（动力机械及工程专业论文）1006th亚临界锅炉仿真.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘摘要要 在热力发电厂培训仿真机开发中，锅炉系统由于结构复杂，非线性，多参数 耦合的特点， 对其全工况实时仿真的研究显得尤为重要。 本文针对珞璜电厂 1006t/h 亚临界锅炉系统（包括制粉系统）进行仿真模型及算法研究，建立一套适合的数 学模型及算法，可用于该锅炉全工况仿真机实时模块的开发。 本文所作的主要工作如下： 1、为保证模块的通用性，对锅炉有相似热力环节的模块进行分类，建立模块 库，便于模块调用，如蒸发区模块（包括炉膛、汽包和炉水循环系统） ，单相换热 模块（包括过热器，再热器，省煤器等） ，润滑油系统模块（可用于各种转机轴承 润滑油的动态特性的计算） ，泵与风机的动态计算模块等。通用模块只需修改其内 部特性参数，就可以应用于具有相似的热力环节的不同的设备模块。 2、为满足实时仿真的要求而同时要保证有一定仿真精度，本文对模型做出了 一定的假设和简化，并且主要采用集总参数法进行建模，对于一些特殊部件，比 如炉膛和水冷壁，由于其竖直方向热负荷差异较大，本文将其分为上、中、下三 个区域，分别采用集总参数建模，达到比较好的仿真精度。 3、本文对风烟系统和制粉系统等大型管网，建立了简单实用的流体网络模型 算法，此法在迭代计算中，不仅可以快速收敛和数值计算稳定，而且满足一定的 仿真精度，较好的保证了流体网络的全工况实时仿真。 4、为完成对锅炉整体的仿真实现，本文对锅炉系统的进行整体建模。主要采 用了序贯法建模和流体网络建模相结合的方法同步求解，收到良好的仿真效果。 5、本文用 fortran 实现了其大部分仿真程序，并对各设备进行了部分阶跃 扰动下的仿真试验和事故工况下仿真试验。试验结果表明：各模块的动态规律与 理论相符，验证了本文建立的数学模型的正确性。 本文所建立的锅炉数学模型不仅能用于对运行人员培训用的电厂仿真机的开 发，而且还可以用于现场的工程设计和热工过程分析，有利于分析解决工程实际 问题。 关键词关键词：锅炉，制粉系统，流体网络，数学模型，仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 abstract simulating station boiler working in any performance situation is becoming more and more important to develop a training simulator of power plant because of that station boiler has complex structure, nonlinear and multi couple operational parameter. this paper had developed a series of mathematical models and algorithm, which can be used for developing the real- time module for any performance boiler training simulator, by researching the 1006t/h sub- critical boiler (including powder manufacturing apparatus) of luohuang power plant. the mainly works had been done as follows: 1. in order to keep commonality, the modules who have similar thermodynamic process had been classed. such as evaporating module (including furnace, drum, system of boiler recycled water), single- phase heat exchange module (including superheater, reheater, ecomomizer), lubricating oil system module (can be used for any lubricating oil system of rotation mechanical impedance) , pump and fan module , ect.general purpose module can be use to simulate the different equipments which have same similar thermodynamic process only by change the several internal parameters. 2. in order to meet the real- time simulation and guarantee specified ratio of precision, this paper had simplified and supposed some thermal process in module and use the lumped parameter way to model. for some special components, such as furnace cavity or water screen, had been reached good ratio of precision of simulation by divided into three parts (upper area, intermediate area and lower area) to model separately because of the huge difference of heat loading in vertical direction. 3. developed simply and practical fluid network algorithm for large- scale of pipe networks, such as air- gas system and powder manufacture system. iterative computation used in this algorithm is not only astringing quickly and numerical calculating steadily but also cater the required ratio of precision and guarantee the real- time and any performance simulation of fluid network. 4. accomplished to integral modeling by using the sequential modular approach and fluid network approach to solve at the meantime, which turns the integral simulation of boiler system to reality and get good simulation result. 5. completed to program mathematical model by using fortran and do some 重庆大学硕士学位论文英文摘要 perturbation test and malfunction test to the boiler system. the simulation results indicated that the dynamic characteristic consistent the theory and certificated the module practicability. the common modules are not only use to develop power plant simulator for training operating worker but also use to engineering design and procedure analysis which are propitious to analysis practical considerations in time and correctly. keywords: boiler, powder manufacturing system, mathematical model ， fluid network， simulation 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 电厂热力系统是由锅炉、汽轮机、若干换热器、压力容器、转机及其它辅 助设备所组成的一个结构复杂、体积庞大的系统，其生产过程不仅要求经济，而 且要求高度自动化和安全可靠，因此对机组的各项技术指标要求很严格。 由于用电负荷的周期变化要求锅炉机组具有很强的负荷适应性，亦即要保证 电厂经常参与调峰或在低负荷下能安全稳定运行，甚至能够经常启停，这样就要 求设计工程师和运行操作人员必须掌握热力系统的各种动态特性。如果设计工程 师对系统动态特性了解不够，则很难设计出性能良好的设备及其控制系统，从而 不能保证机组在任何情况下都能够安全经济的运行。运行操作人员没有经过培训 就上岗，不熟悉设备特性，往往容易产生误操作，给人员和热力设备带来严重的 安全隐患。因此帮助设计工程师和运行人员准确掌握熟悉电厂热力系统的动态特 性，对保证系统的优化设计，提高运行操作人员的运行水平，从而保证锅炉机组 的安全经济运行具有十分重要的意义。 计算机仿真技术应用于电站设备的研究是获得机组特性的一种安全、经济、 灵活、方便的有效手段。以电站热力系统为研究对象仿真试验正是为设计工程师 和运行人员熟悉热力系统动态特性的强有力的手段。 根据不同的功用，电站仿真装置有培训用和研究用两种，它们有众多的优点： 首先，对于培训用的仿真装置，不仅能进行类似的现场的操作训练，还可以 进行现场所不可能的各种事故演习和操作分析，因而与现实实习比较，代价较小， 可以大大缩短培训周期，能更快，更有效地进行培训，该装置也可以用于对原有 运行人员的再教育，这对于提高工人技术素质和运行水平都有重大意义。 其次，对于研究用的仿真装置，由于能进行设计，管理，控制和优化等所有 试验工作，可以大大节约研究经费和时间，而不受现场条件的种种约束，这对于 改造和设计新的动力设备，提高生产安全，经济性及自动化水平，都有广阔的前 景。 另外，由于培训与研究工作并不在现场，因此，可以减少被迫停机的次数， 减少人为损失和环境污染，保养和维修时间等，从而亦可大大提高机组的使用寿 命和效率。 目前我国电站呈现如下特点： 一方面，人员越来越少，机组容量越来越大，结构越来越复杂，参数越来越 多，自动化程度越来越高。这样就对运行人员和热控人员提出了越来越高的要求， 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 2 为了保证机组能够正常的安全运行， 我国规定： 300mw 以上的机组人员上岗前必 须先在电站仿真器上接受培训，经考核方能上岗36。 另一方面，由于单元机组容量的增大，参数的提高，运行中出现了许多新的 控制方式和管理模式，迫切需要提供运行分析指导和工程研究的有效工具和手段。 这就要求大型火电机组仿真机不仅要为电厂运行人员的操作培训提供良好的手 段，也要为各种工况下运行技术的分析和故障诊断、性能预测、控制方式的研究 创造实时和在线的环境。 总之，集培训运行人员和工程分析研究于一身的多功能仿真机已成为仿真机 发展的一个主要方向。 1.2 仿真技术的历史和发展仿真技术的历史和发展 以数字计算机为核心硬件的仿真技术的研究最早于 50 年代开始，而真正成为 实用技术应当从 60 年代末 70 年代初使用培训仿真机算起，当时，仿真技术在电 站设备中的应用主要是在对设备动态特性的研究方面，为改善设备性能、设计和 优化电站设备控制系统提供依据。 从世界范围看，电厂仿真技术和仿真机的发展可以分为四个阶段。 (1) 萌芽阶段 这一阶段开始于上世纪 50 年代中期，以模拟式计算机为计算工具，研究重点 是建模理论和局部设备的研究。1955 年，profon 首先把仿真技术应用于锅炉的研 究，陆续的发表了许多又意义的研究成果。他的研究，既是电站仿真研究的开端， 又为以后的研究开辟了道路。 (2) 发展阶段 这一阶段大致开始于为 1968 以后的十年期间，特点是建模理论深入化发展及 建模规模的大型化。美国于 1968 年由 ge 公司首先建成第一套全工况模拟仿真装 置。 进入 70 年代， 随着电站机组向着大容量高参数及运行高度自动化方向的发展， 仿真技术在电站设备中的应用也扩大到设备的状态估计、设备金属在过渡过程中 温度应力的动态分析、优化启停、故障分析等多方面。这期间最突出的是将仿真 技术用于对机组运行操作人员的培训.。 (3) 成熟阶段 该阶段开始于 1979 年，是发达国家高速发展全范围高精度的电站仿真机时 期。1979 的美国三浬岛核电站核泄漏事故教训，使发达国家深刻认识到对操作运 行人员的培训的重要性，因此，进入 80 年代以后，各种核电站仿真机得到迅速 发展，这也同时促进了火电站仿真机的相应发展。在国外，电站培训用仿真器的 研制和开发已十分成熟，有代表性的仿真器开发公司有：美国的 link，eai, eg, 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 3 gould, b hg t， hm t分别为换热器外的烟气平均温度和金属平均温度； hcle k为换热器的清洁系数； hgmr k， hgmc k分别为辐射换热系数和对流换热系数； 烟气侧总的换热率 hgm q为 hgmchgmrhgm qqq(3.43) （3）蒸汽侧的传热计算 在过（再）热器的蒸汽侧，金属对蒸汽的传热方式以对流和导热两种方式进 行，它们的计算如下 0.68 273 ()() 273 film hmschmscshtohmhso bulk t qkwtt t (3.44) )(273( hsohmfilmhmsdhmsd tttkq(3.45) 式中， hmsc q， hmsd q分别为过（再）热器金属与蒸汽的对流换热率和导热换热率； hmsc k， hmsd k为蒸汽侧对流换热系数和导热系数； film t等效的管壁金属温度； bulk t管内蒸汽温度； hso t为蒸汽出口温度。 其中， ) 55 4 (5 . 0 hsohmhsihm film tttt t (3.46) 式中， hsi t为过（再）热器的蒸汽入口温度。 于是，蒸汽侧总的换热率 hms q为 hmsdhmschms qqq(3.47) （4）过（再）热器金属温度的计算 金属温度的动态计算是以金属对热量的收支平衡为基础，有， hgmhmsloss hm hmmp qqq dt dtmc (3.48a) 式中， loss q为过（再）热器金属的散热损失； mp c， hm m分别为金属比热容和质量。 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 28 其中， )( 0 ttkq hmhlkloss (3.48b) 式中， hlk k为过（再）热器金属散热系数， 0 t 为环境温度。 （5）过（再）器出口烟气的焓值和温度的计算 由能量平衡原理，出口烟气的焓值计算有 hgo hgihgihgmhgohgo dh w hqwh dt (3.49) 式中， hgo h， hgi h分别为过（再）热器烟气的进口焓和出口焓； hgi w， hgo w为过（再）热器烟气的进口流量和出口流量。 出口烟气的温度由下式迭代计算 2 321 )( lhgolhgo hgo hgo tktkk h t (3.50) 式中， hgo t为出口烟气的温度； 321 ,kkk分别为拟合的系数； 下标l为上一次的迭代计算值。 （6）过（再）热器出口蒸汽的焓值和温度计算 由能量平衡原理，并考虑到蒸汽可能泄漏到烟气侧的事故工况，其焓值计算为： sglkhs hglksglkshtoshtohmswcaywcayshtishti shto wm hwhwqhwhw dt dh (3.51a) 式中， shti h， shto h分别为出口蒸汽的入口焓和出口焓； wcay h为蒸汽带水焓； sglk w， sglk h分别为蒸汽泄漏到烟气侧的流量和焓； hs m为过（再）热器管内工质总质量。 其中， shtisglksglk wkw(3.51b) 式中， sglk k为蒸汽泄漏到烟气侧流量系数。 管内工质的总质量动态计算为： shtoshti hs ww dt dm (3.52) 出口蒸汽的温度计算为可由水蒸汽状态方程求出 ),( shtoshsoshto hpft(3.53) 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 29 3.4 风机风机数学数学模模型型 此模块主要用于计算风机的流量与压头和转速的关系。 在风烟系统流体网络模拟系统中，一次风机，送风机和引风机都是动力源， 风机的出口压力计算是基于风机的特性曲线。风机进出口压差是由下面的公式计 算的。 22 312 kpk nk nww(3.54) 式中，p为风机进出口压力差； n 为风机标量化转速； w 为风机出口流量； i k)3 , 2 , 1( i为风机的特性常数。 在风机特性仿真程序中，转速 n 是一常数，所以风机的压头和流量成二次关 系，在仿真程序中，可根据所提供的一系列风机特性曲线来计标上列方程中的三 个常数。 常数得出后，可由方程（3.54）式解得， 22 213 2 (0.25) 42 kk nkpk n w (3.55) 线性化为 22 2132 22 213 (0.25) 2 4( 0.25)l kk nkpk n w kk nkp (3.56) 式中，下标l表示上一次迭代计算值。 式（3.56）是线性化后的风机流量与转速、压头的数学模型，可用于流体网络 中风机模型的计算。 3.5 暖风器暖风器数学数学模型模型 模型用于计算暖风器的空气和蒸汽的出口温度和焓。 蒸汽侧： sto stistifmhtstosto dh h wqh w d (3.57) 式中， stostu hh,分别为蒸汽进、出口焓；, stisto ww分别为蒸汽进、出口流量； fmht q为蒸汽对金属的放热。 于是可得蒸汽出口温度 ),( stostosto phft(3.58) 可以计算出 ) 22 )( airiairostisto convcondfmht tttt kkq (3.59) 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 30 式中， convcond kk,分别为导热和对流换热系数； airo t airi t,分别为二次风在暖风器进、出口温度。 空气侧： 因为金属对空气的放热 fmhtmaht qq，有 airo airiairimahtairoairo dh hwqhw d (3.60) 式中，空气进口焓)( airiairi tfh；, airiairo ww分别为空气进、出口流量。 3.6 空气预热器数学模型空气预热器数学模型 珞璜电厂使用的是三分仓回转式空气预热器，空气预热器受热面分热、温、 冷三段，烟气流向下，空气流向上，进行热交换。本文建立的空预器的数学模型 用于计算空预器烟气和一二次风出口的温度，它们之间的传热率以及空气预热器 的金属温度等。 （1） 烟气侧的传热计算 烟气对空气预热器金属的传热方程为 )()( 68. 0 phmphgphgphgmphgmphclphgm ttwkkq(3.61a) 式中， phgm q为烟气对金属的对流换热率； phg t， phm t为空域器的烟气平均温度和金属平均温度； phcl k为换热器的清洁系数； phgm k为对流换热系数； phgm 为烟气对金属的导热系数； phg w为空预器的有效烟气流量。 其中， saglkpaglkphgiphg wwww(3.61b) 式中， phgi w为空预器进口烟气流量； paglk w为空预器由一次风侧漏入烟气侧的空气流量； saglk w为空预器由送风侧漏入烟气侧的空气流量。 （2）空气侧的传热计算 金属对一次风的传热方程为 )()( 68. 0 phpaphmpampampampa ttwkq(3.62a) 式中， mpa q为金属对一次风的对流换热率； phpa t为空预器的一次风平均温度； mpa k为一次风与金属的对流换热系数； mpa 为一次风与金属的导热系数； pa w为空预器的有效空气流量。 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 31 其中， pslkpaglkpaipa wwww(3.62b) 式中， pai w为空预器进口一次风流量； pslk w为空预器一次风漏入送风侧的流量。 金属对送风的传热方程为 )()( 68. 0 phsaphmsamsamsamsa ttwkq(3.63a) 式中， msa q为金属对送风的对流换热率； phsa t为空预器的送风的平均温度； msa k为对流换热系数； msa 为金属对送风的导热系数； sa w 为空预器的有效送风流量。 其中， pslksaglksaisa wwww(3.63b) 式中， sai w为空预器送风入口流量。 （3） 金属温度的计算 0 () phmphgmmpamsaphmphm phmphm dtqqqktt dtmc (3.64) 式中， phm c为金属热容； phm k为空气预热器的环境散热系数； phm m为金属质量； 0 t 为环境大气压。 （4） 空气预热器出口烟气和一二次风温度计算 烟气的出口焓的计算为 phgophgophgmphgisaglkpaglkphgi lag phgo hwqhwww ktd dh )( )( (3.65) 式中， phgo h， phgi h分别为空预器烟气的出口焓和进口焓； phgo w， phgi w分别为空预器烟气的出口流量和进口流量； lag k为空预器的延迟时间，是由空预器靠金属蓄热方式换热特性造成的。 一次风出口焓的计算为 paopaompapaipslkpaglkpai lag pao hwqhwww ktd dh )( )( (3.66) 式中， pao h， pai h分别为空预器一次风出口焓和进口焓； pao w， pai w分别为空预器一次风出口流量和进口流量。 送风出口焓的计算为 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 32 saosaomsasaipslksaglksai lag sao hwqhwww ktd dh )( )( (3.67) 式中， sao h， sai h分别为空预器送风出口焓和进口焓； sao w， sai w分别为空预器送风出口流量和进口流量。 求出空预器的各侧的出口的焓值以后，再由焓与温度的函数关系)(hft ， 就可以求出各侧出口的温度。 3.7 磨煤机磨煤机数学模型数学模型 此模型用于磨煤机内煤质量的计算，出口煤粉流量的计算和出口煤粉温度的 计算，在满足仿真精度的情况下，假定如下： a、 磨煤机出口煤粉流量主要是磨煤机内煤的质量和磨煤机内通风量的函数 ),( maimcmco wmfw(3.68) 式中， mco w为磨煤机煤粉出口流量； mc m磨煤机内煤的质量； mai w磨煤机内通风量。 b、如有乏气送粉，乏其送粉量与磨煤机出口粉量成线形关系 mcomtamta wkw(3.69) 式中， mta w为乏气送粉量； mta k比例常数。 （1） 磨煤机出口煤粉流量计算 mtmamcmkmhamco wkw(3.70) 式中， mha k煤的硬度； mk w为磨煤机正常出力的煤粉出口流量； mc 为磨煤机煤的质量对煤粉流量的影响因子； ma 为磨煤机的通风量对煤粉流量的影响因子； mt 为磨煤机的煤粉温度对煤粉流量的影响因子计算。 其中， 2 max 2 max 1 )( m m k m m k mcmc mc (3.71) 式中， 21,k k为常数，且有1 21 kk； mc m为磨煤机内煤的质量； max m为磨煤机的最大质量容积。 其中， maz ma ma w w (3.72) 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 33 式中， ma w为磨煤机的进口空气流量； maz w为磨煤机的最佳通风量。 其中， 0.25 () mao mt mczj t t (3.73) 式中， mao t为磨煤机出口空气温度； mczj t最佳煤温度。 （2） 磨煤机内煤的总质量的计算 由质量平衡原理 rcmlkmcomci mc wwww dt dm (3.74) 式中， mci w磨煤机的进煤量； mlk w为磨煤机泄漏的煤粉流量； rc w 为回粉量。 （3） 磨煤机煤粉出口温度计算 温度的计算由能量平衡原理，其计算式如下： ccmm wsmlosmcmamc cmcm qqqq dt dt (3.75a) 式中， mc t磨煤机煤粉出口温度； ma q为空气带入磨煤机的净热量； mc q为煤带入磨煤机的净热量； mlos q为磨煤机对环境的散热； ws q为水在磨煤机内蒸发成水蒸汽所吸收的热量； m m ， m c 分别为磨煤机金属的质量和比热容； c m ， c c 分别为磨煤机内煤的质量和比热容。 其中， )( aoaimaima hhwq(3.75b) )( 0 ttwcq aomcomcmc (3.75c) )( 0 ttkq aomlosmlos (3.75d) 式中， aoai hh ,分别为磨煤机的空气的入口焓和出口焓； mc c为煤的比热容； 0 ,ttao为磨煤机出口空气温度和环境温度； mlos k为磨煤机的散热损失系数。 其中， iwswmciws tctcrdwq 0 (3.75e) 式中， w d 为煤在磨煤机进出口不同的含水率； s c ， w c 分别为蒸汽比热容和水的比热容；为水的汽化潜热。 其中， 0 100 w ww d oi w (3.75f) 式中， i w 煤在进口的含水率； o w 为煤在出口的含水率。 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 34 3.8 润滑油系统润滑油系统数学模型数学模型 此模块用于计算由冷油器和轴承组成的润滑油系统的仿真数学模型，包括润 滑油的传热率，温度以及轴承金属温度的计算等。 （1） 冷油器换热率及金属温度的计算 冷油器从油到金属的传热率的计算为 0.68 ()() comcomcoccavocm qkwtt(3.76a) 式中， com q为冷油器中油与金属的换热率； com k为油与金属换热比例系数； co w 为油的流量； c 为油对金属的导热系数； cavo t为冷油器内油的平均温度； cm t为冷油器金属的温度。 其中， 2 coocoi cavo tt t (3.76b) 式中， coi t， coo t分别为冷油器油的进口和出口温度。 冷油器从金属到水的传热率计算为 0.68 ()() cmwcmwcwccmcavw qkwtt(3.77) 式中， cmw q为冷油器中金属与水的换热率； cmw k为金属与水的对流换热比例系数； cw w 为水侧水的流量； cavw t为冷油器内水的平均温度。 其中， 2 cwocwi cavw tt t (3.78) 式中， cwi t， cwo t为冷油器水的进口和出口温度。 冷油器金属温度的动态计算是以金属的热量的收支平衡为基础，有 )( 0 ttkqq dt dt cmcmcmwcom cm (3.79) 式中， cm k为冷油器金属的散热系数； 0 t为环境温度。 （2） 冷油器润滑油及冷却水温度的计算 冷油器出口润滑油焓值计算 co coococomcoicocoo m hwqhw dt dh (3.80) 式中， coo h， coi h分别为冷油器润滑油出口焓和进口焓； co m为冷油器内润滑油的总质量。 润滑油温度可近似认为是其焓的函数，即)( coocoo hft，于是其温度可求。 冷油器出口冷却水的焓计算 重庆大学硕士学位论文3 仿真对象的典型部件数学模型 35 cw cwocwcmwcwicwcwo m hwqhw dt dh (3.81) 式中， cwicwo hh,分别为冷油器冷却水的出口焓和进口焓； cw m为冷油器内水的总质量。 同理，出口冷却水的温度由函数关系式)( cwocwo hft求出。 （3） 轴承金属及轴承出口油温的计算 轴承金属温度的计算为 bmbm loscwlbfr bm cm qqq dt dt (3.82a) 式中， bm t为轴承的金属温度； bfr q为轴承的摩擦产生的热量； cwl q为冷却水带走的热量； los q为轴承的环境的散热； bm m为轴承金属的质量； bm c为轴承的金属比热容。 其中， mobfrbfr nkq(3.82b) 式中， bfr k为轴承发热量系数； mo n为电机转速。 其中， )( boobmcocwlcwl ttwkq(3.82c) 式中， cwl k为换热系数； boobm tt ,分别为轴承金属温度和轴承出口油温。 其中， )( 0 ttkq bmloslos (3.82d) 式中， los k为环境散热系数。 （4）轴承出口油温的计算如下所示： bobo boococwlboicoboo cm hwqhw dt dt (3.83) 式中， boo t为轴承出口油温， booboi hh,分别为轴承润滑油进口和出口焓； bobo cm,风别为轴承内润滑油的总质量和其比热容。 重庆大学硕士学位论文4 锅炉系统整体建模与仿真实现 36 4 锅炉系统整体建模与仿真实现锅炉系统整体建模与仿真实现 4.1 主要整体建模方法概述主要整体建模方法概述 前章介绍了锅炉主要典型部件的数学模型，但要做到最后的仿真程序，需要 把这些典型部件的数学模型和大量的管道部件组成的拓扑结构组合起来，组成一 个整体的模型。从数学角度看，锅炉的动态数学模型就是在计算机上联立求解一 组非线性微分方程和非线性代数方程组，不同的建模方法关键在于求解方程组的 方法不同。主要的整体建模方法有以下几种： 4.1.1 联立方程法联立方程法38 联立方程法是一种面向方程的建模方法。它是利用非线性方程组来描述整个 系统，把物性、单元模块、系统流程以及设计规定等合并起来联立求解、同步收 敛。这种方法的优点是，能非常准确及时的计算出整个系统的动态特性，即能达 到实时要求，又有很高的仿真精度。这种方法对于处理方程数目较少的情况比较 方便，但对于大型电站锅炉这样的复杂的热力系统，由于其数学模型复杂程度显 著增加，而联立方程求解算法对于大型非线性方程组的刚性问题不能很好解决， 存在着如何保证数值计算收敛性、稳定性和众多变量初值的合适假定等问题；同 时，由于计算方法的通用性差、计算程序调试难度大等原因限制了它的实用性。 4.1.2 序贯模块序贯模块法法394041 序贯模块法是一种面向模块的建模方法，它把任何热能系统均可划分为有限 种类的单元热力过程或设备，对每个单元过程或设备编制一个计算模块，由单元 输入可计算其输出。 序贯模块法具有以下特点： (1) 它是以各个单元模块为基础，建立标准化的模块输入与输出; (2) 每个单独的模块可以是一个具体的设备，也可以是一组相似的热力过程，它可 以拥有自己的算法，自己的仿真步长，单独的误差控制; (3) 模块的输出变化只源于模块本身的特性和输入的扰动， 不考虑它与整个大系统 的关系。 序贯模块法由于有以上特点，所以其计算速度快，具有灵活性和较好的可扩 充性；同时它也存在一些缺点，比如当存在循环流时，计算可能出现多层嵌套迭 代，导致计算效率下降。然而由于它在模块水平上的计算非常稳定和有效，流程 水平上的计算也能稳定收敛。 4.1.3 流体网络法流体网络法 通常情况下，热力系统是由阀门和管道连接热力设备而形成各种拓扑结构的 重庆大学硕士学位论文4 锅炉系统整体建模与仿真实现 37 管网，工质（如水、烟气、蒸汽等）在其管内流动。因而从本质上讲，热力系统 可以抽象成热工流体网络。锅炉结构的复杂化，流体网络呈现很强的非线性，所 以处理起来比较复杂。在以往的自动建模方法中，一般采用以下几种方法： 1. 将流体网络的焓温通道与压流通道完全分离，分别建立独立的数学模型， 相互的联系。 2. 按照流道将一个独立的热力设备分成多个部分 （如将空气预热器分为一次风侧、 二次风侧和烟气侧） ，使得设备失去了物理上的独立性46。 3. 以热力设备为主，将流体网络节点和支路看作是一种类型的模块（一般称为流 网模块） ，这种方法的设备独立性强，但流网模块的引入和随之而来的复杂的模块 端口定义也给使用者带来很大的不便，其通用性也存在很大的问题47。 4.2 本文采用的整体建模方法本文采用的整体建模方法 本文采用的锅炉整体建模方法是，序贯法与流体网络相结合的方法，建立了 两类模块：序贯迭代计算模块和流体网络解算模块。序贯法建模，不仅要计算设 备的压力流量关系，还要计算焓温关系；流体网络计算模块，只对设备的压 力流量进行解算。 本文在对整个锅炉系统建模时，考虑到汽水侧焓温方面的变化很大，主要 采用序贯法建模，对于整个风烟系统和制粉系统的大型管网系统，由于主要考虑 的是其压力流量的关系，则采用流体网络法进行建模，如一二次风系统流体网 路模块，烟气系统流体网络模块，制粉系统流体网路模块等。 两类模型的建立不是相互独立，而是相辅相成的，即序贯法建立的模块可以 是流体网络拓扑结构中的一个节点，它们之间有数据的交换。 如图 4.1 所示， 锅炉的各个序贯模块输入输出参数通过接口模块与流体网络解 算模块相连，序贯模块输入的参数数据，则通过其所在流体网络的拓扑位置，全 部取自网络模块解算结果，同时流体网络模块的输入参数来自所在节点的设备模 块计算输出。流体网络的每个具体设备可能只与单个流体网络模块连接，也可能 与多个流体网络模块连接，比如暖风机计算模块，不仅与暖风机蒸汽系统流体网 络相连，还与二次风流体网络连接。建立流体网络解算模块时，不考虑管网的容 积效应，亦即流体网络的迭代计算直接向稳态逼近，而容积效应计算只考虑大的 容积部件，如炉膛，空预器等，并由序贯模块来完成。 分析时，将这些接口转变成某个网络模块中的支路、节点或边界点，即可建 立设备模块与网络模块的连接关系。因此，设备模块与网络模块的连接关系，可 由设备模块在网络上的拓扑位置唯一确定。是各组成部分模型的适当组合，需要 把这些模块有效的组合起来。 重庆大学硕士学位论文4 锅炉系统整体建模与仿真实现 38 4.3 流体网络算法流体网络算法1126304647 热力系统流体网络的数学模型中,占据重要地位的是一组反应整个系统工质平 衡的压力流量非线性模型。非线性模型的耦合一直是研究热力系统动态特性的难 点和重点所在，其解算实际上是解一组非线性方程组，考虑到流体网络的刚性和 实时仿真的需要，本文采用的流体网络算法作了简化处理如下： 1、对非线性的压力流量关系作线性化处理； 2、不考虑流体网络的焓温通道； 3、把压力流量关系的容积效应从流体解算模块中剥离出来由贯序模块来 处理； 4、把方程组的系数矩阵编制成严格对角占优，保证数值计算的稳定性。 本文采用的流体网络具体算法如下: 1流体网络基本方程 对于流体中的任意两个节点，都有如下所示的压力和流量的关系， sinadpsourcek wk vpp（4.1） 式中，w为流道的流量； ad k为导纳系数； p v为流道上有效阀位； source p， sink p分别为流道两端的节点压力。 为实时仿真的需要，对上式作线性化处理得， 只计算压力流量关系 流体网络解算模块 1流体网络解算模块 2 序贯 模块 1 序贯 模块 2 序贯 模块 3 序贯 模块 4 接口模块 . . 计算压力流量，焓温关系，并考虑容积效应 图 4.1 流网模块与序贯模块的连接示意图 fig 4.1sketch mapof connection of fluid network module and sequential module 重庆大学硕士学位论文4 锅炉系统整体建模与仿真实现 39 图 4.2 流体网络部分结构截取 fig 4.2 partto be interceptedof fluid network sin sin () sourcek adp sourcekl pp wk v pp （4.2） 式中，下标l表示上一次迭代的计算值。 在上式中，分母 lksouce pp)( sin 在迭代计算中作为已知量，而 ad k和 p v可作为常 数，于是可令 lksouce pad pp vk )( sin （4.3） 于是(2)式就转变为， sin () sourcek wppp （4.4） 2 稀疏矩阵的算法 在流体网络计算中，为考虑实时仿真的要求，在满足一定精度的条件下，对 小容积的管路和容器，忽略其容积效应。 对于每一个压力点，由质量平衡方程有 0 i w(1, )inl（4.5） 对于 m 个压力点，n 个流道，形成一个nm阶矩阵，有 cxa（4.6） 式中，a为系数矩阵，由系数构成；x为未知向量，由待求压力 p 构成； c 为常数向量，由流体网络的边界压力 p 或 0 构成。 下面通过一个例子说明，如何构建系数矩阵及已知和待求向量。 图（4.2）是截取流体网络的一部分。图中，p1 边界点，可以作为已知量或扰 动量输入，p2，p3，p4，p5,l l都是待求的节点压力，w1，w2，w3，w4,l l 分别为各流道的流量。 有， 1112 ()wpp（4.7） 重庆大学硕士学位论文4 锅炉系统整体建模与仿真实现 40 2223 ()wpp（4.8） 3343 ()wpp（4.9） 4435 ()wpp（4.10） 式中， l pad pp vk )( 21 11 1 ， l pad pp vk )( 32 22 2 ， l pad pp vk )( 34 33 3 ， l pad pp vk )( 53 44 4 （4.11） 考虑到0 i w，即可消去流量 w，得到如下表达式 )()( 322211 pppp（4.12） )()()( 534343322 pppppp（4.13） 于是有： 122211 2123343 34 54 00 0 0.0 00 pp p p p l l om l mol mm mmmmmom (4.14) 如上所示所构建的矩阵，是一个严格对角占优的对称稀疏系数矩阵，采用的 算法是双因子分解法直接求解，由于系数矩阵严格对角占优，所以在解上式所示 的方程组时，数值计算很稳定。 求出流体网络各节点压力后，回代方程（4.7） （4.8） （4.9）(4.10)，立即可求 出各管路的工质流量；回代方程（4.11） ，对系数矩阵系数进行刷新，用于下一 次迭代计算。 根据节点流量平衡法并采用对角占优的稀疏矩阵编制出的流体网络仿真模型 具有迭代速度快，能满足一定的精度的优点，而且初值的选取范围很宽，适用于 较大扰动的仿真试验。 4.4 数学模型的仿真程序实现数学模型的仿真程序实现 仿真程序首先要建立良好模块之间的参数传递模式，本文采用两种方式进行 模块参数的传递。一是采用接口变量，接口变量的参数值的传递需要在接口模块 中来完成；二是采用通用变量，即不同的模块可以用相同的变量名来命名其内部 工质的参数，变量被做成程序模块列表，其值由其它模块的计算而不断被刷新， 重庆大学硕士学位论文4 锅炉系统整体建模与仿真实现 41 这样模块使用该变量的值就会随之改变。 由于整体数学模型采用了序贯法和流体网络法联合建模，所以在对系统编制 仿真程序时，必须对两类模型进行联调。程序的运行流程图和数据交换如图（4.3） 所示： 如上图所示，程序运行完所有系统，回到初始位置，表明整个系统完成了一 个时段的仿真。 编制流体网络解算模块程序时，的迭代计算需把p取绝对值， 另外，p 作为分母，若其值很小时或等于零时，计算会出现运算错误或者计算误差很大， 可直接令等于一个限定值的方式来处理。通过仿真试验，迭代计算只需要 3- 10 次就可以达到新的稳态，数值计算收敛很快。 由数据库来赋值 由数据库来赋值 控制数据流 就地接口数据流 程序流 开始 ( step=1) 数 据 库 赋值 贯序模块 1 贯序模块 m1 流网解算模块 1 接口模块 1 流网解算模块 m2 刷新 系统 2 系统 n 系统 1 去刷新数据库 去刷新数据库 刷新 赋值 step=step+1 数据流 图 4.3 整体建模计算流程示意图 fig 4.3sketch map of integral modeling process 重庆大学硕士学位论文5 仿真结果及分析 42 5 仿真结果及分析仿真结果及分析 由于仿真机采用了全范围的建模方法，本文对锅炉对正常工况扰动和事故工 况进行仿真试验,并对试验结果进行了分析1257。 5.1 炉膛燃烧区炉膛燃烧区仿真试验仿真试验 5.1.1 炉膛压力的炉膛压力的仿真试验仿真试验 试验结果如图 5.1图 5.3 所示： 020406080100 - 3000 - 2500 - 2000 - 1500 - 1000 - 500 pressure (pa) time (second) 020406080100120140160 - 1100