计及汽包闭环控制的亚临界锅炉受热面的动态㶲效评价法

本发明属于电厂锅炉能效分析，尤其涉及一种计及汽包闭环控制的亚临界锅炉受热面的动态效评价法。

背景技术：

1、在可再生能源装机容量的日益增加的背景下，由于新能源发电不确定性，面临着提高燃煤机组运行高效性与灵活性的双重挑战。在当前频繁的调峰调频需求下，燃煤机组的热力系统一直处于变负荷非稳态过程中，存在偏离稳态设计点的问题。然而当前针对燃煤机组能效分析的相关研究，多针对特定工况或稳态运行条件。针对电厂调频过程的频繁导致系统热力性能愈加波动明显的现状，稳态分析方法并不适于灵活性高的发电机组实际运行过程的能效分析。随着燃煤机组出力状态的频繁调整，对电厂锅炉变负荷过程进行动态评价对于机组的高效运行及降低燃煤发电本身的碳排放也具有重要意义。

2、目前，关于燃煤机组的能效分析与评价方法大多基于热力学第一定律，发电效率和热效率是最常见的评价指标。然而，现有评价方法具有一定的局限性，大多关注机组整体效率，无法评估由于系统内部热力过程的不可逆性造成能量质量的降低。与能量分析相比，基于热力学第二定律的分析法可以表征系统各环节的有效能以及能量质量损失的分布情况。此外，燃煤锅炉系统经历瞬态或动态过程时的热工系统热力参数变化与运行控制密不可分。在频繁变负荷过程中电站锅炉系统中的汽包水位控制的作用使得系统工质各项状态参数发生不同步波动。全面评估实际动态运行过程的汽包闭环控制对电站锅炉各设备环节热力学特性的影响对锅炉节能提效具有重要的指导意义。

技术实现思路

1、为解决电站锅炉受热面流动和传热过程中的多尺度时间常数和不同步响应的技术问题，同时针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种计及汽包闭环控制的亚临界锅炉受热面的动态效评价方法，综合评价过程控制对锅炉动态效率变化的影响，为分析电站锅炉系统热力性能提供一个新的评价准则。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种计及汽包闭环控制的亚临界锅炉受热面的动态效评价法，包括如下步骤：

4、步骤一、获取锅炉受热面运行过程中烟气及水/蒸汽工质的实时温度、压力、质量流量数据；设定计算的基准状态；

5、步骤二、基于工质温度、压力、质量数据计算热力学参数焓与熵；基于工质焓、熵及基准状态参数计算工质

6、步骤三、基于步骤二计算得到的工质热力学参数，进行锅炉受热面不可逆性动态损失的计算，建立锅炉受热面动态平衡方程，计算动态效率，绘制动态效率图；

7、步骤四、基于步骤三形成的动态效率图，提出动态效评价指标，建立结合过程控制与热力学的计及汽包闭环控制的锅炉受热面的动态效评价体系。

8、上述步骤一中，所述锅炉受热面包括水冷壁、汽包、过热器、再热器、省煤器部件；

9、以环境状态作为所述的锅炉受热面分析的基准状态；

10、上述步骤二中，利用步骤一所述烟气及水/蒸汽工质的温度、压力、质量流量数据经物性计算得到相应的热力学参数焓值和熵值；

11、对于动态运行过程，工质各项热力学参数同样会随时间变化，进而引起(ex)的动态波动。采用动态可综合体现工质流各项热力学参数的运行特性。

12、将所述烟气及水/蒸汽工质的焓值、熵值以及基于步骤一得到的基准状态下计算的参数进行工质流股的动态值计算，如下式(1)：

13、ex(t)＝h(t)-h0-t0[s(t)-s0]   (1)

14、式中：ex(t)表示t时刻的动态

15、h(t)、s(t)分别为t时刻下的焓、熵；

16、h0、t0、s0分别为基准状态下的焓、温度、熵；

17、上述步骤三中，所述锅炉受热面中能量传递的不可逆性体现在烟气与汽水循环经受热面的换热作用，高温烟气将热量传递至被加热流体。

18、由于高温烟气与被加热流体水/蒸汽存在换热温差，导致换热过程的能量质量的损失，即不可逆性损失；其不可逆性体现在被加热流体并不能得到高温烟气传递来的全部热量，损失的部分值即所述换热过程的不可逆性损失(exd(t))，如下式表示：

19、exd(t)＝exin(t)-exout(t)＝[exg,in(t)-exg,out(t)]-[exf,out(t)-exf,in(t)]   (2)

20、式中：exg,in(t)、exg,out(t)分别为t时刻下烟气工质的进口和出口

21、exf,out(t)、exf,in(t)分别为t时刻下被加热流体的进口和出口

22、将式(1)代入式(2)右侧得到不可逆性损失(exd(t))详细计算式：

23、exd(t)＝[hg,in(t)-hg,out(t)]-t0[sg,in(t)-sg,out(t)]+[hf,out(t)-hf,in(t)]-t0[sf,out(t)-sf,in(t)]   (3)

24、式中：hg,in(t)、hg,out(t)分别为t时刻下烟气工质的进口和出口焓；

25、hf,out(t)、hf,in(t)分别为t时刻下被加热流体的焓；

26、sg,in(t)、sg,out(t)分别为t时刻下烟气工质的进口和出口熵；

27、sf,out(t)、sf,in(t)分别为t时刻下被加热流体的熵。

28、进一步地，与常规的出口与入口之比的效率不同，基于公式(2)，所述锅炉受热面动态效率定义为t时刻工质被加热流体得到的值与高温烟气耗费的值之比，表征换热过程工质能量的有效程度，见下式(4)：

29、

30、进一步地，根据所述换热过程实时运行数据计算得到的动态效率作为y轴，与之对应的时刻为x轴绘制成x-y坐标的动态效率图；

31、所述动态效率图体现锅炉受热面换热效率随时间变化的曲线，通过动态效率图以评价该受热过程的运行状态及热力学性能变化规律；

32、上述步骤四中，所述汽包水位控制是使得锅炉系统受到负荷或工质状态发生变化时各项参数稳定的关键手段；所述汽包水位闭环控制器为热工过程最常用的pi控制器；对于频繁的变负荷过程，当汽包水位偏离设定值时会引发汽包水位控制器的反应，控制器通过作用于给水调节阀以调节给水流量达到汽包水位平衡的目的；

33、锅炉在运行过程中，运行工况改变或意外扰动会引起汽包水位控制系统的作用，从而造成系统各工质流各状态参数发生相应的变化。此过程中，各工质流的热力学性能也会随时间变化，综合体现为锅炉受热面每股工质的量也会随时间变化以及不同程度的量损失特性。进而导致受热面效率的呈现不同的动态波动规律。

34、进一步地，为准确而全面的评估锅炉受热面各股工质流在运行过程控制作用下的动态效率响应特性。结合动态效率图提出结合过程控制与热力学的计及汽包闭环控制的锅炉受热面的动态效评价指标；所述动态效评价指标如下：

35、1.所述动态效评价指标之一为效迟延时间(τ)；所述迟延效应是指被控量的变化落后于扰动的发生和变化。定义动态效响应时间与变工况或扰动发生事件的时间差为效迟延时间；效迟延时间反映了扰动下动态效率受控制系统作用的敏感性；效迟延时间越长，说明该受热面效率对于扰动作用越不敏感。

36、2.所述动态效评价指标之二为动态过程时间(△t动态)；从效率开始震荡经过度调节过程最终到达新的平衡状态所需要的时间定义为动态过程时间。动态过程时间反映工况变化或扰动情况下锅炉各受热面换热两侧物流的动态响应的调节快慢。

37、3.所述动态效评价指标之三为效响应速度(ε)，表征在工况变化或扰动情况下受热面效率的最大变化速度。效响应速度反映了效率的惯性。计算式如下：

38、

39、式中：ε表示效响应速度；dηex(t)表示d t时间间隔的效的变化速率；d t表示时间间隔；

40、4.所述动态效评价指标之四为效响应超调率(μ)；受变工况或扰动影响，动态效率变化过程受控制作用影响呈现非周期调节或衰减震荡的趋势。对于衰减震荡波动趋势而言，动态过程的第一个峰值与新稳态效之差称为超调量，定义超调量与新稳态效之比为效响应超调率。

41、

42、式中：δηex(t)max表示效的最大超调量；ηex(t)稳态表示新稳态的效。

43、本发明的有益效果：锅炉庞大的受热面引致其具有大时滞及容积效应的特点，受工况变化影响下各工质流的温度、流量等参数会有不同程度不同时间尺度的响应情况，各项参数的不同步响应特性集中体现为受热面动态效率的波动。建立结合过程控制与热力学的动态效评价体系，利用所述动态效评价指标从多个维度全面的实时的了解锅炉受热面的热力学状态与性能特性，可为高效运行提供指导，具有良好的理论和应用价值。