非线性凝结水节流控制模型 |
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| 申请号 | CN201710385056.7 | 申请日 | 2017-05-26 | 公开(公告)号 | CN107166370A | 公开(公告)日 | 2017-09-15 |
| 申请人 | 浙江工商大学; | 发明人 | 刘东升; 许翀寰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种非线性 凝结 水 节流控 制模 型，包括以下步骤：根据除 氧 器中所有 工作 流体 的流速和热含量建立关于除氧器内工作流体的总 质量 和除氧器内的总 能量 的模型；当除氧器内工作流体的总质量等于饱和水的总质量时，建立两者的质量等效模型；当除氧器内的总能量等于饱和水的总能量时，建立两者的能量等效模型；依据质量等效模型和能量等效模型变换获得除氧器内的水位和除氧器内的 温度 的非线性模型；根据冷凝水节流系统中预热器和高压 力 缸的状态建立单位荷载的非线性模型；依据上述的非线性模型建立非线性凝结水节流控制模型。本发明的目的在于提供了一种结构简单、控制方便的非线性凝结水节流控制模型。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种非线性凝结水节流控制模型，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 非线性凝结水节流控制模型技术领域背景技术[0002] 超临界火力发电厂的交流换热系统装备有三个高压力缸预热器、四个低压缸预热器和一个除氧器。在凝结水节流过程中，除氧器和低压缸预热器中的储蓄能量被激活。从除氧器到最后的低压缸预热器，所有的抽汽流量降低。给水流量保持不变，除氧器水位继续降低，除氧器的储蓄能量不断被激活。因此，除氧器的水位必须严格监控。除氧器的水位超过了安全限值，锅炉给水泵将执行应急行为。锅炉给水流量将减少到能够确保抽水泵安全运作的水平。为了维持锅炉给水和锅炉原料煤的平衡，锅炉内的煤的数量也要同时降低。 [0003] 而传统凝结水节流系统中，低压力缸预热器的凝结控制阀和抽汽控制阀是节流的甚至关闭的很快，因此，抽汽必须达到涡轮级。并且，对于这种方法，抽汽控制阀必须安置于低压力缸预热器中，然而，这直接导致快速阀的监管引起汽轮机和预热器之间的振动。在整个节流过程中，预热器是动态变化的。如果把所有的低压力缸预热器放入凝结水节流控制模型中，那么这个模型构造将非常复杂，不利于控制器设计。因此，亟待研发一种新的凝结水节流控制模块以满足需求。 发明内容[0004] 本发明提供一种非线性凝结水节流控制模型，目的在于利用除氧器反应出冷凝物再生加热系统的动态特性建立一种结构简单、控制方便的非线性凝结水节流控制模型。 [0005] 为解决上述问题，本发明实施例提供一种非线性凝结水节流控制模型，包括以下步骤： [0007] 当除氧器内工作流体的总质量等于饱和水的总质量时，建立关于除氧器内工作流体的总质量和饱和水的总质量的质量等效模型； [0008] 当除氧器内的总能量等于饱和水的总能量时，建立关于除氧器内的总能量和饱和水的总能量的能量等效模型； [0009] 依据所述质量等效模型和所述能量等效模型变换获得除氧器内的水位的非线性模型和除氧器内的温度的非线性模型； [0010] 根据冷凝水节流系统中预热器和高压力缸的状态建立单位荷载的非线性模型； [0011] 依据包括除氧器内的水位的非线性模型、除氧器内的温度的非线性模型以及单位荷载的非线性模型建立非线性凝结水节流控制模型。 [0012] 作为一种实施方式，所述当除氧器内工作流体的总质量等于饱和水的总质量时，建立关于除氧器内工作流体的总质量和饱和水的总质量的质量等效模型，包括以下步骤； [0013] 除氧器内工作流体的总质量的计算公式： [0014] 其中，Ms表示除氧器内工作流体的总质量，D4表示从中压汽缸抽汽流速，Dd3表示从高压预热器内排泄水速，Dwc表示冷凝水流速，Dfw表示锅炉给水流速； [0015] 饱和水的体积的计算公式： [0016] 其中，vs表示饱和水的体积，Ls表示除氧器内的实际水位，1.9表示为除氧器内的正常水位，31为除氧器为长3.8为除氧器的直径； [0017] 质量等效模型为： [0018] [0019] 其中，ρs表示饱和水的密度，根据饱和水密度与温度的性质可得，ρs＝-ts+1063.6，ts表示除氧器内饱和水的温度，其范围140～180摄氏度，A＝D4+Dd3+Dwc-Dfw。 [0020] 作为一种实施方式，所述当除氧器内的总能量等于饱和水的总能量时，建立关于除氧器内的总能量和饱和水的总能量的能量等效模型，包括以下步骤： [0021] 除氧器内工作流体的总能量的计算公式： [0022] 其中，Es表示除氧器内的总能量，h4表示抽汽热含量，hd3表示排泄水热含量，hwc表示冷凝水热含量，hs表示除氧器内饱和水热含量； [0023] 能量等效模型为： [0024] B＝D4h4+Dd3hd3+Dwchwc-Dfwhs， [0025] [0026] 其中，us表示除氧器内工作流体的速率，cp表示为定压比热容。 [0027] 作为一种实施方式，所述依据所述质量等效模型和所述能量等效模型变换获得除氧器内的水位的非线性模型和除氧器内的温度的非线性模型，包括以下步骤： [0028] 依据所述质量等效模型和所述能量等效模型获取涉及除氧器内的水位和除氧器内的温度的方程组； [0029] [0030] 本发明相比于现有技术的有益效果在于：通过建立静态和动态模型，设计非线性凝结水节流控制模型，这种策略可以恢复除氧器水平的平衡以准备下一个负载变化，使得协调控制冷凝水节流系统具有更好的性能。附图说明 [0031] 图1为建立本发明的非线性凝结水节流控制模型的工作流程图。 具体实施方式[0032] 以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。 [0033] 如图1所示，一种非线性凝结水节流控制模型，包括以下步骤： [0034] S101：根据除氧器中所有工作流体的流速和热含量建立关于除氧器内工作流体的总质量和除氧器内的总能量的模型，其中，工作流体包括从中压汽缸抽汽、高压预热器内排泄水和冷凝水以及锅炉给水； [0035] 步骤S101的具体内容如下：在这个建模过程中，饱和气在除氧器的总质量和总能量的影响可以忽略不计。根据质量守恒和能量守恒原则，可得以下公式。 [0036] [0037] [0038] 其中，Ms表示除氧器内工作流体的总质量(单位kg)，D4表示从中压汽缸抽汽流速(单位kg/s)，Dd3表示从高压预热器内排泄水速(单位kg/s)，Dwc表示冷凝水流速(单位kg/s)，Dfw表示锅炉给水流速(单位kg/s)，Es表示除氧器内的总能量(单位kJ)，h4表示抽汽热含量(单位kJ/kg)，hd3表示排泄水热含量(单位kJ/kg)，hwc表示冷凝水热含量(单位kJ/kg)，hs表示除氧器内饱和水热含量(单位kJ/kg)。令A＝D4+Dd3+Dwc-Dfw，B＝D4h4+Dd3hd3+Dwchwc-Dfwhs。 [0039] S102：当除氧器内工作流体的总质量等于饱和水的总质量时，建立关于除氧器内工作流体的总质量和饱和水的总质量的质量等效模型； [0040] S103：当除氧器内的总能量等于饱和水的总能量时，建立关于除氧器内的总能量和饱和水的总能量的能量等效模型； [0041] S104：依据所述质量等效模型和所述能量等效模型变换获得除氧器内的水位的非线性模型和除氧器内的温度的非线性模型； [0042] 步骤S102～S104的具体内容如下： [0043] 基于饱和水蒸气对除氧器总质量和总能量的影响几乎为零的假设，除氧器内工作流体的总质量相当于饱和水的总质量，那么公式(1)可以表示为 其中，ρs表示饱和水的密度(kg/m3)，vs表示饱和水的体积(m3)。根据饱和水密度与温度的性质可得，ρs＝-ts+1063.6，其中ts表示除氧器内饱和水的温度，其范围140-180摄氏度。本发明设计的除氧器为长31米，直径3.8米的圆柱体。正常情况下，除氧器内的正常水位在1.9米到2.2米之间，因此，除氧器内饱和水的体积约为 其 中，Ls表示除氧器内的水位(米),因此，可以得到以下质量等效模型： [0044] [0045] 除氧器内的总能量， [0046] 其中，B＝D4h4+Dd3hd3+Dwchwc-Dfwhs (4) [0047] us表示除氧器内工作流体的速率，饱和水的内能与饱和温度成正比。根据公式(3)和(4)可得以下能量等效模型： [0048] [0049] cp为定压比热容：是单位质量的物质在压力不变的条件下，温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量。最后，根据公式(3)和公式(5)可以得到以下方程组。 [0050] [0051] 在方程组(6)中1063.6-ts表示饱和水的密度。从50％单位负荷到100％单位负荷，饱和水的温度在168-172摄氏度范围内变化。因此，1063.6-ts一个可以视为常数，那么方程组(6)可以简化为 [0052] [0053] 其中，c1和c2是动态参数，可以通过除氧器的设计参数和最小二乘法计算。 [0054] 除上述内容外，还包括计算系统从中压汽缸抽汽流量D4，抽汽热含量h4，高压预热器内排泄水速Dd3，锅炉给水流速Dfw： [0055] D4与饱和温度有关，这是由饱和压力和抽汽口压力之间的差异所决定的。根据主蒸汽流速Dst，除氧器内饱和水的温度ts，可以计算获得从中压汽缸抽汽流速D4，其计算公式如下。 [0056] D4＝365.9896(pr-ps)-3.017 (8) [0057] 其中，pr表示抽汽口压力(单位MPa)，ps表示饱和压力(单位MPa)。pr是由通过抽气口的气流决定，与主蒸汽流速Dst成正比，公式如下： [0058] pr＝0.001725Dst+0.05880 (9) [0059] 在饱和状态下，饱和压力ps和饱和水的焓hs可以表示为： [0060] hs＝4.349ts-20.01，其中饱和温度范围是140-180摄氏度。 [0061] 在350-600MW涡轮发电机中,饱和温度的变化范围是368-375摄氏度，抽汽焓在很大程度上取决于抽汽压力。在372摄氏度时，抽汽焓为(相对误差小于0.5％)h4＝-17.89pr+3221.8。根据主蒸汽流速Dst，可以计算抽汽热含量h4＝-0.03086Dst+3220.75。 [0062] 对于一个给定的单位荷载,高压预热器的废水流在稳定条件下与单位荷载成正比。因此，Dd3＝0.1988Dst-21.92，给水流量Dfw等于主蒸汽流量减去减温喷水。由于喷水流量非常小，可以忽略不计，所以，给水流量可以等于主蒸汽流，即为：Dfw＝Dst。 [0063] S105：根据冷凝水节流系统中预热器和高压力缸的状态建立单位荷载的非线性模型； [0064] 与再生系统相比，能量转换的动力涡轮是非常快速的，可以忽略。单位荷载可以表示为： [0065] 其中m表示预热器数量，a表示高压缸抽气点的数量，Ne表示单位荷载(kW)，η表示涡轮效率，hst表示主蒸汽焓(kJ/kg),σ表示再热蒸汽焓升(kJ/kg)，hc表示废汽焓(kJ/kg)，Di表示流向每个预热器的抽汽质量流率(kg/s)，hi表示每个预热器的抽汽焓(kJ/kg)。对于不同的单位负荷，每个抽汽流产生的功率比例几乎是不变的，因此，为了适应计算，单位荷载可以简化如下， [0066] Ne＝k1Dst(hst+σ-hc)-k2D4(h4-hc) [0067] 其中，对于一个给定的负载，再热蒸汽焓升σ和排汽焓可以看作是常数，k1、k2表示常系数。 [0068] S106：依据包括除氧器内的水位的非线性模型、除氧器内的温度的非线性模型以及单位荷载的非线性模型建立非线性凝结水节流控制模型。 [0069] 因此，一个简化的凝结水节流系统的非线性模型为： [0070] [0071] 模型的初始条件给出了Dst、hs、hwc、hd3以及hc，其中，输入变量Dwc，输出变量单位载荷Ne和状态变量除氧器内的水位Ls和除氧器内饱和水的温度ts。 [0072] 本发明的目的在于通过建立静态和动态模型，设计非线性凝结水节流控制模型。这种策略可以恢复除氧器水平的平衡以准备下一个负载变化，使得协调控制冷凝水节流系统具有更好的性能。 [0073] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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