CN103776502B - 火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，包括：1：建立再热通道结构参数数据库，从厂级监控信息系统实时数据库读取相关测点数据；2：根据工质物性参数库，结合测点数据，实时计算当前时刻k再热通道内、高压缸出口处、中低压缸入口处和高压加热器处相关的工质的物性参数；3：建立回热抽汽质量流量计算模型，结合从厂级监控信息系统服务器中读取的主蒸汽质量流量，计算中低压缸入口热再热蒸汽质量流量；4：建立再热通道工质质量衡算模型，实时计算中低压缸入口热再热蒸汽质量流量。本发明能用于中低压缸入口热再热蒸汽质量流量的在线测量，还可用于中低压缸汽轮机效率、再热器换热效率等指标的实时评估。

Description

火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法

技术领域

本专利涉及一种用于火力发电热再热蒸汽质量流量的估计方法，具体地，是基于动态质量和能量平衡的火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法。属于火力发电控制领域。

背景技术

火力电站蒸汽质量流量的一般测量方法为：在蒸汽管道的适当位置安装前后两个压力传感器，获得两测点的实时压差，再代入压差与流量的经验公式计算获得蒸汽质量流量。然而，在中低压缸入口处，一般只有一个压力传感器，用于监测热再热蒸汽压力状态是否正常，但无法获得与热再热蒸汽质量流量计量相关的压差，故一般火力电站厂级监控信息服务器中都没有热再热蒸汽质量流量的实时记录。然而，热再热蒸汽质量流量是评估中低压缸汽轮机效率的重要依据，其实时数据的缺失增大了中低压缸汽轮机效率实时评估的难度，也是再热器换热效率实时监控和再热蒸汽质量流量实时控制的瓶颈问题。

对现有技术的检索发现，中国专利申请号201310110459.2，公开日2013-7-10，涉及了一种热再热蒸汽质量流量的实时计算方法，该方法根据能量守恒原理，通过给水流经1#和2#高压加热器时获得的焓增，间接推算抽自高压缸的回热抽气质量流量；再根据质量守恒原理，由高压缸主蒸汽质量流量和回热抽气质量流量，实时计算高压缸出口冷再热蒸汽的质量流量，最后将冷再热蒸汽质量流量直接等价为热再热蒸汽质量流量。然而，该方法未将1#高压加热器的疏水与2#高压加热器中给水的能量交换考虑在内，这会使回热抽气质量流量的计算值偏高，进而导致冷/热再热蒸汽质量流量估计值偏低；同时，该方法未考虑再热通道中工质蓄积量的动态变化，这样，当再热蒸汽压力发生变化时(如变负荷阶段)，因再热通道内工质蓄积质量的增减导致冷/热再热蒸汽质量流量失衡，导致热再热蒸汽质量流量实时计算的误差加大。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种基于高压加热器内能量守恒和再热通道工质质量守恒的火力电站中低压缸入口热再热蒸汽质量流量的确定方法，该方法将前一级高压加热器疏水在后一级高压加热器中的换热纳入模型计算，实时校正抽自高压缸的回热抽汽质量流量，进一步校正冷再热蒸汽质量流量；同时该方法考虑了再热通道中蓄积工质的动态特性，根据工质物性参数数据库和再热通道换热设备结构参数数据库，实时计算再热通道内工质蓄积量的变化率；最后结合校正后的冷再热蒸汽质量流量和再热通道内工质蓄积量的变化率，计量中低压缸入口热再热蒸汽的质量流量。

为实现以上目的，本发明提供一种火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，该方法具体步骤包括：

步骤1：根据锅炉运行设计规程，建立再热通道结构参数数据库；所述再热通道结构参数数据库包含以下信息：再热通道管道沿工质流动方向的总长度L，并将总长度L分为n段等长的短管；再热通道沿工质流动方向的换热管截面积分布A(i)，即第i段短管的截面积；从厂级监控信息系统实时数据库读取相关测点数据，包括：高压缸入口主蒸汽质量流量D_zzq、高压加热器入口给水质量流量D_gs、以及各测点处工质的状态参数包括温度T_gz和压力p_gz；

步骤2：根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，结合从现场厂级监控信息系统服务器读取的测点数据(主要是工质状态参数即温度T_gz和压力p_gz)，实时计算当前时刻k，1#和2#高压加热器的进汽焓值h_jq1和h_jq2；疏水焓值h_ss1和h_ss2；给水流经1#高压加热器时的进出口焓值h_jgs1和h_cgs1；给水流经2#高压加热器时的进出口焓值h_jgs2和h_cgs2；由再热通道各段短管工质温度T_gz(i)和压力p_gz(i)计算再热通道内各处内工质的密度ρ_gz(i)；所述工质物性参数数据库根据水和水蒸气热力性质工业公式IAPWS-IF97建立；

步骤3：由能量守恒原理建立回热抽汽质量流量计算模型，实时计算被抽至1#和2#高压加热器的回热抽汽质量流量D_jq1和D_jq2；再结合高压缸入口主蒸汽质量流量D_zzq，实时计算冷再热蒸汽质量流量D_lzr；

步骤4：建立再热通道工质质量衡算模型，根据再热通道工质质量衡算模型，实时计算再热通道中的工质质量变化率，并结合步骤3获得的冷再热蒸汽质量流量D_lzr，实时计算中低压缸入口热再热蒸汽质量流量D_rzr；

以时刻t₀为计时起点，Δt为计算步长，使用火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，以时间先后为序，分别确定t₀、t₀+Δt、t₀+2Δt、……、t₀+nΔt时刻下相应的热再热蒸汽质量流量D_rzr(t₀)、D_rzr(t₀+Δt)、D_rzr(t₀+2Δt)、……、D_rzr(t₀+nΔt)，并绘制D_rzr随时间变化的趋势曲线。

优选地，步骤2中，所述再热通道各段短管工质温度T_gz(i)和压力p_gz(i)由再热通道(以高压缸出口为起点，中低压缸入口为终点)内各段短管两端温度T_gz和压力p_gz的工质测点数据线性计算获得。

优选地，步骤2中，所述所有工质焓值h和密度ρ均根据工质物性参数数据库，由当前时刻k对应位置处工质的温度T和压力p计算获得。

优选地，步骤3中，所述回热抽汽质量流量计算模型具体为：

$D_{jq1}=D_{gs}\·\frac{h_{cgs1}-h_{jgs1}}{h_{jq1}-h_{ss1}}$

式中：

D_gs是高压加热器入口给水质量流量；h_cgs1是1#高压加热器的出口给水焓值；h_jgs1是1#高压加热器的进口给水焓值，因为1#与2#高压加热器串联，所以同时也是2#高压加热器的出口给水焓值h_cgs2；h_jq1是1#高压加热器的进汽焓值；h_ss1是1#高压加热器的疏水焓值；D_jq1是被抽至1#高压加热器的回热抽汽质量流量；

由于1#高压加热器疏水温度比2#高压加热器中给水温度高，故在#2高压加热器中，1#高压加热器的疏水仍然与给水发生热交换，给水被加热所需的能量一部分来自汽轮机高压缸的回热抽汽，一部分来自1#高压加热器的疏水：

$D_{jq2}=\frac{D_{gs}(h_{cgs2}-h_{jgs2})-D_{jq1}(h_{ss1}-h_{ss2})}{h_{jq2}-h_{ss2}}$

式中：

h_cgs2是2#高压加热器的出口给水焓值，因为2#与1#高压加热器串联，所以同时也是1#高压加热器的进口给水焓值h_jgs1；h_jgs2是2#高压加热器的进口给水焓值；h_jq2是2#高压加热器的进汽焓值；h_ss2是2#高压加热器的疏水焓值；D_jq2是被抽至2#高压加热器的回热抽汽质量流量；

冷再热蒸汽确定方法：

D_lzr＝D_zzq-D_jq1-D_jq2

式中：D_lzr为冷再热蒸汽质量流量；D_zzq为高压缸入口主蒸汽质量流量。

优选地，步骤4中，所述再热通道工质质量衡算模型具体为：

$\frac{dM}{dt}=D_{lzr}-D_{rzr}$

$\frac{dM}{dt}\stackrel{\·}{=}M\left(k\right)-M(k-1)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{gz}{\left(i\right)}^{\left(k\right)}A\left(i\right)\·0.1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{gz}{\left(i\right)}^{(k-1)}A\left(i\right)\·0.1$

$D_{rzr}=\frac{dM}{dt}+D_{lzr}$

式中：

k为当前时刻；

k-1为前一采样时刻；

M为再热器系统中蓄积工质总质量；

ρ_gz(i)^(k)为当前时刻k，第i段再热器短管中工质的密度；

ρ_gz(i)^(k-1)为上一采样时刻k-1，第i段再热器短管中工质的密度；

A(i)为第i段再热器短管的截面积；

dt为时间的微分；

D_lzr为再热器系统输入工质质量即冷再热蒸汽质量流量；

D_rzr为再热器系统输出工质质量即热再热蒸汽质量流量。

本发明能用于火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量的在线计量，还可用于中低压缸汽轮机效率、再热器换热效率等指标的实时评估。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

与以往直接将高压缸出口冷再热蒸汽质量流量等价为中低压缸入口热再热蒸汽质量流量的方法相比，该方法给出了在满足再热通道内工质质量平衡和高压加热器内能量守恒关系下的中低压缸入口热再热蒸汽质量流量的计量值；同时在计算回热抽气质量流量时，将1#高压加热器疏水在2#高压加热器中的热交换纳入模型计算，相比原有方法更加准确。在每一时刻的热再热蒸汽质量流量计量中，都将再热通道、高压缸以及高压加热器的测点信息统一起来，得到相应时刻下的热再热蒸汽质量流量。在下一时刻，基于同样的质能守恒关系可测量热再热蒸汽质量流量，它与前一时刻热再热蒸汽质量流量的差值可真实、准确的反映出中低压缸入口热再热蒸汽质量流量随时间的变化量。作为一种实时计量方法，计算热再热蒸汽质量流量所需的测点数据均从厂级监控信息系统服务器实时数据库直接读取，现场不需要额外增加测点，只需在已有的控制系统中增加相应的软件模块即可，成本低。热再热蒸汽质量流量的实时计量是迭代进行的，迭代中仅需要保存上一采样时刻(即k-1时刻)的结果，内存占用少，实时性强。同时，借助可覆盖全工况的工质物性参数数据库，该方法在不同工况和负荷条件下都可以准确跟踪热再热蒸汽质量流量的变化，而设备结构参数数据库的建立则使该方法可以非常方便的推广到其他设备结构不同的锅炉机组控制系统中，用于实时评估锅炉各项效率指标，为锅炉机组的优化调度提供实时数据支持。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1锅炉烟道换热器分布示意图；

图2再热通道工质流通截面积分布；

图3工质物性参数数据库输出(焓值)；

图4工质物性参数数据库输出(密度)；

图5中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量值随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，以某300MW火电机组为例，该自然循环锅炉型号为HG-1025/17.3-WM18型，锅炉为亚临界、自然循环、一次中间再热、“W”火焰燃烧方式、双拱单炉膛、平衡通风、尾部双烟道、烟气挡板调温、固态排渣、露天布置、全钢架悬吊式汽包炉。

本实施例提供一种基于再热通道中工质质量平衡的火电机组汽包出口饱和蒸汽质量流量的实时计量方法，具体步骤包括：

步骤1：根据锅炉运行规程，建立主要设备结构参数数据库，该数据库包含以下固定参数信息：

再热器管道沿工质流动方向如图1中实线箭头方向所示，其总长为123.5m，将总长度L分为1235段等长的短管，即每段短管长度设定为0.1米；

换热器沿工质流动方向的换热管截面积分布A(i)，即第i段短管的截面积，各主要设备截面积A(i)分布如图2所示；

从厂级监控信息系统服务器实时数据库中读取相关实时数据，如在当前时刻k的运行工况下，主要的实时数据如下：

高压加热器入口给水质量流量278.9kg/s、高压缸入口主蒸汽质量流量284.7kg/s、再热通道内所有工质温度测点数据(再热器进口温度327.9℃，再热器出口为540℃)和压力测点数据(再热器入口为4.01MPa，再热器出口为3.83MPa)；1#高压加热器相关温度测点数据(进汽温度390℃，疏水温度240℃，进口给水温度240℃，出口给水温度270℃)，1#高压加热器相关压力测点数据(进汽压力5.5MPa，疏水压力5.5MPa，给水压力19MPa)；2#高压加热器相关温度测点数据(进汽温度310℃，疏水温度200℃，进口给水温度200℃，出口给水温度235℃)，2#高压加热器相关压力测点数据(进汽压力3MPa，疏水压力3MPa，给水压力19MPa)。

步骤2：根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库(输出结果如图3和图4所示)，结合从现场厂级监控信息系统服务器读取的测点数据(主要是工质状态参数即温度T_gz和压力p_gz)，实时计算当前时刻k，1#和2#高压加热器的进汽焓值h_jq1和h_jq2；疏水焓值h_ss1和h_ss2；给水流经1#高压加热器时的进出口焓值h_jgs1和h_cgs1；给水流经2#高压加热器时的进出口焓值h_jgs2和h_cgs2；由再热通道各段短管工质温度T_gz(i)和压力p_gz(i)计算再热通道内各处内工质的密度ρ_gz(i)；

步骤3：根据回热抽汽质量流量计算模型，实时计算被抽至1#和2#高压加热器的回热抽汽质量流量D_jq1和D_jq2；再结合高压缸入口主蒸汽质量流量D_zzq，实时计算冷再热蒸汽质量流量D_lzr。

步骤4：根据再热通道工质质量衡算模型，实时计算再热通道中的工质质量变化率，并结合步骤3获得的冷再热蒸汽质量流量D_lzr，实时计算中低压缸入口热再热蒸汽质量流量D_rzr；

本实施例选取时间间隔Δt＝5s，计算t＝t₀为计时起点的24小时内中低压缸入口热再热蒸汽质量流量，即在时刻t＝t₀、t＝t₀+5、t＝t₀+10、……、t＝t₀+86400，分别重复步骤1-4，获得相应的汽包出口饱和蒸汽质量流量软测量值D_rzr(t₀)、D_rzr(t₀+5)、D_rzr(t₀+10)、……、D_rzr(t₀+86400)；中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量值随时间变化曲线图如图5所示。

本实施例步骤2中，所述再热通道各段短管工质温度T_gz(i)和压力p_gz(i)由再热通道(以高压缸出口为起点，中低压缸入口为终点)内各段短管两端工质温度T_gz和压力p_gz的测点数据线性计算获得。

本实施例步骤2中，所述所有工质焓值h和密度ρ均根据工质物性参数数据库，由当前时刻k对应位置处工质的温度T和压力p计算获得。所述工质物性参数数据库根据水和水蒸气热力性质工业公式IAPWS-IF97建立。

本实施例步骤3中，所述回热抽汽质量流量计算模型及冷再热蒸汽质量流量确定方法为：

$D_{jq1}=D_{gs}\·\frac{h_{cgs1}-h_{jgs1}}{h_{jq1}-h_{ss1}}$

式中：

D_gs是高压加热器入口给水质量流量；h_cgs1是1#高压加热器的出口给水焓值；h_jgs1是1#高压加热器的进口给水焓值，因为与2#高压加热器串联，所以同时也是2#高压加热器的出口给水焓值h_cgs2；h_jq1是1#高压加热器的进汽焓值；h_ss1是1#高压加热器的疏水焓值；D_jq1是被抽至1#高压加热器的回热抽汽质量流量。

$D_{jq2}=\frac{D_{gs}(h_{cgs2}-h_{jgs2})-D_{jq1}(h_{ss1}-h_{ss2})}{h_{jq2}-h_{ss2}}$

式中：

h_cgs2是2#高压加热器的出口给水焓值，因为与1#高压加热器串联，所以同时也是1#高压加热器的进口给水焓值h_jgs1；h_jgs2是2#高压加热器的进口给水焓值；h_jq2是2#高压加热器的进汽焓值；h_ss2是2#高压加热器的疏水焓值；D_jq2是被抽至2#高压加热器的回热抽汽质量流量。

冷再热蒸汽确定方法：

D_lzr＝D_zzq-D_jq1-D_jq2

式中：D_lzr为冷再热蒸汽质量流量；D_zzq为高压缸入口主蒸汽质量流量。

本实施例步骤4中，所述再热通道工质质量衡算模型及热再热蒸汽质量流量确定方法为：

$\frac{dM}{dt}=D_{lzr}-D_{rzr}$

$\frac{dM}{dt}\stackrel{\·}{=}M\left(k\right)-M(k-1)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{gz}{\left(i\right)}^{\left(k\right)}A\left(i\right)\·0.1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{gz}{\left(i\right)}^{(k-1)}A\left(i\right)\·0.1$

$D_{rzr}=\frac{dM}{dt}+D_{lzr}$

式中：

k为当前时刻；

k-1为前一采样时刻；

M为再热器系统中蓄积工质总质量；

ρ_gz(i)^(k)为当前时刻k，第i段再热器短管中工质的密度；

ρ_gz(i)^(k-1)为上一采样时刻k-1，第i段再热器短管中工质的密度；

A(i)为第i段再热器短管的截面积；

dt为时间的微分；

D_lzr为再热器系统输入工质质量即冷再热蒸汽质量流量；

D_rzr为再热器系统输出工质质量即热再热蒸汽质量流量。

本发明能用于火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量的在线计量，还可用于中低压缸汽轮机效率、再热器换热效率等指标的实时评估。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，其特征在于，该方法具体步骤包括：

步骤1：根据锅炉运行设计规程，建立再热通道结构参数数据库；所述再热通道结构参数数据库包含以下信息：再热通道管道沿工质流动方向的总长度L，并将总长度L分为n段等长的短管；再热通道沿工质流动方向的换热管截面积分布A(i)，即第i段短管的截面积；从厂级监控信息系统实时数据库读取相关测点数据，包括：高压缸入口主蒸汽质量流量D_zzq、高压加热器入口给水质量流量D_gs、以及各测点处工质的状态参数包括温度T_gz和压力p_gz；

步骤2：根据可覆盖全操作工况的工质物性参数数据库，结合从现场厂级监控信息系统服务器读取的测点信息，包括工质状态参数即温度T_gz和压力p_gz，实时计算当前时刻k，1#和2#高压加热器的进汽焓值h_jq1和h_jq2；疏水焓值h_ss1和h_ss2；给水流经1#高压加热器时的进出口焓值h_jgs1和h_cgs1；给水流经2#高压加热器时的进出口焓值h_jgs2和h_cgs2；由再热通道各段短管工质温度T_gz(i)和压力p_gz(i)计算再热器对应位置处的工质密度ρ_gz(i)；所述工质物性参数数据库根据水和水蒸气热力性质工业公式IAPWS-IF97建立；

步骤3：由能量守恒原理建立回热抽汽质量流量计算模型，实时计算被抽至1#和2#高压加热器的回热抽汽质量流量D_jq1和D_jq2；再结合高压缸入口主蒸汽质量流量D_zzq，实时计算冷再热蒸汽质量流量D_lzr；

步骤4：建立再热通道工质质量衡算模型，根据再热通道工质质量衡算模型，实时计算再热通道中的工质质量变化率，并结合步骤3获得的冷再热蒸汽质量流量D_lzr，实时计算中低压缸入口热再热蒸汽质量流量D_rzr；

以时刻t₀为计时起点，Δt为计算步长，使用火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，以时间先后为序，分别计算t₀、t₀+Δt、t₀+2Δt、……、t₀+nΔt时刻下相应的热再热蒸汽质量流量D_rzr(t₀)、D_rzr(t₀+Δt)、D_rzr(t₀+2Δt)、……、D_rzr(t₀+nΔt)，并绘制D_rzr随时间变化的趋势曲线。

2.根据权利要求1所述的火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，其特征在于，步骤2中，所述再热通道各段短管工质温度T_gz(i)和压力p_gz(i)由再热通道内各段短管两端温度T_gz和压力p_gz的工质测点数据线性计算获得。

3.根据权利要求1所述的火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，其特征在于，步骤3中，所述回热抽汽质量流量计算模型具体为：

$D_{jq1}=D_{gs}\·\frac{h_{cgs1}-h_{jgs1}}{h_{jq1}-h_{ss1}}$

式中：

D_gs是高压加热器入口给水质量流量；h_cgs1是1#高压加热器的出口给水焓值；h_jgs1是1#高压加热器的进口给水焓值，因为1#与2#高压加热器串联，所以同时也是2#高压加热器的出口给水焓值h_cgs2；h_jq1是1#高压加热器的进汽焓值；h_ss1是1#高压加热器的疏水焓值；D_jq1是被抽至1#高压加热器的回热抽汽质量流量；

$D_{jq2}=\frac{D_{gs}(h_{cgs2}-h_{jgs2})-D_{jq1}(h_{ss1}-h_{ss2})}{h_{jq2}-h_{ss2}}$

式中：

h_cgs2是2#高压加热器的出口给水焓值，因为2#与1#高压加热器串联，所以同时也是1#高压加热器的进口给水焓值h_jgs1；h_jgs2是2#高压加热器的进口给水焓值；h_jq2是2#高压加热器的进汽焓值；h_ss2是2#高压加热器的疏水焓值；D_jq2是被抽至2#高压加热器的回热抽汽质量流量；

冷再热蒸汽确定方法：

D_lzr＝D_zzq-D_jq1-D_jq2。

4.根据权利要求1所述的火电机组中低压缸入口热再热蒸汽质量流量实时计量方法，其特征在于，步骤4中，所述再热通道工质质量衡算模型具体为：

$\frac{dM}{dt}=D_{lzr}-D_{rzr}$

$\frac{dM}{dt}\stackrel{\·}{=}M\left(k\right)-M(k-1)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{gz}{\left(i\right)}^{\left(k\right)}A\left(i\right)\·0.1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{gz}{\left(i\right)}^{(k-1)}A\left(i\right)\·0.1$

$D_{rzr}=\frac{dM}{dt}+D_{lzr}$

式中：

k为当前时刻；

k-1为前一采样时刻；

M为再热器系统中蓄积工质总质量；

ρ_gz(i)^(k)为当前时刻k，第i段再热器短管中工质的密度；

ρ_gz(i)^(k-1)为上一采样时刻k-1，第i段再热器短管中工质的密度；

A(i)为第i段再热器短管的截面积；

dt为时间的微分；

D_lzr为再热器系统输入工质质量即冷再热蒸汽质量流量；

D_rzr为再热器系统输出工质质量即热再热蒸汽质量流量。