杜一慶,梁鑫,單明

燃?xì)鉄犭娐?lián)供機(jī)組動(dòng)態(tài)模型及仿真

杜一慶1,梁鑫1,單明2

（1華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2武漢鋼鐵集團(tuán)公司，湖北武漢430074）

依據(jù)基本的質(zhì)量平衡和能量平衡原理，分析了燃?xì)馊紵?、鍋爐蓄熱、過熱器差壓、汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，并針對機(jī)組壓力、發(fā)電功率，建立機(jī)組在較大范圍變工況運(yùn)行下簡化的非線性動(dòng)態(tài)模型。模型采用機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)確定靜態(tài)參數(shù)，利用汽輪機(jī)調(diào)門開度擾動(dòng)和燃料量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)確定動(dòng)態(tài)參數(shù)。在確定武鋼集團(tuán)熱能電站熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型后，采用Simulink平臺(tái)對該機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)果顯示，該模型可對武鋼熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變負(fù)荷動(dòng)態(tài)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，誤差控制在±10%以內(nèi)，簡單實(shí)用，具有良好的工程應(yīng)用性。

熱電聯(lián)產(chǎn)；動(dòng)態(tài)；模型；Simulink；仿真

1 前言

武鋼集團(tuán)熱能電站為燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組，安裝了2臺(tái)220 t/h高溫高壓燃?xì)忮仩t和2臺(tái)50 MW單抽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)。設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷：平均160 t/ h，最大210 t/h（1.274 MPa，320℃，凝結(jié)水不回收）。2臺(tái)220 t/h煤氣鍋爐，系武漢鍋爐股份公司產(chǎn)WGZ220/9.81-18型、單鍋筒、單爐膛、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)燃?xì)忮仩t。其燃燒器概況：前墻布置，下三排每排3只高爐煤氣燃燒器；最上排3只焦?fàn)t煤氣燃燒器；高爐煤氣燃燒器中心風(fēng)管內(nèi)布置焦?fàn)t氣煤氣槍，作為點(diǎn)火用。根據(jù)摻燒焦?fàn)t煤氣的比例，鍋爐燃料主要按兩個(gè)典型工況考慮：

工況Ⅰ(設(shè)計(jì)主工況)：90%高爐煤氣+10%焦?fàn)t煤氣；

工況Ⅱ（調(diào)峰工況）：60%高爐煤氣+40%焦?fàn)t煤氣。

汽輪機(jī)型式為高壓、單抽凝汽式汽輪機(jī)C50-8.83/1.27，額定功率50 MW，額定抽汽量50 t/h。該供熱電站配置250 t/h（9.81/3.82 MPa）減溫減壓裝置和100 t/h（9.81/1.274 MPa）減溫減壓裝置各一套。出力250 t/h（9.81/3.82）減溫減壓裝置，其出口二次蒸汽管道與武鋼冶煉電站“一鼓風(fēng)”供汽管網(wǎng)聯(lián)通，可作為“一鼓風(fēng)”中溫中壓動(dòng)力蒸汽的緊急備用汽源。出力100 t/h（9.81/1.274 MPa）減溫減壓裝置和汽輪機(jī)抽汽并入1.274 MPa蒸汽的蒸汽管網(wǎng)，主要供煉鋼廠抽真空用汽。

按照武鋼集團(tuán)公司要求，既要滿足2臺(tái)50 MW機(jī)組負(fù)荷發(fā)電，又要滿足對鼓風(fēng)機(jī)站和煉鋼抽真空正常供氣，目前鍋爐的實(shí)際負(fù)荷無法實(shí)現(xiàn)，這對燃?xì)怆娬镜钠胶庹{(diào)度提出了很高要求。如何實(shí)現(xiàn)對熱電聯(lián)產(chǎn)電站實(shí)現(xiàn)調(diào)度，需要構(gòu)建該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，而實(shí)現(xiàn)仿真的核心是確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)很早就開始了對變負(fù)荷熱力發(fā)電動(dòng)態(tài)模型的研究。早期的文獻(xiàn)多集中于對鍋爐效率、煙氣組分、排煙溫度等的分析研究，或者對變負(fù)荷工況下汽輪機(jī)的效率研究，例如利用計(jì)算煙氣中RO2成分計(jì)算過鍋爐的排煙熱損失q2[1]，探究實(shí)用簡便的鍋爐效率計(jì)算方法[2]，通過改進(jìn)型的逆順序混合算法計(jì)算噴嘴調(diào)節(jié)、再熱式汽輪機(jī)的超臨界工況[3]。但上述模型往往需要大量復(fù)雜的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，工業(yè)應(yīng)用價(jià)值難以發(fā)揮。

近年來，僅僅通過建立數(shù)學(xué)模型已經(jīng)很難適應(yīng)高速發(fā)展的熱力系統(tǒng)，難以滿足對運(yùn)行效率的要求，利用已有的計(jì)算模擬仿真軟件對熱力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到現(xiàn)階段的研究當(dāng)中。比如運(yùn)用Simulink仿真工具,對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真[4]，或者將Matlab軟件應(yīng)用到汽輪機(jī)的變工況計(jì)算中,采用擬合調(diào)節(jié)級(jí)特性曲線方程、繪制特性曲線等方法來計(jì)算調(diào)節(jié)級(jí)變工況[5]。

基于現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，滿足熱力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)管理，建立有效準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)仿真模型，編制相關(guān)軟件，也是近年來熱力系統(tǒng)仿真發(fā)展的重要方向。湯曉凡[6]等人利用現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，以135 t/h冶金煤氣鍋爐為例進(jìn)行熱平衡計(jì)算分析，有效地簡化了傳統(tǒng)鍋爐熱效率計(jì)算過程，減少了計(jì)算輸入?yún)?shù)，提出了基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的燃用多種燃料的鍋爐熱效率在線實(shí)時(shí)計(jì)算方法，并開發(fā)出簡潔友好的仿真軟件。田亮[7]等人基于電廠發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，利用理論分析和數(shù)據(jù)擬合的方式，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高的發(fā)電機(jī)組大負(fù)荷變化模型，并利用相關(guān)軟件通過計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了模型的有效性。

然而，現(xiàn)有的模型往往基于單純的發(fā)電機(jī)組，在能源利用效率越來越重要的當(dāng)前形勢下，熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)電的主要發(fā)展方向，建立對熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供機(jī)組有效的數(shù)學(xué)模型是十分必要且有意義的。

3 燃?xì)鉄犭娐?lián)供機(jī)組動(dòng)態(tài)模型

3.1 燃?xì)鉄犭娐?lián)供機(jī)組數(shù)學(xué)模型

現(xiàn)場實(shí)際的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由2臺(tái)機(jī)組構(gòu)成，2臺(tái)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并入母管，然后接入減溫減壓器和2臺(tái)汽輪機(jī)。見圖1。

分別用下標(biāo)1、2表示1#機(jī)組、2#機(jī)組的參數(shù)。參考田亮[7][8]等人建立的機(jī)組仿真模型，依據(jù)武鋼的機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，可以得到以下方程。

燃料輸入可以描述為

方程中，Ub表示輸入鍋爐的燃料熱值，kc與kb分別代表焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣低位熱值，QC與QB分別表示焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣的輸入量（m3/h）。

本文將鍋爐水冷壁、過熱器作為一個(gè)整體考慮。再熱器對鍋爐負(fù)荷及壓力的動(dòng)態(tài)特性影響不大，忽略不計(jì)。因而鍋爐的熱力平衡模型可以表示為

方程左側(cè)表示鍋爐的蓄熱隨時(shí)間的變化，右側(cè)第一項(xiàng)代表送入汽輪機(jī)做功的蒸汽部分。Cb表示鍋爐的蓄熱系數(shù)，反映出鍋爐的蓄熱能力，影響鍋爐對于負(fù)荷變化的響應(yīng)時(shí)間。一般來說，鍋爐金屬蓄熱最大，水的蓄熱所占的比例次之，而蒸汽的蓄熱則可以忽略。在鍋爐正常運(yùn)行出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，汽包水位波動(dòng)控制在正常范圍，鍋爐內(nèi)的飽和水及蒸汽只占總儲(chǔ)熱量的小部分，不足以對鍋爐蓄熱系數(shù)產(chǎn)生重大影響，因而在負(fù)荷正常波動(dòng)時(shí)，可將鍋爐蓄熱系數(shù)Cb看作是常數(shù)。Pd為汽包壓力(MPa)。

右側(cè)第二項(xiàng)代表用于供熱的蒸汽部分，K3f與K4f表示為鍋爐增益。第三項(xiàng)則代表輸入鍋爐的有效熱量。由于兩臺(tái)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽要在匯入蒸汽母管后才輸入汽輪機(jī)以及供熱管網(wǎng)，因此兩臺(tái)鍋爐對于供熱部分的貢獻(xiàn)基于其輸入的有效熱量

汽輪機(jī)的能量平衡方程可以通過如下方程表示

方程左側(cè)表示汽輪機(jī)能量變化，Kf表示汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)間，右側(cè)第一項(xiàng)表示發(fā)電機(jī)發(fā)電功率，第二項(xiàng)表示由蒸汽母管輸入汽輪機(jī)的蒸汽，K3、K4表示汽輪機(jī)增益，Pt表示汽輪機(jī)機(jī)前壓力，uT則代表進(jìn)氣閥門開度。

過熱器差壓ΔP反映汽包壓力Pd、機(jī)前壓力Pt和鍋爐有效吸熱量QW之間的關(guān)系。對于理想氣體流動(dòng)過程，差壓與流量可以用伯努利方程表示，考慮蒸汽密度變化的伯努利方程為，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]的實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，更接近于Pt=Pb-K2QW1.3，即

式中，K21與K22表示過熱器阻力系數(shù)。

因?yàn)殄仩t蒸汽輸入蒸汽母管的緣故，汽輪機(jī)的機(jī)前壓力并不等于過熱器出口壓力，因此兩臺(tái)并聯(lián)的汽輪機(jī)機(jī)前壓力可以通過以下方程確立

方程左側(cè)代表輸入汽輪機(jī)的蒸汽，右側(cè)則代表鍋爐產(chǎn)生的蒸汽中輸入汽輪機(jī)的部分。

3.2 模型參數(shù)確定

模型包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)利用機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)參數(shù)求取，動(dòng)態(tài)參數(shù)通過擾動(dòng)試驗(yàn)求取。

供熱功率一般相對穩(wěn)定，Khqh直接作為常數(shù)給出。

1#鍋爐高爐煤氣量197410 m3/h，焦?fàn)t煤氣量6117 m3/h，主蒸汽量204 t/h，溫度530℃，壓力7.8 MPa；2#鍋爐高爐煤氣量117338 m3/h，焦?fàn)t煤氣量14320 m3/h，主蒸汽量172 t/h，溫度532℃，壓力8.1 MPa；1#汽輪機(jī)發(fā)電功率40 MW，主蒸汽量147 t/h，溫度527℃，壓力6.5 MPa，抽汽量0 t/h；2#汽輪機(jī)發(fā)電功率42 MW，主蒸汽量174 t/h，溫度531℃，壓力7.51 MPa，抽汽量0 t/h。

總供熱量=(204+172-147-174)×(3473.7-105)÷ 3600=51.5 MW。

總高爐煤氣燃料量∑Qb=87.458 m3/s，總焦?fàn)t煤氣量∑Qc=5.677 m3/s，高爐煤氣低位熱值kb=3.260 MJ/m3，焦?fàn)t煤氣低位熱值kc=16.050 MJ/m3?？傒斎肴?xì)鉄嶂怠苪b=407.712 MW。

通過汽輪機(jī)調(diào)門擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)求取鍋爐的蓄熱系數(shù)Cb。將燃料指令和汽輪機(jī)調(diào)門開度指令切為手動(dòng)狀態(tài)，在機(jī)組負(fù)荷和壓力均穩(wěn)定時(shí)，鍋爐燃料量保持不變，汽輪機(jī)調(diào)門逐漸減少，記錄下若干組機(jī)組負(fù)荷N和對應(yīng)的汽包壓力Pd。鍋爐的蓄熱系數(shù)按Cb=求取。最終得到Cb=2600(MW.S/MPa)。

Kf通過汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)確定為15 s。

利用武鋼所提供的8月5日上午10點(diǎn)記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依據(jù)改進(jìn)后的方程組，求出相關(guān)靜態(tài)參數(shù)，如表1所示：

3.3 武鋼熱能電站機(jī)組動(dòng)態(tài)模型

相關(guān)的參數(shù)確定后，代入式(1)～(11)，并考慮2臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)前壓力取平均值，最終得出武鋼熱能電站燃?xì)鉄犭娐?lián)供機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型如下：

得出上述動(dòng)態(tài)模型后，就能用Matlab軟件對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行仿真，為機(jī)組的負(fù)荷調(diào)度提供參考。

3.4 機(jī)組動(dòng)態(tài)模型MATLAB仿真

依據(jù)武鋼所提供的8月5日上午機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到仿真結(jié)果如表2所示。

當(dāng)1號(hào)鍋爐的焦?fàn)t煤氣供應(yīng)停止時(shí)，系統(tǒng)的壓力，發(fā)電功率等隨之發(fā)生變化，如圖2和圖3所示。

4 仿真結(jié)果分析

由表1對比結(jié)果可知，在系統(tǒng)處于正常工況條件下，負(fù)荷發(fā)生輕微擾動(dòng)，仿真所預(yù)測的機(jī)組狀態(tài)值與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)值基本吻合，誤差控制在10%以內(nèi)。

而當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生較大范圍變化，例如1號(hào)鍋爐焦?fàn)t煤氣停止供應(yīng)時(shí)，模型仍然顯示出良好的預(yù)測能力。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，1號(hào)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率由40 MW降低至30 MW，2號(hào)發(fā)電機(jī)功率由42 MW降低至35 MW。仿真結(jié)果顯示1號(hào)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率由40 MW降低至28.24 MW，2號(hào)發(fā)電機(jī)功率由42 MW降低至32.69 MW，相對誤差分別為5.9%和6.6%，均在10%以內(nèi)，說明仿真模型在系統(tǒng)大范圍變負(fù)荷工況條件下的預(yù)報(bào)上有良好的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

本文利用Matlab平臺(tái)，依據(jù)基本的質(zhì)量平衡和能量平衡，分析燃?xì)馊紵?、鍋爐蓄熱、過熱器差壓、汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，并針對機(jī)組壓力、發(fā)電功率，建立機(jī)組在較大范圍變工況運(yùn)行下簡化的非線性動(dòng)態(tài)模型。模型采用機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)確定靜態(tài)參數(shù)，利用汽輪機(jī)調(diào)門開度擾動(dòng)和燃料量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)確定動(dòng)態(tài)參數(shù)。在確定武鋼集團(tuán)熱能電站熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型后，采用Simulink平臺(tái)對該機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。結(jié)果顯示，該模型可以對武鋼熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變負(fù)荷動(dòng)態(tài)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，誤差控制在±10%以內(nèi)，簡單實(shí)用，具有良好的工程應(yīng)用性。

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Dynamic Modeland Simulation of Gas-fired Heat and Power Cogeneration Units

Du Yiqing1,Liang Xin1,Shan Ming2
(1.Huazhong University of Science and Technology;2.WISCO,Wuhan,Hubei 430074,China)

Based on the principle of mass and energy balance,the gas combustion,boiler heat storage,differential pressure of superheater and dynamic characteristic of turbine were analyzed;and with respect to the parameters including pressure and output power of the unit, a simplified nonlinear dynamic model capable of simulating actual operational state in widely variable working conditions was established.The model uses the data at stable operation points to determine the static parameters and the data from turbine disturbance and fuel flow disturbance experiments to determine the dynamic parameters.Once the dynamic model for the co-generation units of WISCO thermal plant was established,Simulink platform was adopted to dynamically simulate the unit.Results showed that the model is both simple and practical and can comparatively accurately predict the load-varying dynamics of the units with an error less than 10%,and all evidence shows the model has good engineering applicability.

heat and power cogeneration;dynamic;model;Simulink;simulation.

TM61

B

1006-6764（2015）01-0031-04

∶2014-09-20

杜一慶(1967-)，男，副教授、碩士生導(dǎo)師?，F(xiàn)從事新能源、清潔煤燃燒和大氣污染物治理技術(shù)方面研究工作。在復(fù)雜流動(dòng)傳熱過程數(shù)值模擬，能源管理和環(huán)保技術(shù)中的設(shè)備和工藝優(yōu)化方面有研究特長。