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        基于系統(tǒng)動力學(xué)的電廠除氧器建模與仿真

        2011-05-31 01:21:56劉佳青劉瀟清
        山東電力技術(shù) 2011年1期
        關(guān)鍵詞:除氧器水流量存量

        劉佳青,劉瀟清

        (濰坊發(fā)電有限公司,山東 濰坊 261204)

        1 系統(tǒng)動力學(xué)與仿真對象簡介

        1.1 系統(tǒng)動力學(xué)簡介

        系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics,SD)于 1956 年由美國麻省理工學(xué)院JayW.Forrester教授始創(chuàng),到20世紀50年代后期,系統(tǒng)動力學(xué)逐步發(fā)展成為一門新的領(lǐng)域。到目前為止,系統(tǒng)動力學(xué)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的傳播,被用于各種產(chǎn)業(yè),上至航天飛行器,下到新工業(yè),以及從艾滋病到福利改革的各種問題。系統(tǒng)動力學(xué)引進我國的歷史近30年,在理論與應(yīng)用研究工作方面取得了引人注目的成果[6-9]。

        系統(tǒng)動力學(xué)是在信息反饋控制理論、決策理論、仿真技術(shù)和電子計算機應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一門邊緣學(xué)科,是一種復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真方法,也是一種結(jié)構(gòu)—功能的模擬。系統(tǒng)動力學(xué)首先通過因果關(guān)系的分析,建立系統(tǒng)變量之間的因果關(guān)系圖。然后對變量性質(zhì)進行分類,確定變量之間的定量關(guān)系,得到系統(tǒng)的存量—流量圖和結(jié)構(gòu)方程,這就是系統(tǒng)動力學(xué)的仿真模型。存量—流量圖采用專門符號表示系統(tǒng)變量之間的關(guān)系,結(jié)構(gòu)方程是對變量變化規(guī)律和變量之間相互關(guān)系的定量描述。

        系統(tǒng)動力學(xué)所分析研究的系統(tǒng)幾乎都是多變量的系統(tǒng)。對于多變量系統(tǒng)而言,只有用狀態(tài)變量的描述方法,才能完全地表達系統(tǒng)的動力學(xué)性質(zhì)。系統(tǒng)動力學(xué)正是在狀態(tài)變量描述的基礎(chǔ)上進一步揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律與反饋機制。系統(tǒng)動力學(xué)對系統(tǒng)的描述如下:

        式中:L為狀態(tài)變量向量;R為速率變量向量;A為輔助變量向量;為純速率變量向量;P為轉(zhuǎn)移矩陣;W為關(guān)系矩陣。

        轉(zhuǎn)移矩陣P的作用在于把時刻t的速率變量轉(zhuǎn)移到下一個時刻t+1上去。通常純速率L僅為各速率R的線性組合,因此一般P陣是個常值陣。關(guān)系矩陣W反映了變量R與L之間以及A本身在同一時刻上的各種非線性關(guān)系。在特殊情況下,若系統(tǒng)是線性的,則關(guān)系矩陣W陣為一常數(shù)。由上所述,可知系統(tǒng)動力學(xué)對系統(tǒng)的描述具有如下特點:1)將系統(tǒng)中的動態(tài)部分與靜態(tài)部分分別進行描述;2)將系統(tǒng)中線性部分與非線性部分分開進行描述。

        1.2 仿真對象簡介

        除氧器的原理性簡圖如圖1所示,主要包括除氧頭和給水箱。

        圖1 除氧器示意簡圖

        工作原理:通過具有一定壓力的蒸汽通入除氧器中加熱給水,使水升溫,在加熱過程中水面上蒸汽的分壓逐漸增加,而溶解于水中的氣體分壓逐漸降低,溶解于水中的氣體就不斷地分離析出。當(dāng)維持除氧器壓力在一定條件下,蒸汽加熱給水到沸騰溫度時,水面上已全部是蒸汽,此時溶解氣體的分壓接近于零,溶解于水中的氣體即可被除去。

        2 建立除氧器的系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

        2.1 因果回路分析

        加熱蒸汽和凝結(jié)水同時進入除氧器,進行換熱,凝結(jié)水吸收熱量升溫蒸發(fā),蒸汽放出熱量降溫凝結(jié),隨著凝結(jié)水蒸發(fā),使得除氧頭中蒸汽分壓升高,氣體分壓降低不斷從水中析出。

        圖2 除氧器因果回路簡圖

        除氧器因果回路簡圖如圖2所示,圖中用箭頭將存在因果關(guān)系的各個變量連接起來,箭頭指向結(jié)果變量,箭頭的正負代表因果關(guān)系的極性。圖中所示,加熱蒸汽流量的增加,導(dǎo)致系統(tǒng)能量增加,從而使得除氧器內(nèi)飽和蒸汽壓力增加,壓力的增加又使得加熱蒸汽流量的減小,形成一個負反饋回路。

        由因果回路圖可以清晰的了解到系統(tǒng)各部分之間的因果聯(lián)系。它不像數(shù)學(xué)算式那樣抽象難懂,也沒有文字陳述繁雜,同時又比系統(tǒng)圖1更多的呈現(xiàn)出系統(tǒng)的本質(zhì)。

        2.2 建立存量—流量圖

        得到系統(tǒng)因果回路圖之后,進一步區(qū)分變量性質(zhì),確定變量之間的定量關(guān)系,將圖2的各個部分進一步細化為各個變量和參數(shù)之間的關(guān)系,通過信息流線的方式將它們聯(lián)系起來,得到凝汽系統(tǒng)的存量—流量圖。

        1)蒸汽質(zhì)量存量—流量圖

        圖3 蒸汽質(zhì)量存量—流量圖

        圖3中所示,有一個存量變量——蒸汽質(zhì)量存量,兩個流量變量——蒸汽增加和蒸汽減少,其他變量皆為輔助變量。在定義了它們之間的運算關(guān)系之后,便將一個實際具體的系統(tǒng)呈現(xiàn)出來。其中存量和流量的關(guān)系是一種微分/積分的關(guān)系,即:

        蒸汽質(zhì)量存量(t)=蒸汽質(zhì)量存量(O)+∫(蒸汽增加-蒸汽減少)

        建立上圖的結(jié)構(gòu)方程如下:

        蒸汽質(zhì)量存量(t)=蒸汽質(zhì)量存量(O)+∫(蒸汽增加-蒸汽減少)

        蒸汽增加=加熱蒸汽量-調(diào)節(jié)系數(shù)K1×飽和蒸汽壓力×加熱蒸汽量

        蒸汽減少=排汽量+蒸汽凝結(jié)量+調(diào)節(jié)系數(shù)K2×飽和蒸汽力壓力×排汽量

        汽空間體積=除氧器總?cè)莘e-水容積

        飽和壓力=f1(飽和蒸汽密度)

        飽和水焓=f2(飽和壓力)

        式中,f1、f2為飽和蒸汽特性函數(shù)。

        2)水質(zhì)量存量圖

        圖4 水質(zhì)量存量流量圖

        圖4中所示,有一個存量變量——水質(zhì)量存量,兩個流量變量——水量增加增加和水量減少,其他變量皆為輔助變量。

        建立上圖的結(jié)構(gòu)方程如下:

        水質(zhì)量存量(t)=水質(zhì)量存量(O)+∫(水量增加-水量減少)

        水量增加=凝結(jié)水流量+蒸汽凝結(jié)量-調(diào)結(jié)系數(shù)K3×飽和蒸汽壓力×凝結(jié)水流量

        水量減少=給水流量+調(diào)節(jié)系數(shù)K4×飽和蒸汽壓力×給水流量

        水容積=水質(zhì)量存量/1 000

        3 仿真結(jié)果及分析

        以某電廠600MW機組YYW-2124壓力式除氧器為仿真對象,利用以上所建立的除氧器系統(tǒng)模型,在仿真模型上進行擾動實驗,以檢測模型的動態(tài)響應(yīng)特性。

        3.1 出口給水流量減少

        當(dāng)系統(tǒng)其它條件基本不變時,給水流量減小20%響應(yīng)曲線如圖5。圖中所示,飽和蒸汽壓力略有上升,這主要是因為,除氧器給水量減少,流出除氧器的水量減少,導(dǎo)致除氧器內(nèi)液位升高,汽側(cè)空間減小,從而飽和蒸汽壓力有所上升,進而使得進口凝結(jié)水量和蒸汽流量均相應(yīng)的有所減小。但由于除氧器的容積很大,且飽和水的密度與飽和蒸汽相比要大得多,所以盡管飽和水流量變化很大,但表現(xiàn)在體積上變化卻很少,因此從動態(tài)響應(yīng)曲線圖中可以看出除氧器內(nèi)飽和蒸汽壓力上升幅度很小。

        圖5 出口給水流量減少20%除氧器飽和壓力變化曲線

        3.2 凝結(jié)水流量減少

        當(dāng)系統(tǒng)其它條件基本不變時,凝結(jié)水流量減小15%響應(yīng)曲線如圖6。圖中所示,飽和蒸汽壓力上升幅度明顯,由于進入除氧器的凝結(jié)水量減少,使得除氧器內(nèi)的壓力將逐漸上升,除氧器壓力上升又使出口給水量增加,進口蒸汽量和進口凝結(jié)水量持續(xù)減少。因此系統(tǒng)本身無法重新達到平衡,必須依靠除氧器控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用,幫助系統(tǒng)達到新的能量平衡。

        圖6 凝結(jié)水流量減少15%除氧器飽和壓力變化曲線

        3.3 進口蒸汽流量減少

        當(dāng)系統(tǒng)其它條件基本不變時,進口蒸汽流量減小10%響應(yīng)曲線如圖7。圖中所示飽和蒸汽壓力有所降低,這是因為進口蒸汽流量的減少使得進口能量的減少,從而導(dǎo)致系統(tǒng)能量的不平衡。隨著系統(tǒng)能量的減少,除氧器內(nèi)部飽和蒸汽壓力也會隨之降低,而飽和壓力的降低又會使得出口給水流量減小,進口凝結(jié)水流量和蒸汽流量增加。如果蒸汽流量比相應(yīng)的凝結(jié)水流量增加得快,系統(tǒng)將逐漸達到新的平衡;反之,它將依靠除氧器調(diào)節(jié)系統(tǒng),通過關(guān)小除氧器凝結(jié)水進口閥門,以減小進口凝結(jié)水流量,幫助系統(tǒng)達到能量平衡。

        圖7 進口蒸汽流量減少10%除氧器飽和壓力變化曲線

        存量流量圖用更加直觀的符號刻畫系統(tǒng)要素之間的邏輯關(guān)系,明確系統(tǒng)的反饋形式和控制規(guī)律。因果關(guān)系圖描述了反饋結(jié)構(gòu)的基本方面,而存量流量圖則是在此基礎(chǔ)上表示不同性質(zhì)的變量的區(qū)別,存量流量圖是一種結(jié)構(gòu)描述,其圖形表示所承載的信息遠遠大于文字敘述和因果關(guān)系圖,所表達的邏輯比敘述更為直觀、準確。

        4 結(jié)論

        本文應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對除氧器建立仿真模型并進行仿真實驗,得出與實際相符合的仿真曲線,驗證了模型的正確性。系統(tǒng)動力學(xué)具有系統(tǒng)動力學(xué)宏觀與微觀相結(jié)合,功能與結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的特點,將系統(tǒng)動力學(xué)應(yīng)用于電力生產(chǎn)仿真是一種新的仿真思路,同時也是一個很有價值研究方向。

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