1、第6章 火電機(jī)組熱工過(guò)程建模與仿真v61火電機(jī)組熱工過(guò)程數(shù)學(xué)模型概述v 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要特征是日益精確化、定量化、數(shù)字化。數(shù)學(xué)模型正是從定量的角度去分析、解決所遇到的實(shí)際問(wèn)題的一種行之有效的方法，從而越來(lái)越多地受到了人們的重視。v 火電站是由一系列系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備構(gòu)成的。對(duì)這些設(shè)備的研究一般都要借助于數(shù)學(xué)模型。根據(jù)研究任務(wù)的不同，有時(shí)需要建立局部模型，有時(shí)則需要建立整體模型兩種模型。v 數(shù)學(xué)模型是由描述具體過(guò)程的一系列數(shù)學(xué)方程(包括代數(shù)方程、微分方程)組成的聯(lián)立方程組。數(shù)學(xué)模型比較抽象，但它可以比較全面地反映一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的性質(zhì)。數(shù)學(xué)模型又可分為靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)

2、模型兩種模型。v 靜態(tài)模型用來(lái)描述系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)或平衡狀態(tài)下各種輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入的物質(zhì)及能量保持不變，機(jī)組各系統(tǒng)的參數(shù)也將保持穩(wěn)定，這些穩(wěn)定工況下各參數(shù)之間的關(guān)系便可用靜態(tài)模型描述。靜態(tài)模型主要用于機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核計(jì)算，一般要求具有較高的精度。v 動(dòng)態(tài)模型用來(lái)描述系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中各種變量隨時(shí)間變化的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，哪些參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，其變化的速度及歷程如何，這些都屬于動(dòng)態(tài)模型要研究的問(wèn)題。例如，當(dāng)燃料量變化時(shí)，機(jī)組原來(lái)的平衡狀態(tài)就會(huì)受到破壞，電功率等參數(shù)都將發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，機(jī)組又將達(dá)到新的平衡狀態(tài)。這個(gè)動(dòng)

3、態(tài)過(guò)程中電功率的變化規(guī)律需要用動(dòng)態(tài)模型描述。v 動(dòng)態(tài)模型與靜態(tài)模型是相互聯(lián)系的，從理論上講，動(dòng)態(tài)模型實(shí)際上包含了靜態(tài)模型。對(duì)于存在穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)間t時(shí)，它必然處于一平衡狀態(tài)，此時(shí)的平衡狀態(tài)仍滿足動(dòng)態(tài)模型方程。也就是說(shuō)，若假定動(dòng)態(tài)模型中的動(dòng)態(tài)項(xiàng)(對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)項(xiàng))為零，則動(dòng)態(tài)模型也就轉(zhuǎn)化為靜態(tài)模型，可見(jiàn)靜態(tài)模型是動(dòng)態(tài)模型的極限和基礎(chǔ)。為了使動(dòng)態(tài)模型及其計(jì)算不至于過(guò)分復(fù)雜，在建模時(shí)往往進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，以滿足模型應(yīng)用的要求。v 一個(gè)理想的動(dòng)態(tài)模型應(yīng)滿足精確性和實(shí)用性兩方面的要求。v 精確性指模型應(yīng)能在允許的誤差范圍內(nèi)，反映出系統(tǒng)的全部重要特性，從這個(gè)角度來(lái)講，考慮的影響因素越多，模型越好；實(shí)

4、用性指所建立的模型應(yīng)易于數(shù)學(xué)處理，并解決實(shí)際問(wèn)題，從這方面講，模型越簡(jiǎn)單越好。通常所建立的模型往往是這兩種要求的折中處理。v 建立火電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型的方法主要有兩種：機(jī)理法和測(cè)試法。v 根據(jù)基本的物理定律從系統(tǒng)內(nèi)部工作過(guò)程的機(jī)理出發(fā)，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法稱為機(jī)理法，所得到的模型通常稱為理論解析模型。它具有較嚴(yán)密的理論依據(jù)，在任何狀態(tài)下使用都不會(huì)引起定性的錯(cuò)誤。建模時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和類比，再做出一些合理假設(shè)，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)并為建模提供一定的理論依據(jù)，然后再根據(jù)基本的物理定律(如質(zhì)量守衡、能量守衡、動(dòng)量守衡等)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的工作機(jī)理有了清楚全面的認(rèn)識(shí)，而且過(guò)程能用成熟的理論進(jìn)

5、行描述時(shí)，便可采用機(jī)理法建模。 v 由于實(shí)際過(guò)程的影響因素非常復(fù)雜，難以用精確的模型進(jìn)行描述，因此對(duì)已經(jīng)投運(yùn)的系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，常常采用試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型。在機(jī)組某一穩(wěn)定工況下，根據(jù)試驗(yàn)要求，加入一定形式的擾動(dòng)，再測(cè)量某個(gè)或某些狀態(tài)變量的變化，其變化過(guò)程可用一條響應(yīng)曲線表示。利用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得對(duì)象傳遞函數(shù)或其他形式的數(shù)學(xué)描述。這種依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模的方法通常稱為測(cè)試法，所得到的模型稱為經(jīng)驗(yàn)歸納模型。這種方法不涉及系統(tǒng)內(nèi)部的工作機(jī)理，完全依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間定量關(guān)系，所以需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所建模型的精度主要取決于原始數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差、廣泛程度和數(shù)據(jù)處理的方法及手段。一般來(lái)講，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)才能得到較為

6、精確的模型。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要較多的費(fèi)用和時(shí)間，甚至要冒較大的風(fēng)險(xiǎn)，所以這種方法一般只用于局部對(duì)象的精確建模。 v 對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，理論解析模型的精度一般都不夠高，而經(jīng)驗(yàn)歸納模型又只局限于對(duì)象的局部特性。為了提高模型的精度，同時(shí)又使模型具有較大的適用范圍，常采用機(jī)理法和測(cè)試法相結(jié)合的建模方法。這種模型的總體結(jié)構(gòu)仍具有明確的物理意義，習(xí)慣上仍稱為理論解析模型。v 具體建模時(shí)，首先要考慮的是模型的用途，不同層次的模型有不同的用途，層次的選擇取決于具體的研究目的。在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，每一層模型都由層次更低的模型組成，層次的位置越低，對(duì)象的描述就越詳細(xì)。隨著人們對(duì)于復(fù)雜熱力系統(tǒng)及設(shè)備中所發(fā)生的物理、化學(xué)過(guò)

7、程的不斷深入了解，模型變得越來(lái)越復(fù)雜，這有助于使模型的描述更接近實(shí)際。然而，采用數(shù)學(xué)方程對(duì)過(guò)程進(jìn)行描述總是有局限性的，建模時(shí)總要對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行一定的假設(shè)。在某種意義上講，模型的復(fù)雜程度是一個(gè)無(wú)底洞，重要的是建立的模型能夠滿足工程實(shí)際的要求。v62 火電機(jī)組熱工過(guò)程建模的基本假設(shè)及依據(jù)v 火電機(jī)組熱工系統(tǒng)復(fù)雜、熱工設(shè)備很多。在建模時(shí)，通常根據(jù)工作原理將整個(gè)系統(tǒng)劃分為若干個(gè)不同類型的設(shè)備，分別建立各種類型設(shè)備的通用數(shù)學(xué)模型。對(duì)于同一類型的設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究時(shí)只要在通用模型中設(shè)置不同的物理參數(shù)即可。v 建立熱力系統(tǒng)仿真模型時(shí)，通常作如下假定：v (1)采用集總參數(shù)法，忽略系統(tǒng)參數(shù)沿空間的分布情況，

8、只考慮時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，即采用零維模型。對(duì)于精度要求較高的系統(tǒng)，可采用分段集總參數(shù)法。v (2)假定煙氣、空氣為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)定律。v (3)各系統(tǒng)滿足基本的物理及熱力學(xué)定律，如質(zhì)量守衡、能量守衡、動(dòng)量守衡，以及傳熱方程、熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)方程等。v 由于火電廠熱力設(shè)備繁多、系統(tǒng)復(fù)雜，建模時(shí)應(yīng)根據(jù)用途的不同，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和分類，并做出合理假定。不同的處理方法將得到不同復(fù)雜程度的動(dòng)態(tài)模型描述。 v63 火電機(jī)組熱工過(guò)程建模與仿真v631 水箱系統(tǒng)水位模型v 質(zhì)量守衡的主要應(yīng)用之一便是用來(lái)建立水箱系統(tǒng)的水位模型。如圖61所示，水箱的輸入為進(jìn)水管調(diào)節(jié)閥開(kāi)度u1，輸出為水箱水位L。v 建模時(shí)

9、假定：v (1)進(jìn)水管上游壓力為定值，流量W1只和閥門開(kāi)度u1有關(guān)，且為線性關(guān)系，即W1=K1*u1；v (2)忽略流體密度變化，假定水箱等截面，面積為F；v (3)水箱與大氣相通，出口流動(dòng)為自然流動(dòng)，流量W2只與水箱液位L有關(guān)。v 根據(jù)質(zhì)量守衡方程可得v 21)(WWVdtdv 在上述仿真模型的推導(dǎo)過(guò)程中，采用的都是歐拉公式，推導(dǎo)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，但使用時(shí)要注意到這些模型對(duì)時(shí)間步距都有較為嚴(yán)格的要求。當(dāng)步距DT選取過(guò)大時(shí)，可能造成數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定，仿真結(jié)果發(fā)散。v 為了提高數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性，降低對(duì)時(shí)間步距的要求，常采用隱式歐拉公式。隱式歐拉公式是一種向后的差分方法，由于計(jì)算 要用到 的值，而 是

10、待求值，因此是一種隱式方法。機(jī)理模型一般都是由多個(gè)微分方程組成，采用完全的隱式歐拉公式存在一定困難。工程上，一般都是對(duì)各微分方程單獨(dú)處理，分別對(duì)各狀態(tài)變量采用隱式歐拉公式。這樣處理雖然己不能保證任意時(shí)間步距下算法收斂，但與顯式歐拉公式相比，數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性得到了顯著提高。對(duì)于非線性微分方程，采用隱式歐拉公式時(shí)，還需要把非線性部分線性化才能得到仿真模型。v 對(duì)于上述單容水箱仿真實(shí)例，采用隱式歐拉公式的仿真模型推導(dǎo)如下： ) 1() 1()() 1(211kLKkuKDTkLkLF1nx1nx1nx v632 流體網(wǎng)絡(luò)壓力節(jié)點(diǎn)模型v 火電機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，各個(gè)設(shè)備的參數(shù)是相互聯(lián)系的，整個(gè)

11、機(jī)組的熱力系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)較為復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)。v 所謂壓力節(jié)點(diǎn)是指網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)具有流入或流出分支的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。所建模型主要用于求解各節(jié)點(diǎn)壓力之間的關(guān)系，故稱為壓力節(jié)點(diǎn)模型，如圖65所示。圖中給出了流體網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系而形成的。v 當(dāng)某一路流量較小時(shí)，往往只計(jì)算該路的流量，而不計(jì)算相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)壓力。如圖66中的流量W4所示，一般這種流量相對(duì)較小的支路稱為微小流量支路。在建模時(shí)無(wú)法采用前面利用壓差計(jì)算流量的公式，而是直接引用該路流量。也就是說(shuō)無(wú)法采用隱式歐拉公式的方法處理該支路，只能采用顯式歐拉公式處理方法。 v633 絕熱蒸汽管道模型v 前面水箱水位、流體網(wǎng)

12、絡(luò)壓力節(jié)點(diǎn)模型中講述了質(zhì)量守衡定律在機(jī)理法建模中的具體應(yīng)用。本節(jié)及后面一節(jié)繼續(xù)以實(shí)例的形式講述能量守衡定律在機(jī)理法建模中的具體應(yīng)用。v 在火電機(jī)組設(shè)備中，有大量的蒸汽管道存在，例如主蒸汽、再熱蒸汽。這些管道都有較好的保溫層，一般保溫層表面與環(huán)境的溫差在30以內(nèi)，其散熱為自然對(duì)流換熱，數(shù)值較小，建模時(shí)可以忽略，絕熱蒸汽管道如圖67所示。v634 單項(xiàng)介質(zhì)換熱器模型v 在鍋爐受熱面中，過(guò)熱器、再熱器、省煤器內(nèi)的工質(zhì)在換熱過(guò)程中一般不發(fā)生相變，其換熱過(guò)程及特點(diǎn)是相似的，建模時(shí)可以統(tǒng)一考慮，建立一個(gè)通用的單相介質(zhì)換熱器模型。國(guó)內(nèi)許多文獻(xiàn)都對(duì)該模型的建立方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。v 如前所述，建模時(shí)仍

13、采用集總參數(shù)法。對(duì)于蒸汽側(cè)，集總參數(shù)可以采用溫度，也可以采用焓值。為了提高模型精度，采用工程計(jì)算常用的焓值作為集總參數(shù)建立單項(xiàng)介質(zhì)換熱器的動(dòng)態(tài)模型。v635 混合聯(lián)箱模型v 前面幾節(jié)分別采用質(zhì)量守衡、能量守衡定律建立了火電機(jī)組幾個(gè)典型過(guò)程的仿真模型。建模時(shí)一般把流動(dòng)過(guò)程和傳熱過(guò)程分開(kāi)考慮，分別建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型。當(dāng)兩個(gè)過(guò)程不易分開(kāi)時(shí)，則可以同時(shí)采用質(zhì)量守衡、能量守衡定律建立過(guò)程模型。本節(jié)將以帶電加熱器的混合聯(lián)箱為對(duì)象，建立相應(yīng)的水位及換熱模型。v636 爐內(nèi)換熱數(shù)學(xué)模型v 前面分別根據(jù)實(shí)例介紹了根據(jù)質(zhì)量守衡、能量守衡建立系統(tǒng)模型的方法，所建模型都是動(dòng)態(tài)過(guò)程模型，主要用于研究動(dòng)態(tài)過(guò)程特性。如前所

14、述，動(dòng)態(tài)模型包含了靜態(tài)模型，即當(dāng)動(dòng)態(tài)模型中的動(dòng)態(tài)項(xiàng)為零時(shí)，動(dòng)態(tài)模型就轉(zhuǎn)變成了靜態(tài)模型。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，不管過(guò)程進(jìn)行的快慢，都是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。但當(dāng)某一過(guò)程進(jìn)行得較快時(shí)，為了簡(jiǎn)化模型，建模時(shí)往往忽略動(dòng)態(tài)項(xiàng)，只考慮穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即認(rèn)為動(dòng)態(tài)過(guò)程瞬間完成。v 爐膛傳熱模型是鍋爐模型的重要組成部分，本節(jié)將根據(jù)輻射傳熱理論建立爐內(nèi)輻射換熱模型。建模時(shí)，把燃料的燃燒過(guò)程、水冷壁內(nèi)的換熱過(guò)程與爐內(nèi)輻射換熱過(guò)程分開(kāi)考慮。這樣，爐內(nèi)輻射換熱的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以認(rèn)為是瞬間完成的，即動(dòng)態(tài)過(guò)程在爐內(nèi)燃燒模型、水冷壁內(nèi)的換熱模型中考慮，建立輻射換熱模型時(shí)忽略動(dòng)態(tài)過(guò)程，只建立靜態(tài)模型。v 爐內(nèi)輻射換熱計(jì)算方法較多，本節(jié)只按照理論性較強(qiáng)的

15、兩種方法建立爐內(nèi)換熱模型，不討論工程計(jì)算中用得較多的古爾維奇方法。第一種是日本學(xué)者石谷和山崎提出的燃燒室傳熱計(jì)算方法，其核心思想是提出了火焰充滿度的概念，火焰黑度和壁面黑度的計(jì)算較為簡(jiǎn)單。第二種是根據(jù)傳熱學(xué)的氣體輻射理論建立的，假定火焰輻射是由三原子氣體造成的，根據(jù)三原子氣體的對(duì)外輻射和對(duì)壁面輻射的吸收計(jì)算出輻射換熱量。v1石谷模型v 石谷模型是日本學(xué)者石谷和山崎在1961年提出的一種燃燒室傳熱計(jì)算方法。該方法在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)傳熱學(xué)基本理論得出。因?yàn)槠鋵?shí)驗(yàn)范圍較寬，故有較大的使用范圍。用于中、小型鍋爐時(shí)具有較高的精度，該方法被日本機(jī)械學(xué)會(huì)采納。 v2氣體-黑壁面模型v 根據(jù)氣體輻射理論，假

16、定煙氣是由具有輻射和吸收能力的三原子氣體C02和水蒸氣組成的，壁面為黑體，能完全吸收氣體輻射到上面的熱量，氣體輻射出的能量和氣體吸收的壁面輻射能量之差即為輻射換熱量 v637 火電機(jī)組整體數(shù)學(xué)模型v 火電站是由一系列相互作用、相互聯(lián)系的部件組成的大型系統(tǒng)，其整體數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)需要一個(gè)周密、完善的組織和計(jì)劃。v 首先是針對(duì)給定的實(shí)際火電站系統(tǒng)，根據(jù)模型的用途確定建模的范圍及對(duì)精度的要求，然后是系統(tǒng)的模型化。通常將整個(gè)系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)或子模型。每個(gè)子系統(tǒng)又可進(jìn)一步劃分，直到具體的設(shè)備。劃分的詳細(xì)程度主要是由仿真精度要求和建模方法決定的。一般來(lái)講，仿真精度要求越高，則子系統(tǒng)的劃分就要越詳細(xì)。v 當(dāng)

17、子系統(tǒng)模型范圍確定后，就可著手對(duì)各子系統(tǒng)建模。當(dāng)子系統(tǒng)的模塊化模型被開(kāi)發(fā)完成后，就可將其按順序組合在一起，得到一個(gè)完整的、可交互的、可運(yùn)行的系統(tǒng)模型，稱為整體模型。得到的整體模型經(jīng)過(guò)有效性檢驗(yàn)，并確認(rèn)滿足仿真范圍及精度、逼真度要求后，便可投入正常使用。v 根據(jù)前面的建模實(shí)例，可以總結(jié)出子模型的建模步驟，如圖613所示。這一過(guò)程的最終結(jié)果是形成一個(gè)可以相互連接的子模型，在將這個(gè)子模型與其他子模型連接之前，必須進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，以確保它能代表原來(lái)的真實(shí)子系統(tǒng)。v 1概念模型v 概念模型是為了把實(shí)際系統(tǒng)模型化而做的文字說(shuō)明，是子系統(tǒng)模型化的第一種版本。它是在實(shí)際系統(tǒng)和建模范圍的基礎(chǔ)上，通過(guò)初步設(shè)計(jì)和功

18、能說(shuō)明兩個(gè)階段產(chǎn)生的。在這兩個(gè)階段中確定建模時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際系統(tǒng)的現(xiàn)象和影響因素。初步設(shè)計(jì)需要確定模型應(yīng)滿足的精度準(zhǔn)則，建模所需的資料，可用的計(jì)算機(jī)資源和限制。v 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)采用不同的精度準(zhǔn)則。在某些情形中，著重于變化趨勢(shì)而非絕對(duì)誤差，不論是采用平均誤差、最大誤差、累積誤差還是其他誤差定義，應(yīng)主要取決于模型所反映現(xiàn)象的重要性和與模型相關(guān)的實(shí)際子系統(tǒng)的特性。 v 建模時(shí)所需要的實(shí)際系統(tǒng)的資料也取決于建模范圍。這些資料可能是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)說(shuō)明手冊(cè)、系統(tǒng)操作手冊(cè)、功能圖、幾何圖、邏輯圖、布線圖以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)等。在這一階段還需要知道所用計(jì)算機(jī)的性能和資源情況，以便設(shè)計(jì)的模型適合于這些要求和

19、限制，例如，計(jì)算速度、字長(zhǎng)、內(nèi)存容量、操作系統(tǒng)特性、程序語(yǔ)言等都要給以明確的規(guī)定。v 功能說(shuō)明階段主要是形成一套文件。這些文件對(duì)每個(gè)實(shí)際子系統(tǒng)的設(shè)備、作用、與其他于系統(tǒng)的聯(lián)系以及與外界的聯(lián)系給予說(shuō)明，并且應(yīng)考慮到仿真范圍內(nèi)的所有正常和非正常工況。v 2正式模型v 正式模型是實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述。由于實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性，要想用一組數(shù)學(xué)方程式來(lái)描述它，必須進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)。因此，在正式模型建模中包括兩個(gè)階段：一是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化；二是寫出模型數(shù)學(xué)公式。v 在建模過(guò)程中，簡(jiǎn)化和假設(shè)可分為三類：物理簡(jiǎn)化、概念假設(shè)和數(shù)學(xué)近似。v 物理簡(jiǎn)化通過(guò)減少被仿真系統(tǒng)部件的數(shù)目來(lái)縮小仿真的系統(tǒng)。通常，這種簡(jiǎn)化依據(jù)原

20、始系統(tǒng)圖進(jìn)行，結(jié)果是一張簡(jiǎn)化的系統(tǒng)圖。這類簡(jiǎn)化的實(shí)例是省略一些管道或閥門，并用一臺(tái)設(shè)備代換幾臺(tái)相同的設(shè)備，但簡(jiǎn)化前后的功能保持一致。 v 概念假設(shè)是對(duì)需要仿真的物理現(xiàn)象或過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而降低了方程式的復(fù)雜程度。由于模型的詳細(xì)程度和有效范圍取決于這些假設(shè)，所以它們應(yīng)該與概念模型相一致。例如，理想混合物、絕熱容器或不可壓縮流體等就是這類假設(shè)，最常用的假設(shè)之一是集總參數(shù)。由于集總參數(shù)是假設(shè)某一物理量在一定空間區(qū)段內(nèi)為常數(shù)，因此在采用這一簡(jiǎn)化時(shí)有兩個(gè)問(wèn)題需要確定。第一個(gè)問(wèn)題是將系統(tǒng)分成幾個(gè)區(qū)段，也就是確定集總區(qū)段的大小。第二個(gè)問(wèn)題是確定在每一個(gè)區(qū)段中哪個(gè)位置上的參數(shù)為集總參數(shù)，這一點(diǎn)上的參數(shù)應(yīng)最能反

21、映給定系統(tǒng)的特性。確定這一點(diǎn)也是不容易的工作，因?yàn)樵跁簯B(tài)過(guò)程中這一點(diǎn)確定了模型的特性。v 數(shù)學(xué)近似是將非線性的高階復(fù)雜方程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單低階表達(dá)式。典型的數(shù)學(xué)近似是只取其展開(kāi)級(jí)數(shù)的低階項(xiàng)，或以分段低階多項(xiàng)式代替高階多項(xiàng)式。v 數(shù)學(xué)公式是描述實(shí)際系統(tǒng)的一組方程式。對(duì)于一個(gè)大型系統(tǒng)的建模，最基本的一點(diǎn)是各子模型所用數(shù)學(xué)公式的協(xié)調(diào)一致，明確哪些變量是由本子模型產(chǎn)生，哪些變量是由其他子模型提供的，以及哪些變量是由外部輸入的。即合理確定模型的輸入、輸出和系數(shù)。v 數(shù)學(xué)方程式應(yīng)既能反映系統(tǒng)特性，又能得到解析解或數(shù)值解。常用的數(shù)學(xué)描述包括如下四種方式：v (1)傳遞函數(shù)形式：在數(shù)學(xué)模型中采用傳遞函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速

22、仿真，但這種方法只能用于線性系統(tǒng)。對(duì)于非線性的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要用多個(gè)傳遞函數(shù)描述，同時(shí)需要考慮到多模型間的平滑過(guò)渡。v (2)查表方式：雖然這種方法在含義上并不能認(rèn)為是數(shù)學(xué)方程式，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)或預(yù)先計(jì)算的數(shù)據(jù)的查表也是一種得出仿真結(jié)果的快速手段。需要注意，這種模型的有效范圍受到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制，表中數(shù)據(jù)需要采用其他手段預(yù)先進(jìn)行計(jì)算。v (3)相關(guān)法：采用相關(guān)法在若干種情形中可能是一種有效的辦法。仿真的速度將取決于相關(guān)法的階數(shù)。但是采用這種方法受到一定的限制，為了得出它們需要有足夠的資料信息，因此，其有效性范圍也就只局限于可調(diào)整數(shù)據(jù)的范圍。v (4)物理定律: 基于物理定律的建模具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

23、因?yàn)樗挠行Х秶鷮⑷Q于所采用的物理定律和所做的簡(jiǎn)化與假設(shè)。因此，它比以上提到的任何一種方法都有更寬的有效范圍。但是建模所需要的精力也更大，而由于大部分物理系統(tǒng)和過(guò)程的高度非線性的特點(diǎn)所需要的計(jì)算機(jī)資源也更多。v 3數(shù)字模型v 數(shù)字模型是正式模型的代碼形式。但是，必須指出數(shù)字模型并不是正式模型的嚴(yán)格表示，這主要是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的離散化，以及舍入誤差或截?cái)嗾`差的存在。另外，對(duì)于一個(gè)正式模型來(lái)說(shuō)，數(shù)字模型不是唯一的，因?yàn)樗Q于諸如計(jì)算機(jī)性能、程序語(yǔ)言和所采用的方法等因素。驗(yàn)證模型時(shí)必須考慮所有這些因素。v 數(shù)字模型的開(kāi)發(fā)需要完成編制程序的一系列過(guò)程，包括程序的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。為了得到一個(gè)高質(zhì)量的最

24、終結(jié)果，必須采用現(xiàn)代程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)完成這些工作。v 設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意到各模塊的執(zhí)行順序，以便方程式按模型內(nèi)部連接關(guān)系來(lái)求解。這樣可減少未知信息的數(shù)量，進(jìn)而減少數(shù)值不穩(wěn)定或誤差累積的可能性。采用合適的軟件平臺(tái)，如SIMULINK等，可以大大減少編程工作量。 v 4模塊化建模v 由于火電機(jī)組熱力系統(tǒng)的復(fù)雜性，建立整體模型時(shí)需要對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的分析與綜合。對(duì)于工作原理相同的設(shè)備或系統(tǒng)，可以用同一數(shù)學(xué)模型描述，其不同之處通過(guò)設(shè)置不同的系數(shù)反映出來(lái)。例如，過(guò)熱器、再熱器的工作原理相同，在建模時(shí)可統(tǒng)一考慮，建立一個(gè)通用的單相介質(zhì)換熱器模型，然后再根據(jù)各級(jí)過(guò)熱器、再熱器的實(shí)際參數(shù)確定相應(yīng)的系數(shù)，

25、分別得到各級(jí)換熱器的具體模型。將這些具體的模型按實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有機(jī)地連接組合，便可組成復(fù)雜的火電機(jī)組整體數(shù)學(xué)模型。通常將通用模型稱為算法，具體模型稱為模塊。從結(jié)構(gòu)上講，每個(gè)算法或模塊一般應(yīng)包括三個(gè)部分：模型輸入、輸出變量及模型參數(shù)。模型輸入、輸出用于確定各設(shè)備或系統(tǒng)之間物理參數(shù)的連接關(guān)系。模型參數(shù)用于設(shè)置與設(shè)備特性及系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的一些常數(shù)，如容積、受熱面積、比容和部度等系統(tǒng)常數(shù)及物性參數(shù)。采用模塊化建模，用少量的通用模型便可描述包含許多設(shè)備和子系統(tǒng)的大系統(tǒng)。為了能清楚地表明各模塊之間變量的連接關(guān)系，可以把各模塊的變量連接關(guān)系畫成模塊連接圖的形式，稱為模塊連接圖。v模塊化建模包括以下內(nèi)容：v (

26、1)對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行合理的模塊分解，這是模塊化建模的關(guān)鍵。劃分的結(jié)果應(yīng)保證系統(tǒng)的模塊化分解及模塊的連接組合過(guò)程容易進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)使算法能完成獨(dú)立的物理功能，具有數(shù)學(xué)獨(dú)立性。v (2)建立模型算法庫(kù)。有一豐富的模型算法庫(kù)是模塊化建模的基礎(chǔ)，其中應(yīng)包含研究對(duì)象可能擁有的全部典型部件及子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。v (3)建立一套模塊自動(dòng)連接組合系統(tǒng)，通常又稱為建模支撐系統(tǒng)，這是模塊化建模得以實(shí)現(xiàn)的保證。常用的建模支撐系統(tǒng)包括專業(yè)的仿真軟件(如各大仿真公司自己開(kāi)發(fā)的支撐系統(tǒng))和通用的仿真軟件，如Matlab/Simulink。v (4)有一個(gè)資源庫(kù)，如工質(zhì)的熱力性質(zhì)函數(shù)庫(kù)，這些函數(shù)應(yīng)具有足夠的精度及應(yīng)用范圍，還應(yīng)能求反函數(shù)及各種偏導(dǎo)數(shù)等。v 5火電機(jī)組整體數(shù)學(xué)模型v 依據(jù)火電機(jī)組實(shí)際設(shè)備及工質(zhì)的流程，建模時(shí)一般將機(jī)組熱力系統(tǒng)及設(shè)備分為鍋爐、汽機(jī)兩大部分。鍋爐系統(tǒng)分為鍋爐本體、風(fēng)煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。鍋爐本體又可細(xì)分為爐膛、蒸發(fā)系統(tǒng)、過(guò)熱器、再熱器、省煤器等更深一層的子系統(tǒng)；風(fēng)煙系統(tǒng)可分為一次風(fēng)系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)；制粉系統(tǒng)可根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同分為中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)和直吹式制粉系統(tǒng)。汽機(jī)分為汽機(jī)本體、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)。汽機(jī)本體可分為高壓缸、中壓缸、低壓缸、凝汽器，循環(huán)水