火电机组高压给水加热器动态过程的数值分析.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 5年 4月 中 国 动 力 _ T-程 学 报 C HI NE S E J OURN AL OF P O E R EN GI NE E RI N G V0 1 2 5 N o 2 Ap r 2 0 0 5 文章编 号：1 0 0 0 6 7 6 1(2 0 0 5)0 2 0 2 6 2 0 5 火电机组高压给水加热器动态过程的数值分析 张欣刚 ，徐治皋，李 勇 ，胥建群(1 东南大学，南京 2 1 0 0 9 6；2 东北电力学院，吉林 1 3 2 0 1 2)摘 要：通过对 高压加热 器的动 态数值仿 真计算，分析 了高压加热 器泄漏和 汽轮 机 负荷增 大对 高 压加热器的特征 参数，如给 水 出口温度、抽汽管道压损、疏水温度 和疏水水位的影响，以及在疏 水水 位相同时、不同运行状态下的高压加热器各特征参数的差异；分析了高压加热器泄漏和汽轮机负荷 增大对高压加热器给水管热应力的影响。结果表 明：单纯凭借疏水水位的升高不能判定高压加热 器是否发生泄漏，需要根据其他特征参数的变化来判断引起疏水水位的升高的是否是 由泄漏引起 的。图5表 1 参 4 关键词：动力机械工程；高压给水加热器；数值分析；故障诊断；动态仿真 中图分类号：T K 2 6 4 1 文献标识码：A Nu me r i c a l An a ly s is o f t h e Dy n a mi c Be h a v i o r o f Hi g h p r e s s u r e F e e d W a t e r He a t e r o f F o s s i I P o we r Se t s Z H A NG Xi n-g a n g ，XU Z h i g a o ，L I Y o n g ，XU J i a n q u n (1 S o u t h e a s t U n i v e r s i t y，N a n j i n g 2 1 0 0 9 6，C h i n a；2 N o r t h e a s t I n s t i t u t e o f E l e c t ri c P o w e r E n g i n e e ri n g，J i l i n 1 3 2 0 1 2，C h i n a)Ab s t r a c t：B y me a n s o f mu me ri c a l s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n o f h i g h p r e s s u r e f e e d w a t e r h e a t e r S d y n a mi c b e h a v i o r，t h e e ff e c t s o f h e a t e r l e a k a g e a n d t u r b i n e l o a d i n c r e a s e o n t h e h e a t e r S c h a r a c t e ri s t i c p a r a me t e rs，s u c h a s f e e d wa t e r o u t l e t t e mp e r a t u r e，p r e s s u r e d r o p o f t h e s t e a m e x t r a c t i o n p i p e l i n e，d r a i n w a t e r t e mp e r a t u r e a n d i t s l e v e l a r e b e i n g a n aly z e d i n c l u d i n g c h a n g e s o f t h e s e p a r a me t e rs wi t h d r a i n wa t e r l e v e l k e p t c o n s t an t b u t v a r y i n g o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s E f f e c t s o f h i g h p r e s s u r e f e e d w a t e r h e a t e r l e a k a g e a n d t u r b i n e l o a d i n c r e a s e o n t h e t h e r ma l s t r e s s e s o f t h e h e a t e r S f e e d w a t e r p i p e s a r e a n al y z e d t o o R e s u l t s s h o w t h a t a ri s e i n d ra i n w a t e r l e v e l s h o u l d n o t al w a y s m e r e l y b e j u d g e d t o b e c a u s e d b y l e a k a g e o f t h e h i g h p r e s s u r e f e e d wa t e r h e a t e r A c o n c l u s i o n s h o u l d b e d r a w n b y t a k i n g all t h e o t h e r c h a r a c t e ri s t i c p ara me t e rs i n t o c o n s i d e r a t i o n i n a d d i t i o n F i g s 5，t a b l e 1 a n d r e f s 4 K e y wo r d s：p o w e r a n d me c h a n i c a l e n g i n e e ri n g：h i g h p res s u r e f e e d w a t e r h e a t e r；n u me ric al a n aly s i s；f a u l t d i a g n o s i s；d y n a mi c b e h a v i o r s i mu l a t i o n 提高火电厂设备的效率和可用性将会降低运 行 的成本。如果火 电厂的运 行人员有早期检测非正 常运 行工 况 的信 息，他 们 就 可 以进 行 快速 的调 整。收 稿 日期：2 0 0 4 0 9 1 5 作 者简 介：张 欣 刚(1 9 7 5 )，男，吉 林 长 春 人，东南 大 学 动 力 工 程 系博士研究生。主要从事火电机组性能优化 状态监测与故障 诊断 的研究。这将防止设备的进一步损坏，避免损耗，提高热效 率。高压给水加热器是火电机组热力系统的一个重 要组成部分，回热系统 的频发故障主要集中在高压 加热器上，而高压加热器的故障又以高压加热器内 管系泄漏所 占比重 最大。通 常，在生 产现 场大 都 以汽侧疏水水位的升高作为判断高压加热器是否发 生泄漏的依据。但当汽轮机组的负荷增大时，高压 维普资讯 http:/ 第2 期 张欣 刚，等：火电机 组 高压给水加热 器动 态过程 的数值分析 加热器汽侧疏水水位也将升高，因此单纯根据高压 加热器的疏水水位的变化不能准确判断其是否泄 漏。文献 2 提 出，高压加热器的给水出 口温度、抽 汽压损、疏水 温度 以及疏水 水位 等参 数可 以作 为判 断其是否发生泄漏的故障特征量，为此，本文通过对 高压加热器的动态仿真计算，分析了高压加热器泄 漏及汽轮机变负荷运行工况下高压加热器各特征参 数的变化及在不同运行状态下疏水水位相同时各特 征参数的变化的差异；分析 了高压加热器泄漏和汽 轮机负荷增大对 高压 加热 器给水 管热 应力 的影 响。为完善建立高压加热器故障知识库并对故障进行早 期诊断，以及提高其运行的安全性奠定了基础。1 高压加热器的动态仿真数学模型 1 1 基本假设 为研究问题方便，在建立高压加热器动态数学 模型前，做 以下假设：(1)高压加热器汽侧压力均一，且为集总参数；(2)给水出 口参数为集总参数；(3)管壁温 度 一致，且 认 为沿 管长方 向温度 均 一，为集总参 数；(4)管内结垢程度相同，管内给水流速均匀，水 流处于紊流状态；(5)部分金 属参与换热并具有蓄扇能力；(6)过热段、疏冷段都 在加热器 内部，疏 冷段 的 大小即为疏水淹没换热面的部分。1 2高压加 热器的动态数学模型 在上述假设前提下，高压加热器 的动态数学 模型为：(1)高压加热器汽侧质量平衡方程+：D(1)式 中 加热器汽侧汽空 间的容 积，m 10 加热器蒸汽分压力对应的饱和蒸汽密 度，k g m I，加热器汽侧水空 间的容 积，m P 加热器蒸汽分压力对应的饱和水密 度，k g m D 进出加热器的汽、水流量代数和，k g S 一 r一 过 渡时间，S (2)高压加热器汽侧能量平衡方程+：D h Qd d (2)r 十 r 一 、厶 式 中 加 热 器蒸 汽分压 力 对 应 的 饱 和蒸 汽 焓，J k g h 加热器蒸汽分压力对应的饱和水焓，J k g D 进 出加热器的汽、水流量 与相 应焓 值乘积的代数和，w Q 汽侧蒸汽与冷却管之间的换热量，w (3)高压加热器水侧能量平衡方程(m =Q一 一 。)(3)式 中 m 管 内给水 的质量，k g c 给水的比热，J k g 。K f ：给水 出 口温度，。C Q 管子 与给水之间的换热量，w D 给水 流量，k g S t 给水入 口温度，。C (4)高压加热器金属管壁蓄热方程(Mc)d t m=Q 一Q (4)式 中 M管子的质量，k g c 管子的比热，J k g K (5)高压加热器汽侧传热方程 Q =F 0 (t 一t )(5)式中 F 加热器汽侧管子的表面积，。加热器汽侧蒸汽凝结换热系数，W m K一 f 一加热器蒸汽分压力对应的饱和温度，。c f 管壁温度，。C (6)高压加热器水侧传热方程 Q ：F (f 一 )(6)式中 F 加热器水侧管子的表面积，m 。加 热 器 水 侧 对 流 换 热 系 数，W m一 K一 (7)高压加热器容积平衡方程+I，=I，n (7)式中 I，n 加热器汽侧空间的总容积，m 高压加热器汽、水质量代数和为：D=D+D d+D 一 D 加热器汽水能量代数和为：D=D h +Dd h d+D h 一 DD h 经过简单推导，则式(1)、式(2)可以表示为：维普资讯 http:/ 中 国 动 力 Y-程 学 报 第2 5 卷 一 二 dr B+C d V dr一 。一 +)孥 p p (8)(9)式 中I 4：h p，-h p B：+d p sd_一 l c+d p 一 l 给水出口温度变动率为：dt w 2=v p c )dr 一 ()加热器金 属管壁温 度变化率 为：dtm：一Q-Qw (1 1)d r 一(MC)假定加热器沿高度方向截面积不变，则水位可 按 下式计算：，J：K (1 2)式中K 系数 假定加热器最下端管子距底部为，J。，最上端管 子距底部为，J，则被疏水淹没的受热面及蒸汽侧的 受热面比例分别为：)1 3 高压加热器动态数学模型的计算方法 对于上述数学模型，本文采用简单、方便的欧拉 法进行计算。计算公式 为：鲁 )二(15+1)：)+(筹)(1 6)2 高压加热器的动态过程仿真 及分 析 以某带有疏冷段和蒸冷段的三段式高压加热器 为例，其技术参数如表 1 所示。在计算过程中，假设各运行状态下高压加热器 疏水调整 门的开度保持不 变。2 1 高压加 热器 泄漏 和汽 轮机 负荷 变化 对高压 加 热器的特征参数的影响 2、1 1 高压加热 器泄漏对其特征 参数 的影 响 设运行过程中，高压加热器给水泄漏分别为给 水流量的5 和 1 0，动态仿真计算得出的高压加 热器各特征参数的动态曲线如图 1 所示。表 1 高压给水加热器 的技 术参数 Ta b l e 1 S p e c i fi c a t i o n o f t h e h i g h-p r e s s u r e h e a t e r 形式 立式，U型管 二流程 外形 尺寸 n u n 传热 管 给 水流量 k g s 给水压力 MP a 给水入 口温度 C 蒸冷段传热面积 m 2 凝结段传热面积 m 2 疏冷段 传热 面积，m 蒸汽 压力 MP a 蒸 汽温度。C 1 2 0 o7 6 7 0 2 O号碳 钢高 压管 l 6 q 4 4 1 7 6 4 2 1 6 9 5 4 5 4 7 5 3 0 3 4 5 3 7 0 3 5 2 5 l 2 5 0 2 4 9 2 4 8 2 4 7 2 4 6 2 4 5 2 4 4 2 4 3 2 4 2 2 4l 图 1 不 同泄漏量 下高 压加热 器各 特征参 数 的动态 陆线 F l Dy n a mi c c r c e s o f c h a r a c t e r i s t i c p ara me t e r s o f h i g h p r e s s u r e h e a t e r u n d e r d i f f e r e n t l e a k a g e 由图 l 可见：如果高压加热器给水发生泄漏，当疏水调整门开度不变时，汽侧疏水体积增大，疏水 水位升高。在泄漏刚开始的一段时间里，由于给水 维普资讯 http:/ 第2 期 张欣刚，等：火电机组高压给水加热器动态过程的数值分析 流量突然减少而高压加热器的抽汽量还没来得及变 化，给水的吸热量增大，蒸汽凝结率升高，汽侧压力 降低，所以出口水温升高，抽汽压损增大，疏水温度 降低；随后一段时间内高压加热器的疏水水位虽然 升高，但还没有淹没管束，加热器整体换热量不变，故给水出口温度、抽汽压损、疏水温度几乎不变；当 疏水淹没管束后，有效传热面积减小，凝结率下降，所以随泄漏时间的变化给水出口温度不断下降，抽 汽压损不断减小，疏水温度不断升高。泄漏时间越 长泄漏量越大，各参量的变化率越大。2 1 2 汽轮机 负荷 变化对高压加热器特征参数的 影 响 设运行过程 中，汽轮机负荷分别增加 l 0 和 2 0，动态仿真计算得出不同汽轮机的负荷下的高 压加热器各特征参数的动态曲线如图 2 所示。皇 司-|2 3 _ _ _ _ 图2 不同负荷下高压加热器各特征参数的动态曲线 F i g 2 Dy n a mi c c u r v e s o f c h a r a c t e r i s t i c p ara me t e r s o f h i g h-p r e s s u r e h e a t e r u n d e r d i ffe r e n t l o a d l 负荷 不变 2 负荷 增长 1 0 3 负荷增 长 2 0 由图 2可见：如果 汽轮机的负荷增加，当疏 水调 整门开度不变时，高压加热器汽侧疏水体积增大，疏 水水位升高。在变负荷开始阶段，由于汽轮机负荷 增加，高压加热器的抽汽压力增大，蒸汽温度升高，给水的吸热量加大，所以出口水温升高，而此时高压 加热器内的压力还没来得及变化，所 以抽汽压损增 大，同时所对应的高压加热器内的饱和水温度升高；随后由于给水流量逐渐增大，给水出口温度降低，抽 汽压损降低，疏水温度继续升高。经过一段时间的 调整后，各参数趋于稳定，达到新的平衡状态。由于 疏水调整门的开度不变，所以疏水将淹没部分管束，因此达到新的平衡状态时，高压加热器的给水出口 温度要低于负荷增加前的温度，抽汽压损要低于负 荷增加前的压损。负荷变化越大，高压加热器各特 征参数的变化率越大达到平衡的时间越短。2 1 3 在 不 同运行 状 态下，疏水水位 相 同时高压加 热器特征 参数 的异 同分析 由图 1和图 2可 以看 出：当高 压加热 器发 生 泄 漏和汽轮机负荷增加时，高压加热器的疏水水位都 将升高，同时高压加热器的其他特征参数也将发生 一定的变化。为研究 不 同运行 状 态下、疏 水水位 相 同时其他特征参数的异同，假设运行过程中汽轮机负 荷增加 1 0、2 0 和高压加热器给水泄漏为给水流量 的 1 0 三种情况下，动态仿真计算得出的高压加热器 各特征参数随疏水水位变化的曲线如图 3 所示。2 5 8 2 5 6 2 5 4 芝2 5 2 2 5 0 2 4 8 2 4 6 2 4 4 o 4 0 2 5 2 2 5 0 2 4 8 2 4 6 三2 4 4 2 4 2 2 4 0 2 3 8 L m 图 3 不同工况下高压加热器各参数随疏水水位变化的曲线 F i g 3 C u r v e s of c h ara c t e ris t i c p aram e t e rs o f h i g h-p r e s s u r e h e a t e r c h a n g i n g wi t h t h e d r a i n a g e wa t e r l e v e l u n d e r d i ff e r e n t o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s l 负荷增 长 2 0 2 负 荷增长 1 0 3 泄漏 1 0 由图 3可 以看 出：在 不同运 行状态下，随着疏 水 维普资讯 http:/ 2 6 6 中 国 动 力 工 程 学 报 第2 5 卷 水位的升高，各参数的变化趋势基本相同，给水出口 温度和抽汽压损都降低，疏水温度都升高；当疏水水 位相同时，各运行状态下高压加热器的给水出口温 度、抽汽压损和疏水温度都 不同，而且负荷增加 时各 参数的值要高于泄漏时各参数的值，负荷增加越大 各参数的值越大。2 2 高压加热器泄漏和汽轮机负荷变化对高压加 热器给水 管的热应 力的影响 2 2 1 高压加热器给水管热应力计算模型 假定同一工况下高压加热器壳体与管子从安装 温度分别升高到 t 和 t ，因为管子是固定在管板上 的，所 以如果忽 略管板 的 自由伸缩量，亦 即认 为管板 及壳体与管子相 比刚度足够大，则管子内部产生的 热应 力为：d =E 19 (t 一t。)一l9 (t 一t。)(1 7)式 中 管子所受热应力，P a 高 压加热 器 壳 体材 料 的线 形 膨 胀 系 数，。C 高压加热器管子材料 的线形膨胀 系 数，。C E 管子 的弹性 模量，P a f 管子初始安装温度，本 文取为2 0 C 2 2 2 高压加 热器泄 漏对给 水管 温度 和热 应 力的 影 响分析 在 设运行 过程 中，高压加热 器给水 泄漏 分别 为 给水流量的 5 和 1 0，动态仿真计算得出的高压 加热器给水管壁温度和热应力的动态曲线如图4所 刁 图 4不 I 司泄 漏 量 F高 压 加 热 器 管 壁 温 度 和 热 应 力 的 动 态 曲 线 F i g 4 Dy n a mi c c u r v e s o f t u b e t e mp e r a t u r e a n d t h e r ma l s t r e s s o f h i g h-p r e s s u r e h e a t e r u n d e r d if f e r e n t l e a k a g e fl u x e s l 泄 漏 5 2 泄漏 1 0 ck A 温 度 B 应 力 由图 4可见：当高压加热 器给 水发生 泄漏 时，高 压加热器的给水管壁温度降低而热应力增大；并且 泄漏 时间越长、泄漏量越 大，给水管壁温度和热应 力 的变化率越大。由此可见：高压加热器泄漏量越大、泄漏时间越 长，则管子受 到的热应 力的变化 越大，而且可能 出现 交变热应力，这将会导致管子出现新 的裂纹或破坏 管子 与管板之 间连接 的密封 性，从 而造 成新 的泄漏 隐患。2 2 3 汽轮 机 负荷 变化 对 高压加 热 器给水 管温度 和 热 应 力 的影 响 设运行 过 程 中，汽 轮 机 负 荷 分 别 增 加 1 0 和 2 0，动态仿真计算得出不同汽轮机负荷下的高压加 热 器的给水管温度和热应力的动态曲线如图 5所示。图 5 不 I司负 荷 F局 压 加 热 器 管 壁 温 厦 和 热 应 力 的 动 态 曲 线 Fig 5 Dy n a mi c c u r v e s o f t u b e t e mp e r a t u r e a n d th e r ma l s t r e s s o f h i g h p r e s s u r e h e a t e r u n d e r d i f f e r e n t l o a d s 1 负荷增 长 1 0 ck 2 负荷增长 2 0 A 温度 B 应力 由图5可见：当汽轮机负荷增加时，高压加热器 的给水管壁温度降低而热应力增大，经过一段时间 的调整后，各参数趋于稳定，重新达到新 的平衡状 态。负荷变化越 大，高压 加热 器给水 管 壁温度 和热 应力的变化率越大，达到平衡的时间越短。由此 可见：汽轮 机变 负荷运行 时高 压加热 器给 水管的热应力变化值较大，对应上述两种情况，给水 管的热应力的变化值达 2 0 4 0 MP a，同时可能受到 交变的热应力作用，这将导致管子出现裂纹或破坏 管子与管板之间 的接 口密封 性，从而 造 成高压加 热 器的泄漏故障。因此，汽轮机变负荷运行工况是高 压加热器发生管 系泄漏 的危 险工况。3 结论 本文通过对高压加热器的动态数值仿真计算，可得到如下结论：(1)高压加热器发生泄漏和汽轮机负荷变化时，高压加热器的给水出口温度、抽汽管道压损、疏水温 度以及疏水水位等特征参数均会发生不同程度的变 化，并且泄漏量越大，负荷变化越大，各特征参数的 变化也越大。(下转第 2 8 8页)维普资讯 http:/ 2 8 8 中 国 动 力 工 程 学 报 第2 5 卷 (上接 第 2 6 6页)(2)当高压加热器发生泄漏和汽轮机负荷增加 时，高压加热器的疏水水位都将升高，同时高压加热 器的其他特征参数也将发生不同程度的变化。在相 同疏水水位，不同运行状态下的高压加热器的给水 出口温度、抽汽压损和疏水温度的值都不同，而且汽 轮机负荷增加时各特征参数的值要高于高压加热器 泄漏时各特征参数的值。这可作为判断是高压加热 器泄漏还是汽轮机负荷变化而引起加热器疏水水位 升高的初步依据。(3)当高压加热器泄漏和汽轮机的变负荷运行 时，高压加热器给水管的热应力变化值较大，而且可 能受到交变热应力的作用，这将会导致管子出现新 的裂纹或破坏管子与管板之间连接的密封性，从而 造成新的高压加热器的泄漏故障。尤其值得注意的 是，汽轮机变 负荷 运行 时是 高压 加热器 发生 管 系泄 漏的危险工况，此时应该密切关注高压加热器其他 特征参数的变化情况，及早判断高压加热器是否发 生泄漏。符 号说 明 7 管壁 温度 7 w 2 给 水出 V I 温 度 7 疏 水温 度 尸 抽 汽压损 M P a 卜一 疏 水体 积 m r时间 s d 热 应力 MP a 参考文献：1 董卫国，徐则民 火 电厂给水加热器的运行、维护和检 修 M 北京：中国电力出版社，1 9 9 7 2 张欣刚，李 勇，徐治皋，等 高压给水加热器泄漏的动 态仿真与故障特征提取 J 汽轮机技术，2 0 0 4，4 6(2)：l 3 2 l 3 4 3 刘勇利，冯德群 火电机组给水 回热系统 的数学建模与 仿真 J 电站系统工程。2 0 0 1，1 7(2)：1 0 21 0 4 4 唐世林 电站计算机仿真技术 M 北京：科学 出版社，1 9 96 维普资讯 http:/