基于部件间容积法的自然循环蒸发器动态仿真
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(2) 对蒸发器模块进行合理参数选取 ,并将 蒸发器抽象成阻力模型和容积模型的组合 ,避免 了求取蒸发器底部压力的迭代计算 。
(3) 基于部件间容积法所建模型适合于变 工况动态仿真系统 ,对于不同用途的各式自然循 环锅炉蒸发器 ,均可采用此蒸发器模块来装配其 整体的数学模型 ,并进行数字仿真 。
参考文献 :
计算公式[3 ]
Q = Kr A rt ( Trt - Tr ) 3
(6)
式中 : Tr ———上升管内工质平均温度 ;
Kr ———有效传热系数 ;
A rt ———有效传热面积 。
采用管壁集总温度作为状态变量 ,建立管路
模型如图 3 所示 。
图 2 蒸发器仿真原理图
由蒸发器内质量平衡 ,有
Wd
[ 1 ] 苏明. 热力系统仿真中处理小容积环节的新方法[J ] . 上海 : 上海交通大学学报 ,1998 ,32 (4) :11 - 13.
[ 2 ] 韩璞 ,刘长良 ,李长青. 火电站仿真机原理及应用 [ M ] . 天 津 :天津科学技术出版社 ,1991.
[ 3 ] M. E. Flynn , M. J . O. Malley. A drum boiler model for long ter m power system dynamic simulation [ J ] . IEEE Transactions on Power System , 1999 ,14 :209 - 217.
第1期
马文通 ,等 :基于部件间容积法的自然循环蒸发器动态仿真
9
3 动态仿真算例
蒸发器是汽包热量来源的主要部件之一 ,蒸 发器内工质焓值和流量的变化直接影响到汽包 运行工况的稳定性和安全性 。在以上机理模型 的基础上建立数字仿真模型 ,对蒸发器吸热量加 入 10 %阶跃扰动 ,其仿真结果如图 4 所示 。
hrw 、hrv ———分 别 为 上 升 管 内 饱 和 水 、蒸 汽 的
焓值 。
在饱和状态 ,状态参数ρrw 、ρrv 、hrw 、hrv 都是上
升管入口压力 pr 的函数 ,因而上升管入口压力
pr 可由式 (7) 结合质量 、能量平衡方程解出 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
8
锅 炉 技 术
第 39 卷
成单独的阻力环节 ,将上升管抽象成容积环节和 阻力环节 。由于蒸发器管壁金属具有一定的热 惯性 ,金属管壁的蓄热作用需要单独考虑[2] 。
蒸发器仿真原理如图 2 所示 ,其中箭头方向 为参数传递方向 。并作如下假设 :
(1) 考虑上升管的容积惯性 ,并将上升管抽 象成一个容积模块和一个阻性模块 ;
(1. School of Mechanical and Power Engineering , Shanghai Jiaoto ng U niversity , Shanghai 200030 , China ; 2. School of Municipal and Environmental Engineering , Shenyang Architect ural U niversity , Shenyang 110015 , China ; 3. Guangdo ng Elect ric Power Research Instit ute , Guangzhou 510600 , China)
2 自然循环蒸发器模型
如图 1 所示 ,在上升管与下降管内工质密度 差的驱动下 ,来自汽包的饱和工质沿下降管进入 蒸发器 ,工质在上升管中吸收来自高温烟气的热 量不断汽化 , 最后以气液两相流的状态回到汽 包 。自然循环汽包锅炉蒸发器内工质流量受汽 包压力 、工质温度 、蒸发器吸热量等多种因素影 响 ,本文基于部件间容积法对蒸发器内部进行合 理的模块划分 ,然后按照机理分别对内部模块进 行建模 。根据蒸发器的工作机理 ,将下降管抽象
Ke y w ords : digital mo deling ; dynamic simulatio n ; evapo rato r ; nat ural circulatio n Abs t ra c t : Evapo rato r is a critical co mpo nent of nat ural circulatio n drum boiler wit h a co nsideratio n of heat t ransfer . A n interesting challenge for researcher is to develop a co ncrete evaporator simulatio n model for t he exploratio n of boiler characteristics. Based o n t he p revio us effort s in open literat ure , t his paper begin to refine t he inner st ruct ure divisio n , t hen implement s mo dularizatio n modeling met ho d to develop a dynamic evapo rator simulatio n model . Specifically inter2co mpo nent volume met hodology is used. Finally , co ncrete simulatio ns are co nducted and result s show t hat t he p ropo sed model can satisf y wit h an optimistic operating range of drum boiler. Moreover , t he iteratio n p ro blem of t raditio nal met hod is resolved. It is believed t hat t he effort s in t his work are valuable inp ropo sing a reference for similar research.
pr -
pv +ρr g lr -
f
r
W
2 r
ρr
A
2 r
(3)
式中 :ρd 、ρr ———分别为下降管 、上升管水密度 ;
pr ———上升管压力 (上升管入口处) ;
pv ———汽包压力 ;
f d 、f r ———分别为下降管 、上升管阻力系数 ;
ld 、lr 、Ad 、Ar ———分别为下降管与上升管的长度和
通流面积 。
图 3 管壁蓄热模型原理图
上升管内汽水混合物干度为
Xr
=ρρrrv(ρ(ρrwrw
- ρr ) - ρrv )
=
hr hrv -
hrw hrw
(7)
式中 : Xr ———上升管内汽水混合物干度 ; ρrw 、ρrv ———分 别 为 上 升 管 内 饱 和 水 、蒸 汽 的
密度 ;
-
pr )
(4)
式中 : Qr ———汽水混合物吸热量 ; hd 、hr ———分别为下降管内工质 、上升管汽水
混合物平均焓值 。
在热力系统中 ,由于对管道强度等方面的要
求 ,通常管壁热容量很大 ,管壁温度变化相对于
管内及管外工况变化具有一定的热惯性 ,影响到
管内工质的温度变化比较慢 ,因而上升管管壁的
-
Wr
=Vr
d源自文库r dt
(1)
式中 :V r ———蒸发器容积 ;
ρr ———汽水混合物平均密度 ;
W d 、W r ———分别为下降管入口、上升管出口流量。
由下降管与上升管动量平衡 ,有
ld
dW d dt
=
Ad
pv -
pr +ρd g ld -
f
d
W
2 d
ρd
A
2 d
(2)
lr
dW r dt
=
Ar
1 前 言
模块化建模的关键是合理划分模块 ,使模块 具有可连接性和可重用性 。传统蒸发器模型大 多分别将下降管和上升管集总为 2 个简单的管 路模型 ,采用准稳态假设 ,即认为这蒸发器内压 力平衡足够快 ,在一个积分步长时间内已达到或 接近稳态 。用准稳态假设计算时必须要通过迭 代求出压力 ,以满足上下游流量平衡的条件 ,这 种做法在每一个仿真步长中计算量较大 ,难以实 现实时的数字仿真 。部件间容积法是将部件中 可压缩部分抽象为具有一定容积惯性的小容积 环节 ,通过与其连接的部件流量确定容积的压力 和密度等状态参数 ,从而实现模块的可连接性并 且避免传统方法产生的迭代问题[1] 。自然循环 过程与机械循环系统相比 , 其建模工作更为复 杂 ,从模块化建模的角度出发 ,采用部件间容积 法 ,建立了能够适应大范围变工况和实时仿真的 自然循环汽包锅炉蒸发器的数字仿真模型 ,最后 在仿真研究的基础上讨论了自然循环汽包锅炉 蒸发器的动态特性 ,为以后的自然循环锅炉数字 仿真方面提供有意义的参考 。
Dy na mi c Si mul a t i on of Evap ora t or of Na t ural Cir c ul a t i on
Evap ora t or B a s e d on In t e r2c omp one n t V ol ume Me t hodol og y
MA Wen2to ng1 , WAN G Yue2ren2 , YU Nan2hua3
(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院 , 上海 200030 ; 2. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院 , 辽宁 沈阳 110015 ;
3. 广东省电力科学研究院 , 广东 广州 510600)
关键词 : 数字建模 ; 动态仿真 ; 蒸发器 ; 自然循环 摘 要 : 蒸发器是锅炉吸收热量的关键部件之一 ,建立自然循环汽包锅炉蒸发器的动态模型并进行仿真 , 对研究汽包锅炉的动态特性有重要意义 。在分析已有文献对自然循环蒸发器建模和仿真方法的基础上 ,从 模块化建模的角度出发 ,通过对蒸发器内部结构进行更为合理的假设和划分 ,建立了基于部件间容积法的自 然循环汽包锅炉蒸发器动态数字仿真模型 。利用所建模型对汽包锅炉蒸发器的动态特性进行了仿真研究 , 结果不但证实了模型的有效性 ,并且避免了传统方法的迭代问题 ,能够满足更大范围的动态和实时仿真要 求 ,可以为各类自然循环蒸发器建模仿真作参考 。 中图分类号 : T K229. 92 文献标识码 : A
(2) 因水压缩率很小 , 忽略下降管容积惯 性 ,认为下降管入口到下降管出口的流量不变 , 为一个简单的阻力模块 ;
(3) 汽水混合物与管壁之间的传热为沸腾 传热 ;
(4) 汽水混合物中汽水两相流速相同 。
由蒸发器内能量平衡 ,有
Qr + W d hd -
W r hr = V r
d dt
(ρr hr
第 39 卷第 1 期 2008 年 1 月
锅 炉 技 术 BO IL ER TEC HNOL O GY
Vol . 39 , No . 1 Jan. ,2008
文章编号 : CN31 - 1508 (2008) 01 - 0007 - 03
基于部件间容积法的自然循环蒸发器动态仿真
马文通1 , 王岳人2 , 余南华3
图 4 蒸发器吸热量阶跃 10 %动态响应仿真结果
从图 4 可以看出 ,蒸发器吸热量阶跃 10 % , 蒸发器金属管壁温度逐渐上升 ,进而蒸发器内工 质吸热量增大 ,出口焓值增加 。响应初期 ,蒸发 器底部压力随着吸热量的增大而增大 ,下降管流 动压差减小 ,造成下降管流量变小 。随着蒸发器 吸热量的不断增加 ,下降管内工质与上升管内工
图 1 蒸发器结构示意图
收稿日期 :2006 - 05 - 22 ; 修回日期 :2007 - 01 - 24 基金项目 :由国家自然科学基金资助项目 (5997022) 作者简介 :马文通 (1977 - ) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向为动力系统的建模仿真 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
热容应单独考虑 。上升管金属能量平衡方程
Qy -
Q
=
Mrt
Crt
d Trt dt
(5)
式中 : Q ———金属管道对上升管内工质放热量 ;
Qy ———烟气对上升管金属管道放热量 ; Mrt 、Crt 、Trt ———分别为上升管金属管道的质量 、
比热 、温度 。
汽水混合物吸热量采用两相流传热量简化
质密度差不断增大 ,从而下降管流量与上升管流 量都向增大的方向变化 。下降管压力损失随着 流量的增加而增大 , 蒸发器底部压力也逐渐降 低 。随着时间的推移 ,各个参数变化趋势变缓 , 逐渐趋向新的平衡工况 。
4 结束语
(1) 采用部件间容积法对蒸发器内部进行 合理的模块划分 ,可以很方便地实现模块的可连 接性和参数的可传递性 。
(3) 基于部件间容积法所建模型适合于变 工况动态仿真系统 ,对于不同用途的各式自然循 环锅炉蒸发器 ,均可采用此蒸发器模块来装配其 整体的数学模型 ,并进行数字仿真 。
参考文献 :
计算公式[3 ]
Q = Kr A rt ( Trt - Tr ) 3
(6)
式中 : Tr ———上升管内工质平均温度 ;
Kr ———有效传热系数 ;
A rt ———有效传热面积 。
采用管壁集总温度作为状态变量 ,建立管路
模型如图 3 所示 。
图 2 蒸发器仿真原理图
由蒸发器内质量平衡 ,有
Wd
[ 1 ] 苏明. 热力系统仿真中处理小容积环节的新方法[J ] . 上海 : 上海交通大学学报 ,1998 ,32 (4) :11 - 13.
[ 2 ] 韩璞 ,刘长良 ,李长青. 火电站仿真机原理及应用 [ M ] . 天 津 :天津科学技术出版社 ,1991.
[ 3 ] M. E. Flynn , M. J . O. Malley. A drum boiler model for long ter m power system dynamic simulation [ J ] . IEEE Transactions on Power System , 1999 ,14 :209 - 217.
第1期
马文通 ,等 :基于部件间容积法的自然循环蒸发器动态仿真
9
3 动态仿真算例
蒸发器是汽包热量来源的主要部件之一 ,蒸 发器内工质焓值和流量的变化直接影响到汽包 运行工况的稳定性和安全性 。在以上机理模型 的基础上建立数字仿真模型 ,对蒸发器吸热量加 入 10 %阶跃扰动 ,其仿真结果如图 4 所示 。
hrw 、hrv ———分 别 为 上 升 管 内 饱 和 水 、蒸 汽 的
焓值 。
在饱和状态 ,状态参数ρrw 、ρrv 、hrw 、hrv 都是上
升管入口压力 pr 的函数 ,因而上升管入口压力
pr 可由式 (7) 结合质量 、能量平衡方程解出 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
8
锅 炉 技 术
第 39 卷
成单独的阻力环节 ,将上升管抽象成容积环节和 阻力环节 。由于蒸发器管壁金属具有一定的热 惯性 ,金属管壁的蓄热作用需要单独考虑[2] 。
蒸发器仿真原理如图 2 所示 ,其中箭头方向 为参数传递方向 。并作如下假设 :
(1) 考虑上升管的容积惯性 ,并将上升管抽 象成一个容积模块和一个阻性模块 ;
(1. School of Mechanical and Power Engineering , Shanghai Jiaoto ng U niversity , Shanghai 200030 , China ; 2. School of Municipal and Environmental Engineering , Shenyang Architect ural U niversity , Shenyang 110015 , China ; 3. Guangdo ng Elect ric Power Research Instit ute , Guangzhou 510600 , China)
2 自然循环蒸发器模型
如图 1 所示 ,在上升管与下降管内工质密度 差的驱动下 ,来自汽包的饱和工质沿下降管进入 蒸发器 ,工质在上升管中吸收来自高温烟气的热 量不断汽化 , 最后以气液两相流的状态回到汽 包 。自然循环汽包锅炉蒸发器内工质流量受汽 包压力 、工质温度 、蒸发器吸热量等多种因素影 响 ,本文基于部件间容积法对蒸发器内部进行合 理的模块划分 ,然后按照机理分别对内部模块进 行建模 。根据蒸发器的工作机理 ,将下降管抽象
Ke y w ords : digital mo deling ; dynamic simulatio n ; evapo rato r ; nat ural circulatio n Abs t ra c t : Evapo rato r is a critical co mpo nent of nat ural circulatio n drum boiler wit h a co nsideratio n of heat t ransfer . A n interesting challenge for researcher is to develop a co ncrete evaporator simulatio n model for t he exploratio n of boiler characteristics. Based o n t he p revio us effort s in open literat ure , t his paper begin to refine t he inner st ruct ure divisio n , t hen implement s mo dularizatio n modeling met ho d to develop a dynamic evapo rator simulatio n model . Specifically inter2co mpo nent volume met hodology is used. Finally , co ncrete simulatio ns are co nducted and result s show t hat t he p ropo sed model can satisf y wit h an optimistic operating range of drum boiler. Moreover , t he iteratio n p ro blem of t raditio nal met hod is resolved. It is believed t hat t he effort s in t his work are valuable inp ropo sing a reference for similar research.
pr -
pv +ρr g lr -
f
r
W
2 r
ρr
A
2 r
(3)
式中 :ρd 、ρr ———分别为下降管 、上升管水密度 ;
pr ———上升管压力 (上升管入口处) ;
pv ———汽包压力 ;
f d 、f r ———分别为下降管 、上升管阻力系数 ;
ld 、lr 、Ad 、Ar ———分别为下降管与上升管的长度和
通流面积 。
图 3 管壁蓄热模型原理图
上升管内汽水混合物干度为
Xr
=ρρrrv(ρ(ρrwrw
- ρr ) - ρrv )
=
hr hrv -
hrw hrw
(7)
式中 : Xr ———上升管内汽水混合物干度 ; ρrw 、ρrv ———分 别 为 上 升 管 内 饱 和 水 、蒸 汽 的
密度 ;
-
pr )
(4)
式中 : Qr ———汽水混合物吸热量 ; hd 、hr ———分别为下降管内工质 、上升管汽水
混合物平均焓值 。
在热力系统中 ,由于对管道强度等方面的要
求 ,通常管壁热容量很大 ,管壁温度变化相对于
管内及管外工况变化具有一定的热惯性 ,影响到
管内工质的温度变化比较慢 ,因而上升管管壁的
-
Wr
=Vr
d源自文库r dt
(1)
式中 :V r ———蒸发器容积 ;
ρr ———汽水混合物平均密度 ;
W d 、W r ———分别为下降管入口、上升管出口流量。
由下降管与上升管动量平衡 ,有
ld
dW d dt
=
Ad
pv -
pr +ρd g ld -
f
d
W
2 d
ρd
A
2 d
(2)
lr
dW r dt
=
Ar
1 前 言
模块化建模的关键是合理划分模块 ,使模块 具有可连接性和可重用性 。传统蒸发器模型大 多分别将下降管和上升管集总为 2 个简单的管 路模型 ,采用准稳态假设 ,即认为这蒸发器内压 力平衡足够快 ,在一个积分步长时间内已达到或 接近稳态 。用准稳态假设计算时必须要通过迭 代求出压力 ,以满足上下游流量平衡的条件 ,这 种做法在每一个仿真步长中计算量较大 ,难以实 现实时的数字仿真 。部件间容积法是将部件中 可压缩部分抽象为具有一定容积惯性的小容积 环节 ,通过与其连接的部件流量确定容积的压力 和密度等状态参数 ,从而实现模块的可连接性并 且避免传统方法产生的迭代问题[1] 。自然循环 过程与机械循环系统相比 , 其建模工作更为复 杂 ,从模块化建模的角度出发 ,采用部件间容积 法 ,建立了能够适应大范围变工况和实时仿真的 自然循环汽包锅炉蒸发器的数字仿真模型 ,最后 在仿真研究的基础上讨论了自然循环汽包锅炉 蒸发器的动态特性 ,为以后的自然循环锅炉数字 仿真方面提供有意义的参考 。
Dy na mi c Si mul a t i on of Evap ora t or of Na t ural Cir c ul a t i on
Evap ora t or B a s e d on In t e r2c omp one n t V ol ume Me t hodol og y
MA Wen2to ng1 , WAN G Yue2ren2 , YU Nan2hua3
(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院 , 上海 200030 ; 2. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院 , 辽宁 沈阳 110015 ;
3. 广东省电力科学研究院 , 广东 广州 510600)
关键词 : 数字建模 ; 动态仿真 ; 蒸发器 ; 自然循环 摘 要 : 蒸发器是锅炉吸收热量的关键部件之一 ,建立自然循环汽包锅炉蒸发器的动态模型并进行仿真 , 对研究汽包锅炉的动态特性有重要意义 。在分析已有文献对自然循环蒸发器建模和仿真方法的基础上 ,从 模块化建模的角度出发 ,通过对蒸发器内部结构进行更为合理的假设和划分 ,建立了基于部件间容积法的自 然循环汽包锅炉蒸发器动态数字仿真模型 。利用所建模型对汽包锅炉蒸发器的动态特性进行了仿真研究 , 结果不但证实了模型的有效性 ,并且避免了传统方法的迭代问题 ,能够满足更大范围的动态和实时仿真要 求 ,可以为各类自然循环蒸发器建模仿真作参考 。 中图分类号 : T K229. 92 文献标识码 : A
(2) 因水压缩率很小 , 忽略下降管容积惯 性 ,认为下降管入口到下降管出口的流量不变 , 为一个简单的阻力模块 ;
(3) 汽水混合物与管壁之间的传热为沸腾 传热 ;
(4) 汽水混合物中汽水两相流速相同 。
由蒸发器内能量平衡 ,有
Qr + W d hd -
W r hr = V r
d dt
(ρr hr
第 39 卷第 1 期 2008 年 1 月
锅 炉 技 术 BO IL ER TEC HNOL O GY
Vol . 39 , No . 1 Jan. ,2008
文章编号 : CN31 - 1508 (2008) 01 - 0007 - 03
基于部件间容积法的自然循环蒸发器动态仿真
马文通1 , 王岳人2 , 余南华3
图 4 蒸发器吸热量阶跃 10 %动态响应仿真结果
从图 4 可以看出 ,蒸发器吸热量阶跃 10 % , 蒸发器金属管壁温度逐渐上升 ,进而蒸发器内工 质吸热量增大 ,出口焓值增加 。响应初期 ,蒸发 器底部压力随着吸热量的增大而增大 ,下降管流 动压差减小 ,造成下降管流量变小 。随着蒸发器 吸热量的不断增加 ,下降管内工质与上升管内工
图 1 蒸发器结构示意图
收稿日期 :2006 - 05 - 22 ; 修回日期 :2007 - 01 - 24 基金项目 :由国家自然科学基金资助项目 (5997022) 作者简介 :马文通 (1977 - ) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向为动力系统的建模仿真 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
热容应单独考虑 。上升管金属能量平衡方程
Qy -
Q
=
Mrt
Crt
d Trt dt
(5)
式中 : Q ———金属管道对上升管内工质放热量 ;
Qy ———烟气对上升管金属管道放热量 ; Mrt 、Crt 、Trt ———分别为上升管金属管道的质量 、
比热 、温度 。
汽水混合物吸热量采用两相流传热量简化
质密度差不断增大 ,从而下降管流量与上升管流 量都向增大的方向变化 。下降管压力损失随着 流量的增加而增大 , 蒸发器底部压力也逐渐降 低 。随着时间的推移 ,各个参数变化趋势变缓 , 逐渐趋向新的平衡工况 。
4 结束语
(1) 采用部件间容积法对蒸发器内部进行 合理的模块划分 ,可以很方便地实现模块的可连 接性和参数的可传递性 。