CN112989719A - 一种燃气锅炉机组动态特性建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及综合能源系统设备建模领域，本发明公开一种燃气锅炉机组动态特性建模方法，包括以下步骤：S1、分析燃气锅炉系统的组成部分，建立相应的模型框架；S2、考虑模型的准确性，建立模型部件的传热、导热方程；S3、根据模型部件的动态特性建立动态微分方程模型；S4、根据模型部件的具体作用建立相应的精细化模型；S5、将建立模型在apros系统中进行仿真并通过实际数据验证。本发明给出了燃气锅炉的精细化模型框架，并给出了相应的精细化模型分块，继而在此模型框架的基础上，建立了考虑省煤器、过热器、蒸发器、汽包的燃气锅炉精细化模型方程，并进行了相应的模型验证，即利用apros仿真软件进行模型搭建并与实际案例进行验证比较。

Description

一种燃气锅炉机组动态特性建模方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统设备建模领域，具体的是一种燃气锅炉机组动态特性建模方法。

背景技术

随着经济发展，用户的用电量飞速增长，对电网、发电侧造成巨大的压力。而长时间以来，我国的用户侧新能源又与电力系统规划工作相分离，用户侧的分布式能源对配电网的安全运行产生较大影响。随着综合能源概念的提出，构建能源互联网、解决化石燃料逐渐枯竭所造成的环境问题、使多能源开放互联、实现能源梯级利用成为研究热点。

用户侧分布式能源系统是一种新型的能源系统，其集合新型技术和设备为一体，可实现对输出能量梯级利用，达到更高的能源利用率。目前的分布式能源系统种类繁多，不仅包括以燃气轮机或内燃机为核心的冷热电联产系统，还包括太阳能、风能、生物能等可再生能源综合利用系统，以及由具有极高效率的新型燃料电池与超级电容组成的能源综合利用系统。

在能源互联网框架下的用户侧分布式能源的调度优化，促进能源发展科学规划，促进各类能源系统协调运行，助力用户侧能源实现综合能效最优至关重要。因此，本申请提供一种基于用户侧分布式能源系统的燃气锅炉精细化建模方法。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种燃气锅炉机组动态特性建模方法，本发明给出了燃气锅炉的精细化模型框架，并给出了相应的精细化模型分块，继而在此模型框架的基础上，建立了考虑省煤器、过热器、蒸发器、汽包的燃气锅炉精细化模型方程，并进行了相应的模型验证，即利用apros仿真软件进行模型搭建并与实际案例进行验证比较。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种燃气锅炉机组动态特性建模方法，包括以下步骤：

S1、分析燃气锅炉系统的组成部分，建立相应的模型框架；

S2、考虑模型的准确性，建立模型部件的传热、导热方程；

S3、根据模型部件的动态特性建立动态微分方程模型；

S4、根据模型部件的具体作用建立相应的精细化模型；

S5、将建立模型在apros系统中进行仿真并通过实际数据验证。

进一步优选地，所述步骤S1中燃气锅炉系统包含两台燃气热水锅炉，所述燃气热水锅炉包括省煤器、过热器、换热器和汽包。

进一步优选地，所述步骤S2中模型部件为省煤器和过热器，省煤器用于回收所排烟的余热，将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，过热器将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度，所述传热、导热方程具体为：

烟气侧导热微分方程：

式(1)中：T为温度，K；γ为比热容比；y为空间体积，m；V_g为烟气体积，m³；Q_gm为烟气侧传热量，W；u_g为烟气比热力学能，kJ/kg；λ_g为烟气导热系数，W/(m·K)；c_v为烟气侧比定容热容，kJ/(kg·K)；ρ_g为烟气密度，kg/m³；

汽水侧导热微分方程：

式(2)中，Q_fm为汽水侧传热量，W；c_p为汽水侧比定压热容，kJ/(kg·K)；f为汽水；V_f为汽水体积，m³；u_f为烟气比热力学能，kJ/kg；λ_f为汽水侧导热系数，W/(m·K)；c_p为汽水侧比定容热容，kJ/(kg·K)；ρ_f为汽水密度，kg/m³；

烟气侧换热方程：

Q_gm＝A_oh_gm(T_g-T_m) (3)，

汽水侧换热方程：

Q_fm＝A_ih_fm(T_f-T_m) (4)，

式(3)、(4)中，h_gm为烟气侧对流换热系数，W/(m²·K)；h_fm为汽水侧对流换热系数，W/(m²·K)；A_i为管内总表面积，m²；A₀为管外总表面积，m²。

进一步优选地，所述步骤S3中模型部件为蒸发器，蒸发器中包含下降管，上升管和集总管，所述动态微分方程模型包括：

1)下降管数学模型

动量方程：

式(5)中，L_dc为下降管管长，m；D_dc为下降管管径，m；A_dc是下降管面积m²；f_dc为下降管阻力系数；m_dc为下降管流量，kg/s；v_dc为下降管比容，m³/kg；ξ为入口损失系数；p_wh为上升管压强，MPa；p_dr为汽包压强，MPa；

2)上升管数学模型

动量方程：

式(6)中：L_r为上升管管长，m；D_r为上升管管径，m；A_r是上升管面积m²；f_r为上升管阻力系数；m_r为上升管流量，kg/s；v_r为下降管比容，m³/kg；ξ为入口损失系数；p_wh为上升管压强，MPa；p_dr为汽包压强，MPa；

能量方程：

式(7)中：u_r为上升管比热力学能，kJ/kg；Q_r为上升管换热量，W；M_r为上升管流体总质量，kg；h_r为上升管对流换热系数，W/(m²·K)；h_dc为下降管对流换热系数，W/(m²·K)；

质量守恒方程：

进一步优选地，所述步骤S4中模型部件为汽包，所述汽包的精细化模型具体建模方法如下：

质量平衡：

式(9)中：M_dr为汽包流体总质量，kg；m_ec为省煤器流量，kg/s；m_s为蒸汽流量，下同；

能量平衡：

式(10)中：u_dr为汽包比热力学能，kJ/kg；u_dc为下降管热力学能，kJ/kg；Q_mf为壳侧对汽包放热量(W)；h_ec为省煤器对流换热系数，W/(m²·K)；h_s为蒸汽对流换热系数，W/(m²·K)；

汽包水体积：

V_W＝[(1-x_dr)/ρ_m]M_dr (12)，

式(11)、(12)中，V_w为汽包水实际体积，m³；V_dr为汽包水总体积，m³；L_dr为汽包长度；ρ_w为汽包水密度，kg/m³；r_dr是汽包半径，m；Y为汽包液位，m；x_dr为汽包干度；α为汽包剖面圆心到汽包水平面与圆剖面相交的点的半径和通过圆心的垂直半径形成的夹角；

汽包水体积关于时间微分变换后得到：

进一步优选地，所述步骤S5具体为：将建立模型在apros系统中进行仿真得到仿真模型数据，再根据历史数据最小二乘-分段线性连续拟合得到实际数据，然后将实际数据与仿真模型数据进行比较，考察仿真模拟精度。

进一步优选地，所述最小二乘-分段线性连续拟合包括以下步骤：

a、首先给定历史样本数据集(x_i,y_i)，i＝1、2、3、…、N；并统计x_i的最小x_min和最大值x_max；

b、根据线性分段数，将x_i等分为L个区间，得到各子区间为：[X⁰,X¹],[X¹,X²]，…，[X^L-1,X^L]；其中X⁰＝x_min，X^L＝x_max，X^l＝x_min+(x_max-x_min)/L×l；

c、将历史样本集按x_i的大小划分到各子区间：若x_i≥X^l且x_i≤X^l+1，则样本(x_i,y_i)属于第l分段；

d、将各区间内的x_i进行单位化，得到1-(x_i-X^l)/(X^l-X^l-1),(x_i-X^l)/(X^l-X^l-1)，分别记为x′_l,i和x″_l,i；

e、利用最小二乘技术，求得Y⁰，Y¹，…，Y^L，使各分段总体拟合误差最小，即：

f、根据端点(X⁰，Y⁰)，(X¹，Y¹)，，…，(X^L，Y^L)计算各分段斜率ρ_i。

本发明的有益效果：

本发明给出了燃气锅炉的精细化模型框架，并给出了相应的精细化模型分块，继而在此模型框架的基础上，建立了考虑省煤器、过热器、蒸发器、汽包的燃气锅炉精细化模型方程，并进行了相应的模型验证，即利用apros仿真软件进行模型搭建并与实际案例进行验证比较。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明燃气锅炉机组动态特性建模方法的流程示意图；

图2是本发明燃气锅炉模型总览；

图3是本发明燃气锅炉控制系统；

图4是本发明燃气锅炉动态特性监测结果；

图5是本发明燃气锅炉模型验证结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种燃气锅炉机组动态特性建模方法，具体包括以下步骤：

S1、分析燃气锅炉系统的组成部分，建立相应的模型框架：

燃气锅炉主要原理是水通过进水口进入锅炉，经过锅炉加热后达到标准水后通过循环泵送入室内散热器，通过辐射和对流换热进行供暖。通过散热器的水重新回到锅炉里进行加热，然后重新进入散热器，如此循环往复地进行。用户还可以根据供热范围的大小，选择合适的循环水泵。燃气锅炉燃料在炉内燃烧放出来的热量，加热锅内的水，使其汽化成蒸汽。水在锅炉中不断被炉里气体燃料燃烧释放出来的能量加热，温度升高并产生带压蒸汽，由于水的沸点会随压力的升高而升高，因此水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力作为一种能源广泛使用。

热水锅炉燃烧天然气产生高温燃气，通过换热器与供热回水进行热量交换，加热冷却回水，进而对用户供热供暖。系统中包含有两台燃气热水锅炉。模型中燃气热水锅炉包含有省煤器、过热器、换热器、汽包等模型装置。

S2、考虑模型的准确性，建立省煤器、过热器的传热导热方程：

省煤器安装于锅炉尾部烟道下部用于回收所排烟的余热，将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于省煤器吸收高温烟气的热量，降低烟气的排烟温度，给循环增加一个回热过程。提高吸热平均温度。从而增加循环效率。过热器将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度。各部件的传热、导热方程具体建模如下所示：

烟气侧导热微分方程

汽水侧导热微分方程

金属侧导热微分方程

烟气侧换热方程

Q_gm＝A_oh_gm(T_g-T_m)

汽水侧换热方程

Q_fm＝A_ih_fm(T_f-T_m)

S3、，根据模型的动态特性建立蒸发器的动态微分方程模型：

蒸发器中包含下降管，上升管，集总管组成，下降管中的水一般看作饱和水，可以简化为汽包压力下的饱和水。

1)下降管数学模型

动量方程

2)上升管数学模型

动量方程

能量方程

质量守恒方程

S4、根据汽包的具体作用建立相应的精细化模型：

汽包是自然循环锅炉的关键部件.它的工作好坏直接关系到水循环的安全和输出蒸汽的品质，在锅炉中用以进行汽水分离和蒸汽净化，组成水循环回路并蓄存锅水的筒形压力容器。主要作用为接纳省煤器来水，进行汽水分离和向循环回路供水，向过热器输送饱和蒸汽。汽包中存有一定水量，具有一定的热量及工质的储蓄，在工况变动时可减缓汽压变化速度，当给水与负荷短时间不协调时起一定的缓冲作用。汽包的具体建模方法如下所示

质量平衡

能量平衡

汽包水体积

V_W＝[(1-x_dr)/ρ_m]M_dr

汽包水体积关于时间微分变换后得到：

S5、将建立模型在apros系统中进行仿真并通过实际数据验证：

作为一个可以对自动化以及能源系统进行动态建模的仿真软件，apros可以有效的描述动力系统的动态过程，Apros仿真支撑系统由仿真引擎和图形用户界面组成。仿真引擎包括各种求解器和模型库，而图形用户界面提供了方便的图形组态和运行方式。Apros支持在建厂过程的所有阶段进行动态仿真，从而避免不必要的数据传递以及仿真模型的重新组态。

在实际的锅炉建模精度验证的过程中，一般直接给定的是设备的输入和输出历史数据。然后根据历史数据，拟合得到其函数关系式，再利用分段线性化技术获得各分段的线性关系。

利用分段连续-最小二乘技术得到的函数(粉色虚线)相比传统方法得到的函数(绿色实线)更为符合实际数据分布。

最小二乘-分段线性连续拟合包括以下步骤：

a、首先给定历史样本数据集(x_i,y_i)，i＝1、2、3、…、N；并统计x_i的最小x_min和最大值x_max；

b、根据线性分段数，将x_i等分为L个区间，得到各子区间为：[X⁰,X¹],[X¹,X²]，…，[X^L-1,X^L]；其中X⁰＝x_min，X^L＝x_max，X^l＝x_min+(x_max-x_min)/L×l；

c、将历史样本集按x_i的大小划分到各子区间：若x_i≥X^l且x_i≤X^l+1，则样本(x_i,y_i)属于第l分段；

d、将各区间内的x_i进行单位化，得到1-(x_i-X^l)/(X^l-X^l-1),(x_i-X^l)/(X^l-X^l-1)，分别记为x′_l,i和x″_l,i；

e、利用最小二乘技术，求得Y⁰，Y¹，…，Y^L，使各分段总体拟合误差最小，即：

f、根据端点(X⁰，Y⁰)，(X¹，Y¹)，，…，(X^L，Y^L)计算各分段斜率ρ_i。

而后，将实际数据与仿真模型数据进行比较，考察其仿真模拟精度。

本发明实例仿真均采用江苏省南京市某工业园区内某智能楼宇楼宇典型锅炉工况数据为优化对象，该数据是由项目组中的同学处理后得到的。采用apros软件进行详细建模仿真，具体结果如附图5所示。

在本项目中，选取某天实际运行数据作为边界条件，对所搭建仿真模型进行验证，从图中可以看出，仿真模型运行数据与实际运行数据相对误差在6％以内，符合工程实际要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、分析燃气锅炉系统的组成部分，建立相应的模型框架；

S2、考虑模型的准确性，建立模型部件的传热、导热方程；

S3、根据模型部件的动态特性建立动态微分方程模型；

S4、根据模型部件的具体作用建立相应的精细化模型；

S5、将建立模型在apros系统中进行仿真并通过实际数据验证。

2.根据权利要求1所述的燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤S1中燃气锅炉系统包含两台燃气热水锅炉，所述燃气热水锅炉包括省煤器、过热器、换热器和汽包。

3.根据权利要求1所述的燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤S2中模型部件为省煤器和过热器，省煤器用于回收所排烟的余热，将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，过热器将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度，所述传热、导热方程具体为：

烟气侧导热微分方程：

式(1)中：T为温度，K；γ为比热容比；y为空间体积，m；V_g为烟气体积，m³；Q_gm为烟气侧传热量，W；u_g为烟气比热力学能，kJ/kg；λ_g为烟气导热系数，W/(m·K)；c_v为烟气侧比定容热容，kJ/(kg·K)；ρ_g为烟气密度，kg/m³；

汽水侧导热微分方程：

式(2)中，Q_fm为汽水侧传热量，W；c_p为汽水侧比定压热容，kJ/(kg·K)；f为汽水；V_f为汽水体积，m³；u_f为烟气比热力学能，kJ/kg；λ_f为汽水侧导热系数，W/(m·K)；c_p为汽水侧比定容热容，kJ/(kg·K)；ρ_f为汽水密度，kg/m³；

烟气侧换热方程：

Q_gm＝A_oh_gm(T_g-T_m) (3)，

汽水侧换热方程：

Q_fm＝A_ih_fm(T_f-T_m) (4)，

式(3)、(4)中，h_gm为烟气侧对流换热系数，W/(m²·K)；h_fm为汽水侧对流换热系数，W/(m²·K)；A_i为管内总表面积，m²；A₀为管外总表面积，m²。

4.根据权利要求1所述的燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤S3中模型部件为蒸发器，蒸发器中包含下降管，上升管和集总管，所述动态微分方程模型包括：

1)下降管数学模型

动量方程：

式(5)中，L_dc为下降管管长，m；D_dc为下降管管径，m；A_dc是下降管面积m²；f_dc为下降管阻力系数；m_dc为下降管流量，kg/s；v_dc为下降管比容，m³/kg；ξ为入口损失系数；p_wh为上升管压强，MPa；p_dr为汽包压强，MPa；

2)上升管数学模型

动量方程：

式(6)中：L_r为上升管管长，m；D_r为上升管管径，m；A_r是上升管面积m²；f_r为上升管阻力系数；m_r为上升管流量，kg/s；v_r为下降管比容，m³/kg；ξ为入口损失系数；p_wh为上升管压强，MPa；p_dr为汽包压强，MPa；

能量方程：

式(7)中：u_r为上升管比热力学能，kJ/kg；Q_r为上升管换热量，W；M_r为上升管流体总质量，kg；h_r为上升管对流换热系数，W/(m²·K)；h_dc为下降管对流换热系数，W/(m²·K)；

质量守恒方程：

5.根据权利要求1所述的燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤S4中模型部件为汽包，所述汽包的精细化模型具体建模方法如下：

质量平衡：

式(9)中：M_dr为汽包流体总质量，kg；m_ec为省煤器流量，kg/s；m_s为蒸汽流量，下同；

能量平衡：

式(10)中：u_dr为汽包比热力学能，kJ/kg；u_dc为下降管热力学能，kJ/kg；Q_mf为壳侧对汽包放热量(W)；h_ec为省煤器对流换热系数，W/(m²·K)；h_s为蒸汽对流换热系数，W/(m²·K)；

汽包水体积：

V_W＝[(1-x_dr)/ρ_m]M_dr (12)，

式(11)、(12)中，V_w为汽包水实际体积，m³；V_dr为汽包水总体积，m³；L_dr为汽包长度；ρ_w为汽包水密度，kg/m³；r_dr是汽包半径，m；Y为汽包液位，m；x_dr为汽包干度；α为汽包剖面圆心到汽包水平面与圆剖面相交的点的半径和通过圆心的垂直半径形成的夹角；

汽包水体积关于时间微分变换后得到：

6.根据权利要求1所述的燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：将建立模型在apros系统中进行仿真得到仿真模型数据，再根据历史数据最小二乘-分段线性连续拟合得到实际数据，然后将实际数据与仿真模型数据进行比较，考察仿真模拟精度。

7.根据权利要求6所述的燃气锅炉机组动态特性建模方法，其特征在于，所述最小二乘-分段线性连续拟合包括以下步骤：

a、首先给定历史样本数据集(x_i,y_i)，i＝1、2、3、…、N；并统计x_i的最小x_min和最大值x_max；

b、根据线性分段数，将x_i等分为L个区间，得到各子区间为：[X⁰,X¹],[X¹,X²]，…，[X^L-1,X^L]；其中X⁰＝x_min，X^L＝x_max，X^l＝x_min+(x_max-x_min)/L×l；

c、将历史样本集按x_i的大小划分到各子区间：若x_i≥X^l且x_i≤X^l+1，则样本(x_i,y_i)属于第l分段；

d、将各区间内的x_i进行单位化，得到1-(x_i-X^l)/(X^l-X^l-1),(x_i-X^l)/(X^l-X^l-1)，分别记为x′_l,i和x″_l,i；

e、利用最小二乘技术，求得Y⁰，Y¹，…，Y^L，使各分段总体拟合误差最小，即：

f、根据端点(X⁰，Y⁰)，(X¹，Y¹)，，…，(X^L，Y^L)计算各分段斜率ρ_i。

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