基于温变速率风险比的燃煤机组极限变负荷速率确定方法与流程

本发明涉及燃煤发电机组灵活运行及锅炉厚壁承压部件安全评价，具体涉及一种基于温变速率风险比的机组极限变负荷速率确定方法，适用于燃煤机组升负荷、降负荷、深度调峰、快速变负荷及宽负荷运行过程中，在锅炉厚壁集箱温变速率安全约束下确定机组极限变负荷速率。

背景技术：

1、在新能源大规模并网和电力系统调峰需求不断提高的背景下，燃煤机组逐渐由传统基荷电源向调峰支撑电源转变，需要频繁参与深度调峰和快速变负荷运行。提高燃煤机组变负荷速率有助于增强电网调节能力和新能源消纳能力，但机组负荷快速变化会引起锅炉侧蒸汽温度、蒸汽压力、流量和金属壁温的动态波动，使锅炉厚壁承压部件承受更强的热应力和机械应力耦合作用。

2、高温过热器出口集箱、再热器集箱、主蒸汽集箱、汽水分离器等锅炉厚壁承压部件长期处于高温高压环境，其壁厚较大、金属热惯性强，在升负荷、降负荷和启停过程中容易出现壁温响应滞后和瞬态温差。当金属壁温变化速率过大时，温变速率诱导热应力可能与内压机械应力叠加，使局部应力接近或超过材料许用应力，从而增加热疲劳、裂纹萌生和寿命损耗风险。因此，燃煤机组变负荷速率的提高不能仅以主蒸汽温度控制、负荷响应速度或系统调节能力为依据，还需要考虑锅炉厚壁承压部件的温变速率安全约束。

3、现有燃煤机组变负荷速率设定方法多依据运行经验、控制系统调节能力或主蒸汽温度偏差确定，通常缺乏对厚壁集箱温变速率安全边界的定量评价。部分方法能够计算厚壁承压部件的热应力或允许温变速率，但多停留在单一工况或单一时间点的安全校核，难以直接用于不同候选变负荷速率之间的安全筛选。对于同一负荷区间，不同变负荷速率下金属壁温变化过程、蒸汽压力变化过程和热应力响应均存在差异，仅凭单点允许温变速率难以判断整个变负荷过程是否安全。

4、此外，升负荷和降负荷过程中的温度响应特性并不完全相同，不同负荷区间的蒸汽压力、金属温度和壁温变化速率也存在明显差异。因此，燃煤机组极限变负荷速率需要根据具体负荷区间、变负荷方向和厚壁集箱动态响应过程分别确定。若缺少能够表征实际温变速率相对于允许温变速率裕度的评价指标，就难以判断某一候选变负荷速率是否存在温变速率超限风险，也难以给出满足安全约束的最大可行变负荷速率。

5、因此，有必要提出一种基于温变速率风险比的机组极限变负荷速率确定方法，在获得锅炉厚壁集箱允许温变速率的基础上，结合不同候选变负荷速率下的金属壁温时间序列，计算实际温变速率与允许温变速率的风险比，并以整个变负荷过程中的最大风险比作为安全判据，筛选满足温变速率安全约束的候选变负荷速率，从而确定对应负荷区间和变负荷方向下的极限变负荷速率，为燃煤机组深度调峰、快速变负荷运行和变负荷控制指令设定提供依据。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中燃煤机组变负荷速率主要依赖运行经验或控制系统调节能力确定、难以定量考虑锅炉厚壁集箱温变速率安全约束的问题，本发明的目的在于提供一种基于温变速率风险比的燃煤机组极限变负荷速率确定方法。该方法通过构建实际温变速率与允许温变速率之间的风险比，评价不同候选变负荷速率下厚壁集箱的温变速率安全裕度，并以最大温变速率风险比作为筛选判据，确定满足安全约束的极限变负荷速率。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于温变速率风险比的燃煤机组极限变负荷速率确定方法，包括以下步骤：

4、s1：确定待评价的燃煤机组变负荷区间和变负荷方向。所述变负荷区间包括低负荷升负荷区间、低负荷降负荷区间或宽负荷变负荷区间；所述变负荷方向包括升负荷过程和降负荷过程。

5、s2：设置多个候选变负荷速率，并获取各候选变负荷速率下锅炉厚壁集箱的运行参数、结构参数和材料参数。所述运行参数包括蒸汽压力、蒸汽温度、金属壁温和金属壁温时间序列；所述结构参数包括集箱内径、外径、平均直径和壁厚；所述材料参数包括弹性模量、泊松比、线膨胀系数、导热系数、密度、定压比热容、热扩散率和材料许用应力。

6、s3：根据锅炉厚壁集箱结构参数、材料参数和运行参数，计算各候选变负荷速率下各时刻厚壁集箱的允许温变速率。所述允许温变速率根据厚壁集箱的内压机械应力、温变速率诱导热应力和材料许用应力确定，或由锅炉厚壁集箱允许温变速率确定方法获得，并随蒸汽压力、金属温度、壁厚和材料参数变化而更新。

7、s4：根据锅炉厚壁集箱金属壁温时间序列计算各候选变负荷速率下各时刻厚壁集箱的实际温变速率。实际温变速率由相邻时刻金属壁温差分获得。

8、s5：根据所述实际温变速率和允许温变速率计算温变速率风险比，并获得每一候选变负荷速率下整个变负荷过程中的最大温变速率风险比。

9、候选变负荷速率集合、温变速率风险比和最大温变速率风险比分别为：

10、

11、

12、

13、式中，

v为候选变负荷速率集合，

νl,j为第

j个候选变负荷速率，

n为候选变负荷速率数量；

rj(

ti)为第

j个候选变负荷速率下时刻

ti的温变速率风险比；

vreal,j(

ti)为实际温变速率；

val,j(

ti)为允许温变速率；

rmax,j为第

j个候选变负荷速率下整个变负荷过程中的最大温变速率风险比。

14、s6：以最大温变速率风险比不大于预设安全阈值作为安全判据，筛选满足温变速率安全约束的候选变负荷速率。

15、s7：在满足温变速率安全约束的候选变负荷速率中选取最大值，作为对应变负荷区间和变负荷方向下的极限变负荷速率：

16、

17、式中，

vl,lim为极限变负荷速率，

rlim为预设安全阈值；当

rlim=1时，表示实际温变速率不超过允许温变速率。

18、进一步地，当相邻两个候选变负荷速率对应的最大温变速率风险比分别位于预设安全阈值两侧时，可采用插值方法确定极限变负荷速率：

19、

20、式中，

vl,a和

vl,b分别为相邻两个候选变负荷速率，和分别为相邻两个候选变负荷速率对应的最大温变速率风险比，且

rmax,a≤

rlim、

rmax,b＞

rlim。

21、进一步地，分别对升负荷过程和降负荷过程执行上述s1至s7步骤，得到升负荷极限变负荷速率和降负荷极限变负荷速率。

22、进一步地，实际温变速率由锅炉厚壁集箱金属壁温时间序列差分获得，所述锅炉厚壁集箱金属壁温包括实测壁温、仿真壁温或根据蒸汽温度和换热模型计算得到的壁温。

23、进一步地，所述变负荷区间包括30%tha～50%tha、50%tha～75%tha、75%tha～100%tha或其他负荷区间。

24、进一步地，所述锅炉厚壁集箱包括高温过热器出口集箱、低温过热器出口集箱、再热器出口集箱、主蒸汽集箱、省煤器出口集箱、汽水分离器或其他锅炉厚壁承压部件。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、（1）本发明将厚壁集箱允许温变速率与实际温变速率相结合，构建温变速率风险比，能够定量表征变负荷过程中实际壁温变化相对于安全边界的裕度。

27、（2）本发明以整个变负荷过程中的最大温变速率风险比作为安全判据，能够避免仅依据单一时刻或经验值判断变负荷速率安全性的不足。

28、（3）本发明能够分别确定不同负荷区间和不同变负荷方向下的极限变负荷速率，适用于升负荷、降负荷、深度调峰和宽负荷运行等场景。

29、（4）本发明可基于仿真数据、历史运行数据或在线监测数据实施，能够为燃煤机组变负荷速率设定、运行安全校核和变负荷控制指令修正提供依据。