一种基于数据校正的汽轮机抽汽除湿计算方法

本发明属于汽轮机参数计算方法领域，具体涉及一种基于数据校正的汽轮机抽汽除湿计算方法。

背景技术：

1、汽轮机作为电站热力系统的主要部件，为帮助电厂运行人员实时掌握汽轮机的运行情况，汽轮机的进出口均布置了多种类型的测量仪表。由于实际测量中的偶然因素，测量仪表不可避免的会较标准值产生一定误差，导致运行人员对当前运行情况判断错误。此外，由于当前技术水平和工程应用的限制，测量仪表仅可实现对汽轮机进出口温度、压力和流量的测量，难以实现对于湿蒸汽干度的直接测量。然而，汽轮机末段干度是研究人员关注的重要参数，对汽轮机的安全稳定运行有直接影响。而现阶段汽轮机常采用各类除湿技术，将分离出的饱和水引入回热加热器中，以达到提升汽轮机末段蒸汽干度和提高能量利用率的目的；但由于实际电站当中的汽轮机是一个整体，无法放置测量仪表，故仅凭进出口参数很难判断汽轮机末段蒸汽除湿后干度，不易掌握汽轮机末段运行情况。加之存在着测量仪表误差的影响，更难以实现准确可靠的计算。

2、为实现电站汽轮机除湿后抽汽参数及末段内部参数的准确可靠计算，有必要提出一种满足真实复杂情况，并且可根据部件特性和运行状态计算汽轮机抽汽除湿未知参数的计算方法。在本领域中，已有采用汽轮机分离效率计算汽轮机分离除湿效果的经典计算方法，但该方法中是以质量衡量除湿分离效率，难以同时满足抽汽中能量平衡和汽机末段参数的计算需求，并且在真实电站计算中会面临求解困难、复杂度增加的问题，从而限制了该方法的应用场合。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于数据校正的汽轮机抽汽除湿计算方法，以实现对于汽轮机内部未知参数的计算。本发明利用工质焓值变化来衡量除湿分离效率，并结合数据校正方法实现对于汽轮机参数的修正，大大提高了未知参数计算的准确性。本发明提出的方法可充分利用回热部分的测量冗余，提高了计算的稳定性和准确性，可以广泛应用在汽轮机-回热器系统的计算中。

2、本发明采用如下技术方案来实现的：

3、一种基于数据校正的汽轮机抽汽除湿计算方法，包括以下步骤：

4、1)构建低压缸-回热加热器系统热平衡模型；

5、2)针对步骤1)中构建的热平衡模型，对于其中采用除湿技术的汽轮机及其关联抽汽管道，建立除湿模型方程；

6、3)根据步骤2)建立模型中涉及的测点信息，使用电厂某一时段内测量数据及仪表不确定度信息，生成均值与协方差矩阵；

7、4)根据步骤3)的测量数据，求解热平衡模型和除湿模型，获得系统未知变量数据；

8、5)根据步骤4)的未知变量计算结果，通过冗余平衡方程计算当前系统残差关于已知参数变量的雅可比矩阵；

9、6)根据步骤5)求得的雅可比矩阵，计算已知参数修正量；

10、7)根据步骤6)计算出的参数修正量，计算校正后的测点值与抽汽除湿参数。

11、本发明进一步的改进在于，步骤1)中，具体是采用电站中的测量信息建立如下关系式：

12、y＝s(x),z＝g(x,y)(1)

13、式中，x表示电站低压缸或回热加热器的已知参数，包括实际布置的相关测点测量值向量和已知部件特性参数；测点包括流量、温度和压力三种类型，部件特性参数包括换热器的换热系数与换热面积和汽轮机等熵效率；y表示通过测量值以工质物性关系得到的未知物性参数；z表示电站系统中的未知参数，它们是采用已知测量值与未知物性参数计算出的某些物理量，或是测量值的传递、变换如管道工质汇合、分流的质量流量增减；系统热平衡模型根据质量平衡和能量平衡两大原则建立，对于序号为i的某一部有如下的质量平衡方程：

14、fm,i＝min,i-mout,i＝0(2)

15、式中，fm,i表示部件i的质量平衡方程残差，min,i表示部件i的输入的工质总流量，mout,i表示部件i的流出的工质总流量，流量均采用绝对值计算；对于某一部件有如下能量平衡方程：

16、fe,i＝ein,i-eout,i＝0(3)

17、式中，fe,i表示某部件i的能量平衡方程残差，ein,i表示某部件i的输入的总能量，eout,i表示某部件i的流出的总能量；能量均采用绝对值计算；综合各个部件的平衡方程，得到系统整体的平衡方程残差向量为：

18、r＝z-x′(4)

19、式中，r表示系统当前平衡方程残差向量；x′表示系统中部分已知参数，具体指系统中除用于未知参数求解基本条件外的其余已知参数。

20、本发明进一步的改进在于，步骤2)中，对于除湿效率ηmoist的定义如下：

21、

22、式中，hi,1表示除湿装置入口处工质焓值；hi,2表示除湿装置出口处工质焓值；hi,sat表示除湿装置工质当前压力下对应的饱和水焓值；xi,1表示除湿装置入口处工质干度；

23、对于除湿装置的质量和能量平衡有如下关系：

24、mi,1＝mi,2+mo,1(6)

25、mi,1hi,1＝mi,2hi,2+mo,1ho,1(7)

26、式中，mi,1表示除湿装置入口处工质流量；mi,2表示除湿装置出口处工质流量；mo,1表示除湿抽汽管道处工质流量；ho,1表示除湿抽汽管道处工质焓值；

27、经除湿抽汽后回热加热器壳侧换热功率为：

28、qh＝md,1(hd,1-hd,2)+ms(hs-hd,2)+mo,1(ho,1-hd,2)    (8)

29、式中，qh表示回热加热器换热功率；md,1表示上级疏水流量；hd,1表示上级疏水焓值；hd,2表示本级疏水焓值；ms表示其它加热汽流量；hs表示其它加热汽焓值；

30、通过回热加热器管侧给水的参数变化，根据能量平衡，得到如下平衡关系：

31、qh-mh,i(hh,o-hh,i)＝0   (9)

32、式中，mh,i表示回热加热器管侧给水流量；hh,o表示回热加热器管侧给水出口焓值；hh,i表示回热加热器管侧给水入口焓值；至此构建出从分离除湿装置进出口参数，以及抽汽管道参数到对应回热加热器测点测量值的计算关系。

33、本发明进一步的改进在于，步骤3)中，对于系统某一部件在一段时间的运行参数mi共选取n次测量结果，得到一系列测量值：mi,1,mi,2,…,mi,n，则该测点处测量值的均值为：

34、

35、式中，为该测点处的均值估计值；除测量值的均值外，还需使用仪表不确定度衡量一段时间内测点测量值波动的随机性，得到测点测量值之间的协方差矩阵xc，其元素由如下计算得到：

36、

37、式中，xij为协方差矩阵中的元素；为测点测量值方差；rij为测点间的相关系数，该系数根据真实电站的历史运行数据并结合工程经验拟定。

38、本发明进一步的改进在于，步骤4)中，对于汽轮机中除湿装置部分和对应的回热加热器，根据质量、能量平衡和除湿模型得到如下方程组：

39、

40、该方程组为多元非线性方程组，采用牛顿—拉夫逊迭代法求解；上记该非线性方程组为f(x)＝0，则该方程组的雅可比矩阵定义为：

41、

42、得到其雅可比矩阵后，构造如下的迭代格式：

43、x(k+1)＝x(k)-j-1(x(k))f(x(k))    (14)

44、式中，k为迭代次数，x(k)表示第k次迭代方程组的解x；j-1(x(k))表示x(k)的雅可比矩阵的逆矩阵；初始从k＝0开始，并设置迭代求解精度ε，迭代过程应求解如下线性方程组：

45、j(x(k))d＝-f(x(k))    (15)

46、由上式解出d，当|d|＜ε时，表示该次迭代收敛，满足精度要求，迭代过程终止；否则置x(k+1)＝x(k)+d(k)，继续迭代求解。

47、本发明进一步的改进在于，步骤5)中，为了衡量系统当前运行工况的整体误差水平，采用平衡方程中的冗余部分计算得到系统残差，由此得到冗余平衡方程关于已知参数x的雅可比矩阵jr,x，为计算雅可比矩阵，需别计算电站未知参数z关于已知参数x的雅可比矩阵jz,x，以及冗余平衡方程关于电站未知参数z的雅可比矩阵jr,z，由链式法则计算雅可比矩阵jr,x为：

48、jr,x＝jr,zjz,x    (16)。

49、本发明进一步的改进在于，步骤6)中，根据计算得到的雅可比矩阵jr,x，并采用已知参数变量均值与协方差矩阵的元素计算系统冗余平衡方程残差，据上述条件即可计算出系统内全部已知参数的修正量；根据系统已知参数的均值计算系统中未知参数和系统平衡方程残差的均值：

50、

51、

52、式中，和分别为系统中未知物性参数、已知参数和未知参数的均值向量；与分别为系统中残差和部分已知参数的均值向量；由此计算得到系统平衡方程残差向量的协方差矩阵xr：

53、

54、对于已知参数修正量c，有如下约束优化问题：

55、

56、该约束优化问题目标是，在使得优化函数ξ(c)取最小值，即修正量最小的情况下，使得系统平衡方程残差为零；对上述优化问题应用拉格朗日乘数法，引入拉格朗日乘子变量λ，则该问题等效变换为如下形式：

57、

58、根据驻点条件求解得到修正量表达式为：

59、

60、对于上式中λ仍然未知，因此将该式两侧同时左乘雅可比矩阵jr,x，将上式转换为如下形式：

61、jr,xc＝xcλ    (23)根据该优化问题的约束条件解得拉格朗日乘子为：

62、

63、将上式带回式(23)中，得修正量最终解为：

64、

65、通过上述过程，求解各个已知参数修正量；在保证优化目标函数最小的条件下，将系统冗余平衡方程残差降至最低。

66、本发明进一步的改进在于，步骤7)中，通过计算后得到的修正量最终解c，将其作为最终的修正向量附加至原始已知参数的均值向量上，完成对已知参数的修正，修正后的已知参数的均值向量为：

67、

68、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

69、现有的经典计算方法是以质量关系来衡量除湿分离效率，从而表示分离出饱和水的质量；该方法应用于实际抽汽管道计算中需要对管道参数重复计算求解，由于采用质量关系衡量除湿效率，无法从能量的角度利用汽机与换热器的功率对除湿效率直接进行修正，在真实机组的各工况计算时易使计算结果严重偏离正常范围。而本发明所提出的计算方法则是从能量的角度，利用工质焓值变化来衡量除湿分离效率，可在不同工况参数变化时利用汽机与换热器功率，实现对当前除湿效率的修正，可进一步实现对相关管路、部件的参数校正。

70、由于本方法从能量的角度衡量汽轮机的除湿效率，因而可直接计算得到汽轮机后一级入口焓值，有效保证了汽轮机求解精确性，并可根据质量平衡关系建立与对应回热加热器之间的能量质量平衡关系，充分利用回热部分的测量冗余度实现对于汽轮机-回热器系统的数据校正，最大程度保证系统计算准确性。