超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计方法、装置与流程

本发明属于火电机组调频仿真，尤其涉及一种超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计方法、装置。

背景技术：

1、随着高比例新能源并网与电网调节需求提升，超临界及超超临界火电机组承担更频繁、更深度的调峰与调频任务。在深调工况下，锅炉-汽轮机-控制系统的耦合更强，主汽参数、再热参数与燃料-给水响应呈现更明显的非线性与滞后，导致一次调频能力与机组初始热力状态的相关性显著增强。

2、现有技术中的电力系统仿真工具与工程计算中常用的火电机组模型（例如bpa模型、psasp仿真程序所采用的典型火电模型）通常将锅炉简化为两段：将过冷段与蒸发段合并为第一段，将过热段或超临界段视作第二段。在动态过程中主要考虑三类约束：其一，主汽流量对主汽压力变化率的约束；其二，两段之间的动量守恒关系；其三，各段质量守恒关系。在该类模型中，初始状态下的压力、流量主要由动量守恒与质量守恒决定。

3、然而，在深度调峰稳态附近启动的一次调频仿真中，锅炉沿程温差往往极大，特别是在水冷壁、过热器、再热器等换热部件对应的空间位置，工质温度、比焓与密度沿程变化显著。若仅依赖动量守恒与质量守恒确定初值，则可能得到满足压力-流量但不满足温度分布的初始状态，从而在仿真开始阶段产生不合理的能量突变，进而导致主汽温度/压力短时漂移、燃料指令反应异常或调频功率响应偏差。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计方法、装置，通过引入能量守恒约束并采用分块集总与显式求解策略，在深度调峰等复杂工况下精确重建锅炉沿程温度、密度分布，从而在显著提升一次调频仿真初始状态精度的同时，有效降低了计算复杂度，兼顾了高保真度与实时性。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明一方面提出了一种超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计方法，包括：

4、获取机炉协调控制系统的控制参数变化量，判断机组是否处于稳态；

5、当判定机组处于稳态时，根据锅炉入口压力确定分界温度，基于分界温度将锅炉内工质划分为过冷液态分区和超临界态分区；分别建立过冷液态分区和超临界态分区的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及换热方程；

6、利用机组的实际运行数据，联立过冷液态分区和超临界态分区的能量守恒方程以及换热方程，迭代求解过冷液态分区和超临界态分区的吸热量和长度，利用各分区的吸热量和长度，基于换热方程，求解各分区的总传热系数；

7、将过冷液态分区和超临界态分区分别离散为多个空间节点；分别递推计算各分区内每个空间节点的温度；利用各分区内每个空间节点的温度和密度，构建机组初始状态的状态估计向量。

8、优选地，机炉协调控制系统的控制参数包括：功率、主汽压力、主汽温度、燃料指令以及给水指令；

9、在辨识窗口内，将功率变化量、主汽压力变化量、主汽温度变化量、燃料指令变化量以及给水指令变化量中的至少一项与对应的变化判断条件进行比较；若所有参与判别的变化量均满足对应的变化判断条件，则判别机组处于稳态；否则，判别机组处于动态。

10、优选地，根据锅炉入口压力确定分界温度，包括：

11、当锅炉入口压力小于或等于临界压力时，将锅炉入口压力对应的饱和温度确定为分界温度；

12、当锅炉入口压力大于临界压力时，将锅炉入口压力对应的伪临界温度，或者，将基于历史数据标定的用于划分过冷液态分区和超临界态分区的等效分界温度确定为分界温度。

13、优选地，建立过冷液态分区的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及换热方程，包括：

14、以锅炉入口压力作为过冷液态分区压力，以分界温度作为过冷液态分区的出口温度；

15、建立过冷液态分区的质量守恒方程；

16、建立过冷液态分区的动量守恒方程；

17、过冷液态分区中，以分界温度替代锅炉入口压力下的饱和温度，建立过冷液态分区的能量守恒方程，如下式所示：

18、

19、式中，为过冷液态分区的吸热量，为质量流量，为过冷液态分区的工质定压比热，为分界温度，为锅炉入口温度；

20、计算过冷液态分区的对数平均温差；基于对数平均温差，建立过冷液态分区的换热方程，如下式所示：

21、

22、式中，为过冷液态分区的总传热系数，为与过冷液态分区长度相关的等效换热面积，为过冷液态分区的对数平均温差。

23、优选地，建立超临界态分区的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及换热方程，包括：

24、以锅炉入口压力与出口压力的平均值作为超临界态分区压力；

25、建立超临界态分区的质量守恒方程；

26、建立超临界态分区的动量守恒方程；

27、建立超临界态分区的能量守恒方程，如下式所示：

28、

29、式中，为超临界态分区的吸热量，为质量流量，为超临界态分区的工质定压比热，为锅炉出口温度，为超临界态分区的入口温度；

30、计算超临界态分区的对数平均温差；基于对数平均温差，建立超临界态分区的换热方程，如下式所示：

31、

32、式中，为超临界态分区的总传热系数，为与超临界态分区长度相关的等效换热面积，为超临界态分区的对数平均温差。

33、优选地，利用机组的实际运行数据，联立过冷液态分区和超临界态分区的能量守恒方程以及换热方程，迭代求解过冷液态分区和超临界态分区的吸热量和长度，利用各分区的吸热量和长度，基于换热方程，求解各分区的总传热系数，包括：

34、首次求解时基于各分区设定的工质定压比热得到冷液态分区和超临界态分区的吸热量和长度后，修正各分区的平均温度，基于修正后的分区平均温度，修正各分区的工质定压比热；基于各分区修正后的工质定压比热，得到过冷液态分区和超临界态分区的修正后的吸热量和长度；利用各分区修正后的吸热量和长度，基于换热方程，求解各分区的总传热系数。

35、优选地，首次求解时基于各分区设定的工质定压比热得到冷液态分区和超临界态分区的吸热量和长度，包括：

36、首次求解时，设定过冷液态分区的工质定压比热，根据过冷液态分区的能量守恒方程计算过冷液态分区的吸热量，设定超临界态分区的工质定压比热，根据超临界态分区的能量守恒方程直接计算超临界态分区的吸热量，并得到总换热量；

37、基于总换热量与各分区的吸热量、的比例，以及锅炉等效总长度，通过几何关系和，求解得到过冷液态分区长度和超临界态分区长度。

38、优选地，利用各分区修正后的吸热量和长度，基于换热方程，求解各分区的总传热系数，包括：

39、利用过冷液态分区和超临界态分区的修正后的长度确定各分区的等效换热面积；利用过冷液态分区和超临界态分区的修正后的平均温度确定各分区的对数平均温差；结合过冷液态分区和超临界态分区的修正后的吸热量，由换热方程反求过冷液态分区和超临界态分区的总传热系数。

40、优选地，超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计方法，还包括：

41、建立过冷液态分区和超临界态分区之间的总传热系数线性约束；过冷液态分区和超临界态分区的总传热系数满足过冷液态分区和超临界态分区之间的总传热系数线性约束时，表示通过一致性校验；

42、其中，=×，且线性系数的取值范围为[2，5]，为过冷液态分区的总传热系数，为超临界态分区的总传热系数。

43、优选地，将过冷液态分区和超临界态分区分别离散为多个空间节点；分别递推计算各分区内每个空间节点的温度，包括：

44、通过一致性校验后，将过冷液态分区和超临界态分区分别离散为多个空间节点；分别递推计算各分区内每个空间节点的温度；基于各分区压力近似值和每个空间节点的温度，计算各分区内每个空间节点的密度；基于动量守恒方程，计算过冷液态分区的压降、超临界态分区的等效压降，利用满足分区间理论压降比约束的过冷液态分区的压降与超临界态分区的等效压降，建立冷液态分区内压力沿程线性分布函数和超临界态分区内压力沿程线性分布函数，以修正各分区内每个空间节点的密度；利用各分区内每个空间节点的温度和修正后的密度，构建机组初始状态的状态估计向量。

45、优选地，分别递推计算各分区内每个空间节点的温度，包括：

46、根据过冷液态分区的单位长度吸热率、超临界态分区的单位长度吸热率、过冷液态分区的修正后的工质定压比热、超临界态分区的修正后的工质定压比热，基于能量守恒方程的离散形式，递推计算每个空间节点的温度。

47、优选地，基于动量守恒方程，计算过冷液态分区的压降、超临界态分区的等效压降，包括：

48、过冷液态分区入口和出口的压降如下式所示：

49、

50、式中，为过冷液态分区的等效阻力系数，为过冷液态分区的工质密度，为过冷液态分区的工质流速；

51、超临界态分区入口和出口的等效压降，如下式所示：

52、

53、式中，为超临界态分区的等效阻力系数，为超临界态分区的工质平均密度，为超临界态分区的工质平均流速。

54、优选地，超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计方法，包括：将锅炉进出口总压降按各分区的等效粘性系数与长度进行分配，得到过冷液态分区入口和出口的理论压降，超临界态分区入口和出口的理论压降，建立分区之间理论压降比约束；

55、分区之间理论压降比约束满足如下关系式：

56、

57、式中，为过冷液态分区入口和出口的理论压降与超临界态分区入口和出口的理论压降的比值，、分别为过冷液态分区和超临界态分区的等效动力粘度，为锅炉等效直径，为过冷液态分区的修正后的长度，为超临界态分区的修正后的长度。

58、优选地，利用满足分区之间理论压降比约束的过冷液态分区的压降与超临界态分区的等效压降，建立冷液态分区内压力沿程线性分布函数和超临界态分区内压力沿程线性分布函数，包括：

59、若与的偏差的绝对值大于预设限值，则调整过冷液态分区和超临界态分区的长度；若与的偏差的绝对值不大于预设限值，则基于过冷液态分区入口和出口的压降建立过冷液态分区内压力沿程线性分布函数，基于超临界态分区入口和出口的等效压降建立超临界态分区内压力沿程线性分布函数。

60、优选地，利用各分区内每个空间节点的温度和修正后的密度，构建机组初始状态的状态估计向量，包括：

61、过冷液态分区内每个空间节点的温度构成过冷液态分区温度序列，超临界态分区内每个空间节点的温度构成超临界态分区温度序列；

62、过冷液态分区内每个空间节点的修正后的密度构成过冷液态分区修正后密度序列，超临界态分区内每个空间节点的修正后的密度构成超临界态分区修正后密度序列；

63、对过冷液态分区温度序列和过冷液态分区修正后密度序列进行节点补齐后拼接得到过冷液态分区的状态估计向量；对超临界态分区温度序列和超临界态分区修正后密度序列进行节点补齐后拼接得到超临界态分区的状态估计向量；过冷液态分区的状态估计向量和超临界态分区的状态估计向量拼接得到机组初始状态的状态估计向量。

64、本发明另一方面还提出了一种超临界火电机组调频初始状态的稳态动态判别与状态估计装置，包括：

65、稳态动态判别模块，用于获取机炉协调控制系统的控制参数变化量，判断机组是否处于稳态；

66、模型构建模块，用于当判定机组处于稳态时，根据锅炉入口压力确定分界温度，基于分界温度将锅炉内工质划分为过冷液态分区和超临界态分区；分别建立过冷液态分区和超临界态分区的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及换热方程；

67、模型求解模块，用于利用机组的实际运行数据，联立过冷液态分区和超临界态分区的能量守恒方程以及换热方程，迭代求解过冷液态分区和超临界态分区的吸热量和长度，利用各分区的吸热量和长度，基于换热方程，求解各分区的总传热系数；

68、状态估计模态，用于将过冷液态分区和超临界态分区分别离散为多个空间节点；分别递推计算各分区内每个空间节点的温度；利用各分区内每个空间节点的温度和密度，构建机组初始状态的状态估计向量。

69、本发明还是一种终端，包括处理器及存储介质；存储介质用于存储指令；处理器用于根据指令进行操作以执行方法的步骤。

70、本发明还是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现方法的步骤。

71、本发明提供的超临界火电机组调频初始状态稳态动态判别与状态估计方法及装置，首先，获取机组在当前时刻的实时运行数据，并基于机炉协调控制系统ccs的控制参数变化进行稳态动态判别，并得到判别结果；之后，若所述判别结果指示所述机组处于稳态，则根据锅炉入口压力确定用于划分所述两个分区的分界温度；基于所述分界温度将锅炉内工质划分为不可压缩的过冷液态分区和可压缩的超临界态分区，并分别建立两个分区的集总参数模型；所述集总参数模型包含质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及基于对数平均温差的换热方程；最后，基于所述实时运行数据以及所述分界温度，对所述两个分区的集总参数模型进行联立求解，得到所述两个分区的分区长度和总换热量以及沿程各离散节点的初始温度和初始密度；其中，所述分区长度、总换热量、初始温度和初始密度用于作为调频动态仿真的初始状态参数。如此，通过引入能量守恒约束并采用分块集总与显式求解策略，在深度调峰等复杂工况下精确重建锅炉沿程温度分布，从而在显著提升一次调频仿真初始状态精度的同时，有效降低了计算复杂度，兼顾了高保真度与实时性。