超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识方法

摘要

本发明提供了一种超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识方法，该方法具体步骤包括：1：根据锅炉运行设计规程，建立水冷壁的结构参数数据库，并从厂级监控信息系统的实时数据库中读取相关实时数据；2：根据工质物性参数库，结合现场厂级监控信息系统服务器信息，实时计算给定时刻水冷壁内工质的物性参数；3：由水冷壁内工质质量、能量和动量动态衡算模型求得水冷壁各个分段向工质的传热速率，加和后获得水冷壁向工质的总传热速率。水冷壁传热速率是燃烧状况和炉膛内结焦程度的重要表征，可用于燃烧状态监控、低氮燃烧和智能吹灰控制，还可用于入炉煤热值的在线辨识和锅炉效率等的在线估计。

主权项

一种超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据锅炉运行设计规程，建立水冷壁的结构参数数据库，所述参数数据库包含：水冷壁换热管道沿工质流动方向的总长度L，换热管数量n，换热管内径d；从厂级监控信息系统的实时数据库读取当前时刻k的水冷壁给水压力p₀、给水温度T₀、给水质量流量D₀，水冷壁出口集箱处过热蒸汽压力p₃、过热蒸汽温度t₃、过热蒸汽质量流量D₃；步骤2：根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，结合现场厂级监控信息系统实时提供的工质状态即温度、压力，实时计算该给定时刻下水冷壁给水密度ρ₀和比焓h₀，以及水冷壁出口集箱处过热蒸汽密度ρ₃和比焓h₃；步骤3：由水冷壁内水相段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到水相段向工质的传热速率Q_W,由水冷壁内蒸发段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到蒸发段向工质的传热速率Q_E,由水冷壁内过热段工质质量、能量、动量动态衡算模型计算得到过热段向工质的传热速率Q_S，然后加和得到整个水冷壁向工质的总传热速率Q_T，实现超超临界火电机组水冷壁向工质传热速率的实时辨识；所述水相段工质质量动态衡算模型具体为：$A(L_W\frac{{\mathrm{d\rho }}_W}{dt}+{\rho }_W\frac{{\mathrm{dL}}_W}{dt})=D_0-(D_1-{\mathrm{A\rho }}_1\frac{{\mathrm{dL}}_W}{dt})---\left(1\right)$其中ρ_W为水相段工质平均密度，ρ_W由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质密度的算术平均值替代；A为水冷壁管流通截面积，由水冷壁换热管数量n和管内径d计算获得；L_W为水相段长度；D₀为通过水冷壁入口界面的工质质量流量，即给水质量流量；D₁为通过水相段与蒸发段界面的工质质量流量；ρ₁为水相段与蒸发段界面处工质密度，水相段与蒸发段界面处工质为饱和水，故ρ₁就是对应压力下的饱和水密度；随着机组负荷变化，水相段与蒸发段界面的位置是时变的，故水相段的长度和工质容积也是时变的，式(1)中Aρ₁(dL_W/dt)即为水相段长度变化引起的水相段工质质量的附加变化率；所述水相段工质能量动态衡算模型具体形式是：$A(L_W{h}_W\frac{{\mathrm{d\rho }}_W}{dt}+{\rho }_W{h}_W\frac{{\mathrm{dL}}_W}{dt}+{\rho }_W{L}_W\frac{{\mathrm{dh}}_W}{dt})=D_0{h}_0-(D_1-{\mathrm{A\rho }}_1\frac{{\mathrm{dL}}_W}{dt})h_1+Q_W---\left(2\right)$其中h_W为水相段工质平均比焓，h_W由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质比焓的算术平均值替代；h₀为水相段入口界面处工质比焓；h₁为水相段与蒸发段界面处工质比焓，水相段与蒸发段界面处工质为饱和水，故h₁就是对应压力下的饱和水比焓；Q_W为水冷壁对水相段工质的传热速率；其余变量含义同式(1)；所述水相段工质动量动态衡算模型具体形式是：$p_0-p_1=\frac{{ϵ}_W{D_W}^2{L}_W}{{\rho }_W}---\left(3\right)$其中ε_W为定值，与水冷壁管道几何结构相关，由国标GB/T2624‑93获得；D_W为水相段工质平均质量流量，D_W由水相段两端即水冷壁入口界面和水相段与蒸发段界面处的工质质量流量D₀和D₁的算术平均值替代；p₀为水冷壁入口界面处工质压力；p₁为水相段与蒸发段界面处工质压力；其余变量含义同式(1)；与水相段类似，所述蒸发段工质的质量、能量、动量动态衡算模型，即公式(4)～(6)：蒸发段相应变量的下标是E：$A(L_E\frac{{\mathrm{d\rho }}_E}{dt}+{\rho }_E\frac{{\mathrm{dL}}_E}{dt})=(D_1-{\mathrm{A\rho }}_1\frac{{\mathrm{dL}}_W}{dt})-[D_2-{\mathrm{A\rho }}_2\frac{d(L_E+L_W)}{dt}]---\left(4\right)$$A(L_E{h}_E\frac{{\mathrm{d\rho }}_E}{dt}+{\rho }_E{h}_E\frac{{\mathrm{dL}}_E}{dt}+{\rho }_E{L}_E\frac{{\mathrm{dh}}_E}{dt})=(D_1-{\mathrm{A\rho }}_1\frac{{\mathrm{dL}}_W}{dt})h_1-[D_2-{\mathrm{A\rho }}_2\frac{d(L_E+L_W)}{dt}]h_2+Q_E---\left(5\right)$$p_1-p_2=\frac{{ϵ}_E{D_E}^2{L}_E}{{\rho }_E}---\left(6\right)$所述过热段工质的质量、能量、动量动态衡算模型，即公式(7)～(9)：过热段相应变量的下标是S：$A(L_S\frac{{\mathrm{d\rho }}_S}{dt}+{\rho }_S\frac{{\mathrm{dL}}_S}{dt})=(D_2-{\mathrm{A\rho }}_2\frac{{\mathrm{dL}}_S}{dt})-D_3---\left(7\right)$$A(L_E{h}_E\frac{{\mathrm{d\rho }}_E}{dt}+{\rho }_E{h}_E\frac{{\mathrm{dL}}_E}{dt}+{\rho }_E{L}_E\frac{{\mathrm{dh}}_E}{dt})=(D_2-{\mathrm{A\rho }}_2\frac{{\mathrm{dL}}_S}{dt})h_2-D_3{h}_3+Q_S---\left(8\right)$$p_2-p_3=\frac{{ϵ}_S{D_S}^2{L}_S}{{\rho }_S}---\left(9\right)$式(1)至(9)是线性互不相关的9维方程组，其中水冷壁总长固定为L，故L_W、L_E、L_S中只需求解其中两个即可；水冷壁入口界面即水冷壁给水处的工质状态变量由物理测点实时获得；水冷壁出口界面即水冷壁出口集箱处工质压力和温度由物理测点实时获得，工质质量流量视为与主蒸汽质量流量相等；由于水相段与蒸发段界面和蒸发段与过热段界面处的工质分别是饱和水和饱和蒸汽，故这两处的工质温度也是压力的函数，通过压力值计算获得；所有分界面处工质物性参数均根据国际水和水蒸气热力性质工业公式1997(IF97)，通过对应分界面处的工质温度、压力加以计算；所有分段内工质物性参数均以两端分界面处物性参数的算术平均值替代；至此，式(1)至(9)构成的方程组中，待求解变量分别为：L_W、L_E、p₁、p₂、D₁、D₂、Q_W、Q_E、Q_S；待求解变量数量与方程组维数相同，故解算方程组即获得各段水冷壁向工质的传热速率：Q_W、Q_E、Q_S，水冷壁向工质的总传热速率Q_T＝Q_W+Q_E+Q_S；当水冷壁内工质压力超过22Mpa时，将不存在蒸发段，方程组中，式(4)至(6)被剔除；待求解变量中L_E、Q_E被剔除；p₁和p₂合并为p_W/S，D₁和D₂合并为D_W/S；不过，由于工质处于超临界状态，水相段与过热段分界面即W段和S段处工质的温度不再是压力的函数，而是一个自变量，故待求解变量中需增加分界面处工质温度T_W/S，因此，待求解变量总数为6个：L_W、p_W/S、D_W/S、T_W/S、Q_W、Q_S；待求解变量数量仍与方程组维数相同，故解算方程组即获得各段水冷壁向工质的传热速率：Q_W、Q_S，则水冷壁向工质的总传热速率Q_T＝Q_W+Q_S。