火电机组再热器动态特性研究与建模.pdf

第 3 4卷第 5期 2 0 1 3年 1 O 月 电力与 能源 4 4 5 火电机组再热器动态特性研究与建模 尹 昌 洁 ， 刘 吉臻 华北 电力大学 工业过 程测控新技术与系统 北京市重点实验室 ， 北京 1 0 2 2 0 6 摘要 以大唐 盘 山电厂 6 0 0 Mw 亚 临界机组 为对 象 ， 对 锅炉再 热器的动 态特性进行 了研究 ， 通过机理 分析 和模 型简化 ， 建立 了包含 水及水蒸气状态参数模 型、 压力一流量 通道模 型和焓 一温 通道模型 的再 热器系统 综 合模 型 。建模过程 中， 通 过引入 由风量 和烟气 氧量构造 的热量 信号 ， 成功解 决 了再热器 吸热量 不可测 问题 。 基 于该电厂的运行数据 ， 利用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k软件搭建该动态模型并 进行仿 真验 证 ， 结 果表 明 仿真结 果与 实际运行 数据吻合 ， 可以很好 地反映再热器 出口蒸 汽流量 、 压力和温度 的动态特性 。 关键 词 6 0 0 Mw 亚临界机组 ； 火 电机组 ； 再 热器 ； 数学模 型； 动态特性 ； 参数模 型 基金项 目 国家重点基础研究 发展计划项 目 9 7 3 计划 2 0 1 2 C B 2 1 5 2 0 3 中图分类号 T M3 1 1 文献标 志码 A 文章编 号 2 0 9 5 1 2 5 6 2 0 1 3 0 5 0 4 4 5 0 4 Re s e a r c h a n d M o de l l i n g o f Re h e a t e r Dy n a m i c Ch a r a c t e r i s t i c I n Po we r Pl a nt s i n Ch a n g j i e ．Li u J i z h e n Ke y I ab o r a t or y of M e a s ur e me n t an d Cont r ol Ne w Te c hno l o gy a nd S y s t e m f o r I n d u s t r i a l P r o c e s s ，No r l h Ch i n a E l e c t r i c P o we r Un i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 2 2 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Ta k i n g t h e 6 0 0 MW s u b c r i t i c a l p o we r u n i t i n Da t a n g Pa n s h a n P o we r Pl a n t a s a n o b j e c t o f s t u d y， a mod e l ha s b e e n bui l t up i n c l u di ng wa t e r a nd s t e a m s t at e p ar a me t e r mod e l ， t he pr es s ur e f l o w c h a nne l mod e l a nd e n t h a l p y -t e mp e r a t u r e c h a n n e l mo d e l t hr o u g h m e c h a n i s m a n a l y s i s a n d mo d e l s i mp l i f i c a t i o n ， S O a s t o s t u d y t h e dy na mi c c ha r a c t e r i s t i c s o f t he po we r pl a nt Boi l e r ’ S r e he at e r ．I n a bo v e mo de l l i n g p r oc e s s e s， t he pr o bl e m o f i m me a s ur a bi l i t y o f a bs o r b e d h e a t i n r e he a t e r ha s b e e n r e s o l v e d s uc c e s s f u l l y， by me a ns o f i n t r o du c i n g t h e he a t s i g n a l c a l c u l a t e d b y a i r f l o w a n d t h e o x y g e n c o n t e n t i n t h e f l u s g a s ． B a s e d o n t h e p l a n t o p e r a t i n g d a t a ， Ma t l a b ／ Si mul i n k s o f t wa r e h as be e n u s e d t o s i m u l at e a n d t e s t t h e dy na mi c mo de 1 ．The r e s u l t s s h ow t ha t t he s i mul a t i on r e s ul t s a gr e e we l l wi t h t he a c t u a l o pe r at i ng da t a a nd c a n we l l r e f l e c t t h e d yn a mi c p r o pe r t i e s of r e h e a t e r o ut l e t s t e a m f l o w ， pr e s s ur e a nd t e mpe r at u r e ． Ke y wo r d s6 00 M W s ubc r i t i c a l po we r un i t ；The r mal po we r u ni t ；Re he at e r ；M at h e ma t i c a l mode l ；Dyn a mi c c h a r a c t e r i s t i c ；Pa r a me t e r mo d e l 0 引言 为了进一步提高 电厂循环热效率 ， 控制汽轮 机 末级 叶片 的蒸 汽温 度 在 允 许 的范 围 内 ， 大 容 量 机组广泛采用中间再热循环。再热器出 口蒸汽参 数对汽轮机中、 低压缸 的做 功能力和安全运行都 有 很大 影响 。因此 ， 建 立 较 为准 确 的再 热 系统 动 态 特性模 型 ， 对 于指 导机 组运 行 、 提高 机组 运行 稳 定性 和 经济 性具 有重 要 意义 。 国内外众多学者都曾对锅炉再热器模型做过 相关研究 。张琴舜等口 对核电站再热器的基本结 构和原理进行分析， 建立了动态数学模型 ， 并进行 了仿 真研 究 。黄 景涛 等l_ 2 ] 采 用 支持 向量 回归 算 法 对 再热 汽 温进行 回归 建 模 ， 利 用 现 场 实测 数 据 进 行 回归 分析 ， 建 立 了对 象 的数 据模 型 。李 旭 等 ] 依据再热器 的结构参数和热力参数 ， 给出了再热 器 动态 特性 的简便 计 算 公 式 ， 研 究 设计 了再 热 汽 温 的控 制 系统 。刘 吉 臻 等l_ 4 ] 通 过 机 制 分 析 ， 提 出 了再热 期望 焓升 的概 念来 反 映单位 流量再 热 蒸汽 的吸热 能力 ， 并 对 其 进行 了非 线 性 偏 最小 二 乘 建 模 ， 并结 合 现场 数 据对 异 常 的再 热 器 出 口汽温 进 行 了分 析 ， 依 模 型 给 出 了再 热 汽 温 运行 的优 化 方 法 。闻雪平等_ 5 通过对 电站锅炉再热器系统的分 析 ， 建 立 了对流 换 热 式再 热 系统 出 口温度 的动 态 计 算模 型 ， 并 利 用某 电厂屏 式再 热器 、 末级 再 热器 的 运 行 数 据 进 行 了 模 型 的 仿 真 验 证 。P r i e t o 4 4 6 尹 昌洁 ， 等 火电机组再热器动态特性研 究与建模 等E 。 。 建立 了再热 器三维 热力 动态模 型 ， 并 利 用某 3 5 0 Mw 机组 数 据 ， 验 证 了模 型 的 有效 性 。 以上 学 者主 要针对 再热 器 出 口温度进 行 了机理 建模 或 数据建模 ， 并未对 出口蒸汽流量和压力 的动态特 性进行 分析 。因此 ， 对 再 热器 的动 态 特性 研 究 迫 切需要 一个 内容 全面 的数学模 型 。 笔者 在借鉴前 人模 型 的基 础上 ， 结合 6 0 0 MW 亚 临界 机 组 再 热器 的 结 构 ， 基 于质 量 守 恒 、 动量守 恒 和能量 守 恒 方程 ， 分 别 建 立 了水 及 水 蒸 气状 态参数 模 型 、 压 力一 流 量 通 道模 型 和焓 一温 通道模 型 。选用 Ma t l a b中 的 S i mu l i n k仿 真平 台 构建模型 ， 并利用机组实际运行数据进行仿真， 证 实 了该模 型能够 描 述 再 热 器 出 口 的主蒸 汽 流 量 、 压力 和温 度 的动 态特性 。 1 研究对象简介 研 究对 象 为 大 唐 盘 山 电厂 3号 6 0 0 MW 机 组 ， 该 机组 锅炉 选 用 哈尔 滨 锅 炉 有 限责 任 公 司制 造 的 HG 一 2 0 2 3 ／ 1 7 ． 6 一 YM4型锅 炉 ， 为一次 中间再 热 、 固态 排 渣 、 单 炉 膛 、 半 露 天 Ⅱ 型布 置 、 全 钢 构 架 悬 吊结 构 的亚临 界控制 循环 汽包 炉 。 在额 定 负荷工 况 下 ， 锅 炉 主要 设 计 参 数 如 表 1所 示 。 表 1 锅炉主要设计参数 参数 数值 功率／ MW 6 O O 主蒸汽流量／ t h 1 8 O 1 ． 3 再热蒸汽流量／ t h 1 4 8 4 ． 4 再热蒸汽进 口压 力／ MP a 3 ． 4 5 再热蒸汽出 口压力／ MP a 3 ． 2 9 再热蒸汽进 口温度／ ℃ 3 1 4 ． 3 再热蒸汽出 口温度／ ℃ 5 4 0 燃煤量／ t h 2 4 5 再热 器 为一 种 单相 介 质 换 热 器 ， 其换 热 面 由 许 多 管 子 并 联 而 成 ， 管 外 为 热介 质 ， 管 内为 冷 介 质 。本 锅炉再 热 系 统 由墙 式 再 热 器 、 屏式 再 热 器 和末级再热器组成。墙式再热器为低温再热器 ， 布置在 水 冷壁上 部 的 前 墙 和两 侧 墙 的前 部 ， 直接 吸收 炉膛 的辐射 热 ； 屏 式 再 热 器 布置 在 后 屏 过 热 器之后 、 折焰角的上方 ， 吸收锅炉辐射传热和烟气 的对 流传 热 ； 末 级再 热器 布置在 水平 烟道 中 ， 为 对 流式换 热 面 ， 吸收烟气 的对 流传 热 ； 再 热器 进 口导 管上装 有 喷水减 温器 。再热 器 系统结 构简 图如 图 1所示 。 I訇 1 冉 热 系 统 结构 简 图 在 机组 运行 中再热 汽温 受燃 烧波 动 的影 响较 大 ， 原设计调节 手段 为燃 烧器 摆 角调 节 ， 但 对 切 圆 燃烧 扰动较大 ， 而且调 节范围不 足 ， 存 在较 大延迟 ， 一 致性 差 ， 故采 川 1 喷水减温作 为主要调节方 式 ] 。 2模型对象的假 设 从整体 出发 ， 在保证一定精度的前提下 ， 综合 考虑 实际锅 炉 的测 点 以及模 型 仿 真 速度 ， 对再 热 器 的运 行过 程进 行合理 简化 ， 将墙 式再 热器 、 屏式 再 热器和 末级再 热器 按流 程顺 序连 成一再 热器 整 体 ， 并 采 用集 中参 数 建 模 法 对 其 建模 。简 化 的 再热 器系 统模 型如 图 2所 示 。 减温器 图 2 简化的再热 器集 中参数模型 图 2中 D 为工质质量流量 ， k g ／ s ； h为工质焓值 ， k J ／ k g ； P 为工质压力 ， MP a ； t 为工 质 温度 ， ℃ ； Q为再 热器 有 效 吸 热量 ， 包括炉膛 辐射传热 和烟气对 流传热 ， k J ； 下标 s p r a y 表示喷水输入 。 对再 热器 建模 做 了如 下假 设 由 于喷 水 减 温 器 体积较 小 ， 忽略 减温器 的动 态特性 ． 夕 部对 再热 器 的传 热是 沿管 长 方 向均 匀 分 布 的强 制 热 流 ； 将 金属热容与工质合并考虑， 假定受热面金属温度 与工质温度 同步变化 ； 忽略烟气 、 管壁和工质之间 的轴 向传 热 ， 只考 虑径 向传 热 ； 以再 热 器 出 口参数 为集 中参数模型的代表参数 。 3数学模型的建立 结合 6 0 0 MW 亚 临界 机 组再 热 器 的结 构 ， 基 尹昌洁 ， 等 火 电机组再热器动态特性研究 与建模 4 4 7 于质量 守恒 、 能 量守 恒和 动量 守恒 方程 ， 建 立 了压 力一 流 量通 道 、 焓 一 温通道 两 个子 模型 ； 根 据 电厂 实测数据 ， 用双线性 拟合法拟合 了一定范围内的 水及水蒸气状态参数公式 ； 针对再热器进 口未安 装 流量测 点 和有 效 吸 热 量 不 可 测 问题 ， 确 定 了 再 热器 进 口流 量和有 效 吸热 量计 算公 式 。 3 ． 1 压 力一 流 量通 道模 型 取整 个 再热 器 内 的 蒸 汽作 为 分 析 对 象 ， 应 用 质量 守恒 方程 的表 达式 为 V d p ， ou ． D D 一 D 1 式中 为再热器容积 ， m。 ； p为蒸汽密度 ， k g ／ m 。 。 根据 工质 的状 态 参 数 方 程 ， 可 知 密 度 ．0 是 压 力 P和 温度 t的二元 函数 ， 可得 塞 一 d p dtP d r 0 t d r 2 d r a 由于 压力 的 动态 变 化 远 比温 度 的快 ， 因此 可 忽 略 温度 变化对 工 质密 度 的影 响 ， 则 式 1 可 改写 为 V O ou t 虫 一D i D 一D 。 3 d a o u t r “ ～ ⋯ 对 再 热器 内 的蒸 汽 ， 应 用 动 量 守 恒 方 程 的表 达式 为 ， D Z ou, 一 Pinin一 o u t 4 、 ， ⋯ Oo u t 式 中 S 为流动阻尼 系数 ， 其 值通 常可 根据额 定 负荷 下设 计参数来确定 。 3 ． 2焓 一 温通 道模 型 对 整个 再热 器 内 的工 质 ， 根 据 能 量 守 恒 方 程 的表达 式 为 、 ， ， 一 Q Di n 。 5 Ds p r a y hs p y D。 t h。 t 式中 Q 为再热器 内工质吸热量 ， k J 。 管 壁金 属热 平衡 方程 的表 达式 为 ‘ M d t j QQ 6 式中 M 为再热器管道 金属总质量 ， k g ； c j 为金属 比热容 ， k J ／ k g ℃ 。 根 据工 质 的状 态参 数 方 程 ， 可 知 密 度 p和焓 值 h是 压力 P 和温 度 t 的二 元 函数 ， 可得 丝 d r 一等 d r d r 7 a ’ a ￡ 将式 6 、 式 7 代入式 5 ， 又根据建模假设 条 件 3 ， 则式 5 可改 写为 Cj 警 ㈦ Q g Di h i Ds p r a y h p 一D。 h 。 3 ． 3 水 及水 蒸气 状态 参数模 型 由前 面 建立 的再 热 器 仿 真 模 型 可知 ， 在模 型 中需 要计 算 大量 的水及 水 蒸 气 的物 理 状态 参 数 ， 主要包括 减温水焓值 h ⋯ ， 再热器进 口焓值 h i ， 再热器 出E l 焓值 h 和密度 p 0 u 。对于这些参数 ， 可以通过易测 的压力 P和温度 t 来 确定 ， 则 比焓 h和 密度 p的表达 式为 ㈤ 式中 _厂 ， 采用文献[ 1 o ] 中的双线性拟合法 ， 寻取 ， ， 的简化函数式 。 根据电厂实测数 据， 拟合压力范 围在 8 ． 0 ～ 1 1 ． 5 MP a ， 温 度 范 围 在 1 3 0 ～ 1 8 0 ℃ 的 减 温 水 焓 值 ； 拟合压力范围在 1 ． 6 ～3 ． 6 MP a ， 温度范 围在 2 7 0 ～3 4 0 ℃的再热器进 口蒸汽焓值 ； 拟合压力范 围在 1 ． 4 ～ 3 ． 4 MP a ， 温 度 范 围在 5 0 0 ～ 5 6 0 ℃ 的 再 热 器 出 口蒸 汽焓值 和密 度 h s p [ 1 ， p ， P 。 ， p ] A 。 [ 1 ， ， t ， f 。 ] 1 0 h [ 1 ， p， P ， P 。 ] A 2 [ 1 ， t ， t ， t ] 1 1 h 。 [ 1 ， p， P ， P ] A 3 [ 1 ， t ， t ， t ] 1 2 p 。 [ 1 ， P， p ， p 。 ] A [ 1 ， t ， t ， t 。 ] 1 3 式 中 Al 、 A 2 、 A 3 、 A 4为 4 4的拟合矩阵 。 3 ． 4 再热 器进 口流 量和有 效 吸热量 的确 定 由于该 机组在 再 热器进 口没有安 装蒸 汽流 量 测点 ， 只能依靠软测量来获取 。本 文选用许多厂 家常用的定系数法来确定再热器进 口蒸汽流量 ， 其 表达式 为 D 一 kl D 1 4 式 中 D ⋯ 为主蒸 汽流量 ， k g ／ s ； k 为再 热蒸 汽 流量 与主 蒸汽流量 比值 ， 在 0 ． 8 ～O ， 9之间。 再热 器 的有效 吸热 量主 要来 源于 炉膛辐 射传 热和高温烟气对流传热 ， 本文基于文献[ 1 1 ] 提出 的风量氧量 热量信号来替代 再热器 的有效 吸热 量 ， 解 决再 热 器吸热 量不 可测 问题 。 锅炉 总热 量 的表达 式为 Q。一 式中 为锅 炉 总发 热 量 ， k ．1 ； Oz为 锅炉 排 烟 氧量 ， ； V 。 为锅炉 总风 量 ， m 。 ／ s ； K 为煤 的空 气热 量 比， r n 。 ／ k J ， 对 于绝 大多数 煤种 ， K 约为 2 ． 7 l O 一 。 由于再 热器 有效 吸热量 与 整个锅 炉 发热量 相 4 4 8 尹 昌洁 ， 等 火 电机组再热器动态特性 研究与建模 关 ， 且有较 好 的 比例 关 系 ， 则 Q k 2 Q。 1 6 式 中 k 为再热器有效 吸热量 与锅炉 发热 量 比值 ， 其值可 根据额定负荷下设计参数来确定 。 4 模型验证 为 了验证 所建模 型 的正确 性 ， 利 用 Ma t l a b中 的 S i mu l i n k仿真 平 台搭 建再 热器 动 态模 型 ， 并 且 选 取机 组一 天 的实 际运 行数据 用 于模型 验证 。模 型的输入量均采用实测数据 ， 仿真结果如图 3 ～6 所示 。 ≥ 委 逛 里 图 3 机组一天的实际负荷 变化 图 3 ,5 日3 ． 0 毛2 ．5 遘2 ．0 1 ． 5 1 2 0 0 2 0 0 0 40 0 1 2 0 0 时间 图 4 主蒸汽流量和再热蒸汽 流量对 比 5 6 0 5 5 0 5 4 0 5 3 0 5 2 0 5 l O 5 0 0 l 2 图 5 仿真出 E l 压力和实测 图 6 仿真 出口温度和实测 压力对 比 温度对 比 图 3是该 机组在 一天 中大 范 围变 负荷 工况下 机组 负荷 变化 图， 负 荷 变化 范 围为 3 0 0～6 0 0 Mw ， 说 明本文 选 用 的 数据 能 够 体 现 再 热 器 实 际 动 态特性 。 图 4是仿 真 出 口流量 与 主蒸汽 流量 之间 的对 比 ， 可 以看 出 ， 再热器 出 口流量 能够很 好地 跟踪 主 蒸 汽流量 的变 化 。 图 5是仿 真 出 口压 力 与 实测 压 力 的对 比， 图 中放 大 部 分 是 O 0 1 0到 O 0 5 O时 间段 两 者 的 对 比 ， 可 以看 出 ， 两者 吻合 程度非 常好 。 图 6是仿 真 出 口温 度 与 实 测 温度 的对 比 ， 仿 真结 果 与现场 数 据 较 吻合 ， 验证 了所 建模 型 的正 确性 。 5 结 论 利 用大 唐 盘 山 电 厂 6 0 0 Mw 亚 临 界 机 组 的 运行 数 据 ， 根 据 动量守 恒方程 、 质 量守恒 方程 和能 量 守恒方 程 ， 采 用 机理 分 析 法建 立 了再 热 系统 集 中参 数模 型 。该 模型 能够描 述再 热器 出 口的主蒸 汽流 量 、 温 度 和压力 的动态特 性 ， 为有效 分析 汽轮 机 中压缸进 气参 数动 态变化 和进 一步 建立 汽轮机 模 型打下 良好基 础 。 1 引入 由风 量和烟 气 氧量构 造 的热 量信 号 ， 解 决 了再 热器有 效 吸热量 不可测 问题 。 2 通过 机 组 的 实 际运 行 数 据 对 模 型 进 行 验 证 ， 表 明该 模 型在机 组变 负荷条 件下 ， 能够 反映 再 热 器 系统输 出 的变化 趋 势 ， 证 实 了模 型具 有 一 定 合 理性 。 3 再热 器 出 口温 度 预测 曲线 与实 际 曲线 存 在 一定偏 差 ， 这是 由于 采用 了集 中参数 处 理 方 法 和多种 简化 的结 果 ， 这 正 是该 研 究 工作 有 待 完 善 的一个 重要 方面 。 参 考文献 [ 1 ] 张琴舜 ， 邹 文进 ， 蔡 日基 ， 等． 再热 器动 态数学 模型 和研究 [ J ] ． 动力工程 ， 2 0 0 1 ， 2 1 3 1 2 3 7 1 2 4 0 ． [ 2 ] 黄景涛 ， 马龙华 ， 茅建波 ， 等． 基 于支持向量 回归的 3 0 0 MW 电站锅炉再热汽温建模 [ J ] ． 动力工程 ， 2 0 0 6 ， 2 6 7 1 9 - 2 4 ． [ 3 ] 李旭． 再热汽温 的动 态特性与控 制E J ] ． 动力 工程 ， 2 0 0 9 ， 2 9 2 1 5 0 1 5 4 ． r- 4 3 刘 吉臻 ， 曲亚鑫 ， 田亮 ， 等． 基于偏 最小二 乘 回归的锅 炉再 热 汽温 建模 [ J ] ．中 国电 机 工 程 学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 l 1 1 9 9 1 05 ． [ 5 ] 闻雪平 ， 王文欣 ， 王爱晨 ， 等． 电站锅炉再热系统动态特性 数 学模型的研究与应用E J ] ． 锅炉 技术， 2 0 1 2 ， 4 3 2 1 7 2 0 ． E 6 ] P RI E T O M M， S UAR EZ I ， F E R NANDZ F J ， e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n o f a t h e r ma l mo d e l t o a p o we r p l a nt r e h e a t e r wi t h i r r e g u l a r t u b e t e mp e r a t u r e s L J ] ． Ap p l i e d T h e r ma l E n g i n e e r i n g， 2 0 07， 27 1 1 8 5 1 9 3 ． [ 7 ]P R I E TO M M， GA RC I A F，RAMON I S ， e t a 1 ．E x p e r i me n t a l t h e r ma l b e h a v i o r o f a p o w e r p l a n t r e h e a t e r [- J ] ． E n e r g y， 2 0 0 6， 3 1 5 6 6 5 6 7 6 ． [ 8 3 章臣樾 ． 锅炉动态 特性及 其数 学模型 [ M] ． 北京 水 利电力 出 版社 ， 1 9 8 7 ． [ 9 ] 吕崇德 ， 任挺进 ， 姜学智 ， 陈芳真． 大 型火 电机组 系统仿真与 建模[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 1 o ]卓旭升 ， 周 怀春， 陈楠． 过热蒸 汽比焓和 密度 的双线 性拟合 [ J ] ． 华中科技大学 学报 自然科 学版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 2 1 1 1 1 1 3 ． [ 1 1 ] 田亮 ， 刘鑫屏 ， 赵征 ， 等． 一种新的热量信号 构造方法及实验 研究口] ． 动力工程， 2 0 0 6 ， 2 6 4 4 9 9 5 0 2 ． 收稿 日期 2 O 1 3 O 8 1 6 作 者简 介 尹 昌洁 1 9 9 0 一 ， 男， 硕 士研 究生， 研 究方向为 火 电机 组 建模 与优 化控 制 。 责 任 编 辑 赵艳 粉 ～ 一 一 ． ∞ 一 ∞ ] 一 』 一∞ 一 一 l _ j～ ∞如如