基于過程系統(tǒng)工程理論的電站汽輪機熱力系統(tǒng)模型研究

基于過程系統(tǒng)工程理論的電站汽輪機熱力系統(tǒng)模型研究

1建立統(tǒng)一的模型作為一項以系統(tǒng)工程、運行程序、數(shù)值計算方法、過程控制、土木工程等為基礎的新興邊緣學科，已在優(yōu)化和優(yōu)化化工過程的性能方面得到廣泛應用，并取得了巨大的社會和經(jīng)濟效益。過程系統(tǒng)工程實質上是以一組抽象的數(shù)學方程式來建立各個工業(yè)過程單元的模型,根據(jù)實際過程中質量、能量和動量的傳遞方向將這些單元模型互相連接,形成實際過程系統(tǒng)抽象的模型網(wǎng)絡,并以系統(tǒng)工程的方法對之進行研究,獲取實際過程性能的模擬、分析、優(yōu)化結果。熱力發(fā)電廠,作為一個能量轉換系統(tǒng),其實質也是一個由大量子單元或設備組成的過程系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電站性能模擬、分析、優(yōu)化往往是針對具體問題進行具體分析,缺乏一定的系統(tǒng)性和全面性。若以系統(tǒng)工程理論為基礎,建立整個電站包括鍋爐系統(tǒng)、汽輪機熱力系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)等的系統(tǒng)模型,從系統(tǒng)工程的角度出發(fā),對電站性能模擬、偏差分析、診斷優(yōu)化等問題進行研究,則是一個有益的嘗試。本文采用系統(tǒng)工程中應用得最為成熟的序貫模塊法,建立了電站熱力系統(tǒng)的性能模型,采用回路斷裂和迭代收斂理論,對熱力系統(tǒng)性能模擬進行了數(shù)值求解,從系統(tǒng)工程角度完成了熱力系統(tǒng)的性能模擬。2面向過程的模擬單元模塊序貫模塊主要用于過程的性能參數(shù)模擬,其基本組成部分是單元模塊,通過模塊之間的流股連接建立系統(tǒng)模型,所以與實際過程系統(tǒng)連接關系很接近,見圖2。單元模塊由一組數(shù)學模型組成,用于描述過程中某一設備或子系統(tǒng),建立完善的通用單元模塊庫,對于生成和維護面向過程和設備的通用性能模擬集成系統(tǒng)有一定的實際意義。圖1表示了一個通用單元模塊的結構,其中參數(shù)表示過程單元的性能參數(shù),如換熱器的傳熱系數(shù)、臟污系數(shù),汽輪機級組的相對內(nèi)效率等等,參數(shù)可以通過用戶設定,也可以通過對過程實際設備的運行監(jiān)測系統(tǒng)在線獲取。2.1電氣系統(tǒng)單元模塊的構建為采用序貫模塊法進行電站熱力系統(tǒng)性能模擬,首先必須建立熱力系統(tǒng)中過程單元模塊。2.1.1u3000各指標模型對亞臨界級組:G=KGiP21?P22???????√/T1??√(1)G=ΚGiΡ12-Ρ22/Τ1(1)ΔHt=HH(p1,h1,p2)(2)h2=h1-ηi×ΔHt(3)W=ηmg×ηi×ΔHt×G(4)對臨界級組:G=KGip1/T1??√(5)G=ΚGip1/Τ1(5)ΔHt=HH(p1,h1,p2)(6)h2=h1-ηi×ΔHt(7)W=ηmg×ηi×ΔHt×G(8)上式中下標1、2分別表示入口參數(shù)和出口參數(shù),KGi、ηmg、ηi為模塊性能參數(shù),分別表示流量系數(shù)、級組的機電效率、級組相對內(nèi)效率,G為汽體質量流量,HH()為求等熵膨脹焓降函數(shù),模塊中水和水蒸氣熱物性方程,如根據(jù)水蒸氣壓力與焓求取其它狀態(tài)變量的方程未一一列出,但實際應用中一個模塊包含所有的方程。2.1.2確定熱量平衡可以將除氧器等混合式加熱器看作汽水工質混合模塊,其單元模型主要根據(jù)出入口工質質量平衡、動量平衡和熱量平衡確定。m2=Σm1i(9)m2h2=Σm1i×h1i(10)h2=H(Pd)上式中m1i,H1i為各入口工質的質量流量和焓,m2,H2為出口工質的質量流量和焓,Pd為混合器內(nèi)的壓力,H()為已知壓力求飽和水焓函數(shù)。2.1.3工程水處理模塊低壓疏水被凝結水泵打入主凝結水的入口等可以看作水工質混合模塊,其單元模型主要根據(jù)出入口工質質量平衡和熱量平衡確定。2.1.4入口工質分割工質分割模塊是指對工質進行分流,分流后各工質的狀態(tài)與入口工質的狀態(tài)相同,汽輪機的抽汽口就是一個典型的工質分割模塊。m1=Σm2i(11)多個汽輪機級組模塊和分割模塊可以構成一個具有多級回熱抽汽的汽輪機模型。2.1.5平衡控制方程的建立主要指回熱系統(tǒng)的面式加熱器和凝汽器。根據(jù)換熱器的上下端差或傳熱系數(shù)等模塊性能參數(shù)和放熱側、吸熱側工質進出口狀態(tài)建立熱量平衡、壓力平衡方程式,對模塊進行定義。2.1.6節(jié)能節(jié)水模塊熱力系統(tǒng)中一些具有流動壓降的管道以及調節(jié)閥門,穩(wěn)態(tài)時可以看作絕熱節(jié)流單元,工質出入口焓值不變,僅壓力變化。2.1.7工業(yè)質量壓縮模塊熱力系統(tǒng)中流體壓縮單元主要指水泵,其單元模塊根據(jù)水泵的特性曲線建立。2.2過程系統(tǒng)模型應用上述建立的過程單元模型,根據(jù)工質的流動方向,對某電站300WM機組原則性熱力系統(tǒng)建立了過程系統(tǒng)模型,如圖2所示。與常規(guī)的熱力系統(tǒng)圖相比,過程系統(tǒng)模型具有下列特點:2.2.1增加了絕熱節(jié)流單元和工質分割單元,從而保證了模型數(shù)學上的完整性和系統(tǒng)性。2.2.2過程系統(tǒng)圖中每個模塊實際代表的是描述過程單元穩(wěn)態(tài)特性的一組方程,對于軟件實現(xiàn)來說也就是一個子程序。3基于過程系統(tǒng)工程理論對大系統(tǒng)的分序貫模塊法的基本思想是從系統(tǒng)入口工質開始,經(jīng)過接受該工質的模塊計算得到出口工質狀態(tài)變量,該輸出變量就是下一相鄰的模塊入口參數(shù)。當系統(tǒng)模型呈無反饋的樹形結構時,則可以依照順序計算,當系統(tǒng)模型為具有反饋回路的復雜結構,則需要應用大系統(tǒng)分解原理,對系統(tǒng)模型進行分解,并對環(huán)形回路進行適當?shù)臄嗔押褪諗坑嬎?以獲取系統(tǒng)模擬結果?；芈窋嗔雅c收斂對模擬計算效率有很大的影響,過程系統(tǒng)工程理論對此有深入的研究。對圖2所示的系統(tǒng)模型,盡管其系統(tǒng)規(guī)模不大,尚不需要用到大系統(tǒng)分解原理對其進行分解,但由于其中單元模塊大多存在工質、熱量和動量之間的交換和反饋,系統(tǒng)的復雜程度卻超過一般的化工過程。從圖2中可以看出,熱力系統(tǒng)模型至少具有{1、2、42、43、34、35、36、29、30、31、32、33、1},{1、2、…、18、19、56、57、41、22、23、…、33、1}等8個回路,當功率為決策變量時,還存在外環(huán)大回路,需要對系統(tǒng)進行合理的斷裂與收斂計算。3.1ye-reas斷裂法以斷裂變量數(shù)最少作為最佳斷裂準則,對圖2建立回路矩陣,應用Upadhye-Greas斷裂法進行回路斷裂,結果為8級抽汽被斷裂,即斷裂了8個變量,在回路斷裂處添加迭代收斂單元,以保證系統(tǒng)模擬計算時的完整性。當功率為決策變量,即功率給定時,主汽流量為狀態(tài)變量,則外環(huán)路也需要斷裂。3.2主回路的計算當主汽流量和狀態(tài)為決策變量,即定流量計算時,需對8級抽汽量進行迭代收斂計算。(1)對斷裂變量初始化,將8級抽汽量初始化為額定工況設計值。(2)完成主回路{1、2、…、32、33}的計算,其中凝結水和給水通道只能計算出入模塊的工質焓值。(3)根據(jù)疏水通路{34、35、…、39、40}沿程模塊計算出各級抽汽量。(4)如果計算抽汽量收斂,則計算結束,可以獲取系統(tǒng)當前所有狀態(tài),繼而完成二次變量計算,否則根據(jù)迭代策略得到新的斷裂變量值,返回(2)。當功率為決策變量,即定功率計算時,主汽流量也被斷裂,需要根據(jù)功率約束條件進行主汽流量的迭代,對每一個主汽流量,都需要完成上述(1)～(4)計算。4系統(tǒng)模擬計算結果根據(jù)圖2建立的汽輪機熱力系統(tǒng)圖,對原機組三個設計工況進行模擬計算,其中主要運行參數(shù)即決策變量如表1所示,系統(tǒng)模擬結果如表2所示,從表中可以看出,系統(tǒng)模擬精度足以滿足電站熱力系統(tǒng)性能模擬、分析、診斷和優(yōu)化的要求。5基于過程系統(tǒng)工程理論的變電站過程系統(tǒng)工程理論作為一種工程學的方法論,其重點在于研究解決系統(tǒng)問題的辦法,而不在于探討對象的基本原理和定理,因此本文對熱力系統(tǒng)的性能模擬,其實質仍然是基于熱力學第一定律和第二定律的熱力計算,只是問題的分析和解決是以系統(tǒng)工程理論為基礎的。將化工行業(yè)中已普遍應用的過程系統(tǒng)工程理論應用到電站系統(tǒng),對于解決規(guī)模逐漸龐大,系統(tǒng)日益復雜的電站的性能模擬、分析、診斷、優(yōu)化具有重要的實際意義:(1)過程系統(tǒng)工程目前已具有成熟的系統(tǒng)建模、分解、計算、優(yōu)化和綜合的理論可供使用,盡管主要是針對化工過程的,但對于電站過程也具有普遍的適用性。(2)由