基于熱力系統(tǒng)計算模型的燃煤發(fā)電廠二次再熱控制策略研究

摘要：通過建立燃煤發(fā)電廠二次再熱系統(tǒng)的熱力模型，研究了二次再熱控制策略對系統(tǒng)性能的影響。首先，介紹了燃煤發(fā)電工藝和二次再熱系統(tǒng)原理；其次，詳細探討了控制策略在熱力系統(tǒng)中的應用及其對系統(tǒng)性能的影響；最后，了解熱力系統(tǒng)的建模方法，并給出了二次再熱系統(tǒng)建模步驟與假設。通過仿真實驗驗證了控制策略的有效性，為燃煤發(fā)電廠的運行優(yōu)化提供了理論支持。

關鍵詞：燃煤發(fā)電廠二次再熱系統(tǒng)控制策略熱力系統(tǒng)建模仿真實驗

中圖分類號：TM62

ResearchontheSecondaryReheatingControlStrategyofCoal-FiredPowerPlantBasedonThermalSystemCalculationModel

XIONGChunhuiXIONGYichenLIAOYuhaoSUShuaishuai

XinyuSecondPowerGenerationCo.，Ltd.ofJiangxiDatangInternationalNewEnergyCo.，Ltd.，Xinyu，JiangxiProvince，338013China

Abstract：Byestablishingthethermodynamicmodelofsecondaryreheatingsystemincoal-firedpowerplants，theinfluenceofsecondary?;reheatingcontrolstrategyonsystemperformanceisstudiedinthisarticle.Firstly，thecoal-firedpowergenerationprocessandtheprincipleofsecondaryreheatingsystemareintroduced.Secondly，theapplicationofcontrolstrategyinthermalsystemanditsinfluenceonsystemperformancearediscussedindetail.Finally，themodelingmethodofthermodynamicsystemisunderstood，andthemodelingstepsandassumptionsofsecondaryreheatingsystemaregiven.Theeffectivenessofthecontrolstrategyisverifiedbysimulationexperiments，whichprovidestheoreticalsupportfortheoperationoptimizationofcoal-firedpowerplants.

KeyWords：Coal-firedpowerplant;Secondaryreheatingsystem;Controlstrategy;Thermalsystemmodeling;Simulationexperiment.

在現(xiàn)代能源體系中，燃煤發(fā)電廠作為主要的電力供應方式之一，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要地位。而二次再熱系統(tǒng)作為燃煤發(fā)電廠的關鍵部件之一，對系統(tǒng)的性能和效率具有重要影響。本文旨在通過建立燃煤發(fā)電廠二次再熱系統(tǒng)的熱力模型，研究不同的二次再熱控制策略對系統(tǒng)性能的影響。

1燃煤發(fā)電廠熱力系統(tǒng)介紹

1.1燃煤發(fā)電工藝概述

在燃煤環(huán)節(jié)，煤炭被輸送至發(fā)電廠，并經(jīng)過煤磨機磨碎成粉狀，然后通過煤粉管道輸送至鍋爐燃燒室。煤粉在高溫高壓條件下燃燒，釋放出熱量，同時產(chǎn)生燃燒廢氣。煤炭中的碳、氫等元素與空氣中的氧氣發(fā)生反應，生成二氧化碳、水蒸氣等燃燒產(chǎn)物。接著是發(fā)電環(huán)節(jié)，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽被送入汽輪機中。汽輪機的轉(zhuǎn)子被蒸汽推動旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。煤炭的能量被轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)發(fā)電的過程。在這一過程中，熱力能的轉(zhuǎn)化效率對發(fā)電效率起著至關重要的作用。燃煤發(fā)電廠在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的燃燒廢氣和煤灰，需要進行處理和排放。煙氣中的顆粒物和氣體污染物需要經(jīng)過除塵器和脫硫設備進行處理，以達到環(huán)保排放標準。排放處理過程旨在減少對環(huán)境的污染，保護生態(tài)環(huán)境。

1.2二次再熱系統(tǒng)組成與工作原理

二次再熱系統(tǒng)是燃煤發(fā)電廠中的重要部件，主要由再熱器、再熱閥、再熱蒸汽管道和相關控制系統(tǒng)等組成。其工作原理是在主汽輪機的中間抽汽后，將高溫高壓的蒸汽送入再熱器進行再熱。再熱后的高溫高壓蒸汽再次送入汽輪機的中間級進行進一步的膨脹驅(qū)動，從而提高了汽輪機的熱效率和發(fā)電功率。

從鍋爐中產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽經(jīng)過主汽閥進入汽輪機的高壓缸進行膨脹驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。一部分高溫高壓蒸汽在經(jīng)過高壓缸后，被中間抽汽至再熱器中進行再熱。再熱器是一個熱交換器，利用低溫熱源（一般是鍋爐的煙氣）對蒸汽進行再加熱，提高其溫度。再熱后的高溫高壓蒸汽通過再熱閥進入汽輪機的中間級進行膨脹驅(qū)動。由于再熱后的蒸汽溫度比之前更高，能夠更充分地利用汽輪機的膨脹工作區(qū)域，提高了汽輪機的熱效率。蒸汽在汽輪機中完成膨脹功，帶動汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。之后，蒸汽被冷凝成水并重新送回鍋爐進行循環(huán)利用。

2熱力系統(tǒng)計算模型建立

2.1熱力系統(tǒng)建模方法介紹

基于物理原理的建模利用熱力學、流體力學和傳熱學等基本物理原理，建立系統(tǒng)的質(zhì)量平衡、能量平衡和動量平衡等方程。這樣的建模方法通常適用于對系統(tǒng)的細節(jié)和復雜性有較深理解的情況下，能夠提供較為準確的系統(tǒng)描述。經(jīng)驗模型方法通過分析實驗數(shù)據(jù)和總結(jié)經(jīng)驗規(guī)律，建立簡化的數(shù)學模型來描述系統(tǒng)的整體行為和特性。盡管這種方法的準確性可能不如基于物理原理的建模方法，但它的建模過程更為簡單和直觀，適用于一些簡單和常見的系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡模型利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)進行訓練，來構(gòu)建系統(tǒng)的非線性映射關系。神經(jīng)網(wǎng)絡模型適用于一些非線性、復雜的系統(tǒng)，在一定程度上可以提供較為準確的系統(tǒng)預測和分析。計算流體動力學擬是一種基于數(shù)值計算的建模方法。通過求解流體力學方程和傳熱方程，計算流體動力學擬可以模擬熱力系統(tǒng)中的流體流動和傳熱過程。這種方法適用于對系統(tǒng)的流體行為和傳熱過程有較為深入的理解，可以提供詳細的系統(tǒng)分析和預測。

2.2二次再熱系統(tǒng)建模步驟與假設

建模的第一步是確定系統(tǒng)的邊界和組成部分。明確定義再熱系統(tǒng)的主要組件，如再熱器、再熱閥、再熱蒸汽管道等，并確立系統(tǒng)與外部環(huán)境的交互關系。通過考慮燃燒、再熱和傳熱等過程，建立能量平衡方程以描述能量在系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移和消耗情況，從而深入理解系統(tǒng)的能量流動規(guī)律。在建立能量平衡方程時，需要考慮系統(tǒng)中可能存在的熱損失和能量轉(zhuǎn)化效率[1]。這些因素會對系統(tǒng)的實際運行產(chǎn)生影響，因此，需要在建模中充分考慮，以保證模型的準確性和可靠性?？刂撇呗园ㄔ贌衢y的開度控制、再熱器的再熱溫度控制等，直接影響著系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性。因此，在建模過程中需要充分考慮系統(tǒng)的控制策略，并將其納入模型中進行描述。在建模過程中，通常會做一些簡化和假設，以簡化模型并減少建模的復雜度。例如，可以假設再熱器和再熱閥的傳熱效率是恒定的，或者假設系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。這些假設條件可以幫助簡化模型，使其更易于理解和分析。建立模型后，需要對模型中的參數(shù)進行估計和驗證，以確保模型的準確性和可靠性。可以利用實驗數(shù)據(jù)或者理論計算結(jié)果對模型進行驗證和調(diào)整，從而使模型更符合實際情況，為后續(xù)的系統(tǒng)分析和優(yōu)化提供有效的工具。

2.3模型驗證與參數(shù)調(diào)整

模型驗證是驗證建立的模型是否能夠準確地預測系統(tǒng)的行為。這一過程通常涉及將模型應用于實際數(shù)據(jù)，與實際系統(tǒng)的運行情況進行比較。例如：可以將模型用于模擬現(xiàn)有再熱系統(tǒng)的運行，并與實際運行數(shù)據(jù)進行比較[2]。通過對比模型預測結(jié)果與實際數(shù)據(jù)的差異，可以評估模型的準確性和可靠性。如果發(fā)現(xiàn)模型與實際數(shù)據(jù)存在差異，就需要對模型的參數(shù)進行調(diào)整。參數(shù)調(diào)整是根據(jù)模型與實際數(shù)據(jù)的偏差，對模型中的參數(shù)進行修正和優(yōu)化，以使模型更加準確地描述系統(tǒng)的行為。例如：可以通過對模型中的傳熱系數(shù)、燃燒效率等參數(shù)進行調(diào)整，來減小模型的預測誤差。在進行參數(shù)調(diào)整時，需要注意避免過度擬合實際數(shù)據(jù)，以免導致模型在實際應用中失去泛化能力。因此，調(diào)整參數(shù)時需要綜合考慮模型的簡單性和準確性，并采用適當?shù)膬?yōu)化方法來尋找最優(yōu)參數(shù)組合。

3二次再熱控制策略設計

3.1控制目標和指標設定

穩(wěn)定性是熱力系統(tǒng)運行的基本要求，直接關系到發(fā)電廠的安全性和可靠性。因此，控制策略應當確保再熱系統(tǒng)能夠在不同負載條件下保持穩(wěn)定的蒸汽參數(shù)，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過熱、過冷等異常情況，保障發(fā)電廠的正常運行[3]。發(fā)電效率是衡量發(fā)電廠經(jīng)濟性的重要指標，直接關系到能源資源的利用效率和成本。因此，控制策略應當通過優(yōu)化再熱系統(tǒng)的工作參數(shù)，如再熱溫度、再熱壓力等，來提高發(fā)電效率，降低單位發(fā)電量的能耗和成本。燃煤發(fā)電廠通常需要根據(jù)電網(wǎng)負荷的變化調(diào)整發(fā)電功率，因此，再熱控制系統(tǒng)需要具備快速響應的能力，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，確保發(fā)電廠在各種工況下的靈活性和可調(diào)性。在設定控制指標時，常用的性能指標包括再熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓力、再熱蒸汽流量等。這些指標直接反映了再熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能水平，可以作為評價控制策略效果的重要依據(jù)。例如，通過設定再熱蒸汽溫度的控制范圍和偏差限制，可以評估控制系統(tǒng)對蒸汽溫度的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性。

3.2PID控制器原理及應用

控制器通過測量系統(tǒng)的輸出值與期望值之間的誤差，根據(jù)比例、積分和微分3個參數(shù)計算出控制信號，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制量，使誤差盡可能接近零[4]。具體而言，比例項用于處理當前誤差，積分項用于消除累積誤差，微分項用于預測未來的誤差變化趨勢，綜合起來實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。ID控制器廣泛應用于工業(yè)自動控制領域。例如：燃煤發(fā)電廠中的鍋爐控制、汽輪機調(diào)速、溫度控制等都可以采用PID控制器進行控制。在鍋爐控制中，PID控制器可以根據(jù)鍋爐蒸汽流量和壓力的變化調(diào)節(jié)燃燒器的燃燒量，以保持鍋爐的穩(wěn)定運行；在汽輪機調(diào)速中，PID控制器可以根據(jù)負荷需求調(diào)節(jié)汽輪機的轉(zhuǎn)速，使其滿足電網(wǎng)的需求；在溫度控制中，PID控制器可以根據(jù)傳感器測得的溫度值與設定值之間的誤差，調(diào)節(jié)加熱或制冷設備的工作狀態(tài)，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定溫度[5]。PID控制器還常用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的流程控制、液位控制、壓力控制等。在自動化生產(chǎn)線上，PID控制器可以實時調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和一致性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4模擬仿真與實驗驗證

實驗設計需要考慮到燃煤發(fā)電廠的主要組成部分，如鍋爐、汽輪機、發(fā)電機等，并確定需要測量和記錄的關鍵參數(shù)，如燃料供給量、蒸汽溫度和壓力、電力輸出等。為了模擬真實運行條件，實驗需要在實際發(fā)電廠中進行，或者建立一個小型的實驗室模型。確定實驗的目的和假設，例如：可以設定目標是評估不同燃料供給量對發(fā)電效率的影響，或者測試不同控制策略在系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)定性上的表現(xiàn)。同時，需要明確實驗的假設條件，如假設其他運行參數(shù)保持不變，以便準確比較實驗結(jié)果。設計實驗方案和操作流程。根據(jù)實驗目的和假設，確定實驗的操作步驟和參數(shù)設置。例如：設定不同的燃料供給量和控制策略，并記錄系統(tǒng)的響應情況。同時，需要考慮實驗過程中可能出現(xiàn)的安全風險，并采取相應的安全措施。在實驗進行過程中，及時記錄和收集實驗數(shù)據(jù)。包括燃料消耗量、蒸汽參數(shù)、發(fā)電功率等關鍵參數(shù)的變化情況。同時，可以利用數(shù)據(jù)采集設備和傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，確保實驗的準確性和可靠性。通過對比不同實驗條件下的數(shù)據(jù)，評估燃煤發(fā)電系統(tǒng)的性能和效率，并驗證實驗的假設是否成立。根據(jù)實驗結(jié)果，提出改進建議和優(yōu)化措施，以提高發(fā)電廠的運行效率和經(jīng)濟性。

5結(jié)語

本文通過建立燃煤發(fā)電廠二次再熱系統(tǒng)的熱力模型，并研究了不同的二次再熱控制策略對系統(tǒng)性能的影響。實驗結(jié)果表明，合理的二次再熱控制策略能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電效率，降低能源消耗和成本。在實際應用中，應根據(jù)具體情況選擇合適的控制策略，并結(jié)合實時數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行監(jiān)測和調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的發(fā)電運行狀態(tài)。本研究為燃煤發(fā)電廠的運行優(yōu)化提供了理論支持和技術指導。

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