CN108509752A - 一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，该方法根据基本的物理定律从系统内部工作过程出发，建立系统机理仿真模型，以过热器出口参数作为特征参数，为了提高模型精度，将过热器分为五段建模，并且增加模型动态参数α，根据实际运行特性对仿真模型进行优化调整，该方法结合过热器机理模型和基于现场数据的传递函数辨识模型，利用粒子群智能算法，在火电机组闭环运行情况下，根据现场数据辨识出的传递函数模型的时间常数，自动根据误差函数整定机理模型中的动态参数大小，可以有效地改进机理模型建立时对实际过程动态特性的简化和不足，提高动态特性仿真精度和仿真系统的开发效率。

Description

一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法

技术领域

本发明涉及一种参数整定方法，具体涉及一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，属于过热器动态特性仿真建模技术领域。

背景技术

随着火电机组规模的不断扩大和科学技术水平的不断提高，单元机组正朝着大容量、高参数和高自动化的方向发展，这要求仿真系统不仅能够稳定的运行，而且能为控制系统的组态、方案的优化、参数的整定等提供更好的指导。而实现这些要求的关键在于要建立高可靠性的仿真模型。

由于大部分热工对象都具有复杂、非线性、参数时变等特征，要建立一个全范围适用的仿真模型是比较困难的，而且在开发仿真机的过程中没有遵循统一的、公认的方法论或是开发规范，在建立设备的数学模型时会有一些简化或者忽略，由此建立起来的数学模型不够准确，很难满足各种使用需要，使得仿真结果的可信度大大降低，不能很好地反映系统的动态特性。

目前过热器仿真模型大多采用集总参数模型，对过热器仿真模型动态特性的调整还主要依靠专家人员的运行经验，开发人员根据经验反复调试模型参数，需要花费大量时间，工作强度大、效率比较低，而目前的火电机组广泛使用了DCS和SIS系统，可以方便的获取机组运行的历史数据，如何充分利用这些现场数据来优化仿真模型参数，减少开发人员的调试时间，提高模型动态特性仿真精度成为目前系统仿真领域的重要研究内容之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，该方法能够充分利用火电机组的历史运行数据，对过热器仿真模型的动态模拟效果进行优化，使得仿真模型运行结果更好地符合现场系统的动态特性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，包括如下步骤：

步骤1，根据过热器工作的机理过程，建立过热器机理仿真模型，在建模时以过热器出口参数作为集总参数，同时做如下假设：(1)过热器中工质流动阻力集中在入口环节；(2)所有并联管道用一根等效管道代替，且等效管道的流通面积为所有并联管道流通面积之和，等效管道的长度为所有并联管道的平均长度；(3)沿管长方向工质吸热均匀，不随位置改变而变化；所述过热器机理仿真模型包括工质质量守恒方程、工质能量守恒方程、管内传热方程、金属蓄热方程以及工质侧动量守恒方程，其中，工质能量守恒方程具体形式为：

式中，α为动态参数；V为过热器的容积，m³；ρ₂为过热器出口工质密度，kg/m³；u₂为过热器工质出口内能，kJ/kg；τ为时间，s；D₁、D₂分别为过热器进、出口工质质量流量，kg/s；h₁、h₂分别为过热器进、出口工质的焓，kJ/kg；Q_m为过热器工质吸热量，kJ/s；

将过热器分为五段建模，每段都采用上述机理仿真模型，每段长度为等效管道的五分之一，且后一段建模的进口温度为前一段建模的出口温度；

步骤2，采集锅炉负荷处于稳定工况下的机组历史运行数据，选取的输入信号为过热器进口汽温，输出信号为过热器出口汽温，对采集的机组历史运行数据进行滤波、剔除粗大值以及零均值化预处理；

步骤3，选取五阶结构的传递函数模型式中，K为增益系数，T为时间常数，s为传递函数的拉普拉斯复变量，对步骤2采集的机组历史运行数据采用粒子群智能算法，对传递函数模型中的K和T进行闭环辨识，得到最优解；

步骤4，对步骤3辨识出的传递函数模型和步骤1建立的过热器机理仿真模型施加相同的扰动，即将过热器进口汽温温度阶跃扰动信号施加在前述两个模型上，采集两个模型出口温度并建立响应曲线，采集数据的时间选取两个模型中运行后达到稳态响应的时间，根据两个模型响应曲线建立均方差误差函数；

步骤5，根据步骤4中均方差误差函数的大小对动态参数α寻找最优解，寻找最优解的方法为一维搜索二分法；

步骤6，设置均方差误差函数收敛条件和最大寻优次数，若满足收敛条件或达到最大寻优次数，则输出动态参数α在步骤2所述锅炉负荷下的最优解，即使得过热器机理仿真模型最符合现场动态特性的最优解；选取多个不同的稳定工况下的锅炉负荷，采用上述相同的方法对动态参数α分别进行最优，获得不同锅炉负荷下动态参数α的最优解，根据插值法建立锅炉负荷与动态参数α的函数关系，得到随负荷变化的动态参数α；

步骤7，将步骤6得到的随负荷变化的动态参数α代入步骤1过热器机理仿真模型中，得到结合了现场运行数据、过热器设计参数的优化机理仿真模型。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述工质质量守恒方程具体形式为：

其中，V为过热器的容积，m³；ρ₂为过热器出口工质密度，kg/m³；τ为时间，s；D₁、D₂分别是过热器进、出口工质质量流量，kg/s。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述管内传热方程具体形式为：

Q_m＝k_m(t_m-t₂)

其中，Q_m为过热器工质吸热量，kJ/s；k_m为过热器工质侧换热系数；t_m为过热器管壁金属温度；t₂为过热器出口工质温度。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述金属蓄热方程具体形式为：

其中，M_m为过热器有效金属质量；C_m为过热器管壁金属比热容；t_m为过热器管壁金属温度；τ为时间，s；Q_g为烟气侧对过热器管壁的放热量；Q_m为过热器工质吸热量，kJ/s。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述工质侧动量守恒方程具体形式为：

其中，p₁、p₂分别为工质侧进出口压力，P_a；ξ为工质侧压损系数；D₂为过热器出口工质质量流量，kg/s；ρ₂为过热器出口工质密度，kg/m³。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明过热器机理模型动态参数整定方法，把过热器等分为五段建立过热器机理仿真模型，提高了过热器模型的仿真精度。

2、本发明过热器机理模型动态参数整定方法，在不断开机组控制回路的情况下，充分利用了机组数据库采集的历史数据，闭环辨识出反映过热器进出口汽温动态关系的传递函数模型。

3、本发明过热器机理模型动态参数整定方法，将辨识获得的传递函数模型中的时间常数与过热器机理仿真模型中的动态系数建立起对应关系，快速精确的修正仿真模型的动态特性参数，使得仿真模型能够更好的符合实际运行结果。

附图说明

图1是本发明一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，根据过热器工作的机理过程，并对过热器建模做出部分简化假定条件，以出口参数作为集总参数，建立过热器数学模型，包括质量守恒方程、能量守恒方程、传热方程、蓄热方程、动量守恒方程微分方程，并将过热器分为五段建模，每段都采用相同的数学模型，在机理建模的基础上增加了动态参数α，其修正位置处于能量守恒方程微分方程微分项的分母中。

α越小则换热器内部工质储质越多，进口温度扰动后其出口温度动态变化越慢，α越大则动态响应越快，通过对现场动态特性的分析后则可以通过调整动态参数α大小改变仿真模型动态特性，优化仿真效果。

如图1所示，为本发明过热器动态参数整定方法的流程图。具体步骤如下：

步骤1：获取厂家提供的结构参数和设计参数，结构参数包括过热器长度、根数、管道截面积、金属质量，设计参数包括过热器工质侧进出口温度、质量流量、压力参数。过热器长度、根数、管道截面积用来计算方程中的换热器的容积V。

建立过热器仿真模型，在建模时取换热器出口参数为集总参数，并需作如下假设：(1)过热器中工质流动阻力集中在入口环节；(2)所有并联管道用一根等效管代替，其流通面积与所有并联管通流面积之和，长度取单管平均长度；(3)沿管长方向工质吸热均匀，不随位置改变而变化。建模方程包括质量守恒方程、能量守恒方程、管内传热方程、金属蓄热方程、动量守恒方程。

工质质量守恒方程：

式中：V是换热器的容积，m³；ρ₂是换热器出口工质密度，kg/m³；D₁，D₂分别是换热器进出口工质质量流量，kg/s。

工质能量守恒方程：

式中：u₂是换热器工质出口内能，kJ/kg；Q_m是换热器工质吸热量，kJ/s；h₁，h₂分别是换热器进出口工质的焓，kJ/kg。

管内传热方程：

Q_m＝k_m(t_m-t₂) (3)

式中：k_m是换热器工质侧换热系数；t_m是换热器管壁金属温度；t₂是换热器出口工质温度。

金属蓄热方程：

式中：M_m是换热器有效金属质量；C_m是换热器管壁金属比热容，Q_g是烟气侧对换热器管壁的放热量。

过热器工质侧动量守恒方程：

式中：p₁、p₂分别为工质侧进出口压力，P_a；ξ为工质侧压损系数。

将过热器分为五段建模，每段都采用上述相同的数学模型，其每段长度为总长的五分之一，后一段建模的进口温度为前一段的出口温度，在能量守恒方程中增加动态参数α，初始值为1，方程式变成：

步骤2：选取机组历史运行数据中锅炉负荷处于较为稳定的工况下，此时主汽流量，总风量等扰动变动较小，对过热汽温的影响较小，过热汽温的变化主要来自过热器进口汽温的影响，所以在锅炉负荷比较稳定的工况下把过热汽温对象作为单输入单输出模型进行的闭环辨识，输入信号取过热器进口汽温，输出信号取过热器出口汽温。并对采集的原始数据进行滤波、剔除粗大值、零均值化等预处理。

步骤3：由于过热汽温对象是具有自平衡能力的热工过程，并且机理模型采用五段建模，仿真模型为五阶结构，所以选取五阶等容且具有自平衡能力的传递函数模型，结构为式中K为增益系数，T为时间常数，s为传递函数的拉普拉斯复变量，对步骤2采集的处理后的历史数据采用粒子群智能算法，对模型结构中的K和T辨识寻优。

步骤4：对步骤3辨识出的传递函数模型和步骤1建立的过热器机理模型施加相同的扰动，扰动设置为过热器进口汽温温度阶跃扰动信号，采集出口温度响应曲线和数据，采样数据数量取传递函数模型和过热器机理模型运行达到稳态响应较慢的一方，以过热器机理模型和传递函数模型曲线的均方差建立误差评判指标，式中，n为数据样本数量，y_i是过热器机理模型输出即过热器机理模型出口温度，是传递函数模型输出即传递函数模型出口温度。

步骤5：根据步骤4中的误差大小对动态参数α寻优，寻优方法采取一维搜索方法二分法。

步骤6：设置误差收敛条件和最大寻优次数，例如误差函数MSE<0.01，最大寻优次数为20，如果满足上述条件任意一个，则输出动态参数α的数值，此时动态参数α就是使仿真模型在步骤2选定的稳定负荷下的最符合现场动态特性的最优解。

由于在不同负荷下，过热器的动态特性会有一定的区别，所以要选取多个不同的负荷下，对α进行分别寻优，获得不同负荷下α的对应值，以插值法建立负荷与α的函数关系，当机组负荷变动时，α的数值也会随之改变，实现过热器仿真模型在全负荷下动态特性的准确性。

在具体的选取哪些负荷时，可以选取100％、75％、50％这三个典型负荷。此时的α大小并不是一成不变的，而是随着负荷改变而改变的。

步骤7：将步骤6输出的随负荷变化的动态参数α代回步骤1的机理方程组中，此时得到的过热器机理模型是结合了现场运行数据、过热器设计参数的优化机理模型，能够更好的模拟现场运行结果。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据过热器工作的机理过程，建立过热器机理仿真模型，在建模时以过热器出口参数作为集总参数，同时做如下假设：(1)过热器中工质流动阻力集中在入口环节；(2)所有并联管道用一根等效管道代替，且等效管道的流通面积为所有并联管道流通面积之和，等效管道的长度为所有并联管道的平均长度；(3)沿管长方向工质吸热均匀，不随位置改变而变化；所述过热器机理仿真模型包括工质质量守恒方程、工质能量守恒方程、管内传热方程、金属蓄热方程以及工质侧动量守恒方程，其中，工质能量守恒方程具体形式为：

式中，α为动态参数；V为过热器的容积，m³；ρ₂为过热器出口工质密度，kg/m³；u₂为过热器工质出口内能，kJ/kg；τ为时间，s；D₁、D₂分别为过热器进、出口工质质量流量，kg/s；h₁、h₂分别为过热器进、出口工质的焓，kJ/kg；Q_m为过热器工质吸热量，kJ/s；

将过热器分为五段建模，每段都采用上述机理仿真模型，每段长度为等效管道的五分之一，且后一段建模的进口温度为前一段建模的出口温度；

步骤2，采集锅炉负荷处于稳定工况下的机组历史运行数据，选取的输入信号为过热器进口汽温，输出信号为过热器出口汽温，对采集的机组历史运行数据进行滤波、剔除粗大值以及零均值化预处理；

步骤3，选取五阶结构的传递函数模型式中，K为增益系数，T为时间常数，s为传递函数的拉普拉斯复变量，对步骤2采集的机组历史运行数据采用粒子群智能算法，对传递函数模型中的K和T进行闭环辨识，得到最优解；

步骤4，对步骤3辨识出的传递函数模型和步骤1建立的过热器机理仿真模型施加相同的扰动，即将过热器进口汽温温度阶跃扰动信号施加在前述两个模型上，采集两个模型出口温度并建立响应曲线，采集数据的时间选取两个模型中运行后达到稳态响应的时间，根据两个模型响应曲线建立均方差误差函数；

步骤5，根据步骤4中均方差误差函数的大小对动态参数α寻找最优解，寻找最优解的方法为一维搜索二分法；

步骤6，设置均方差误差函数收敛条件和最大寻优次数，若满足收敛条件或达到最大寻优次数，则输出动态参数α在步骤2所述锅炉负荷下的最优解，即使得过热器机理仿真模型最符合现场动态特性的最优解；选取多个不同的稳定工况下的锅炉负荷，采用上述相同的方法对动态参数α分别进行最优，获得不同锅炉负荷下动态参数α的最优解，根据插值法建立锅炉负荷与动态参数α的函数关系，得到随负荷变化的动态参数α；

步骤7，将步骤6得到的随负荷变化的动态参数α代入步骤1过热器机理仿真模型中，得到结合了现场运行数据、过热器设计参数的优化机理仿真模型。

2.根据权利要求1所述结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，其特征在于，步骤1所述工质质量守恒方程具体形式为：

其中，V为过热器的容积，m³；ρ₂为过热器出口工质密度，kg/m³；τ为时间，s；D₁、D₂分别是过热器进、出口工质质量流量，kg/s。

3.根据权利要求1所述结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，其特征在于，步骤1所述管内传热方程具体形式为：

Q_m＝k_m(t_m-t₂)

其中，Q_m为过热器工质吸热量，kJ/s；k_m为过热器工质侧换热系数；t_m为过热器管壁金属温度；t₂为过热器出口工质温度。

4.根据权利要求1所述结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，其特征在于，步骤1所述金属蓄热方程具体形式为：

其中，M_m为过热器有效金属质量；C_m为过热器管壁金属比热容；t_m为过热器管壁金属温度；τ为时间，s；Q_g为烟气侧对过热器管壁的放热量；Q_m为过热器工质吸热量，kJ/s。

5.根据权利要求1所述结合现场数据的过热器机理模型动态参数整定方法，其特征在于，步骤1所述工质侧动量守恒方程具体形式为：

其中，p₁、p₂分别为工质侧进出口压力，P_a；ξ为工质侧压损系数；D₂为过热器出口工质质量流量，kg/s；ρ₂为过热器出口工质密度，kg/m³。