燃氣熱電聯供機組動態模型及仿真

杜一慶,梁鑫,單明

燃氣熱電聯供機組動態模型及仿真

杜一慶1,梁鑫1,單明2

（1華中科技大學能源與動力工程學院；2武漢鋼鐵集團公司，湖北武漢430074）

依據基本的質量平衡和能量平衡原理，分析了燃氣燃燒、鍋爐蓄熱、過熱器差壓、汽輪機動態的特點，并針對機組壓力、發電功率，建立機組在較大范圍變工況運行下簡化的非線性動態模型。模型采用機組穩定運行工況點的數據確定靜態參數，利用汽輪機調門開度擾動和燃料量擾動實驗確定動態參數。在確定武鋼集團熱能電站熱電聯產機組動態仿真模型后，采用Simulink平臺對該機組進行動態仿真。結果顯示，該模型可對武鋼熱電聯產機組變負荷動態進行較為準確的預報，誤差控制在±10%以內，簡單實用，具有良好的工程應用性。

熱電聯產；動態；模型；Simulink；仿真

1 前言

武鋼集團熱能電站為燃氣熱電聯產機組，安裝了2臺220 t/h高溫高壓燃氣鍋爐和2臺50 MW單抽凝汽式汽輪發電機。設計供熱負荷：平均160 t/ h，最大210 t/h（1.274 MPa，320℃，凝結水不回收）。2臺220 t/h煤氣鍋爐，系武漢鍋爐股份公司產WGZ220/9.81-18型、單鍋筒、單爐膛、平衡通風、自然循環燃氣鍋爐。其燃燒器概況：前墻布置，下三排每排3只高爐煤氣燃燒器；最上排3只焦爐煤氣燃燒器；高爐煤氣燃燒器中心風管內布置焦爐氣煤氣槍，作為點火用。根據摻燒焦爐煤氣的比例，鍋爐燃料主要按兩個典型工況考慮：

工況Ⅰ(設計主工況)：90%高爐煤氣+10%焦爐煤氣；

工況Ⅱ（調峰工況）：60%高爐煤氣+40%焦爐煤氣。

汽輪機型式為高壓、單抽凝汽式汽輪機C50-8.83/1.27，額定功率50 MW，額定抽汽量50 t/h。該供熱電站配置250 t/h（9.81/3.82 MPa）減溫減壓裝置和100 t/h（9.81/1.274 MPa）減溫減壓裝置各一套。出力250 t/h（9.81/3.82）減溫減壓裝置，其出口二次蒸汽管道與武鋼冶煉電站“一鼓風”供汽管網聯通，可作為“一鼓風”中溫中壓動力蒸汽的緊急備用汽源。出力100 t/h（9.81/1.274 MPa）減溫減壓裝置和汽輪機抽汽并入1.274 MPa蒸汽的蒸汽管網，主要供煉鋼廠抽真空用汽。

按照武鋼集團公司要求，既要滿足2臺50 MW機組負荷發電，又要滿足對鼓風機站和煉鋼抽真空正常供氣，目前鍋爐的實際負荷無法實現，這對燃氣電站的平衡調度提出了很高要求。如何實現對熱電聯產電站實現調度，需要構建該系統的動態仿真系統，而實現仿真的核心是確定系統的動態模型。

2 國內研究現狀

國內很早就開始了對變負荷熱力發電動態模型的研究。早期的文獻多集中于對鍋爐效率、煙氣組分、排煙溫度等的分析研究，或者對變負荷工況下汽輪機的效率研究，例如利用計算煙氣中RO2成分計算過鍋爐的排煙熱損失q2[1]，探究實用簡便的鍋爐效率計算方法[2]，通過改進型的逆順序混合算法計算噴嘴調節、再熱式汽輪機的超臨界工況[3]。但上述模型往往需要大量復雜的實時測量數據，工業應用價值難以發揮。

近年來，僅僅通過建立數學模型已經很難適應高速發展的熱力系統，難以滿足對運行效率的要求，利用已有的計算模擬仿真軟件對熱力發電系統進行模擬仿真已經被越來越多地應用到現階段的研究當中。比如運用Simulink仿真工具,對鍋爐系統進行建模和仿真[4]，或者將Matlab軟件應用到汽輪機的變工況計算中,采用擬合調節級特性曲線方程、繪制特性曲線等方法來計算調節級變工況[5]。

基于現場實時數據，滿足熱力發電系統的實時監控與維護管理，建立有效準確地動態仿真模型，編制相關軟件，也是近年來熱力系統仿真發展的重要方向。湯曉凡[6]等人利用現場運行數據，以135 t/h冶金煤氣鍋爐為例進行熱平衡計算分析，有效地簡化了傳統鍋爐熱效率計算過程，減少了計算輸入參數，提出了基于現場數據的燃用多種燃料的鍋爐熱效率在線實時計算方法，并開發出簡潔友好的仿真軟件。田亮[7]等人基于電廠發電機組實時運行監控數據，利用理論分析和數據擬合的方式，提出了一種結構簡單，準確度高的發電機組大負荷變化模型，并利用相關軟件通過計算結果與現場數據的對比，驗證了模型的有效性。

然而，現有的模型往往基于單純的發電機組，在能源利用效率越來越重要的當前形勢下，熱電聯產聯供已經成為工業發電的主要發展方向，建立對熱電聯產聯供機組有效的數學模型是十分必要且有意義的。

3 燃氣熱電聯供機組動態模型

3.1 燃氣熱電聯供機組數學模型

現場實際的熱電聯產機組由2臺機組構成，2臺鍋爐產生的蒸汽并入母管，然后接入減溫減壓器和2臺汽輪機。見圖1。

分別用下標1、2表示1#機組、2#機組的參數。參考田亮[7][8]等人建立的機組仿真模型，依據武鋼的機組實際運行狀況，可以得到以下方程。

燃料輸入可以描述為

方程中，Ub表示輸入鍋爐的燃料熱值，kc與kb分別代表焦爐煤氣與高爐煤氣低位熱值，QC與QB分別表示焦爐煤氣與高爐煤氣的輸入量（m3/h）。

本文將鍋爐水冷壁、過熱器作為一個整體考慮。再熱器對鍋爐負荷及壓力的動態特性影響不大，忽略不計。因而鍋爐的熱力平衡模型可以表示為

方程左側表示鍋爐的蓄熱隨時間的變化，右側第一項代表送入汽輪機做功的蒸汽部分。Cb表示鍋爐的蓄熱系數，反映出鍋爐的蓄熱能力，影響鍋爐對于負荷變化的響應時間。一般來說，鍋爐金屬蓄熱最大，水的蓄熱所占的比例次之，而蒸汽的蓄熱則可以忽略。在鍋爐正常運行出現負荷波動時，汽包水位波動控制在正常范圍，鍋爐內的飽和水及蒸汽只占總儲熱量的小部分，不足以對鍋爐蓄熱系數產生重大影響，因而在負荷正常波動時，可將鍋爐蓄熱系數Cb看作是常數。Pd為汽包壓力(MPa)。

右側第二項代表用于供熱的蒸汽部分，K3f與K4f表示為鍋爐增益。第三項則代表輸入鍋爐的有效熱量。由于兩臺鍋爐產生的蒸汽要在匯入蒸汽母管后才輸入汽輪機以及供熱管網，因此兩臺鍋爐對于供熱部分的貢獻基于其輸入的有效熱量

汽輪機的能量平衡方程可以通過如下方程表示

方程左側表示汽輪機能量變化，Kf表示汽輪機動態時間，右側第一項表示發電機發電功率，第二項表示由蒸汽母管輸入汽輪機的蒸汽，K3、K4表示汽輪機增益，Pt表示汽輪機機前壓力，uT則代表進氣閥門開度。

過熱器差壓ΔP反映汽包壓力Pd、機前壓力Pt和鍋爐有效吸熱量QW之間的關系。對于理想氣體流動過程，差壓與流量可以用伯努利方程表示，考慮蒸汽密度變化的伯努利方程為，根據相關文獻[7]的實際數據的擬合結果，更接近于Pt=Pb-K2QW1.3，即

式中，K21與K22表示過熱器阻力系數。

因為鍋爐蒸汽輸入蒸汽母管的緣故，汽輪機的機前壓力并不等于過熱器出口壓力，因此兩臺并聯的汽輪機機前壓力可以通過以下方程確立

方程左側代表輸入汽輪機的蒸汽，右側則代表鍋爐產生的蒸汽中輸入汽輪機的部分。

3.2 模型參數確定

模型包括靜態參數和動態參數。靜態參數利用機組穩定運行時參數求取，動態參數通過擾動試驗求取。

供熱功率一般相對穩定，Khqh直接作為常數給出。

1#鍋爐高爐煤氣量197410 m3/h，焦爐煤氣量6117 m3/h，主蒸汽量204 t/h，溫度530℃，壓力7.8 MPa；2#鍋爐高爐煤氣量117338 m3/h，焦爐煤氣量14320 m3/h，主蒸汽量172 t/h，溫度532℃，壓力8.1 MPa；1#汽輪機發電功率40 MW，主蒸汽量147 t/h，溫度527℃，壓力6.5 MPa，抽汽量0 t/h；2#汽輪機發電功率42 MW，主蒸汽量174 t/h，溫度531℃，壓力7.51 MPa，抽汽量0 t/h。

總供熱量=(204+172-147-174)×(3473.7-105)÷ 3600=51.5 MW。

總高爐煤氣燃料量∑Qb=87.458 m3/s，總焦爐煤氣量∑Qc=5.677 m3/s，高爐煤氣低位熱值kb=3.260 MJ/m3，焦爐煤氣低位熱值kc=16.050 MJ/m3。總輸入燃氣熱值∑ub=407.712 MW。

通過汽輪機調門擾動實驗求取鍋爐的蓄熱系數Cb。將燃料指令和汽輪機調門開度指令切為手動狀態，在機組負荷和壓力均穩定時，鍋爐燃料量保持不變，汽輪機調門逐漸減少，記錄下若干組機組負荷N和對應的汽包壓力Pd。鍋爐的蓄熱系數按Cb=求取。最終得到Cb=2600(MW.S/MPa)。

Kf通過汽輪機甩負荷試驗確定為15 s。

利用武鋼所提供的8月5日上午10點記錄的實時數據，依據改進后的方程組，求出相關靜態參數，如表1所示：

3.3 武鋼熱能電站機組動態模型

相關的參數確定后，代入式(1)～(11)，并考慮2臺機組并網運行機前壓力取平均值，最終得出武鋼熱能電站燃氣熱電聯供機組的動態模型如下：

得出上述動態模型后，就能用Matlab軟件對熱電聯產機組進行仿真，為機組的負荷調度提供參考。

3.4 機組動態模型MATLAB仿真

依據武鋼所提供的8月5日上午機組運行的實時數據，得到仿真結果如表2所示。

當1號鍋爐的焦爐煤氣供應停止時，系統的壓力，發電功率等隨之發生變化，如圖2和圖3所示。

4 仿真結果分析

由表1對比結果可知，在系統處于正常工況條件下，負荷發生輕微擾動，仿真所預測的機組狀態值與實際運行狀態值基本吻合，誤差控制在10%以內。

而當鍋爐負荷發生較大范圍變化，例如1號鍋爐焦爐煤氣停止供應時，模型仍然顯示出良好的預測能力。實測數據顯示，1號發電機的發電功率由40 MW降低至30 MW，2號發電機功率由42 MW降低至35 MW。仿真結果顯示1號發電機的發電功率由40 MW降低至28.24 MW，2號發電機功率由42 MW降低至32.69 MW，相對誤差分別為5.9%和6.6%，均在10%以內，說明仿真模型在系統大范圍變負荷工況條件下的預報上有良好的參考價值。

5 結論

本文利用Matlab平臺，依據基本的質量平衡和能量平衡，分析燃氣燃燒、鍋爐蓄熱、過熱器差壓、汽輪機動態的特點，并針對機組壓力、發電功率，建立機組在較大范圍變工況運行下簡化的非線性動態模型。模型采用機組穩定運行工況點的數據確定靜態參數，利用汽輪機調門開度擾動和燃料量擾動實驗確定動態參數。在確定武鋼集團熱能電站熱電聯產機組動態仿真模型后，采用Simulink平臺對該機組進行動態仿真。結果顯示，該模型可以對武鋼熱電聯產機組變負荷動態進行較為準確的預報，誤差控制在±10%以內，簡單實用，具有良好的工程應用性。

[1]卞志華.鍋爐效率計算方法探討[J].華東電力.1994，4：23-24

[2]李雪亮.實用簡便的鍋爐效率計算方法[J].華北電力技術.1996，9：21-22，25

[3]任浩仁，李劍日，盛德仁，陳堅紅.汽輪機變工況熱力計算算法的改進[J].浙江電力.1996，2：1-5

[4]岑煒，李濤永，孔子華.Matlab/Simulink環境下鍋爐模塊封裝子系統設計[5]宋曉，謝誕梅，周海龍.基于MATLAB的汽輪機調節級變工況特性計算[J].汽輪機技術.2002，44(3）：141-143

[6]湯曉凡，曹先常.冶金煤氣鍋爐熱效率在線計算方法研究與實現[J].冶金動力.2009，1：17-20

[7]田亮，曾德良.500MW機組簡化的非線性動態模型[J].動力工程. 2004，24（4）：522-525

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Dynamic Modeland Simulation of Gas-fired Heat and Power Cogeneration Units

Du Yiqing1,Liang Xin1,Shan Ming2
(1.Huazhong University of Science and Technology;2.WISCO,Wuhan,Hubei 430074,China)

Based on the principle of mass and energy balance,the gas combustion,boiler heat storage,differential pressure of superheater and dynamic characteristic of turbine were analyzed;and with respect to the parameters including pressure and output power of the unit, a simplified nonlinear dynamic model capable of simulating actual operational state in widely variable working conditions was established.The model uses the data at stable operation points to determine the static parameters and the data from turbine disturbance and fuel flow disturbance experiments to determine the dynamic parameters.Once the dynamic model for the co-generation units of WISCO thermal plant was established,Simulink platform was adopted to dynamically simulate the unit.Results showed that the model is both simple and practical and can comparatively accurately predict the load-varying dynamics of the units with an error less than 10%,and all evidence shows the model has good engineering applicability.

heat and power cogeneration;dynamic;model;Simulink;simulation.

TM61

B

1006-6764（2015）01-0031-04

∶2014-09-20

杜一慶(1967-)，男，副教授、碩士生導師。現從事新能源、清潔煤燃燒和大氣污染物治理技術方面研究工作。在復雜流動傳熱過程數值模擬，能源管理和環保技術中的設備和工藝優化方面有研究特長。