基于现场数据的汽包压力动态建模研究与仿真.doc

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1、基于现场数据的汽包压力动态建模研究与仿真张小桃1, 2 ,倪维斗1 ,李政1 ,郑松1(1. 清华大学 热能系, 北京 100084; 2. 华北水利水电学院 动力系, 郑州 450008)摘要: 基于大量的现场运行数据, 可以建立汽包压力的动态数学模型。在对原汽包压力机理模型分析的基础上, 由可测变量代替原机理模型中的不可测变量, 在满足小扰动的条件下, 对汽包压力 建模过程中的非线性过程进行了线性化处理; 利用汽包压力以及各输入数据小范围内变化以及接近线性化的现场数据, 建立了不同变工况下的汽包压力动态数学模型, 并且对其进行了仿真研究。结果表明, 当分别对给煤流量、给水流量和汽包入口水温

2、进行阶跃输入时, 汽包压力的响应过程的 总体趋势是与其机理相一致的。 图 3 表 1 参 7关键词: 自动控制技术; 锅炉; 汽包压力; 数学模型; 动态建模; 现场数据; 仿真中图分类号: T K 233文献标识码: AD ynam ic M o d e ling a nd S im u la t io n o f D rum 2S te amP re s s u re B a s e d o n L o ts o f O n2L ine D a taZ H A N G X ia o2ta o1, 2 ,N I W e i2d ou 1 ,L I Z h en g 1 ,Z H EN G S

3、 on g 1(1. D ep a r tm en t o f T h e rm a l E n g in ee r in g, T sin gh u a U n ive r sity, B e ijin g 100084, C h in a;2.D ep t. o f Pow e r E n g in ee r in g, N o r th C h in a In st itu te o f W a te r Co n se rvan cy an dH yd ro e lec t r ic Pow e r, Zh en gzho u 450008, C h in a)A b s t ra c

4、 t: B a sed o n lo t s o f o n 2lin e da ta, dyn am ic m o de ls o f d rum 2steam p re ssu re co u ld b e b u ilt.O nth ean a ly sis o f m ech an ism m o de ls o f d rum 2steam p re ssu re an d th ro u gh th e m ea su rab le va r iab le in stead o f no n 2m ea su rab le va r iab le, no n 2lin ea r p

5、 ro ce ss o f d rum 2steam p re ssu re h ad b een t rea ted w ith lin ea r o n lit t le d is2 tu rb an ce; O n u t ilizin g o n 2lin e da ta o f d rum 2steam p re ssu re an d th e o th e r inp u t s w ith lit t le ran ge ch an ge2 ab le an d n ea r lin ea r, th e steam p re ssu re dyn am ic m o de l

6、s h ad b een b u ilt in th e d iffe ren t t ran sien t sta te s an d th e sim u la t io n h ad b een stu d ied a s w e ll. T h e re spo n se p ro ce sse s o f d rum 2steam p re ssu re m o de l b u ilt to th e m a in inp u t s a re acco rdan t w ith it s m ech an ism p ro ce ss. F ig s 3, tab le 1 an

7、 d ref s 7.Ke y w o rd s : au to co n t ro l tech n iqu e; bo ile r; d rum 2steam p re ssu re; m a th em a t ic s m o de l; dyn am ic m o de lin g;o n 2lin e da ta; sim u la t io n热工对象动态过程的建模方法一般是将整个复杂的热工对象划分为若干个环节, 并根据热工过程 方面的专业知识分析其内部机理过程找出个环节之间的相互联系, 对每个环节写出描述个变量关系的微分方程, 导出相应的传递函数, 最后建立起整个复 杂对象的动

8、态数学模型。 汽包压力的动态建模就是 其中之一。 但在对汽包压力用机理方法进行动态建之间的传递函数, 但不能由系统辨识方法进行验证。并略去 y v 的高阶项后, 得到线性化增量方 x本论文通过对已建立的机理模型的分析, 建立了由可测输入输出变量构成的汽包压力机理模型。 作者通过对采集的大量数据的分析和处理, 基于现场数据, 通过系统辨识, 建立了汽包压力的经验模型。 通过仿真研究对机理模型进行了验证。 其优 点在于: 避免了在进行机理建模时计算大量的工质 的特性参数和列解大量的微分方程; 可以比机理模型更真实和合理地反映了汽包压力的动态变化过程。由于锅炉中的工质参数在不同状态下差别很 大, 具

9、有明显的非线性特点。在用机理方法对汽包压 力进行建模时, 要对由输入输出构成的非线性函数 进行线性化处理, 并且作一定的假设, 才能建立其模 型。在用现场数据进行动态建模时, 也应与机理建模 相一致, 采用小扰动方法, 对数据的选取有一定的要 求, 在论文里有详细的论述。程:5f 5f 5f 5f y +05f y+0 x+0 y =05y5y5y5x55(7) x +0 v +0 v05x5v5v汽包压力的机理模型在机组运行时, 汽包压力会随着机组负荷的变 化而变化。在负荷变动过程中, 当蒸汽流量大于蒸发 区的产汽量时, 汽包压力下降, 蒸发区中饱和水温度 和焓下降, 金属温度也下降, 从而

10、放出一些热量使一 部分饱和水蒸发, 这部分蒸汽是由蒸发区蓄热量变 化而产生的, 即对汽包压力的影响除燃烧和汽水工 质方面的原因外, 还与汽水系统的金属蓄热情况有 关。因此, 对汽包压力动态特性的分析要综合个方面 的因素, 来较全面地反映汽包压力的变化规律。根据参考文献2 中的论述, 建立的汽包压力数 学模型如下,2非线性过程的线性化对于非线性环节, 通常假设在稳态工作点附近 偏离很小, 即研究小扰动时的情况, 并实现线性化处 理。设输入 x 与输出 y 之间有如下非线性函数关 系:1 r rdp z f 1 d =5 z f +- h q D sm -D qb- - I z f(8)式中r=

11、h - h 汽化潜热h q = h - h sm 汽包进水欠焓p z f 汽包压力5 z f 蒸发区吸热热流量h sm 省煤器出口水比焓h , h 饱和水、饱和蒸汽比焓D sm 省煤器出口水流量D qb 汽包出口蒸汽流量V , V 蒸发区汽、水容积, 饱和水、饱和蒸汽的密度y = f (x )(1)设稳态工作点为 (x 0 , y 0 ) , 上式在 ( x 0 , y 0 ) 点展开成泰勒级数:dfy = f (x 0 ) +(x - x 0 ) +dxx = x 0 1 d2 f2 +(x -x 0 )+(2)2! dx 2x = x0若 x 在小范围内变化, 则可忽略 (x -次项, 可

12、得x 0 ) 的高其中 I z f = f , , h , h , V , V , p z f , cj , m j , tj()dfy f (x 0 ) +(x -x 0 ) =k x (3)y 0 +为蒸发区热惯性。 其物理意义是: 在单位压力变化时, 蒸发区所释放的热量。 将上式在稳态工作点附近线性化, 可得dxx = x 0或写成增量形式: y k x(4)d p z fr各种多变量非线性方程的处理是相似的。 各种非线性微分方程的线性化方法也是相似的。 设非线 性微分方程为 5 z f +- h q D sm +=d - rD sm 0 h sm -D qb(9)-f (y , y,

13、y, x , x) = (v , v)(5)式中角标 0 表示稳态工作点处的参数值。现在对上式进行分析, 由于热流量和工质焓等 是不可测变量, 可以通过可测变量来表示。这样有利 于构成由可测变量组成的输入输出关系。式中: y x v 分别为环节的输出、输入和扰动信号。设y = y 0 x = x 0 v = v 0 为稳态工作点, 即有(y 0 , 0, 0, x 0 , 0) = (v 0 , 0)(6)f1I z f为是常数, 因而 h sm 和 tsm 温度成正比。模研究。3. 3 纯滞后问题对于正常运行机组, 由稳态向动态变化的过程 中, 过程对现场数据的分析, 很容易确定由输入到输

14、出的纯滞后时间。 由于输出的变化滞后于输入的变化, 根据输出与输入数据的时间差别, 就可以确定输 出变量对每一个输入变量的纯滞后时间。 对于本过 程的动态建模问题, 通过对大量现场数据的分析, 可 以确定出输出变量汽包压力对给水流量、给煤量和汽包入口水温的纯滞后时间分别为: 100 s, 100 s 和20 s。 由于采集数据是以 10 s 为一个采集周期, 所以 输出对各输入的纯滞后分别为 10, 10, 2。3. 4 建模方法通过热工过程辨识建立系统模型的方法就是利 用输入输出数据, 在一定准则意义上, 寻找与过程特性等价的数学模型。辨识方法可采用M a t lab 中的系 统辨识工具箱中

15、的辨识方法。对于A R X 模型, 其具有如下的形式:汽包出口蒸汽量是由汽包压力和锅炉出口压力差决定的, 因而有 D qb = f ( p z f )。汽包饱和蒸汽焓h 也是汽包压力的函数, 两者的关系也可以表示为: h = f ( p z f )。蒸发区吸热热流量的变化 5 z f 可认为与进入 炉膛的给煤量变化 B 成正比的, 即 5 z f = k B 。当把汽包压力作为输出信号, 与其相关的输入信号有: 给水量 D sm , 汽包入口温度 tsm , 给煤量 B和汽包出口蒸汽量D qb。而D qb 又与汽包压力 p z f 和主 蒸汽压力 p 0 的压力差 p 有关。把以上各种关系式带

16、入上式, 进行整理且进行拉氏变换, 可得汽包压力与几个可测输入量的传递 函数。 p z f (s) k p k (10)=B (s)1 + T p s p z f (s) k p r(11)D sm (s) =-h d1 + T p s -0 p z f (s)csm k pA (q) y ( t) = q- nkB (q) u ( t) + e ( t)(13)=(12)D sm 0 tsm (s)1 +T p sa 1 q- 1 + a 2 q- 2 + + a na q- naA (q) = 1 +3 基于现场数据的建模方法3. 1 数据选取从汽包压力建模的机理上分析, 其动态模型的 建

17、立是经过线性化处理后得到的, 而线性化是以变 量的增量形式来描述的。 因此, 在进行辨识建模以 前, 要对数据进行认真地选取和适当地处理。 首先,要选取机组动态过程中的数据, 以保证所有的数据 都处于变化过程中; 其次, 根据建模的要求, 选择所 有的变量都是线性变化或接近于线性变化的过程数 据; 把过程变化的数据与其稳态数据相比, 得到变量 的增量数据; 由于过程小扰动的要求, 尽量选取在小负荷变化范围内的过程数据。 由于拥有电厂近一年的、并且可以以 1 s 为单位的所有现场数据, 这样为 数据的选取和建模带来了很大的益处和便利。3. 2 线性多输入变量的建模问题对于多输入单输出过程的动态建

18、模, 原则上应 该使各输入量互不相关。 从数据的采集过程及其对所采集数据的分析来看, 主要的输入量: 给水流量和给煤量都是流量信号, 流量信号本身就含有一定的 测量燥声, 即可认为给水流量和给煤量是两个随机 信号。这样, 三个输入信号之间是不可能相关的。因此, 就可以根据选取的输入输出数据对过程进行建(14)(15)B (q) =b1 + b2 q- 1 + + + bnbq- nb其中, n a 和 n b 分别为相应多项式的阶次, n k 为对象的纯时延, e ( t) 为零均值白噪声。y ( t) = y t +1 ( )y n ( t) 为 n 个输出量矩阵; u ( t) =u 1

19、( t) + um ( t) 为个输入量矩阵。m3. 5模型的检验模型的精确度以损失函数及过程计算模型输出 与实际输出的适应度的大小来衡量。适应度大, 说明辨识所得到的模型更精确, 更符合过程变化的实际 状况。适应度的大小以 f it 来计算, 其公式如下:y h - y (16)f i t =N式中, y h 为模型输出向量或矩阵; y为模型实际输出; N为输出数据的长度。3. 6模型的建立通过对大量数据以及多种变工况的建模和分 析, 最终根据 95% , 75% 和 40% 负荷附近小范围内 变工况的数据, 建立了汽包压力的动态数学模型。其中, B 1 为给煤流量、B 2 为汽包入口水温、

20、B 3 为给水 流量对应的模型系数。 其适应度都在 90% 以上, 保证了模型的精度。表 1汽包压力的动态数学模型系数及其适应度Ta ble 1The drum - steam pre ssure s dynam ic m a them a t ic m ode l coef f ic ien t an d its f itn e ss负荷95%75%40%0. 6203q -0. 123q -0. 1656q -0. 2951q -0. 4574q -0. 09776q -A (q)B 1 (q) B 2 (q) B ( 3)适应度1-1-21-1-21-1-20. 2672q - 20.

21、40080. 049450. 10630. 46030. 23060. 0010490. 0062130. 00421390. 18%94. 19%90. 66%计算模型输出( 1) 与实际 输出( 2)3. 7仿真研究当给煤流量和给水流量分别相对于机组 100% 时的数据增加 5% 和汽包入口水温增加 1C 时, 通 过 仿 真 研 究 , 得 到 了 图 1 图 3 的 仿 真 曲 线 (1-40% )。95% ; 2-75% ; 3-图 3 汽包入口水温变化时汽包压力的阶跃响应曲线F ig 3 T h e d rum 2steam p re ssu re re spo n se cu r

22、ve a s d rum in le t w a te r tem p e ra tu re is inc rea sed 1 C图 1F ig 1给煤流量增加 5% 汽包压力的响应曲线T h e d rum 2steam p re ssu re re spo n se cu rve a s feed2co a l f low is inc rea sed 5%3. 8 结果分析从图 2 和图 3 可以发现: 在不同的机组负荷下, 增加相同的给煤流量和给水流量, 汽包压力的变化 程度是不同的。由于基于现场数据建立的模型就, 在 满足适应度的要求的情况下, 模型阶数高于机理模型的阶数, 反映在响

23、应曲线上, 就是在响应初期出现了稍微的震荡, 但总体趋势是与机理模型相一致的。 在同样增加 5% 给煤和给水流量的情况下, 给煤流 量对汽包压力的影响大于给水流量的影响。 这是因r-为,h q 是同一数量级, 其差值很小。- 从图 4 可以知道: 汽包入口水稳变化对汽包压力的影响是不能忽略的。随着机组负荷的降低, 模型图 2给水流量增加 5% 汽包压力的响应曲线F ig 2 T h e d rum 2steam p re ssu re re spo n se cu rve a s力的响应曲线是降低的。 这与机理模型是一致的。学模型, 避免了在进行机理建模时计算大量的工质的特性参数和列解大量的微

24、分方程。 并且所建立的模型根据实际电站输入输出数据, 比机理模型更真 实和合理地反映了汽包压力的动态变化过程。结论(1) 在原有汽包压力机理模型的基础上, 由可 测变量代替不可测变量, 建立了基于输入输出数据 的机理模型。 这样将更有利于基于现场数据对热工 对象进行建模研究。(2) 根据非线性过程在稳态点附近线性化的要 求, 从电站历史数据库中选取了与汽包压力动态建 模有关的大量输入输出数据。 在满足线性多变量系 统建模的条件下, 对汽包压力进行了动态过程建模。 (3) 通过对输入输出数据得到的模型进行仿真研究, 发现汽包压力对给煤、给水和汽包入口水温的 响应过程是与机理相一致的。(4) 基于

25、输入输出数据建立汽包压力的动态数4参考文献:方崇智, 萧德云. 过程辨识M . 北京: 清华大学出版社, 2000.123张玉铎. 系统辨识与建模M .北京: 水利电力出版社, 1995.章臣樾. 锅炉动态特性及其数学模型M . 北京: 水利电力出版社, 1986.杨献勇. 热工过程自动控制M . 北京: 清华大学出版社, 1999. 刘长良. 大机组热工过程动态模型的研究及应用D . 保定: 华 北电力大学, 2002.倪维斗, 徐向东, 李 政. 热动力系统建模与控制的若干问题M . 北京: 科学出版社, 1996.黄文梅, 杨 勇, 熊桂林, 成晓明. 系统仿真分析与设计M . 长 沙:

26、 国防科技大学出版社, 2001.4567(上接第 359 页)由于汽轮机的回热抽汽系统为系统内能量循 环, 故计算时不必对回热系统进行计算, 计算工作量小; 该方法所需测点少, 测点积累误差小, 且计算方 法简单; 由于轴封和门杆漏汽所带的热量最终都进 入了汽轮机的回热系统, 这部分能量为系统内能量循环, 计算时不必考虑。计算结果表明: 用 F lge l 及 其改进型公式可以准确计算汽轮机的排汽量, 用该方法计算得到的汽轮机排汽焓, 具有较高精度。孙 伟, 叶 琳, 李 勇. 200M W 汽轮机相对内效率4在线监测与诊断 J .(1) : 52 56.东 北 电 力 学 院 学 报, 1

27、997, 17司风琪, 叶斌, 胡华进, 徐治皋. 汽轮机低压缸效率的改进算法J . 动力工程, 1999, 19 (4) : 297 299.李 勇, 曹丽华, 杨善让. 凝汽式汽轮机相对内效率56在线监测的一种近似计算方法J .报, 2002, 22 (2) : 64 67.中国电机工程学沈士一, 庄贺庆, 康 松, 庞立云. 汽轮机原理 M .北京: 中国电力出版社, 1992.剪天聪. 汽轮机原理 M . 北京: 电力工业出版社,1986.Zh ang C h unfa, C u i Y ingho ng, Yang W enb in, Zh ang D ech eng, So ng

28、Zh ip ing. P roo f fo r P a r t o f th e S t t la F low E xp e r im en ta l Co nc lu sio n and th e Im p ro vem en to f F lge l Fo rm u la J . Sc ien ce in ch ina ( Ser ie s E ) ,2002, 45 (1) : 35 46.7参考文献:8韩中合, 杨昆. 汽轮机中蒸汽湿度测量方法的研究1现状J . 华北电力大学学报, 2002, 10 (4) : 44 47.任浩仁, 盛德仁, 等. 汽轮机在线性能计算中排汽焓 的确定J

29、 . 动力工程, 1998, 12 (6) : 1 4.92S iem en s. J iax ing 2 300M W3pow e r p lian t p e rfo r2m ance ca lcu la t io n s R . S iem en skw u L etw eck , 1993.31H e r2file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56