技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识方法，具体地说，是一种基于水冷壁内工质
质量、
能量和动量动态衡算的工质传热速率的实时辨识方法，属于火
力发电控制领域。
背景技术
[0002] 燃
煤电站水冷壁内工质吸热量的主要监控方法是通过机组负荷和煤-电转换效率反推
炉膛总发热量，再将总发热量按一定比例(通常为45-50％)折算为水冷壁内工质的吸热量。
[0003] 然而，实际电厂生产过程中，最终的煤-电转换效率受煤质、设备状态以及机组负荷等诸多因素影响，时变性很强，所以通过煤-电转换效率反推出的炉膛总发热量通常与实际总发热量有较大偏差；另一方面，水冷壁吸热量占炉膛总发热量的比例也并非固定，而是与燃烧工况、燃煤热值、
过量空气系数等操作参数相关，故目前大部分生产现场对水冷壁吸热量只能粗略估计，无法精确地
跟踪，这对燃烧状态监控十分不利。
[0004] 对
现有技术的检索发现，中国
专利申请号201010553886.4，公开日2011-04-27，涉及了一种
锅炉水冷壁对其内部工质传热速率的测量方法，该方法将整个亚临界机组
蒸发系统(包括汽包、
下降管和水冷壁)内的工质分为饱和水和饱和汽，根据汽包压力和机组负荷的变化实时计算二者的质量比例变化，结合实时计算得工质比
焓进一步获得整个蒸发系统内工质蓄积的总能量变化率，最后通过进出口工质焓差和工质蓄积的总能量变化率在线计算获得水冷壁对其内部工质传热速率。但是该方法只针对亚临界机组的蒸发系统进行建模和实时计算，而超超临界机组蒸发系统的结构、工质成分和汽
水循环流程与亚临界机组差别较大，导致该方法无法应用于超超临界机组。
发明内容
[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于水冷壁内工质质量、能量和动量平衡的水冷壁工质吸热速率的实时辨识方法。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：本发明基于工质物性参数
数据库和蒸发系统设备结构参数数据库，根据工质相态和对象设备具体结构
结合水冷壁的实时运行工况信息，获得动态变化的工质物性参数；再利用水冷壁内工质质量、能量和动量动态衡算的方法，对整个水冷壁内工质能量蓄积量变化速率进行实时估计，进而结合水冷壁进出口工质的实时测量值，计算水冷壁进出口焓差，最后通过工质能量蓄积量变化速率和水冷壁进出口焓差在线估计水冷壁向工质的传热速率。
[0007] 本发明所述的超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识方法，具体包括如下步骤：
[0008] 步骤1：根据锅炉运行设计规程，建立水冷壁的结构参数数据库，所述参数数据库包含：水冷壁换
热管道沿工质流动方向的总长度L；换热管数量n；换热管内径d；并从厂级监控信息系统的实时数据库读取当前时刻(定义为k)的水冷壁给水压力p0、给水
温度T0、给水质量流量D0，水冷壁出口集箱处
过热蒸汽压力p3、
过热蒸汽温度T3、过热蒸汽质量流量D3；
[0009] 步骤2：根据可
覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，结合现场厂级监控信息系统
服务器上传的工质状态参数即温度压力，实时计算该当前时刻(定义为k)水冷壁给水
密度ρ0和比焓h0、水冷壁出口集箱处过热蒸汽密度ρ3和比焓h3；
[0010] 步骤3：由水冷壁内水相段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到水相段向工质的传热速率QW,由水冷壁内蒸发段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到蒸发段向工质的传热速率QE,由水冷壁内过热段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到过热段向工质的传热速率QS，然后加和得到整个水冷壁向工质的总传热速率QT，实现超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识。
[0011] 优选地，以所述给定时刻t0为计时起点，Δt为计算步长，使用水冷壁向工质传热速率实时辨识方法，按时间先后次序，分别确定t＝t0、t＝t0+Δt、t＝t0+2Δt、……、t＝t0+nΔt时刻下相应的工质传热速率值QT(k)、QT(k+Δt)、QT(k+2Δt)、……、QT(k+nΔt)，并获得水冷壁向工质传热速率QT随时间变化的曲线。
[0012] 优选地，步骤2中：
[0013] 所述密度ρ0和比焓h0均通过当前时刻(定义为k)给水压力p0和温度T0计算获得；
[0014] 所述密度ρ3和比焓h3通过当前时刻(定义为k)水冷壁出口集箱处过热蒸汽温度T3和压力p3计算获得。
[0015] 优选地，步骤3中，所述水相段工质质量动态衡算模型具体为：
[0016]
[0017] 其中ρW为水相段工质平均密度，ρW由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质密度的算术平均值替代；A为水冷壁管流通截面积，由水冷壁换热管数量n和管内径d计算获得；LW为水相段长度；D0为通过水冷壁入口界面的工质质量流量，即给水质量流量；D1为通过水相段与蒸发段界面的工质质量流量；ρ1为水相段与蒸发段界面处工质密度，水相段与蒸发段界面处工质为饱和水，故ρ1就是对应压力下的饱和水密度；随着机组负荷变化，水相段与蒸发段界面的
位置是时变的，故水相段的长度和工质容积也是时变的，式(1)中Aρ1(dLW/dt)即为水相段长度变化引起的水相段工质质量的附加变化率；
[0018] 所述水相段工质能量动态衡算模型具体形式是：
[0019]
[0020] 其中hW为水相段工质平均比焓，hW由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质比焓的算术平均值替代；h0为水相段入口界面处工质比焓；h1为水相段与蒸发段界面处工质比焓，水相段与蒸发段界面处工质为饱和水，故h1就是对应压力下的饱和水比焓；QW为水冷壁对水相段工质的传热速率；其余变量含义同式(1)；
[0021] 所述水相段工质动量动态衡算模型具体形式是：
[0022]
[0023] 其中εW为定值，与水冷壁管道几何结构相关，由国标GB/T2624-93获得；DW为水相段工质平均质量流量，DW由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质质量流量D0和D1的算术平均值替代；p0为水冷壁入口界面处工质压力；p1为水相段与蒸发段界面处工质压力；其余变量含义同式(1)；
[0024] 与水相段类似，所述蒸发段工质的质量、能量、动量动态衡算模型，即公式(4)～(6)：
[0025] 蒸发段相应变量的下标是E：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 所述过热段工质的质量、能量、动量动态衡算模型，即公式(7)～(9)：
[0030] 过热段相应变量的下标是S：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 式(1)至(9)是线性互不相关的9维方程组，其中水冷壁总长固定为L，故LW、LE、LS中只需求解其中两个即可；水冷壁入口界面(即水冷壁给水)处的工质状态变量(压力、温度和质量流量)由物理测点实时获得；水冷壁出口界面(即水冷壁出口集箱)处工质压力和温度由物理测点实时获得，工质质量流量视为与主蒸汽质量流量相等；由于水相段与蒸发段界面和蒸发段与过热段界面处的工质分别是饱和水和
饱和蒸汽，故这两处的工质温度也是压力的函数，通过压力值计算获得；所有分界面处工质物性参数均根据国际水和水蒸气热力性质工业公式1997(IF97)，通过对应分界面处的工质温度、压力加以计算；所有分段内工质物性参数均以两端分界面处物性参数的算术平均值替代。
[0035] 至此，式(1)至(9)构成的方程组中，待求解变量分别为：LW、LE、p1、p2、D1、D2、QW、QE、QS。
[0036] 待求解变量数量与方程组维数相同，故解算方程组即获得各段水冷壁向工质的传热速率：QW、QE、QS。进一步，水冷壁向工质的总传热速率QT＝QW+QE+QS。
[0037] 当水冷壁内工质压力超过22Mpa时，将不存在蒸发段，方程组中，式(4)至(6)被剔除；待求解变量中LE、QE被剔除；p1和p2合并为pW/S，D1和D2合并为DW/S；不过，由于工质处于超
临界状态，水相段与过热段(W段和S段)分界面处工质的温度不再是压力的函数，而是一个自变量，故待求解变量中需增加分界面处工质温度TW/S，因此，待求解变量总数为6个：LW、pW/S、DW/S、TW/S、QW、QS。
[0038] 待求解变量数量仍与方程组维数相同，故解算方程组即获得各段水冷壁向工质的传热速率：QW、QS。则水冷壁向工质的总传热速率QT＝QW+QS。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0040] 本发明给出了在满足水冷壁内工质质量、能量和动量守恒关系下的水冷壁向工质传热速率的实时辨识值，计算水冷壁向工质传热速率所需的测点数据均从厂级监控信息系统的实时数据库直接读取，现场不需要额外增加测点，仅需在已有的控制系统中增加相应的
软件计算模
块，成本低。水冷壁向工质传热速率的实时辨识是
迭代进行的，迭代中仅需要保存上一步(即k-1时刻)的结果，内存占用少，实时性强。同时，借助可覆盖全工况的工质物性参数数据库，该方法在不同工况和负荷条件下都可以准确跟踪水冷壁向工质传热速率的变化，而设备结构参数数据库的建立则使该方法可以非常方便地推广到同类型但设备结构不同的机组。可用于指导锅炉的燃烧优化，扩展应用范围广。
附图说明
[0041] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0042] 图1为本发明水冷壁分段结构示意图，其中0表示水冷壁工质入口界面，1表示水相段和蒸发段分界面，2表示蒸发段与过热段分界面，3表示水冷壁工质出口界面；
[0043] 图2工质焓值与温度、压力的关系示意图；
[0044] 图3工质密度与温度、压力的关系示意图。
具体实施方式
[0045] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0046] 如图1所示，以某1000MW燃煤机组为例，该直流锅炉烟道中的换热器主要包括
过热器、再热器、省煤器三大部分。锅炉型号为DG-3000/26.15-II1型，锅炉为超超临界、直流、一次中间再热、前后墙对冲火焰燃烧方式、双拱单炉膛、平衡通
风、尾部双烟道、烟气
挡板调温、固态
排渣、露天布置、全
钢架悬吊式直流炉。
[0047] 基于水冷壁内工质质量、能量和动量平衡的水冷壁工质吸热速率的实时辨识方法详细步骤如下：
[0048] 步骤1：根据锅炉运行规程，建立主要设备结构参数数据库，该数据库包含以下固定参数信息：水冷壁换热管道沿工质流动方向的总长度L为38.1m，换热管总数778根，换热管单管内径23mm；
[0049] 并从厂级监控信息系统的实时数据库中读取相关实时数据，如在当前时刻k的运行工况下实时数据如下：
[0050] 水冷壁给水压力29.02MPa、给水温度297℃、给水质量流量3033t/h、水冷壁出口集箱处过热
蒸汽压力27.4MPa、过热蒸汽温度411℃、过热蒸汽质量流量3033t/h。
[0051] 本实施例中，所述水冷壁分段结构和各分段之间分界面的编号如图1所示。
[0052] 步骤2：根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，结合现场厂级监控信息系统服务器上传的工质状态参数即温度压力，实时计算该给定时刻下水冷壁给水密度ρ0和比焓h0、水冷壁出口集箱处过热蒸汽密度ρ3和比焓h3。上述工质物性参数库输出结果如图2、图3所示，其中：图2为工质焓值与温度、压力的关系示意图，图3为工质密度与温度、压力的关系示意图。
[0053] 本实施例中，所述工质物性参数数据库(即图2、图3)即IF97公式，是指根据水和水蒸气热力性质工业公式(IAPWS-IF97)开发的具有可并行调用的、区域自动判别、批处理运算等特点的用于在线计算的工质物性参数数据库，可参考文献：王旭辉，于彤，惠兆宇，袁景淇，用于火电全范围仿真的工质物性参数数据库，控制工程，2011；18:131-133。
[0054] 步骤3：由水冷壁内水相段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到水相段向工质的传热速率QW,由水冷壁内蒸发段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到蒸发段向工质的传热速率QE,由水冷壁内过热段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到过热段向工质的传热速率QS，然后加和得到整个水冷壁向工质的总传热速率QT。
[0055] 本实施例中，步骤3中：
[0056] 所述水相段工质质量动态衡算模型具体为：
[0057]
[0058] 其中ρW为水相段工质平均密度，ρW由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质密度的算术平均值替代；A为水冷壁管流通截面积，由水冷壁换热管数量n和管内径d计算获得；LW为水相段长度；D0为通过水冷壁入口界面的工质质量流量，即给水质量流量；D1为通过水相段与蒸发段界面的工质质量流量；ρ1为水相段与蒸发段界面处工质密度，水相段与蒸发段界面处工质为饱和水，故ρ1就是对应压力下的饱和水密度；随着机组负荷变化，水相段与蒸发段界面的位置是时变的，故水相段的长度和工质容积也是时变的，式(1)中Aρ1(dLW/dt)即为水相段长度变化引起的水相段工质质量的附加变化率；
[0059] 所述水相段工质能量动态衡算模型具体形式是：
[0060]
[0061] 其中hW为水相段工质平均比焓，hW由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质比焓的算术平均值替代；h0为水相段入口界面处工质比焓；h1为水相段与蒸发段界面处工质比焓，水相段与蒸发段界面处工质为饱和水，故h1就是对应压力下的饱和水比焓；QW为水冷壁对水相段工质的传热速率；其余变量含义同式(1)；
[0062] 所述水相段工质动量动态衡算模型具体形式是：
[0063]
[0064] 其中εW为定值，与水冷壁管道几何结构相关，由国标GB/T2624-93获得；DW为水相段工质平均质量流量，DW由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质质量流量D0和D1的算术平均值替代；p0为水冷壁入口界面处工质压力；p1为水相段与蒸发段界面处工质压力；其余变量含义同式(1)；
[0065] 与水相段类似，所述蒸发段工质的质量、能量、动量动态衡算模型，即公式(4)～(6)：
[0066] 蒸发段相应变量的下标是E：
[0067]
[0068]
[0069]
[0070] 所述过热段工质的质量、能量、动量动态衡算模型，即公式(7)～(9)：
[0071] 过热段相应变量的下标是S：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] (1)至(9)是线性互不相关的9维方程组，其中水冷壁总长固定为L，故LW、LE、LS中只需求解其中两个即可；水冷壁入口界面(即水冷壁给水)处的工质状态变量(压力、温度和质量流量)由物理测点实时获得；水冷壁出口界面(即水冷壁出口集箱)处工质压力和温度由物理测点实时获得，工质质量流量视为与主蒸汽质量流量相等；由于水相段与蒸发段界面和蒸发段与过热段界面处的工质分别是饱和水和饱和蒸汽，故这两处的工质温度也是压力的函数，可通过压力值计算获得；所有分界面处工质物性参数均根据国际水和水蒸气热力性质工业公式1997(IF97)，通过对应分界面处的工质温度、压力加以计算；所有分段内工质物性参数均以两端分界面处物性参数的算术平均值替代。
[0076] 至此，式(1)至(9)构成的方程组中，待求解变量分别为：LW、LE、p1、p2、D1、D2、QW、QE、QS。
[0077] 待求解变量数量与方程组维数相同，故解算方程组即可获得各段水冷壁向工质的传热速率：QW、QE、QS。进一步，水冷壁向工质的总传热速率QT＝QW+QE+QS。
[0078] 当水冷壁内工质压力超过22Mpa时，将不存在蒸发段，方程组中，式(4)至(6)被剔除；待求解变量中LE、QE被剔除；p1和p2合并为pW/S，D1和D2合并为DW/S；不过，由于工质处于
超临界状态，水相段与过热段(W段和S段)分界面处工质的温度不再是压力的函数，而是一个自变量，故待求解变量中需增加分界面处工质温度TW/S，因此，待求解变量总数为6个：LW、pW/S、DW/S、TW/S、QW、QS。
[0079] 待求解变量数量仍与方程组维数相同，故解算方程组即可获得各段水冷壁向工质的传热速率：QW、QS。则水冷壁向工质的总传热速率QT＝QW+QS。
[0080] 本实施例选取时间间隔Δt＝5s，计算t＝t0为计时起点的24小时水冷壁向工质传热速率，即在时刻t＝t0、t＝t0+5、t＝t0+10、……、t＝t0+86400，分别重复步骤1-3，获得相应的水冷壁向工质传热速率实时辨识QT(t0)、QT(t0+5)、QT(t0+10)、……、QT(t0+86400)，继而得到水冷壁向工质传热速率随时间变化曲线。
[0081] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
