火电机组负荷-压力模型的建立与分析

2016-07-14马亮

综合智慧能源 2016年5期

关键词：火电机组

马亮

(华电漯河发电有限公司，河南漯河　462000)

火电机组负荷-压力模型的建立与分析

马亮

(华电漯河发电有限公司，河南漯河462000)

摘要：传统的火电厂协调控制系统很难满足新形势下电网的要求，为进行分析和优化，需要建立机组的负荷-压力数学模型。以华电漯河发电有限公司一期2×330 MW机组为对象，在机理分析的基础上建立了机组的数学模型，根据历史数据及动态试验结果确定了相关模型参数，并在对象机组分散控制系统中搭建了机组简化模型。通过与机组实际运行数据对比，证明了该模型具有较好的准确性与复现性。机组模型的建立可为下一步先进控制算法的应用打下良好的基础。

关键词：火电机组；机理分析；试验建模；模型参数

0引言

火电机组协调控制系统一直是电厂自动控制的难点和重点。由于锅炉和汽轮机在动态特性上的巨大差异，导致常规控制策略很难满足电网调度的相关要求。为了进一步对协调控制进行分析和优化，并比较不同控制策略的优劣，需对机组的各动、静态过程有比较清晰的认识，建立起机组的数学模型。

ÅströmEklund从1972年就开始研究燃油机组的动态模型，他们提出的非线性燃油机组模型是具有代表性的模型之一，广泛应用于控制系统研究中。针对火电机组，曾得良建立了一种充分考虑系统非线性的模型，并给出求取模型中未定参数的方法[1]。范永胜采用模块化建模方法建立的超临界直流锅炉机理模型，能够较全面地反映机组的各种运行工况及主要参数的变化，但由于结构较为复杂且参数较多，实际应用时有一定困难[2]。田亮对机组做出了合理简化，建立了机组模型，重点对制粉过程和过热器差压进行了分析，并通过大量扰动试验确定了机组的相关参数[3]。部分专家提出了建立机组的状态反馈模型，给出了增量式观测器的状态描述[4-8]。

本文建模的对象为华电漯河发电有限公司一期2×330 MW热电联产机组，汽轮机为上海汽轮机厂有限公司生产的C330-16.7/0.379/537/537型凝汽式汽轮机，锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG-1120/17.5-M732型亚临界控制循环汽包炉。控制系统采用新华控制有限公司生产的XDPS-400e分散控制系统(DCS)。机组额定主蒸汽压力为16.7 MPa，主蒸汽温度为537 ℃，再热蒸汽温度为537 ℃。

1机组模型的建立

1.1概述

火力发电机组是一个复杂的多变量、非线性控制系统，通常简化为一个双输入双输出的对象：其中输入为燃料量和主汽门开度，为控制量；输出为机组功率和机前压力，为被控量。

从结构上说，火电单元机组由锅炉、汽轮机、发电机3部分组成。由于发电机能量转换是在瞬间完成的，动态过程很快，相比于其他环节可以忽略，因此，本文的主要建模对象为锅炉和汽轮机。

从特性上说，机炉协调控制过程十分复杂，其动态特性不仅与机炉结构有关，还与机组负荷、运行方式、外部环境等有关。总体上说，单元机组是本质非线性的，并且具有分布参数和时变特性。精确模型目前还难以得到，只能通过合理的简化与近似，采用机理分析或系统辨识的方法建立机组的简化模型[9-12]。

在机组建模过程中，主要考虑耦合性较强的负荷、压力等参数，对于耦合性较弱，可以独立考虑的参数(如汽包水位、给水温度、炉膛负压等)，控制系统认为其稳定，因此，需作如下假设。

(1)给水控制系统保证锅炉工质的平衡，即蒸汽负荷与给水量之间的物质平衡，表现为汽包水位的稳定。

(2)汽温控制系统保证过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的稳定。

(3)燃烧控制系统保证燃烧效率及风煤比的稳定，即保证经济性和稳定性。

(4)汽轮机回热加热系统保证给水的稳定，即给水温度的稳定[13-16]。

1.2制粉动态及水冷壁动态

模型机组为正压直吹式制粉系统,采用碗式中速磨煤机和电子称重式皮带给煤机。从燃料指令发出至煤粉吹入炉膛燃烧，整个制粉过程的对象包括给煤机、磨煤机、一次风管道、锅炉燃烧器以及锅炉换热过程，主要的动态过程表现为纯迟延和惯性。

纯迟延过程包括原煤在给煤机皮带上的输送以及下落至磨煤机的时间、在磨盘的堆积时间和在煤粉管道的输送时间，将所有延迟时间汇总，各机组差别不大，主要取决于系统结构，一般为15～35 s。

(1)

式中：qm0为输入燃料指令；qm1为进入磨煤机的实际煤量；t为迟延时间；s为函数的自变量。

在磨煤机中，物质平衡方程式为

(2)

式中：qm2为磨煤机内的动态煤量；qm3为磨煤机输出的煤粉量。

根据磨煤机和煤粉分离器的特性有

(3)

式中：k为磨煤机的基本出力系数；fH为可磨性系数对磨煤机出力的影响修正系数；fW为原煤水分对磨煤机出力影响的修正系数；fR为煤粉细度对磨煤机出力影响的修正系数；fA为原煤灰分对磨煤机出力影响的修正系数；kf为制粉惯性系数。

由以上公式可得制粉系统的传递函数表达式为

(4)

水冷壁是锅炉的主要受热面，布置于炉膛四周，吸收大部分的辐射热，对象机组采用薄壁小管径内螺纹水冷壁管，大大增加了换热系数，管壁变薄也使金属蓄热系数减少，因此，水冷壁动态可以用一阶惯性环节描述，并和制粉动态合并。

在煤质不变的情况下，进入锅炉的燃料量qm3与锅炉有效吸热量Qw存在确定的比例关系

(5)

式中：k1为燃料增益；τ1为水冷壁惯性时间常数。

1.3锅炉蓄热

锅炉的蓄热主要是指汽水系统的蓄热，主要集中在水段。建立锅炉能量平衡方程式

式中：mw，hw分别为锅炉内参与蓄热水(主要为饱和水)的有效质量和平均比焓；ms，hs分别为锅炉内参与蓄热饱和蒸汽的有效质量和比焓；mm，cm，t1分别为锅炉参与蓄热有效金属的质量、比热容和平均温度；qVf，hf分别为锅炉给水流量和平均比焓；m0为锅炉输出饱和蒸汽质量。

进一步整理可得锅炉能量平衡方程式为

(7)

式中：pd为汽包压力。

定义锅炉有效输出输出热量为

(8)

定义锅炉蓄热系数为

(9)

式中：dhw/dpd，dhs/dpd，dt1/dpd分别代表锅炉中水、蒸汽和金属的蓄热能力，其函数关系可用水和水蒸气焓值表通过数据拟合得到。参与蓄热的水、蒸汽和金属的有效质量与锅炉的结构有关，锅炉容量越大，汽包相对蓄水量越小，水的蓄热所占的比例越小，金属蓄热所占的比例越大，而蒸汽蓄热，如前文所述，可以忽略不计。

1.4过热器差压模型

过热器差模型反映了过热器差压Δp(即汽包压力pd与机前压力pt之差)与主蒸汽流量qVt或锅炉有效吸热量Qw之间的关系。考虑到蒸汽在过热器内是一个吸热膨胀的过程，且有减温水喷入，结合伯努利方程，通过对管道微元的分析，最终得到关系表达式

qV2+0.91qVk2Qw=k1Δp ,

(10)

式中：qV为主蒸汽的体积流量，要换算成质量流量；k2为过热器阻力系数。

表1　不同压力下的过热蒸汽质量体积

结合表1，绘制质量体积随压力变化的散点图并拟合曲线，如图1所示。

图1　平均比容散点

曲线拟合得到质量体积随压力p变化的关系式为

v=0.518 67p-1.278 03。

(11)

将式(11)代入式(10)可得

( 0.518 67qmp-1.278 03)2+0.91(0.518 67qmp-1.278 03)×

(12)

由于上式比较复杂，参数求取比较麻烦，而锅炉蒸发蒸汽流量同锅炉燃烧率存在比例关系，过热器吸热量同锅炉燃烧率也存在比例关系，由机组的负荷-压力曲线可得，汽包压力与锅炉燃烧率成近似线性关系，因此可对其进行简化

(13)

式中：n为拟合系数，根据机组实际情况不同，一般为1.3～1.5，在本机组模型中取1.4。

1.5汽轮机模型

轨道接缝(以下简称“轨缝”)错台是指：由于两个轨道梁的轨面不在同一高度而在轨道接缝处产生的垂向高低差[4]。轨缝错台的危害在于使垂向出现突变的偏差，对中低速磁浮列车运行的舒适性和安全性有着重要影响。

总体而言，汽轮机动态过程较快，汽轮机的动态特性可以用甩负荷方法测得。在本文简化的机组模型中，主蒸汽流量、调节级压力都可与机组输出功率用一阶惯性近似，惯性时间一般为10～20 s。

(14)

式中：td为汽轮机动态时间；P为机组负荷；p1为调节级压力；k3为汽轮机增益。

1.6机组模型

根据上文公式推导，对模型进行简化，建立机组负荷-压力简化模型。

制粉系统环节描述为

(15)

锅炉吸热量环节描述为

(16)

锅炉能量平衡关系描述为

(17)

汽轮机能量平衡关系描述为

(18)

过热器差压特性描述为

(19)

式中：ut为汽轮机调门开度，ut=p1/pt。

模型中的静态参数有：燃料增益k1，过热器阻力系数k2和汽轮机增益k3。

动态参数有：制粉惯性系数kf，制粉系统纯迟延时间t，水冷壁惯性时间常数τ1，汽轮机动态时间td和锅炉蓄热系数Cb。

2模型参数的求取

模型中静态参数利用机组稳态运行时相关数据测算求得，动态参数主要利用机组动态过程(如燃料量、调门开度等参数扰动)相关数据求得。

2.1静态参数求取

燃料增益k1的物理意义为机组燃料指令与机组负荷的静态对应关系，相关数据见表2。

表2　燃料指令与机组负荷静态关系

过热器阻力系数k2的物理意义为过热器两端差压与锅炉有效吸热量之间的非线性系数，需要由大量数据拟合而得，相关数据见表3。

表3　过热器差压与机组负荷静态关系

续表

汽轮机增益k3的物理意义为单位机前压力pt与汽轮机调门开度ut(p1/pt)乘积和机组负荷P的对应关系，相关数据见表4。

表4　调节级压力、主蒸汽压力、调门开度

汽轮机动态时间参数td可以通过汽轮机甩负荷试验得到，汽轮机甩负荷试验数据较难获得，不具备获得条件时，可用汽轮机调门扰动试验进行辨识求取。

通过调阅机组相关历史曲线，查得，在机组负荷P为251.64 MW，主蒸汽压力pt为16.6 MPa，调节级压力p1为9.4 MPa的工况下，汽轮机调门进行过扰动试验，汽轮机主控指令ut由75.1%变化为85.0%，获取相关数据并绘制曲线，如图2所示。

图2　251 MW汽轮机调门扰动试验

根据辨识结果，求得td约为17 s。

锅炉蓄热系数Cb的物理意义为单位汽包压力变化时锅炉吸收或释放的能量。在燃料量不变的情况下，利用汽轮机调门扰动试验求取。在机组负荷P为300 MW，汽包压力pd为17.49 MPa的工况下，燃料量B为151.74 t/h，汽轮机主控指令ut由87.52%变化为95.02%，利用相关数据绘制曲线，如图3所示。

图3　300 MW汽轮机调门扰动试验

求得

2 037.20 (MJ/MPa) 。

制粉动态及水冷壁动态的相关参数需要通过燃料量扰动试验来求取。由上文可知，炉内燃烧与传热过程可以简化为磨煤机动态和水冷壁动态两部分，其传递函数为

(20)

要求取上式中的相关参数就需要求出锅炉总有效吸热量，而锅炉总有效吸热量是很难通过传感器测出的，因此，构造出热量信号以代替锅炉总有效吸热量，公式如下

(21)

式中：qVt为主蒸汽流量，代表进入汽轮机的能量，即锅炉输出的能量。

由上文可知，燃料增益系数k1、锅炉蓄热系数Cb已知，要求出其他系数需要通过动态的燃料扰动试验来获得。在负荷P为300 MW，汽包压力pd为17.5 MPa的工况下，汽轮机调门指令为87.4%并保持不变，燃料量由151.6 t/h变化为140.2 t/h，得出相关参数的响应曲线，如图4所示。

通过相关数据并利用构造的函数，可以得出纯迟延时间t为21 s,制粉惯性系数kf约为105，水冷壁惯性时间常数τ1为3 s。

2.3模型的建立

根据上文求出的参数，得到机组模型如下：

图4　300 MW燃料量扰动试验

(22)

(23)

(24)

(25)

pt=pd-0.000 38Qw1.4。

(26)

3模型的验证

根据上文求出机组的表达式，将其应用于实践，在对象机组DCS中利用逻辑功能块搭建出机组简化模型，如图5所示。

图5　机组DCS逻辑模型

该图为机组简化核心模型，为双输入双输出的对象。用到的算法块有惯性环节、纯迟延环节、积分环节、幂函数环节、加法器、乘法器等。其中燃料指令和调门指令为输入即控制量，主蒸汽压力和机组负荷为输出即被控量。图中k1，k2，k3为静态参数，可直接设定，其他动态参数在相对应的算法块中设置。

先进行机组静态点的验证，对各输入参数取不同的数值，将机组模型的输出值与实际值进行比较，验证其静态关系的准确性。

为了进一步验证该模型的有效性，需要验证其动态关系的正确性。在相同工况下进行燃料量的扰动试验，分别比较其主蒸汽压力和负荷的准确性，如图6、图7所示。

图6　模型负荷与实际负荷比较

图7　模型压力与实际压力比较

由图6、图7可以看出，在相同的工作点附近，模型数据与实际数据的曲线基本吻合，动态误差较小，具有良好的复现性。

4结束语

针对现实问题，结合华电漯河发电有限公司一期330MW热电联产机组建立了简化模型。针对锅炉有效吸热量难以求取的问题，采用主蒸汽流量加锅炉蓄热构造出锅炉有效吸热量；在求取过热器模型时，考虑吸热膨胀的过程以及减温水的喷入；总结出蒸汽质量体积随压力的变化规律，并拟合出关系表达式；通过历史数据的查询，确定静态参数；通过调门、燃料量的扰动试验，确定了动态参数。根据求得的机组模型，在DCS中利用模块搭建起机组的模型，并进行动、静态验证，证明其具有较好的复现性。机组模型的建立为自动控制系统的分析优化打下了良好的基础。下一步还需要进行多个负荷、压力点的验证，并研究各参数随负荷、压力的变化情况，总结规律。

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