火电机组热工过程建模与仿真

《火电机组热工过程建模与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火电机组热工过程建模与仿真（59页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第6章 火电机组热工过程建模与仿真v61火电机组热工过程数学模型概述v 现代科学技术发展的一个重要特征是日益精确化、定量化、数字化。数学模型正是从定量的角度去分析、解决所遇到的实际问题的一种行之有效的方法，从而越来越多地受到了人们的重视。v 火电站是由一系列系统复杂、体积庞大、价格昂贵的能量转换设备构成的。对这些设备的研究一般都要借助于数学模型。根据研究任务的不同，有时需要建立局部模型，有时则需要建立整体模型两种模型。v 数学模型是由描述具体过程的一系列数学方程(包括代数方程、微分方程)组成的联立方程组。数学模型比较抽象，但它可以比较全面地反映一个复杂系统的性质。数学模型又可分为静态模型与动态

2、模型两种模型。v 静态模型用来描述系统在稳定状态或平衡状态下各种输入变量与输出变量之间的关系。当机组运行在稳定状态时，输入的物质及能量保持不变，机组各系统的参数也将保持稳定，这些稳定工况下各参数之间的关系便可用静态模型描述。静态模型主要用于机组的设计计算及校核计算，一般要求具有较高的精度。v 动态模型用来描述系统在过渡过程中各种变量随时间变化的关系。当系统从一个稳定状态变化到另一稳定状态时，哪些参数会发生变化，其变化的速度及历程如何，这些都属于动态模型要研究的问题。例如，当燃料量变化时，机组原来的平衡状态就会受到破坏，电功率等参数都将发生变化，经过一段时间运行，机组又将达到新的平衡状态。这个动

3、态过程中电功率的变化规律需要用动态模型描述。v 动态模型与静态模型是相互联系的，从理论上讲，动态模型实际上包含了静态模型。对于存在稳定状态的系统来说，当时间t时，它必然处于一平衡状态，此时的平衡状态仍满足动态模型方程。也就是说，若假定动态模型中的动态项(对时间的导数项)为零，则动态模型也就转化为静态模型，可见静态模型是动态模型的极限和基础。为了使动态模型及其计算不至于过分复杂，在建模时往往进行必要的简化，以满足模型应用的要求。v 一个理想的动态模型应满足精确性和实用性两方面的要求。v 精确性指模型应能在允许的误差范围内，反映出系统的全部重要特性，从这个角度来讲，考虑的影响因素越多，模型越好；实

4、用性指所建立的模型应易于数学处理，并解决实际问题，从这方面讲，模型越简单越好。通常所建立的模型往往是这两种要求的折中处理。v 建立火电机组动态模型的方法主要有两种：机理法和测试法。v 根据基本的物理定律从系统内部工作过程的机理出发，建立系统数学模型的方法称为机理法，所得到的模型通常称为理论解析模型。它具有较严密的理论依据，在任何状态下使用都不会引起定性的错误。建模时，首先对系统进行分析和类比，再做出一些合理假设，以简化系统并为建模提供一定的理论依据，然后再根据基本的物理定律(如质量守衡、能量守衡、动量守衡等)建立相应的数学模型。当对一个系统的工作机理有了清楚全面的认识，而且过程能用成熟的理论进

5、行描述时，便可采用机理法建模。 v 由于实际过程的影响因素非常复杂，难以用精确的模型进行描述，因此对已经投运的系统进行研究时，常常采用试验方法建立数学模型。在机组某一稳定工况下，根据试验要求，加入一定形式的扰动，再测量某个或某些状态变量的变化，其变化过程可用一条响应曲线表示。利用动态试验数据求得对象传递函数或其他形式的数学描述。这种依据试验数据建模的方法通常称为测试法，所得到的模型称为经验归纳模型。这种方法不涉及系统内部的工作机理，完全依据实测数据间定量关系，所以需要大量的试验数据。所建模型的精度主要取决于原始数据的测量误差、广泛程度和数据处理的方法及手段。一般来讲，经过反复的试验才能得到较为

6、精确的模型。由于现场试验需要较多的费用和时间，甚至要冒较大的风险，所以这种方法一般只用于局部对象的精确建模。 v 对于比较复杂的系统，理论解析模型的精度一般都不够高，而经验归纳模型又只局限于对象的局部特性。为了提高模型的精度，同时又使模型具有较大的适用范围，常采用机理法和测试法相结合的建模方法。这种模型的总体结构仍具有明确的物理意义，习惯上仍称为理论解析模型。v 具体建模时，首先要考虑的是模型的用途，不同层次的模型有不同的用途，层次的选择取决于具体的研究目的。在分级结构中，每一层模型都由层次更低的模型组成，层次的位置越低，对象的描述就越详细。随着人们对于复杂热力系统及设备中所发生的物理、化学过

7、程的不断深入了解，模型变得越来越复杂，这有助于使模型的描述更接近实际。然而，采用数学方程对过程进行描述总是有局限性的，建模时总要对实际系统进行一定的假设。在某种意义上讲，模型的复杂程度是一个无底洞，重要的是建立的模型能够满足工程实际的要求。v62 火电机组热工过程建模的基本假设及依据v 火电机组热工系统复杂、热工设备很多。在建模时，通常根据工作原理将整个系统划分为若干个不同类型的设备，分别建立各种类型设备的通用数学模型。对于同一类型的设备进行动态特性研究时只要在通用模型中设置不同的物理参数即可。v 建立热力系统仿真模型时，通常作如下假定：v (1)采用集总参数法，忽略系统参数沿空间的分布情况，

8、只考虑时间导数项，即采用零维模型。对于精度要求较高的系统，可采用分段集总参数法。v (2)假定烟气、空气为理想气体，满足理想气体状态定律。v (3)各系统满足基本的物理及热力学定律，如质量守衡、能量守衡、动量守衡，以及传热方程、热力学状态参数方程等。v 由于火电厂热力设备繁多、系统复杂，建模时应根据用途的不同，对系统进行必要的简化和分类，并做出合理假定。不同的处理方法将得到不同复杂程度的动态模型描述。 v63 火电机组热工过程建模与仿真v631 水箱系统水位模型v 质量守衡的主要应用之一便是用来建立水箱系统的水位模型。如图61所示，水箱的输入为进水管调节阀开度u1，输出为水箱水位L。v 建模时

9、假定：v (1)进水管上游压力为定值，流量W1只和阀门开度u1有关，且为线性关系，即W1=K1*u1；v (2)忽略流体密度变化，假定水箱等截面，面积为F；v (3)水箱与大气相通，出口流动为自然流动，流量W2只与水箱液位L有关。v 根据质量守衡方程可得v 21)(WWVdtdv 在上述仿真模型的推导过程中，采用的都是欧拉公式，推导过程较为简单，但使用时要注意到这些模型对时间步距都有较为严格的要求。当步距DT选取过大时，可能造成数值计算的不稳定，仿真结果发散。v 为了提高数值计算的稳定性，降低对时间步距的要求，常采用隐式欧拉公式。隐式欧拉公式是一种向后的差分方法，由于计算 要用到 的值，而 是

10、待求值，因此是一种隐式方法。机理模型一般都是由多个微分方程组成，采用完全的隐式欧拉公式存在一定困难。工程上，一般都是对各微分方程单独处理，分别对各状态变量采用隐式欧拉公式。这样处理虽然己不能保证任意时间步距下算法收敛，但与显式欧拉公式相比，数值计算的稳定性得到了显著提高。对于非线性微分方程，采用隐式欧拉公式时，还需要把非线性部分线性化才能得到仿真模型。v 对于上述单容水箱仿真实例，采用隐式欧拉公式的仿真模型推导如下： ) 1() 1()() 1(211kLKkuKDTkLkLF1nx1nx1nx v632 流体网络压力节点模型v 火电机组生产过程是一个连续过程，各个设备的参数是相互联系的，整个

11、机组的热力系统构成了一个较为复杂的流体网络。v 所谓压力节点是指网络中的一个具有流入或流出分支的网络节点。所建模型主要用于求解各节点压力之间的关系，故称为压力节点模型，如图65所示。图中给出了流体网络中一个典型的节点，整个流体网络是由若干个压力节点相互联系而形成的。v 当某一路流量较小时，往往只计算该路的流量，而不计算相应的节点压力。如图66中的流量W4所示，一般这种流量相对较小的支路称为微小流量支路。在建模时无法采用前面利用压差计算流量的公式，而是直接引用该路流量。也就是说无法采用隐式欧拉公式的方法处理该支路，只能采用显式欧拉公式处理方法。 v633 绝热蒸汽管道模型v 前面水箱水位、流体网