300MW电站回热加热器仿真模型建立及经济运行分析

化的假定，拓宽了实验研究的范围，减少了实验的工作量；

(2) 数据完整，计算机仿真可以提供研究范围内有关变量的具体数值，因而可以补充实验研究所无法获得的数据；

(3) 经济性好，利用数学模型进行试验的费用远远低于在实际设备上进行实验研究的费用；

(4)周期短，计算机仿真方法可以从各种参数的大量匹配组合中选择多种方案进行比较，选择最佳方案的快速和灵活是任何实验研究方法所无法比拟的。

1.3 数学模型在电站仿真系统中的地位及意义

系统仿真中的核心技术是建立数学模型。仿真计算机系统作为仿真系统的中心部分，其灵魂就是仿真软件。因为计算机仿真的基础是以仿真软件形式出现的仿真模型。仿真研究的许多活动总是要通过仿真模型来实现，仿真计算机系统在一系列试验中的作用，也要靠所开发的仿真模型来发挥，计算机仿真技术的发展与仿真模型的研发息息相关。

模型是仿真的最重要的基础之一。所谓模型就是对仿真对象和其运行状态与行为的抽象描述，其本质是一组说明，根据这些说明，可以产生与真实系统相应的行为数据。

建立系统模型时，人们往往强调模型的完备性及准确性，这无疑是十分重要的。但是，在仿真技术应用中，如何根据仿真的目的来决定模型的详细程度则是易于忽视而对仿真效果具有重大影响的问题。一般说来，在仿真的初始阶段，应力求模型简单，随着研究的深入，逐步增加模型的复杂程度。当然，由于实际系统的复杂性，模型的建立往往很难一次成功，甚至要利用仿真技术这一手段来修改模型，达到完善模型的目的。

计算机仿真要求模型采用数学描述形式并改造成适于计算机处理的形式。所建立起来的模型称为仿真模型。仿真技术的发展为仿真模型的建立提供了基础，适合于不同系统及不同目的的建模方法不断地研究出来。然而，任何一种方法都具有某种局限性，因此，在仿真应用时，必须根据模型的特点及仿真的要求来选择算法。例如在离线仿真研究中，仿真的精度是首要的，就需要选择那些稳定性较好，精度较高的算法，而在实时仿真或在线仿真时，仿真的速度要优先保证，在满足计算速度的前提下考虑计算精度问题。因此，建模方法的选择往往是精度及速度两方面综合考虑的结果。

电站热工对象的数学模型包括锅炉本体模型、汽轮机本体模型、发电机本体模型、回热加热器系统模型、控制系统模型以及各种辅机模型等。其中，电站锅炉模型的计算是仿真建模的难点，是影响整套模型的精度的一大障碍。

电站锅炉是电站生产过程的动力源，锅炉的锅内过程主要在省煤器、各级过热器及再热器中完成，工质在这些加热器中由低温、低能位的给水逐级吸收热量加热成高温、高能位的过热蒸汽。蒸汽再引入汽轮机实现热能到机械能的转变，

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沈阳工程学院毕业设计(论文)

最后由发电机实现机械能到电能的转变，从而完成电站电力的整个生产过程。锅炉的省煤器，特别是各级过热器和再热器中工质都在传热过程中，不发生物相的变化，故而，它们被称为单相区受热管。

本文的研究对象为电站热工对象的单相区各级过热器及再热器的动态模型的建立和不同工况下的静态计算，并分析其受污染的原因及提高热经济性的方法。由于锅炉的这些设备在电站电力生产中的重要地位，其模型的优劣直接关系到仿真系统的逼真度及实用性。

总之，系统仿真中的核心技术是建立数学模型。高质量、高逼真度的数学模型可以让电站仿真技术走得更远，在实际生产中发挥更重要的作用。

1. 4课题必要性

汽轮机的抽汽系统是将在汽轮机中已做过功的蒸汽抽出一部分进行加热给水或凝结水以提高给水和凝结水的温度，从而提高机组的热效率。加热器中的疏水按逐级自流方式引出加热器，加热器中不能凝结的气体引至除氧器或凝汽器，从而保证加热器能安全、经济运行。在纯凝汽式汽轮机的热力循环中，新蒸汽的热量在汽轮机中转变为功的部分只占30%左右，而其余的70%左右的热量随蒸汽进入凝汽器，在凝结过程中被循环水带走，这部分损失是电厂热循环中损失最大的部分。如果能将这部分损失于循环水的热量回收一部分，例如，用其加热锅炉的给水，减少给水吸收燃料的热量，则必能使热力循环的效率提高。因此可利用在汽轮机内作了一定量功后的蒸汽，即进入汽轮机的蒸汽，一部分按朗肯循环继续作功直至凝汽器；而另一部分则在汽轮机中间抽出，用来加热由凝汽器来的凝结水或锅炉的给水，提高给水温度。这部分抽汽的热量重新回入锅炉，故这部分蒸汽的循环热效率可以等于100%。至于抽汽的压力，抽汽量大小，可通过计算得出。

由此可见，采用回热加热系统后的效果有： (1)显著地提高循环热效率，使锅炉的热负荷降低；

(2)通过抽汽使得汽轮机前面几级蒸汽量增加，后几级流量减少，提高了单机功率；

(3)进入凝汽器的蒸汽量减少了，凝器热负荷减少，换热面积可减少，循泵容量减少。

如果加热器发生故障停运，会使锅炉给水温度降低，增加燃料消耗量。另外由于进入锅炉的给水温度降低，在锅炉过热器中吸热量增加，相对于炉膛内热负荷的蒸发量减少，蒸汽在锅炉过热器中会引起过热蒸汽温度升高，可能烧坏过热器，威胁机组的安全运行。同时加热器停用，造成原有抽汽继续在汽轮机内做功，下一级抽汽口监视段压力升高，使汽轮机缸体与转子的胀差加大，进而威胁汽轮机的安全运行。因此当加热器停用时，为了防止机组过负荷,迫使

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机组降负荷运行。

由此可见，所建立电站回热加热器仿真模型的准确性和实用性对整个电站的经济运行和安全运行是非常重要的。

1. 5本论文完成的工作

回热加热系统是发电厂中一个重要的辅助系统，为了能更好地了解和掌握加热器系统的性能与运行特性，分析和研究影响加热器系统经济性的因素，同时也为了仿真能够达到更高的精度，取得良好的培训效果，本文将进行如下研究：

（1）了解加热器及回热系统的具体结构，掌握加热器的基本理论，分析加热器的结构参数、物性参数对加热器流动特性与传热过程的影响，深入掌握加热器静态性能计算的理论与方法。

（2）在加热器静态性能计算的基础上，结合仿真要求，以具有过热蒸汽冷却段、饱和蒸汽凝结段、疏水冷却段三个传热段的典型U型管式加热器为研究对象，建立其动态数学模型，并以此加热器动态模型为基础，借助沈阳工程学院仿真支撑系统的功能，建立了整个加热器回热系统的数学模型。通过具体的工程实例，对加热器动态模型的精度与动态特性的正确性进行了验证。

（3）利用回热系统仿真模型进行加热器变工况及故障测试及热经济性分析，将试验曲线与理论分析结果加以比较，验证模型的响应特性。

1.6 小结

本章具体介绍了回热加热器的背景及研究目的，并且强调了研究的必要性，

强调了建立数学模型是系统仿真中的核心技术部分，而且说明了应该完成的任务。

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第二章 加热器的基本理论与技术特性

2. 1加热器的工作原理

火电厂中的加热器是利用从汽轮机中抽出一定数量的作过了一部分功的蒸汽来加热主凝结水和给水回热加热装置。高、低压加热器均为面式加热器，面式加热器是以传热管为传热面，管外的蒸汽凝结所释放的热量通过传热面金属管壁传递给管内的给水，从而提高锅炉给水的温度。除氧器为混合式加热器，蒸汽与凝结水在混合式加热器中直接混合并进行传热。发电厂中的回热加热系统是由面式加热器和混合式加热器共同构成的。采用回热加热系统，一方面可以提高锅炉给水温度，因而相应地减少了给水在锅炉中的吸热量，节省了燃料;另一方面，由于加热器把抽汽的冷凝热量传给了给水，又回到锅炉中，抽汽的热量也就几乎全部被利用而无损失，因此减少了汽轮机排汽的冷源损失，提高了电厂的热效率。

2.2 加热器的分类

2.2.1按传热方式分类

加热器按传热方式可分为表面式加热器和混合式加热器。混合式汽水直接混合并进行传热；表面式则通过金属受热面来实现热量的传递。混合式加热器的优点是无端差，热经济性好；结构简单，投资少；便于汇集不同的水流并能除去水所含的气体。其缺点是要配置水泵，这样就大大降低了系统的可靠性。面式加热器有端差，经济性较差，加热器造价高，本身的可靠性差。但整个加热器系统较混合式加热器系统简单，运行也较为可靠。火电厂中使用的高、低加，蒸汽冷却器，疏水冷却器等都属于表面式加热器;除氧器则属于混合式加热器。

2.2.2按结构分类

按加热器水室的配水形式分为管板式加热器和集箱式加热器。管板式加热器的传热面均为U形管，集箱式的传热面有多种类型，如螺旋管、腰圆管和蛇形管等。这两种加热器各有优、缺点。目前火电厂用的加热器大多是U形管板

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