CN109670265A - 高压加热器建模方法、装置和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压加热器建模方法、装置和计算机设备，该高压加热器建模方法包括：获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据；利用预设观测点的状态数据、高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型；利用疏水流量模型、壳侧压力模型以及所述水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。优选地，所述状态数据包括蒸汽状态数据、疏水状态数据、给水状态数据以及壳侧状态数据。本发明的高压加热器建模方法，通过混合建模的方法利用多个模型组合生成高压加热器模型，使高压加热器建模过程更加灵活，从而降低高压加热器建模的难度，并降低高压加热器建模的成本。
Description
技术领域
本发明涉及数字建模技术领域，具体而言，涉及一种高压加热器建模方法、装置、计算机设备和计算机存储介质。
背景技术
随着我国电力工业的快速发展，大容量、高参数的大型火电机组已成为了主流，为了给生产优化提供指导意见，一般会为火电机组建立仿真模型，如为高压加热器建立仿真模型。
现有的为高压加热器建立仿真模型的方法，主要是获取高压加热器的结构参数以及在运行过程中输出的数据进行数值建模，该数值建模方法主要利用高性能计算技术建立高压加热器数字模型，因此高压加热器建模的过程难度较高，并且并高压加热器建模的成本较高。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种高压加热器建模方法、装置、计算机设备和计算机存储介质，以使高压加热器建模过程更加灵活，从而降低高压加热器建模的难度，并降低高压加热器建模的成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种高压加热器建模方法，包括：
获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据；
利用所述预设观测点的状态数据、所述高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立所述高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型；
利用所述疏水流量模型、所述壳侧压力模型以及所述水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
优选地，所述状态数据包括蒸汽状态数据、疏水状态数据、给水状态数据以及壳侧状态数据。
优选地，所述建模计算方程包括流量计算方程、壳侧方程以及水位计算方程。
优选地，所述流量计算方程包括：
F＝ρuA，F＝cv(P1-P2+ΔPZ)1/2，
cv＝(ρA22gc/Kloss)1/2，ΔPZ＝ρg(z1-z2)/gc；
其中，P为高压加热器管道压力，z为管道高度，U为流体平均流速，ρ为流体密度，hl为总摩擦损耗，g为重力加速度，gc为牛顿定律的比例因子，下标1和2分别表示管道的上游和下游，Kloss为摩擦损耗系数，A为流道截面积，cv为流动导纳，ΔPZ为静压头，F为质量流率，u为平均流速。
优选地，所述的高压加热器建模方法，还包括：
利用所述预设观测点的状态数据及预设的IAPWS-IF97算式建立所述高压加热器中水和水蒸气的物质流焓模型，并将所述物质流焓模型与所述高压加热器模型进行混合建模。
本发明还提供一种高压加热器建模装置，包括：
状态数据获取模块，用于获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据；
模型建立模块，用于利用所述预设观测点的状态数据、所述高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立所述高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型；
混合建模模块，用于利用所述疏水流量模型、所述壳侧压力模型以及所述水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
优选地，所述建模计算方程包括流量计算方程、壳侧方程以及水位计算方程。
优选地，所述流量计算方程包括：
F＝ρuA，F＝cv(P1-P2+ΔPZ)1/2，
cv＝(ρA22gc/Kloss)1/2，ΔPZ＝ρg(z1-z2)/gc；
其中，P为高压加热器管道压力，z为管道高度，U为流体平均流速，ρ为流体密度，hl为总摩擦损耗，g为重力加速度，gc为牛顿定律的比例因子，下标1和2分别表示管道的上游和下游，Kloss为摩擦损耗系数，A为流道截面积，cv为流动导纳，ΔPZ为静压头，F为质量流率，u为平均流速。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机设备执行所述的高压加热器建模方法。
本发明还提供一种计算机存储介质，其存储有所述的计算机设备中所使用的计算机程序。
本发明提供一种高压加热器建模方法，该高压加热器建模方法包括：获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据；利用所述预设观测点的状态数据、所述高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立所述高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型；利用所述疏水流量模型、所述壳侧压力模型以及所述水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。优选地，所述状态数据包括蒸汽状态数据、疏水状态数据、给水状态数据以及壳侧状态数据。本发明的高压加热器建模方法，通过混合建模的方法利用多个模型组合生成高压加热器模型，使高压加热器建模过程更加灵活，从而降低高压加热器建模的难度，并降低高压加热器建模的成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。
图1是本发明实施例1提供的一种高压加热器建模方法的流程图；
图2是本发明实施例2提供的一种高压加热器建模方法的流程图；
图3是本发明实施例3提供的一种高压加热器建模装置的结构示意图；
图4是本发明实施例3提供的另一种高压加热器建模装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1是本发明实施例1提供的一种高压加热器建模方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S11：获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据。
本发明实施例中，状态数据包括蒸汽状态数据、疏水状态数据、给水状态数据以及壳侧状态数据等。其中，蒸汽状态数据可以包括加热蒸汽进口压力、加热蒸汽进口流量、加热蒸汽进口焓以及加热蒸汽进口温度等，疏水状态数据可以包括上级加热器疏水压力、上级加热器疏水流量、上级加热器疏水焓以及上级加热器疏水温度等，给水状态数据可以包括给水进口压力、给水进口焓、给水进口温度、给水出口压力、给水流量、给水出口焓以及给水出口温度等，壳侧状态数据包括壳侧蒸汽分压、壳侧温度、壳侧密度、加热器壳侧水位、壳侧饱和水焓以及壳侧饱和水体积等。该高压加热器的结构信息包括顶部水管高度、底部水管高度、过热段长度、疏水冷却段长度、壳侧内径、传热面积、壳侧有效容积、加热管子外径、加热器水管总质量等。
本发明实施例中，在高压加热器的预设观测点上可以设置有传感器，通过传感器获取高压加热器预设观测点的状态数据，例如可以在高压加热器的壳侧上设置有温度传感器，以采集壳侧的温度。该传感器可以由电力系统中的DCS(DCS，Distributed ControlSystem，分布式控制系统)及SIS(SIS，Safety Instrumented System，安全仪表系统)进行管理，并由DCS及SIS控制进行状态数据的采集。采集后获得的状态数据将传输至计算机设备中，有计算机设备对数据进行分析并建模。其中，该高压加热器的结构信息可以由工作人员输入至该计算机设备中，在此不限定。
步骤S12：利用预设观测点的状态数据、高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型。
本发明实施例中，建模计算方程包括流量计算方程、壳侧方程以及水位计算方程。
本发明实施例中，该计算机设备获取预设观测点的状态数据以及高压加热器的结构信息后，可以利用预设的流量计算方程进行疏水流量模型的建立。其中，该疏水流量模型的建立过程可以利用应用程序来实现，例如可以在计算机设备中设置有基于流量计算方程的应用程序，在获取高压加热器的结构信息以及状态数据后，该应用程序可以利用该高压加热器的结构信息以及状态数据进行建模，生成高压热水器的疏水流量模型。
本发明实施例中，该流量计算方程包括：
F＝ρuA，F＝cv(P1-P2+ΔPZ)1/2，
cv＝(ρA22gc/Kloss)1/2，ΔPZ＝ρg(z1-z2)/gc；
其中，P为高压加热器管道压力，z为管道高度，U为流体平均流速，ρ为流体密度，hl为总摩擦损耗，g为重力加速度，gc为牛顿定律的比例因子，下标1和2分别表示管道的上游和下游，Kloss为摩擦损耗系数，A为流道截面积，cv为流动导纳，ΔPZ为静压头，F为质量流率，u为平均流速。
本发明实施例中，高压加热器的疏水流量属于单相流动，因此沿管道流动方向该高压加热器存在压降，也即存在摩擦损失，该hl总摩擦损失包括表面摩擦损耗，以及形阻、接头和阀门等结构的流动损耗，因此在流量计算方程中加入摩擦带来的损耗的计算，以提高疏水流量模型的精确度。
本发明实施例中，该计算机设备在获取预设观测点的状态数据以及高压加热器的结构信息后，可以利用预设的壳侧方程进行壳侧压力模型的建立。其中，该壳侧压力模型的建立过程可以利用应用程序来实现，例如可以在计算机设备中设置有基于壳侧方程的应用程序，在计算机设备获取高压加热器的结构信息以及状态数据后，该基于壳侧方程的应用程序可以利用高压加热器的结构信息以及状态数据进行建模，生成壳侧压力模型。
本发明实施例中，上述壳侧方程可由质量与能量平衡方程进行推导，并得出壳侧的压力方程。
质量平衡方程：
能量平衡方程：
其中，上式中M为高压加热器壳侧介质总量，H为高压加热器壳侧介质总焓，Wg,in为进入高压加热器壳侧气相的流量，Wg,out为离开高压加热器壳侧气相的流量，Wl,in为进入高压加热器壳侧液相的流量，Wl,out为离开高压加热器壳侧液相的流量，hg,in为进入高压加热器壳侧气相的比焓，hl,in为进入高压加热器壳侧液相的比焓，hg为高压加热器壳侧饱和汽比焓，hl为高压加热器壳侧饱和水比焓。
上式通过能量守恒方程以及质量守恒方程，可求得M和H：
M＝Mf+Mg，H＝Mfhf+Mghg，V＝MfVf+MgVg，
其中，V为高压加热器壳侧介质总容积，Mg为高压加热器壳侧汽体质量，Mf为高压加热器壳侧液体质量，M为高压加热器壳侧汽液总质量，Vg为高压加热器壳侧汽比容，Vf高压加热器壳侧饱和液体比容。则高压加热器壳侧介质的平均焓与比容为：
h＝(1-x)hf+xhg，式中x为蒸汽干度。
将高压加热器壳侧介质的平均焓与比容两方程式联立，消去x，得到一式，高压加热器壳侧的压力方程满足该式，从而可以获得压力方程：
A(P)+B(P)v＝h，A(P)＝(vghf-vfhg)/vfg，B(P)＝hfg/vfg，
vfg＝vg-vf，hfg＝hg-hf。
令f(P)＝A(P)+B(P)v-h，则可得压力方程
本发明实施例中，该计算机设备在获取预设观测点的状态数据以及高压加热器的结构信息后，还可以利用预设的水位计算方程进行水位计算模型的建立。其中，该水位计算模型的建立过程可以利用应用程序来实现，例如可以在计算机设备中设置有基于水位计算方程的应用程序，在获取高压加热器的结构信息以及状态数据后，该应用程序利用结构信息以及状态数据进行建模，生成高压热水器的水位计算模型。
本发明实施例中，该水位计算方程包括凝结水容积算式以及管道水位算式等。首先需要计算高压加热器壳侧凝结水容积：
式中，Vsw为高压加热器壳侧饱和水体积，Vs为加热器壳侧有效容积，ρs为加热器壳侧密度，ρ′为加热器壳侧分压力下饱和汽密度，ρ″为加热器壳侧压力下饱和水密度。
然后根据Vsw和高压加热器的内部信息，算出具体水位值：
当加热器水位大于换热片布置底部水管高度时，也即L>Lmin时，管束被淹体积为
其中，可以近似地把管束区看作为一个圆柱体，直径为Lmax-Lmin，其空间体积为Len为管长，而管束所占体积为其中δ为水管壁厚，Vw为加热管侧有效容积，则管束体积占管束区柱体体积之比为
当加热器水位小于换热片布置底部水管高度时，也即L≤Lmin时，管束被淹体积为Vp＝0；
设水井容积为Vwell，水井内径为Dw，则当Vsw≤Vwell时，水位为：
当Vsw>Vwell时，加热器水位为：
式中，Ds为壳侧内径。
步骤S13：利用疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
本发明实施例中，该计算机设备在建立疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型后，可以将疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。其中，上述疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型的建立过程可以不分先后，计算机设备在获取结构信息以及状态数据后，三种模型的建立可以同时进行。该混合建模的过程可以利用算法或应用程序来实现，这里不做限定。
实施例2
图2是本发明实施例2提供的一种高压加热器建模方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S21：获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据。
此步骤与上述步骤S11一致，在此不再赘述。
步骤S22：利用预设观测点的状态数据、高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型。
此步骤与上述步骤S12一致，在此不再赘述。
步骤S23：利用疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
此步骤与上述步骤S13一致，在此不再赘述。
步骤S24：利用预设观测点的状态数据及预设的IAPWS-IF97算式建立高压加热器中水和水蒸气的物质流焓模型，并将物质流焓模型与高压加热器模型进行混合建模。
本发明实施例中，计算机设备在获取预设观测点的状态数据后，还可以利用该状态数据以及预设的IAPWS-IF97算式建立高压加热器中水和水蒸气的物质流焓模型。其中，该IAPWS-IF97算式即为工业用水和水蒸气热力性质计算公式。该建立物质流焓模型的过程可以利用应用程序来实现，例如可以在计算机设备中设置有基于IAPWS-IF97算式的应用程序，在计算机设备获取高压加热器的预设观测点的状态数据后，可以利用该状态数据进行建模，生成高压加热器中水和水蒸气的物质流焓模型。
本发明实施例中，在计算机设备生成物质流焓模型后，可以利用该物质流焓模型与计算机设备中的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型进行混合建模，也即与高压加热器模型进行混合建模，以提高高压加热器模型的精度。
实施例3
图3是本发明实施例3提供的一种高压加热器建模装置的结构示意图。
该高压加热器建模装置300包括：
状态数据获取模块310，用于获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据。
模型建立模块320，用于利用预设观测点的状态数据、高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型。
混合建模模块330，用于利用疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
本发明实施例中，状态数据包括蒸汽状态数据、疏水状态数据、给水状态数据以及壳侧状态数据。建模计算方程包括流量计算方程、壳侧方程以及水位计算方程。
本发明实施例中，所述流量计算方程包括：
F＝ρuA，F＝cv(P1-P2+ΔPZ)1/2，
cv＝(ρA22gc/Kloss)1/2，ΔPZ＝ρg(z1-z2)/gc；
其中，P为高压加热器管道压力，z为管道高度，U为流体平均流速，ρ为流体密度，hl为总摩擦损耗，g为重力加速度，gc为牛顿定律的比例因子，下标1和2分别表示管道的上游和下游，Kloss为摩擦损耗系数，A为流道截面积，cv为流动导纳，ΔPZ为静压头，F为质量流率，u为平均流速。
如图4所示，该高压加热器建模装置300还包括：
焓模型建立模块340，用于利用所述预设观测点的状态数据及预设的IAPWS-IF97算式建立所述高压加热器中水和水蒸气的物质流焓模型，并将所述物质流焓模型与所述高压加热器模型进行混合建模。
本发明实施例中，上述各个模块更加详细的功能描述可以参考前述实施例中相应部分的内容，在此不再赘述。
此外，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，存储器可用于存储计算机程序，处理器通过运行所述计算机程序，从而使计算机设备执行上述方法或者上述高压加热器建模装置中的各个模块的功能。
存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本实施例还提供了一种计算机存储介质，用于储存上述计算机设备中使用的计算机程序。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高压加热器建模方法，其特征在于，包括：
获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据；
利用所述预设观测点的状态数据、所述高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立所述高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型；
利用所述疏水流量模型、所述壳侧压力模型以及所述水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
2.根据权利要求1所述的高压加热器建模方法，其特征在于，所述状态数据包括蒸汽状态数据、疏水状态数据、给水状态数据以及壳侧状态数据。
3.根据权利要求1所述的高压加热器建模方法，其特征在于，所述建模计算方程包括流量计算方程、壳侧方程以及水位计算方程。
4.根据权利要求3所述的高压加热器建模方法，其特征在于，所述流量计算方程包括：
F＝ρuA，F＝cv(P1-P2+ΔPZ)1/2，
cv＝(ρA22gc/Kloss)1/2，ΔPZ＝ρg(z1-z2)/gc；
其中，P为高压加热器管道压力，z为管道高度，U为流体平均流速，ρ为流体密度，hl为总摩擦损耗，g为重力加速度，gc为牛顿定律的比例因子，下标1和2分别表示管道的上游和下游，Kloss为摩擦损耗系数，A为流道截面积，cv为流动导纳，ΔPZ为静压头，F为质量流率，u为平均流速。
5.根据权利要求1所述的高压加热器建模方法，其特征在于，还包括：
利用所述预设观测点的状态数据及预设的IAPWS-IF97算式建立所述高压加热器中水和水蒸气的物质流焓模型，并将所述物质流焓模型与所述高压加热器模型进行混合建模。
6.一种高压加热器建模装置，其特征在于，包括：
状态数据获取模块，用于获取高压加热器的结构信息以及运行时预设观测点的状态数据；
模型建立模块，用于利用所述预设观测点的状态数据、所述高压加热器的结构信息以及预设的建模计算方程建立所述高压热水器的疏水流量模型、壳侧压力模型以及水位计算模型；
混合建模模块，用于利用所述疏水流量模型、所述壳侧压力模型以及所述水位计算模型进行混合建模，生成高压加热器模型。
7.根据权利要求6所述的高压加热器建模装置，其特征在于，所述建模计算方程包括流量计算方程、壳侧方程以及水位计算方程。
8.根据权利要求7所述的高压加热器建模装置，其特征在于，所述流量计算方程包括：
F＝ρuA，F＝cv(P1-P2+ΔPZ)1/2，
cv＝(ρA22gc/Kloss)1/2，ΔPZ＝ρg(z1-z2)/gc；
其中，P为高压加热器管道压力，z为管道高度，U为流体平均流速，ρ为流体密度，hl为总摩擦损耗，g为重力加速度，gc为牛顿定律的比例因子，下标1和2分别表示管道的上游和下游，Kloss为摩擦损耗系数，A为流道截面积，cv为流动导纳，ΔPZ为静压头，F为质量流率，u为平均流速。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机设备执行根据权利要求1至4中任一项所述的高压加热器建模方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，其存储有权利要求9所述的计算机设备中所使用的计算机程序。
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| CN111780933A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-10-16 | 华能国际电力股份有限公司大连电厂 | 基于神经网络及热力学建模诊断高压加热器泄漏故障的方法及系统 |
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| CN105069262A (zh) * | 2015-09-02 | 2015-11-18 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 电力仿真系统中节点水和蒸汽性质的监测方法及系统 |
| CN107247843A (zh) * | 2017-06-10 | 2017-10-13 | 中国科学院电工研究所 | 太阳能热发电站油水型蒸汽发生器模型的建模方法 |
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