（动力机械及工程专业论文）汽轮机组经济性分析与状态评价.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 对设备进行性能分析与状态评价是实施状态维修的基础。本文围绕凝汽式汽轮 机的经济性分析与状态评价及如何利用经济性指标进行故障早期预报与诊断做了 一定的探讨和研究。首先，建立了汽轮机的经济性状态评价指标体系，构建了基于 累积l o g i s t i c 回归分析对汽轮机的经济性状念评价模型。在利用经济性指标进行故 障早期预报与诊断时，为去除变工况的影响，给出了汽轮机通流部分和热力系统经 济性指标的基准值计算方法。最后，建立了状态概率模型进行指标异常阈值与故障 阈值的划分，该模型建立在设备的历史运行数据之上，是一个动态调整的过程，能 较好的反映设备的运行状态。 关键词：汽轮机，经济性分析，状态评价，累积l o g i s t i e 回归分析，故障早期预 报 a b s t r a c t a c c u r a t ee q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dc o n d i t i o ne v a l u a t i o ni st h eb a s i sf o r t h ei m p l e m e n t a t i o no fc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e s o m er e s e a r c hi sd o n ea r o u n dt h e e c o n o m i ca n a l y s i sa n dc o n d i t i o ne v a l u a t i o no fc o n d e n s i n gs t e a mt u r b i n ei nt h i s p a p e r f u r t h e r m o r e ，h o wt ou s ee c o n o m i ci n d i c a t o r sf o re a r l yf a u l tp r e d i c t i o na n dd i a g n o s i si s a l s od i s c u s s e d f i r s t l y , t h ee c o n o m i ci n d e xs y s t e mo fs t e a mt u r b i n ei se s t a b l i s h e d a e c o n o m i ce v a l u a t i o nm o d e lb a s e do nc u m u l a t i v el o g i s t i cr e g r e s s i o na n a l y s i si sp r o p o s e d w h e nu s i n ge c o n o m i ci n d i c a t o r sf o re a r l yf a u l tp r e d i c t i o na n dd i a g n o s i s ，i no r d e rt o r e m o v et h ee f f e c t so fv a r i a b l ec o n d i t i o n s ，t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gr e f e r e n c ev a l u eo f e c o n o m i ci n d i c a t o r so ff l o wp a s s a g ea n dt h e r m a ls y s t e mi s g i v e n f i n a l l y ，as t a t e p r o b a b i l i s t i cm o d e li se s t a b l i s h e dt od e t e r m i n et h ea n o m a l yt h r e s h o l da n df a u l tt h r e s h o l d t h em o d e lu s i n gt h eh i s t o r i c a lo p e r a t i n gd a t a ，i sad y n a m i ca d j u s t m e n tp r o c e s s ，c a n r e f l e c tt h er u n n i n gs t a t eo fe q u i p m e n t o u y a n gx i a o h u a n ( d e p a r t m e n to fe n e r g y p o w e re n g i n e e r i t a g 、 d i r e c t e db yp r o f g uy u j i o n g k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，e c o n o m ya n a l y s i s ，c o n d i t i o ne v a l u a t i o n ，c u m u l a t i v e l o g i s t i cr e g r e s s i o na n a l y s i s ，e a r l yf a u l tp r e d i c t i o n 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状及存在的问题2 1 3 本文的研究思路和主要研究内容4 第二章汽轮机经济性分析与状态评价的基本理论6 2 1 汽轮机经济性评价指标6 2 1 1 汽轮机整机评价指标6 2 1 2 汽轮机通流部分评价指标8 2 1 3 热力系统及主要辅机评价指标1 0 2 2 汽轮机经济性分析的基本数学模型1 1 2 2 1 汽轮机各级抽汽量计算模型1 1 2 2 2 汽轮机排汽焓的计算模型1 l 2 3 耗差分析方法1 5 2 3 1 汽轮机耗差分析的内容15 2 3 2 基准值的确定1 5 2 3 3 热力系统参数的耗差分析方法16 2 4 状态评价的基本理论1 7 2 4 1 状态的划分1 7 2 4 2 状态评价方法1 8 2 5 本章小结? 2 0 第三章基于l o gis tic 回归分析的汽轮机经济性状态评价模型2 1 3 1l o g is t i c 回归分析基本理论2 2 3 2 汽轮机经济性状态评价模型的建立2 ：j 3 2 1 汽轮机经济性评价指标体系的确立2 ：j 3 2 2 模型的构建2 5 3 3 案例分析2 5 3 3 1 模型应用2 5 3 3 2 模型检验2 6 3 3 3 结果分析2 9 4 1 2 汽轮机各级组效率基准值的在线计算3 3 4 2 汽轮机热力系统经济性指标基准值的确定4 0 4 2 1 加热器的变工况分析4 0 4 2 3 凝汽器变工况分析4 l 4 3 本章小结4 2 第五章基于状态概率模型的阈值划分方法4 3 5 1 状态概率模型的建立方法4 3 5 1 1 偏离度4 l 5 1 2 概率神经网络的基础理论4 4 5 1 3 平滑因子的估计4 5 5 1 4 状态概率模型的基本结构4 5 5 1 5 阈值的划分原则4 6 5 2 模型的应用与分析4 7 5 3 本章小结4 9 第六章总结与展望5 0 6 1 总结5 0 6 2 展望5 0 参考文献5 1 附录1 5 4 附录2 5 6 致谢5 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 0 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 随着我国国民经济的持续快速增长，能源消费量越来越大，我国已成为世界第 二大能源消费国，并成为世界上依赖程度最高的国家之一。能源短缺已成为严重制 约经济发展的因素之一。此外，我国还面临国际上巨大的碳排放压力。作为全球第 三大经济体，中国将承担起“共同但有区别的责任”。在2 0 0 9 年1 1 月2 5 同召开 的国务院常务会议上，中国政府宣布了到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧化碳排放 比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 的减排目标，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展 中长期规划。在这场中国必须参与的“全球碳战争”中，中国的主要能源供应部门 “电力”将扮演重要角色。虽然各电力集团都在主动调整电源结构，增加水电、核 电、风电、光伏发电等低碳电力的比例。但在中国一次能源供应中，煤炭所占比例 超过7 0 ( 全球平均水平低于3 0 ) ，中国能源“煤炭当家”的格局，短期之内尚 难以改变。 目前，中国8 0 的二氧化碳排放来自燃煤，而超过5 0 的煤炭消费用于火力发 电，在中国的节能减排大计中，传统火电企业责任重大。除了优化火电产业结构， 继续关停能耗大的小火电机组，提高高参数超临界和超超临界机组比重，对现役机 组提高经济性运行与节能管理水平，减少运行与维修成本，也是节能减排的一条重 要途径。 在火电机组中，将机组的能量损失按照其是否可以通过人为调整而得到控制可 以分为可控损失和不可控损失两类【l 】。 能损 可控损失 运行可控损欠 维修可控损失 负荷变化引起的损欠 不可控损欠卜_ 十叫环境温度引起的损欠 煤质变化引起的损失 图1 - 1 能量损失的分类 华北电力人学硕卜学位论文 可控损失又可分为运行可控损失和维修可控损失，运行可控损失是由于运行参 数偏离最佳值所引起的，可以通过运行调整得到控制；维修可控损失是由于设备缺 陷所引起的，只能通过维修爿能得到控制。不可控损失是由于外界负荷变化、煤质 下降、环境温度变化等客观因素所引起的，是人力所无法控制的。对机组进行节能 潜力分析，应关注可控损失，即运行可控损失和维修可控损失。 随着电力工业的发展和技术的进步，机组向高参数，大容量的方向发展，电站 自动化和信息化的水平也逐步提高，集敝控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， d c s ) 、管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 和厂级监控信息系 统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，s i s ) 先后在电站得到逐步推广。目前，7 0 以 上新实施的s i s 都集成了机组运行优化功能。s i s 利用监测的数据进行分析，实现 了经济性指标的在线计算与实时耗差分析，将影响机组经济性的运行参数对热耗或 煤耗的影响按重要度排序反馈给运行人员，使运行人员进行优化调整，能够有效地 减少运行损失瞄j 。 与先进的设备和运行技术相比，对设备的管理、维护、检修等环节还停留在 计划维修体制的阶段。计划维修根据机组运行年限来确定维修项目和维修时问，对 设备的状态缺乏了解，逐渐暴露出了“维修不足”与“维修过剩”的i 、u j 题。基于先 进维修理论的状态维修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ，c b m ) 能够满足现代电站对 维修的需求。状态维修是从计划维修发展而来的更高层次的维修体制，它建立在设 备状态监测和故障诊断的基础之上，根据监测和诊断结果来确定维修项日乘i 维修时 间，真正做到该修彳修，有效地延长了维修问隔，提高了设备的可用率，从而达到 减少维修成本的目的。 状态维修的目的是保障机组的安全、可靠、经济运行。经济性作为一种l l j 实时 监测的状态，对机组进行经济性分析可为状态维修的有效实施提供依据。本文所做 的f 是这些基础性的研究工作。本文以凝汽式汽轮机为研究对象，闸述了，i 轮机整 机及其主要辅助设备的经济性分析理论与方法，并从经济性的角度对汽轮机的状态 进行评价，最后在如何利用经济性指标进行故障早期预报与诊断方嘶做了，定的探 讨。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 c b m 经过不断的发展与完善，已经形成了一些技术标准【3 8 1 ，如i e e es t d1 4 5 l 、 i e e es t d1 2 3 2 和i s 0 1 3 3 7 3 - 1 等。另外，宾夕法尼亚州的m i m o s a ( m a c h i n e r y i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e s ) 等一些组织经过研究，联合提 c b m 开放系统结构( o s a c b m ，o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n d i t i o nb a s e d 2 华北电力人学硕+ 学位论文 m a i n t e n a n c e ) 。该结构将c b m 系统分成七个功能模块【9 l ，从技术上解答了如何构 建一个c b m 系统。这七个模块分别为：数据获取模块、数据处理模块、状态监视 模块、健康评价模块、预测模块、决策支持模块、数据展示模块。 在国外，比较有代表性的状态维修管理系统有美国电力科学研究院( e p r i ) 的 设备运行与维修工作站( o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ew o r k s t a t i o n ，简称o & m ) 以及 e n t e k 公司的设备维修集成系统e n s h a r e 。系统综合获取各种状念监测数据，通过这 些数据评估设备状态，指导维修。系统也包含故障诊断与故障预测功能。 在国内，华北电力大学完善了状态维修理论与技术【i2 1 。建立了以改进的可靠性 ( s r c m ) 理论为中心的状态维修理论框架。并以此为基础开发了电站设备状态维 修决策支持系统。系统主要分为状态监测、故障诊断、维修决策三个部分。状态监 测包含底层的数据采集、处理和分析以及上层的设备性能分析、状态评价与状态预 测；故障诊断则是对已经发生劣化的设备或已有明显故障征兆的设备进行故障分 析，查找故障原因、部位，并分析出故障的严重程度及未来的发展趋势；维修决策 则利用状念监测和故障诊断结果，给出最优的维修方案，确定维修时间，维修项目 及维修规模。 汽轮机是电厂中的重要设备，汽轮机的运行状况不仅关系着电厂的能耗水平， 也关系到电厂的可靠性、安全性运行。汽轮机的经济性分析主要包括经济性指标的 计算、运行参数与热力系统参数的经济性诊断，即耗差分析。目前，在汽轮机的经 济性分析中主要的存在的问题有：排汽焓的确定。由于在湿蒸汽区，湿蒸汽的状 态不再是压力和温度的函数，需要另一个参数干度才能确定。而现在已有的干 度测量装置，无论是精度、实时性还是投资成本都不能满足现场监测的要求。因此， 找到一种简便而又能满足精度的排汽焓计算方法，已成为机组在线监测的需要。 流量测量不准确。由于流量测量技术的限制，使得准确测量大机组的蒸汽流量十分 困难。而蒸汽流量是机组在线经济性指标计算的必要参数，因此，如何通过较精确 的参数计算出蒸汽流量是需要解决的重要问题。汽轮机的热力系统是一个多量、 高度耦合的非线性系统，而现有的热力系统耗差分析方法在定量分析单个变量对系 统的影响时假设其他变量均保持不变，而在分析多个变量对系统的影响时只是将各 个变量的影响进行简单的线性叠加，这种非线性过程的线性处理思路是有理论缺陷 的，并不能准确反映机组2 个工况之间的差别。 状态维修能否有效的实施，对机组或设备进行准确的状态评价是基础。日6 订， 主要的状态评价方法有概率统计方法、基于知识的专家系统方法、基于神经网络的 智能化方法、模糊评价方法、d s 证据理论方法和可拓物元分析方法等。在文献 1 ：j 给出了变权模糊综合评判方法，该模型算法简单，通用性强，易于在线实现。f 【l j 特 征参数常权权重和隶属函数的确定是该模型的致命缺陷，参杂了一定的人为土脱 素，即使评价数据都是来源于现场实际，由于这些主观因素的影响使得最后的计价 3 华北电力人。学硕十学位论文 结果可能并不能真实反映设备的状态；此外，模糊综合评判方法并不适合机组的经 济性评价，原因在于经济性评价性指标之间有较强的耦合性且指标值受：i ：况变化影 响较大，这使得评价参数的权重更加难以确定。 1 3 本文的研究思路和主要研究内容 状态维修作为一种先进的维修模式，其故障诊断与维修决策过程都是建立在对 机组或设备状态的准确分析与评价之上的，因而对机组的经济性分析与状态评价提 出了更高的要求。在给出本文的研究思路之前，将从状态维修的需求出发，分析经 济性分析与状态评价在状态维修过程中所扮演的角色及所承担的任务。分析结果如 图1 2 所示。 监测系统 维 修 效 粜 评 价 图1 - 2 经济性分析与状态评价 图l 一2 中包含了两个闭合回路。一个是经济性状态盯价经济性惶i 今断一 4 华北电力人学硕+ 学位论文 运行优化一一经济性状态评价回路，实现了运行优化效果的评价过程；另一个是经 济性状念评价故障诊断维修决策维修实施一一经济性状态评价回路， 实现了维修效果的评价过程。因而，经济性分析和状态评价除了向运行人员给出机 组直观的经济性运行状态，还包括运行优化效果评价和维修效果评价两大作用。通 过不断的调整和优化，可以达到优化运行优化大纲和维修大纲的目的。此外，经济 性指标也可作为故障诊断的征兆参数，直接应用于整个故障诊断过程。 综合以上，本文的研究内容有： ( 1 ) 在第二章中，以凝汽式汽轮机为研究对象，给出了汽轮机整机及主要设备的 经济性评价指标及其计算方法，针对汽轮机主蒸汽流量难以精确测量的问题，给出 了两种计算方法；针对凝汽式机组的排汽焓无法测量的问题，对4 种现有计算方法 进行了归纳、分析、整理和比较； ( 2 ) 在第三章中，建立了汽轮机的经济性状念评价指标体系，利用累积l o g i s t i c 回归分析方法建立了汽轮机经济性状态评价模型： ( 3 ) 由于经济性指标还受机组变工况的影响，因而将指标用于故障的早期预报与 诊断时，基准值的确定尤为重要。在第四章中，分析了汽轮机通流部分级组效率和 热力系统经济性指标基准值的计算方法； ( 4 ) 确定基准值是为了去除变工况的影响。基准值是机组在理想状况下所能达到 的值，而实际值偏离基准值多少才算发生故障无法得知，因而阂值的划分十分重要。 在第五章中，给出了偏离度的概念，用来表征实际值与基准值的偏离程度。建立了 基于历史数据的状态概率模型，来确定其异常阈值与故障阈值。 华北电力人学硕十学位论文 第二章汽轮机经济性分析与状态评价的基本理论 2 1 汽轮机经济性评价指标 2 1 1 汽轮机整机评价指标 汽轮机的主要经济性评价指标：热耗率、汽耗率、相对内效率等。现有的流量 测量装置并不准确，同时为减少节流损失和降低投资，有些电厂并不在j 三蒸汽管路 上装设流量测量装置，所以在计算各经济性指标之前还应计算主蒸汽流量。 1 ) 主蒸汽流量 主蒸汽流量的计算可以采用下列二种方法： 采用最终给水流量对主蒸汽流量进行计算 d 田= d 芦一d 。一i + d 咖 ( 2 _ 1 ) 式中， d ，。一一主蒸汽流量，t h ； d 。，一一最终给水流量，t h ； d 驴一一过热减温水流量，t h ； d ，。一一锅炉侧的不明泄漏量，t h 。 采用调节级压力与主蒸汽流量的对应关系进行汁馋 因为在实际运行过程中，主给水流量、过热减温水流t l l - j i 和汽也水位波动很大， 由此计算出的主蒸汽流量波动也很大，所以我们町以朋优化试验的数掳：拟合出一条 主蒸汽流量与调节级压力的曲线： d 。= f ( p ) ( 2 - 2 ) 式中，d ，。一一主蒸汽流量，t h ； p 一一调节级压力，m p a 。 2 ) 热耗率 冷再热蒸汽流量：d | ：= d ；q d g d 黼i d 、c d + d ：| 妒+ d 。瞎删一d ! c 式中：d 垃冷再热蒸汽流量，t h ； 哪高压门杆漏汽总量，t h ： d 耐高压缸前轴封漏汽总量，t h ； 一一高压缸后轴封漏汽餐，t h ： 6 d i 。、d 2 。段抽汽、二段抽汽流量，t h ； 再热蒸汽流量d ，= d 拓+ d 咖 式中d ，再热蒸汽流量，t h ； d 班一一再热减温水流量，t t l ； 热耗率 g = 眈一x h g 。一h 芦) + ! - o j x 哆! 二竺堡j 丝! 竺型二竺坐2 竺尘堕兰二竺尘! n e t ( 2 3 ) 式中，h 砷主蒸汽焓，k j k g ； 日芦给水焓，k j k g ； h 。再热蒸汽焓，k j k g ； h 拓冷再热蒸汽焓，k j k g ； 驴一一过热减温水焓，k j k g ； 昝再热减温水焓，k j k g ； 一发电机功率，m w 。 3 ) 汽耗率 汽耗率定义为汽轮机的进汽量与电功率之比值。用s r 表示，单位足k g k w h 。 歙：垒 ( 2 4 ) n e l 汽耗率只是用蒸汽的流量来表示汽轮机性能，忽略了因参数不同而带来的蒸汽 品质的差异，因此，汽耗率并不能直观的反映蒸汽所含有的热能在汽轮机中的有效 利用的程度。 4 ) 汽轮机相对内效率 汽轮机的相对内效率存在两种定义方法。一种是从蒸汽的膨胀过程出发，定义 相对内效率为汽轮机的有效焓降与理想焓降的比值；另一种是从能量平衡的角度出 发，定义相对内效率为汽轮机的内功率与理想功率的比值。在这姑且将第一种定义 称为焓降型相对内效率，第二中定义称为功率型相对内效率。在电厂实际j 逦川1 1 1 ， 焓降型相对内效率使用较为广泛。 焓降型相对内效率 对于没有回热抽汽、没有f j 后轴封漏汽和门杆漏汽的纯凝汽式汽轮机，乓川对 内效率定义为蒸汽在汽轮机内的有效焓降与理想焓降之比。【! l j r ，= 州，胡， ( 2 5 ) 华北电力人学硕+ 。位论文 式中，脯；汽轮机的有效焓降，k j k g ； 脯，汽轮机的理想焓降，k j k g 。 功率型相对内效率 功率型相对内效率仇= 号= 丢裂氅 妻翥端= 仉， c2 6 ， 式中，p 汽轮机的理想功率，表示单位时间内蒸汽理想焓降全部转换成的机械 功，k w ； 鼻一汽轮机的内功率，表示在单位时帕j 内蒸汽实际焓降全部转换成的机械 功，k w ： d 。为主蒸汽流量，t h ； 口，、1 2 。分别为实际、理想过程回热抽汽份额； 口昭、口删一一实际、理想过程轴封及门杆漏汽份额； r 、匕一一实际、理想过程抽汽做功不足系数； k 、k 一一实际、理想过程4 - 1 轴- 尉漏汽做功不足系数： 2 1 2 汽轮机通流部分评价指标 我们通常用三缸缸效率和j 级组效率米评价y i 轮机通流部分的通流情况。 1 ) 高压缸效率 高压缸的调门并不一直处于全丌状态，彳i 刖负衙下总钉一部分汽流处于节流状 态。实际热力曲线过程如图2 1 所示。 = 筹2 糌一萨筹= 糍 7 ， 矿面2 首才h2 面2 嚣i 。7 r h e 、r ，删分别为缸效率和通流效率。缶l 效率的初参数耿i ? 1 渊肖汽阀前( p 。、r o ) ， 而通流效率的初参数耿自调1 丁i - t o n o - ”蝎+ 后( 贰、i ：) 。洲此，通流效二棼指不包括进汽机构 的通流部分内效率。缸效率还i l j + 写成： ，7，p=生垒圭学=，7，7，n ( 2 8 ) 胡，为由于调节汽阀的。1 3 流造成的进 i 损失，7 ，。为。t l i 。- 舭 2 效；钲。因此，在一定的 进汽状态下，缸效率由调：1 芎汽阀进汽节流损失和通流效率决定。 图2 1 高压缸热力过程 2 ) 中压缸效率 在3 0 以上负荷中压调节汽门处于全开状态， 失。中压缸效率为： 驴坐m - t = 耳l v i n - - 瓦h o u t 式中，加中压缸进口蒸汽焓，k j k g ： 。，盯一一中压缸出口蒸汽焓，k j k g ； 日洲，理想出口蒸汽焓，k j k g 。 3 ) 低压缸效率 因此，中压缸不存在进汽节流损 ( 2 9 ) 根据美国a s m ep t c 6 标准规定：蒸汽过热度 l5 c 时，不能通过测蛩温度和 压力值确定蒸汽焓值。凝汽式汽轮机的术几级和低压缸排汽郝处于福蕉汽区域，其 压力和温度不是互相独立的状态参数，要确定蒸汽焓，除了压力和温度，还需要知 道该点的湿度。但是，工业应用中，还没有满意的蒸汽湿度测鼍手段。a s m ep t c 6 中推荐了根据汽轮机的质能平衡计算低压缸排汽焓的方法。它的齄本思路为：先事 先假定1 个排汽焓为初值，利用热平衡方程、物质平衡方程和汽轮机的功率方程这 3 个基本方程，对回热机组的热力系统进行计算，然后得出棚戍i ：! l d 抽汽点焓值进行 迭代计算。具体计算过程将在2 2 节中详细介绍。 4 ) 级组效率 某级组的相对效率表达式为： 以一等急( 2 - 1 0 ) 式中，7 7 ：一一第i 个级组的相对内效率； 三一一为级组进口蒸汽焓，k j k g ： h 0 一一为级组出口蒸汽焓，k j k g ； 华j 匕电力人学硕f ：学位论文 施为理想出口蒸汽焓，k j k g 。 2 1 3 热力系统及主要辅机评价指标 汽轮机各种辅助设备的运行情况会直接影响机组的热经济性与安全性，对汽轮 机热耗影响较大的有高加投运率、回热加热器端差、抽汽管道压损、凝汽器真空度、 凝汽器端差、凝结水过冷度等。 1 高加投运率 高加投运率的定义是在机组运行时间内，高加参与机组运行时j 、j 的百分比。高 力口投运率2(一i戛1主；矗凳差专善；?主宇兰妻笔耄宅淼。 c 2 t ， 2 j 级回热加热器的端差( 上端差) 巴= t 一t 叫 ( 2 12 ) 其中，t 可，t 。，分别为j 级加热器进y i 压力卜的饱和温度和mi _ - i 水温。 3 j 级抽汽压损 卸= p 一p j ( 2 13 ) 其中，p ，p ? 分别为j 级j i l 热器的 f f l 汽压力，进汽胍力。 4 凝汽器真空度 ：fl 堕f l o o ( 2 - 1 4 ) - 1 3d 其中，p 打，p 砌分别为汽轮机7 子j k 和当地大气压。 5 凝汽器端差： 谚一，以 ( 2 15 ) 其中，t ，f 们分别为汽轮机背j 下饱和泓度，凝汽器循环水出口水温。 6 凝结水过冷度 a t = ，一，。 ( 2 16 ) 其中，为；疑汽器热爿：水濉瞍? 文献 1 4 提出的热力系统汽水分仃i 匝g l 矩阵方程全面反映了主系统及各种辅助 系统的影响、构造容易、各项含义明确，不仅可以简化传统的火电厂热力系统计算， 而且为编制通用的热力计算程序提供了依据，方程的形式为： 【a 】【d 】+ 【a ，l i d ，卜 a ，】【d 。】+ 【a q 】_ d 加i t 】 ( 2 1 7 ) 则【d 】的计算式为：【d 】= 【a 】_ 1 d ，w 卜卜【a ，】 d ，卜【a ，】【d 。】一【a q 】) ( 2 18 ) 其中，l a i 反映回热系统结构( 加热器类型和疏水方式) 的结构矩阵； i a ，l 一一反映各级辅助蒸汽系统结构的结构矩阵； l a ，l 一一反映各级辅助水流系统结构的结构矩阵； i d i 各抽汽流量组成的向量； i d ，1 辅助蒸汽流量组成的向量； i d 。卜一辅助水流组成的向量； i a q i 外热量组成的向量： i f i 给水在各加热器焓升组成的向量。 【a 】、【a ，】、【a 。】各矩阵的填写舰则请参考文献【1 5 】这! | i 就不赘述了。 2 2 2 汽轮机排汽焓的计算模型 由于汽轮机排汽点在湿蒸汽区，焓值不能由棚应的压力、温度确定，而在线测 量湿蒸汽湿度目前尚有一定困删6 】。因此，汽轮机排汽焓的在线蚧测一直是实现汽 轮机在线经济性分析的难点问题之一。对于汽轮机排汽焓的汁算，a s m e p t c 6 a 1 9 8 2 中推荐了两种方法来处理，分别为能量平衡法和i l f l 线外推法。能量平衡法计算 复杂，不利于在线计算；而曲线外推法拟合点的数目少，精度较蔗，因此有了综合 能量平衡法、曲线外推法和矩阵理论的i l j i 线外摊迭代法。以i ：捉及的三种排汽焓算 法均假定主汽流量为已知，主汽流鞋数值水源j ：流毓仪& 的史l l f 测t i ，流量仪表 的特殊性，蒸汽流量计测量误差人，冈此订了小j 是j ：n i i 然 ，i 流气删屿 的弗科格尔公 式法。下面就将这四种排汽焓的计算方泄：做简f f 1 介窖“。 1 能量平衡法 能量平衡法是根据汽轮机总的输入、输热砒刷物质的、l i 衔，通过汁算汽轮机 功率确定排汽焓，即利用热平衡力干l i ! ，物j 贞、l t 衔办袱和，漕仑机的功：红力群这三三个培 华北电力人学颂十。学位论文 本方程式进行迭代计算。 热平衡式如( 2 1 7 ) 所示。 z七 物质平衡方程：d ，= d n yd ，一yd 。 ( 2 19 ) o ”j - 一j_一，o ll d ，协= d 。一d 厂d 卵 ( 2 2 0 ) il 式中，纱一一汽轮机排汽量； d n 一主蒸汽流量； d 巾一一再热蒸汽量； d ，一一第i 级抽汽量； d 斫一一轴封漏汽量。 1k g 新蒸汽在汽轮机的实际比内助为： w i = = h 。+ c r ，协q ， c r i h 6 r 。h 。 ( 2 - 2 1 ) 式中，h ”h j 、h c 一一分别是丰汽愉、抽汽焓、排汽焓； 口胪口j 、口。一一分别足f 耳热蕉汽、第j 级抽汽和排汽流量系数； q 岫一t f f 麒i i 吸黑i 量。 助率方程： d o = 3 6 0 0 ： , ，w ，7 。 ( 2 - 2 2 ) 式1 1 1e ，一一发i 乜机助牢； 一汽轮机轴端机械效率： 1 7 。一一发i 【l 机效率。 能量平衡法汁笄排汽焓的过朽! 为： 假定一个排汽焓初值为h “1 ) 对汽轮机泓蕉汽lx i 的缴作变1 ：；兄汁钳，得出相应湿抽汽点焓值； 根抓热j r 衡力槔和质f ；! = f i 衡力+ 氍汁算各级加热器抽汽量、各辅助汽水流量、 再热量、于 i ： ，i 鲢* 流与i 参数及它f i j 的流 l ；：系数： i t l 功率力利( 2 2 2 ) 汁镥内j ，7 j 半，t ：，f j = 通过( 2 21 ) 式i ；t 算出排汽焓h 川； 令h = 1 川，一t 复午过雅，f 剑i h 川一h 圳i s 为止。 能量平衡法的优点是：汁弹精度较高：缺 是：计算量大，所需测点多，受迭 代次数的影响，计算川期无法满足实时性需求。 2 曲线外推法 根据汽轮机稿：过热蒸汽l x 的入【l 蕉汽状态点和抽汽状态点做热力过程线，并平 滑外推剑湿楚，i lx i ，i l j 此得湿蒸汽ix i 的抽r i 焓和排汽焓。曲线外推法简单，易于 初值h c l o ； 根据热平衡方程和质量平衡方程计算各级加热器抽汽最、各辅助汽水流量、 再热汽流量、排汽量等流量参数及它们流量系数； 由功率方程( 2 2 2 ) 式计算内功率w ，再通过( 2 - 21 ) 式计算出排汽焓h 州； 将新计算的排汽焓值h 川作为已知点加入到第步的曲线拟合过程，重复 至过程，直到i h 川一h m i 占为止。 以上三种排汽焓算法均假定主汽流量为已知。流量仪表f i 同于其它仪表，它在 使用之前需要标定，也就是说，当流量测量仪表长期使用时，它可能会受到流体冲 刷而引起变形或结垢，从而使其测量误差增加。一般地，刚标定过的低压水流量计 本身误差为1 ，以系统运行在1 0 0 5 0 i 况计，累汁误差可达4 ，蒸汽流量计 测量误差更大，加上流量测量仪表k 期的运行结垢，钳i 汁误差可达6 l i 引。 4 弗留格尔公式法【i 9 】 将汽轮机及其包括凝汽器在内的西i 热系统看作为一闭 j 热力系( 忽略系统内工 质储存能量变化) ，根据外界加入系统的能量应等于系统向外界输出的能量，可得 该闭口热力系统的能量平衡方程： q c + 只= o o + 9 ，+ q 。一q ， ( 2 _ 2 3 ) 其中，q o = d o h o d g f h 伊一d g h g ： q r = d ，r h 。r 乙d 印h g p d 。h ： q p = d 笋, 2 a h p 巧； 鼻2c f r 。r f ； q 。= d 。协。一办：) ； ( 2 - 2 4 ) 符号说明： q 、q 0 、q ，、q 。、q s ，一一分) j | j 表示汽轮机排汽矗：) ! l j ( 汽器的放热量、工质在锅 炉内的吸热量、再热吸热量、给水尕j i l 入系统f | 勺能蹬和系统敞热损失： d o 、d 掣、d “、d 。、d 即、，) 矿d ，一一分别农乃：一1 熊，i 流f l ：、给水流量、过 华北i u 力人学硕十学位论文 热减温水流量、再热蒸汽流量、高1 i 缸排汽流量、再热减温水流量和汽轮机排汽流 量： h o 、h 庐、h 哥、h ：，、h 印、h 巧、h 。、 ：别表示主蒸汽焓、给水焓、过热减温 水焓、再热蒸汽焓、高压缸排汽焓、再热减温水焓、汽轮机排汽焓和凝结水焓； e 、巴一一汽轮机输出功、发电机输出功率； 、7 7 。一汽轮机轴端机械效率、发电机效率； 五一一给水泵焓升修萨系数： p 盯一一设计工况下给水通过给水泵时的焓升，k j k g ； 由( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 可得排汽焓为： h 。= 【q ，+ g + q ，一q ，一e ) d 。+ h ： ( 2 - 2 5 ) 在计算过程中，丰、冉热蒸汽流量由弗留格尔公式计算： q ，一d o o 去等 2 6 ， 式中，d 一设计i ：况下的主蕉汽流量，k g s ； p 、丁一分z u 为凋1 了级后蕉汽压力( m p a ) 、温度( k ) ； 下标0 、t j 一一分刖表示设计。1 ：况和变：- 况。 。“一d ，。告等 2 7 ， 式中，d ，。一一设计l ：犹卜的阿热蒸汽流量，k g s ； p 、t 一一分别为1 f f 热蒸汽蒸，叭i 力( m p a ) 、温度( k ) ： 下标z r o 、z 厂一一分刖农示设计工况和变工况。 汽轮机排汽蛩g ，改进的弗留格尔公式计算： 卟瓮跃 ( 2 2 8 ) ，弋i 1 ，d 川一一设计：i ：况下的排汽f 叶| - ：i ，k g s ： g - 一, f f 。一一分刖为f j 【纣i 的实际压比和临界压比。 弗 丫f 格尔公式法的优点足：汁铭简单，收敛速度快，适于工程实际应用；缺点 足不适f 通流晰f j 改变的j l ：况， ：f _ 1 艰准流量、压力和温度不易准确确定。 此外还仃州对内效：簪法1 、熵分析法【2 】等。随着人工智能方法的发展及应用， 为排汽炝的在线求解带米了新的思路。在文献 2 2 2 5 【1 u ，利用神经网络方法的高度 非线性映射能力，将发 乜量、主蒸汽流量、主蒸汽焓值和各抽汽点焓值作为网络的 输入量，排汽焓为输出键，构建了汽轮机排汽焓的在线计算模型。在文献 2 6 1 中， 利用支持向黾 j l ( s v r ) 的方法对排汽焓及其影响因素之间的非线性函数关系进行 1 4 逼近，其计算精度高 2 3 耗差分析方法 耗差分析的主要 分析方法做简单介绍 耗差分析又称能 分析，并将这些参数 算出这些参数偏离基 部位及机组节能潜力 的基准值是指机组在不同负荷下运行在最佳状况时各主要运行参数及热经济性指 标的数值。 2 3 1 汽轮机耗差分析的内容 ( 1 ) 主要运行参数的耗差分析 机组运行的初参数、终参数及再热参数的任一项偏离基准值都会引起经济性变 化和煤耗率变化。这类参数包括主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度、再热蒸 汽压损、排汽压力、汽轮机转速等。 ( 2 ) 通流部分及热力系统参数的牦蓐分析 高压缸效率、中压缸：效率、低压缸效二答、加热器端差、各级抽汽压损、给水温 度、凝汽器端差、凝结水过冷度等参数的偏蓐分析。 2 3 2 基准值的确定 随着机组服役年限的增加，机组和部件的性能均处在不断的变化过程中；另一 方面，机组大部分时问是在变工况状念下运行，这都为基准值的确定带来了困难。 目前基准值的确定主要有以下【j q 种方法，j 综合这四种方法来确定基准值。 ( 1 ) 取制造厂提供的i 殳汁规定值，如? 卜簇汽爪力、主蒸汽温度、再热蒸汽温 度等参数。当机组滑压运 州0 ，i j 燕，i 爪力f 门j 占准值撖捌机组变工况计算或热力实 验确定的负衍压力f l i i 线来确定。 ( 2 ) 通过机组【的人量优化吱验水扶取 i 准值。 ( 3 ) 通过对大鞋历史运7j 二i 己求进ij ：统计分析，取各负荷工况条件下实际运行 记录的最佳1 1 | ! f 作为j i l ；准f l l 工。刈机纰人；l ；：n 勺j 办止数捌进i r 数据挖掘，实现机组运行基 准值的动念优化确；t ，怂i i 胁的一个f l j 可乃阳。 华北电力人学硕+ 。学位论文 ( 4 ) 根据当前机组负荷、当前周围坏境、设备运行状况以及机组的设计资料， 通过变工况计算来获得当前工况下机组运行所能达到的最佳值，以此作为基准值对 机组的运行经济性进行分析比较符合实际。 2 3 3 热力系统参数的耗差分析方法 热力系统参数的耗差分析方法有常规热平衡法、等效热降法、循坏函数法、火 = j 分析法等。这些方法的定义、优缺点如表2 1 所示。 表2 1 五种热力学分析方法的优缺点比较 分析方法方法描述优点缺点 热平衡法是建立在热力学第 概念清晰，求解精确计算繁琐，系统中一 一定律l ：能站分析方法。它 有参数变化就得全盘 以币个加热器为研究对象， 开始计算，不利丁局 利川汽水质苗平衡平能餐平部热力系统的定鹫计 常规热甲衡法 衡力稃求解抽汽苗，从而确算 定系统的汽水分布，并利川 功；簪方f 1 ! 和吸热方祥最终求 解系统的热经济指标 等效热降法基丁热力学的热既可川丁整体热力系应川的前提是土蒸汽 i ：转换原理，考虑到设备质统的计算，也适用丁流量不变，循环的初 艟、热力系统结构利参数的热力系统局部定鼙分终参数和汽态线不 特点，经过严密的理论推导，析，当局部热力系统变，所以在低负荷时 等：效热阶j 大 导热j 分析参量等效热降变化后，不需要全盘 误差偏人 h ，雨l 汽效率7 7 ，川以研 重新计算就可得到这 究热i i 转换和能龄利川的程些变化对机组经济性 度的影响，适合在线实 现 f f j h 、晒数法是由我国马芳礼简化了电厂热力系统对概念的理解要求比 麓级i ：烈师，根据关国的整体计算，而且解 较高，推导繁琐。冈 s a l i s b u r y 提 l ：的“加热单元” 决了辅助川汽用水的 此，在实际生产领域， 循环函数法慨念所创立的。一个最基本单项热经济指标。适相比等效热降法而 的思想是认为蒸汽在汽轮机合复杂热力系统的计言，该方法应用较少 r f l 的f i 乔环j - t 稃是由多个不同算，也可| h j 丁局部定 的热力循环组成。其特点是鼙分析 1 6 将汽轮机同热系统划分若干 单元，且各个单元互相独立， 互不影响。当某个单元内的 参数发生变化时，只需对这 个单元重新进行计算即可。 火刚分析法以热力学第二定能从本质上找山能量火川分析法作为一种 量为依据。火川反映了各种损失新的计算方法，在很 形态能量的转化能力，从质多文献中还不很粹 与量相结合的角度反映能的及，而传统的设计方 火川分析法价值。火川分析方法得剑的 法和可利用的资料数 火川损欠揭示了设备或热力据均以热力学第一定 过程的完善性与