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第 3 8卷 第5期 2 0 1 6年 5月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 . 38 No. 5 Ma v. 2 01 6 火 电机组负荷 一压 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4 6 2 0 0 0 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 一压力数 学模型。以华电漯河发电有限公司一期2 3 3 0MW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 中图分类号 T K 2 2 3 ; T P 2 7 3 . 1 文献标志码 A 文章 编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 6 0 5 0 0 2 2 0 5 0 1 - - M P a , 主蒸汽温度为5 3 7 ℃, 再热蒸汽温度为5 3 7 CC。 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。 h s t r fi m E k l u n d从 1 9 7 2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⋯ 。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 。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 。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 一 。 本文建模的对象为华电漯河发电有限公司一期 23 3 0 MW 热 电联产机组 , 汽轮机为上海汽轮机厂 有限公 司生产 的 C 3 3 01 6 . 7 / 0 . 3 7 9 / 5 3 7 / 5 3 7型凝 汽式汽轮 机 , 锅炉 为上海 锅炉 厂有 限公 司生 产 的 S G一1 1 2 0 / 1 7 . 5一 M7 3 2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 X D P S一 4 0 0 e 分散控制系统 D C S 。机组额定主蒸汽压力为 1 6 . 7 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 0 3 ; 修 回日期 2 0 1 6 0 51 7 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 ] 。 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 第5期 马亮 火电机组 负荷 一压力模型的建立与分析 2 3 给水温度的稳定 - 1 6 1 。 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 1 5~ 3 5 S 。 q q m o e , 1 式 中 g 啪为输入燃料指令 ; g 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 _q m 一q m , 2 q m 一 , L z 式 中 q 为磨煤机内的动态煤量 ; g 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 q k q ,f H U W z - q , , 3 式中 k为磨煤机的基本 出力系数 为可磨性系数 对磨煤机 出力 的影响修正系数 为原煤水 分对磨 煤机 出力影响的修正系数 为煤粉细度对磨煤机 出力影响的修正系数 为原煤灰分对磨煤 机出力 影响的修正系数 ; k 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 l ⋯ g m q m 。 。 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 埙 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 q 与 锅炉有效吸热量 Q 存在确定的比例关系 ,、 k1 k 】 c , w q m , 1 一 , 、 。q m 0 , 式 中 。 为燃料增益 ; 丁 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 Q q h 一 9 htO , 6 r | , ⋯ ⋯ 、 式 中 m , h 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 ; m , h 分别为锅炉 内 参与蓄热饱和蒸汽的有效质量和 比焓 ; m , C , t 分 别为锅炉参与蓄热有效金属 的质量 、 比热容和平均 温度 ; g , 分别为锅炉给水流量和平均 比焓 ; m。 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 f d h . dh .d t \ 一 I / m C m 』 d t Q 一q h 一h , 7 式 中 P 为汽包压力。 定义锅炉有效输出输出热量为 Q q h 一h , , 8 定义锅炉蓄热系数为 Cb m d h. m ro me m d fi , 9 式 中 d h / d P , d h 。 / d p , d t / d p d 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 △ p 即汽包压 力p 与机前压力P 之差 与主蒸汽流量 9 或锅炉有 效吸热量 Q 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, 且有减温水喷人 , 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 g 十0 . 9 1 q k 2 Q k l a p , 1 0 式中 q 为主蒸汽 的体积流量 , 要换算成质量流量 ; k ,为过热器阻力系数。 根据 q v q , 需要求出质量体积 。由于蒸汽 在管道中由饱和蒸汽变为过热蒸汽后 , 温度、 压力都 是变化 的, 需要找出相应 的关系 , 通过水和水蒸气热 力性质表得到表 1 。 表 1 不 同压 力下的过热蒸汽质量体积 压力/ MP a 过热蒸汽质量体 积/ m k g 饱和温度下 5 4 0 q C 平均 2 4 华 电擞 术 第 3 8卷 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 。 I ● 旦 哪 蟛 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 0. 51 8 6 7 p 。 。 1 1 将式 1 1 代人式 1 0 可得 0 . 5 1 8 6 7 q m p 。 ∞ 0 . 9 1 0 . 5 1 8 6 7 q m p k 2 Q k 1 △ p。 1 2 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 一压力 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 a pP 1 一P 。k 2 Q , 1 3 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 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 1 0~ 2 0 s 。 一 Pkt d , 1 4 d ~ t 一 k 3 P l , 1 4 式中 t 为汽轮机动态时间 ; P为机组负荷 ; p 为调 节级压力 ; 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 一压力简化模型。 制粉系统环节描述为 一q m 3e - ts ‰ , 1 5 f 一 十0 q m 0 , L 1 锅炉吸热量环节描述为 k _Q w , 1 6 锅炉能量平衡关系描述为 c b ~k Q , 1 7 汽轮机能量平衡关系描述为 D d 一P k 3 p 1一P k 3 p 1 8 过热器差压特性描述为 P P dk 2 Q , 1 9 式中 为汽轮机调门开度 , p / p 。 。 模型中的静态参数有 燃料增 益 k . , 过热器 阻 力系数 和汽轮机增益 。 动态参数有 制粉惯性系数 k , 制粉系统纯迟延 时间 t , 水冷壁惯性时问常数 丁 。 , 汽轮机动态时间 f 和锅炉蓄热系数 C 。 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 。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 求得k . E I i2 . 1 4 9。 / / , q 0 过热器阻力系数 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 2 6 华 电技 术 第 3 8卷 茎 ~ ~ 、 B 皇 l ∞ 9 5 9 0 图 4 3 0 0 MW 燃 料量扰动试验 1 0 5 一 q m 3 e- 2 1 s d g m o , 2 2 t ⋯ 3 -2 . 1 4 9 q9 q , 2 3 203 7 . 2_d Pd 一 0 . 2 6 0 6 4 3 p “ Q , 2 4 d t ’’ 1 6 . 5 一P0 . 2 6 0 6 4 3 M, 2 5 d t ’ P P d一0 . o o o 3 8 Q 。 2 6 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 D C S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 DC S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 k , k , k 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 3 3 0 MW 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 D C S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 下转第6 0页 【 1 - q. , 瑚 啪 m ∞ ∞ ] ● ● ● ● J ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 1 , ● 瑚瑚 咖咖湖 咖 6 0 华 电技 术 第 3 8卷 于脱硝催化剂在超过 4 0 0 o C的温度下长期运行 , 局 部活性会降低或彻底失效 , 从而影响脱硝设备安全 、 高效运行 , 且提高一次风温使排烟温度升高 , 不仅降 低 了锅炉热效率 , 影响机组经济性 , 而且降低了制粉 系统防爆性 , 需要提高系统防爆措施 , 增加 了投入。 3 结论 1 制粉系统的风量协调及干燥剂配 比选择 十 分重要 , 通过制粉 系统热平衡计 算 , 在保 持系统安 全 、 经济运行 的前提下 , 确定 合适 的干燥剂温度 、 干 燥剂量及其配比份额 , 协调通风量以保持最佳磨煤 量 保持磨煤机在最大出力工况下运行 , 降低制粉系 统电耗 。 2 分 析 了通风 量对磨 煤机 出力及 寿命 的影 响。选择合适 通风量 , 既保证锅炉安全 、 稳定燃烧 , 又增大了磨煤机使用寿命 , 降低 了磨煤电耗 , 提高 电 厂经济效益。选择合适 干燥介质温度 , 有助于提高 磨煤机出力 , 保证脱硝催化剂催化活性 , 保证锅炉热 效率 , 保证制粉系统安全 、 稳定 、 经济运行 。 参考文献 [ 1 ] 刘亚平, 单振炎. 制粉电耗过高的原因分析及对策[ J ] [ 2 ] 刘颖, 吕震中, 崔彦锋 , 等. 热风送粉煤粉浓度的软测量 研究 [ J ] . 江苏 电机工程 , 2 0 0 8 , 2 7 3 6 76 9 . 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