相对误差怎么算(【论文精选】电厂热力系统稳态仿真软件开发)

相对误差怎么算

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作者：吴春年，李明超，孙海龙，任庆，王叶飞，赵琼，钟崴，李丰均

第一作者单位：浙能绍兴滨海热电有限责任公司

摘自《煤气与热力》2021年4月刊

1 概述

随着环境形势日益严峻，加快我国能源从总量扩张向提质增效的转型十分关键。能源转型的加速给传统火力电厂的经济性、环保性提出了更高的要求。长期以来，我国化石能源的利用存在着能量利用效率低、开发技术落后的问题。随着国家能源生产与消费革命战略的提出，传统火力电厂的清洁化改造势在必行，新型高效的电厂设计规划也要遵守更高的标准，电厂热力系统将更趋复杂化和精细化。

虽然我国的制造业总体规模庞大，优质企业众多，但在国际制造业发展全球化趋势下，我国制造业的劣势也愈发突出，尤其是能源领域的相关支撑软件［1］。系统仿真（System Simulation）是随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科，涉及建模理论、计算机软件、数值计算、网络、工程设计等多方面知识，是学科交叉发展的结果。按照分析目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的，且具有一定逻辑关系、数量关系的仿真模型［2］。仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等少数领域，后来逐渐发展到其他工业领域，并进一步扩大到社会、经济、交通运输、生态等领域。随着计算机技术和信息技术的深化发展，系统仿真已成为工业领域复杂系统分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要工具［3］。本文基于模块化建模的方法，开发电厂热力系统的稳态仿真软件，对仿真结果的准确性进行验证。2 建模方法、数据交互与模型解算①建模方法模块化建模方法是一种典型的面向对象的建模方法。面向对象的建模方法是一种在分析和设计阶段独立于程序设计语言的概念化过程，不仅是一种程序设计技术，更是一种思维方式。面向对象的仿真为设计研究人员提供了开发模块化可重用的仿真模型的工具，它把系统视为由相互作用的对象组成，寻求对象与模型间的直接映射关系［4］。而对象表示系统中的真实实体，从而提高了仿真模型的可理解性、可扩充性和模块化［5］。在建立复杂热力系统模型时，模块化建模是一种非常有效的建模方法。它将复杂系统按级别、层次、功能分解成若干个基本组成部分。为了建模的方便和快捷，软件会将这些重要的部分建立成独立的、可替换的基本单元（即模块）［6］。然后，建立这些基本单元的数学模型，形成算法库，每个算法对应一类基本单元。最后，根据实际系统的物理过程，从中选择适当的算法构造出系统的模型。优点在于：一旦对某些典型系统或设备建立了模型，只要对其中的参数加以修改即可实现系统的变更，所建模型也适用于数学、物理结构类似的其他系统。与程序建模方法相比，模块化建模方法有了很大进步，对建模人员的要求降低。采用模块化建立的模型以模块和变量的形式存在，模块相对独立，每个模块由多个输入、输出变量和系数组成。模块之间的连接由模块的输入、输出变量的相互引用形成。笔者在电厂设备模块开发的基础上，采用模块化建模方法构建整个热力系统仿真模型。建模过程的图形化很大程度上降低了建模的复杂度，提高了仿真模型与实际系统间的直观联系。②数据交互与模型解算模块化建模方法是基于物理设备进行模块划分，以图形化界面形式，通过流线联接设备模块以构成热力系统的拓扑结构，再通过模块内部的算法和约束方程对热力系统进行运算求解。实现模块化的关键在于实现每个模块数学模型之间的相互兼容性，这要求相邻模块之间对同一个变量的求解不能存在冲突，而对于仿真运算求解的对象参数在求解过程中也不得存在没有参加运算的情况。基于物理设备的模块划分方法，要求单个模块具有清晰的物理边界，与实际的物理设备形成映射关系，因此单个模块的数学模型是明确的。在系统模型解算过程中，相邻模块彼此之间相互约束，模块的计算需要相邻的模块提供参数作为输入，而当前模块的输出又将作为下游模块的输入。因此，热力系统仿真模型通过相邻的模块互相传递参数，结合模块的内部数学模型进行解算。3 主要模块的数学模型①汽轮机按照结构，汽轮机可以分为单级、多级，不同热电机组的抽汽口数量和位置也不同。因此，为使汽轮机模块更具有通用性，本文以级的方式设计汽轮机模块，使模块具备更强的通用性。单级汽轮机采用单个模块完成，多级汽轮机可由多个模块串联构成，多级抽汽则在对应的级的位置上添加抽汽管道，完成一个完整汽轮机的建模。汽轮机模块的数学模型基于质量与能量平衡，通过数学方程描述蒸汽在汽轮机中的变化。在汽轮机模块数学模型的建立过程中，除遵循整个热力系统建模原则外，还增加了以下设定：忽略流体入口速度；蒸汽在各级汽轮机的进出口过程为绝热过程，将等熵指数作为描述绝热程度的参数；蒸汽在各汽轮机进出口之间的关系描述为一个或多个约束条件。汽轮机模块参数设置界面见图1。汽轮机实际结构与运行机理极其复杂，但对于稳态仿真建模，不需要将机组内部的运行细节完全展示。为简化模块设计和应用的复杂度，将汽机抽象为一个蒸汽的热力学能转换为电能的黑箱装置。因此，汽轮机模块不需要设置结构相关的复杂参数，只需要设置汽轮机进、出口的汽水参数以及汽轮机效率等。图1 汽轮机模块参数设置界面
②热力除氧器电厂运行时，给水易存在一些不凝性气体，不凝性气体易在换热设备中造成额外的热阻，导致锅炉传热不良［7］。氧气作为主要的不凝性气体还会在热力系统特有的环境下对相关设备及管道造成腐蚀。热力除氧器主要起到以下作用：除去不凝性气体提高机组安全性，加热给水提高机组热效率，为给水提供一个暂留的容器。热力除氧器的热源来自汽轮机的主蒸汽抽汽或辅助抽汽。由亨利定律可知，溶解于水中的不凝性气体由于分压力的降低而逸出水面，在热力除氧器的压力维持一定时，蒸汽加热给水达到饱和状态，即可除去不凝结性气体［8-9］。在仿真软件中，不对热力除氧器除去不凝结水的过程进行仿真建模，而是将其抽象为一个具有一定容积可以暂留一定量给水的混合式换热器。因此，热力除氧器模块的数学模型遵循质量与能量守恒方程。热力除氧器模块参数设置界面见图2。用户可通过此界面设定除氧水质量流量，还可以通过设置换热效率与压力损失，以适应不同型号的热力除氧器。图2 热力除氧器模块参数设置界面
③水泵水泵是热力系统中重要的辅助机械设备，是热工控制与调节的重要对象。水泵是热力系统中耗电量较高的设备，是热力系统建模仿真中不可忽略的部件。在仿真软件中，水泵是一个消耗功率提升流体压力的简化装置，数学模型遵循质量与能量守恒方程。④管道管道的实质是出现在各个设备之间的温度损失、压力损失以及工质损失。在一定条件下，可以将设备损失单独提取出来，通过一个管道模块与一个设备模块的组合对实际物理设备进行建模，即通过一个理想过程和一段相关损失（包括温度损失、压力损失以及工质损失）模拟某个物理设备中发生的实际过程。管道约束方程可以抽象为管道一侧相关参数与损失的相关约束函数，包括相对损失、绝对损失以及指定损失等。4 仿真软件仿真结果准确性某热电机组额定发电功率为300 MW，分为高压、中压、低压缸，额定抽汽量分别为55、50、35 t/h。对热电机组的热力系统进行仿真研究，涉及汽轮机、凝汽器、省煤器、蒸发器、过热器、水泵、管道等，根据实际设备之间的连接关系搭建模块之间的拓扑结构。为验证仿真软件仿真结果的准确性，笔者利用目前工业中常用的Ebsilon软件建立热电机组热力系统仿真模型，将Ebsilon软件仿真结果与仿真软件的仿真结果进行对比。Ebsilon软件是由德国STEAG公司开发的热力系统仿真软件，通过软件设定好的元件进行组合从而建模，可以适用于各种形式的电厂热力系统，具有模型可视化效果好、元件完整详备和计算能力强等诸多优点，是当前行业较为常用的热力系统稳态仿真分析软件［10-12］。采用Ebsilon软件建立的热力系统的仿真模型（软件截图）见图3。由于采用仿真软件建立的热力系统仿真模型与图3一致，因此仅给出图3。
图3 采用Ebsilon软件建立的热力系统的仿真模型（软件截图）
笔者选取7种工况进行仿真，为方便表达采用字母+数字形式表示。字母G表示热电机组的负荷率，字母H、M、L分别表示高压、中压、低压缸的抽汽质量流量。G100-H0M0L0表示热电机组100%负荷率下，高压、中压、低压缸的抽汽质量流量为0，即表示不供热的纯凝发电工况。其他6种工况分别为：75%负荷率纯凝发电工况G75-H0M0L0，50%负荷率纯凝发电工况G50-H0M0L0，100%负荷率额定抽汽工况G100-H55M50L35，100%负荷率不同抽汽工况：G100-H120M50L35、G100-H55M115L35、G100-H55M50L100。采用仿真软件、Ebsilon软件对上述7种工况的发电功率、热功率进行仿真，将设计计算数据作为基准，分别计算两种软件仿真结果的相对误差（分别见表1、2）。由表1、2可知，仿真软件、Ebsilon软件的仿真结果准确度均在工程应用可接受的相对误差范围内，仿真软件的仿真结果更加准确，与设计计算数据的相对误差范围为1%~-2%。表1 发电功率的相对误差
表2 热功率的相对误差
参考文献：
［1］江勇.发展自主工业软件促进制造业高端化发展的思考与建议［J］.软件产业与工程，2011（1）：19-21.［2］吴健珍，罗晓，陈剑雪.控制系统CAD与数字仿真［M］.北京：清华大学出版社，2004：10-11.［3］谈理.热力系统图形化建模软件的开发（硕士学位论文）［D］.重庆：重庆大学，2003：1-4.［4］张璐璐.计算机仿真关于面向对象建模方法的研究［J］.电子世界，2014（10）：92.［5］齐欢，王小平.系统建模与仿真［M］.北京：清华大学出版社，2004：23-24.［6］孙喜龙.汽车被动安全性的模块化建模方法与多目标优化研究（博士学位论文）［D］.长春：吉林大学，2013：10-11.［7］曹明涛，王敏飞.低位热力除氧器在锅炉给水除氧系统中的应用［J］.燃料与化工，2020（1）：42-43，47.［8］朱国情，程刚，倪何，等.某型船用除氧装置动态数学模型和仿真［J］.计算机仿真，2009（7）：104-108.［9］朱伟，蒋滋康，程芳真.高压除氧器的建模与仿真［J］.发电设备，1999（4）：38-48.［10］丁敬芝.利用EBSILON软件为某700 MW热电站建模［J］.华电技术，2014（3）：17-20，31.［11］石宇. 1 000 MW二次再热机组热力系统优化研究（硕士学位论文）［D］.北京：华北电力大学，2017：7-9.［12］付亦葳.基于EBSILON的燃煤发电机组特性研究与节能优化（硕士学位论文）［D］.西安：西安热工研究院，2017：8-10.（本文责任编辑：贺明健）

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