一种供热机组变工况精细化建模方法及系统与流程

本发明涉及电气自动化，特别是一种供热机组变工况精细化建模方法及系统。

背景技术：

1、近年来，随着我国风电、光伏、地热、生物质等各式新能源发电的兴起和快速发展，新能源在电网中所占的比例逐年快速增加。以风电、光伏为例，随着制造技术的成熟，单位容量的装机成本逐渐下降，风电、光伏在我国电源结构的占比越来越高。由于风、光等自然能源本身的地域性、时间性和稳定性等问题，其发展已经从以往的增量补充阶段进入大范围增量替代和区域性存量替代阶段，同时接入电网也为电力系统运行带来了较大的冲击，大规模可再生能源的消纳问题十分严重，严重制约着新型电力系统构建和发展。目前电力领域最常用的方式是通过火电厂的负荷调节来进行可再生能源与化石能源发电的协同，实现对风、光的消纳，减少弃风和弃光现象。但另一方面，出于提高燃料的能源利用效率考虑，以及满足城市日益增长的供热需求，如今的火电厂大多采用热电联产的混合供能形式，且普遍采用“以热定电”的运行模式。该模式是限制供热机组在冬季采暖期无法进行深度调峰并造成我国采暖期弃风弃光现象普遍的主要原因。

2、目前，机组带部分负荷运行时为了保证其热经济性普遍采用滑压运行方式，而大部分发电厂都是按照厂家所给定的滑压曲线来指导机组运行。该曲线只考虑负荷这一影响因素，但实际上机组的最优滑压运行曲线并不是负荷的单值函数，其还受到诸如循环水温度变化、厂用汽量变化、机组老化及机组泄漏等因素的影响。因此，有必要考虑到深度调峰工况下各因素影响导致的机组参数变化，对供热机组进行深度调峰全工况精细化建模。

技术实现思路

1、鉴于现有的供热机组变工况精细化建模方法及系统中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于机组带部分负荷运行时采用滑压运行方式，只考虑负荷影响因素，并未考虑到深度调峰工况下各因素影响导致的机组参数变化。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种供热机组变工况精细化建模方法，其包括，基于物理模型构建组件模型，连接组件搭建整体热力系统模型，得到额定工况下的供热机组仿真模型；基于构建的供热机组仿真模型计算在深度调峰工况下重要部件的特征曲线，并计算变工况模式下的特征曲线，所述重要部件包括汽轮机、给水泵和回热加热器；采用建模软件将汽轮机、给水泵和回热加热器的特征曲线进行调用，得到深度调峰工况下的组件参数，闭环调试整体热力系统模型完成变工况精细化供热系统模型的搭建。

5、作为本发明所述供热机组变工况精细化建模方法的一种优选方案，其中：所述组件模型包括锅炉系统组件、汽轮机系统组件、给水加热系统组件、凝结水系统组件、抽空冷却系统组件以及循环水系统组件；对每个子系统组件单独进行建模，依次将调试通过的子系统组件模型按照热力介质流动路径连接，将子系统组件模型集成，搭建整体热力系统模型；对集成后的整体热力系统模型进行运行测试，在标准工况下验证整体热力系统模型的计算结果与实际运行数据的吻合程度，得到调试通过的额定工况下的供热机组仿真模型。

6、作为本发明所述供热机组变工况精细化建模方法的一种优选方案，其中：所述汽轮机的特征曲线是调节级特性曲线，计算过程包括：计算单位喷嘴面积的临界流量为：

7、

8、计算通过单位喷嘴面积的实际流量为：

9、gn＝βngnc

10、其中：

11、

12、喷嘴压比为：

13、

14、其中，p0'为调节阀后流体压力，v0'为调节阀后流体流速，δhn为喷嘴损失，c1为喷嘴出口实际速度，δh为冲击损失，β1为喷嘴组流量比系数；设定动叶出口压力为p2mpa，对动叶进行迭代计算，计算动叶的汽道数据，包括叶动理想比焓降δhb、叶动实际比焓降叶动出气口气流速度ω2及叶动进气口比体积v2；

15、根据连续性方程，计算通过叶动蒸汽流量：

16、gb＝abω2/v2

17、其中，ab为喷嘴面积相对应的叶动出口面积；根据迭代条件：

18、

19、其中，gb为叶动蒸汽流量；gn为p1对应的喷嘴流量，此处取δg＝0.1％，计算与p1对应的p2；进而计算级内各项损失、全开调节阀后级的总体压力比ε、轮周效率ηu、反应度系数μ及速度比χa参数。

20、作为本发明所述供热机组变工况精细化建模方法的一种优选方案，其中：所述变工况模式下的特征曲线的计算需考虑级后温度变化对变工况计算的影响，计算过程包括，通过弗留格尔公式，计算当前工况下的调节级后压力p21，设定t21＝t2，则：

21、

22、其中，p21、p2分别表示变工况、额定工况下调节级后压力；g1、g分别表示变工况、额定工况下主蒸汽流量；pc1、pc分别表示变工况、额定工况下机组背压；t21、t2分别表示变工况、额定工况下调节级后温度；设定调节阀门全开，则通过全开阀门的流量gn′表示为；

23、

24、其中，a'n为全开阀所对应喷嘴组的通流面积，p0′、ν0′为主汽门前压力和比体积，p21为调节级后压力，系数μ'通过压比ε'查特性曲线μ'＝f(ε')获得；通过全开阀门的流量g'n和主汽流量g1计算通过部分开启调节阀门的流量g″n＝g1-g′n，并基于系数μ″，查询压力比ε″与系数μ″＝f(ε″)＝f(p2/p″0)曲线确定部分开启调节阀后的压力p″0；分别计算全开及部分开启阀门对应的调节级理想比焓降δh′t和δh″t：

25、

26、

27、其中，p0′、v0′表示全开调节阀后的压力和比体积；p0″、ν0″表示部分开启阀门后的压力和比体积；k表示比热比，即定压比热容与定容比热容之比；计算调节级后的混合焓值：

28、

29、式中，g′、g″分别为流过全开调节阀门和部分开启阀门的蒸汽量；h2′、h2″分别为流经全开调节阀门和部分开启阀门汽流在调节级的级后比焓降；根据调节级后焓值h21和压力p21确定该状态下调节级后温度t′21，若此时的计算温度t′21与假设的温度值t21不等，则取二者差值绝对值的一半|t′21-t21|/2作为新的温度值代入，经过迭代计算获得满足条件的调节级后压力p21和温度t21；根据主汽参数及调节级后的焓值h21、压力p21和温度t21计算该工况下调节级效率ηtj及输出功率wtj；搭建simulink数学模型，迭代求解，得到汽轮机参数关系曲线。

30、作为本发明所述供热机组变工况精细化建模方法的一种优选方案，其中：所述给水泵的特征曲线的计算通过计算给水泵出口压力获得；其中，通过给水泵出口到汽轮机主汽门前之间的管段中管路损失表示为：

31、

32、其中，ρ为管道中流体的密度；c为流体在管道中流动的平均速度；为阻力系数；δp为压力损失；由于损失系数在机组变工况过程中只与管路特性相关，得：

33、

34、其中，额定工况下的参数采用下角标“d”进行标注；通过此段管路的质量流量表示为：

35、g＝aρc

36、其中，a为管路横截面积；进一步得：

37、

38、则机组变工况后给水泵出口压力pout表示为：

39、

40、其中，pin为主汽门前的蒸汽压力；pout为给水泵出口压力。

41、作为本发明所述供热机组变工况精细化建模方法的一种优选方案，其中：基于所述变工况模式的给水泵的出口压力计算给水泵变工效率，给水泵前后温度差与其内部效率之间关系表示为：

42、

43、其中，c为比热容；g为重力加速度；δt为给水泵前后温差；ηi为内部效率；给水泵的扬程计算表示为：

44、

45、其中，p1、p2分别为给水泵前后的压力值；ρ为给水的密度；由于ρ、g、c为定值，且给水泵前后温差δt变化很小，近似为定值，则可将上述两式变形为：

46、δp＝ρgh＝f(h)

47、

48、其中，ηs表示给水泵效率，ηi为内效率；c为质量比热容；δt为给水泵进出口给水温差；当给水泵的流量和转速一定时，给水泵的扬程h为定值，给水泵扬程、流量和转速之间的关系表示为：

49、h＝f(morvm,n)

50、其中，m表示质量流量；vm表示体积流量；n为转速；给水泵流量与转速

51、之间的函数关系表示为：

52、morvm＝vm×n×η0(×ρ)

53、设定给水泵理论排量vm，排量效率η0和给水密度ρ三者均为定值，则转速和流量之间的关系表示为：

54、n＝f(morvm)

55、则给水泵的扬程计算进一步表示为：

56、

57、其中，ηi为内效率；c为质量比热容；δt为给水泵进出口给水温差；进一步确定给水泵的质量流量m或体积流量vm为影响给水泵效率的主导因素，拟合给水泵效率与流量的关系计算给水泵的变工况效率，获得拟合曲线。

58、作为本发明所述供热机组变工况精细化建模方法的一种优选方案，其中：所述回热加热器采用三段式设计，根据换热器的传热方程，三段式回热加热器中任意一段区域的换热量的计算表示为：

59、qi＝ki·ai·δti

60、其中，qi为换热器的换热量，δti表示各换热段的换热温差，ki为各换热段的换热系数，ai为各换热段的换热面积；则各换热段的总换热系数的计算表示为：

61、

62、其中，αi为各换热段的传热热阻，ki,in为各换热段管内蒸汽与金属内壁之间的换热系数，ki,out为各换热段管外蒸汽与金属外壁之间的换热系数；各换热段的换热温差的计算表示为：

63、

64、其中，tin,s,i和tout,s,i分别为各换热段进出口处的抽汽温度，tin,fw,i和tout,fw,i分别为各换热段进出口处的给水温度；进一步的，各换热段的热平衡方程分别表示为：过热蒸汽冷却段热平衡方程表示为：

65、

66、

67、凝结段热平衡方程表示为：

68、

69、

70、疏水冷却段热平衡方程表示为：

71、

72、

73、其中，d为抽汽流量，dfw,in为输入加热器的给水流量，ds,in为输入加热器的疏水流量，h为各换热段的蒸汽焓值，hs,in为输入加热器的疏水焓值，q为输入各个换热段的热量，下标sh、c及d分别对应于加热器的过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段；采用数学模型进行仿真计算，并对计算结果数据进行拟合。

74、第二方面，本发明实施例提供了一种供热机组变工况精细化建模系统，其包括：构建模块，基于物理模型构建组件模型，并搭建整体热力系统模型，获得供热机组仿真模型；计算模块，基于构建的供热机组仿真模型计算在深度调峰工况下的特征曲线，并计算变工况模式下的特征曲线；精细化模块，采用建模软件调用特征曲线，得到深度调峰工况下的组件参数，闭环调试整体热力系统模型完成变工况精细化处理。

75、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的供热机组变工况精细化建模方法的任一步骤。

76、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述的供热机组变工况精细化建模方法的任一步骤。

77、本发明有益效果为本发明利用了matlab/simulink强大的非线性计算能力，以及ebsilon精细化的热力学模块和对变工况设计的支持，通过精细化变工况计算得出各部件在不同工况下的特性曲线后，将数据输入至模型中拟合，完成模型的精细化建立。