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自备热电厂母管制机组能损在线分析 与运行优化 摘要 热电机组的热力性能在线监测与能损分析及运行优化指导，可在更大范围、更深层次上提高生 产效率和管理水平，最终提高企业的能源利用率和综合经济效益，实现节能、减排。本文以母管制 热电机组为研究对象，基于热力学基本原理，建立了母管制热电机组热力性能监测、能损分析和运 行优化数学模型；并以南通醋酸纤维有限公司自备热电厂为对象，基于i h i s t o r i a n 实时历史数据管 理系统，构建了母管制热电机组能效分析与运行管理平台，开发了在线计算主要环节的运行经济性 指标分析与评估的计算软件，实现了热电机组热力性能的在线监测和历史数据分析、运行评估与考 核计算。其主要工作如下： ( 1 ) 基于部件效率监测与可控参数能损分析为主体的母管制机组性能监测与运行优化开发思 路，建立了锅炉、汽轮机、回热加热器、凝汽器、主蒸汽母管效率和可控参数能损分析数学模型， 以及凝汽器漏气与结垢和锅炉受热面积灰监测与诊断数学模型 ( 2 ) 针对南通醋酸纤维有限公司热电站6 炉6 机母管制热力系统，基于i i - l i s t o r i a n 实时历史数 据库和微内核软件构架，采用厂级监控信息系统( s i s ) 设计思想，构建了南纤公司自备热电厂能效分 析与运行管理平台，开发了应用程序和w e b 服务程序等，实现了母管制机组生产过程与热力性能的 实时监测、诊断和运行管理。 ( 3 ) 针对南通醋酸纤维有限公司热电站机组，建立了锅炉排烟温度、烟气含氧量以及汽轮机主 蒸汽压力、排汽压力等主要可控参数能损分析模型，用于运行优化指导和运行考核。研究了锅炉受 热面吹灰优化方法，探讨了进一步降低厂用电消耗和增大热化量的技术方案基于汽轮机运行特性 建立了汽耗数学模型，并基于非线性优化软件l i n g o ，进行了汽轮机负荷优化分配计算 关键词： 能损分析；母管制机组；经济性指标；运行优化 r e s e a r c ho fe n e r g yl o s so n l i n ea n a l y s i sa n do p t i m i z e do p e r a t i o no f c o g e n e r a t i o nu n i t si nt h eu t i l i t yt h e r m a lp o w e r p l a n t a b s t r a c t e n e r g yl o s so n l i n ea n a l y s i sa n dt h e r m a le c o n o m i c si n d e xo ft h et h e r m a lp o w e rp l a n ta r es t u d i e di nt h i s t h e s i s 1 1 坞m a i nw o r ki st ob u i l di n t e r r e l a t e dm o d e l s i th a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h et h e r m a lp o w e rp l a n t , a n di tw o u l d l oe l l o r l l l o u sc o n t r i b u t i o nt ot h et h e r m a lp o w e ra n de n e r g y8 0 u i v p r o j e a i nt h i sf i e l d , t h e m o d e l so fs i n g l eu n i th a v eb e e nb u l i t , b u tn oo n ea b o u tt h ec o g e n c r a t i o nu n i t sh a sf o u n d i nt h i st h e s i s , t h e c o g e n e r a t i o nu n i t sa 心t h er e s e a r c ho b j e c t , a n dt h e r m o - e l e c t r i c i t ys u p p l y i n gt o g e t h e ra n dr e q u i r e m e n th o w t oa d v a n t h e r m a le c o n o m i c si n d e xa r cc o m i d e r e d i nl h i sp a p e r , 嬲t h ec o g e n e r a t i o nu n i t sf o rt h es t u d y , b a s e do nt h eo w nc h a r a c t e r i s t i c so fc o g e n e r a t i o nu n i t s ，a p p l y i n gf o rc o n s e r v a t i o no fa i 啷a n df l o w b a l a l l c , ep r i n c i p l e , b u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o g e n e r a t i o nu n i t s ；t h r o u g ho p t i m i z a t i o nt h el o a d , o p t i m i z a t i o nc o n t r o ip a r a m e t e r s ，嬲w e l l 懿o p t i m i z a t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tq u a l i t yo f 饥e 喀) ro fs y s t c m ， e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h er u n n i n gm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f v a r i o i m 鼹c l f 毋嘲翰咀， a n dd e v e l o pt h ea p p l i c a t i o na o i t w a r e n 砖a n a l y s i so ft h e m a a le c o n o m ys a di n s p e c t i n gs y s t e mo f p e r f o r m a n c ec a nb es t u d i e da sf o l l o w s ： la n a l y z er u n n i n gm o d eo fp i p e - m a i ns c h e m es t e a mt u r b i n eu n i t s , b u i l dt r u em o d e lo fi t a n a l y s i s t h ee n e r g yf l o wa n de n e r g yl o s so ft i mt h e r m a lp o w e rr y s t e m , a n da n a l i z ee n e r g yl o r et oi m p r o v et h e p e r c e n t a g eo f e n e r g yu t i l i z a t i o n 2f o rt h ec o n g e n e r a t i o nu n i t so ft h et h e r m a lp o w e rs t a t i o no fn a nt o n gc e l l u l o s ef i b e r sc o m p a n y , l i m i t e d , b a s e do i le x i s t i n gr e a l - t i m e h i s t o r i c a ld a mm a n a g e m e n ts y s t e mo fi h i s t o r i a n , u s ct h ep l a n t 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 t s ) d e s i g n i n gc o n c e p t sa n ds o n 啊忸d e s i g nf r a m e w o r k f o rm k m k c n 烈 t ob u i l dt h ep l a t f o r mo f e n e r g ye 伍c i e n c ya n a l y s i sa n dr u n n i n gm a n a g e m e n to f c o g e u e m t i o nu n i t s 3b a s e do nt h et h e r m a ls y s t e m so f n a nt o n gc e l l u l o s ef i b e r sc o m p a n y , l i m i t e d , e s t a b l i s ht h ea n a l y s i s m o d e lo f c o n t r o l l a b l ee n e r g yl o s so f s y s t e m s ，a n dc h a n g et h er u n n i n gs t a t eo f 嘲舶i no r d e rt oa c h i e v et h e b e s tv a l u eo ft h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o p t i m i z ea n du 8 ct h ed i f f e r e n tq u a l i t ys m a ne n e r g y o f t h e r m o e l e c t r i cs y s t e mt ob a l a n c et h et h e r m o e l c c t r i c i t y k e y w o r d s ：e n e r g y l o s sa n a l y s i s ；c o n g e n e r a t i o nu n i t s ；e c o n o m i c si n d e x ；o p t i m i z e do p e r a t i o n n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：雠 e t期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 端粼期：半如 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 能源的合理利用以及提高其利用效率不仅关系到资源节约和经济发展，而且影响到生态环境和 人类前途，因此世界各国对此极端重视。而热电联产和集中供热是达到上述利用目的的重要技术规 划和措施之一目前，电力工业在传统上属于垄断行业，在全球范围内正经历一场深刻的体制交化。 我国电力工业管理体制的改革与当前世界范围内的电力体制改革的趋势是一致的，其根本目的在于 更合理的配置能源资源，促进电力工业与社会、经济、环境的协调发展【l ，2 j 。 热电厂的节能工作内容广泛，从节能的对象和采取的措施来看，可以分为三个方面0 8 1 ：一是针 对锅炉、汽轮机和主要辅机，着眼于提高主机的热效率并降低辅机的电耗，以达到节能的目的：二 是针对热力系统，着眼于优化和完善热力系统及其设计，改善运行操作，提高运行效率，以实现节 能目标：三是从全厂整体的运行经济性出发，在机组之间进行电负荷、热负荷的最佳分配，使全厂 在最优方案下运行，节能降耗。 煤耗是影响发电厂生产成本的最主要因素之一，对大量已有老机组而言，更是其最重要的成本 因素。然而，由于缺乏必要的监测和计量手段，我国现有2 0 0 m w 以下机组大都不能及时、准确地 计算煤耗和经济性指标，因此运行中存在一定的盲目性，很难根据机组的经济状况指导运行操作， 而在我国热电厂里一般机组负荷能力都在2 0 0 m w 之下。因此在确保机组安全运行的前提下，使机 组始终保持在最佳工况运行，最大限度地降低供电煤耗率成为市场经济对发电厂尤其是热电厂提出 的现实要求在这种情况下，文献【4 ，5 】介绍了用优化理论实现机组间负荷的优化分配，经济效益将更 加明显。 1 2 国内外研究现状和存在的问题 1 2 1 机组性能监测方法 机组性能监测用以确定其主辅机及热力系统运行参数和运行方式的经济性，定性分析运行方式、 运行参数是否合理，定量分析参数偏离基准值对机组热经济性指标的影响大小及节能潜力。为确保 机组安全经济运行，对其进行性能诊断是必不可少的重要环节，为此国内外都在机组性能监测方面 进行了大量的研究与实践u l 域删 最早采用的性能监测方法是。小指标分析法”，用以掌握机组运行经济性和存在的问题。它是将 主要经济指标分解成若干运行小指标进行独立考核评比的方法，考核方法简单易行，对监督指导运 行人员、提高电厂经济运行水平起了很大作用。但是这种方法依赖于人工定时抄表得到的数据进行 统计核算，并不能保证数据的可靠性，而且其统计结果不具有实时性，无法直接指导运行人员的操 作。另外，分解后的小指标是独立进行考核的，当工况变化及几个小指标之间相互制约时，运行人 员不易确定最佳运行方式。 2 0 世纪6 0 年代加拿大学者提出了“耗差分析法”，在西欧、北美得到了广泛应用。2 0 世纪8 0 年代起，该方法在我国开始广泛应用。国外2 0 世纪7 0 年代就开始用计算机实现机组运行经济监测， 并取得明显效益。通常采用耗差分析法对关键的运行参数连续进行监督分析首先确定这些参数在各 种工况下的基准值最佳值，运行中不断进行实际值和基准值比较，并根据两者之差计算出对机组热 耗煤耗的影响。运行人员根据计算结果及时进行调整操作，使机组运行工况处于较佳状态。耗差分 析法使每个可控参数的影响最后都反映到煤耗的变化，有利于运行人员综合调整，有效地克服了小 东南大学硕士学位论文 指标分析法的不足。2 0 世纪9 0 年代，随着计算机在火电厂的应用，国内一些学者尝试利用耗差分 析法原理开发火电机组的能损在线监测系统。 热电厂性能计算与能损分析的主要任务是确定发电厂主、辅设备以及热力系统运行的热经济状 况，定性及定量分析各种运行方式、运行参数对机组经济性的影响大小，以及系统的节能潜力。总 的来讲，一个理想的性能计算和能损分析系统应当实现以下主要功能： ( 1 ) 计算出当前电厂的机组热耗率以及全厂标准煤耗率等数据对于正在运行的电厂，可以由 运行过程中测量的数据，算出实际运行的热经济性。 ( 2 ) 找出可控损失项，给出这种损失对电厂经济性的影响，从而为考核和改善运行水平提供指 导。 ( 3 ) 指出经济性能下降的设备，获得早期故障预报。通过将热力设备的实际运行数据与其在正 常、健康条件下的应有数据进行比较和分析，可以判断出该设备的正常程度，并获得该设备性能变 化导致的机组经济性能变化的方向和幅度。 热电厂系统需要生产两中品质的能量，热能和电能。因此，热电系统需要进行性能监测的系统 除锅炉，凝汽式机组外，还有供热机组，除氧器及高，低压加热器等。这些系统的运行方式都对整 个系统的经济性运行产生重要影响。文献 1 0 1 7 系统的介绍了系统运行的经济性指标与性能监测 方法，文献 2 0 2 5 介绍了锅炉与汽轮机的性能监测方法，文献 4 4 - 一5 0 主要介绍了凝汽器的性能 监测方法。 1 2 2 机组运行优化方法 母管制电厂中，由于各种汽水母管的存在，各并列运行机组问相互贯通，机组的运行特性，汽 水流量分配随运行工况的不同而不同，与单元制机组差别较大。因此对机组进行负荷分配还要考虑 给水流量，高加疏水量以及除氧器组合运行方式等因素的影响。负荷优化分配通过合理分配机组间 的负荷，可以有效达到降低全厂发电成本的目的。同时母管制系统中，供热发电机组同时生产不同 品质的两种产品弓热能和电能，因此对供热机组进行负荷优化分配的同时，还需要对系统可控参 数进行优化。 负荷优化分配包括两方面的内容：一是机组间负荷的优化分配，它是以给定电厂运行机组组合 为前提的；二是机组的优化组合溉明。 ( 1 ) 机组间负荷优化分配 机组间负荷的优化分配基本上有三种方法： 效率法，是让效率较高的机组承带较多的负荷，即按效率的高低顺序承带负荷。而事实证明， 机组间负荷的分配并不像人们直观认识那样取决于机组效率( 或机组耗量本身) ，而是取决于机组耗 量变化率。 建立在古典变分原理上的等微增原理调度，该方法简单、易懂，但为了达到整个系统的煤耗 量最小，要求煤耗量的目标函数为凸函数，另外该方法对电厂的汽轮机、锅炉及其不同组合的微增 量曲线有严格的精度要求，而供热机组的总热耗和功率关系的线性度较差，所以这种方法对供热机 组间的负荷分配可行性较差。 建立在优化理论基础上的动态规划、线性规划、神经网络，遗传算法等现代数学方法。随着 计算机技术的日益发展，现代优化理论已趋于成熟，应用也日益广泛 优先顺序法( p r i o r i t yl i s t ) 是较早出现的一种解决机组组合和负荷分配的算法，它将系统可供 调度的机组按照某种经济特性指标事先排出顺序，然后根据系统负荷大小按该顺序依次投入机组 该方法提出较早，现在仍在研究和应用之中 2 第一章绪论 等微增率法是以数学极值理论为基础，在1 9 3 4 年提出来的。首先假定n 台机组的能源曲线和微 增率曲线是连续可微的，这也是使用该方法的前提条件，在此基础上以负荷需求为约束条件，以煤 耗或标准煤耗为目标函数，用h e s s e nm a t r i x ( 海赛矩阵) 来判断是否存在最优解，若h e s s e nm a t r i x 正定，则有最优解。 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 是实际中应用较为广泛的一种方法已有很多实用的例子 它在枚举各种可能的状态组合的过程中巧妙的去除了那些不需要考虑的解，是解决多阶段决策过程 最优化的一种数学方法。 拉格朗日松弛法在机组组合问题中的研究应用始于7 0 年代，拉格朗日松弛法是解决复杂整数和 组合优化问题的一种优化算法，其主要思想为：许多困难的整数规划问题可以看成是由一些边界约束 条件联系在一起的一系列相对容易的子问题组成，利用该特点。把约束条件被破坏的量和它们各自 的对偶变量的乘积加在目标函数上作为惩罚项，形成相对容易解决的拉格朗日问题。 遗传算法是目前广泛研究和应用的模拟自然界生物进化过程的组合优化算法。遗传算法是一个 框架性的算法，可以根据不同问题进行不同的考虑。文献 1 4 将遗传算法应用于机组组合问题，为 克服简单遗传算法过早收敛的缺陷，引入变化性质函数( v a r y i n gq u a l i t yf u n c t i o n ) 技术，并对具 体问题加入特殊的算子，计算结果表明，对于大系统遗传算法比拉格朗日松弛法效果要好 ( 2 可控参数的优化 建立母管制热电厂锅炉和汽轮机组的经济性分析模型，建立每一个运行参数和热电厂运行效率 的关系模型详细分析热电厂各参数对电厂经济性的影响。 锅炉烟气的含氧量和锅炉排烟温度为锅炉可控参数，降低烟气的含氧量及排烟温度可以提高 锅炉效率，减少煤耗量。通过受热面的灰污监测及吹灰优化可以有效降低捧烟温度，优化锅炉运行 汽机的主蒸汽参数，抽汽供热参数以及排汽参数等都是汽机的可控参数。改变可控参数，使 汽机处于最优化的运行工况，可提高热化发电量，降低凝汽发电量，达到优化汽机运行的目的 母管制系统中存在很多不同品质的热能，由于对这些不同品质的热能认识不够，忽视了这些 不同品质热能的作用充分利用不同品质热能的潜在价值，优化母管制系统的运行方式，节约系统 煤耗量。 1 2 3 建立母管制系统经济分析模型的难点 为保证热电站的供热安全，主蒸汽及供热蒸汽系统均采用母管制布置。在母管制蒸汽系统中， 并列运行的锅炉因主蒸汽压力产生相互影响，所以必须考虑母管制系统的主蒸汽压力和进入汽机的 蒸汽负荷的分配问题。本文主要研究母管制供热机组的能损分析和经济性，根据母管制机组自身的 特点建立母管制经济性模型，开发实时监控软件，从而解决热电站能耗过高的问题。 ( 1 ) 由于采用母管制机组的运行方式，锅炉生产的蒸汽通过母管进入汽轮机，因为存在沿程阻 力，使得进入汽机的压力降低，影响汽机的发电量，因此存在如何选取锅炉和汽机的搭配方式。 ( 2 ) 由于采用母管制机组，热力系统相对于单元制机组复杂了许多，母管制下的各台机组是相 互影响的，从汽轮机中抽出的各级回热抽汽不仅仅为本机的给水加热，也为其他机组做出了贡献， 这就给建立母管制机组的模型带来了一定的困难。而且从汽机抽出的供热蒸汽也是通过母管供给热 用户的，使得各台机组的供热量难以计算。 ( 3 ) 对于母管制运行的机组，需要从两方面着手一是锅炉蒸汽负荷的分配，一是汽轮机组间热 电负荷的分配。怎样确定各个锅炉和汽轮机组的运行方式，进行过热蒸汽量、热负荷和电负荷的优 化分配是机组经济运行的关键而如何把热负荷和电负荷进行解耦，是负荷优化分配的关键，即当 电负荷一定时，是否存在一定的范围能够调节热负荷，使热负荷的分配最优化。 3 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 由于试验条件同机组工况图依据的条件肯定是不同的，并且工况图大多数是由机组变工况 计算得到的，再加上老机组长时间运行后，机组的性能也有所改变，所以试验得到的结果很可能与 机组本身的工况图有一定的差距。 ( 5 ) 测量后得到的数据有些并不完全准确，如主蒸汽流量，抽汽流量的测量数据等，因此我们 需要对数据的测点进行筛选，修正。有些机组的工况测点不完整，使得有些工况的数据不能获得， 给工作带来一定的困难。 1 3 论文主要研究思路 对自备热电厂而言，既要满足供热量，又要满足供电量，同时又能有效的降低发电成本。因此， 通过对锅炉和机组的经济性分析和负荷优化分配，可以合理分配机组问的负荷，有效的降低全厂发 电成本。 在电厂能量利用中，通常用水蒸汽作为热能传递介质，但由于火电厂中机组的捧汽没有得到利 用，浪费了大量的汽化潜热，机组的能耗很大，能量的利用率较低。因此，热电厂的兴起解决了能 量利用率低的问题。在热电系统中，水蒸汽的能量全部或大部分得到利用，一部分转化为电能，另 一部分用于供热，很好的解决了火电厂中排汽汽化潜热的浪费问题。虽然能量的利用率得到了解决， 但热电厂中发电与供热的平衡问题凸显出来本文就围绕如何提高热电厂的经济性及热电配比的问 题作为研究思路，并对此做了系统的研究 ( 1 ) 锅炉的热平衡计算锅炉的热平衡是指输入锅炉机组的热量与锅炉机组输出的热量之问 的平衡。输出热量包括用于生产蒸汽或热水的有效利用热量和生产过程中的各项热量损失输入热 量主要来源是燃料燃烧放出的热。由于各种原因，进入锅炉内的热料不可能完全燃烧，而且燃烧过 程放出的热量也不会全部被有效利用，不可避免地产生一部分热量损失热平衡就表明了燃料的热 量有多少被有效利用，有多少变成热量损失，减小这些损失就可以有效地提高锅炉效率，节约生产 成本和能源。 ( 2 ) 供热机组热力系统变工况计算及流量的修正供热机组由于有调整抽汽并对外供热( 汽) ， 这将带来两方面问题：首先，它显然改变了机组蒸汽通流量；其次，对外调节供汽压力一般是通过 旋转隔板实现的，它改变了机组通流面积这两个改变不符合弗留尔公式应用的条件。为了适应弗 留格尔公式的要求，供热机组热系统变工况计算将以供热抽汽口划界，分汽轮机为两个区段( 单抽 机) 或三个区段( 双抽机) ，各区段可分别使用弗留尔公式，并利用弗留格尔公式对错误测点进行校 正 ( 3 ) 建立热电厂系统模型热电厂采用母管制系统，系统较为复杂由于单台机组的流量不 确定性或测量数据有误，机组有些经济性指标不能计算或有较大误差，因此建立热电厂系统模型将 从流量平衡及能量平衡着手，逐步分解流量及能量的流向，使复杂系统简单化。 ( 4 ) 热电厂整体经济性分析评价热电厂总体运行经济性的主要指标有：热电厂的燃料利用 系数、供热机组的热化发电率彩、热电厂的热电比如和热化系数n 7 1 引7 1 ( 5 ) 机组运行优化建模热电厂供热机组负荷优化分配的实质就是在确定的全厂总的热、电 负荷需求总量下，根据各机组的热力特性，将它们合理分配到各个机组，使得全厂总的燃料消耗量 为最小。通过改变机组运行参数，得出发电功率与机组参数之间的关系曲线。利用曲线关系改变机 组运行工况，增加热化发电量，减少凝汽发电量，减少能损，实现热电平衡 ( 6 ) 软件编制针对南通醋酸纤维有限公司热电站6 炉6 机母管制热力系统，基于i h i s t o r i a n 实时历史数据库和微内核软件构架，采用厂级监控信息系统( s i s ) 设计思想，构建了南纤公司自备热 4 第一章绪论 电厂能效分析与运行管理平台，开发了应用程序和w e b 服务程序 1 4 论文主要工作 本文在广泛调研国内外热电厂经济性分析及负荷优化分配基础上，以南通醋酸纤维有限公司热 电站供热机组为本体，研究了热电厂锅炉，供热机组及回热系统的能损分析及负荷分配，建立了热 电系统的数学模型，以及系统优化方法，并用c 撑编写了在线分析软件。论文的主要工作和内容如下： 第二章介绍热电厂供热机组的热经济指标，并通过分析简化热电系统，得出热电系统各部分的 计算模型。利用能量平衡，分析了热电厂系统各部分能量流向及能量的损失。通过流量平衡，找出 有错误的系统流量测点，并利用弗留格尔公式对错误测点进行校正。 第三章通过l i n g o 软件对汽机进行负荷优化，选择使煤耗最小的锅炉与汽机组合。改变机组运 行参数，得出发电功率与机组参数之间的关系曲线。利用曲线关系改变机组运行工况，增加热化发 电量，减少凝汽发电量，减少能损，实现热电平衡。同时计算由于母管管道压损的存在，汽机损失 的发电量及利用锅炉排污增加机组的供热量。并对系统做能损分析，找出可控损失项，以提高系统 的能量利用率。 第四章针对南通醋酸纤维有限公司热电站6 炉6 机母管制热力系统，基于i i - i i s t o r i a l l 实时历史 数据库和微内核软件构架，采用厂级监控信息系统( s i s ) 设计思想，构建了南纤公司自备热电厂能效 分析与运行管理平台，开发了应用程序和w e b 服务程序 5 东南大学硕士学位论文 第二章热电厂母管制系统性能分析模型 在热能利用中通常用水蒸汽作为热能传递介质，以满足生产工艺用热及生活用热的需要。供 热系统的效率由锅炉、管网系统和用热设备三部分组成。目前管网系统效率约9 0 ，用热设备效率 约5 5 ，因此供热系统总效率约在3 0 左右。这种分散供热方式不仅热效率低，而且污染严重。凝 汽式发电机组的最高效率也低于4 0 ，大量的热( 占5 0 6 0 ) 被冷凝器中的冷却水带走。而汽 轮机的排汽压力很低，只有约3 - - , 5 k p a ，对应的饱和温度约为2 3 7 7 - - - 3 2 5 5 。乏汽接近环境温度， 没有什么做功能力，所以没有直接利用的价值，但它带走的热量很大。如果设法提高汽轮机的排汽 压力，相应的饱和温度也能提高。当排汽参数能够满足用户的要求时，则可以用于供热即将蒸汽 先发电，后用于供热，使排汽的热得到充分利用，这就是热电联产。 4 3 4 4 热电联产的最大特点是本应在朗肯循环中存在的冷凝热损失在热用户中得到了利用虽然为了 满足热用户的要求，必须提高汽轮机的排汽压力和温度，减少了蒸汽做功。但是，由于省去了单独 提供热用户蒸汽所需的锅炉及其燃料消耗，因此，大大地提高了燃料的利用率。并且，在汽轮机中 由于摩擦等造成的不可逆损失，在转变为热能后将在热用户中可继续被有效利用 2 1 母管制热电机组热力性能评价指标 母管制热电联产机组既发电又供热，热力性能评价体系有别于纯凝发电机组，其主要性能评价 指标是： ( 1 ) 热电厂的燃料利用系数 = 警 旺。 式中，w - 热电厂的发电量( k w h ) ；q ：热电厂的供热量( k j h ) ；吃：热电厂的煤耗量( k g h ) 为输出电、热两种产品的总能量与输入能量之比，它将高品位的电能按热量单位折算后与对外供 热量相加，不能表明热、电两种能量产品在品位上的差别，只能表明燃料能量在数量上的有效利用 程度，故称为热电厂的燃料利用系数。 ( 2 ) 供热机组的热化发电率 国= 形q , k w h g j ( 2 2 ) 式中，为热电联产的热化发电量( k j h ) ；g 为热电联产的热化供热量( k j h ) 。热化发电率的意 义是表明供热机组每单位u 供热量的发电量。热化发电率是质量指标它是供热循环中供热发电量 与供热量之比，表明单位u 供热量时发电量的多少，它与抽汽量无关。当增大时，供热循环的发 电量暇增大；当机组电功率一定时，增大则意味着凝汽发电量减少，供热机组热经济性就提高 影响国的因素有供热机组的初参数、抽汽参数、回热参数、回水温度、回水率、补充水温度、设备 的技术完善程度以及回水所流经的加热器的级数等。在一定的供热要求，可通过主蒸汽参数的优化 选择，可使热化发电率达到最大。 ( 3 ) 全厂煤耗量玩 全厂煤耗量屹是指热电厂全厂在单位时间内生产热、电调度负荷总量所消耗的煤量，是一个数 量指标。吃在一定程度上直观的反映出了一个热电厂的生产成本 6 第二章热电厂系统模型及能损分析 由于热电厂的煤耗量是既发电又供热的总的煤耗量，在经济性评价时，需将分为发电和 供热两项。 = 鲁= 鼍争 旺3 ， 式中，为热电厂总的热耗量( 1 【j m ) ；岛 ) 为热电厂供热的热耗量( k i h ) ：岛( 。，为热电厂发电 的热耗量( i o h ) ； ) 为熟电厂供热的煤耗量( k g h ) ；( 订为热电厂发电的煤耗量( k g h ) 在蒸汽热力循环中，不同参数的热能具有不同的品质，故从热电厂总煤耗量吃中分解出供热煤 耗量( ) 和发电煤耗量d 时，由于对能量利用的评估方法和视角不同，这样就产生不同的分配 方法，如热量法、焓降分配法、做功法、有效能利用法等，其主要不同点在于( ”占总煤耗量的比 例不同。 热量法分配的原则是，热电厂分配给供热的煤耗量是按照汽轮机的供热量幺= o k ( 丸一磁) 占 机组热耗量蜴的比例来分配。即 监：垒亟二塑：七( 2 4 ) d o ( 一) 式中，k 为分配的比例系数。 实际焓降法分配的原则是，热电厂分配给供热的煤耗量是按照供热捧汽在汽轮机减少的内功占 新汽的所做内功的比例来分配。即 监= 垒鳢二塑：七( 2 5 ) d o ( 一九) 做功能力法分配的原则是，热电厂分配给供热的煤耗量是按照供热蒸汽的可用能比例来分配。 即 监：盟：七( 2 6 ) b 事d o 民 式中，e 为抽汽比火用( k j k g ) ；乓为新汽比火用( k j k g ) ( 4 ) 发电热经济性指标 热电厂发电热效率 热电厂发电热耗率 3 6 0 0 ，2 百 警2 嚣c 肌臃， ( 2 7 ) ( 2 8 ) 热电厂发电标准煤耗率t 。= 等= 历3 6 i 0 0 = 0 1 。2 。：3 ( 妇标煤后砌) ( 2 9 ) ( 5 ) 供热热经济指标 热电厂供热热效率 p f t p ( k ) - - 蠹铴 式中，：锅炉效率( 哟，：管道效率( 呦，：热网效率( ) 7 ( 2 1 0 ) 东南大学硕士学位论文 热电厂供热标准煤耗率 嘉= 羔= 意c 姆黼 ( 2 1 1 ) 2 2 锅炉性能分析模型 2 2 1 锅炉的热平衡计算 锅炉热平衡是指输入锅炉机组的热量与锅炉机组输出的热量之间的平衡。输出热量包括用于生 产蒸汽或热水的有效利用热量和生产过程中的各项热量损失。输入热量主要来源是燃料燃烧放出的 热。由于各种原因，进入锅炉内的燃料不可能完全燃烧，而且燃烧过程放出的热量也不可能全部被 有效利用，不可避免地产生一部分热量损失。锅炉的热平衡描述燃料热量中有多少被有效利用，有 多少变成热量损失，这些损失具体表现为：排烟热损失q ，化学未完全燃烧热损失q ，机械不完 全燃烧热损失q ，散热损失q ，灰渣物理热损失g 。减小这些损失就可以提高锅炉效率，降低生 产成本、节约能源和减少污染排放。 定义锅炉效率 = 筹卅0 0 一隆鲁+ 鲁+ 鲁+ 扣o o 仁，动 = 1 0 0 一( 9 2 + 9 3 + g + 吼+ 9 6 ) 如果已知输入锅炉的燃料量和燃料的低位发热量g ，由锅炉的产汽量和出口蒸汽焓毛及 给水焓求得有效吸热量q ，则由上式求得锅炉效率，妇，将这样的锅炉效率计算法称为正平衡法 在工程实际中，燃料系统无论是直吹还是中间储仓式，较高精度地在线测量输入到锅炉的燃料量是 非常困难的，因此，基于正平衡计算的锅炉热力性能在线分析难以实现另一方面，如果已知燃料 成份，通过排烟含氧、灰渣含碳等测量，间接计算出排烟等5 项损失相对于燃料放热量的损失百分 率，由式( 2 1 2 ) 计算出锅炉效率，将这种基于各项损失百分率间接计算锅炉效率的方法称为反平衡法。 在工程实际中，基于反平衡法在线计算锅炉热效率具有现实性，因为可以较高精度在线检测烟气的 含量和排烟温度等，在线检测飞灰含碳量目前也能达到较高精度。对锅炉安装飞灰含碳在线检测的 锅炉，通过一定量负荷与配风现场试验，求取机械不完全燃烧损失与烟气含氧量的对应关系，由此 间接计算机械不完全燃烧损失并通过定期灰、渣取样分析，校正机械不完全燃烧损失计算模型， 故反平衡法可以满足锅炉性能在线监测的要求 ( 1 ) 机械未完全燃烧热损失g 机械未完全燃烧热损失是指部分固体燃料在炉内未能燃尽就被排出炉外而造成的热损失这些 未燃尽的颗粒可能随灰渣从炉膛中被排出，或经过炉排漏入灰斗中，或以飞灰形式随烟气一起逸出。 吼= 衫+ 荇= 警( 击+ 志) 1 0 0 口伪+ = l ( 2 1 4 ) 口晶表示飞灰中灰量占入炉煤总灰量的份额，称为飞灰系数； a ，k 表示灰渣中灰量占入炉煤总灰量的份额，称为排渣率； 口历、a 的数值可根据最近期的灰平衡试验或锅炉性能试验来选取，对于固态排渣煤粉锅炉， s 第二章热电厂系统模型及能损分析 口加= 0 9 ，；0 1 对于液态排渣煤粉锅炉，印3 - 0 9 ，口历= l - 彳，表示燃料应用基灰分质量含量百分率； q ，表示输入锅炉的热量，对于燃煤锅炉，如果燃料和空气都没有利用外界热量进行预热，且燃 煤水分 ，两者的比热又大致相同，故取 ( c 1 9 ) 矗q = ( c 口) ，； 、暖、吃d 分别表示烟气中三原子气体、氮气、水蒸汽的含量，n m s k g 排烟损失是锅炉损失中最大的一项，一般为5 1 2 。排烟损失的大小跟排烟温度、燃料性质、 过量空气系数、以及受热面的结渣、积灰或结垢有关排烟温度越高，捧烟热损失就越大漏风增 大了捧烟容积，同时漏风也使排烟温度升高，这些都使得排烟热损失增大。当受热面发生结渣、积 灰或结垢时，烟气与这些受热面的传热量减少，锅炉的排烟也会升高，从而造成排烟热损失增大， 应此要保持受热面的清洁 ( 4 ) 散热损失吼 在锅炉运行中，炉墙、金属结构以及锅炉机组范围内的烟道、汽水管道和联箱等的外表面温度 高于周围环境温度，这样就会通过自然对流和辐射向周围散热，这个热量损失称为散热损失。 锅炉的散热损失的测量在一般情况下非常困难，根据锅炉额定容量按经验数据查取 7 1 ，然后再 根据下式进行求解： 玩= 吼善 ( 2 2 3 2 3 ) 9 52 吼i “ 玩、9 5 分别表示锅炉额定容量、运行容量下的散热损失； d 、d 分别表示锅炉额定容量、运行容量下的散热损失。 散热损失的大小主要取决与锅炉散热表面积的大小、水冷壁的敷设程度、管道的保温以及周围 环境情况等。 ( 5 ) 灰渣物理热损失吼 灰渣物理热损失是指炉渣、飞灰捧出锅炉设备时所带走的显热占输入热量的百分率，即 1 0 第二章热电厂系统模型及能损分析 始= 志 ( k 一。碗+ ( 一白砾 ( 2 2 4 ) 乞表示炉膛排出的灰渣温度，o 0 表示送风温度，； 、c 捕分别表示灰渣的比热容、飞灰的比热容，l d ( k g i o ； 对于固态排渣煤粉锅炉，灰渣温度可以取8 0 0 c ；灰渣的比热容可以取0 9 6 k j ( k g * k ) ： 对于液态排渣煤粉锅炉，灰渣温度k = f 1 r + 1 0 0 0 c ( f r 为煤灰的熔化温度，) ，灰渣的比热容可 以取1 1 0 l j ( k g k ) 。 鉴于排烟温度一般介于1 0 0 0 c - 2 0 0 c 之间，飞灰的比热容一般可以取0 8 2 1 d ( k g * k ) 。 对于固态排渣煤粉炉，只有当燃用多灰燃料( 彳，盟4 1 9 ) 时才记及灰渣物理热损失。 锅炉的某些部件如尾部受热面的横梁等，当他们一面吸收烟气的热量，另一面又被水或空气冷 却，而水或空气带走的热量又不能送回锅炉系统中应用时，就造成冷却热损失鳄。这部分热损失 的相对值为： 韶= 譬1 0 0 锅炉其它热损失应为灰渣物理热损失弗和冷却热损失韶之和： q 6 = 醵+ q 警 q 2 6 ) 由于固态排渣煤粉炉不存在冷却热损失，所以固态捧渣煤粉炉中只有灰渣物理热损失 求出上述五项，就可以根据式( 2 1 2 ) 求出锅炉机组的效率 2 2 2 锅炉受热面积灰监测模型 锅炉受热面积灰是运行中造成排烟温度升高、效率下降主要运行问题，有效监测受热面积灰变 化，并且正确评价受热面积灰变化所引起能量累积损失，在此基础上建立吹灰优化控制模型，提高 机组运行经济性。由于液态排渣旋风炉的火焰中心温度高达1 9 0 0 ，燃煤中的碱性金属挥发成气体， 在锅炉尾部又冷却形成微小液滴，附着在飞灰表面和锅炉尾部金属受热面上，表现出较固态排渣炉 更易积灰的特点。因此，锅炉受热面积灰的监测与吹灰优化对液态排渣旋风炉更显重要。 锅炉受热面的积灰监测以传热效率监测为基础，通过建立负荷和煤种参数变化的传热效率修正 模型，将偏离参考工况的实测传热效率修正为统一的、参考工况下的传热效率，基于设计参数和现 场运行数据分析建立积灰指数计算模型。 传热效率( 或称传热有效度) 是最小热容量( 质量流量与比热容的乘积) 的流体温差与换热器最大 可能温差之比。对于锅炉受热面，过热器的烟气热容量小于蒸汽，空气预热器的空气比热容量小于 烟气，故对于过热器，传热效率为 ，1 ，r 一甲 e = l = 皿 ( 2 2 7 ) 五一 。 式中，五：过热器烟气进口温度( ) ，互：过热器烟气出口温度( ) ，毛：过热器蒸汽进口温度 ( ) 对于空气预热器，传热效率为 东南大学碗士学位论文 ：箬；鲁萼 ( 22 8 ) 红一 式中- 王：空预器烟气进口温度( ) ，：空预器空气进口温度c c ) ，f 2 ：空预器空气出口温度 ( ) 。 传热教率能报好地反映错炉受热面积灰的变化。图二l 给出了演态排渣旋风炉高温过热器传热教 率随时间变化的实际运行曲线幽中阶跃变化点为锅炉吹灰点，吹灰后传热效率快速上升，然后传 热效率遂渐下降，并且有明显的非线性特征开始下降较快随后下降速率明显趋缓。因此，用传 热效率监测受热面积灰非常有效。由于锅炉受热两侧的换热系数接近同步变化，故用传热效率监铡 传热面积灰受运行工况变化影响较小。 定义积灰因子 z ：e 二! l o o f 2 2 9 1 e d 蝴一l 埘 式中，e 。f 。：额定工况下受热面清洁情况艄洁系数为1 时) 时的传热效率；打。：额定工况下积 灰较严重时的传热效率，根据受热面运行_ 况确定。积灰因子的意义在于：当传热面完全清洁时， 积灰因子为0 ；积灰严重时，积灰因予为1 0 0 。0 1 时表示积灰 非常严重。 08 07 0 6 茬o 5 日0 4 鬃o 。 0 2 0 1 0 r g 昌82 譬高高器嚣高；导导器富gg 窖篁= 蔷器霜 。一呻旧母h 。宝= 篁2 = 1 22 霉霉昌封高 时间( h ) 圈 1 高温过热罂传热教事随时司变化曲线 2 23 母管制机组整体锅炉效率 对于母管制热力系统，如果把主蒸汽母管前的所有运行锅炉视为一个整体那么就必须计算这个 整体的锅炉效率和每一个参数对这个整体锅炉效率的影响值。对于母管制机组的锅炉整体部分，假 定有台锅炉那么台锅炉燃烧燃料的平衡方程式为： 三，、 q * = 旧，+ q 2 ，+ 凸，。吧呜+ q 白) ( 23 0 ) l 式中，( h ：n 台锅炉输入的热量( k j ) a 基于正平衡法计算母管制系统等效锅炉效率为； q 刍【( 一k ) 】 圹嚣= i q 3 d 式中，总：第j 台锅炉的燃料量( k 趴) ；：第j 台锅炉产汽量( k g t ) ；：莉台锅炉出口蒸汽焓 ( k j k g ) ；：第冶锅炉给水焓( u l 【g ) ；q ，删：燃料低位发热量( k j l 【g ) 用反平衡法计算母管制运行锅炉机组总