500MW机组锅炉模型及实验分析

摘 要:为了更好的的分析各种控制系统的性能和评价不同控制算法的效果,文中介绍了一种通用的锅炉非线性动态模型。通过对500 mw汽轮发电机组上的两个扰动实验的讨论分析,解决了实际锅炉蓄热系数、磨煤机动态和水冷壁动态的求取问题。该文根据燃料量扰动试验中的主蒸汽流量dt和锅炉的蓄热系数与汽包压力pd的微分的乘积构造出热量信号dq,替代锅炉总有效吸热量,以求取磨煤机动态和水冷壁动态模型的传递函数,有效地解决了很难通过传感器准确测量的锅炉总有效吸热量问题。将500 mw汽轮发电机组的实际参数和实验计算结果代入模型中,建立起实际500 mw汽轮发电机组的仿真模型。与实际机组的扰动试验数据进行仿真对比,所构造的锅炉模型与实际的压力输出吻合得很好,验证了模型的有效性和正确性。

关键词:锅炉;动态模型;热量信号;扰动实验

1 引言

分析锅炉动态特性,构建复现性较好的锅炉动态模型具有重要的意义。首先,一个具有良好复现实际运行机组特性的动态模型能够更好地用于分析各种控制系统的性能;其次,可以建立统一的仿真平台用于评价不同算法设计的控制器的效果。

近年来较多的研究集中在构造一种通用的非线性动态仿真模型上。1991年f. p. de mello[1] 给出了一个通用的大型单元机组的协调控制系统非线性模型,该模型是通过热力学分析构造的。2000年åström-bell[2]介绍了一种详细的汽包锅炉非线性动态模型,描述了复杂的锅炉动态性能,该模型不便之处是很难找到这些所需参数。c.liu 于2001年描述了一个300mw单元机组的锅炉非线性动态仿真模型[3],该模型是通过详尽的热力学分析建立的,但不易于控制器的设计。文[4]曾探讨过一种充分考虑系统非线性特性的汽包锅炉动态模型,并给出了求取动态模型未定参数的方法。

本文通过扰动实验对500 mw的机组动态特性进行分析,构建出一个实际500 mw机组的动态非线性模型。机组建模对象为山西神头二电厂500 mw的汽轮发电机组,其额定主蒸汽流量dte为1650 t/h,额定汽包压力pde为18.97 mpa,额定主蒸汽压力pte为16.18 mpa。

2 锅炉核心模型

汽包锅炉单元机组是一个复杂的多变量系统,一般可简化为一个具有双输入双输出的对象。其中机组的输出功率和机前压力为被控量;主汽门调节阀开度和燃料量为控制量。

图1是锅炉的核心模型[4],各系数含义为:k1为汽包的蓄热系数cd的倒数;k3为主蒸汽管道的蓄热系数ct的倒数;k2,k4,k5,k6为内部系数,用于仿真模型的内部平衡。机组汽包压力的额定参数为pde,设置为积分器1的初始值;主蒸汽压力的额定参数为pte,设置为积分器2的初始值;主蒸汽流量的额定参数为dte;假设锅炉的有效吸热量dq和汽轮机阀门开度指令m均已标幺化,则dq和m 可描述为。这些参数的求取方法参见文 [1]。

该模型体现了机组的本质特征,即两个能量平衡关系和两个非线性关系:

(1)锅炉动态模型的两种相关的能量平衡关系:

1) 汽包压力pd反映了锅炉的有效吸热量dq和汽包出口蒸汽发热量dk的平衡。汽包蓄热系数cd反映了汽包蓄能的大小;

2) 主蒸汽压力pt反映了汽包出口蒸汽发热量dk与主蒸汽发热量dt的平衡。主蒸汽管道蓄热系数ct反映了主蒸汽管道蓄能的大小。

(2)锅炉动态过程中存在的非线性特征主要反映在两个方面:

1)汽包压力pd和主蒸汽压力pt的压力降同汽包出口蒸汽流量dk之间存在着平方根关系;

2)主蒸汽流量dt同汽轮机调节阀通流面积f和主蒸汽压力pt的乘积成比例关系。

为得到k1和k3,要保持燃烧率不变,作汽轮机阀门开度扰动试验。试验中,虽然主蒸汽流量和汽包压力都在变,但是热量信号不应改变。锅炉总蓄热系数可通过下列方程得到

上式求出的是具有工程量纲意义上的数。要将上式求出的总蓄热系数转换为数学模型图1中的系数,一般为

式中 cb为锅炉总蓄热时间常数。

理论分析和工程实践已经证明,汽包的蓄热cd通常占90%,主蒸汽管道的蓄热ct通常占10%。

图2为在山西神头二电厂500 mw机组上做的汽机调节阀扰动试验,其目的是:根据采集到的数据曲线,求取锅炉的蓄热系数。由图2可见,锅炉的总燃料量曲线b在实验的整个过程保持不变,另一曲线用p1 / pt代表阀门开度(p1为汽轮机调速级压力),当汽轮机调节门作向下的阶跃扰动时,开度值由75.16%变到65.53%,降低了9.63%。同时记录主蒸汽流量dt和汽包压力pd的变化曲线,然后根据式(1)和(2)计算蓄热系数,得到

根据图1锅炉核心模型可写出它的非线性状态方程组如下:

炉有效吸热量;u2为汽机调节阀门开度;y1为主蒸汽流量;y2也为主蒸汽压力。

式(4)中的参数可由式(3

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计