CN102840889B

CN102840889B - 单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法

Info

Publication number: CN102840889B
Application number: CN201210360382.XA
Authority: CN
Inventors: 刘鑫屏; 田亮
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: CN102840889A

Abstract

一种单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法，所述方法实时检测锅炉出口蒸汽的压力和温度、汽轮机入口蒸汽的压力和温度，并利公式计算蒸汽质量流量q_ms（kg/s），其中，K为面积流量系数（m²）；ρ为管道内蒸汽密度（Kg/m³）；p_B为锅炉出口蒸汽压力（Pa）；p_T为汽轮机入口蒸汽压力（Pa）；H为锅炉出口蒸汽压力测点与汽轮机入口压力测点之间的高度差（m）；g为重力加速度（m/s²）。本发明计算过程简单、静态准确度高、动态响应速度快、计算结果可靠、不增加节流损失，适用于各种单元制电站锅炉主蒸汽流量的测量。

Description

单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法

技术领域

本发明涉及一种可方便、快速、准确地测量电站锅炉主蒸汽流量的方法，属测量技术领域。

背景技术

主蒸汽流量是衡量电站锅炉负荷大小的重要参数，对锅炉运行状态监测和过程参数控制均具有重要作用。目前大型火力发电机组均采用单元制机组，即一台锅炉对应一台汽轮机一台发电机。公知的电站锅炉主蒸汽流量的测量方法主要有以下几种：

一、通过安装在锅炉主蒸汽管道上的标准节流装置测量主蒸汽流量，其测量准确度很高，但会造成比较大的节流损失。

二、通过测量汽轮机调速级后压力、温度，利用弗留格尔公式计算主蒸汽流量，其准确度较差但能基本满足运行要求。

三、利用锅炉、汽轮机汽水系统质量守恒、能量守恒定律计算主蒸汽流量。对于超临界锅炉，静态工况下主蒸汽流量等于给水流量；对于亚临界汽包锅炉，静态工况下主蒸汽流量等于给水流量加过热器减温水流量。但是，使用此方法计算得到的主蒸汽流量存在着巨大的动态误差。例如，当锅炉给水流量不变而燃料量增加时，会将锅炉汽水系统中存储的水过量蒸发，导致主蒸汽流量瞬时大于给水流量，直到给水控制系统动作后给水流量才会逐渐增加。另外，当锅炉省煤器、水冷壁、过热器等汽水管道发生泄漏时，会出现给水流量不正常地大于主蒸汽流量的现象，但此方法不能发现这种故障。

四、利用凝结水流量、汽轮机各级抽汽的温度和压力、各回热加热器汽侧及水侧的温度和压力计算主蒸汽流量。此方法具有较高的静态准确度，是验收机组实际蒸汽流量的标准，但计算所需参数众多，计算过程复杂，难以在线实施。另外，此方法同样存在着巨大的动态误差。

其中三、四所述方法计算得到的主蒸汽流量信号既不能用于控制，也难以用于故障诊断，只适合衡量静态工况下锅炉负荷的大小。

目前也有采用信息融合技术构造主蒸汽流量信号的方法，其基本过程是，设计互补滤波器组，取质量、能量守恒方法计算主蒸汽流量信号的低频分量，取弗留格尔公式计算主蒸汽流量信号的高频分量，将两者融合构成既“快”又“准”的主蒸汽流量信号。此方法的缺点是只适用于汽轮机存在调速级的情况，其应用范围受到很大限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算过程简单、静态准确度高、动态响应速度快而且适用范围广的单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法，所述方法实时检测锅炉出口蒸汽的压力和温度、汽轮机入口蒸汽的压力和温度，并利用下式计算蒸汽质量流量：

，

其中，q _ms为蒸汽质量流量（kg/s）；K为面积流量系数（m²），通过标定实验获得；ρ为管道内蒸汽密度（Kg/m³），利用锅炉出口和汽轮机入口蒸汽压力平均值、温度平均值通过水和水蒸汽热力性质公式（IAPWS-IF95）计算得到；p _B为锅炉出口蒸汽压力（Pa）；p _T为汽轮机入口蒸汽压力（Pa）；H为锅炉出口蒸汽压力测点与汽轮机入口压力测点之间的高度差（m）；g为重力加速度（m/s²）。

上述单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法，所述面积流量系数K的标定方法如下：

a.对于运行机组，通过锅炉汽水系统质量守恒定律进行标定：

在锅炉额定负荷附近，保持机组发电负荷、汽轮机前蒸汽压力、主蒸汽温度、给水流量稳定，记录给水流量、连续排污流量、各级过热器减温水流量、锅炉出口蒸汽压力、锅炉出口蒸汽温度、汽轮机入口蒸汽压力、汽轮机入口蒸汽温度，

超临界直流锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

，

汽包锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

，

式中，q _fw0为实验时锅炉给水流量平均值（Kg/s）；q _pw0为实验时锅炉连续排污流量平均值（Kg/s）；q _sw0为实验时锅炉过热器减温水流量平均值（Kg/s）；p _B0为实验时锅炉出口蒸汽压力平均值（Pa）；p _T0为实验时汽轮机入口蒸汽压力平均值（Pa）；ρ ₀为实验时管道内蒸汽密度平均值（Kg/m³），利用锅炉出口和汽轮机入口蒸汽压力平均值、温度平均值通过水和水蒸汽热力性质公式IAPWS-IF95（工业用水和水蒸气热力性质计算公式）计算得到；

b.对于新建机组，通过汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量进行标定：

在汽轮机热效率实验时，额外记录锅炉出口蒸汽压力、温度和汽轮机入口蒸汽压力、温度，实验结束后，通过汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量q _ms0标定面积流量系数K：

。

上述单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法，为了消除蒸汽流量突变对计算结果的影响，计算前需要对汽轮机前压力信号进行滤波处理，滤波器的传递函数为：

，

式中，G(s)为滤波器的传递函数；s为拉氏变换的复变量；T为惯性时间（s），取1s～2s。

本发明具有以下优点：

（1）可靠性高。本发明所采用的锅炉出口蒸汽温度、压力信号和汽轮机入口蒸汽温度、压力信号均为火电机组最重要的监测、控制信号，具有最高的可靠性等级，因此利用此信号计算得到的主蒸汽流量信号具有同等的可靠性。

（2）计算过程简单、实施方便。实施本发明不需要增加额外的信号测点，计算过程非常简单，可以在机组分散控制系统中组态实现，实施方便而且成本低。

（3）动态响应速度快，静态准确度足够。软测量得到的主蒸汽流量信号，具有同标准节流装置等同的动态响应速度。经过标定后，其静态准确度可以满足使用要求。

（4）不增加节流损失。同安装标准节流装置测量流量的方法相比，本方法不需要在管道内安装节流装置，因此不增加节流损失。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是主蒸汽流量软测量组态逻辑图。

文中所用符号：p _B、锅炉出口蒸汽压力（Pa）；p _T、汽轮机入口蒸汽压力（Pa）；ρ、管道内蒸汽密度（Kg/m³）；ξ、无量纲管道沿程阻力系数；v、流体速度（m/s）；H 、锅炉出口蒸汽压力测点与汽轮机入口压力测点之间的高度差（m）；g 、重力加速度（m/s²）；q _ms、蒸汽质量流量（Kg/s）；A 、管道截面积（m²）；K 、面积流量系数（m²）；q _fw0、实验时锅炉给水流量平均值（Kg/s）；q _pw0、实验时锅炉连续排污流量平均值（Kg/s）；q _sw0 、实验时锅炉过热器减温水流量平均值（Kg/s）；p _B0、实验时锅炉出口蒸汽压力平均值（Pa）；p _T0、实验时汽轮机入口蒸汽压力平均值（Pa）；ρ ₀、实验时管道内蒸汽密度平均值（Kg/m³）；q _ms0、汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量（Kg/s）；G(s)、滤波器的传递函数；s、拉氏变换的复变量；T 、惯性时间（s）；AVG、平均值计算逻辑；SUB、差值计算逻辑；SWD、水蒸汽密度计算逻辑；MUL、乘积计算逻辑；SQU、开平方计算逻辑；K2、增益计算逻辑，增益为面积流量系数K；K1、增益计算逻辑，增益为高度差H与重力加速度g的乘积。

具体实施方式

火力发电机组连接锅炉和汽轮机的主蒸汽管道结构包括两种形式，一种为锅炉出口A、B侧管道不进行汇合，两根管道直接连接至汽轮机；另一种为锅炉出口为A、B侧两根管道，在锅炉侧汇合为一根管道后连接至汽轮机侧，再分成A、B侧两根管道连接至汽轮机。为了提高可靠性，火力发电机组安装有多个冗余的主蒸汽温度和压力测点，在锅炉出口A、B侧管道内分别安装温度和压力测点测量锅炉出口蒸汽温度、压力，在汽轮机入口A、B侧管道内分别安装温度和压力测点测量汽轮机入口蒸汽温度、压力。锅炉出口蒸汽压力测点在锅炉顶部，汽轮机入口蒸汽压力测点在汽轮机平台下方，两种压力测点间存在较大的高度差。

无论主蒸汽管道结构采用何种形式，锅炉出口A、B侧管道和汽轮机入口A、B侧管道截面积是一样的，可以根据伯努利方程建立锅炉出口蒸汽压力与汽轮机入口蒸汽压力之间的关系式：

（1）

式（1）中：p _B为锅炉出口蒸汽压力（Pa）；p _T为汽轮机入口蒸汽压力（Pa）；ρ为管道内蒸汽密度（Kg/m³）；ξ为无量纲管道沿程阻力系数；v为流体速度（m/s）；H为锅炉出口蒸汽压力测点与汽轮机入口压力测点之间的高度差（m）；g为重力加速度（m/s²）。

根据式（1）可以推导得到：

（2）

蒸汽质量流量计算公式为：

（3）

式（3）中：q _ms为蒸汽质量流量（Kg/s）；A为管道截面积（m²）。

将式（2）代入式（3）得到：

（4）

令，则有：

（5）

公式（5）中：K定义为面积流量系数（m²）。

在公式（5）中，锅炉出口蒸汽压力p _B和汽轮机入口蒸汽压力p _T可以测量；管道内蒸汽密度ρ可以利用管道内蒸汽温度、压力信号，通过水和水蒸汽热力性质公式（IAPWS-IF95）计算，温度取锅炉出口和汽轮机入口蒸汽温度的平均值，压力取锅炉出口和汽轮机入口蒸汽压力的平均值；高度差H采用机组设计值计算，为常数；重力加速度取常数为9.81m/s²。这样，只需要知道面积流量系数K即可计算主蒸汽流量。

可以通过两种标定实验求取面积流量系数K。实验前都需确认锅炉安全阀关闭无漏汽、主蒸汽旁路阀关闭无漏汽、锅炉汽水管道系统无泄漏、锅炉定期排污系统关闭，锅炉给水流量、过热器减温水流量测量装置工作正常。

对于运行机组，可采用第一种标定实验，即通过锅炉汽水系统质量守恒定律进行标定。实验在锅炉额定负荷附近进行，保持机组发电负荷、汽轮机前蒸汽压力、主蒸汽温度、给水流量稳定，记录给水流量、连续排污流量、各级过热器减温水流量、锅炉出口蒸汽压力、锅炉出口蒸汽温度、汽轮机入口蒸汽压力、汽轮机入口蒸汽温度。

超临界直流锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

（6）

汽包锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

（7）

公式（6）（7）中，q _fw0为实验时锅炉给水流量平均值（Kg/s）；q _pw0为实验时锅炉连续排污流量平均值（Kg/s）；q _sw0为实验时锅炉过热器减温水流量平均值（Kg/s）；p _B0为实验时锅炉出口蒸汽压力平均值（Pa）；p _T0为实验时汽轮机入口蒸汽压力平均值（Pa）；ρ ₀为实验时管道内蒸汽密度平均值（Kg/m³），利用蒸汽压力、温度平均值计算得到。

对于新建机组，可采用第二种标定实验，即通过汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量进行标定，具有更高的准确度。具体方法是，在汽轮机热效率实验时，额外记录锅炉出口蒸汽压力、温度和汽轮机入口蒸汽压力、温度。实验结束后，通过汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量q _ms0标定面积流量系数K：

（8）

公式（8）中，q _ms0为汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量（Kg/s）。

另外，由于连接锅炉与汽轮机管道内蒸汽流速很快，当汽轮机高压缸进汽调节门突然动作时，会产生“水锤”现象。例如，当汽轮机高压缸进汽调节门突然关小时，高速流动的蒸汽由于惯性作用会在汽轮机高压缸进汽调节门前突然压缩，导致汽轮机入口蒸汽压力突然升高然后下降。同时，蒸汽管道内存储有一定容量的蒸汽，这也会导致蒸汽流量突然变化时汽轮机入口蒸汽压力同锅炉出口蒸汽压力的动态特性存在微小差异。为此需要对汽轮机前压力信号进行滤波处理，然后再参与计算。滤波器的传递函数为：

（9）

公式（9）中，G(s)为滤波器的传递函数；s为拉氏变换的复变量；T为惯性时间（s），取1s～2s。

本发明的操作步骤

以在火电机组分散控制系统（DCS）中实现主蒸汽流量软测量为例说明。

（1）原始信号确认。首先需要确认锅炉出口A、B侧蒸汽温度、压力信号，汽轮机入口A、B侧温度、压力信号无故障。对于已经投运的火电机组，需要确认给水流量、过热器减温水流量、连续排污流量信号正常；对于新建机组，需要保证进行汽轮机热效率实验所需各个信号正常。

（2）软测量逻辑组态。在火电机组DCS中，按照附图1所示逻辑，完成软测量组态。在组态逻辑图中，AVG为平均值计算逻辑；G(s)为滤波器的传递函数，为1/(1+Ts)²；SUB为差值计算逻辑；SWD为水蒸汽密度计算逻辑；MUL为乘积计算逻辑；SQU为开平方计算逻辑；K1为增益计算逻辑，增益为高度差H与重力加速度g的乘积；K2为增益计算逻辑，增益为面积流量系数K。

（3）面积流量系数标定。对于正常运行机组，采用第一种标定实验，即通过锅炉汽水系统质量守恒定律进行标定。实验在锅炉额定负荷附近进行，保持机组发电负荷、汽轮机前蒸汽压力、锅炉过热蒸汽温度稳定，记录给水流量、连续排污流量、各级过热器减温水流量、锅炉出口蒸汽压力、锅炉出口蒸汽温度、汽轮机入口蒸汽压力、汽轮机入口蒸汽温度。

超临界直流锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

（10）

汽包锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

（11）

对于新建机组，采用第二种标定实验，即通过汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量进行标定，具有更高的准确度。具体方法是，在汽轮机热效率实验时，额外记录锅炉出口蒸汽压力、锅炉出口蒸汽温度、汽轮机入口蒸汽压力、汽轮机入口蒸汽温度。实验结束后，通过汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量标定面积流量系数K：

（12）

标定完成后，在DCS组态逻辑中将实验获得的面积流量系数K设置好，即可实现主蒸汽流量软测量。

Claims

1.一种单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法，其特征是，所述方法实时检测锅炉出口蒸汽的压力和温度、汽轮机入口蒸汽的压力和温度，并利用下式计算蒸汽质量流量：

，

其中，q _ms为蒸汽质量流量kg/s；K为面积流量系数m²，通过标定实验获得；ρ为管道内蒸汽密度Kg/m³，利用锅炉出口和汽轮机入口蒸汽压力平均值、温度平均值通过水和水蒸汽热力性质公式IAPWS-IF95计算得到；p _B为锅炉出口蒸汽压力Pa；p _T为汽轮机入口蒸汽压力Pa；H为锅炉出口蒸汽压力测点与汽轮机入口蒸汽压力测点之间的高度差m；g为重力加速度m/s²；

所述面积流量系数K的标定方法如下：

超临界直流锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

，

汽包锅炉面积流量系数K采用以下方式计算：

，

式中，q _fw0为实验时锅炉给水流量平均值Kg/s；q _pw0为实验时锅炉连续排污流量平均值Kg/s；q _sw0为实验时锅炉过热器减温水流量平均值Kg/s；p _B0为实验时锅炉出口蒸汽压力平均值Pa；p _T0为实验时汽轮机入口蒸汽压力平均值Pa；ρ ₀为实验时管道内蒸汽密度平均值Kg/m³，利用锅炉出口和汽轮机入口蒸汽压力平均值、温度平均值通过水和水蒸汽热力性质公式IAPWS-IF95计算得到；

，

式中，q _ms0为汽轮机热效率实验计算得到的主蒸汽流量Kg/s。

2.根据权利要求1所述单元制电站锅炉主蒸汽流量软测量方法，其特征是，为了消除蒸汽流量突变对计算结果的影响，计算前需要对汽轮机前蒸汽压力信号进行滤波处理，滤波器的传递函数为：

，

式中，G(s)为滤波器的传递函数；s为拉氏变换的复变量；T为惯性时间s，取1s～2s。