一种基于流量校正的电站主蒸汽流量在线计算方法

摘要

本发明涉及一种基于流量校正的电站主蒸汽流量在线计算方法，以质量流量平衡方程修正主蒸汽流量在线计算模型，该模型在喷嘴测量的凝结水流量基础上完成流量校核，在不同负荷工况下，使用迭代法校核计算获得主蒸汽流量值，以此校核后的主蒸汽流量测量值修正弗留格尔公式，最终建立得到主蒸汽流量在线计算模型。该方法既能快速反映主蒸汽流量的变化趋势，同时可以保证流量的准确度高。考虑现场调节级压力测点出现传感器漂移失真的情况，依据关联系数，判定调节级压力值是否失真，进而提出调节级压力软测量代替方案，确保主蒸汽流量在线计算模块的稳定性。本发明提出的主蒸汽流量在线计算策略可供电厂参考并进行经济性分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电站主蒸汽流量在线计算方法，兼有综合主元分析和支持向量机的软测量模型属于机器学习建模领域。

背景技术

在过程工业中，存在一些无法直接测量或测量有很大滞后的变量，需要通过软测量技术建立模型对其进行估计。在火电机组在线性能监测与优化管理系统中，热耗率、煤耗率等经济指标的计算中需要用到主蒸汽流量，主蒸汽流量计算的准确性将直接影响到机组性能计算以及运行优化的可靠性。目前计算机组主蒸汽流量的方法主要有直接测量法、间接测量法以及人工智能模型法。

直接测量法是指通过安装孔板等节流装置来直接测量，但该方法会造成很大的节流损失。间接测量法的基本原理是基于调节级后压力来计算主蒸汽流量，该方法受到通流部分结垢的影响，会降低蒸汽流量计算结果的准确性。基于神经网络建立的主蒸汽流量模型将是机器学习方法应用于软测量中，但其具有适应性、鲁棒性较差的缺点。

主蒸汽流量测量模型，需要综合考虑模型的灵敏性和准确性。因此，本发明结合流量平衡方程以及弗留格尔公式得到主蒸汽流量计算模型。由于弗留格尔公式虽然可以准确的反映处于变工况时的主蒸汽流量的变化趋势；基于凝结水流量校核的主蒸汽流量计算方法，其静态情况下得到的主蒸汽流量值较准确。根据这两种主蒸汽流量计算模型的特点，本发明用凝结水流量校核后得到的主蒸汽流量来修正弗留格尔公式，使得在大范围变工况时计算得到的主蒸汽流量准确性和响应及时性都有提高。进一步，从鲁棒性及角度考虑，当调节级压力测点出现故障时，及时判定故障发生并采用软测量替补方案修正，确保模型正常。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于流量校正的电站主蒸汽流量在线计算方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于流量校正的电站主蒸汽流量在线计算方法，所述步骤包括如下：

(1)现场数据经由网络交换机输出至数据接口；

(2)批量采集凝结水流量D_ns，给水流量D_gs，中压门杆漏汽量D_kf，高压门杆漏汽量D_af，再热喷水流量D_zr，过热喷水流量D_gr，机组负荷P_load，级后压力P₁₀，级后温度T₁₀，以及各级高加进出口回热系统参数，过滤器去除其中不稳定数据，建立样本数据库；

(3)将步骤(2)中的样本数据库，按负荷分类后进入流量校核模块，获得流量G₁₀；

(3.1)经由数据输入接口获得各负荷段下的凝结水流量D_ns，给水流量D_gs，中压门杆漏汽量D_kf，高压门杆漏汽量D_af，再热喷水流量D_zr，过热喷水流量D_gr以及各级高加的进出口参数，计算抽气流量；

所述步骤(3.1)具体步骤为：计算抽气流量

$d_1=\frac{D_{\mathrm{fw}}(h_{w1}-h_{w2})}{(h_1-h_{s1})}$

$d_2=\frac{D_{\mathrm{fw}}(h_{w2}-h_{w3})-d_1(h_{s1}-h_{s2})}{(h_2-h_{s2})}$

$\left(\begin{array}{c}{d}_3=\frac{D_{\mathrm{fw}}(h_{w3}-h_{w4})-(d_1+d_2)(h_{s2}-h_{s3})}{h_3-h_{s3}}\\ -\frac{D_{\mathrm{af}}(h_{\mathrm{gin}}-h_{s3})+D_{\mathrm{kf}}(h_{\mathrm{zin}}-h_{s3})}{h_3-h_{s3}}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{d}_4=\frac{(D_{\mathrm{fw}}+D_{\mathrm{zrps}}+D_{\mathrm{grps}})(h_{w4}-h_{w5})}{h_4-h_{w5}}\\ -\frac{(d_1+d_2+d_3)(h_{s3}-h_{w5})}{h_4-h_{w5}}\end{array}\right)$

D_kf＝k₁*D_fw+k₂

D_af＝k₃*D_fw+k₄

h_wi,h_wi+1,h_i，h_si分别表示该段抽汽的出口水焓，进口水焓，抽汽焓，疏水焓，焓值由压力和温度通过水蒸汽计算公式求出；

D_kf为中压门杆漏气量；D_af为高压门杆漏气量；系数k₁、k₂、k₃、k₄由热力试验所得；D_zrps为再热喷水流量；D_grps为过热喷水流量，若过热喷水从1号高加出口抽出，则D_grps取0。

(3.2)依据质量守恒公式D_{fw_js}＝D_ns+d₁+d₂+d₃+d₄+D_kf+D_af-D_zr-D_gr，与抽气流量d₁,...,d₄计算公式联立，计算给水流量初始值设为D_gs；

(3.3)|D_{fw_js}-D_gs|＞流量差限值时，D_gs＝D_{fw_js}，并进入步骤(3.2)，迭代计算，直至|D_{fw_js}-D_gs|＜流量差限值，输出此时给水流量，进而推算主蒸汽流量G₁₀，t/h。

(4)在各负荷段下，调节级后压力和温度表示的主蒸汽流量表达式： 式中，P₁₀为与G₁₀对应的调节级后压力值，单位为Mpa；T₁₀为额定工况下的调节级后温度值，单位为K，建立机组负荷P_load与系数k_M，的函数关系，k_M＝f(P_load)；

(5)按实时数据机组负荷P_load、调节级压力P₀和级后温度T₀，依据公式 获得计算主蒸汽流量G；

(6)判断计算主蒸汽流量和负荷之间的相关性：式中，X、Y分别表示主蒸汽流量和负荷两个数据样本，ρ_XY为X、Y之间的相关系数；DX、DY分别为变量X与Y的方差；E(X)、E(Y)、E(XY)分别是X、Y、XY的均值，

若相关系数ρ_XY>0.8时，判定为计算主蒸汽流量可信，可作为性能计算中的主蒸汽流量来源；否则，判定为调节级压力传感器故障，进入步骤(7)调节级压力软测量校正模块；

(7)获取调节级压力传感器正常情况下的调节级压力P₀以及各级抽汽压力P_1,...,P₈，此类样本主元分析后，作为支持向量机的输入，建立模型后的输出值即为调节级压力软测量值，用此结果替换调节级压力传感器值，进而进入步骤(5)；

(7.1)经由数据输入接口获得影响汽机调节级压力P₀的各参数：回热系统各级抽汽压力P_j(j＝1,2,...8)，将其作为主元分析的输入参数，记为X_old(n×m)，n代表测量采样次数，m表示测量属性个数；

(7.2)依据下式，标准化输入数据，得到X(n,m)

$x(i,j)=\frac{x_{\mathrm{old}}(i,j)-\mathrm{average}\left(x_{\mathrm{old}}(:,j)\right)}{\mathrm{std}\left(x_{\mathrm{old}}(:,j)\right)}$

式中：i＝1,2,...,n,j＝1,2...,m，average(x_old(:,j))代表第j个变量下采样点的均值，std(x_old(:,j))代表第j个变量下采样点的标准差；

(7.3)计算X(n,m)的协方差矩阵COV(X)，及其特征值λ_i和特征向量p_i

$\mathrm{COC}\left(X\right)=\frac{X^{T}X}{m-1}$

COV(X)p_i＝λ_ip_i

对COV(X)进行SVD分解，并对X进行主元分析，选取k个主元，k为常数，确 定得分矩阵T至此主元分析的过程结束；

(7.4)将得到的k个主元和调节级压力采样值P₀分别作为支持向量机的输入和输出，其中n/2组数据作为训练数据，另外n/2组作为测试数据，首先将输入输出数据标准化；

在高维特征空间中构造最优线性决策函数y(x)＝sgn[w  ψ(x)+b]，采取下式目标函数：

$\min \underset{w,b,\xi }{J}(w,\xi )=\frac{1}{2}{w}^{T}w+C\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_i$

式中，约束条件w为权重因子，C为罚参数，b为偏差值，C∈R⁺是惩罚参数，ξ_i＝[ξ₁,…,ξ_n]^T，是一个非线性映射能把x_i从输入空间映射到高维(甚至无限维)的特征空间从而实现在输入空间中的非线性回归转化为高维特征空间中的线性回归，通过构造Lagrange函数可以把约束优化转化为无约束优化，根据KKT条件将求解的优化问题最终可转化为求解线性方程：

$\left(\begin{array}{cc}0& I_v^T\\ I_v& \Omega +c^{-1}I\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}b\\ a\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ y\end{array}\right)$

其中，输出数据y＝[y₁,…,y_n]^T；单位数组I_v＝[1,…,1]^T；Lagrange乘子a＝[a₁,…,a_n]^T；Ω＝{Ω_ij|i,j＝1…n}；K(·)为核函数，此处可选用径向基核函数K(x_i,x_j)＝exp[-||x_i-x_j||²/(2σ²)]；

(7.5)支持向量机测试部分的计算值即为软测量所得值，进入步骤(5)，用此结果替换调节级压力传感器值。

至此，主蒸汽流量计算的主体部分已经完成。考虑机组的通流特性在运行时间较长或者中途经过大小修时发生变化，步骤1-4可根据现场实际情况，定期或者不定期重复核算，使得主蒸汽计算模块和机组实际通流性能相符。

有益效果：本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：

(1)质量流量平衡方程修正弗留格尔公式的主蒸汽流量在线计算模型，用凝结水流量来迭代校核给水流量，从而计算得到精确度更高的主蒸汽流量来修正弗留格尔公式。最终修正得到的弗留格尔公式不仅准确性高，而且动态反应及时，可较为真实地再现主蒸汽流量值。

(2)结合PCA和支持向量机对汽轮机调节级压力建模，可以较好地校正压力传感器出错时出现的偏差。

(3)随着机组通流特性的改变，及时更新计算模型中的参数，保证模型计算值和实际主蒸汽流量相符。

(4)为电厂监测信息系统高级功能模块(状态监测与故障诊断等)提供可参考模型。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本实施例中机组功率曲线图。

图3是本实施例中两种主蒸汽流量计算值的变化曲线。

图4是本实施例中不同主蒸汽流量计算值与负荷之间的相关系数关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以某电站600MW超临界中间再热凝汽式机组为例，采集SIS系统中2014年4月01日10点至2014年4月10日10点的数据，采集间隔1分钟。本发明框架主要有输入数据预处理、流量校核模块、主蒸汽流量计算模块、调节级压力软测量等核心模块，详细流程如图1所示：

1)现场数据经由网络交换机输出至数据接口；

2)以时间间隔1分钟采集凝结水流量(D_ns)，给水流量(D_gs)，中压门杆漏汽量(D_kf)，高压门杆漏汽量(D_af)，再热喷水流量(D_zr)，过热喷水流量(D_gr)，机组负荷(P_load)，级后压力(P₁₀)，级后温度(T₁₀)，以及各级高加的进出口参数，过滤器去除其中不稳定数据后，剩余9372组样本。

3)将步骤2所得到的样本数据，按负荷段分类后进入流量校核模块，获得流量G₁₀。

4)建立负荷(P_load)与系数k_M的函数关系，k_M＝f(P_load)，为实时计算主蒸汽流量作准备。

5)接入实时数据机组负荷(P_load)、调节级压力(P₀)和级后温度(P₀)，依据公式获得计算主蒸汽流量G。

6)判断计算主蒸汽流量和负荷之间的相关性：若相关系数ρ_XY>0.8时，判定为计算主蒸汽流量可信，可作为性能计算中的主蒸汽流量来源；否则，判定为调节级压力传感器故障，进入步骤调节级压力软测量校正模块。

7)获取调节级压力传感器正常情况下的调节级压力(P₀)以及各级抽汽压力(P_1,...,P₈)，此类样本主元分析后，作为支持向量机的输入，建立模型后的输出值即为调节级压力软测量值。用此结果替换调节级压力传感器值，进而进入步骤5。

8)主蒸汽流量计算的主体部分已经完成。考虑机组的通流特性在运行时间较长或者中途经过大小修时发生变化，步骤1-4可根据现场实际情况，定期或者不定期重复核算流量，使得主蒸汽计算模块和机组实际通流性能相符。

计算实例：假设给水流量值偏离设计工况下的标准值50t/h，用设计工况下的凝结水流量迭代计算得到校核后的给水流量值，并将其与准确值相比较，其计算结果如下表 1所示。

表1 给水流量校核模型的误差分析

由表1可以看出，由凝结水流量校核计算得到的给水流量与准确值之间的相对误差不超过1％，表明，当现场中给水流量测点误差较大时，可以根据测量误差较小的凝结水流量迭代计算得到相对更准确的给水流量值。

通过凝结水流量校核计算得到的主蒸汽流量、机组采集得到的调节级后压力值和高压缸排汽温度值，得到系数k_M值为2.45196，从而可得该机组主蒸汽流量实时监测模型。

采集机组在某变负荷阶段的运行参数值来验证模型的动态特性，机组在该变负荷状态下功率的变化曲线如图2所示，采用本发明提出的主蒸汽流量计算方法，计算得到在该变负荷阶段的主蒸汽流量值，其变化曲线如下图3中D1所示(D1为图中上方的曲线)。在该变负荷状态下，用机组给水流量与过热减温喷水相加得到的主蒸汽流量波动曲线如图3中D2(D2为图中下方的曲线)所示。

采用矩阵时间窗的算法，分别计算两种计算主蒸汽流量与负荷之间的相关系数值。取时间窗跨度为50，即从第一个样本数据开始的每50个数据作为一个矩阵，得到431个样本矩阵。由本次发明提出的计算方法得到的主蒸汽流量与负荷的样本矩阵之间的相关系数值用变量C1表示，给水流量测点计算得到的主蒸汽流量与负荷的样本矩阵之间的相关系数值用变量C2表示，如图4所示为C1与C2的对比曲线。

由图4可以看出，C1值恒大于C2，在负荷突变时，C2变化幅度较C1而言更明显，这表明在负荷波动过程中，采用给水流量测量值计算主蒸汽流量的计算模型的延迟性更大。这表明采用本发明所用主蒸汽流量计算模型相比于直接用给水流量测点计算主蒸汽流量值动态特性更好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。