（动力机械及工程专业论文）面向控制的直流锅炉汽温对象特性分析与辨识.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 电站热力系统是仿真技术应用的一个重要领域。现代电站十分复杂庞大，生 产过程高度自动化，各项技术指标要求十分严格，生产不但要高度可靠，而且还 要求经济。为了保障生产中热力系统的安全经济，在它的设计、制造、调试、控 制、运行、技术改造、管理、科学研究和人员培训教育方面，都要用到仿真技术。 目前，电站仿真系统的应用主要集中在运行人员培训及机组运行性能分析以及机 组控制性能考核等方面。 经过几十年的努力，人们在火电机组热力系统建模及仿真机技术领域，特别 是在热力系统动态过程机理模型研究方面，已经积累了比较多的研究成果。由于 模型本身的复杂性，上述机理模型一般难以直接用于机组控制系统的设计。 本文以一台1 9 0 0 t h 超临界压力直流锅炉为研究对象，主要进行了以下工作： 在已有基础上，采用l a g r a n g e 流体质点追踪的方法建立了受热面的分布参 数模型；补充了锅炉系统其他仿真模型，主要包括汽水分离器、喷水减温器以及 锅炉燃烧室等环节的仿真模块，构成了锅炉本体系统仿真模型。 锅炉系统主要动态特性仿真试验研究，获得了锅炉系统在不同负荷及工作 压力( 超临界压力及亚临界压力) 下各环节出口工质温度的响应特性，并考察了 系统的主要非线性特征。 由于上述机理模型一般难以直接用于机组控制系统的设计，本文建立了基 于仿真实验结果的对象传递函数辨识模型，采用面积法获得了锅炉系统在不同负 荷下的传递函数，并对其描述能力进行了验证。 上述工作为进一步开展该锅炉控制系统的设计奠定了良好的基础。 关键词；直流锅炉，动态特性，数学模型，仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h et h e r m a ls y s t e mo fp o w e rp l a n ti sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o na r e ao fs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y t h em o d e r np o w e rp l a n ti sv e r yc o m p l i c a t e d ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s si s h i 曲l ya u t o m a t e d ，t h et e c h n i c a li n d i c a t o r sa r ev e r ys t r i c t ，t h ep r o d u c t i o nn o to n l yn e e d h i g l l l yr e l i a b l e ，b u ta l s on e e de c o n o m i c i no r d e rt om a k es u i eo ft h es e c u r i t ya n dt h e e c o n o m yo ft h et h e r m a ls y s t e mi np r o d u c t i o n ，d u r i n gi t sd e s i g n i n g ，p r o d u c i n g , d e b u g g i n g , c o n t r o l l i n g , t e c h n i c a li m p r o v e m e n t ，m a n a g i n g , s c i e n c er e s e a r c h i n ga n d p e r s o n n e lt r a i n i n g , s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb eu s e d c u r r e n t l y , t h ea p p l i c a t i o no f s i m u l a t i o ns y s t e mc o n c e n t r a t e dm a i n l yo nt h et r a i n i n go fo p e r a t i o ns t a f f , t h ea n a l y z i n g o f o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，a n dt h ee v a l u a t i n go f c o n t r o lp e r f o r m a n c eo f g e n e r a t i o nu n i t t h r o u g he f f o r t sf o rs e v e r a ld e c a d e s ，ag r e a tm a n yo fr e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e n a c c u m u l a t e di nt h ef i e l do fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft h e r m a ls y s t e mi n t h ep o w e rp l a n t , p a r t i c u l a r l yi nt h er e s e a r c ho fd y n a m i cm e c h a n i s mm o d e lo ft h e r m a l s y s t e m b e c a u s eo ft h ec o m p l 懿i t yo ft h em o d e li t s e l f , t h ea b o v em e c h a n i s mm o d e l w o u l db ed i f f i c u l tt ob e u s e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo f n n i t sd i r e c t l y i nt h i sp a p e r , t a k i n go n e1 9 0 0 t hs u p e r e r i t i c a lp r e s s l l f eo n c e - - t h r o u g hb o i l e ra s s u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，t h em a i nw o r kc o n t a i n s 勰f o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h et r a c i n gv i e wo fm a t e r i a lp o i n t ，ad i s t r i b u t i n gp a r a m e t e rm o d e l o fh e a te x c h a n g e ri se s t a b l i s h e do nt h ec u r r e n tb a s i s a n do t h e rs i m u l a t i o nm o d e l so f b o i l e rs y s t e ma r ea d d e d ，t h e s em o d e l si n c l u d ew a t e rs e p a r a t o r ，w a t e rt e m p e r a t u r ea n d b o i l e rc o m b u s t i o nd e v i c e s ，e t c t h e s ec o n s t i t u t et h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h er e a l i t y b o i l e rs y s t e m t h ep r i m a r yd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fb o i l e rs y s t e mi ss i m u l a t e d ，m e a n w h i l e , t h eo u t l e tt e m p e r a t u r er e s p o n s ep r o p e r t i e so ft h eb o i l e r sv a r i o u sl i n k sh a v eb e e n o b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tl o a da n dw o r kp r e s s u r e ( s u p e r e r i t i c a lp r e s s u r ea n ds u b c r i t i c a l p r e s s u r e ) ，a n dt h em a i nn o n l i n e a rf e a t u r e so f s y s t e ma r ee x a m i n e d d u et ot h ea b o v em e c h a n i s mm o d e lw o u l db ed i f f i c u l tt ob eu s e dt od e s i g nt h e c o n t r o ls y s t e mo fu n i t sd i r e c t l y ，t h eo b j e c ti d e n t i f i c a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h et r a n s f e rf u n c t i o n so f b o i l e rs y s t e mu n d e rd i f f e r e n tl o a da r e g a i n e dw i m a r e am e t h o d a n dt h ea b i l i t yo f d e s c r i b i n gh a sb e e nt e s t e d t h ea b o v ew o r kh a sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd 铭i g no fc o n t r o ls y s t e mo f i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 b o i l e r k e y w o r d s ：o n c e - t h r o u g hb o i l e r , d y n a m i cc h a r a c t e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王望签字日期：2 口口7 年钼2 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 1移 _ j 、_ ；_ 、 导师签名： f 逐 签字日期：如7 年臼2 一日签字日期：2 口口7 年月3 日 熏庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 电力工业在我国国民经济中有着非常重要的作用。我国近年来已经成为世界 上电力建设速度最快的国家。到2 0 0 4 年底，我国发电装机总容量4 4 亿千瓦，跃 居成为世界第二电力大国；2 0 0 5 年底，我国发电装机总容量己达5 亿千万。 我国煤炭资源丰富，是世界最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几 个以煤炭为主要一次能源的国家之一。我国已探明的煤炭保有储量为1 亿万吨， 占一次能源的9 0 以上。我国一次能源的结构决定了我国发电机组中火电占绝对 优势，2 0 0 4 年底，我国发电机组总容量占发电装机总容量的比例为7 3 7 2 。当 年火电发电量大1 8 0 7 3 亿千万时，占总发电量的8 2 6 4 。火电机组中9 8 7 是 燃煤机组。火力发电及供热用煤占全国煤炭总产量的5 0 9 6 。在今后2 0 年内， 火电仍将占6 0 以上，而火电机组中燃煤机组( 按容量) 占9 5 以上。因此，我 国电力要取得可持续性发展，一方面是安全运行、稳发稳供，保障人民用电；另 一方面是节能和环保，减少能源消耗和对环境的污染。 在我国火电中有相当一部分是中、低压小机组。1 0 万千瓦及以下的机组占火 电机组的近1 1 3 。煤耗高、效率低、污染重，在环境和节能问题上矛盾突出。而对 我国燃煤发电能耗高，燃烧后污染物排放量大的突出问题，结合我国在较长时期 内仍将以燃煤发电为主的现实状况，电站项目朝着大容量、高参数的方向发展已 是大势所趋【“孙。 为了实现电力的可持续发展，我国正在利用目前电力供需矛盾缓和的有利时 机，抓紧进行结构调整，大力推动新技术的采用，淘汰高能耗机组，加强节能环 保改造，优化火电结构。在今后二三十年内主要围绕节能与环保这两大主题进行。 国家已经制定和执行了关停效率低、污染严重的小火电机组的计划，到2 0 0 4 年，全国已关停5 0 m w 及以下的机组约3 0 0 0 m w 。这将腾出一个很大的容量建设 高效率、低污染的先进火力发电机组，来节约能源、降低污染。 发电的供电煤耗是衡量电力行业能源效率和经济运行水平的重要指标。在我 国来看，1 9 9 5 年全国供电煤耗平均为4 0 4 9 ( k w ) ，约比当时世界先进水平高出 6 0 7 0 9 ( k w h 1 ，2 0 0 4 年，我国燃煤发电机组的标准供电煤耗为3 7 9 9 ( k w ) ， 与世界先进水平相差5 0 6 0 9 l ( k w ) ，能源利用率低和环境污染是目前国内火力 发电厂存在的两个突出问题，也是制约我国电力工业乃至整个国民经济可持续发 展的重要因素。为解决这一问题，早在1 9 9 4 年制定的“电力工业科学技术发展规 重庆大学硕士学位论文1 绪论 划”中提出了一系列措施，其中包括“发展大容量、高效低污染的常规火电机组( 超 临界压力机组) 及积极开发洁净煤发电新技术等”。在1 9 9 9 年国家经贸委根据“国 务院办公厅转发国家经贸委关于关停小火电机组有关意见的通知”1 3 1 。制定关停 小火电机组的实施意见，其总体目标是单机容量5 0 m w 以下( 含5 0 m w ) 的常规小 火电机组在2 0 0 3 年底前基本关停。1 9 9 9 年，中国工程院与矿业工程学部共同在 北京主办了“高效超l 临界压力发电技术研讨会”，其共同认为：提高能源利用率是 实现我国可持续发展战略目标的最有效、最经济的途径。发展高效超临界大型火 力发电机组，缩小与世界先进水平的差距，对提高能源利用率及环境保护有重要 作用。由于国家对环保要求越来越高，加快建设和发展高效超i 临界火电机组是解 决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重的比较现实、有效的途径。 1 2 直流锅炉的特点及发展现状 1 2 1 直流锅炉的特点 我们知道，在自然循环的汽包锅炉中，蒸发受热面中的工质是依靠下降管中 的水和上升管中的汽水混合物之间的密度差建立的压头流动的，而直流锅炉蒸发 受热面中的工质流动不是依靠自然循环那样的密度差来推动，而是同省煤器和过 热器中一样全部依靠给水泵的压头来实现。给水在给水泵的压头作用下，按顺序 一次通过加热、蒸发、过热各个受热面。随着水沿锅炉汽水通道长度流过，水被 加热、蒸发、过热，最后蒸气过热到所要求的温度。由于这些运动都是由水泵压 头产生的，所以在直流锅炉的所有受热面中工质均为强制流动。 在超高压汽包锅炉的蒸发受热面中，循环一次大约只有1 0 左右的水被汽化 成蒸汽，但在直流锅炉的蒸发受热面中，由于工质仅一次通过，因此水将一次全 部( 1 0 0 ) 地蒸发完毕，成为干饱和蒸汽，即进来多少水，就蒸发多少水。 由于直流锅炉是没有汽包，所以汽水通道中的加热区、蒸发区、过热区各部 分之间无固定分界线，只是根据沿管道长度方向上的水蒸气参数变化情况，设定 有假想的“分界线”。例如，水在沸腾之前的受热面为加热区( 或称省煤区) ；水 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 开始沸腾( x = o ) 至全部变为干饱和蒸汽( x = 1 o ) 的区段为蒸发区；蒸汽开始过 热至额定的过热温度则为过热区。可见，工质沿着管子长度流过时，给水从省煤 器进1 ：3 就被连续加热、蒸发与过热，根据工质( 水、湿蒸汽与过热蒸汽) 物理性能的 差异，可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大部分，在流程中每一段的长度都受到 燃料、给水、汽机调门开度的扰动而发生变化，从而导致了功率、压力、温度的变 化。 在火电机组的发展过程中，直流锅炉因其显著的优点而得到越来越快的发展。 总结起来，直流锅炉有以下优点 4 】： 适用于任何压力 按照其工作原理，直流锅炉原则上可适用于任何压力。但在压力较低时，工 作稳定性较差。因此，直流锅炉更适用于高压或超高压以上。当锅炉压力接近或 超过临界值时，自然循环已非常困难或根本产生不了，唯有采用直流锅炉型式。 重量轻 直流锅炉无沉重汽包，受热面全部由管径不大的管子构成，常采用管径为2 5 5 0 毫米的无缝钢管，因而钢材消耗量小。也因为没有汽包的缘故，可用较轻型的 钢架。所以与汽包锅炉相比，在高压下通常可节约金属2 0 _ - 2 5 。压力越高，节 约金属越多。如一台s g 一2 2 0 1 0 0 型( 2 2 0 t h ，9 8 m p a ，5 4 0 c ) 直流锅炉的金属耗量 为3 5 吨吨汽，而同等级的汽包锅炉为4 8 吨吨汽；一台h g - 4 0 0 1 4 0 型( 4 0 0 t h ， 1 3 7 m p a ，5 5 5 5 5 5 ) 直流锅炉的金属耗量为2 5 吨吨汽，而同容量同参数的汽 包锅炉为3 4 4 吨吨汽。 制造、安装及运输方便 由于直流锅炉没有汽包，制造时就不需要巨大的卷板机和水压机，给安装和 运输也带来了方便，这对超高参数大容量锅炉更有实际意义。 受热面可自由布置 由于直流锅炉全部是强制流动，因而蒸发受热面可以较自由地布置，不必受 自然循环锅炉所必须的上升管、下降管直立布置的限制，因而容易满足炉膛结构 的要求。 可快速启停 汽包锅炉启停缓慢的原因在于厚壁汽包的存在，因为快速启停将引起汽包弯 曲、变形和过高的温度应力。直流锅炉的受热面则全由管子组成，因而受热面的 加热和冷却都容易达到均匀，且弯曲管子的本身也能吸收受热后的膨胀伸长量， 因此，直流锅炉允许快速启停。也由于直流锅炉的金属重量( 蓄热量) 和储水量都 较小，使之能快速启停。 提高蒸汽压力，对同样功率的机组，还可以减少蒸汽容量，因此可使汽机尺 重庆大学硕士学位论文1 绪论 寸较小，这对于发展大功率汽机是很有利的。 1 2 2 直流锅炉的发展现状 锅炉是火力发电厂的主要设备之一，它随着电力事业的发展而不断发展。技 术和经济以及社会的快速发展对电力工业提出了更高的要求，这也为锅炉的发展 明确了方向。随着机组容量的增大，提高电厂的热效率就更为迫切，提高蒸汽参 数和采用蒸汽再热是提高电厂热效率的有效措施。蒸汽压力由超高压提高到亚临 界，可使电厂经济性提高大约1 7 ；由亚临界压力提高到超临界压力，电厂经济 性又可提高大约1 8 t 5 1 。当锅水压力超过临界压力2 2 0 6 4 m p a 时，它在锅炉内 被加热到临界温度3 7 3 9 9 。0 后，水全部变成蒸汽，不存在汽液两相共存的情况， 也就不会发生两相流动时的膜态沸腾；而在亚临界压力下，两相流动时，容易发 生膜态沸腾，导致壁温飞升，甚至爆管的传热恶化。这是超临界参数机组具有较 高可靠性的原因之一。目前，超临界压力机组的蒸汽参数正向超超临界方向发展， 有望将电站效率提高至4 5 以上。 超临界参数机组因其较高的循环热效率，吸引着动力设备制造业以及电厂的 兴趣。苏、美、日本和德国等在5 0 年代就开始研制，目前全世界约有5 0 0 台超临 界参数机组在运行，总发电量约为2 亿千瓦【“。在5 0 年代，由于当时不够成熟的 技术，如采用微正压燃烧等技术，从而引发了烟气泄漏热膨胀处理等问题，加上 当时由于能源价格相对低廉，开发新能源设备的动力不足，人们的注意力只停留 在对现有设备的改造和提高上，对超临界压力机组的认识不足，因此超临界技术 在美国的发展一度较为缓慢。究其原因主要是：初期生产速度过快。实际上在 p h i l o 电厂投入运行之前，就已经接受了4 5 0 m w 机组的订货，1 0 年之后就发展到 1 3 0 0 m w 的规模。容量猛增1 0 倍，设计研制过程难免粗制滥造。初参数的选 择片面追求高效率。p h i l o 电厂的1 2 5 m w 机组，蒸汽压力高压为3 1 m p 。，脱离了当 时工业的综合实力，因此机组的利用率较差。美国超临界火电技术的发展为此付 出了代价。尽管到1 9 8 0 年，美国的超临界压力机组己投运1 7 0 余台，但到后来， 美国就几乎停止了超临界技术的发展，而以亚临界压力汽包炉为主。 前苏联则坚持发展超临界技术，依靠自己的技术力量，经多次技术改进，超 临界技术相对比较成熟，发展了5 0 0 m w 、8 0 0 m w 和1 2 0 0 m w 的系列产品，而且 新建的3 0 0 m w 以上机组，只采用超临界参数。目前超临界机组运行的总台数已超 过2 0 0 台，是世界上超临界机组运行台数最多的国家。但其在技术上的发展和改 进步子不大，锅炉笨重、工艺粗糙、金属性能与检测手段都有待提高。在阀门、 辅机、吹灰装置、控制系统等方面，比其它工业发达国家还有较大差距。日本则 采用引进其它国家的先进技术，并加以消化吸收的方法，技术发展很快，至1 9 8 5 午前后，其超l i 每界压力机组的台数就已占到日本装机容量的5 9 以上，目前在日 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本新建的4 5 0 m w 以上机组均为超临界压力机组，正向超超临界技术发展川。第1 台 负荷为7 0 0 m w ，蒸汽参数为3 0 9 m p a 6 2 1 5 6 6 5 6 6 的机组已于1 9 8 9 年投入 运行，其经济性和可靠性均达到较高水平。7 0 年代，日本发现联邦德国生产的带 盘旋上升的旋管圈锅炉，能经济快速起停，且方便调峰运行。他们立刻着手改造 美国引进的直管系统，仅3 年左右时间，从设计、制造、加工工艺到生产流程就 进行了彻底的变革。随着适宜带基本负荷的核电站的兴起，日本的超临界机组能 自如地适应变压运行、带周期性负荷的要求。 欧洲以德国发展超临界技术最早，如今丹麦则拥有世界上净效率最高的超临 界压力机组，其发电效率达4 5 3 。近年来，美国总结了超l 临界技术的经验与教 训，认为在超临界技术发展过程中所遇到的问题并非超临界蒸汽参数所致，在吸 取其它国家先进经验的同时，经不断改进和完善，美国超l 临界压力机组的可用率 已与亚临界压力机组相当。1 9 9 2 年底又投运了l 台3 0 0 m w ，蒸汽参数为2 4 1 m p a 6 3 8 5 3 8 的超临界压力燃煤机组，又重新发展超临界技术。人们在提高蒸 汽参数的同时，也努力改进汽轮机通流部分设计与燃烧技术，技术日臻成熟。 我国在6 0 年代初期，上海锅炉厂就开始了带内螺纹管直流锅炉的研制。7 0 年 代初，上海、哈尔滨还相继制造了1 2 t h 和5 t h 的超临界试验锅炉，至今已安装试 运2 0 多年。我国为迅速掌握超l 豳界机组的发电技术，在“七五”计划中决定引进 超临界机组的成套设备。如最早的华能上海石洞口第二发电厂f 2 6 0 0 m w ) 和华能 南京电厂( 2 x3 0 0 m w ) 以及最近的伊敏发电厂( 2 5 0 0 m w ) 和盘山电厂( 2 5 0 0 m w ) 等。但已投运和正在安装的机组均为进口设备，最大单机容量为8 0 0 m w ， 正设计的机组单机容量为9 0 0 m w ，也为进口设备，且俄罗斯机组占据了较大份额。 经一段时间的运行实践，积累了丰富的运行经验，随着设备国产化份额不断增加， 设备成本也不断降低。 在我国，超临界技术的发展也可走引进、仿制、创新之路。在东方锅炉制造 的华能沁北电厂期工程l 号6 0 万千瓦超临界机组锅炉一次水压成功后，机组又 一次并网成功。这标志着我国超临界机组国产化技术取得成功。 1 3 研究热力系统动力学的意义 研究热工对象动力学的目的在于揭示热力设备在过渡过程中的内在规律性并 在此基础上寻求改善设备动态品质的合理控制方式和其他技术措施。 作为目前最为复杂的热工控制对象，火力发电厂的锅炉和核电站的蒸汽发生 器在运行过程中的动态行为直接影响设备本身乃至整个电力系统运行的可靠性和 总体经济性。因此，研究热工过程动力学具有重要的工程实际意义。 控制系统及控制方式的确定 重庆大学硕士学位论文1 绪论 控制计算机的应用为创造完善的自动控制系统开辟了广阔的前途，但是这种 可能性只能在足够详细地了解被控对象内部动态过程的基础上才能实现。 随着火电机组单机容量及工作参数的提高，无论是在运行的安全性方面还是 在运行经济性方面，对热力设备运行调节的要求越来越严格。电厂锅炉系统是一 个高度复杂的非线性时变控制系统，同时在运行过程中有关参量之闯( 如汽温、 压力、流量及水位) 等存在着强烈的耦合作用。因此，只有在对整个系统的动态 过程有了充分了解后，才能确定出设计调节系统所必需的准则及参数。经验证明， 在复杂对象过程控制中，许多失败的先例都是由于被控对象的响应特性估算得不 够而铸成的。 为机组的设计提供优化依据 现在电站锅炉设备加工工艺复杂，价格昂贵。在确定锅炉系统设计方案时， 设计入员除应考虑到燃料性质、燃烧方式。受压部件强度等因素外，还必须充分 预计到各有关系数( 汽温、汽压及水位等) 的响应特性及其可调性，对外界负荷 的适应性以及锅炉的蒸发系统和启动旁路系统等重要环节在机组启停和事故工况 下的有效性及可靠性。 锅炉过热汽温的调整是保证发电机组安全经济运行的一项重要任。高效率的 要求，促使锅炉出口蒸汽温度日益提高，目前这一温度已非常接近受热面金属材 料的屈服极限，为此必须严格保证过热蒸汽温度在正常运行所允许的范围内波动。 对于一定的工作压力和质量流量，过热蒸汽温度响应的特征参量( 纯滞延时间及 惯性时间常数) 主要取决于扰动作用( 包括运行调节作用) 的位置及受热面的金 属质量。因此，在锅炉受热面的设计过程中，就必须对汽温的过渡过程进行全面 分析，在满足其他设计指标的同时，选择合理的结构参数。此外，还应当对存在 调节作用时汽温的动态特性进行仔细研究，在此基础上合理地确定过热蒸汽喷水 减温器的数量及各喷水点的合适位置，以保证锅炉运行过程中整个过热器受热面 金属温度和过热汽温的最大超调量均处于所允许的范围之内。 在设计汽包、分离器和工质集箱等锅炉厚壁元件时，还要通过对不同工况下 元件内部暂态温度场及应力场的计算来校核此类厚壁元件在锅炉运行过程中的安 全性。这是一个典型的热工动态学问题。因此，在大型火电机组的设计阶段，对 机组的各种工况及各工况闻的过渡过程进行全面分析与校核，并在此基础上寻求 改善设备动、静品质核机组对外界负荷适应能力的有效途径，对于提高机组运行 安全性和经济性有重要意义。 运行方式的优化 随着我国电网容量的不断扩大和核电机组及新能源的比重的逐步增加，供电 峰谷差矛盾日益突出，在这种供电形势下，大型火电机组必然要参与电网调峰运 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 行。经常性的负荷大幅度变动和长期处于部分负荷下运行是机组参与调峰运行的 一大特点。为了保证机组低负荷运行的经济性及维持锅炉过热汽温和再热汽温的 基本恒定，部分负荷火电机组一般倾向与采用变压运行或复合变压运行方式。研 究机组在不同运行工况下的动态特性，有助于选择适于电网负荷变化并能满足设 备工作条件下的运行方式。 由于直流锅炉内不存在固定的汽水分界面，当负荷变动较大时，直流锅炉受 热面内相变点的位置将产生大幅度的偏移，从而导致锅炉出口蒸汽温度的剧烈变 化。通过对直流锅炉汽温及工质相变点响应特性的计算分析，可望获得最佳的燃 水比及其控制规律，以保证在直流锅炉负荷变动过程中，过热汽温的波动幅度最 小。 建立发电机组运行仿真培训系统 随着火电机组向着大容量、高参数的方向发展，自动化程度逐步提高，运行 操作日趋复杂。国内外电力工业统计表明：火电机组2 0 3 0 的安全性问题取决 于系统的设计和设备的维修，其余的7 0 - - 8 0 湖 依赖于运行人员技术修养的提高1 而在核电站中，由于人的失误使机组的运行受到影响的事件就占到7 0 。 为了保证机组运行的安全性和经济性，要求运行人员必须具备足够的操作技 能和事故应变能力。传统的现场培训方法己无法满足这一高度自动化的生产过程 对操作人员的严格要求。因此，利用计算机仿真技术脱离实际发电现场对运行人 员进行培训已成为提高电站运行人员和技术管理人员技术修养的一个重要环节。 而建立热力系统动态学过程数学模型，则是开发电站仿真培训系统的技术关键。 机组运行故障检测及故障诊断 发电机组运行过程的故障检测与诊断技术一直是引人瞩目的一个研究领域， 是保障电力生产过程安全性和经济性的重要手段，具有十分诱人的应用前景。 由于过程本身的高度复杂性，在进行热力设备故障检测与诊断时所面临的主 要任务在于如何确定所检测出的过程征兆对于各类典型故障的隶属度，即过程的 故障分类问题。为此，就必须对设备在各种输入扰动及事故工况下的响应特性进 行全面分析，借助于可靠的过程数学模型确定出系统的各有关可观测参量( 系统 的输出) 与上述各种扰动及故障程度间的定量关系【s 】。 1 4 直流锅炉动态特性的研究现状 由于直流锅炉的调节系统比较复杂，控制技术水平要求比较高 9 - 1 6 l ，因此引 起的国内外很多学者的兴趣。在汽包锅炉中，水位是燃水比是否失调的标志。用 给水流量调节水位，实质上起到了间接保持燃水比不变的作用。但是直流炉的汽 水流程中既没有汽包，又没有炉水小循环回路，给水泵强制一定流量的给水进入 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 炉内，一次性流过加热段、蒸发段和过热段，然后去汽轮机。直流锅炉汽水流程 中三段受热面没有固定的分界线，在不同负荷时，由于给水温度变化等原因，使 三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积之间的比例都发生了 变化i t 7 - 1 9 1 。所以燃水比失调后，三段受热面吸热量比例发生变化，对出口汽温影 响很大，对蒸汽压力和流量的影响方式也较为复杂。工质焓值上升是由两个因素 引起的：一是因为受热面吸热量不变，而工质流量减少，引起流经本区的工质焓 值上升；另一个原因是工质焓值随工质流过的受热面面积增加而增加，所以离锅 炉出口越近，工质的焓增越大，汽温变化也越大。燃水比失调1 ，出口汽温变化 就可达8 1 0 。c ，在运行中，燃水比失调往往会超过l ，此外，因负荷变化等原 因使各受热面的吸热比例发生变化，以致单独使用喷水减温的办法是无法将出口 汽温校正过来的，更无法保证减温器前各受热面的安全运铲硎。并且大量地使用 减温水，不仅影响机组效率，而且由于直流炉内蒸汽量等于给水量和减温水量之 和，当喷水量增加后，给水量会相应减少，反而扩大燃料量与给水量失调程度【2 ”。 对锅炉的动态特性进行研究，就要建立其模型。目前火电机组建模的三个主 要研究方向为：一是侧重于实验数据分析的简化模型，或者称为实验建模；二是 侧重于机理分析的模块化模型，或者称为机理建模 2 2 23 1 。；三是最近兴起的一个研 究方向是采用神经网络，通过训练学习获得机组的黑箱模型【2 4 12 5 】。 其中，机理模型又分为集中参数模型和分布参数模型，这两类模型在文献 2 6 】 中都有研究，并且有很高的应用价值。集总参数模型在工程应用中，特别是在全 工况电站培训仿真机的建模工作中，得到了广泛的应用，目前国内外所开发的大 多数电站培训仿真机均使用集总参数模型。然而集总参数模型存在严重的不足之 处：模型动态精度较差，不能较好地反映热工对象的分布参数特性，若以集总参数 模型为基础进行控制系统仿真研究，所得某些结果，如控制器的参数整定，则与 实际情况差别很大，不适用于控制系统的仿真研究。国内最新研究认为高精度的 集总参数动态修正模型基于惯性补偿的修正方法，通过增加惯性补偿方程式以及 适当调整动态修正因子和惯性补偿时间常数，对原集总参数模型的结构及其所反 映的惯性进行补偿或修正，使修正模型更好地逼近于分布参数模型，但由于电站在 生产过程中，锅炉等设备运行在极端复杂、环境恶劣的条件下，而且运行状况复 杂多变，补偿系数与结构数据有关的参数的确定很难与实际完全吻合。这大大降 低了修正的正确性，从而影响了模型的精度；热工对象最原始的分布参数模型由 偏微分方程组成，可以采用直接数值求解技术对原始分布参数模型进行求解，所 得数值解具有很高的精度，但是有计算量大的缺点。在一定的简化假定条件下， 对原始分布参数模型进行线性化，可得线性化分布参数模型，即传递函数模型， 以此为基础可以方便地进行控制系统的仿真研究【2 7 】。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 与汽包锅炉相比，直流锅炉( 包括亚临界或超临界直流锅炉) 建模的特殊性 主要表现在两相区段上。国内在这方面的理论研究已赶上国际先进水平，最新的 研究成果主要有：基于l a g r a n g e 流体质点追踪思想的动态计算模型1 2 8 】和适用于大 扰动全工况仿真的非线性集总参数移动边界的动态数学模型【2 9 】。 文献 3 0 1 以某超临界6 0 0 m w 直流锅炉的高温过热器为研究对象，对其喷水扰 动下的汽温动态特性进行机理分析，从控制系统角度来探讨其对象特性，着重研 究锅炉工况参数( 主蒸汽流量d 、主蒸汽压力p 以及主蒸汽温度t ) 对模型参数的 影响。分析结果表明：蒸汽流量的影响最为明显；压力的影响次之；温度的影响 最小。对高温过热器在四个典型负荷点处( 3 7 、5 0 、7 5 和1 0 0 ) 出口汽温 对喷水扰动的传递函数的计算结果表明，工况大范围变化时，模型参数将有很大 变化，尤其是时间常数t 与阶数n 的乘积( n 。t ) 以及静态增益k 。文献 3 1 忡提到 燃水比调节的温度对象( 超临界机组) ，在负荷变化5 0 1 0 0 范围内，增益变 化达5 6 倍，时间常数的变化也有3 倍左右。文献 2 0 】中，s g 一1 0 0 0 一1 7 0 型直 流炉在7 7 负荷时燃料流量扰动和给水流量扰动时，低温过热器出口汽温的反应 曲线也说明了这一点。 1 5 选题的意义及主要工作 1 5 1 选题的意义 尽管针对直流锅炉前人已经进行了大量的研究工作，但是由于直流锅炉的对 象特性比较复杂口2 3 3 】，仍有不少问题有待于解决。由于锅炉的蒸发系统具有强烈 的蓄热及贮质能力，其动态品质的优劣对整台锅炉及整个发电机组的运行特性均 有十分明显的影响【”。 ， 文献 3 0 考察了超临界直流锅炉的高温过热器在四个典型负荷点处出口汽温 对喷水扰动的响应的动态特性，表明工况参数对模型参数有很大影响。在直流锅 炉中采用喷水减温作为调节汽温的手段，喷水量的改变能迅速地改变汽温，但是 不能依靠喷水作为调节汽温的主要手段，当负荷要求改变时，应使给水量和燃烧 率( 包括燃烧、送风、引风) 同时协调变化，以适应负荷需要，文献e 3 5 中提出 燃水比的控制应采用变负荷时煤、水比例按一定关系变化，稳态时温度修正的控 制策略，并且主汽温被控对象是一个典型的变参数对象【3 6 - 4 0 ，同时在运行过程中 有关参量之间( 如汽温、压力、流量及水位) 等存在着强烈的耦合作用。因此， 只有在对整个系统的动态过程有了充分了解后，才能确定出设计调节系统所必需 的准则及参数。经验证明，在复杂对象过程控制中，许多失败的先例都是由于被 控对象的响应特性估算得不够而铸成的。 因此，为了进一步提高直流锅炉系统的控制性能，完善和改进控制策略与控 9 重庆大学硕士学位论文i 绪论 制算法，特别是为了采用理论上相对成熟的现代控制理论设计直流锅炉系统控制 器，需要从控制角度出发来进一步探索直流锅炉的动态特性。所以从直流锅炉控 制角度来讲，分别建立不同负荷下给水量、燃料量与汽温的关系的模型具有较好 的意义。 1 5 2 本文的主要内容 针对现在电力生产向着大容量、高参数的机组发展，直流锅炉控制系统更加 复杂，本文的主要内容有： 在已有基础上，采用l a f a n g e 流体质点追踪的方法建立了受热面的分布参 数模型；补充锅炉系统其他仿真模型，主要包括汽水分离器、喷水减温器以及锅 炉燃烧室等环节的仿真模块，以构成锅炉本体系统仿真模型。 进行锅炉系统主要动态特性仿真试验研究，来获得锅炉系统在不同负荷及 工作压力( 超临界压力及亚临界压力) 下各环节出口工质温度的响应特性，并考 察系统的主要非线性特征。 由于上述机理模型一般难以直接用于机组控制系统的设计，所以本文要建 立基于仿真实验结果的对象传递函数辨识模型，为进一步开展该锅炉控制系统的 设计奠定基础。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 直流锅炉的数学模型 2 直流锅炉的数学模型 本章介绍了直流锅炉系统建模的基本理论，并确立了本文所用的建模方法， 最后给出了本文数学模型的求解。 2 1 受热面的分布参数模型 2 1 1 基本物理方程 受热面内工质及受热面金属热力参数的瞬态分布特性由以下基本方程描述： f p 鲁一+ ，鲁 ， 旦巴+ 口盟：0 0( 2 2 )l 一+ 口=u 纠 utdz 掣+ 善p w2 = 0 ( 2 3 ) 秽t ： m j c j 若2 q w q n ( 2 川 g 。( ，z ) = 口。五 屯( ，z ) 一f ( f ，z ) l ( 2 5 ) q w ( ，z ) = 口。 【目( ，z ) 一t j ( r ，z ) ( 2 6 ) 在系统的不同区域，流体的状态参数方程分别为 p = p ( p ，t ) 1 h ：h ( p ，f ) j p = p ( p ，x ) 1 h ：日( p ，j ) f ( 单相流体)( 2 刀 ( 两相流体)( 2 8 ) 根据前面的简化假定条件，两相区工质混合物的混合密度、混合焓及混合温度 应满足以下关系： t = t 肋( p ) ( 2 9 ) 一1 5南+而1-xp 一而+ 而 协川 和 重庆大学硕士学位论文2 直流锅炉的数学模型 h = x h ”( p ) + ( 1 - x ) g ( p ) ( 2 tz ) 在以上诸式中，别k = 8 1 8 r + w a l o z ，为流体参数的全导数；z 和r 分别代 表系统的空间坐标和时间坐标；t 、h 、尹、p 和c 。分别代表管内工质流体的温度、 比焓、密度、压力和流体的定压比热；w 为工质的流速；x 为工质两相流体的质 量含汽率；p ，和p ，分别代表汽相和液相工质的饱和密度；日，和日，分别代表汽相 工质和液相工质的饱和焓；代表相应压力下工质的饱和温度；t ，为金属温度； 目为管外空气温度；吼和q 。分别为内、外侧金属壁单位长度热负荷；口。和口。分 别为换热管内、外两侧的对流换热系数；f 为管内工质的流动阻力系数。以上各参 数均为时间f 和空间坐标z 的函数。c ，和m ，分别为金属的比热和单位长度的金属 质量；f 为工质的通流面积；六和l 分别为单位长度的管内换热面积和管外换热 面积。 由前述的过程基本方程式可见，流体压力的瞬态分布一般可由静态动量方程 ( 2 3 ) 近似计算，确定流体热力参数动态分布特性的关键在于获得流体温度( 在 单相区) 和质量含汽率( 在两相区) 的瞬态分布。 2 1 2 单相区工质温度动态分布简化模型啪1 在汽水系统的单相区，工质( 液相或气相) 温度的变化与分布主要决定于工 质的流量及管壁热负荷的分布情况。因此，在讨论单相区工质温度动态分布时， 忽略压力p 变化对工质温度f 的影响。此时，可将单相区工质动态过程能量方程式 ( 2 1 ) 简化为 f p 等：g 。 ( 2 1 2 ) 将式( 2 5 ) 代入上式，并考虑下列的热力学关系 旦：c 堡 ( 2 1 3 ) dtdt 得到单相区工质流体温度的瞬态分布模型： 互( f ，z ) 掣：一f ( f ，z ) + f ，( f z ) ( 2 1 4 ) 上，z - 在上式中其中，r ，( f ，z ) 代表单相区工质流体温度随流动时间t 变化的时 间常数，由下式决定： z ( f ，z ) = f pc 。口。 ( 2 1 5 ) 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 直流锅炉的数学模型 2 1 3 两相区工质质量含汽率动态分布模型阳1 与前述的单相环节相比，双相热工环节具有许多新特点，其动力学过程也要 复杂得多。由于在一定的压力下，同一物质的汽相和液相的比容及焓有着十分明 显的差别，故在动态过程中，随着环节中两相工质比例( 含汽率) 及压力的改变，环 节中的储质量及蓄热量将产生显著的变化。换言之，双相环节具有更强的蓄热和 储质能力。在动态工况下，存在相变换热环节中工质相变点的位置可能会出现大 幅度的位移并对环节中工质的其它热力学参数的变动过程产生重要影响，这是有 相变热工环节的另一特点。这将给此类环节的建模及模型求解过程带来许多特有 的困难。 此外，当环节中的流体工质发生相变时，工质的流量、压力及