一种基于线性回归的余热锅炉蒸发器变工况建模方法与流程

本发明属于燃气-蒸汽联合循环机组领域，具体涉及一种基于线性回归的余热锅炉蒸发器变工况建模方法。

背景技术：

1、余热锅炉是燃气-蒸汽联合循环机组中一个重要的换热设备，它回收燃气轮机的排气余热，并借以加热汽轮机系统的给水，使其产生高温高压的水蒸汽，进而送至汽轮机中做功，产生一部分机械功，不仅能增加联合循环机组的功率，而且能提高燃料的化学能与机械能之间的转换效率。

2、燃气-蒸汽联合循环机组负荷、环境气象条件、燃料组分等因素的变化，将导致燃气轮机常常在偏离设计工况下运行，因此进入余热锅炉的烟气温度、流量以及烟气组分都将经常变化；此外，环境条件的变化，还将影响汽轮机排汽背压的变化，进而影响汽轮机、余热锅炉的热力性能。此外对于热电联供的联合循环机组，其供热量的变化，也会直接影响余热锅炉的热力性能。以上因素都导致余热锅炉时常处于变工况运行状态。因此研究余热锅炉在变工况下的热力性能计算方法，对于预测、分析余热锅炉甚至联合循环机组的变工况下的热力性能是至关重要的。

3、余热锅炉由省煤器、蒸发器和过热器组成。因此余热锅炉在变工况下的热力计算也由省煤器、蒸发器和过热器的变工况热力计算联立组成。在传统的余热锅炉蒸发器变工况热力计算中，烟气侧、水侧换热系数需要经过复杂、繁琐的迭代计算，导致传统的蒸发器变工况热力计算方法并不适用于快速的热力性能分析场景，如余热锅炉的在线性能监测等，因此亟需提出一种可用于快速、简便以及准确的建立余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型的方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对传统的余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型中，烟气侧和水侧换热系数需要经过复杂的迭代计算，导致余热锅炉蒸发器变工况热力计算过程较为繁琐的问题，提供了一种基于线性回归的余热锅炉蒸发器变工况建模方法。

2、本发明采用如下技术方案来实现的：

3、一种基于线性回归的余热锅炉蒸发器变工况建模方法，包括以下步骤：

4、步骤1，利用传统的余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型梳理影响余热锅炉蒸发器变工况热力性能的边界参数；

5、步骤2，采用传统的余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型，并在步骤1确定的边界参数的变化范围内，进行余热锅炉蒸发器变工况热力计算，得到一系列计算结果；

6、步骤3，取余热锅炉蒸发器设计工况下的热力计算结果作为基准工况，将步骤2余热锅炉蒸发器变工况热力计算时所取边界参数相对于基准工况边界参数的变化量并进行对数变换后作为多元线性回归算法的特征，步骤2余热锅炉蒸发器变工况热力计算结果中的总体传热系数相对于基准工况传热系数的变化量并进行对数变换后作为多元线性回归的预测结果；

7、步骤4，将步骤3中确定的多元线性回归算法的特征与预测结果作为多元线性回归算法的数据集，并将数据集分作训练集与测试集，开展多元线性回归算法的训练，并基于训练结果构建余热锅炉蒸发器变工况热力计算的简化计算模型。

8、本发明进一步的改进在于，步骤1和2中，传统的余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型为：

9、根据余热锅炉蒸发器变工况下的水侧参数以及蒸发器管束直径、管束数量几何参数求解得蒸发器水侧传热系数：

10、

11、式中：hw为变工况蒸发器中水侧传热系数，w/m2.℃；cpw为蒸发器水侧比热，j/kg.℃；μw为蒸发器水侧黏度，kg/m.s；kw为蒸发器水侧热导率，w/m.℃；di为蒸发器管束内径，mm。

12、本发明进一步的改进在于，步骤1和2中，余热锅炉蒸发器变工况下的烟气侧传热系数计算公式为：

13、

14、式中：hg为变工况蒸发器中烟气侧传热系数，w/m2.℃；c1、c3、c5为系数；do为蒸发器管束外径，mm；h为翅片高度，mm；tg为进出口烟气温度平均值，℃；tf为翅片处温度，℃；wg为烟气流量，kg/s；cpg为烟气侧比热，j/kg.℃；μg为蒸发器水侧黏度，kg/m.s；kg为蒸发器水侧热导率，w/m.℃。

15、本发明进一步的改进在于，步骤1和2中，余热锅炉蒸发器变工况下的总体传热系数计算公式为：

16、

17、式中：uevp为变工况蒸发器中总体传热系数，w/m2.℃；at为单位翅片长度下翅片的外表面面积，m2/m；ai为单位翅片长度下翅片的内表面面积，m2/m；ffi为翅片管内的污垢系数，m2℃/w；aw为单位翅片长度下翅片的内、外表面积平均值，m2/m；km为翅片壁面导热系数，w/m2.℃；ffo为翅片管外的污垢系数，m2k/w；η为翅片的效率。

18、本发明进一步的改进在于，步骤1和2中，基于余热锅炉蒸发器变工况下的总体换热系数计算得蒸发器的对数平均温差为：

19、

20、式中：lmtd为蒸发器的对数平均温差；ew2为蒸发器进口水焓，kj/kg；ew1为蒸发器出口水焓，kj/kg；aevp为蒸发器换热面积，m2。

21、本发明进一步的改进在于，步骤2中，蒸发器的对数平均温差还可通过余热锅炉蒸发器的进、出口烟气侧、水侧参数进行热力计算得到：

22、

23、式中：tg1为蒸发器进口烟气温度，℃；tg2为蒸发器出口烟气温度，℃；tw1为蒸发器进口水温度，℃。

24、本发明进一步的改进在于，步骤3中，计算公式如下：

25、将余热锅炉设计工况下的计算结果作为基准工况，即：

26、ub＝f(wg，b，cpg，b，vg，b，kmg，b，ww，b，cpw，b，vw，b，kmw，b)

27、式中：ub为基准工况下蒸发器总体传热系数，w/k；wg，b为基准工况下烟气侧流量，kg/s；cpg，b为基准工况下烟气侧比热，j/kg/k；vg，b为基准工况下烟气侧粘度，pa.s；kmg，b为基准工况下烟气侧导热系数，w/m/k；ww，b为基准工况下水侧流量，kg/s；cpw，b为基准工况下水侧比热，j/kg/k；vw，b为基准工况下水侧粘度，pa.s；kmw，b为基准工况下水侧导热系数，w/m/k；

28、在余热锅炉蒸发器变工况下烟气温度、流量、组分以及水侧温度、压力的典型变化范围内进行余热锅炉蒸发器变工况热力计算，并计算余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型的各边界参数相对于基准工况边界参数的变化量、余热锅炉蒸发器变工况热力计算结果中的总体传热系数相对于基准工况传热系数的变化量，即：

29、

30、

31、

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、式中：uo为变工况下蒸发器总体传热系数，w/k；wg，o为变工况下烟气侧流量，kg/s；cpg，o为变工况下烟气侧比热，j/kg/k；vg，o为变工况下烟气侧粘度，pa.s；kmg，o为变工况下烟气侧导热系数，w/m/k；ww，o为变工况下水侧流量，kg/s；cpw，o为变工况下水侧比热，j/kg/k；vw，o为变工况下水侧粘度，pa.s；kmw，o变工况下水侧导热系数，w/m/k；rwg为变工况下烟气侧流量相对于基准工况烟气侧流量的变化量；rcpg为变工况下烟气侧比热相对于基准工况烟气侧比热的变化量；rcpg为变工况下烟气侧比热相对于基准工况烟气侧比热的变化量；rvg为变工况下烟气侧粘度相对于基准工况烟气侧粘度的变化量；rkmg为变工况下烟气侧导热系数相对于基准工况烟气侧导热系数的变化量；rww为变工况下水侧流量相对于基准工况水侧流量的变化量；rcpw为变工况下水侧比热相对于基准工况水侧比热的变化量；rvw为变工况下水侧粘度相对于基准工况水侧粘度的变化量；rkmw为变工况下水侧导热系数相对于基准工况水侧导热系数的变化量；ru为变工况下蒸发器总体传热系数相对于基准工况蒸发器总体传热系数的变化量；

39、对余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型的各边界参数相对于基准工况边界参数的变化量、余热锅炉蒸发器变工况热力计算结果中的总体传热系数相对于基准工况传热系数的变化量作对数变换，并分别作为多元线性回归算法的特征与预测结果，即

40、x＝(log rwg，log rcpg，log rvg，log rkmg，log rww，log rcpw，log rvw，log rkmw)

41、y＝(log ru)

42、式中：x为多元线性回归算法的特征；y为多元线性回归算法的预测结果。

43、本发明进一步的改进在于，步骤4中，计算公式如下：

44、基于余热锅炉蒸发器变工况热力计算模型的计算结果建立的特征、预测结果构建多元线性回归算法，即：

45、log ru＝a0 log rwg+a1 log rcpg+a2 log rvg+a3 log rkmg+a4 log rww+a5 log rcpw+a6 log rvw+a7 log rkmw

46、式中：a0～a7均为多元线性回归算法的训练结果；

47、基于训练集对多元线性回归算法进行训练，并基于训练结果构建余热锅炉蒸发器变工况热力计算简化模型，即：

48、

49、本发明至少具有如下有益的技术效果：

50、本发明提供的一种基于线性回归的余热锅炉蒸发器变工况建模方法，采用传统的余热锅炉蒸发器变工况模型进行变工况计算，并基于变工况计算结果对机器学习中的多元线性回归算法进行训练，并依托多元线性回归算法的训练结果建立余热锅炉蒸发器变工况计算简化模型的方法。该方法建立的简化模型可避免传统方法中余热锅炉蒸发器变工况计算的复杂迭代计算，并保持较高的计算结果准确性，可用于余热锅炉的变工况热力性能分析、在线性能监测等。