

通过以上可以看出,本文所建立的分离器模型的仿真结果能够准确的反映实际对象的动态特性,完全符合机组在超临界及亚临界压力下运行以及机组启停过程的实际情况,充分说明该数学模型是正确的。

4 结语

汽水分离器在超临界机组的整个运行过程中起着非常重要的作用,汽水分离器系统模型的建立,在超临界机组仿真中占有重要的地位,本文充分考虑了汽水分离器工质状态的变化,特别是从湿态到干态,从干态到湿态,以及亚临界与超临界之间的切换过程,建立了全工况的汽水分离器仿真数学模型,为进一步开发全工况超临界及超超临界仿真机奠定的关键的基础,而该仿真机的建立对于超临界参数火电机组的实际运行具有重要的指导作用。

参考文献

[1]魏丽东.基于图形组态的超临界机组汽水系统数学建模与仿真[D].南京:河海大学,2006.

[2]徐二树,李恕康,孙志英,等.大容量超临界直流锅炉锅内过程全工况实时仿真数学模型及动态特性[J].动力工程,2003(4):2500-2505.

锅炉汽水 篇3

关键词：锅炉,汽包水位,优化

0 引言

锅炉汽包满、缺水事故是长期困扰火力发电厂安全的重大恶性事故之一, 保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要安全性指标。由于负荷、燃烧工况及给水流量的变化, 汽包水位会经常变化。水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质恶化和带水, 造成受热面结盐, 严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏;水位过低会引起排污失效, 炉内加药进入蒸汽, 甚至引起下降管带汽, 影响炉水循环工况, 造成炉管大面积爆破。汽包水位测量和控制问题造成的恶性事故时有发生, 严重影响火电厂运行的安全性。

1 莱钢220t/h锅炉

莱钢型钢220t/h锅炉为高温高压锅炉, 按纯烧高炉煤气设计, 锅炉点火稳燃用焦炉煤气, 在高炉煤气不足时燃烧器最多可燃用30%负荷的焦炉煤气, 焦炉煤气燃烧器也是点火燃烧器。设计高炉煤气低位发热值为3093k J/Nm3, 焦炉煤气为17564k J/Nm3, 锅炉燃料量高炉煤气为236814Nm3/h, 单只燃烧器出力为20000Nm3/h。主要参数如表1所示。

2 自动控制系统

220t/h锅炉为高温高压纯烧高炉煤气燃气锅炉, 锅炉点火用焦炉煤气, 助燃风为空气。控制系统采用施耐德PLC, 共设计一套PLC系统, 两台上位机, 上位机与PLC之间采用工业以太网通信。编程软件采用Unity Pro V5.0, 监控软件采用IFIX5.1。

PLC系统由一个工程师站、一个操作员站组成, 采用相同的上位机配置:P4 2.0G/256M内存/21″彩显/USB/网卡。控制系统网络结构如图1所示。

3 汽包水位控制的应用与优化

锅炉运行中是通过水位测量系统来监视和控制汽包水位的。当汽包水位超出正常运行范围时, 报警系统将发出报警信号, 保护系统将立即采取必要的保护措施, 以确保锅炉和汽轮机的安全。

3.1 汽包水位控制系统优化的必要性

目前, 电厂锅炉多采用传统的三冲量汽包水位控制方式, 汽包水位测量采用平衡容器水位计, 水位的选取是由操作员从画面上选择多个水位计中的一个值, 参与水位控制及联锁报警等。这种选取方法最大的缺点是, 一旦选取的水位计出现异常 (如受到干扰、平衡容器漏水、差压变送器故障等) , 系统会发出错误报警信号或停炉信号导致锅炉停炉停止供汽;更严重的是, 系统没有发出报警或停炉信号, 而给水调节阀按不正确水位进行调整, 导致实际水位过高或过低, 对汽机或锅炉造成严重损坏。三冲量控制虽然消除了虚假水位对控制的影响, 但存在一定的滞后和过调, 控制精度低, 当锅炉排污时汽包水位波动很大, 不利于锅炉的安全运行。

3.2 汽包水位智能测量技术

现场安装4个平衡容器汽包水位计, 由操作员从画面选取3个以上 (包含3个) 水位测量值, 画面上能直观地显示所选取的水位计。程序将所选取的水位的平均值作为水位调节的测量值并参与联锁报警, 当选取的水位计中有一个出现异常, 偏离平均值过大 (±50mm) , 程序自动将此水位剔除;异常水位处理后, 可以从画面再次选取, 参与水位平均值计算。水位选取最少为两个, 当剩余两个水位的偏差较大时, 水位调节退出自动, 同时系统发出报警提示操作人员, 汽包水位由操作员手动调节。汽包水位智能测量原理如图2所示。

3.3 汽包水位汽水平衡原理控制技术

将汽水平衡原理引入到汽包水位控制中, 即主给水量=主蒸汽量+锅炉排污流量, 同时对锅炉排污流量采取虚拟测量技术, 不仅能有效消除因汽机负荷变化时引起的锅炉汽包虚假水位变化对控制的影响, 而且调节速度快, 无过调现象。控制原理如图3所示。SP1:汽包水位设定值;PV1:选取水位计平均值;SP2:给水流量设定值 (SP2=PID1输出值+蒸汽流量+△F) ;PV2:给水流量;△F:锅炉排污流量 (采用软测量技术) ;PID2输出值即为给水调节阀门的开度。

在排污量没有发生变化时, 锅炉处于汽水平衡状态, PID1输出值≈0;排污发生变化时汽水平衡被打破, 汽包水位就会发生变化, PID1输出值开始增减, 对给水流量设定值进行补偿, 从而恢复汽水平衡状态, 水位偏差减小, PID1输出值再次逐渐回到0。PID1、PID2手自动切换时程序作无扰处理, 并且设置一定的死区, 死区设置不能太小, 太小会使给水调节阀动作过于频繁, 不利于给水调节阀的安全运行。

锅炉汽包会连续排污和不定时排污, △F为锅炉排污流量, 该流量难以测量, 电厂锅炉中一般没有此测量仪表, 因此, 采用虚拟测量技术计算△F。程序计算当前时间前5min内的主给水流量QF1和主蒸汽流量QF2, △F=QF1-QF2。这样, △F能够比较真实地反应出锅炉的排污流量, 解决了汽包水位汽水平衡控制原理中的锅炉排污流量无法测量的难题。

4 结语

基于汽水平衡的锅炉汽包水位控制技术, 解决了当前汽包水位控制技术中的一些难题, 具有较高的稳定性、控制精度高、便于维护等特点。

参考文献