基于協(xié)調(diào)方程的火電機(jī)組動態(tài)模型

基于協(xié)調(diào)方程的火電機(jī)組動態(tài)模型

通過勞動循環(huán)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的，應(yīng)確保勞動質(zhì)量與能量的比例在正常范圍內(nèi)，否則會導(dǎo)致異常的蒸汽溫度。對于汽包鍋爐，當(dāng)工作質(zhì)量和能量損失時(shí)，汽包的大體積可以起到一定的緩沖作用，這樣的蒸汽溫度不會發(fā)生很大變化。現(xiàn)在，隨著容量的高參數(shù)方向的發(fā)展，鍋爐的運(yùn)行能力越來越大，但這種情況不能降低。因此，由于電網(wǎng)要求自動發(fā)電控制（agc）和參與電網(wǎng)的頻率波動，導(dǎo)致負(fù)荷指令的頻繁波動。此外，由于能源供應(yīng)的緊張性，煤質(zhì)氣積的變化是嚴(yán)重的。由于以上因素，本油器的運(yùn)行過程中汽包水位和主要蒸汽壓力之間往往會大幅變化，使系統(tǒng)的控制質(zhì)量惡化。為了解決這個(gè)問題，需要深入研究設(shè)備前壓力-油袋水位的性質(zhì)?；痣姍C(jī)組的建模一直是研究熱點(diǎn).?str?m等人于1970年左右建立了160MW燃油機(jī)組負(fù)荷-壓力-水位動態(tài)模型,并于2000年建立了汽包-下降管-水冷壁動態(tài)模型.前者采用了機(jī)理分析與數(shù)據(jù)擬合相結(jié)合的研究方法,具有簡化的形式且適于應(yīng)用,但此類機(jī)組在國內(nèi)已經(jīng)非常罕見;后者則將研究對象作為一個(gè)整體,統(tǒng)一建立其質(zhì)量平衡和能量平衡方程,由于對象存在耦合特性以及水和水蒸氣的熱力性質(zhì)非常復(fù)雜,模型最終以偏微分方程形式給出,其中大量系數(shù)隨工作點(diǎn)變化,給應(yīng)用造成一定困難.針對這一問題,筆者提出一種新的建模思路:只要汽包水位處于正常范圍內(nèi),就具有調(diào)節(jié)工質(zhì)-能量失配的能力.因此,可針對負(fù)荷-壓力系統(tǒng)建立能量平衡方程,并引入質(zhì)量修正;針對水位系統(tǒng)建立質(zhì)量平衡方程,并引入能量修正.最終得到以微分方程形式描述的對象模型.1機(jī)械分析1.1鍋爐蓄熱系數(shù)mpa機(jī)組熱力循環(huán)過程示于圖1.由圖1可知:鍋爐輸出能量Ho包括鍋爐吸熱量QB和給水熱量Hi;進(jìn)入汽輪機(jī)后,Ho轉(zhuǎn)化為3部分,即汽輪機(jī)作功NE、凝汽器散熱Hc和給水熱量Hi.在滿足鍋爐工質(zhì)-能量平衡且機(jī)組熱效率恒定的前提下,首先可約去Hi,其次可只考慮鍋爐有效吸熱量與機(jī)組功率之間的關(guān)系,經(jīng)簡化后得到分別描述鍋爐和汽輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換動態(tài)過程的方程:Cbdpd/dt=-Κ3ptuΤ+Κ1uB(1)ΤtdΝE/dt=-ΝE+Κ3ptuΤ(2)Cbdpd/dt=?K3ptuT+K1uB(1)TtdNE/dt=?NE+K3ptuT(2)式中:K3ptuT代表進(jìn)入汽輪機(jī)的有效熱量;K1uB代表鍋爐吸收的有效吸熱量;Cb為鍋爐蓄熱系數(shù),MJ/MPa;pd和pt分別為汽包壓力和機(jī)前壓力,MPa;uB為鍋爐燃料量,kg/s;uT為汽輪機(jī)調(diào)門開度,%;Tt為汽輪機(jī)慣性時(shí)間,s;K1為燃料增益,MW/kg;K3為汽輪機(jī)增益,MW/(MPa·%).鍋爐蓄熱主要是由鍋爐內(nèi)飽和水、蒸汽和金屬熱力參數(shù)的變化造成的.汽包水位在正常范圍內(nèi)變化時(shí),鍋爐內(nèi)飽和水及蒸汽量的變化只占鍋爐總存儲工質(zhì)量的很小一部分,不足以對鍋爐蓄熱系數(shù)產(chǎn)生重大影響,按照小偏差線性化原則,可以忽略這一非線性特性,所以式(1)左側(cè)可保持不變.為了研究工質(zhì)與能量失配時(shí)給水流量與機(jī)組負(fù)荷-壓力之間的關(guān)系,需要對式(1)進(jìn)行修正.工質(zhì)在鍋爐內(nèi)的轉(zhuǎn)換過程為:鍋爐將全部給水加熱為飽和水,再將其中一部分飽和水加熱為飽和蒸汽并最終加熱為過熱蒸汽,同時(shí)將汽輪機(jī)高壓缸排汽加熱為再熱蒸汽.將式(1)右側(cè)還原為完整的形式后變?yōu)?Cbdpd/dt=-uW(hw-hf)ηE-qss(hss-hw)ηE-qrs(hrs-hhs)ηE+QBηE(3)Cbdpd/dt=?uW(hw?hf)ηE?qss(hss?hw)ηE?qrs(hrs?hhs)ηE+QBηE(3)式中:uW、qss和qrs分別為給水流量、過熱蒸汽流量和再熱蒸汽流量,kg/s;hf、hw、hss、hrs和hhs分別為給水、汽包內(nèi)飽和水、過熱蒸汽、再熱蒸汽和汽輪機(jī)高壓缸排汽比焓,MJ/kg;ηE為機(jī)組發(fā)電效率.式(3)右側(cè)給水流量項(xiàng)可分解為:-uW=-(uW-qss)-qss(4)?uW=?(uW?qss)?qss(4)將式(4)代入式(3)約去給水比焓及機(jī)組效率的影響,并還原為式(1)的形式:Cbdpd/dt=-(uW-qss)(hw-hf)ηE-Κ3ptuΤ+Κ1uB(5)Cbdpd/dt=?(uW?qss)(hw?hf)ηE?K3ptuT+K1uB(5)令K4=(hw-hf)ηE,K5=K1uB/[qss(hw-hf)ηE]可得:Cbdpd/dt=-Κ4uW-Κ3ptuΤ+Κ1(1+Κ5)uB(6)Cbdpd/dt=?K4uW?K3ptuT+K1(1+K5)uB(6)1.2汽包水位的簡化分析圖2為汽包-下降管-水冷壁內(nèi)工質(zhì)循環(huán)示意圖.給水經(jīng)省煤器進(jìn)入汽包后,受汽包內(nèi)飽和蒸汽加熱變?yōu)轱柡退?飽和水在汽包、下降管、下降管聯(lián)箱和水冷壁內(nèi)形成一個(gè)循環(huán),其中部分飽和水被加熱為飽和蒸汽從汽包流出.描述汽包液面下飽和水容積的質(zhì)量平衡方程為:dΜ/dt=uW+qs2-qw1(7)dM/dt=uW+qs2?qw1(7)式中:M為省煤器、下降管和水冷壁內(nèi)飽和水總量,kg;qs2為汽包中被冷凝的飽和蒸汽流量,kg/s;qw1為水冷壁中被蒸發(fā)的飽和水流量,kg/s.根據(jù)圖2列出如下能量平衡和質(zhì)量平衡方程:qs2=uW(hw-hf)/(hs-hw)(8)qw1=QBηD/(hs-hw)(9)Μ=vwρw(10)qs2=uW(hw?hf)/(hs?hw)(8)qw1=QBηD/(hs?hw)(9)M=vwρw(10)式中:ηD為水冷壁吸熱量占鍋爐總吸熱量的比例;vw為汽包、下降管和水冷壁內(nèi)飽和水的總?cè)莘e,m3;hs為汽包內(nèi)飽和蒸汽焓,MJ/kg;ρw為飽和水密度,kg/m3.在滿足小偏差線性化的條件下,ρw可認(rèn)為是一常數(shù),則有:dΜ/dt=ρwdvw/dt(11)位于汽包液面下的飽和蒸汽容積vs1會影響汽包水位ld.按照簡化分析思路,vs1是流量為qw1的飽和水完全被加熱為飽和蒸汽產(chǎn)生的,在均勻受熱的情況下:vs1=Lqw1/(2ρwvw)(12)式中:L為汽包水位計(jì)算全高度,m.汽包零水位位于汽包中心線附近,忽略汽包容積與汽包水位之間的非線性,則汽包水位變化可描述為:Addld/dt=dvw/dt+dvs1/dt(13)將式(7)～式(11)代入式(13)整理后得:(hs-hw)ρwAddld/dt=-ηDQB+uW(hs-hf)+(0.5LηD/v)dQB/dt(14)式中:Ad為汽包橫截面面積,m2;v為汽包、下降管和水冷壁總?cè)莘e,m3.令rT=K3ptuT,K6=ηD/[(hs-hf)ηE],K7=0.5LηD/[v(hs-hf)ηE],Md=(hs-hw)ρwAd/(hs-hf),可得:Μddld/dt=-Κ6rΤ+uW+Κ7drΤ/dt(15)2鍋爐燃燒率u3000經(jīng)過整理,對象模型可表示為:rm=uB(t-τ)(16)ΤfdrB/dt=-rB+rm(17)Cbdpd/dt=-K4uW-rT+K1(1+K5)rB(18)Μddld/dt=-Κ6rΤ+uW+Κ7drΤ/dt(19)ΤtdΝE/dt=-ΝE+rΤ(20)pt=pd-Κ2(Κ1rB)1.5(21)rΤ=Κ3ptuΤ(22)式中:τ為制粉過程純延遲時(shí)間,s;rm為進(jìn)入磨煤機(jī)的實(shí)際煤量,kg/s;rB為鍋爐燃燒率,kg/s;Tf為制粉過程慣性時(shí)間,s;Md為汽包容積系數(shù),kg/m;K2為無量綱過熱器差壓擬合系數(shù).該模型可以很方便地在Matlab或DCS中組態(tài)實(shí)現(xiàn).對于盤山電廠4號機(jī)組,通過機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定靜態(tài)參數(shù),通過擾動試驗(yàn)確定動態(tài)參數(shù)后,最終得到對象模型為:3負(fù)荷指令擾動時(shí)模型輸出信息與機(jī)組實(shí)際信號的對比對模型所涉及的控制系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)擾動試驗(yàn)存在較大風(fēng)險(xiǎn),因此選擇閉環(huán)擾動試驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性.在機(jī)組監(jiān)控信息系統(tǒng)中建立模型,將燃料量、汽輪機(jī)高調(diào)門開度和給水流量3個(gè)實(shí)際信號引入模型,對比機(jī)組負(fù)荷、機(jī)前壓力和汽包水位3個(gè)模型輸出信號與機(jī)組真實(shí)信號之間的動態(tài)對應(yīng)關(guān)系.由于對象具有系統(tǒng)非線性,所以選擇機(jī)組在正常負(fù)荷變化范圍內(nèi)的多個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí),將機(jī)組負(fù)荷指令變化速率設(shè)置為允許的最大值,以避免因激勵(lì)不充分帶來的問題.另外,由于汽包水位具有積分特性且波動劇烈,因此對其進(jìn)行了二階帶通濾波處理,消除了趨勢項(xiàng)和高頻干擾以便觀察.模型輸出信息與機(jī)組實(shí)際信號的比較示于圖3～圖6.圖3～圖5給出了在不同負(fù)荷工作點(diǎn)下,負(fù)荷指令擾動時(shí)模型輸出信號與機(jī)組實(shí)際信號的比較.圖6給出了在額定負(fù)荷下,當(dāng)啟/停磨煤機(jī)造成燃料量大幅度擾動時(shí)模型輸出信號與機(jī)組實(shí)際信號的比較.由圖3～圖6可以看出:模型輸出信號能夠在變化趨勢上較好地復(fù)現(xiàn)機(jī)組實(shí)際信號.由于對水位信號