直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，包括如下步骤：(1)将冷端系统分为5个部分，分别为汽轮机低压缸、蒸汽分配管、空冷凝汽器、凝结水箱和轴流风机群；(2)分别对5个部分进行动态机理建模得到相应的模型，将5个部分按照工作流程依次相连得到冷端系统的动态机理模型，模型输入量为环境温度以及64台风机转速，模型输出量为汽轮机背压以及各列凝结水温度。本发明专利技术建立了直接空冷机组冷端系统尤其是蒸汽分配和凝结过程的详细动态数学模型，能够准确反映冷端系统的动态特性，同时给出了给定负荷下的最优经济背压和各列风机最优转速的优化方法和结果，为机组安全经济运行提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法
本专利技术涉及热力系统动态分析领域，尤其是一种直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法。
技术介绍
基于对我国的能源分布特点、区域地理地形特性及工业化产区分布的三点考虑，燃煤电厂势必在今后一段时间内仍将占据我国电力产业较大的份额；另一方面，我国总体水资源缺乏及水资源区域分布不均决定了节水技术在燃煤电厂建设中的重要性，特别是我国北方富煤地区同时又是缺水干旱地区，火电机组采用空冷技术代替湿冷技术是火力发电厂颇为有效的一项节水技术。直接空冷机组将汽轮机排出的蒸汽通过大直径蒸汽管道输送到空冷岛各蒸汽分配联箱后进入翅片管束，冷空气经过轴流风机作用掠过翅片管冷凝管内蒸汽。由于采用空气代替水作为冷却介质，直接空冷系统节水优势明显，但冷却空气温度随季节、昼夜时间变化明显，由此造成机组背压随环境温度大幅度频繁波动，夏季高温天气下背压升高，影响汽轮机出力，而冬季气温低凝汽器容易发生冰冻危险。直接空冷机组背压的控制是通过调节变频冷却风机转速实现，以吉林白城电厂660MW直接空冷机组为例，冷端系统配有64台变频轴流风机成8×8矩阵排列，单台风机额定轴功率约82.2kW，则风机群总功率占机组额定功率达0.8％，使得厂用电率也相应提高。因此了解掌握直接空冷机组冷端系统动态特性，建立具有一定准确度同时易于控制的低阶动态数学模型，优化冷端系统背压控制对于电厂的安全运行、节能降耗具有重要意义。空冷凝汽器作为直接空冷机组冷端的重要组成部分，受到环境风温、风向、风速、汽轮机排汽参数等众多因素影响。对此已有很多学者展开研究工作，分析讨论了排汽热负荷、排汽管道压损、迎面风速和环境温度对排汽压力的影响规律，分别以锅炉效率、管道效率、年运行小时数以及燃煤价格、节水效果等因素为优化目标得到空冷凝汽器的最优设计参数。然而这些研究工作都仅仅是建立了直接空冷机组冷端系统的静态数学模型，无法体现冷端系统的动态特性，更无法用于背压控制系统的设计与后续经济优化问题的研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，能够准确反映冷端系统的动态特性，同时给出了给定负荷下的最优经济背压和各列风机最优转速的优化方法和结果，为机组安全经济运行提供理论依据。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，包括如下步骤：(1)将冷端系统分为5个部分，分别为汽轮机低压缸、蒸汽分配管、空冷凝汽器、凝结水箱和轴流风机群；(2)分别对5个部分进行动态机理建模得到相应的模型，将5个部分按照工作流程依次相连得到冷端系统的动态机理模型，模型输入量为环境温度以及64台风机转速，模型输出量为汽轮机背压以及各列凝结水温度。优选的，冷轮机低压缸的动态机理建模包括如下步骤：(1)机组背压变化对汽轮机低压缸排汽的影响主要体现在排汽流量变化和排汽焓变化两方面；汽轮机排汽流量变工况计算如下：对汽轮机回热系统各加热器列出能量守恒方程如下：加热器#1：Dt1(ht1-hd1)＝Dfw(hw1-hw2)(1)加热器#2：Dt1(hd1-hd2)+Dt2(ht2-hd2)＝Dfw(hw2-hw3)(2)加热器#3：Dt1(hd2-hd3)+Dt2(hd2-hd3)+Dt3(ht3-hd3)＝Dfw(hw3-hw4)(3)加热器#4：Dt1(hd3-hw4)+Dt2(hd3-hw4)+Dt3(hd3-hw4)+Dt4(ht4-hw4)＝Dwc(hw4-hw5)(4)加热器#5：Dt5(ht5-hd5)＝Dwc(hw5-hw6)(5)加热器#6：Dt5(hd5-hd6)+Dt6(ht6-hd6)＝Dwc(hw6-hw7)(6)加热器#7：Dt5(hd6-hd7)+Dt6(hd6-hd7)+Dt7(ht7-hd7)＝Dwc(hw7-hwc)(7)其中加热器#1，#2，#3，#5，#6，#7是表面式加热器，加热器#4是混合式加热器；Dti和hti分别是第i级抽气流量和抽气焓；Dfw是锅炉给水流量；Dwc是凝结水流量；hwi是第i级加热器出口凝结水焓；hwc是凝结水泵后凝结水焓；Ddi是第i级加热器疏水流量；hdi是第i级加热器疏水焓；定义如下变量：抽汽放热量qi:表面式加热器:qi＝hti-hdi；混合式加热器:qi＝hti-hwi给水焓升τi:表面式加热器:τi＝hwi-hwi+1疏水放热量γi:表面式加热器:γi＝hdi-1-hdi；混合式加热器:γi＝hdi-1-hwi则上述各加热器的热平衡方程可整理成矩阵形式，可得：A·Dt＝Dτ·τ(8)其中，则汽轮机各级抽汽流量可表示为：Dt＝A-1·Dτ·τ(9)因此，汽轮机低压缸排汽流量可以表示为：Dc＝D0-∑Dti(10)其中D0和Dc分别是主蒸汽流量和汽轮机低压缸排汽流量；(2)汽轮机排汽焓变工况具体实现为：假设第i级抽汽为过热蒸汽，其压力、焓、熵分别是pti,hti,sti，则有第i+1级抽汽理想熵等于第i级抽汽熵值；结合第i+1级抽汽压力，第i+1级抽汽焓可以表示为其中ηi,i+1是第i级和i+1级之间的级间效率，通常由级间压比决定，由此可求得汽轮机的排汽焓；(3)将前两步求得的汽轮机排汽流量和排汽焓与背压变化曲线，拟合为如下关系式：其中a0,a1,a2,b0,b1,b2,b3是拟合系数，Pc和hc分别是汽轮机背压和排汽焓。优选的，蒸汽分配管动态机理建模具体包括如下步骤：(1)蒸汽分配管中有4个分歧点，分别为Pt1,Pt2,Pt3,Pt4，4个分歧点的质量守恒方程分别为其中Vti,ρti和Pti(i＝1,2,3,4)分别是每个分歧点的节点体积，密度和压力；Dti是流入每个分歧点的蒸汽流量；Dli是流入各列分配集箱的蒸汽流量；(2)根据流体压差正比于流速平方，每个分歧点对应的三个流量通道的压力-流量动态关系式可以表示为：其中Pin,i和Pout,i分别是各分歧点的入口压力和出口压力；Pli是各分配联箱的冷凝压力；kin,i和kout,分别是各分歧点输入、输出流道的集总阻力系数，kli是各分歧点和对应分配集箱之间流道的集总阻力系数；(3)蒸汽流经变径管的压损近似正比于蒸汽流速的平方，可表示为Pout,i-Pin,i+1＝kci·Dt,i+12(16)其中kci是各变径管的集总阻力系数；根据公式(14)-(16)，得到蒸汽分配管的动态模型。优选的，空冷凝汽器的动态机理建模具体为：蒸汽的质量、能量守恒以及管壁能量守恒的瞬态三维偏微分方程组如下：运用莱布茨尼法则将上述偏微分方程沿管长方向积分得到适合于数值计算的常微分方程如下：其中，ρTP,hTP分别是两相区蒸汽的集总密度和集总焓；mi和mo分别是翅片管进出口蒸汽流量；hi和ho分别是进出口蒸汽焓；Di和Do分别是翅片管等效内径和外径；；Ta，Tw和Tr分别是环境温度，管壁温度和蒸汽温度；L是翅片管长度；αi是根据经验公式计算得到的两相区蒸汽凝结换热系数；αo是管外空气对流换热系数，与翅片管迎面风速的函数关系式可表示为：αo＝f(vF)；为两相区平均空隙率；Cw是单位长度翅片管和翅片的总比热，可表示为：其中ρw和ρfin分别是翅片管壁密度和翅片密度；cp,w和cp,fin分别是翅片管壁和翅片的比热；δf本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将冷端系统分为5个部分，分别为汽轮机低压缸、蒸汽分配管、空冷凝汽器、凝结水箱和轴流风机群；(2)分别对5个部分进行动态机理建模得到相应的模型，将5个部分按照工作流程依次相连得到冷端系统的动态机理模型，模型输入量为环境温度以及64台风机转速，模型输出量为汽轮机背压以及各列凝结水温度。

【技术特征摘要】
1.一种直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将冷端系统分为5个部分，分别为汽轮机低压缸、蒸汽分配管、空冷凝汽器、凝结水箱和轴流风机群；(2)分别对5个部分进行动态机理建模得到相应的模型，将5个部分按照工作流程依次相连得到冷端系统的动态机理模型，模型输入量为环境温度以及64台风机转速，模型输出量为汽轮机背压以及各列凝结水温度。2.如权利要求1所述的直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，其特征在于，直接空冷发电机组冷端系统汽轮机低压缸的动态机理建模包括如下步骤：(1)机组背压变化对汽轮机低压缸排汽的影响主要体现在排汽流量变化和排汽焓变化两方面；汽轮机排汽流量变工况计算具体为：对汽轮机回热系统各加热器列出能量守恒方程如下：加热器#1：Dt1(ht1-hd1)＝Dfw(hw1-hw2)(1)加热器#2：Dt1(hd1-hd2)+Dt2(ht2-hd2)＝Dfw(hw2-hw3)(2)加热器#3：Dt1(hd2-hd3)+Dt2(hd2-hd3)+Dt3(ht3-hd3)＝Dfw(hw3-hw4)(3)加热器#4：Dt1(hd3-hw4)+Dt2(hd3-hw4)+Dt3(hd3-hw4)+Dt4(ht4-hw4)＝Dwc(hw4-hw5)(4)加热器#5：Dt5(ht5-hd5)＝Dwc(hw5-hw6)(5)加热器#6：Dt5(hd5-hd6)+Dt6(ht6-hd6)＝Dwc(hw6-hw7)(6)加热器#7：Dt5(hd6-hd7)+Dt6(hd6-hd7)+Dt7(ht7-hd7)＝Dwc(hw7-hwc)(7)其中加热器#1，#2，#3，#5，#6，#7是表面式加热器，加热器#4是混合式加热器；Dti和hti分别是第i级抽气流量和抽气焓；Dfw是锅炉给水流量；Dwc是凝结水流量；hwi是第i级加热器出口凝结水焓；hwc是凝结水泵后凝结水焓；Ddi是第i级加热器疏水流量；hdi是第i级加热器疏水焓；定义如下变量：抽汽放热量qi:表面式加热器:qi＝hti-hdi；混合式加热器:qi＝hti-hwi给水焓升τi:表面式加热器:τi＝hwi-hwi+1疏水放热量γi:表面式加热器:γi＝hdi-1-hdi；混合式加热器:γi＝hdi-1-hwi则上述各加热器的热平衡方程可整理成矩阵形式，可得：A·Dt＝Dτ·τ(8)其中，则汽轮机各级抽汽流量可表示为：Dt＝A-1·Dτ·τ(9)因此，汽轮机低压缸排汽流量可以表示为：Dc＝D0-∑Dti(10)其中D0和Dc分别是主蒸汽流量和汽轮机低压缸排汽流量；(2)汽轮机排汽焓变工况计算具体实现为：假设第i级抽汽为过热蒸汽，其压力、焓、熵分别是pti,hti,sti，则有第i+1级抽汽理想熵等于第i级抽汽熵值；结合第i+1级抽汽压力，第i+1级抽汽焓可以表示为其中ηi,i+1是第i级和i+1级之间的级间效率，通常由级间压比决定，由此可求得汽轮机的排汽焓；(3)将前两步求得的汽轮机排汽流量和排汽焓与背压变化曲线，拟合为如下关系式：其中a0,a1,a2,b0,b1,b2,b3是拟合系数，Pc和hc分别是汽轮机背压和排汽焓。3.如权利要求1所述的直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，其特征在于，蒸汽分配管动态机理建模具体包括如下步骤：(1)蒸汽分配管中有4个分歧点，分别为Pt1,Pt2,Pt3,Pt4，4个分歧点的质量守恒方程分别为其中Vti,ρti和Pti(i＝1,2,3,4)分别是每个分歧点的节点体积，密度和压力；Dti是流入每个分歧点的蒸汽流量；Dli是流入各列分配集箱的蒸汽流量；(2)根据流体压差正比于流速平方，每个分歧点对应的三个流量通道的压力-流量动态关系式可以表示为：其中Pin,i和Pout,i分别是各分歧点的入口压力和出口压力；Pli是各分配联箱的冷凝压力；kin,i和kout,分别是各分歧点输入、输出流道的集总阻力系数，kli是各分歧点和对应分配集箱之间流道的集总阻力系数；(3)蒸汽流经变径管的压损近似正比于蒸汽流速的平方，可表示为Pout,i-Pin,i+1＝kci·Dt,i+12(16)其中kci是各变径管的集总阻力系数；根据公式(14)-(16)，得到蒸汽分配管的动态模型。4.如权利要求1所述的直接空冷发电机组冷端系统建模与优化方法，其特征在于，空冷凝汽器的动态机理建模具体为：蒸汽的质量、能量守恒以及管壁能量守恒的瞬态三维偏微分方程组如下：运用莱布茨尼法则将上述偏微分方程沿管长方向积分得到适合于数值计算的常微分方程如下：其中，ρTP,hTP分别是两相区蒸汽的集总密度和集总焓；是两相区平均空隙率；mi和mo分别是翅片管进出口蒸汽流量；hi和ho分别是进出口蒸汽焓；Di和Do分别是翅片管等效内径和等效外径；Ta，Tw和Tr分别是环境温度，管壁温度和蒸汽温度；A是翅片管内...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怡，沈炯，李益国，吴啸，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32