燃气热电联供机组动态模型及仿真

杜一庆,梁鑫,单明

燃气热电联供机组动态模型及仿真

杜一庆1,梁鑫1,单明2

（1华中科技大学能源与动力工程学院；2武汉钢铁集团公司，湖北武汉430074）

依据基本的质量平衡和能量平衡原理，分析了燃气燃烧、锅炉蓄热、过热器差压、汽轮机动态的特点，并针对机组压力、发电功率，建立机组在较大范围变工况运行下简化的非线性动态模型。模型采用机组稳定运行工况点的数据确定静态参数，利用汽轮机调门开度扰动和燃料量扰动实验确定动态参数。在确定武钢集团热能电站热电联产机组动态仿真模型后，采用Simulink平台对该机组进行动态仿真。结果显示，该模型可对武钢热电联产机组变负荷动态进行较为准确的预报，误差控制在±10%以内，简单实用，具有良好的工程应用性。

热电联产；动态；模型；Simulink；仿真

1 前言

武钢集团热能电站为燃气热电联产机组，安装了2台220 t/h高温高压燃气锅炉和2台50 MW单抽凝汽式汽轮发电机。设计供热负荷：平均160 t/ h，最大210 t/h（1.274 MPa，320℃，凝结水不回收）。2台220 t/h煤气锅炉，系武汉锅炉股份公司产WGZ220/9.81-18型、单锅筒、单炉膛、平衡通风、自然循环燃气锅炉。其燃烧器概况：前墙布置，下三排每排3只高炉煤气燃烧器；最上排3只焦炉煤气燃烧器；高炉煤气燃烧器中心风管内布置焦炉气煤气枪，作为点火用。根据掺烧焦炉煤气的比例，锅炉燃料主要按两个典型工况考虑：

工况Ⅰ(设计主工况)：90%高炉煤气+10%焦炉煤气；

工况Ⅱ（调峰工况）：60%高炉煤气+40%焦炉煤气。

汽轮机型式为高压、单抽凝汽式汽轮机C50-8.83/1.27，额定功率50 MW，额定抽汽量50 t/h。该供热电站配置250 t/h（9.81/3.82 MPa）减温减压装置和100 t/h（9.81/1.274 MPa）减温减压装置各一套。出力250 t/h（9.81/3.82）减温减压装置，其出口二次蒸汽管道与武钢冶炼电站“一鼓风”供汽管网联通，可作为“一鼓风”中温中压动力蒸汽的紧急备用汽源。出力100 t/h（9.81/1.274 MPa）减温减压装置和汽轮机抽汽并入1.274 MPa蒸汽的蒸汽管网，主要供炼钢厂抽真空用汽。

按照武钢集团公司要求，既要满足2台50 MW机组负荷发电，又要满足对鼓风机站和炼钢抽真空正常供气，目前锅炉的实际负荷无法实现，这对燃气电站的平衡调度提出了很高要求。如何实现对热电联产电站实现调度，需要构建该系统的动态仿真系统，而实现仿真的核心是确定系统的动态模型。

2 国内研究现状

国内很早就开始了对变负荷热力发电动态模型的研究。早期的文献多集中于对锅炉效率、烟气组分、排烟温度等的分析研究，或者对变负荷工况下汽轮机的效率研究，例如利用计算烟气中RO2成分计算过锅炉的排烟热损失q2[1]，探究实用简便的锅炉效率计算方法[2]，通过改进型的逆顺序混合算法计算喷嘴调节、再热式汽轮机的超临界工况[3]。但上述模型往往需要大量复杂的实时测量数据，工业应用价值难以发挥。

近年来，仅仅通过建立数学模型已经很难适应高速发展的热力系统，难以满足对运行效率的要求，利用已有的计算模拟仿真软件对热力发电系统进行模拟仿真已经被越来越多地应用到现阶段的研究当中。比如运用Simulink仿真工具,对锅炉系统进行建模和仿真[4]，或者将Matlab软件应用到汽轮机的变工况计算中,采用拟合调节级特性曲线方程、绘制特性曲线等方法来计算调节级变工况[5]。

基于现场实时数据，满足热力发电系统的实时监控与维护管理，建立有效准确地动态仿真模型，编制相关软件，也是近年来热力系统仿真发展的重要方向。汤晓凡[6]等人利用现场运行数据，以135 t/h冶金煤气锅炉为例进行热平衡计算分析，有效地简化了传统锅炉热效率计算过程，减少了计算输入参数，提出了基于现场数据的燃用多种燃料的锅炉热效率在线实时计算方法，并开发出简洁友好的仿真软件。田亮[7]等人基于电厂发电机组实时运行监控数据，利用理论分析和数据拟合的方式，提出了一种结构简单，准确度高的发电机组大负荷变化模型，并利用相关软件通过计算结果与现场数据的对比，验证了模型的有效性。

然而，现有的模型往往基于单纯的发电机组，在能源利用效率越来越重要的当前形势下，热电联产联供已经成为工业发电的主要发展方向，建立对热电联产联供机组有效的数学模型是十分必要且有意义的。

3 燃气热电联供机组动态模型

3.1 燃气热电联供机组数学模型

现场实际的热电联产机组由2台机组构成，2台锅炉产生的蒸汽并入母管，然后接入减温减压器和2台汽轮机。见图1。

分别用下标1、2表示1#机组、2#机组的参数。参考田亮[7][8]等人建立的机组仿真模型，依据武钢的机组实际运行状况，可以得到以下方程。

燃料输入可以描述为

方程中，Ub表示输入锅炉的燃料热值，kc与kb分别代表焦炉煤气与高炉煤气低位热值，QC与QB分别表示焦炉煤气与高炉煤气的输入量（m3/h）。

本文将锅炉水冷壁、过热器作为一个整体考虑。再热器对锅炉负荷及压力的动态特性影响不大，忽略不计。因而锅炉的热力平衡模型可以表示为

方程左侧表示锅炉的蓄热随时间的变化，右侧第一项代表送入汽轮机做功的蒸汽部分。Cb表示锅炉的蓄热系数，反映出锅炉的蓄热能力，影响锅炉对于负荷变化的响应时间。一般来说，锅炉金属蓄热最大，水的蓄热所占的比例次之，而蒸汽的蓄热则可以忽略。在锅炉正常运行出现负荷波动时，汽包水位波动控制在正常范围，锅炉内的饱和水及蒸汽只占总储热量的小部分，不足以对锅炉蓄热系数产生重大影响，因而在负荷正常波动时，可将锅炉蓄热系数Cb看作是常数。Pd为汽包压力(MPa)。

右侧第二项代表用于供热的蒸汽部分，K3f与K4f表示为锅炉增益。第三项则代表输入锅炉的有效热量。由于两台锅炉产生的蒸汽要在汇入蒸汽母管后才输入汽轮机以及供热管网，因此两台锅炉对于供热部分的贡献基于其输入的有效热量

汽轮机的能量平衡方程可以通过如下方程表示

方程左侧表示汽轮机能量变化，Kf表示汽轮机动态时间，右侧第一项表示发电机发电功率，第二项表示由蒸汽母管输入汽轮机的蒸汽，K3、K4表示汽轮机增益，Pt表示汽轮机机前压力，uT则代表进气阀门开度。

过热器差压ΔP反映汽包压力Pd、机前压力Pt和锅炉有效吸热量QW之间的关系。对于理想气体流动过程，差压与流量可以用伯努利方程表示，考虑蒸汽密度变化的伯努利方程为，根据相关文献[7]的实际数据的拟合结果，更接近于Pt=Pb-K2QW1.3，即

式中，K21与K22表示过热器阻力系数。

因为锅炉蒸汽输入蒸汽母管的缘故，汽轮机的机前压力并不等于过热器出口压力，因此两台并联的汽轮机机前压力可以通过以下方程确立

方程左侧代表输入汽轮机的蒸汽，右侧则代表锅炉产生的蒸汽中输入汽轮机的部分。

3.2 模型参数确定

模型包括静态参数和动态参数。静态参数利用机组稳定运行时参数求取，动态参数通过扰动试验求取。

供热功率一般相对稳定，Khqh直接作为常数给出。

1#锅炉高炉煤气量197410 m3/h，焦炉煤气量6117 m3/h，主蒸汽量204 t/h，温度530℃，压力7.8 MPa；2#锅炉高炉煤气量117338 m3/h，焦炉煤气量14320 m3/h，主蒸汽量172 t/h，温度532℃，压力8.1 MPa；1#汽轮机发电功率40 MW，主蒸汽量147 t/h，温度527℃，压力6.5 MPa，抽汽量0 t/h；2#汽轮机发电功率42 MW，主蒸汽量174 t/h，温度531℃，压力7.51 MPa，抽汽量0 t/h。

总供热量=(204+172-147-174)×(3473.7-105)÷ 3600=51.5 MW。

总高炉煤气燃料量∑Qb=87.458 m3/s，总焦炉煤气量∑Qc=5.677 m3/s，高炉煤气低位热值kb=3.260 MJ/m3，焦炉煤气低位热值kc=16.050 MJ/m3。总输入燃气热值∑ub=407.712 MW。

通过汽轮机调门扰动实验求取锅炉的蓄热系数Cb。将燃料指令和汽轮机调门开度指令切为手动状态，在机组负荷和压力均稳定时，锅炉燃料量保持不变，汽轮机调门逐渐减少，记录下若干组机组负荷N和对应的汽包压力Pd。锅炉的蓄热系数按Cb=求取。最终得到Cb=2600(MW.S/MPa)。

Kf通过汽轮机甩负荷试验确定为15 s。

利用武钢所提供的8月5日上午10点记录的实时数据，依据改进后的方程组，求出相关静态参数，如表1所示：

3.3 武钢热能电站机组动态模型

相关的参数确定后，代入式(1)～(11)，并考虑2台机组并网运行机前压力取平均值，最终得出武钢热能电站燃气热电联供机组的动态模型如下：

得出上述动态模型后，就能用Matlab软件对热电联产机组进行仿真，为机组的负荷调度提供参考。

3.4 机组动态模型MATLAB仿真

依据武钢所提供的8月5日上午机组运行的实时数据，得到仿真结果如表2所示。

当1号锅炉的焦炉煤气供应停止时，系统的压力，发电功率等随之发生变化，如图2和图3所示。

4 仿真结果分析

由表1对比结果可知，在系统处于正常工况条件下，负荷发生轻微扰动，仿真所预测的机组状态值与实际运行状态值基本吻合，误差控制在10%以内。

而当锅炉负荷发生较大范围变化，例如1号锅炉焦炉煤气停止供应时，模型仍然显示出良好的预测能力。实测数据显示，1号发电机的发电功率由40 MW降低至30 MW，2号发电机功率由42 MW降低至35 MW。仿真结果显示1号发电机的发电功率由40 MW降低至28.24 MW，2号发电机功率由42 MW降低至32.69 MW，相对误差分别为5.9%和6.6%，均在10%以内，说明仿真模型在系统大范围变负荷工况条件下的预报上有良好的参考价值。

5 结论

本文利用Matlab平台，依据基本的质量平衡和能量平衡，分析燃气燃烧、锅炉蓄热、过热器差压、汽轮机动态的特点，并针对机组压力、发电功率，建立机组在较大范围变工况运行下简化的非线性动态模型。模型采用机组稳定运行工况点的数据确定静态参数，利用汽轮机调门开度扰动和燃料量扰动实验确定动态参数。在确定武钢集团热能电站热电联产机组动态仿真模型后，采用Simulink平台对该机组进行动态仿真。结果显示，该模型可以对武钢热电联产机组变负荷动态进行较为准确的预报，误差控制在±10%以内，简单实用，具有良好的工程应用性。

[1]卞志华.锅炉效率计算方法探讨[J].华东电力.1994，4：23-24

[2]李雪亮.实用简便的锅炉效率计算方法[J].华北电力技术.1996，9：21-22，25

[3]任浩仁，李剑日，盛德仁，陈坚红.汽轮机变工况热力计算算法的改进[J].浙江电力.1996，2：1-5

[4]岑炜，李涛永，孔子华.Matlab/Simulink环境下锅炉模块封装子系统设计[5]宋晓，谢诞梅，周海龙.基于MATLAB的汽轮机调节级变工况特性计算[J].汽轮机技术.2002，44(3）：141-143

[6]汤晓凡，曹先常.冶金煤气锅炉热效率在线计算方法研究与实现[J].冶金动力.2009，1：17-20

[7]田亮，曾德良.500MW机组简化的非线性动态模型[J].动力工程. 2004，24（4）：522-525

[8]田亮，刘鑫屏，刘吉臻.汽包锅炉负荷-压力-水位简化非线性动态模型[J].动力工程.2009，29（10）：926-930.

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

杜一庆(1967-)，男，副教授、硕士生导师。现从事新能源、清洁煤燃烧和大气污染物治理技术方面研究工作。在复杂流动传热过程数值模拟，能源管理和环保技术中的设备和工艺优化方面有研究特长。