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一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置

更新时间:2024-07-01
一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置 专利申请类型:发明专利;
源自:北京高价值专利检索信息库;

专利名称:一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202210967098.2

专利申请(专利权)人:清华大学
权利人地址:北京市海淀区双清路30号清华大学清华园北京100084-82信箱

专利发明(设计)人:陈磊,徐飞,黄怡涵,闵勇,郝玲,郭越,陈群

专利摘要:本发明实施例提供一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置,该方法包括:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型的预热段、相变段及过热段各换热单元的热力状态量初始值;输入汽轮机高压调节阀开度值,在一次调频时间内,设定当前仿真时间步长预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值,将预设参数的计算值和迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到一次调频过程中锅炉热力参数的动态特性。本发明实施例能够较为准确地描述一次调频过程中亚临界工作状态下锅炉关键热力参数的动态响应特性,有助于电网在线掌握亚临界火电机组真实的一次调频能力,从而进行准确的频率安全分析。

主权利要求:
1.一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,包括:
根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;
读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;
响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;
响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性;
所述预热段动态模型表示为:
其中,t表示时间,Δt表示工质流经换热单元的时延;Tcin,i+1(t)表示预热段第i+1个换热单元在t时刻的入口工质温度;Tw,i(t‑Δt)表示预热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的管壁金属温度;Tcin,i(t‑Δt)表示预热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的入口工质温度,Tw,i(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的管壁金属温度;Tcin,i(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的入口工质温度;ai=(k1Ae,1)i/Gc,i,(k1Ae,1)i表示预热段第i个换热单元的热导;k1表示预热段工质与管壁金属间的传热系数,Ae,1表示预热段换热单元的换热面积;Gc,i表示预热段第i个换热单元工质的热容量流;q1表示预热段单位长度烟气和管壁间的换热量;L1表示预热段换热单元的长度; 表示预热段第i个换热单元基于入口温度定义的传热热阻;τi=RiCw1,表示换热过程中预热段第i个换热单元的时间常数;Cw1表示预热段各换热单元管壁金属的热容;A1表示预热段管道的横截面积;ρi(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的工质密度; 表示预热段第i个换热单元在t时刻的工质流量; 表示预热段第i+1个换热单元在t时刻的工质流量;pi+1(t)表示预热段第i+1个换热单元在t时刻的工质压力;pi(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的工质压力;f1表示预热段的沿程阻力系数;
所述过热段动态模型表示为:
其中,Tsh,cin,i+1(t)表示过热段第i+1个换热单元在t时刻的入口工质温度;Tsh,w,i(t‑Δt)表示过热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的管壁金属温度;Tsh,cin,i(t‑Δt)表示过热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的入口工质温度,Tsh,w,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的管壁金属温度;Tsh,cin,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的入口工质温度;ash,i=(k2Ae,2)sh,i/Gsh,c,i,(k2Ae,2)sh,i表示过热段第i个换热单元的热导;Gsh,c,i表示过热段第i个换热单元工质的热容量流;k2表示过热段工质与管壁金属间的传热系数,Ae,2表示过热段换热单元的换热面积;q2表示过热段单位长度烟气和管壁间的换热量;L2表示过热段换热单元的长度; 表示过热段第i个换热单元基于入口温度定义的传热热阻;τsh,i=Rsh,iCw2,表示换热过程中过热段第i个换热单元的时间常数;Cw2表示过热段各换热单元管壁金属的热容;A2表示过热段管道的横截面积;ρsh,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的工质密度; 表示过热段第i个换热单元在t时刻的工质流量; 表示过热段第i+1个换热单元在t时刻的工质流量;psh,i+1(t)表示过热段第i+1个换热单元在t时刻的工质压力;psh,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的工质压力;f2表示过热段的沿程阻力系数;
所述相变段动态模型表示为:
其中,Ts(t)表示t时刻相变段工质的饱和温度;ps(t)表示t时刻相变段工质的饱和压力;Tw,s(t)表示t时刻相变段换热器管壁金属的温度;qs=q1,表示相变段单位长度烟气和管壁间的换热量;Ls表示相变段换热器长度; 表示相变段的传热热阻,ksAs表示相变段换热器的热导;ks表示相变段工质与管壁金属间的传热系数,As表示相变段的换热面积;τs=Rs(t)Cws,表示换热过程中相变段换热器的时间常数;Cws表示相变段管壁金属的热容;Tw,s(t‑Δt)表示t‑Δt时刻相变段换热器管壁金属的温度; 表示t时刻相变段出口饱和蒸汽的质量流量;γ(t)表示t时刻相变段工质饱和压力下对应的汽化潜热;
所述锅炉动态模型满足的边界条件和约束条件包括:
其中,m表示预热段换热单元的数量;pm+1表示相变段第一个换热单元的工质压力;pm表示预热段最后一个换热单元的工质压力; 表示相变段第一个换热单元的入口工质流量;ρm表示预热段最后一个换热单元的工质密度;ps表示相变段的饱和压力;ρs表示饱和汽的密度; 表示过热段第一个换热单元的入口工质流量; 表示相变段出口饱和蒸汽的质量流量;psh,1表示过热段第一个换热单元的工质压力; 表示过热段出口的工质流量,即所述过热段的主蒸汽流量;kv表示阀门流量系数;cv表示所述汽轮机高压调节阀开度;psh,N表示过热段最后一个换热单元的工质压力。
2.根据权利要求1所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,所述设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值,包括:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段各换热单元的入口工质温度迭代值,根据所述预热段的所述热力状态量初始值、所述预热段动态模型及所述预热段各换热单元的入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述预热段的热力状态量的计算值;
设定饱和压力迭代值,根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述相变段的所述饱和压力迭代值、所述过热段各换热单元的入口工质温度迭代值、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型求解经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量的计算值及所述过热段的热力状态量的计算值;其中,所述相变段的热力状态量包括饱和压力;
根据所述饱和压力下的工质饱和温度和所述预热段及所述相变段的换热单元的定性温度的比较结果,进行所述预热段和所述相变段的换热单元段数及所述热力状态量的计算值的修正;其中,所述定性温度为换热单元入口工质温度和出口工质温度的平均值。
3.根据权利要求2所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,所述根据所述预热段的所述热力状态量初始值、所述预热段动态模型及所述预热段各换热单元的入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述预热段的热力状态量的计算值,包括:根据所述预热段的所述热力状态量初始值、所述预热段的所述入口工质温度迭代值及所述预热段动态模型求解经过仿真时间步长后预热段的热力状态量;其中,所述预热段的热力状态量包括各换热单元的入口工质温度、入口工质质量流量、工质密度、工质压力及管壁金属温度;
计算所述预热段的入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差;若所述最大误差大于第一误差允许范围,则更新所述入口工质温度迭代值;
重复上述步骤,直至所述入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差小于或等于所述第一误差允许范围,得到经过仿真时间步长后预热段的热力状态量的计算值。
4.根据权利要求3所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,所述设定饱和压力迭代值,根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述相变段的所述饱和压力迭代值、所述过热段各换热单元的入口工质温度迭代值、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型求解经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量的计算值及所述过热段的热力状态量的计算值,包括:设定饱和压力迭代值,根据所述相变段的所述饱和压力迭代值及所述相变段动态模型求解经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量;其中,所述相变段的热力状态量包括饱和压力下对应的工质饱和温度、饱和水和饱和汽的比焓和密度、管壁金属温度及相变段出口饱和蒸汽的质量流量;
设定当前仿真时间步长过热段各换热单元的入口工质温度迭代值,根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述过热段动态模型及所述过热段各换热单元的所述入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述过热段的热力状态量;其中,所述过热段的热力状态量包括各换热单元的入口工质温度、入口工质质量流量、工质密度、工质压力及管壁金属温度;
根据所述过热段第一个换热单元的所述工质压力计算得到所述相变段的所述饱和压力;
计算饱和压力计算值与所述饱和压力迭代值间的误差;若所述误差大于第二误差允许范围,则更新所述饱和压力的迭代值;
重复上述步骤,直至所述饱和压力计算值与所述饱和压力迭代值的误差小于或等于所述第二误差允许范围,得到经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量的计算值及所述过热段的热力状态量的计算值。
5.根据权利要求4所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,所述根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述过热段动态模型及所述过热段各换热单元的所述入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述过热段的热力状态量,包括:根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述过热段的所述入口工质温度迭代值及所述过热段动态模型求解经过仿真时间步长后所述过热段的热力状态量;
计算所述过热段的所述入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差;
若所述最大误差大于第三误差允许范围,则更新所述入口工质温度迭代值;
重复上述步骤,直至所述入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差小于或等于所述第三误差允许范围,得到经过仿真时间步长后过热段的热力状态量。
6.根据权利要求1所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,所述方法还包括:
获取不同运行工况下的与工况相关的模型参数,从而确定不同工况下的所述预热段动态模型、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型;其中,所述与工况相关的模型参数包括所述阀门流量系数、所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数。
7.根据权利要求6所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,所述获取不同运行工况下的与工况相关的模型参数,包括:根据不同工况稳态下的DCS采集数据获取主蒸汽压力、主蒸汽流量及汽轮机高压调节阀开度,根据所述主蒸汽压力、所述主蒸汽流量及所述汽轮机高压调节阀开度得到各运行工况下所述阀门流量系数;
设置所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数的迭代值;
基于不同工况稳态下的所述预热段的入口工质温度、工质压力和入口工质流量,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型对应的稳态方程递推得到所述相变段工质的饱和压力以及所述过热段出口处工质的温度、压力和质量流量;
将所述相变段工质的饱和压力以及所述过热段出口处工质的温度、压力和质量流量的计算值和DCS采集数据进行对比,在最大误差超过第四误差允许范围时,通过改变所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数的迭代值,重复执行所述相变段工质的饱和压力以及所述过热段出口处工质的温度、压力和质量流量的获取步骤直至满足收敛条件,得到各运行工况下所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数的数值。
8.一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解装置,用于实现权利要求1至7任一项所述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,其特征在于,包括:初始化模块,用于:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;
读取模块,用于:读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;
循环迭代求解模块,用于:响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:
设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;
结果获取模块,用于:响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法的步骤。
11.一种计算机程序产品,包括计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法的步骤。 说明书 : 一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置技术领域[0001] 本发明实施例涉及电力系统及热力系统分析技术领域,具体涉及一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置。背景技术[0002] 一次调频,是指当负荷变化引起电网频率偏离额定值并超过调频死区时,各并网运行机组的控制系统自动调整机组有功功率的增减,以适应外界负荷变化的需求、减小电网频率改变幅度的自动控制过程。随着新型电力系统的建设,规模化新能源集中接入电网。一方面,新能源机组大多采用电力电子设备并网,使系统的同步转动惯量下降,且新能源机组有功出力无法主动响应系统频率的变化,造成一次调频能力降低。另一方面,随着未来柔性多端直流电网和交流电网的互联,大容量直流故障将给系统带来巨大的功率扰动。在高比例新能源、高比例电力电子设备(简称“双高”)电力系统的建设与发展过程中,频率安全问题将成为系统安全稳定运行的瓶颈问题。火电机组作为未来相当长一段时间内“双高”电力系统中的重要调频资源,其一次调频能力极大地影响着系统的频率安全性,因此准确掌握火电机组真实的一次调频能力对于保证系统频率安全具有非常重要的意义。[0003] 但是,目前火电机组一次调频响应存在理论调频功率曲线和实际调频功率曲线偏差过大的问题。造成上述问题的原因有很多,但其中一个关键原因是现调度采用的火电机组一次调频仿真模型中未考虑锅炉的动态模型,现有模型通常将锅炉主蒸汽压力设为额定值,并认为主蒸汽压力在调频过程中保持恒定。实际上,机组为满足经济运行的需要通常处于滑压运行模式,主蒸汽压力初始值应由稳态负荷值确定,且在一次调频过程中是变化的,忽略锅炉主蒸汽压力的动态特性将使机组出力的仿真结果严重偏离实际。因此,一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解对于准确分析火电机组的一次调频功率响应特性至关重要。[0004] 目前电网中,亚临界汽包炉机组在火电机组中占比约41%。汽包炉机组由于存在汽包这一缓冲储存环节,其蓄热能力和一次调频性能和直流炉机组相比存在明显区别,汽包锅炉的热力系统动态由于涉及相变过程会更为复杂,因此迫切需要研究一次调频过程中汽包锅炉热力参数动态特性的求解方法,从而整体掌握火电机组的一次调频能力。另外,汽包锅炉热力参数动态特性的求解方法也可用于求解直流锅炉在亚临界工作状态下的动态过程,可为分析超临界直流炉机组在亚临界状态下的一次调频性能提供参考。发明内容[0005] 针对现有技术存在的缺陷,本发明实施例提供一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置。[0006] 本发明实施例提供一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,包括:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。[0007] 本发明实施例还提供一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解装置,包括:初始化模块,用于:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;读取模块,用于:读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;循环迭代求解模块,用于:响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;结果获取模块,用于:响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数。。[0008] 本发明实施例还提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法的步骤。[0009] 本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法的步骤。[0010] 本发明实施例还提供一种计算机程序产品,包括计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法的步骤。[0011] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法及装置,通过将锅炉动态模型划分为预热段动态模型、相变段动态模型及过热段动态模型,在每个仿真时间步长内,设定预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值,根据预热段动态模型、相变段动态模型和过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及预设参数的计算值,将计算值和迭代值比较后对迭代值进行修正并继续迭代,直至满足收敛条件后,得到预热段、相变段和过热段各换热单元的热力状态量计算值,将各个换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的热力状态量初始值,进行下一仿真时间步长的计算,最终在累计仿真时间大于或等于一次调频时间后,仿真结束,输出锅炉热力参数的计算值,能够较为准确地描述一次调频过程中亚临界工作状态下锅炉关键热力参数的动态响应特性,在电液伺服系统和汽轮机模型间加入该锅炉动态模型,有助于电网在线掌握亚临界火电机组真实的一次调频能力,从而进行准确的频率安全分析。附图说明[0012] 为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。[0013] 图1是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法的流程示意图之一;[0014] 图2是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法中预热段和相变段换热单元的串联结构示意图;[0015] 图3是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法中过热段换热单元的串联结构示意图;[0016] 图4是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法的流程示意图之二;[0017] 图5是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解装置的结构示意图;[0018] 图6是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。具体实施方式[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明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一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。[0020] 图1是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法的流程示意图之一。如图1所示,该方法包括:[0021] 步骤S1、根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元。[0022] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法适用于亚临界工作状态下的锅炉,如汽包锅炉以及处于亚临界压力下运行的直流锅炉。[0023] 构建锅炉分布式参数动态模型(锅炉动态模型)。将锅炉水冷壁至过热器段简化为一规则几何相变换热器,考虑工质物性参数随空间位置的变化,将换热器按空间位置分为三个子部分,分预热段、相变段和过热段分别建模,建模过程中从物质流和热量流角度分析汽水工质的流动过程及汽水工质和管壁金属的换热过程,在换热过程中考虑工质相变过程及流体物性参数的分布特性,在一次调频时间尺度(一般是60s)内对锅炉关键动态过程进行建模。将预热段和相变段换热器模型(预热段动态模型和相变段动态模型)串联构成锅炉水冷壁和汽包部分的动态模型,用过热段换热器模型(过热段动态模型)描述锅炉过热器部分的动态模型,两部分模型共同构成完整的锅炉模型。对于预热段和过热段,在换热和流动过程中,工质温度沿流动方向逐渐升高,工质压力沿流动方向逐渐降低,工质温度和压力的变化将导致其物性参数随空间位置发生改变,针对变物性工况,采用分段法进行建模,当每段换热单元的面积足够小时,可认为各段中工质的物性参数近似不变。对于相变段,在相变过程中,工质压力和温度处处相等,不随空间位置变化,均等于该时刻工质的饱和参数值,因此不进行分段处理。[0024] 对于锅炉水冷壁和汽包部分,用预热段和相变段动态模型描述汽水工质和管壁金属的换热过程以及汽水工质的流动和相变过程;对于汽包锅炉过热器部分,用过热段动态模型描述过热蒸汽的流动及换热过程。[0025] 图2是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法中预热段和相变段换热单元的串联结构示意图。图3是本发明实施例提供的一次调频过程中汽包锅炉热力参数动态特性求解方法中过热段换热单元的串联结构示意图。[0026] 将预热段和相变段的总长度均匀分为n段,每个换热单元长度为L1,预热段各换热单元编号i=1,2,…,m,从第m+1段进入相变段,将相变段各换热单元作为整体进行分析;将过热段换热器均匀分成N段,每个换热单元长度为L2,对应换热单元编号i=1,2,…,N。图2中,ρi、pi、Tw,i、Tcin,i和 分别为第i个换热单元中工质密度、工质压力、管壁金属的温度、入口工质温度和入口工质质量流量。图2中,ps、Tw,s、Ts和 分别为相变段工质的饱和压力及该饱和压力下对应的管壁金属温度、工质饱和温度及相变段出口饱和蒸汽的质量流量。图3中,变量下标sh代表过热段对应的热力参数。可以定义工质的定性温度为每个换热单元进、出口温度的算数平均值,每个换热单元内工质的物性参数如密度、定压比热容等可由该段工质的定性温度和压力确定。[0027] 根据预热段动态模型、相变段动态模型及过热段动态模型可以计算得到锅炉关键热力参数在一次调频过程中的动态特性。在锅炉动态建模过程中,需要获取锅炉动态模型的参数,模型求解过程中,需要获取各换热单元的热力状态量初始值。可以根据锅炉设计结构、稳态下DCS(DistributedControlSystem,分布式控制系统)采集数据及锅炉稳态模型计算得到模型参数及各换热单元的热力状态量初始值。[0028] 步骤S2、读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值。[0029] 火电机组典型一次调频模型中,锅炉模型位于电液伺服机构和汽轮机模型之间。电液伺服机构的输出是汽轮机高压调节阀开度,为锅炉模型的输入,锅炉模型的输出是主蒸汽流量,为汽轮机模型的输入。需要在每个仿真时间步长读取汽轮机高压调节阀开度输入值,以利用最新的汽轮机高压调节阀开度输入值进行计算。[0030] 步骤S3、响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延。[0031] 目前已有的锅炉模型存在的普遍问题包括:(1)模型建立及简化所基于的时间条件远大于一次调频时间尺度,适用于中长期仿真,无法准确反映一次调频过程中主蒸汽参数的响应特性。(2)模型参数难以通过计算获取,往往基于扰动试验或实际调频动态数据进行辨识,难以实现模型参数的在线确定。[0032] 本发明针对火电机组的一次调频,通过建立汽包锅炉动态模型、设计模型参数在线确定方法、设计锅炉动态模型求解步骤及流程来分析锅炉关键热力参数在阀门开度变化后的动态响应特性,适用于进行一次调频分析。[0033] 以仿真时间步长为粒度对模型进行仿真求解。判断累计仿真时间是否小于一次调频时间(如设置为60s),若累计仿真时间小于一次调频时间,则通过设定当前仿真时间步长预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值,根据预热段动态模型、相变段动态模型和过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及预设参数的计算值,将预设参数的计算值和迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到预热段的换热单元段数及预热段、相变段和过热段的热力状态量计算值。[0034] 将修正后的各个换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的热力状态量初始值,将累计仿真时间增加一个仿真时间步长后形成新的累计仿真时间,转到读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤。[0035] 此步骤为循环处理过程,直至累计仿真时间大于或等于一次调频时间。仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延,假设工质流经各个换热单元的时延相等。[0036] 步骤S4、响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。[0037] 若累计仿真时间大于或等于一次调频时间,则不再进行S3步骤的循环处理,输出一次调频期间锅炉热力参数(如锅炉关键热力参数主蒸汽流量、主蒸汽压力和主蒸汽温度等)的计算值,并分析其动态响应特性。可以将得到的锅炉热力参数进一步输出用于分析。[0038] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,通过将锅炉动态模型划分为预热段动态模型、相变段动态模型及过热段动态模型,在每个仿真时间步长内,设定预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值,根据预热段动态模型、相变段动态模型和过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及预设参数的计算值,将计算值和迭代值比较后对迭代值进行修正并继续迭代,直至满足收敛条件后,得到预热段、相变段和过热段各换热单元的热力状态量的计算值,将各个换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的热力状态量初始值,进行下一仿真时间步长的计算,最终在累计仿真时间大于或等于一次调频时间后,仿真结束,输出过热段锅炉热力参数的计算值,能够较为准确地描述一次调频过程中亚临界工作状态下锅炉关键热力参数的动态响应特性,在电液伺服系统和汽轮机模型间加入该锅炉动态模型,有助于电网在线掌握亚临界火电机组真实的一次调频能力,从而进行准确的频率安全分析。[0039] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解方法,所述设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值,包括:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段各换热单元的入口工质温度迭代值,根据所述预热段的所述热力状态量初始值、所述预热段动态模型及所述预热段各换热单元的入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述预热段的热力状态量的计算值;设定饱和压力迭代值,根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述相变段的所述饱和压力迭代值、所述过热段各换热单元的入口工质温度迭代值、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型求解经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量的计算值及所述过热段的热力状态量的计算值;其中,所述相变段的热力状态量包括饱和压力;根据所述饱和压力下的工质饱和温度和所述预热段及所述相变段的换热单元的定性温度的比较结果,进行所述预热段和所述相变段的换热单元段数及所述热力状态量的计算值的修正其中,所述定性温度为换热单元入口工质温度和出口工质温度的平均值。[0040] 在设定当前仿真时间步长预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值,根据预热段动态模型、相变段动态模型和过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及预设参数的计算值,根据计算值和迭代值对预热段和相变段的换热单元段数及热力状态量的计算值进行修正时的步骤包括:[0041] 设定当前仿真时间步长预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值。需要设置迭代值的预设参数包括预热段各换热单元的入口工质温度、过热段各换热单元的入口工质温度及相变段的饱和压力。[0042] 根据预热段的热力状态量初始值、预热段动态模型及预热段各换热单元的入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后预热段的热力状态量的计算值。[0043] 设定饱和压力迭代值,根据相变段和过热段的热力状态量初始值、饱和压力迭代值、过热段各换热单元的入口工质温度迭代值、相变段动态模型及过热段动态模型求解经过仿真时间步长后相变段的热力状态量的计算值及过热段的热力状态量的计算值。[0044] 在得到相变段和过热段的热力状态量之后,根据饱和压力下的工质饱和温度和预热段及相变段的换热单元的定性温度的比较结果,进行预热段和相变段的换热单元段数及热力状态量的计算值的修正。若预热段对应段数增加,即相变段长度减小,则根据预热段动态模型将对应的换热单元参数值由原本的相变段热力参数值修正为预热段热力参数值;若预热段段数减小,即相变段长度增加,则根据相变段动态模型将对应的换热单元参数值由原本的预热段热力参数值修正为相变段热力参数值。修正预热段换热单元段数及对应热力参数值,直至满足预热段换热单元的定性温度小于饱和温度,相变段第一个换热单元的定性温度大于等于饱和温度的条件停止。[0045] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,通过设定当前仿真时间步长预热段的换热单元段数及预热段和过热段各换热单元的入口工质温度迭代值和相变段的饱和压力迭代值,根据迭代值和计算值的比较结果更新迭代值,在结果收敛后得到预热段、相变段和过热段的热力状态量,根据饱和压力下的工质饱和温度和预热段及相变段的换热单元的定性温度的比较结果,进行预热段和相变段的换热单元段数及热力状态量的计算值的修正,实现了预热段和相变段的准确划分。[0046] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述根据所述预热段的所述热力状态量初始值、所述预热段动态模型及所述预热段各换热单元的入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述预热段的热力状态量的计算值,包括:根据所述预热段的所述热力状态量初始值、所述预热段的所述入口工质温度迭代值及所述预热段动态模型求解经过仿真时间步长后预热段的热力状态量;其中,所述预热段的热力状态量包括各换热单元的入口工质温度、入口工质质量流量、工质密度、工质压力及管壁金属温度;计算所述预热段的入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差;若所述最大误差大于第一误差允许范围,则更新所述入口工质温度迭代值;重复上述步骤,直至所述入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差小于或等于所述第一误差允许范围,得到经过仿真时间步长后预热段的热力状态量的计算值。[0047] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数特性的求解方法,实现了经过仿真时间步长后预热段的热力状态量的计算值的准确确定。[0048] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述设定饱和压力迭代值,根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述相变段的所述饱和压力迭代值、所述过热段各换热单元的入口工质温度迭代值、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型求解经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量的计算值及所述过热段的热力状态量的计算值,包括:设定饱和压力迭代值,根据所述相变段的所述饱和压力迭代值及所述相变段动态模型求解经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量;其中,所述相变段的热力状态量包括饱和压力下对应的工质饱和温度、饱和水和饱和汽的比焓和密度、管壁金属温度及相变段出口饱和蒸汽的质量流量;设定当前仿真时间步长过热段各换热单元的入口工质温度迭代值,根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述过热段动态模型及所述过热段各换热单元的所述入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述过热段的热力状态量;其中,所述过热段的热力状态量包括各换热单元的入口工质温度、入口工质质量流量、工质密度、工质压力及管壁金属温度;根据所述过热段第一个换热单元的所述工质压力计算得到所述相变段的所述饱和压力;计算饱和压力计算值与所述饱和压力迭代值间的误差;若所述误差大于第二误差允许范围,则更新所述饱和压力的迭代值;重复上述步骤,直至所述饱和压力计算值与所述饱和压力迭代值的误差小于或等于所述第二误差允许范围,得到经过仿真时间步长后所述相变段的热力状态量的计算值及所述过热段的热力状态量的计算值。[0049] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性求解的方法,实现了经过仿真时间步长后相变段的热力状态量的计算值和过热段的热力状态量的计算值的准确确定。[0050] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述过热段动态模型及所述过热段各换热单元的所述入口工质温度迭代值求解经过仿真时间步长后所述过热段的热力状态量,包括:根据所述过热段的所述热力状态量初始值、所述过热段的所述入口工质温度迭代值及所述过热段动态模型求解经过仿真时间步长后所述过热段的热力状态量;计算所述过热段的所述入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差;若所述最大误差大于第三误差允许范围,则更新所述入口工质温度迭代值;重复上述步骤,直至所述入口工质温度计算值与所述入口工质温度迭代值的最大误差小于或等于所述第三误差允许范围,得到经过仿真时间步长后过热段的热力状态量。[0051] 根据过热段的热力状态量初始值、过热段的入口工质温度迭代值及过热段动态模型求解经过仿真时间步长后过热段的热力状态量;其中,过热段的热力状态量包括各换热单元的入口工质温度、入口工质质量流量、工质密度、工质压力及管壁金属温度。[0052] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,实现了经过仿真时间步长后过热段的热力状态量的计算值的准确确定。[0053] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述预热段动态模型表示为:[0054][0055] 其中,t表示时间,Δt表示工质流经换热单元的时延;Tcin,i+1(t)表示预热段第i+1个换热单元在t时刻的入口工质温度;Tw,i(t‑Δt)表示预热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的管壁金属温度;Tcin,i(t‑Δt)表示预热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的入口工质温度,Tw,i(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的管壁金属温度;Tcin,i(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的入口工质温度;ai=(k1Ae,1)i/Gc,i,(k1Ae,1)i表示预热段第i个换热单元的热导;k1表示预热段工质与管壁金属间的传热系数,Ae,1表示预热段换热单元的换热面积;Gc,i表示预热段第i个换热单元工质的热容量流;q1表示预热段单位长度烟气和管壁间的换热量;L1表示预热段换热单元的长度;Ri表示预热段第i个换热单元基于入口温度定义的传热热阻;τi=RiCw1,表示换热过程中预热段第i个换热单元的时间常数;Cw1表示预热段各换热单元管壁金属的热容;A1表示预热段管道的横截面积;ρi(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的工质密度; 表示预热段第i个换热单元在t时刻的工质流量; 表示预热段第i+1个换热单元在t时刻的工质流量;pi+1(t)表示预热段第i+1个换热单元在t时刻的工质压力;pi(t)表示预热段第i个换热单元在t时刻的工质压力;f1表示预热段的沿程阻力系数;[0056][0057] 本发明实施例提供的一次调频过程中汽包锅炉热力参数动态特性的求解方法,给出了预热段动态模型的具体表达式。[0058] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中汽包锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述过热段动态模型表示为:[0059][0060] 其中,Tsh,cin,i+1(t)表示过热段第i+1个换热单元在t时刻的入口工质温度;Tsh,w,i(t‑Δt)表示过热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的管壁金属温度;Tsh,cin,i(t‑Δt)表示过热段第i个换热单元在t‑Δt时刻的入口工质温度,Tsh,w,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的管壁金属温度;Tsh,cin,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的入口工质温度;ash,i=(k2Ae,2)sh,i/Gsh,c,i,(k2Ae,2)sh,i表示过热段第i个换热单元的热导;Gsh,c,i表示过热段第i个换热单元工质的热容量流;k2表示过热段工质与管壁金属间的传热系数,Ae,2表示过热段换热单元的换热面积;q2表示过热段单位长度烟气和管壁间的换热量;L2表示过热段换热单元的长度;Rsh,i表示过热段第i个换热单元基于入口温度定义的传热热阻;τsh,i=Rsh,iCw2,表示换热过程中过热段第i个换热单元的时间常数;Cw2表示过热段各换热单元管壁金属的热容;A2表示过热段管道的横截面积;ρsh,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的工质密度;表示过热段第i个换热单元在t时刻的工质流量; 表示过热段第i+1个换热单元在t时刻的工质流量;psh,i+1(t)表示过热段第i+1个换热单元在t时刻的工质压力;psh,i(t)表示过热段第i个换热单元在t时刻的工质压力;f2表示过热段的沿程阻力系数;[0061][0062] 可以看到预热段和过热段的动态模型实质相同。[0063] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,给出了过热段动态模型的具体表达式。[0064] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述相变段动态模型表示为:[0065][0066] 其中,Ts(t)表示t时刻相变段工质的饱和温度;ps(t)表示t时刻相变段工质的饱和压力;Tw,s(t)表示t时刻相变段换热器管壁金属的温度;qs=q1,表示相变段单位长度烟气和管壁间的换热量;Ls表示相变段换热器长度;Rs(t)表示相变段的传热热阻,ksAs表示相变段换热器的热导;ks表示相变段工质与管壁金属间的传热系数,As表示相变段的换热面积;τs=Rs(t)Cws,表示换热过程中相变段换热器的时间常数;Cws表示相变段管壁金属的热容;Tw,s(t‑Δt)表示t‑Δt时刻相变段换热器管壁金属的温度; 表示t时刻相变段出口饱和蒸汽的质量流量;γ(t)表示t时刻相变段工质饱和压力下对应的汽化潜热;[0067][0068] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,给出了相变段动态模型的具体表达式。[0069] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述锅炉动态模型满足的边界条件和约束条件包括:[0070][0071] 其中,m表示预热段换热单元的数量;pm+1表示相变段第一个换热单元的工质压力;pm表示预热段最后一个换热单元的工质压力;[0072] 表示相变段第一个换热单元的入口工质流量;ρm表示预热段最后一个换热单元的工质密度;ps表示相变段的饱和压力;ρs表示饱和汽的密度;[0073] 表示过热段第一个换热单元的入口工质流量; 表示相变段出口饱和蒸汽的质量流量;psh,1表示过热段第一个换热单元的工质压力; 表示过热段出口的工质流量,即所述过热段的所述主蒸汽流量;kv表示阀门流量系数;cv表示所述汽轮机高压调节阀开度;psh,N表示过热段最后一个换热单元的工质压力。[0074] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,通过设置锅炉动态模型满足的边界条件和约束条件,实现了锅炉动态模型的完善。[0075] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述方法还包括:获取不同运行工况下的与工况相关的模型参数,从而确定不同工况下的所述预热段动态模型、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型;其中,所述与工况相关的模型参数包括所述阀门流量系数、所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数。[0076] 锅炉动态模型的参数可分为两类,分别为结构参数和动态参数。基于锅炉设计手册及稳态时机组DCS监测数据,可在线实时确定模型结构参数及动态参数。[0077] 其中,结构参数由锅炉设计结构确定,为固定值,结构参数主要有:[0078] 1)水冷壁和过热器部分管道长度、横截面积和管壁金属热容l1、l2、A1、A2、Cw1和Cw2,该部分参数可通过查阅锅炉结构说明书、锅炉CAD设计图及受热面规格参数表确定;[0079] 2)相变段工质与管壁金属间的传热系数ks,该参数会受温度的影响而变化,此处为了简化运算,将传热系数设为常数。该参数可通过锅炉热力计算书或稳态时机组DCS采集的工质及管壁金属温度数据确定;[0080] 3)水冷壁及过热器部分的参数a,同样假设水冷壁及过热器部分的传热系数为常数,根据换热器热导的定义,即换热量与对数平均温差的比值,可得参数a的表达式(也即ai、ash,i的表达式,假定各个换热单元取值相等):[0081][0082] 式中,Q为换热量;Tc,in和Tc,out分别为预热段或过热段进出口处工质的温度;Δ Τ为对数平均温差,其计算式为[0083][0084] 式中,Tw,in和Tw,out分别为预热段或过热段进出口处管壁金属的温度。工质和管壁金属温度数据可通过锅炉热力计算书或稳态时DCS采集数据获取,从而确定水冷壁和过热器部分参数a的值。[0085] 动态参数为阀门流量系数kv、单位长度烟气和管壁间的热流q1、q2和阻力系数f1、f2,在不同运行工况下具有不同参数值。动态参数可基于稳态运行时DCS采集得到的热力系统数据,通过求解稳态锅炉模型进行在线计算与更新,无需通过大量扰动试验或实际调频动态数据进行辨识,在扰动发生前即可确定对应机组运行工况的模型参数。锅炉预热段和过热段的稳态运行模型为:[0086][0087] 相变段的稳态模型为:[0088][0089] 锅炉稳态模型由锅炉动态模型忽略状态量随时间的变化而得出,参数的其他含义一致,此处不再赘述。[0090] 根据DCS采集数据,将水冷壁入口和末级过热器出口工质的温度和压力作为稳态换热器模型进口和出口工质的温度和压力值,将汽包压力作为饱和压力,将水冷壁入口工质的流量作为预热段工质的质量流量,将过热器出口蒸汽流量(主蒸汽流量)作为相变段产生蒸汽的质量流量及过热段工质的质量流量。[0091] 可以根据不同工况下的锅炉的稳态数据及锅炉稳态模型获取不同运行工况下的模型参数,不同运行工况下的模型参数确定后,也即确定了不同工况下的锅炉动态模型,从而可以对不同工况下的一次调频能力进行分析。[0092] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,通过获取不同运行工况下的与工况相关的模型参数,实现了不同工况下的预热段动态模型、相变段动态模型及过热段动态模型的确定,可以反映机组在不同工况下的功率响应差异,适用于分析火电机组全工况下的一次调频响应。[0093] 根据本发明实施例提供的一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,所述获取不同运行工况下的与工况相关的模型参数,包括:根据不同工况稳态下的DCS采集数据获取主蒸汽压力、主蒸汽流量及汽轮机高压调节阀开度,根据所述主蒸汽压力、所述主蒸汽流量及所述汽轮机高压调节阀开度得到各运行工况下所述阀门流量系数;设置所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数的迭代值;基于不同工况稳态下的所述预热段的入口工质温度、工质压力和入口工质流量,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型及所述过热段动态模型对应的稳态方程递推得到所述相变段工质的饱和压力以及所述过热段出口处工质的温度、压力和质量流量;将所述相变段工质的饱和压力以及所述过热段出口处工质的温度、压力和质量流量的计算值和DCS采集数据进行对比,在最大误差超过第四误差允许范围时,通过改变所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数的迭代值,重复执行所述相变段工质的饱和压力以及所述过热段出口处工质的温度、压力和质量流量的获取步骤直至满足收敛条件,得到各运行工况下所述预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、所述预热段的沿程阻力系数、所述过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及所述过热段的沿程阻力系数的数值。[0094] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,通过根据主蒸汽压力、主蒸汽流量及汽轮机高压调节阀开度得到各运行工况下阀门流量系数,以及通过设置并改变预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、预热段的沿程阻力系数、过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及过热段的沿程阻力系数,在相变段工质的饱和压力以及过热段出口处工质的温度、压力和质量流量的计算值与DCS采集数据收敛时求得预热段单位长度烟气和管壁间的换热量、预热段的沿程阻力系数、过热段单位长度烟气和管壁间的换热量及过热段的沿程阻力系数,实现了锅炉动态模型动态参数的准确获取。[0095] 图4是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法的流程示意图之二。如图4所示,汽包锅炉动态模型求解步骤及流程包括:[0096] ①根据稳态模型运行结果获取各换热单元内入口工质温度、管壁金属温度、工质压力、密度与质量流量在扰动初始时刻的数据;[0097] ②读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;[0098] ③根据上一仿真时间步长的运行结果,设定当前仿真时间步长预热段的换热单元段数及各换热单元入口工质温度的迭代值;[0099] ④根据式(1)求解得到经过仿真时间步长后预热段各换热单元的热力状态量的计算值:1)基于式(1)中的质量守恒方程和动量守恒方程(后两个公式),并利用热力参数表或CoolProp等数据库,求得各换热单元工质的密度、压力、定压比热容和质量流量;2)根据换热过程方程(式(1)前两个公式)求得预热段各换热单元入口工质的温度和管壁金属温度;3)将各换热单元入口工质温度的计算值与设定的迭代值进行比较,若最大误差大于误差允许范围,则更新入口工质温度迭代值,重复步骤④,直至结果收敛(最大误差小于误差允许范围);[0100] ⑤设定饱和压力迭代值,根据式(3)求解经仿真时间步长后相变段相应的热力状态量值;[0101] ⑥根据式(4)所示边界条件及过热段流动和换热过程方程(过热段动态模型的方程),按照步骤④求解思路,计算过热段各换热单元的热力状态量值;[0102] ⑦根据动量守恒方程(式(4)中第四个式子),由过热段第一个换热单元工质的压力计算出对应的相变段饱和压力;[0103] ⑧将饱和压力计算值与设定的迭代值进行对比,若误差大于允许范围,则更新饱和压力迭代值,重复步骤⑤至⑦直至结果收敛;[0104] ⑨根据对应饱和压力下的饱和温度值,进行预热段换热单元段数的修正,若预热段对应段数增加,即相变段长度减小,则根据式(1)将对应的换热单元参数值由原本的相变段热力参数值修正为预热段热力参数值;若预热段段数减小,即相变段长度增加,则根据式(3)将对应的换热单元参数值由原本的预热段热力参数值修正为相变段热力参数值。若预热段换热单元段数(即相变段边界位置)发生变化,则重复步骤⑤至⑧,若未发生修正,则运行步骤⑩。[0105] ⑩将计算数据作为下一仿真时间步长内热力状态量的初始值,重复步骤②至⑨直至仿真时间结束(累计仿真时间t大于或等于一次调频时间tm),输出锅炉关键热力参数的计算结果并分析热力参数在一次调频过程中的动态特性。[0106] 本发明实施例提供了一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,下面以汽包锅炉为例,说明锅炉动态建模的步骤,该步骤包括:[0107] (1)根据待建模汽包锅炉具体结构,建立适用于一次调频分析的汽包锅炉动态模型,汽包锅炉水冷壁和汽包部分,用预热段(式(1))和相变段(式(3))动态模型描述汽水工质和管壁金属的换热过程以及汽水工质的流动和相变过程;汽包锅炉过热器部分,用过热段动态模型(式(2))描述过热蒸汽的流动及换热过程。整体模型需满足的边界条件和约束条件如式(4)所示。通过平衡模型计算精度及运算速度,分别确定预热段和相变段的分段数n和N。[0108] (2)基于锅炉设计手册及稳态时机组DCS监测数据,在线实时确定模型结构参数及动态参数。[0109] 通过查阅待建模汽包锅炉的结构说明书、锅炉CAD设计图及受热面规格参数表,得到水冷壁和过热器部分管道长度、横截面积和管壁金属热容l1、l2、A1、A2、Cw1和Cw2。将水冷壁和各级过热器部分的所有通流管等效为一根受热管,即认为工质质量流量为各并联通流管质量流量之和,管道横截面积为各并联通流管道横截面积之和(过热器部分取各级横截面积的平均值),水冷壁和过热器部分横截面积不同,但认为各部分中管道横截面积处处相等。[0110] 通过锅炉热力计算书或DCS采集的工质及管壁金属温度数据,得到相变段工质与管壁金属间的传热系数ks,再根据式(5)和式(6),确定水冷壁和过热器部分参数a的值。[0111] 根据DCS采集数据确定稳态模型进出口热力参数,稳态模型进口参数为水冷壁入口的热力参数,稳态模型出口参数为过热器出口的热力参数,稳态模型如式(7)和(8)所示。对于绝大多数汽包锅炉,下降管和水冷壁段不存在测点,难以获取对应的温度、压力和质量流量,因此需要根据省煤器出口进入汽包的给水温度、压力和质量流量,计算稳态时水冷壁入口的工质参数。对于q1、q2和f1、f2的计算,通过设定初值,由进口处工质的温度、压力和流量,根据上述稳态方程递推得到相变段工质的饱和压力及出口处工质的温度、压力和流量,将四个参数的计算值和DCS采集数据进行对比,反复迭代直至满足收敛条件,即可得到对应运行工况下参数q1、q2和f1、f2的数值。阀门流量系数kv可根据DCS采集的主蒸汽压力、主蒸汽流量及总阀门开度计算得到。[0112] (3)输入预想扰动下一次调频期间汽轮机高压调节阀的开度信号,求解汽包锅炉动态模型,得到锅炉热力参数(如锅炉关键热力参数主蒸汽流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度等)的动态特性,可用于在线分析一次调频期间汽轮机的实际出力情况。具体求解过程为:根据已确定的结构参数和动态参数及由DCS采集数据得到的稳态模型进口参数,通过求解稳态模型,可计算出稳态时每个换热单元的热力状态量数值,该数据将作为汽包锅炉动态模型在扰动发生时刻的初始数据。输入汽轮机高压调节阀开度,根据图4所示步骤,求解汽包锅炉动态模型,输出一次调频期间锅炉关键热力参数的动态特性。[0113] 本发明实施例提供一种一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,该方法包括:构建汽包锅炉分布式参数动态模型,模型输入为汽轮机高压调节阀开度,输出为锅炉热力参数(如锅炉关键热力参数主蒸汽流量、主蒸汽压力等)计算值,模型分预热段、相变段和过热段进行工质换热、流动及相变过程的建模;基于热力系统实际工况,给出关键模型参数的在线确定方法,所需数据可通过锅炉设计手册及稳态时机组分布式控制系统(DistributedControlSystem,DCS)的监测数据获取;给出汽包锅炉动态模型的具体求解流程及步骤。本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,能够较为准确地描述一次调频过程中汽包锅炉关键热力参数的动态响应特性,将本发明实施例应用于一次调频仿真模型中,在电液伺服系统和汽轮机模型间加入该锅炉动态模型,有助于电网在线掌握亚临界火电机组真实的一次调频能力,从而进行准确的频率安全分析。[0114] 需要说明的是,本实施例所给出的多个优选实施方式,在逻辑或结构相互不冲突的前提下,可以自由组合,本发明对此不做限定。[0115] 下面对本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解装置进行描述,下文描述的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解装置与上文描述的的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法可相互对应参照。[0116] 图5是本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解装置的结构示意图。如图5所示,该装置包括初始化模块10、读取模块20、迭代求解模块30及结果获取模块40,其中:初始化模块10用于:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;读取模块20用于:读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;循环迭代求解模块30用于:响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;结果获取模块40用于:响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。[0117] 本发明实施例提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解装置,通过将锅炉动态模型划分为预热段动态模型、相变段动态模型及过热段动态模型,在每个仿真时间步长内,设定预热段的换热单元段数及预设参数的迭代值,根据预热段动态模型、相变段动态模型和过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及预设参数的计算值,将计算值和迭代值比较后对迭代值进行修正并继续迭代,直至满足收敛条件后,得到预热段、相变段和过热段各换热单元的热力状态量的计算值,将各个换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的热力状态量初始值,进行下一仿真时间步长的计算,最终在当仿真时间大于或等于一次调频时间后,仿真结束,得到锅炉热力参数的计算结果,能够较为准确地描述一次调频过程中亚临界工作状态下锅炉关键热力参数的动态响应特性,在电液伺服系统和汽轮机模型间加入该锅炉动态模型,有助于电网在线掌握亚临界火电机组真实的一次调频能力,从而进行准确的频率安全分析。[0118] 图6是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图,如图6所示,该电子设备可以包括:处理器(processor)610、通信接口(CommunicationsInterface)620、存储器(memory)630和通信总线640,其中,处理器610,通信接口620,存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令,以执行一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,该方法包括:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。[0119] 此外,上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read‑OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。[0120] 另一方面,本发明实施例还提供一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括计算机程序,计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上,所述计算机程序被处理器执行时,计算机能够执行上述各方法所提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,该方法包括:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。[0121] 又一方面,本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的一次调频过程中锅炉热力参数动态特性的求解方法,该方法包括:根据锅炉稳态模型,计算锅炉动态模型中各换热单元的热力状态量初始值;其中,所述锅炉动态模型包括按照工质流动顺序划分的预热段的预热段动态模型、相变段的相变段动态模型及过热段的过热段动态模型,且采用空间分段法进行建模,所述预热段和所述相变段均匀分为第一数量的换热单元,所述过热段均匀分为第二数量的换热单元;读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值;响应于累计仿真时间小于一次调频时间,则执行如下操作:设定当前仿真时间步长所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段及所述过热段的预设参数的迭代值,根据所述预热段动态模型、所述相变段动态模型和所述过热段动态模型求解各个换热单元的热力状态量的计算值及所述预设参数的计算值,将所述预设参数的所述计算值和所述迭代值比较后进行修正迭代,迭代收敛后得到所述预热段的换热单元段数及所述预热段、所述相变段和所述过热段的热力状态量的计算值;将各个所述换热单元的热力状态量的计算值作为下一仿真时间步长的所述热力状态量初始值,将所述累计仿真时间增加一个仿真时间步长后,转到所述读取当前仿真时间步长汽轮机高压调节阀开度输入值的步骤;其中,所述仿真时间步长为工质流经所述换热单元的时延;响应于所述累计仿真时间大于或等于一次调频时间,根据各个仿真时间步长的所述热力状态量的计算值得到锅炉热力参数的动态特性。[0122] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。[0123] 通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。[0124] 最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区:北京

专利申请日期:2022-08-11

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN115296335B

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