一種鍋爐仿真方法和鍋爐仿真系統與流程

2023-09-23 01:45:50

本發明涉及熱工控制及測量領域，具體地，涉及一種鍋爐仿真方法和鍋爐仿真系統。

背景技術：

隨著電力工業的高速發展和不同控制風格的分散控制系統(DCS)在新型電站中的應用，電力生產過程對運行人員和熱工人員的技術要求越來越高。為了提高運行人員的操作水平和熱工人員的檢修維護能力，目前已建大型電站和新建電站均積極建造各種以本廠機組為對象的高仿真度的仿真培訓裝置，主要用於運行人員的操作和反事故培訓以及熱控人員檢修維護技能的培訓和提高。根據仿真機中分散控制系統(DCS)設備和功能的複製方式，可以分為全激勵仿真方式、虛擬PCU(過程控制單元)仿真方式和模擬仿真方式三種，後兩種又稱通用仿真方式。

現有仿真支撐軟體採用圖形化建模技術，模型工程師根據電廠流程，直接利用模型庫中的電廠設備算法建立各設備模塊之間的連接關係，自動生成仿真模型，如此提高了建模效率，便於用戶維護。這類軟體可實現模型存取管理(模型裝入/退出、初始條件存取)、模型運行管理(模型凍結/運行、抽點/回退、重演)、模型調試管理(在線調試、趨勢)、故障設定、成績評定等功能。除此之外，該系統可支持多用戶同時調試、運行在伺服器上的同一模型及不同模型，從而提高資源的利用效率。提高了模型調試效率，縮短軟體開發周期。

但是，目前在進行仿真機的測試與調試過程中，各項指標都是依據當前環境以及現場設備的運行情況進行而進行參數設置的，且參數在仿真機後期的運行過程中，一般是保持不變的。如此其仿真結果往往不能真實地反映出鍋爐的實際情況，降低了仿真結果的可靠性。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種鍋爐仿真方法和鍋爐仿真系統，該鍋爐仿真方法和鍋爐仿真系統能夠較為真實的反映鍋爐的實際情況，提高了仿真結果的可靠性。

為了實現上述目的，本發明提供一種鍋爐仿真方法，所述鍋爐仿真方法包括：基於鍋爐中燃料燃燒時間來確定隨鍋爐中燃料燃燒時間而變化的參數；以及根據所確定的參數仿真鍋爐的熱量傳遞和/或管道流量。

優選地，所述參數包括以下至少一者：結焦係數、積灰係數以及結垢係數。

優選地，仿真鍋爐的熱量傳遞包括水冷壁換熱仿真，該水冷壁換熱仿真包括：確定當前水冷壁中的隨燃料燃燒時間變化的所述結焦係數；以及根據所述結焦係數仿真水冷壁換熱。

優選地，所述水冷壁換熱仿真還包括：在清除結焦的過程中，根據清除時間來確定所述結焦係數。

優選地，仿真鍋爐的熱量傳遞包括單相介質換熱仿真和/或空氣預熱器換熱仿真，所述單相介質換熱仿真包括：確定當前單相介質中的隨燃料燃燒時間變化的所述積灰係數，以及根據所述積灰係數仿真單相介質換熱，所述空氣預熱器換熱仿真包括：確定當前空氣預熱器中的隨燃料燃燒時間變化的所述積灰係數，以及根據所述積灰係數仿真空氣預熱器換熱。

優選地，所述單相介質換熱仿真和所述水冷壁換熱仿真還包括：在清除積灰的過程中，根據清除時間來確定所述積灰係數。

優選地，仿真管道流量包括：確定當前管道中的隨燃料燃燒時間變化的所述結垢係數；以及根據所述結垢係數仿真管道流量。

相應地，本發明還提供一種鍋爐仿真系統，所述鍋爐仿真系統包括：參數確定模塊，用於基於鍋爐中燃料燃燒時間來確定隨鍋爐中燃料燃燒時間而變化的參數；以及處理模塊，用於根據所確定的參數仿真鍋爐的熱量傳遞和/或管道流量。

優選地，所述參數包括以下至少一者：結焦係數、積灰係數以及結垢係數。

優選地，仿真鍋爐的熱量傳遞包括水冷壁換熱仿真，所述參數確定模塊用於確定當前水冷壁中的隨燃料燃燒時間變化的所述結焦係數；以及所述處理模塊用於根據所述結焦係數仿真水冷壁換熱。

優選地，所述參數確定模塊還用於：在清除結焦的過程中，根據清除時間來確定所述結焦係數。

優選地，仿真鍋爐的熱量傳遞包括單相介質換熱仿真和/或空氣預熱器換熱仿真，所述參數確定模塊用於確定當前單相介質和/或空氣預熱器中的隨燃料燃燒時間變化的所述積灰係數；以及所述處理模塊用於根據所述積灰係數仿真單相介質換熱和/或空氣預熱器換熱。

優選地，所述參數確定模塊還用於：在清除積灰的過程中，根據清除時間來確定所述積灰係數。

優選地，所述參數確定模塊用於確定當前管道中的隨燃料燃燒時間變化的所述結垢係數；以及所述處理模塊用於根據所述結垢係數仿真管道流量。

通過上述技術方案，基於鍋爐中燃料燃燒時間來確定隨鍋爐中燃料燃燒時間而變化的參數；並根據所確定的參數仿真鍋爐的熱量傳遞和/或管道流量。如此能夠較為真實的反映鍋爐的實際情況，提高了仿真結果的可靠性。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是激勵式仿真系統的結構框圖；

圖2是根據本發明一種實施方式提供的鍋爐仿真方法的流程圖；

圖3是根據本發明一種實施方式提供的空氣預熱器仿真過程的流程圖；以及

圖4是根據本發明一種實施方式提供的鍋爐仿真系統的結構框圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。

目前，基於虛擬DCS的激勵式仿真系統目標是建立全範圍、全過程的仿真模型，具有DCS仿真系統(含DCS工程師站仿真、DCS現場控制站仿真)。激勵式仿真系統在結構上採用將設備型和控制系統模型分開的體系結構，與真實系統完全一致。這種體系結構對設備模型要求更加精確，對控制系統仿真可以做到與實際系統基本一致，因此，能夠實現對控制系統的分析、研究、測試的仿真要求。

火力發電機組仿真系統構成如圖1所示，DCS激勵式仿真系統包括教練員站、操作員站、歷史站、虛擬DPU和模型伺服器。決定仿真系統性能優劣的3個關鍵部分為仿真支撐系統軟體、機組仿真模型軟體及DCS仿真軟體。

激勵模式的DCS仿真部分具有與實際DCS一致的軟、硬體系統，這種方式工作量小，但需要與DCS一體化的仿真支撐平臺。採用激勵式DCS仿真模式，則操作員站仿真也可直接採用真實DCS系統的操作員站畫面，這樣可節省複雜DCS操作員站仿真軟體的開發.由於仿真系統與DCS一體化，DCS的系統組態、控制組態和界面組態都是電廠實際DCS系統的拷貝，故仿真完成後不需對該部分進行修改就能直接下載到實際DCS系統運行。

但是，如上所述，在現有技術中，各項指標都是依據當前環境以及現場設備的運行情況進行而進行參數設置的，且參數在仿真機後期的運行過程中，一般是保持不變的，如此無法真實的仿真鍋爐的實際情況。本發明的發明人針對鍋爐仿真提出了漸變模型，通過隨時間變化的參數的確定，真實體現了鍋爐的實際情況。

圖2是根據本發明一種實施方式提供的根據本發明一種實施方式提供的鍋爐仿真方法的流程圖。如圖2所示，本發明提供的鍋爐仿真方法可以包括：在步驟21處，基於鍋爐中燃料燃燒時間來確定隨鍋爐中燃料燃燒時間而變化的參數；以及在步驟22處，根據所確定的參數仿真鍋爐的熱量傳遞和/或管道流量。如此能夠較為真實的反映鍋爐的實際情況，提高了仿真結果的可靠性。

漸變模型(例如，基於激勵式仿真系統)的漸變性主要體現在鍋爐傳熱換熱面和管道阻力上。主要影響鍋爐燃燒的水冷壁的輻射換熱係數和對流換熱係數、水冷壁結焦速率、相關換熱面積灰係數和管道阻力係數的改變。

其中，所述參數包括以下至少一者：結焦係數、積灰係數以及結垢係數。

鍋爐仿真系統的燃燒區算法根據各種空氣量和燃料輸入量及燃料成分來仿真燃燒區的動態特性，可以包括如下幾個部分：燃燒的能量平衡、燃燒的質量平衡和氣體組分質量平衡。同時如下幾種燃燒反應被考慮在內:氫氣燃燒生成水蒸汽、碳燃燒生成二氧化碳、碳燃燒生成一氧化碳和一氧化碳燃燒生成二氧化碳。其中，燃燒的能量平衡是指送入的燃料擁有的能量等於鍋爐的有效輸出能量加上各項能量損失；燃燒的質量平衡是指燃燒前後，參與燃燒的物質質量保持平衡；氣體組分質量平衡是指在燃燒過程，考慮參與燃燒的物質比例及燃燒情況，燃燒後氣體組成質量保持一定比例。

在燃燒過程中，產生的熱量通過爐膛輻射換熱算法實現為爐內傳熱計算模型，對於爐內傳熱進行了分區計算，依據輻射傳熱精確模型中的輻射傳熱網絡法，例如可以將爐膛沿高度分為但不限於七個區域，充分反映了各種運行因素對爐內傳熱因素的影響，如各排燃燒器燃燒狀態的差異，局部結焦或漏風的影響，該算法仿真了各個區域傳熱工況，反映出了各個區域的溫度水平，計算出了水冷壁、屏式過熱器的吸量。其中，輻射傳熱網絡法(又稱熱網絡法、電網絡法等)，使用電學中的電流、電位差和電阻比擬熱輻射中的熱流、熱勢差與熱阻，用電路來比擬輻射熱流的傳遞路徑。其基本包括以下步驟：畫等效電路圖；列出各節點的熱流(電流)方程組；求解方程組，以獲得各個節點的等效輻射；計算每個平面的淨輻射熱流量。

隨著時間的積累，在水冷壁上會產生結焦現象，因而換熱效果會逐漸變差，從而會改變鍋爐的特性。考慮到水冷壁中結焦對爐內傳熱的影響，本發明提供的鍋爐仿真方法中的仿真鍋爐的熱量傳遞可以包括水冷壁換熱仿真，該水冷壁換熱仿真可以包括：確定當前水冷壁中的隨燃料燃燒時間變化的所述結焦係數；以及根據所述結焦係數仿真水冷壁換熱。

水冷壁換熱仿真

依據輻射傳熱網絡法對各個區域建立能量平衡關係，具體過程可以如下。該實施方式是以七個區域為例進行說明的，但是應該注意的是本發明並不限制於七個區域。

對於氣體域：

對於壁面域：

Qnsj＝δAsj×(λ/δ)sj×(Tsj-Ta) (3)

Qcgj＝Qcsj＝δAsj×(α)sj×(Tgi-Tsi) (4)

ΔHgj＝Mgj"×Cpgj"×Tgj"-Mgj'×Cpgj'×Tgj' (5)

(j＝1,2,......7)

以上為非線性方程組，輸入為各排燃燒器的燃料量等參數，輸出為各個區域的溫度。

其中，各參數涵義如下：

Qnsj、Qnsi—壁面sj、si的淨吸熱量；

Qcgj、Qcgi—氣體域sj、si與相鄰壁面的對流換熱量；

Qcsj、Qcsi—壁面sj、si與相鄰氣體域的對流換熱量；

ΔHgj—通過氣體域gj的煙氣焓增；

Mgj'、Cpgj'、Tgj'—氣體域gj入口煙氣的質量流量、比熱及溫度；

Mgj"、Cpgj"、Tgj"—相應的出口值；

δAsj、δAsi—壁面域sj、si的表面積；

Tsj、Tsi、(λ/δ)sj—壁面域sj、si灰汙層表面溫度及壁面域sj灰汙係數；

εsi、αsj—壁面域si黑度及壁面域sj對流換熱係數；

Msj、Csj—壁面域灰汙層質量及比熱；

δVgj—氣體域gj的體積；

Tgj、Qfgj、Qλgj—該氣體域的溫度、燃燒放熱率及湍流導熱項；

Kgj、Cpgj、Mgj—該氣體域煙氣輻射減弱係數，定壓比熱，煙氣質量；

Ta—水冷壁內工質飽和溫度；

Δτ—時間步長；

α—絕對黑體輻射常數；

σ—斯提芬-玻爾茲曼常數5.669×10-8；

方程中的sisj、sigj、gigj分別為壁面之間、壁面與氣體域之間、氣體域之間的直接交換面積。

在水冷壁結焦嚴重的情況下，需要清除結焦，因此所述水冷壁換熱仿真還包括：在清除結焦的過程中，根據清除時間來確定所述結焦係數。

令

結焦清除過程：

結焦過程：

其中：

S—結焦係數；

S1—上個周期計算的結焦係數；

S0—初始結焦係數；

Smax—最大結焦係數；

T1—清除結焦時間常數；

T2—結焦時間常數；

EN1—清除結焦功能使能端，當EN1＝1時，清除結焦過程發生；當EN1＝0時，清除結焦停止；

EN2—結焦功能使能端，當EN2＝1時，結焦過程發生；當EN2＝0時，結焦過程停止。

過熱器、再熱器單項介質換熱器算法

可以使用單相介質換熱器算法來仿真單相介質換熱器(例如過熱器、再熱器)的動態傳熱和流動過程。對單相介質換熱器的外部積灰和內部結垢以及管壁洩漏等過程也給予仿真。在傳熱過程中，在過熱器、再熱器換熱面上會產生積灰現象，隨著時間的積累，換熱效果會逐漸變差，從而會改變鍋爐的特性。因此可以設置換熱係數實現隨著時間積累變化而變化。

本發明提供的仿真鍋爐的熱量傳遞還可以包括單相介質換熱仿真，所述單相介質換熱仿真包括：確定當前單相介質中的隨燃料燃燒時間變化的所述積灰係數，以及根據所述積灰係數仿真單相介質換熱。計算原理如下所述。

煙側放熱量：

Qg＝AFGAS×((Tg1+Tg2)/2-TM) (8)

工質吸熱量：

QF＝AFFLU×(TM-(TF1+TF2)/2) (9)

煙側換熱係數為：

AFGAS＝C1+C2×Wgasi0.65(1-S)×Cgas×FHGAS (10)

工質側換熱係數：

AFFLU＝(C3+C4×WFLU10.8×(100-FFAC)/100)×CFLU×FHFLU (11)

其中：

Qg—煙側放熱量；

QF—工質吸熱量；

AFGAS、AFFLU—煙氣、工質的換熱係數；

Tg1、Tg2—煙氣熱交換入口處、出口處煙氣溫度；

TM—過熱器(或再熱器)金屬溫度；

Tg1、Tg2—工質熱交換入口處、出口處的工質溫度；

Wgas1、Wgas2—煙氣入口、出口流量；

WFLU1—工質流量；

Cgas、CFLU—低流量下對放熱係數的修正；

FHGAS、FHFLU—低流量下對熱係數的修正；

FFAC—積垢係數；

S—積灰係數；

C1、C2、C3、C4—傳熱係數1、傳熱係數2、傳熱係數3、傳熱係數4。

當積灰達到一定程度，需要進行吹灰進行清掃過程，因此，所述單相介質換熱仿真還包括：在清除積灰的過程中，根據清除時間來確定所述積灰係數。

當吹灰時：

當吹灰器不工作時：

其中：

S1—上個周期計算的積灰係數

S0—積灰係數初始值；

Smax—最大積灰係數；

T1、T2—清灰及積灰時間常數；

Δτ—計算周期；

EN1—吹灰功能使能端，當EN1＝1時，吹灰過程發生；當EN1＝0時，吹灰停止；

EN2—積灰功能使能端，當EN2＝1時，積灰過程發生；當EN2＝1時，積灰過程停止。

空氣預熱器換熱算法

在機組中，除了過熱器、再熱器和水冷壁三個主要換熱面，空氣預熱器也是主要的熱交換設備。空氣預熱器算法仿真可以分為如下兩部分：熱交換模型和積灰模型。熱交換模型仿真煙氣與轉子金屬、一次風、二次風間的熱交換。熱交換與轉子速度成正比。同時考慮一個減弱係數(其取決於積灰)。同時積灰對通風阻力的影響也被考慮在內。

因此，仿真鍋爐的熱量傳遞還可以包括空氣預熱器換熱仿真，所述空氣預熱器換熱仿真包括：確定當前空氣預熱器中的隨燃料燃燒時間變化的所述積灰係數，以及根據所述積灰係數仿真空氣預熱器換熱。

當積灰達到一定程度，需要進行吹灰進行清掃過程，因此，所述單相介質換熱仿真和所述水冷壁換熱仿真還包括：在清除積灰的過程中，根據清除時間來確定所述積灰係數。

積灰模型如下：

如果處於吹灰過程，則

S＝S1+EN1×Δτ/(T1/60.0+Δτ)×(0.0-S1) (14)

否則

S＝S1+EN2×Δτ/(T2×24.0+Δτ)×(50-S1) (15)

熱交換係數如下：

煙氣/金屬：

HG＝KH+KHG×(WG/ROG)×1.3 (16)

一次風/金屬

HA1＝KH+KHP×(WPA/ROPA)×0.6 (17)

二次風/金屬

HA2＝KH+KHS×(WSA/ROSA)×0.8 (18)

考慮積灰、轉子速度對熱交換係數的修正：

SN＝(1.0-S×0.01)×(0.8+0.2×N) (19)

HGT＝HG×SN (20)

HA1T＝HA1×SN (21)

HA2T＝HA2×SN (22)

其中：

HG一煙氣和金屬之間的熱交換係數；

HA1一一次風和金屬之間的熱交換係數；

HA2一二次風和金屬之間的熱交換係數；

HGT一修正後煙氣和金屬之間的熱交換係數；

HA1T一修正後一次風和金屬之間的熱交換係數；

HA2T一修正後二次風和金屬之間的熱交換係數；

WG一煙氣出口流量；

KH一熱交換係數(導熱影響)；

KHG—對煙氣的熱交換係數；

ROG一煙氣密度；

WPA一次風出口流量；

ROPA一一次風密度；

KHP—一次風的熱交換係數；

WSA一二次風出口流量；

ROSA一二次風密度；

KHS—二次風的熱交換係數；

N—空氣預熱器轉子標準化速度(0～1)；

S—積灰係數(0～100)；

S1—上個周期計算的積灰係數；

T1—積灰係數減少的時間常數；

T2—積灰係數增加的時間常數；

EN1—吹灰使能端；

EN2—積灰使能端；

管道流量算法

鍋爐的管道內流質的流速都與上遊、下遊壓力以及管道的阻力係數有關，然而在實際運行過程中，隨著管道內的結垢因素會影響管道的阻力係數，從而使得影響上遊和下遊壓力。由於壓力的相關性，從而對整個仿真系統的機組壓力網的改變。

因此，仿真管道流量可以包括：確定當前管道中的隨燃料燃燒時間變化的所述結垢係數；以及根據所述結垢係數仿真管道流量。

管道結垢模型如下：

管道流量計算公式如下：

當結垢清除時

S＝S0 (24)

當開始結垢時

其中：

W—管道流量；

P1—上遊壓力；

P2—下遊壓力；

COND—導納；

T2—結垢係數增加的時間常數；

EN2—結垢使能端；

S—結垢係數

S1—上個周期計算的積灰係數

S0—結垢係數初始值；

Smax—最大結垢係數；

Δτ—計算周期。

根據以上內容，本發明提供的技術方案可以將積灰係數、結焦係數和結垢係數設置為仿真機組的運行時間的積分函數，其變化快慢、影響程度和仿真機組初始運行狀態由教練員設置。其清除時間即可以由教練員設置，也可以有設備的運行狀態清除，如吹灰器的運行狀態、管道清洗情況決定。當清除操作進行時，積灰係數、結焦係數和結垢係數的數值逐漸減少直至為零，其代表一個潔淨的熱交換表面或通暢的管道。清除操作結束後，積灰係數、結焦係數和管道結垢係數從零開始進行時間的積分。

如圖3所示，對於空氣預熱器的一種實施方式中，可以按照以下步驟進行，在步驟31處，設置空氣預熱器的積灰係數的初始值，以模擬某個特定工況的空氣預熱器運行狀態；在步驟32處，設置空氣預熱器積灰係數變化的快慢，並可以設置空氣預熱器積灰係數的時間積分上限，即當空氣預熱器的積灰係數達到某一上限，則數值保持不變；在步驟33處，將積灰係數與仿真系統的運行時間相關聯，並且將積灰係數的大小與空氣預熱器換熱係數和阻力係數相關聯；在步驟34處，將積灰係數與吹灰器運行狀態相關量，當吹灰器投入運行後，則積灰係數的數值逐漸減少直至為零，其代表一個潔淨的熱交換表面；在步驟35處，吹灰器退出運行，否則積灰係數始終保持為零；在吹灰器退出運行後，轉至步驟33處。如此可以實現對空氣預熱器積灰現象的漸變過程的一個模擬。

如圖4所示，本發明還提供一種鍋爐仿真系統，所述鍋爐仿真系統可以包括：參數確定模塊41，用於基於鍋爐中燃料燃燒時間來確定隨鍋爐中燃料燃燒時間而變化的參數；以及處理模塊42，用於根據所確定的參數仿真鍋爐的熱量傳遞和/或管道流量。如此能夠較為真實的反映鍋爐的實際情況，提高了仿真結果的可靠性。

其中，所述參數包括以下至少一者：結焦係數、積灰係數以及結垢係數。

隨著時間的積累，在水冷壁上會產生結焦現象，因而換熱效果會逐漸變差，從而會改變鍋爐的特性。考慮到水冷壁中結焦對爐內傳熱的影響，仿真鍋爐的熱量傳遞可以包括水冷壁換熱仿真，所述參數確定模塊用於確定當前水冷壁中的隨燃料燃燒時間變化的所述結焦係數；以及所述處理模塊用於根據所述結焦係數仿真水冷壁換熱。

在水冷壁結焦嚴重的情況下，需要清除結焦，因此所述參數確定模塊還用於：在清除結焦的過程中，根據清除時間來確定所述結焦係數。

在傳熱過程中，在單項介質換熱器(例如過熱器、再熱器)及空氣預熱器換熱面上會產生積灰現象，隨著時間的積累，換熱效果會逐漸變差，從而會改變鍋爐的特性。因此仿真鍋爐的熱量傳遞可以包括單相介質換熱仿真和/或空氣預熱器換熱仿真，所述參數確定模塊用於確定當前單相介質和/或空氣預熱器中的隨燃料燃燒時間變化的所述積灰係數；以及所述處理模塊用於根據所述積灰係數仿真單相介質換熱和/或空氣預熱器換熱。

當積灰達到一定程度，需要進行吹灰進行清掃過程，因此所述參數確定模塊還用於：在清除積灰的過程中，根據清除時間來確定所述積灰係數。

在實際運行過程中，隨著管道內的結垢因素會影響管道的阻力係數，從而使得影響上遊和下遊壓力。由於壓力的相關性，從而對整個仿真系統的機組壓力網的改變。因此，所述參數確定模塊用於確定當前管道中的隨燃料燃燒時間變化的所述結垢係數；以及所述處理模塊用於根據所述結垢係數仿真管道流量。

有關鍋爐仿真系統的具體細節及益處與上述針對鍋爐仿真方法的細節及益處相同，於此不再贅述。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。