再热器传递函数模型的机理建模计算方法与流程

本发明涉及控制科学与工程学科的建模仿真技术领域，尤其是涉及一种再热器传递函数模型的机理建模计算方法。

背景技术：

再热器是电站锅炉受热面的重要组成部分，其作用在于加热汽轮机高压缸排汽，提高机组的安全性和经济性，因此再热器出口蒸汽温度成为火电机组运行中的重要监控参数。受再热器自身工艺特点的影响，再热蒸汽温度对象存在较大的时滞和惯性，导致再热汽温控制系统的动态性能常常达不到期望要求，许多机组的再热汽温控制系统甚至根本无法投入自动模式。为了设计和优化再热汽温控制系统，需要有简单、准确的再热器动态特性数学模型。

建立再热器动态数学模型的方法通常可以分为两类：机理建模方法和系统辨识方法。机理建模方法是根据再热器工艺过程所遵循的物理、化学规律，建立其数学模型；系统辨识方法则将再热器视为一个“黑箱”，根据测量的输入输出数据，按照事先确定的准则在模型集中选出一个与数据吻合最好的模型。

运用系统辨识方法建立再热器的数学模型之前，需解决十分重要的两个问题：1)确定再热器模型的结构；2)确定待估计模型参数的范围。选择合理的模型结构是建立准确的再热器模型的重要前提；而恰当地确定模型参数的范围，可以显著提高参数估计的精度和速度。目前，对这两个问题尚缺乏完善的解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单、高效的再热器传递函数模型的机理建模计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种再热器传递函数模型的机理建模计算方法，包括以下步骤：

1)构建再热器建模框架，包括7个传递函数：g1(s)至g4(s)分别表示低温再热器各通道；g5(s)至g7(s)分别表示高温再热器各通道；

2)对建模框架中传递函数模型参数进行计算。

所述的g1(s)至g7(s)都采用如下多容惯性结构的传递函数形式：

每个传递函数含有3个参数，即：模型阶数n、时间常数t和放大系数k，整个再热器模型共有21个参数。

所述的模型阶数ni和时间常数ti(i＝1,2,3,4,5,6,7)的计算公式是由单相受热管线性分布参数模型的解析解，应用传递函数模型的近似计算方法得到；

k1、k5和k2、k6的计算公式是通过对单相受热管内的蒸汽应用质量守恒定律和能量守恒定律，建立受热管内蒸汽的静态模型，并对其作线性化处理后得到；

k3、k4、k7是通过建立相应工艺过程的机理模型，并对模型作线性化处理后得到。

所述的k3的计算涉及烟气挡板流量特性、受热面烟气侧对流换热、单相受热管传热的物理过程；k4和k7的计算涉及燃料-负荷特性、风量-负荷特性、锅炉炉内燃烧及传热、烟气对流换热区传热、单相受热管传热的物理和化学过程。

所述的k3、k4、k7的计算公式为：

k3＝kdkckbka(2)

k4＝kdkckikhkgkfke+kdkckikhkgkqkj+kdkoknkskgkfke+kdkoknkskgkqkj+kdkoknkmkrkfke+kdkoknkmkrkqkj+kdkoknkmklkpke+kdkoknkmklkkkj(3)

k7＝kvktkgkfke+kvktkgkqkj+kvkukrkfke+kvkukrkqkj+kvkuklkpke+kvkuklkkkj(4)

式(2)至式(4)中，ka至kv表示相应工艺过程相应通道的放大系数，其具体含义见附图2。ka至kv由相应工艺过程通道放大系数的计算公式计算。

建立受热管内蒸汽的静态模型，并对其作线性化处理，得到单相受热管过程吸热量通道放大系数的计算公式：

式(5)中，δ为相对于工作点的变化量，h为焓值，q为吸热量，d为流量；下脚标s代表蒸汽，out代表出口，0代表工作点参数。

根据质量守恒定律和能量守恒定律，建立锅炉炉内传热模型，并将其线性化，得到炉内过程各通道放大系数的计算公式：

式(6)、式(7)中，t为温度，b为燃料量，g为烟气或空气流量，η为锅炉效率，cp为定压比热容，β为辐射传热系数，n为炉膛内除水冷壁外辐射受热面的个数；下脚标f代表烟气，a代表空气，lhv代表燃料的低热值，wf代表水冷壁，rad代表辐射受热面，con代表对流受热面。

对烟气对流换热区分别应用质量守恒定律和能量守恒定律，并结合对流换热规律，建立烟气对流换热区传热模型，将该模型作线性化处理后，得到烟气对流换热区各通道放大系数的计算公式：

式(8)、式(9)中，α为对流换热系数；下脚标in代表入口。

记锅炉的燃料-负荷特性、燃料-风量特性和烟气挡板流量特性分别为：

b＝yb(p)(10)

ga＝yg(p)(11)

λ＝yλ(0.01θ)(12)

式(10)至式(12)中，p为机组负荷，λ为通过低再通道的烟气流量在总烟气流量中所占的比例，θ∈[0,100]，为再热烟气挡板开度。将式(10)至式(12)都拟合成多项式函数形式，得到相应通道放大系数的计算公式：

与现有技术相比，本发明给出了再热器的传递函数模型框架，并提出一种较为简单的建立再热器传递函数模型的计算方法，该方法主要基于电站锅炉的工艺过程机理，根据锅炉的结构参数及热力参数，即可计算出再热器传递函数模型(采用多容惯性传递函数形式)的参数，计算结果对于确定再热器传递函数模型的结构及模型参数的范围都具有较强的指导作用和实用价值。

附图说明

图1为再热器的传递函数模型框架图；

图2为再热器传递函数模型中放大系数k3、k4、k7的计算关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

一种常见的电站锅炉再热器的工艺过程形式为：再热器由低温再热器和高温再热器两级构成；受热面处于烟气温度较低区域，与烟气间发生对流传热；再热汽温采用烟气挡板方式进行调节。针对该种形式再热器，从其工艺过程机理出发，本发明提出如图1所示的再热器建模框架。该建模框架包含7个传递函数：g1(s)至g4(s)分别表示低温再热器各通道；g5(s)至g7(s)分别表示高温再热器各通道。

本发明提出的建模计算方法可以根据锅炉的结构参数及热力参数计算出再热器模型的21个参数。参数ni和ti(i＝1,2,3,4,5,6,7)的计算公式是单相受热管线性分布参数模型的解析解，可应用传递函数模型的近似计算方法得到；k1、k5和k2、k6的计算公式是通过对单相受热管内的蒸汽应用质量守恒定律和能量守恒定律，建立受热管内蒸汽的静态模型，并对其作线性化处理后得到；k3、k4、k7的计算如图2所示，图中每一个带箭头的线段都代表某一具体工艺过程中某一通道的放大系数kx，(x＝a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,v)系通过建立相应工艺过程的机理模型，并对模型作线性化处理后得到。k3的计算主要涉及烟气挡板流量特性、受热面烟气侧对流换热、单相受热管传热等物理过程；k4和k7的计算主要涉及燃料-负荷特性、风量-负荷特性、锅炉炉内燃烧及传热、烟气对流换热区传热、单相受热管传热等物理、化学过程。

该发明提出了再热器的一个传递函数模型建模框架，并提出了计算再热器传递函数模型参数的完整计算方法。该方法的具体实施步骤为：

(1)获取锅炉的结构参数及热力参数。所需参数主要有：锅炉受热面的物性参数、受热面积、换热系数；空气和烟气的物性参数，如定压比热容；锅炉的工作点参数，如高、低再蒸汽流量、焓值，送入锅炉燃料、空气的量及温度，烟气温度，等。

(2)根据该计算方法的计算公式，计算出再热器建模框架中各多容惯性传递函数的参数ni、ti和ki(i＝1,2,3,4,5,6,7)。其中，k3、k4、k7分别根据式(2)至式(4)计算；式(2)至式(4)所用参数ka至kv，由相应工艺过程相应通道的放大系数计算公式(式(5)至式(9)、式(13)至式(15))计算。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。