基于水位晃荡的余热锅炉汽包水位动态仿真建模研究

论文摘要

汽包水位晃荡是联合循环余热锅炉在运行工况下出现的不良现象,但目前还缺乏有效的手段进行抑制和消除,随着联合循环系统对汽包水位控制要求的提高,如何建立基于水位晃荡的汽包水位动态仿真模型、研究水位晃荡规律以及如何消除水位晃荡给控制系统带来的负面影响已成为一个具有挑战性的研究。本文在国际合作项目[200310]和国家自然科学基金项目[5997022]的资助下,分析了汽包水位晃荡的机理,并针对汽包水位晃荡引起的原因,即水动力学和热力学性质,分别对应地建立了汽包水位水动力学模型和热力学模型,利用这两个模型的建模方法和知识,建立了基于水位晃荡的汽包水位动态仿真模型;基于该模型进行了动态仿真研究,得出了各种因素对水位晃荡的影响规律,并采用从研究中获得的知识对联合循环余热锅炉汽包水位的控制进行了探讨。本文主要进行的研究工作如下:1汽包水位水动力学模型的建模与动态仿真研究采用模块化建模的方法,将汽包沿长度方向进行模块划分,并根据质量守衡和动量守衡原理,建立了汽包子模块;基于Easy5仿真软件平台建立了汽包水位水动力模型,并基于该模型进行了动态仿真研究,结果表明:汽包水位与汽包长度对晃荡周期有很大的影响,晃荡液体密度对晃荡周期影响很小,晃荡振幅随液体密度增大而减小;就晃荡周期而言,模块非均匀划分方法对水动力学模型建模没有影响,且一定范围内模块划分数目对水动力学模型建模几乎没有影响。为建立基于水位晃荡的汽包水位动态仿真模型提供了重要的理论依据和方法。2汽包水位水动力学模型的实验验证设计了实验台架,并建立了实验装置,实验结果表明:就不同水位情况下晃荡周期的验证而言,实验结果与模型计算结果之间的数值误差在±10%以内;就有进出口流量的情况下模型的实验验证而言,模型仿真结果的变化趋势与实验结果基本上是一致的,尽管晃荡幅度和相位上还是存在一定的误差,但其数值误差在±20%以内。实验结果证明:水动力学模型能够有效地反映汽包中水位晃荡现象。3汽包水位热力学模型的建模与动态仿真研究采用集总参数法基于Easy5仿真软件平台对汽包建立了集总参数模型,并将该模型作为参考模型;根据汽包水位热力学模型的建模需要对汽包模块划分作了深入的处理,就所带来的问题进行了分析,并提出了四种解决问题的建模方法;同时对汽包中汽水混合物和蒸汽分别进行建模,获得蒸汽子模块和汽水子模块,基于这两类模块根据提出的四种建模方法进行建模得到相应的四种模型。为确定合适的热力学模型建模方法,采用这四种模型和参考模型,对汽包中典型的热力学性质-“虚假水位”现象的动态过程进行了动态仿真,结果表明:同时考虑汽包体积变化率和压力变化率的建模方法,其动态仿真结果完全可以正确地跟踪参考模型的仿真结果,并且数值误差在5%以内,故该建模方法可以用来建立汽包水位热力学模型。为建立基于水位晃荡的汽包水位动态仿真模型提供了重要的理论依据和方法。4基于水位晃荡的汽包水位动态仿真模型的建模与动态仿真研究基于汽包水位水动力学模型和热力学模型的建模方法和知识,并根据现场实际汽包结构对汽包水位动态仿真模型的模块划分进行了合理处理,基于质量、动量和能量守恒建立了基于水位晃荡的二维汽包水位动态仿真模型;分别从热力学角度和水动力学角度对该模型进行理论验证,结果表明:汽包水位动态仿真模型可以很好地反映汽包里面的热力学性质和水动力学性质。基于汽包水位动态仿真模型研究了各影响因素对汽包水位晃荡的影响规律,结果表明:随给水流量减小、出口蒸汽流量和加热量增大,水位晃荡频率减小;随给水流量增大、加热量和出口蒸汽流量减小,水位晃荡频率增大。5余热锅炉汽包水位控制的动态仿真研究建立了包括省煤器模块、过热器模块、容积模块、下降管模块和蒸发器模块等在内的基于汽包水位晃荡的余热锅炉动态仿真模型,并根据汽包水位晃荡的频率特性设计了汽包水位晃荡噪声滤波器。汽包水位控制的动态仿真研究结果表明:在考虑汽包水位晃荡噪声的情况下,引入晃荡噪声滤波器,在一定程度上滤去了水位晃荡噪声,并在一定程度上消除了水位晃荡噪声对PI控制器的影响,从而汽包“虚假水位”得到了有效地控制,并使控制系统的频繁动作得到了缓和,整体水位波动相对要平缓一些。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究背景
• 1.1.1 余热锅炉是联合循环关键部件
• 1.1.2 余热锅炉运行过程中存在的问题
• 1.1.3 余热锅炉汽包水位晃荡机理分析
• 1.1.4 课题的提出以及研究背景
• 1.2 余热锅炉国内外研究现状
• 1.2.1 余热锅炉系统优化的研究现状
• 1.2.2 余热锅炉变工况特性的研究现状
• 1.2.3 余热锅炉动态特性的研究现状
• 1.2.4 余热锅炉汽包水位控制策略的研究现状
• 1.2.4.1 汽包水位经典控制策略的发展
• 1.2.4.2 汽包水位先进控制策略的发展
• 1.3 余热锅炉建模现状的研究
• 1.3.1 国外余热锅炉建模现状
• 1.3.2 国内余热锅炉建模现状
• 1.3.3 液体晃荡建模方法概述
• 1.3.3.1 MAC 方法
• 1.3.3.2 VOF 方法
• 1.3.3.3 有限元方法（FEM）
• 1.3.3.4 边界元方法（BEM）
• 1.3.3.5 实验研究
• 1.3.4 国内外液体晃荡数值仿真建模现状
• 1.4 模块化建模方法及仿真平台的介绍
• 1.4.1 模块化建模方法的介绍
• 1.4.2 仿真平台EASY5 的介绍
• 1.4.3 IAPWS- IF97 的水和水蒸汽性质计算模型
• 1.4.3.1 新计算模型的结构
• 1.4.3.2 IF97 的优点
• 1.5 本文主要工作与内容
• 第二章 汽包水位水动力学模型的建模与动态仿真研究
• 2.1 前言
• 2.2 汽包水位水动力学模型的建模研究
• 2.2.1 汽包模块的划分
• 2.2.2 建模假设
• 2.2.3 模块结构
• 2.2.4 基于EASY5 平台的汽包模型结构
• 2.3 汽包水位水动力学模型的动态仿真研究
• 2.3.1 汽包尺寸与内部参数
• 2.3.2 模型仿真结果
• 2.4 模型的理论验证
• 2.4.1 长方体水槽中水的晃荡固有频率的解析解
• 2.4.2 长方体水槽中水的晃荡固有频率的解析解与模型计算结果的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 汽包水位水动力学模型的实验验证
• 3.1 前言
• 3.2 实验台架的设计及组成部分
• 3.3 实验系统的介绍
• 3.3.1 实验系统介绍
• 3.3.2 实验台主要测量仪器的介绍
• 3.3.3 实验测量数据的整理与显示
• 3.4 汽包水位水动力学模型实验验证的实验步骤介绍
• 3.5 实验数据的整理和模型实验验证
• 3.5.1 实验数据的获取与处理
• 3.5.2 不同水位情况下水动力学模型模型的实验验证
• 3.5.3 有进出口流量情况下水动力学模型的实验验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 汽包水位热力学模型的建模与动态仿真研究
• 4.1 前言
• 4.2 模块划分与问题的提出
• 4.2.1 模块划分
• 4.2.2 问题的提出
• 4.2.3 解决问题方法的提出
• 4.3 汽包水位热力学模型的建模与动态仿真研究
• 4.3.1 汽包集总参数模型
• 4.3.1.1 汽水部分的控制方程
• 4.3.1.2 蒸汽部分的控制方程
• 4.3.1.3 附加控制方程
• 4.3.1.4 控制方程的求解
• 4.3.2 汽包四种可行性模型
• 4.3.2.1 汽水模块的控制方程
• 4.3.2.2 蒸汽模块的控制方程
• 4.3.2.3 附加控制方程
• 4.3.2.4 四种模型结构与形式
• 4.4 动态仿真研究与热力学建模方法的确定
• 4.4.1 仿真条件
• 4.4.2 仿真结果
• 4.4.3 汽包水位热力学模型结构的确定
• 4.5 本章小结
• 第五章 汽包水位动态仿真模型的建模与动态仿真研究
• 5.1 前言
• 5.2 汽包水位动态仿真模型的建模研究
• 5.2.1 建模假设
• 5.2.2 蒸汽模块ST
• 5.2.3 汽水子模块DN
• 5.2.4 汽水模块MS
• 5.2.5 汽包子模块数目的确定
• 5.2.6 汽包水位动态仿真模型控制方程的求解
• 5.2.7 基于EASY5 仿真软件平台的汽包水位动态仿真模型结构
• 5.3 蒸发器
• 5.3.1 质量守衡方程
• 5.3.2 能量守衡方程
• 5.3.3 动量守衡方程
• 5.4 下降管模块
• 5.4.1 能量守衡方程
• 5.4.2 动量守衡方程
• 5.5 汽包水位动态仿真模型的理论验证
• 5.5.1 热力学角度的验证
• 5.5.1.1 仿真条件
• 5.5.1.2 仿真结果
• 5.5.2 水动力学角度的理论验证
• 5.5.2.1 汽包水位的二维波形图
• 5.5.2.2 汽包水位晃荡频率解析解和模型计算结果的比较
• 5.6 汽包水位动态仿真模型的动态仿真研究
• 5.6.1 动态仿真条件
• 5.6.2 出口蒸汽流量对晃荡的影响
• 5.6.3 给水流量对晃荡的影响
• 5.6.4 锅炉加热量对晃荡的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 余热锅炉汽包水位控制的动态仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 余热锅炉模块库
• 6.2.1 汽包子模型
• 6.2.2 过热器模块
• 6.2.3 省煤器模块
• 6.2.4 水泵模块
• 6.2.5 阀门模块
• 6.2.6 连接管路模块
• 6.2.7 阻性模块
• 6.2.8 余热锅炉模型结构
• 6.3 汽包水位三冲量 PI 控制方法
• 6.4 余热锅炉汽包水位控制的动态仿真研究
• 6.4.1 不考虑汽包水位晃荡情况下汽包水位三冲量PI 控制研究
• 6.4.2 考虑汽包水位晃荡情况下汽包水位三冲量PI 控制研究
• 6.4.3 汽包水位晃荡噪声滤波器的设计
• 6.4.4 基于汽包水位晃荡噪声及其滤波器的汽包水位三冲量 PI 控制研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文主要创新
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 博士就读期间发表论文一览
• 致谢