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本主题中
    建模基础
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    建模基础


    从工艺工程的角度来看,发电厂由多个设备组件组成,这些组件通过管道相互连接。能量的转移通过所谓的流体(水、蒸汽、烟气、空气等)进行,这些流体的状态方程以标准化多项式的形式呈现。

    对真实发电厂的各个负荷点进行精确的热工水力建模,可以显示现有测量值的误差。目前可用的固定式模拟程序,已用于用于规划和设计计算,在质量和能量平衡方面实现了很高的建模精度,其中物理组件方程中的特定参数由特征线或特征面描述,相当准确地描述了实际行为。除了根据 VDI 2048 准则进行的数据校核中呈现出的不确定性外,还必须对所用的方程(如蒸汽锥法)和数据中存在的不确定性进行考虑。

    如果期待以百分比检测测量值,那么计算模型的准确性应该与此相对应,否则可能由建模的不准确而造成测量值和计算值的差异。因此,在可能正确进行数据校核之前,必须证明计算模型和预期评估的适用性。为此,必须满足 VDI 认证标准目录的要求,并且必须对辅助条件系统进行透视检查,以发现任何可能的差异或不准确之处。辅助(约束)条件是由 EBSILONProfessional 用户界面创建的模型拓扑结构和组件规格自动生成的。生成的平衡方程从形式上看是正确的,因为 EBSILONProfessional 在这一领域多年来的应用一直没有错误。然而,必须注意的是,建模中的差异会导致种种不一致(例如,忽略了泄漏流量)。因此,必须用原始数据检查违反平衡的情况(见误差分析)。

    通过鼠标点击,可以从系统帮助中调出和显示用于各个组件的方程式。以汽轮机(组件 6)的帮助文本为例对此说明。简化考虑机械效率 ETAMN = 1,进口和出口损失 DH1LN = DH2LN = 0 时,给定的方程可以总结如下:

    (1)  P1 = SQRT (P2^2 + ((M1/M1N)^2)*(V1/V1N)*(P1N^2-P2N^2) )   (根据斯托多拉(Stodola)的蒸汽圆锥定律)

    (2)  P3 = P2

    (3)  P4 = P2

    (4)  H2 = H1 - (H1 - H2S) * ETAI   ,其中 H2S 来自 P2,S1 来自水-蒸汽表

    (5)  H3 = H2

    (6)  H4 = H2

    (7)  Q6 = Q5 + M1 * (H1 - H2)       (能量平衡,损失忽略不计)

    (8)  M2 = M1 - M3 - M4                (质量流量平衡,损失忽略不计)

    Mi, Pi, Hi, Vi, Si, Qi 分别是组件连接处 i 的质量流量、压力、比焓、比容、熵和功率(如下图所示,根据 EBSILONProfessional 的连接命名)。为简单起见,忽略了质量流量和能量平衡中的损失,在对实际电厂进行建模时,必须考虑到这些损失(例如,在出口 2、3 或 4的分支处)。

    由于蒸汽锥定律的适用性不强,在涡轮机的情况下,也可以通过将标志FP1N设置为 "从外部指定的P1 "从辅助条件中获取。然后将抽汽中的测量值作为默认值使用。如果没有这样的值,可以创建一个假的测量值,其值取自斯托多拉的模拟计算。相关的置信区间要根据假定的不确定性来设定。如果在校核过程中出现了值得注意的流量变化,可能需要对压力默认值进行反复处理,这可以通过校核值的模拟计算来完成。应考虑到整个汽轮机各段的膨胀过程(见 h,s 图)。

    要了解所使用方程的概况(以平衡形式表示约束(辅助条件)),可以打开方程列表

    然而,组件方程包含的规格数据可能是不准确的。这在下面的模拟例子中有所体现:

    组件 6 - 模型有一个错误的 ETAI

    方程的生成是正确的,但计算出的出口温度(191.8℃)与测量值(200℃)的偏差表明等熵效率(ETAI)的规格不正确。这样一来,通过用原始数据进行模拟就可以发现不准确的地方。在校核计算中,必须考虑到所有的不确定因素,也就是说,诸如 ETAI 和损失等变量也必须得到校核。这里只讨论前期模拟带来的好处。

    在这个例子中,组件可以在识别模式下从出口温度测量中得出适用的 ETAI 值:

     

    组件 6 - 模型,带 ETAI 计算

    如果出口温度的测量不正确,那么就会在后续组件的结果中表现出来。因此,整个模型的模拟结果为检查测量值和模型提供了重要的帮助。

    如果某个组件附近的测量值与计算值有很大偏差,除了测量错误外,还可以考虑以下原因:组件的参数设置不正确,组件的选择不正确,或违反所使用的方程(辅助条件),这可能是由组件的损坏造成的。

    以蒸汽锥体法为例进行解释。在计算汽轮机级的压力时,通过规格掩码选择了以下形式的蒸汽锥体法:

     

    p1^2 = p2^2 + ((m1/m1n)^2)*(v1/v1n)*(p1n^2-p2n^2)       (符号的含义可从组件帮助中获取)

     

    该方程在设计点的额定负载下具有完全的有效性,而在部分负载(非设计模式)下,精度会下降。方程的所有量和方程本身被视为是没有误差的。虽然 p1、m1、v1 及其不确定性直接包含在平衡计算中,但对于标称值来说,情况并非如此,特别是因为这些标称值取决于非设计(部分负荷),不是固定的,真正的标称值实际上并不存在。考虑到标称值和公式本身的不确定性,为计算值 p2 设定一个适当的置信区间,并将蒸汽锥法模拟计算的值作为估计值输入 p2 的伪测量值中。然后在校核中停用蒸汽锥法,伪测量值被用作可以校核的默认值。如果计算出的 p2 和最终测量出的抽取压力之间存在很大的差异,那么,要么必须对这个压力损失进行建模,以校核它在通往测量点途中的估计压力损失(凝结水饱和温度必须与相对应的加热器温度一直),要么必须修改汽轮机的标称值。如果修改了标称压力值,那么必须注意,汽轮机的效率(可校核)会占用不允许的数值,这将导致在过热蒸汽范围内,对出口温度的可靠测量(可校核)产生另一个矛盾。设置电厂模型的参数时需要特别注意,如本例所示。如果有必要,在这里可以对偏差进行建模,这样就可以用简单的方法来校核这些偏差(例如,对于假定有绝热流的组件的热损失)。

    计算模型的校核一方面可以通过与厂家对组件和整个电厂的精确设计计算进行比较,另一方面可以使用对组件的修正验收和精度测量。通过对规格参数和特征曲线的调整最终应能达到所需的精度。

    一旦实现了这个目标,就可以开始进行数据校核了。为了能够求解模型的方程组,只需指定一些定义循环的测量值(压力、温度、质量流量)。计算产生热力学过程模型,包括组件和管道数据。然而,由于错误率的存在,更多--最好是所有--的测量值被纳入评估。这导致了一个超定的方程组,可以用最小均方误差的方法追溯到一个特定的方程组,其对称矩阵以简单分辨率得到校核的测量值。在适配拟合计算中,必须考虑保持各组件和整厂的质量和能量平衡,将其作为辅助(约束)条件。在模型中校核过的过程场景代表了最可能的过程状态,即测量值和相应校核值之间的差异代表了测量值的可能误差(带符号)。