1、第 卷第 期红水河 年 月 三分仓回转式空气预热器动态模型优化和仿真覃贵芳，王恩营，粟小平，张宝芳，张 婧，韦海燕（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁；博努力（北京）仿真技术有限公司，北京）摘 要：为了提高火电仿真培训系统模型精度和模块运行速度，笔者以三分仓回转式空气预热器为研究对象，提出三分仓空气预热器链式结构集总参数模型，该模型由三个相互重叠的环节组成，分别建立各环节的简单集总参数模型，在烟气热流量、空气入口流量和焓扰动的情况下，其出口焓分别以二阶和三阶的精度逼近分布参数模型，提高了三分仓空气预热器模型的精度。依托 多学科仿真开发平台进行图形化建模和仿真，结果表明：该模型具有精度高、建模
2、方法相对简单、运行速度快、模块可移植性好等优点。关键词：三分仓回转式空气预热器；链式结构；集总参数模型；建模；仿真中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,;(),):,:;引言近年来，我国火电机组向着大容量、高参数的方向发展，众所周知，机组容量越大控制越困难，对运行值班员的专业技能和个人素质要求也越高，因此，火电机组仿真系统变得尤为重要。它可以作为运行值班员的岗前培训平台，提高他们的操作技能水平；但是传统火电仿真机组局部模型中存在算法不够先进或有一些未建模的因素，不够准确的参数影响仿真机组模型的精度。深入研究火电机组重点局部设备的动态特性是建立数学模型的基
3、础，是提高模型精度的关键。三分仓空气预热器是火电机组锅炉风烟系统重要的设备之一，在描述其动态模型时，传统上采用单段或多段集总参数模型。这两种模型各有优劣，前者模型结构简单，但精度低；后者模型结构复杂，但精度高。在当前大容量、高参数火电机组的背景下，采用这两种模型的仿真培训系统越来越不 收稿日期：；修回日期：基金项目：年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（）；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助（桂教人才 号）作者简介：覃贵芳（），女（壮族），广西环江人，讲师，硕士，主要从事热力系统仿真技术研究。：。红水河 年第 期能满足工程要求，因此，其发展在很大程度上受到限制。如果有一种模型既能
4、充分发挥两者的优点又能适当地规避它们的缺点，则该模型将会成为火电机组仿真领域的“宠儿”。本文针对以上问题，提出一种优于传统三分仓空气预热器模型的算法。在建立数学模型前，先对该模型结构划分做了优化，即划分三个相互重叠的环节，分别建立各环节的简单集总参数模型；再利用计算机语言进行“二次建模”，依托 多学科仿真开发平台进行图形化建模；最后在平台上对模型进行仿真和调试。研究对象简介三分仓回转式空气预热器是回转式空气预热器的一种，它的受热面安装在可转动的圆筒形转子中，转子被分割成若干个扇形仓格，仓内装满了金属薄板，这些金属板就是三分仓回转式空气预热器的传热器件。圆形外壳顶部与底部把转子的流通面积分成三部
5、分，它们分别是烟气流通区、密封区和空气流通区。烟气流通区的两端与烟道相通，而空气流通区的两端与风道相通。受热面转子的转速较慢，通常为 。当受热面转到烟气流通区时，自上而下流动的烟气会把热量传给受热面金属，受热面被加热后，一旦转到空气流通区，它就会将热量传给空气，因此，转子每转动一周就完成一次热交换。烟气流通区、空气流通区和密封区占转子总面积的比例分别为、。为了适应大容量煤粉炉燃烧的需要，把三分仓回转式空气预热器的空气流通区又分为一次风流通区和二次风流通区。与二分仓回转式空气预热器相比，三分仓回转式空气预热器把空气流通区分成了一次风流通区和二次风流通区，因而多出一个通道，所以它的建模会有较大的难
6、度。模型分析三分仓回转式空气预热器以往通常采用单段集总参数模型和多段集总参数模型。前者是最传统的一种模型，其建模方法简单，应用广泛，但是模型精度低，不能满足工程上的要求；后者实际上就是前者多个模型的串联，虽然模型精度上有明显的改善，但是由于模型分段数量多，导致建模工作量大、模块运行速度慢等。一些学者对三分仓回转式空气预热器建模和仿真进行了不少研究：程芳真等建立了三分仓回转式空气预热器多段集总参数模型，并将其应用在福州 电站仿真中，取得与现场相对一致的仿真效果；任挺进等从模型的计算工作量、理论精度和仿真结果等方面，将三分仓空气预热器三段集总参数模型与链式结构模型进行详细比较，得出链式结构模型的理
7、论精度高出两阶的结论，最后通过仿真数据验证了链式结构模型的精度更高的结论；李庆等以某机组三分仓回转式空气预热器为研究对象，建立其多段集总参数模型，仿真结果表明，三分仓回转式空气预热器集总参数模型至少要分为四段，才能满足工程要求；杜阔采用空气预热器链式结构模型，在仿真支撑平台上进行调试和仿真，最后提出基于遗传算法完成仿真模型动态参数自整定；李志强分析风烟系统的运行特点，研究设备的动态特性，建立空气预热器数学模型，通过仿真结果分析模型的仿真效果，为后续研究提供参考；钟崴等提出一种基于神经网络建立的数据代理映射与机理映射模型，该模型最终计算结果的误差在以内。为了提高模型精度和模块运行速度，通过综合分
8、析考虑，本文的三分仓回转式空气预热器采用链式结构集总参数模型；在模型结构划分上，由三个相互重叠的环节组成；与三段集总参数模型相比较，它们具有相同的计算工作量；在烟气热流量的扰动下，一次风和二次风出口焓的响应虽然无明显改善，但在一次风和二次风入口焓或流量的扰动下，其出口焓值动态响应过程却有明显的改善。这是因为在一次风和二次风入口流量和入口焓扰动的情况下，其出口焓分别以二阶和三阶的精度逼近分布参数模型，所以能提高模型的精度。由此可见，三分仓回转式空气预热器链式结构模型将能更好地满足工程要求，在工程上更有推广价值。本文以长兴电厂火电机组为研究对象，三分仓回转式空气预热器采用链式结构集总参数模型，依托
9、 多学科仿真平台，利用 热力系统建模工具模块库的模块进行图形化建模，最后在仿真平台上完成模型仿真和调试。数学模型在建立数学模型时要遵循下列原则：）由于空气预热器具有较大的换热系数，因此必须将空气预热器空气通道、烟气通道分别划分为三段相互重叠的环节再进行计算，这样才能使模型具有较高的精确度和较好的动态特性；）链式集总参数环节结构的划分完成后，要对每个环节均采用集中参数的数学模型进行建模；）由于空气预热器转子转覃贵芳，王恩营，粟小平，等：三分仓回转式空气预热器动态模型优化和仿真速较慢，转子横截面上的温度具有不均匀性，因此建模时必须予以考虑，才能正确模拟其动态过程。三分仓回转式空气预热器链式集总参数
10、模型环节结构的划分见图，模型入口至 处为环节，处至模型出口为环节，处至模型出口为环节。环节 的集总参数取 截面的参数，环节 的集总参数取 截面的参数，环节 的集总参数取 截面的参数。建模时，假设各个控制体之间无泄漏现象，按图 环节结构划分方法，分别将烟气流通区和空气流通区以及各金属区进行环节划分，然后分别建立各个环节的动态模型。图 链式集总参数环节结构划分图 空气预热器的壁面是金属材料。在某温度下，壁面吸收热量的多少与转子的转速有关，由此可以把金属壁面看作流体，流体流动的速度用流量来衡量，假设各通道之间均无漏风，则壁面的旋转速度用金属流量 来衡量，其计算公式如下：（）式中：为空气预热器受热壁面
11、有效质量；为空气预热器转子的旋转速度。一次风区数学模型一次风区金属能量方程：（）（）（）式中：为一次风区第 个环节金属壁面的吸热量；为一次风区第 个环节金属壁面的进出口温度；为一次风区第 个环节金属壁面的质量流量；为一次风区第 个环节金属壁面的有效质量。一次风能量平衡方程：（）（）（）式中：为一次风区第 个环节风的质量，与一次风的风速和风机进出口大小有关；为一次风的定压比热容，（）；为一次风区第 个环节风的吸热量，与换热元件和一次风的换热情况有关；为一次风区第 个环节风的质量流量，与一次风的风速和风机进出口大小有关；为一次风区第 个环节风的进口温度，与自然界的温度或环节内换热情况有关。二次风区
12、数学模型二次风区金属能量方程：（）（）（）式中：为二次风区第 个环节金属壁面的吸热量；为二次风区第 个环节金属壁面的进出口温度；为二次风区第个环节金属壁面的质量流量；为二次风区第 个环节金属壁面的质量。二次风能量平衡方程：（）（）（）式中：为二次风区第 个环节风的质量；为二次风区第 个环节风的换热量；为二次风区第个环节风的质量流量；为二次风的定压比热容；为二次风区第 个环节风的进出口温度。烟气区数学模型烟气区金属能量方程：（）（）（）式中：为烟气区第 个环节金属壁面的有效质量；为烟气区金属壁面的比热容；为烟气区第个环节金属壁面的吸热量；为烟气区第个环节金属壁面的质量流量；为烟气区第 个环节金属
13、壁面的进口温度。烟气区能量平衡方程：（）（）（）式中：为烟气区第 个环节烟气的放热量；为烟气区第个环节烟气的进出口温度；为烟气区第 个环节烟气的质量流量；为烟气区烟气的定压比热容；为烟气区第 个环节烟气的质量。一次风区、二次风区和烟气区的传热方程一次风区的传热方程：（）（）|（）红水河 年第 期 二次风区的传热方程：（）（）|（）烟气区的传热方程：（）（）|（）式中 为常系数，。模型建立上述用数学模型代替空气预热器的过程称为一次建模；但数学模型不便于使用和推广，因此，可以用计算机语言把它编写成计算机程序，在 多学科仿真开发平台上修正和调试模块，建立模型算法，最后将其封装和打包，放入算法库中形成
14、模块库，这个过程称为二次建模。空气预热器模块如图 所示。对数学模型进行二次开发，既避免了重复的建模工作，也便于图形化模型的搭建。依托 多学科仿真开发平台，按照空气预热器工作过程中相关参数的传递关系，结合长兴电厂火电机组空气预热器结构特点和运行情况，利用热力系统建模工具把相关模块按系统流程图连接起来，完成三分仓回转式空气预热器的图形化建模，最后在仿真平台上对模型进行运行和调试。图 空气预热器模块 仿真试验及结果分析为了检验模型的精度和模块运行速度，可按风烟系统的流程图，在 多学科仿真平台上进行图形化建模，并进行静态和动态仿真试验。静态仿真试验静态仿真试验结果是衡量仿真精度的重要依据。下面我们列出
15、仿真系统分别在、负荷、负荷、负荷和 负荷等 种典型工况的静态仿真结果，主要参数的设计值和仿真值及相对误差见表。表 不同工况下仿真结果的稳态值及误差工况空气预热器出口一次风温度仿真值 设计值 误差 空气预热器出口二次风温度仿真值 设计值 误差 空气预热器出口烟气温度仿真值 设计值 误差 负荷负荷负荷负荷 根据表 可知，三分仓回转式空气预热器的链式多段集总参数模型仿真试验数据和相对应的设计数据误差均在的范围内，完全能够满足仿真机的精度要求。动态仿真试验 空气预热器转速扰动当空气预热器的电机发生故障时，备用马达投入运行，此时空气预热器转子的转速突然由 下降到 ，一次风、二次风和烟气的出口温度响应曲线
16、如图 所示。空气预热器转子转动顺序由烟气区到一次风区，再由一次风区到二次风区。当空气预热器转子转速明显下降时，在烟气通道中，烟气与金属壁面的接触时间变长，其温度变得很高，与烟气的对流换热变弱，因此，出口烟气温度升高；对于一次风区而言，起初因为转子速度下降，一次风没有及时图 空气预热器转速扰动时温度响应曲线吸收到热量而导致风温下降，后来却因金属壁面温度上升而使一次风温度升高；二次风的响应和一次风的响应类似，但会因为一次风侧金属壁面温度的下降，加剧二次风出口温度的下降。入口烟气温度扰动在机组运行过程中，尾部烟道烟气二次燃烧，覃贵芳，王恩营，粟小平，等：三分仓回转式空气预热器动态模型优化和仿真导致空气预热器的入口烟气温度上升，此时一次风、二次风和烟气的温度响应曲线如图 所示。图 入口烟气温度扰动时温度响应曲线 在风量不变的情况下，空气预热器入口烟气温度升高，会使得一次风、二次风和烟气出口温度也随着升高；但由于转子运动的顺序和能量转移的滞后性，一次风的温度响应要滞后于烟气的温度响应；同理，二次风出口温度响应更慢。风量增大扰动在机组运行过程中，由于某些原因导致一次风、二次风入口流量增大，此时一次