（动力机械及工程专业论文）汽轮机热力性能分析可视化建模的研究与开发.pdf

摘要 摘要 汽轮机热力性能试验是检测机组热力性能经济指标，评估机组设计与制造水 平，实现发电厂运行与检修优化的重要基础。目前，国产汽轮机热力试验数据分析 软件可视化水平不高，交互操作性较差，性能不够理想，国外相关软件性能较好， 但许可费用昂贵，中文兼容性不佳，不适应我国发电厂长期以来形成的生产管理， 且难于进行二次开发。本文在借鉴国内外已有相关研究与开发成果基础上，以汽轮 机热力性能试验计算为背景，研究了汽轮机热力性能试验数据智能化处理计算方 法，基于v i s i o2 0 0 2 平台和其内置脚本开发语言v b a 开发了一个高度集成、可视化、 可扩展的汽轮机热力性能计算软件t u m a l y z e r 。 论文在分析汽轮机热力性能试验数据处理算法特征和比较回热系统分析的热平衡 法、等效焓降法和循环函数法基础上，确立了以水侧定流量热平衡矩阵法为t u r m a l y z e r 主体算法，提出了以“组件( c o m p o n e m ) ”和“流( s t r e a m ) ”为核心的汽轮机热力系统积 木式可视化建模思想，通过“流”描述热力设备间的连接关系和质、能流向及平衡关系， 并针对汽轮机热力系统常用设备建立了热平衡矩阵分析表达式和排汽焓等特殊参数的 处理方法。软件通过与v i s i o 核心层信息交互捕捉和处理v i s i o 事件，实现流的追踪搜索、 智能识别“组件”间连接关系及诊断连接关系的合理性、即时推断间接数据，使汽轮机 热力系统建模时可基于图形界面任意增添或删除组件，且自动生成汽轮机热力性能分析 计算矩阵，由属性文本和结果文本与“组件”及“流”绑定，使热力系统图形与数据保 持协调一致性。 关键词：汽轮机热力性能试验数据处理可视化组态建模 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r m a lt e s to fs t e a mt u r b i n es y s t e mi saw e l l - k n o w nc r u c i a lm e t h o df o rm e a s u r i n g s t e a mt u r b i n e p e r f o r m a n c e ，e v a l u a t i n g s t e a mt u r b i n e d e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n g ，a n d o p t i m i z i n gp o w e rp l a n to p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e c u r r e n t l y , d o m e s t i ct h e r l y l f l lp e r f o r m a n c e t e s ta n a l y s i ss o f t w a r es u f f e r sf r o mp r o b l e m ss u c ha sl o wv i s u a l i z a t i o nl e v e l r e l a t i v e l yw o r s e i n t e r o p e r a b i l i t ya n dc o m p a r a t i v e l yp o o rp e r f o r m a n c e t h ei s s u e so ff o r e i g ns o f t w a r ei n c l u d e ： h i 出s o f t w a r el i c e n s ef e e ，p o o rc h i n e s ec o m p a t i b i l i t y , n o ts u i t a b l ef o rc h i n e s ep o w e rp l a n t a n dh a r dt op e r f o r ms e c o n d a r yd e v e l o p m e n t b a s e do nat h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no fr e l a t e d d o m e s t i ca n df o r e i g nw o r k ，i nt h i sp 印e r ，h i e t h o d sf o rt h e r m a lt e s ta n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n a r es t u d i e da n df i n i n t e g r a t e d ，v i s u a l i z e d a n de x t e n s i b l es t e a mt u r b i n ep e r f o r m a n c e c o m p u t a t i o ns y s t e m - - t u r m a l y z e r i sd e v e l o p e d t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e a mt u r b i n et h e r n l a lt e s td a t aa n a l y s i s a l g o r i t h m s ，c o m p a r e st h r e er e g e n e r a t i o ns y s t e mh a n d l i n gm e t h o d s ：h e a tb a l a n c ea n a l y s i s ， e q u i v a l e n te n t h a l p yd r o pa n dc i r c u l a t ef u n c t i o na n a l y s i s o n 也eb a s i so ft h i s ，w e u s et h e f u n d a m e n t a lu n d e r l y i n ga l g o r i t h mo ft u r m a l y z e r c o n s t a n tf l o wh e a t e rb a l a l i c em a t r i x a n a l y s i sa n dp u tf o r w a r da n i n n o v a t i v es t e a mt u r b i n es y s t e mm o d e l i n ga p p r o a c hb a s e do nt w o b u i l d i n gb l o c k s ：c o m p o n e n ta n ds t r e a m ，w h e r es t r e a mi s am e c h a n i s mf o rd e s c r i b i n gt h e i n t e r c o n n e c f i o na m o n gt h e r m a le q u i p m e n t s ，a sw e l la st h ef l o wa n dh a l o a l c eo f m a s sa n d e n e r g y w ea l s op r e s e n th o w t od e r i v eh e a tb a l a n c em a t r i xe q u a t i o nt h r o u g he x a m i n a t i o no f c o m m o ne q u i p m e n ti ns t e a mt u r b i n es y s t e m sa n dh o wt oh a n d l es p e c i a ls y s t e mp a r a m e t e r s s u c ha se x h a u s te n t r o p y t h r o u g hi n t e r a c t i n gw i t hv i s i ok e m e la n dv i s i ne v e n tc a p t u r i n g ，o u r s o f t w a r ei m p l e m e n t e dt h ef o l i o w i n gf e a t u r e s ：s t r e a mb a s e ds e a r c h i n ga n dt r a c i n g ，p a t t e r r e c o g n i t i o na n dv a l i d i t yc h e c k i n go fc o m p o n e n t si n t e r c o n n e c t i o na n d i n d i r e c td a t ai n f e r e n c e w h i c hm a k e si tp o s s i b l ef o ru s e r st oa d da n dr e m o v ec o m p o n e n t sa tw i l lw h e nm o d e l i n g t h e r m a ls y s t e m s t u r m a l y z e ri sa l s oc a p a b l eo fa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i s m a t r i xa n db i n d i n ga t t r i b u t et e x t b o xa n dr e s u l tt e x t b o xw i t hc o m p o n e n ta n ds t r e a m ，t h u s m a i n t a i n i n gc o n s i s t e n c y b e t w e e nt h e r m a ls y s t e mo b j e c t s k e y w o r d s ： t u r b i n e ，t h e r m a lp e r f o r m a n c et e s t ，d a t ap r o c e s s i n g ，v i s u a lc o n f i g u r a t i o nm o d e l i n g 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己经发表 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：生! 盘垒日期：竺兰卫 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。 研究生签名：蔓垒生导师签名：掘蠹豳日期：一；7 第一章引言 第一章引言 1 1 选题背景与意义 汽轮机是将蒸汽的热力势能转变为机械能的高速旋转机械，是热力发电、石油化工等国民经济 基础产业的重要关键原动机械。国内外工农业生产和居民生活所用的电能大多是由汽轮机拖动发电 机产生的，特别是我国，蒸汽热力发电( 常规火电和核电) 占发电总量的8 0 以上，故汽轮机组热力 性能的优劣，不仅影响发电企业的经济效益，而且直接影响全社会的能源自然资源消耗和环境保护 污染的相对排放量。因此，热力发电企业通过分析机组的运行数据，或定期进行汽轮机组热力性能 试验，或借助于先进的检测技术和计算机技术在线监测机组的热力性能，了解和掌握汽轮机组各主 要设备或部件的性能状态，评估机组的热力性能经济指标和安全状态健康( s a f e t yc o n d i t i o nh e a l t h ) 水 平，以及预测机组经济、安全性能发展趋势，指导热力发电厂制订机组优化运行经济调度方案和 机组维护、检修计划与策略。按国家( 或行业) 标准或国际规范进行的汽轮机组热力性能试验与 数据处理，其系统隔离的严密性、试验检测的全面性和测量仪表的正确性，使之成为新机组验 收、在役机组大修或通流部分重大改造成效评估的必做项目。 汽轮机组是由汽轮机及回熟加热器与抽汽管阀、凝汽器、给水泵、凝结水泵、疏水泵等组成， 通过热力管道构成蒸汽热力循环系统。汽轮机组的热力性能试验是通过测量主蒸汽、再热蒸汽、回 热抽汽、汽轮机各汽缸排汽、回热加热器与水泵进出口工质等的热力参数温度、压力和主蒸汽、主 给水或凝结水等的流量，根据汽轮机组内部各设备或部件的热力过程耦台关系，建立复杂的质( 量) 流和能( 量) 流平衡方程，求解出汽轮机各汽缸的相对内效率、机组绝对内效率、热耗率。汽轮机组 熟力性能试验的本质意义，是通过工程容易实现蒸汽、给水或凝结水的温度、压力和主蒸汽或给水 或凝结水流量的测量，基于质流和能流平衡，估计出汽轮机各级抽气及主要漏汽的蒸汽流量。热力 发电厂汽轮机组热力性能试验的复杂性和最大难度，在于机组的热力循环系统在简单蒸汽朗肯循环 基础上增加了抽汽回热和中间再热，回热加热器型式和回热疏水连接的多样性，形成了错综复杂的 汽水质流分布；通过汽轮机轴端汽封及内部缸间汽封( 俗称过桥汽封) 的漏汽，实际钡j 量有很大的难 度，有时甚至根本无法测量，加上汽封间隙不可测和运行后汽封齿产生的磨损，轴封及门杆漏汽器 理论估算也有较大的不确定性和不正确性；汽轮机低压缸的排汽通常在湿蒸汽区，汽轮机排汽湿度 的精确测量国内外至今还没有得到很好解决，汽轮机排汽焓的确定又是一个难题：水蒸汽热力特性 参数的严重非线性性，给汽轮机组热力性能试验的数据处理增添了计算难度。 汽轮机组热力试验数据处理如果完全由手工计算，需反复查找水蒸汽热力特性参数图表和进行 迭代计算计算精度难以得到保证，对于中、大型机组计算工作置很大。要消耗技术人员大量的时 间和精力，工作效率低下。计算机的应用，解决了汽轮机组热力试验数据处理的复杂计算问题，但 要求处理软件不论机组容量大小和热力系统的复杂程度，具有通用的计算处理能力。另一方面，汽 轮机细热力性能分析除要求得到机组备缸的相对内效率和机组的热耗率等外，还要求得到描述各部 分质流、能流分布的热力参数平衡图。同时，为便于工程技术人员使用汽轮机组热力试验数据处理 软件，软件还应具备良好的人机图形接口界面和优良的计算处理能力，用户可通过图形接1 2 1 界面， 灵活进行机组热力系统组态并按相关部件的连接关系自动地生成热力试验数据处理的计算模型， 完成机组相对内效率、热耗率等计算和偏离设计工况的修正计算，且给出对应试验工况的热力平衡 图。因此，研究汽轮机组热力性能试验数据处理的通用算法，并开发出基于计算机图形接口界面的 可视化、智能化且便于发电厂及电力试验研究单位二次开发的分析软件，具有重要的实际意义和应 用价值。 1 2 相关工作 汽轮机组热力性能试验是在一定的运行条件下，观察机组的运行情况，通过热力计算评估机组 的性能。为了保证试验不受主观和客观条件的影响，得到绝对标准的性能结果，试验中必须遵循统 一的试验准则。美国机械工程师协会( a s m e ) 提出的汽轮机热力试验准则( a s m e p t c 1 9 9 6 - 6 ) ”1 被广泛认可和使用。这一标准对试验的方法、试验工具和各种数据处理方式都提出了严格的要求， 东南大学硕士学位论文 最大可能地降低由于试验本身导致的数据不确定性和结果误差。但是，该标准仅给出了试验的手段 和数据处理方式，对于试验的后半部分性能计算并没有特别的规定和说明，这就使得如何进行 有效、简便的热力性能分析计算成为研究课题。 近年来，越来越多的国内科研单位积极开展此领域的研究工作，并开发出了一定数量的相关软 件，如：四川电力试验研究院开发的汽轮机热力试验计算软件，西安交大研制的计算热平衡图自动 生成软件、清华大学的燃气蒸汽联合循环可视化仿真系统等。 四川省电力试验研究院从8 0 年代初就开始了关于研制热力试验计算机程序的工作，使用了回热 系统的矩阵解法，从而找到了编制热力试验计算通用程序的有效途径 2 1 f 3 1 。由于受当时计算机技术水 平和国内机组现状的限制，编制的程序通用性较差，对凝汽式机组和抽汽供热机组分别编制不同的 程序，而且是使用a g o l 语言和b a s i c 语言编写的。8 0 年代中期，再热机组增多，该院又开发了 包括凝汽式和再热机组的热力试验通用计算软件。随着计算机性能和技术的提高，这一时期开发的 软件开始在p c 机上使用。9 0 年代中期，该院用第三代程序设计语言c + + 开发而成新一代热力试验 计算工具。它实现了热力系统图的可视化生成，允许用户以搭积木的方式构建热力系统，引导用户 输入试验数据，自动选用数学模型和数据流程，完成相关结果的计算。然而由于没有把互操作性作 为主要的设计目标，该软件只能独立的工作，无法和其他的软件系统进行集成和交换数据。可扩展 性差是该软件的另一不足，具体表现为增加新的热力系统组件极为困难。 西安交通大学”崦用m i c r o s o f to l e 技术( 一种应用程序问数据交换技术) ，整合e x c e l 的表格计 算功能和v i s i o 的图形处理功能，开发了汽轮机组性能分析和热平衡图自动生成软件。该软件基本使 用步骤是：1 ) 在v i s i o 中绘制热力系统图，2 ) 在e x c e l 中输入热力试验数据并进行计算，3 ) 系统将 e x c e l 的计算结果插入到绘制好的热力系统图中。不难发现，该系统的一个显著缺点是，由于缺乏热 力系统图的制导，试验数据的输入不直观，用户必须仔细地将e x c e l 表格中的数据行与v i s i o 热力系 统图中的图形对应起来。另外，由于无法自动识别热力系统图拓扑连接关系，该系统的灵活性十分 有限，仅仅适用于少数几个回热系统确定的汽轮机。 清华大学热能工程研究所基于通用计算机集成设计系统，研制开发出燃气，蒸汽联合循环可视化 热力计算仿真系统t h c i d s t s 6 1 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dd e s i g n s y s t e mo f t s i n g h u au n i v e r s i t y ) 是，该软件 包为相当数量的常见热力系统组件建立了严格的数学模型( 主要是质量和能量平衡方程) ，用户根据 一定的配置将这些组件连接成特定的热力系统，交由t h c i d s 的通用流体网络处理模块进行仿真计 算，求解系统各处工质的基本热力参数和夔个系统的热经济指标。该软件包擅长与热力系统仿真， 主要用于热力发电厂的热力系统设计，在热力试验的结果分析方面能力却不突出。 国外在热力系统建模和分析软件的研发上起步较早，许多产品技术上已经成熟，这些软件通常 具有友好的图形用户界面，并具有良好的通用性和可扩展性。v g b 7 i 对目前国际上比较流行的1 6 种 热力性能计算软件；a s p e np l u s i ，c y c l et e m p o l g l ，e b s i l o n t ”j ，g a t ec y c l e i l l 】，g t p r o g t m a s t e r 【l “， i p s e p r o t l ”，k p r o 1 ”，m a s s b a l 05 】，p e p s e ，p r o a t e s 1 ”，p m s 沛1 1 8 】等进行了可用性评估，重点 考察了软件的功能、计算稳定性和用户界面友好程度等。在用户界面方面，国外同类软件多数都支 持可视化的热力发电厂的热力系统建模，例如美国s c i e n t e c h 公司的p e p s e ”1 允许用户从预定义 的图形化组件库中选取相应的电厂设备，按搭积木的方式，方便快捷地生成热力系统的物理模型。 与p e p s e 等独立的软件系统不同，有些热力系统分析软件则将可视化建模功能分离出来，交由其他 成熟的计算机辅助图形设计软件来处理，例如芬兰e n d a t 公司的p r o s i m t ”j ，该系统于1 9 9 4 年被移植 到了著名的通用二维制图软件a u t o c a d 之上，它借助a u t o c a d 强大的制图功能，完成可视化建模 的任务。在热力系统数学模型的求解方面，正如p r o s i m 依赖于a u t o c a d 进行可视化建模一样，有 些软件采用和第三方数学软件相集成的方法完成对热力系统的数值分析，如美国m a t h w o r k s 公司的 s i m u l i n k t ”1 ，其数学运算部分就是籍由著名的数学工具m a t l a b 实现的。在可扩展性上，许多国外同 类软件都允许由用户来定义热力系统组件的物理和数学模型，并允许用户自由的组合白定义的或预 定义的组件来生成特定的热力系统。其中，德国s i m t e c f i 公司的i p s e p r o i l ”在这方面的能力尤为突出， 该软件专门设计了一门模型描述语言m d l ( m o d e ld e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 来帮助用户定义组件的各种属 性，并基于此语言研制了相应的组件模型开发工具m d k ( m o d e ld e v e l o p m e m k i t ) ，为扩展l p s e p r o 的 功能提供了强有力的支持。 尽管国外热力系统建模与分析软件技术与功能占有较大优势，但价格很高，国内发电企业一般 难以接受。此外，国内外热力系统中许多通用部件的图形符号是不同的，英文软件在国内普及应用 2 第一章引言 有一定语言障碍问题。加上国外公司为保护自身的经济利益，多数软件都不开放源代码，即不提供 二次开发的接口，故调整或增加新的功能十分困难。 表1 1 编程语言之间的比较表1 2 扩展方式之间的比较 1 3 设计思路 如前所述，本文旨在设计一个通用的、自动化、可视化、可扩展的汽轮机热力系统建模和性能 分析软件：t u r m a l y z e r ( t u r b i n et h e r m a l s y s t e ma n a l y z e r ) 。总体上。我们将t u r m a l y z e r 划分为两个子 系统：图形图表处理子系统和热力性能分析子系统。图形图表处理子系统主要负责和用户交互帮 助用户绘制和打印热力系统图及热力平衡图；热力性能分析子系统主要负责根据热力系统图的拓扑 结构和主要工况的试验数据，依照一定的算法，计算热力系统的性能参数，两个子系统之间通过热 力平衡图进行数据交换，系统的总体工作流程如图1 1 所示。 可视化的电厂建模是u r m a l y z e r 的主要功能之一，这就要求图形图表处理子系统具有强大的功 能和良好的性能。而众所周知，完善的图形图表处理将涉及大量繁琐而细致的二维标量矢量图形编 程，如果此子系统完全由自己设计和实现，不仅开发的难度大、周期长，系统的功能、稳定性、可 靠性、易用性也难以保证。事实上，一个我们自己用v i s u a lc + + 写成的图形图表处理系统已经被证 明功能过于简单，界面不够友好，运行尚不稳定。针对以上的问题，我们决定采取另一种系统实现 的途径：基于已有的、成熟的图形图表处理软件开发我们的热力系统解决方案。m i c r o s o f tv i s i o 2 0 0 2 是一种业界标准的，功能强大的通用图形图表处理软件8 ，它擅长于图形化的表示各种结构信 息( 如建筑设计、电子电路、软件流程、网络拓扑) 并可将这些信息进行汇总、加工、编辑和输出。 特别是v i s i o 具有良好的可扩展性，用户可以用通过宏( 1 1 1 a c r o ) 、v i s i o 扩展库( a d d o n ) 、独立的可 执行文件( e x e c u t a b l e ) 、c o m 组件( c o ma d d i n ) 等多种方式，运用v b a 、v b 、v c 等多种语言扩展v i s i o 的功能，以满足特定应用领域用户的特定需求。其中，v b a 为v is i o ( 其实是所有的m i c r o s o f to f f i c e 套件成员，如w o r d ，e x c e l ) 内置的脚本开发语言。作为_ t 、- 与v i s i o 高度集成的编程语言，v b a 具 有众多的优点，如开发环境友好，具有与v b 类似的语法，简单易学，编程效率较高，其缺点是需要 解释执行，因此程序的运行速度相对较慢，且源代码保密性差，容易被恶意修改。在v i s i o 中，v b a 主要用来开发宏，有时候( 但很少) 也用来开发c o m a d d i n 。在几种编程语言中tv c 集成了c 语言 家族编译执行、灵活高效的特点用它写成的a d d o n 、a d d i n 和e x e c u t a b l e 具有良好的性能和安 全性，然而，用v c 开发v i s i o 的解决方案往往需要额外的开发包( 主要由一系列的v i s i o 运行时库 东南大学硕士学位论文 组成) 和编译器的支持，而且学习周期长，调试困难，开发效率较低。作为一种流行的快速开发语 言，v b 具有编译执行，开发效率较高，但是与v is i o 的集成度相对较低等特点，其各项指标介于v c 和v b a 之间。用v b 、v c 、v b a 开发v i s i o 解决方案的优缺点以及m a c r o 、a d d o n 、a d d i n 、s t a n da l o n e e x e c u t a b l e 的优缺点如表1 1 和表1 2 所示。经过仔细的考察和比较，我们认为开发速度和编程难 易程度是最为重要的考虑因素，因此决定采用v i s i o2 0 0 2 + v b a + m a e r o 来实现热力性能分析软件。 1 4 论文的成果 t u r m a l y z e r 可以帮助用户绘制和打印热力系统图和热力平衡图，输入和处理相关的试验数据 完成电厂的性能计算以及其他与电厂建模相关的工作。另外，t u r m a l y z e r 还可以和其他o f f i c e 软 件有效的协同工作，如可以方便的在热力系统图和热力平衡图中插入e x c e l 表格，并自动得将图中 的数据导出e x c e l 表格当中。不仅如此，它还能帮助用户方便的分析、评估：改变运行环境和条件 的影响、政变电厂设备的影响、单个组件的性能。同时，t u r m a l y z e r 还可以用于：设各设计、性能 评估、查找失效部件、技术改造评估、预测及保证运行性能计算、设备选型、方案对比的热力及经 济性能计算，以达到最优化的经济效益。综上，自主设计和开发的t u r m a l y z e r 将在我国电厂的设计、 运营和管理上发挥应有的作用。 4 第二章汽轮机组热力系统性能分析 第二章汽轮机组热力系统性能分析 2 1 汽轮机组热经济性指标 汽轮机组热力试验获得的原始测量数据无法直接用于评估机组的经济性能，这些数据必须通过 一定的计算处理，使用统一热经济指标来评估机组的运行状况。效率法和熵方法是评估电厂热经济 性的两种方法口”。效率法以热力学第一定律为基础，以能量守恒为依据，从数量上计算各热力设备 至整个电厂的热效率。熵方法则以热力学第一、第二定律为基础，其实质是j | c 爿j 平衡，揭示了热功转 换过程中的不可逆性引起的做功能力损失，以燃烧化学能的利用程度来评估火电厂的效益，主要用 于定性分析。目前，热力性能试验数据处理主要计算汽轮机各汽缸的相对内效率、循环热效率、绝 对内效率和热耗率、汽耗率等定量热经济性指标。 2 1 1 相对内效率 汽轮机本体( 包括主汽i q s n 调节汽门) 是蒸汽作功的通道，蒸汽在汽缸内完成蒸汽热能向旋转机械 能的转换。由“汽轮机原理”己知，蒸汽在汽轮机通流部分膨胀、作功过程中，存在着多种气体动 力学损失和多种漏汽损失等，进入汽轮机通流部分蒸汽的热能不可能全部转换成转子旋转机械功。 通常用汽轮机通流部分的实际比焓降u e 与理想比焙降a e ( 女n 图2 1 ( a ) 所示) 的比值的描述通流部 分的能量转换状况【2 2 】，其比值称为相对内效率( 或焓降效率) 吼，即，： 研= u e a e ( 2 1 ) 由上式可知，汽轮机的相对内效率测量较为简便，只要汽缸完全处于过热蒸汽区，高、中压缸 的相对内效率仅与进出i s 的蒸汽状态有关，即汽轮机的相对内效率可用焓降试验来评估。汽缸的实 际焓降可以通过测量进出口状态点的温度、压力方便地获得，如图2 1 ( b ) 所示。 隆“ ( a ) 朗肯循环相对内效率( b ) 回热再热机组汽缸相对内效率 图2 1 相对内效率 计算高、中压缸的相对内效率时，我们利用水蒸汽区补充模型( 见2 4 1 ) 来计算等熵过程的 焓值，获得汽缸的理想比焓降值，运用焓降法求得相对内效率。如图2 1 ( b ) 说明，已知a 点的p 、 t ，c 点p 、t ，求c 点h 。 p ，、t n 呻k 、s a ：p c 、s 4 _ + h b ；p c 、t c jh c ； q 。= t d h j ，卿o - h 0 ( 2 2 ) 2 1 2 循环热效率和绝对内效率 汽轮机装置的整个热力循环中存在着很大的冷源损失，特别是汽轮机的排汽( 即乏汽) 在凝汽 器中释放汽化潜热凝结成水，所以加给l k g 蒸汽所需的热量远大于l k g 蒸汽的理想比烩降，将汽轮 机热力循环中单位质量蒸汽的理想焓降与所吸收的热量之比称为循环热效率吼。把进入汽轮机单位 质量蒸汽在通流部分的实际焓降与整个热力循环中单位质量蒸汽的吸热量的比值称之为汽轮机的绝 对内效率仇。，即汽轮机的绝对内效率是循环热效率与相对内效率之积。很明显，提高热力发电机 东南大学硕士学位论文 绸的经济性，不仅要求汽轮机通流部分有较高的相对内效率，还要通过回热系统优化设计，提高机 组的循环热效率【2 。 图2 2 ( a ) 为一个简单的凝汽式发电机组，其主循环是朗肯循环，汽轮机组的绝对内效率为( 理 想状况) ： r o ，= ( 一魄) ( 如一鱼) = ( q l q 2 ) q l = 1 一9 2 q 1 = 1 一正耳 ( 2 3 ) 其中：q 2 = 吃一h 4q 2 = 岛一啊 s ( a ) 带有回热的循环( b ) t - s 图 图2 3 蒸汽回热热力循环 对于抽汽回热、中i q 再热机组，在分析循环热效率时，一般采用下列计算表达式： r , = w f q o ( 2 4 ) 其中：1 k g 新汽比内功为： = + 口睹一( 吼曩+ 吃+ ) k j k g ( 2 5 ) 1 k g 新汽的比热耗：q o = + 口小q 地一向加 k j k g ( 2 6 嘶，h 。j 抽汽系数、抽汽蒸汽焙( k j k g ) ； 翰，：辅助蒸汽系数、辅助蒸汽焓( k j k g ) ； q c ： 进入凝汽器的排汽流量系数、凝汽器的放热量( k j k g ) ： h o ，：主蒸汽焓，锅炉给水入口焓( k j k g ) ； a r h ，q m ： 再热蒸汽流量系数和l k g 再热蒸汽吸热量( k j ，k g ) ： 6 第二章汽轮机组热力系统性能分析 2 1 3 其他指标参数 汽轮机运行时，为了克服径向轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵和调速器，都要消 耗一定量的机械功率，这三项功率消耗之和称为汽轮机的机械损失，表示汽轮机的机械效率；考 虑到发电机的机械损失和电气损失，用叩窖表示发电机效率。汽轮发电机组的绝对电效率仉。f 对i i f - 的热经济性起着决定性作用，是评估汽轮发电机组工作完善程度的一个重要指标： ，d2 仉，7 m 对于汽轮发电机组，除用效率来表示其经济性外 和热量来表示其经济性： ( 2 7 ) 还经常用每生产1 k w h 电能所消耗的蒸汽量 每l k w h 电能所消耗的热量称为热耗率：q = 3 6 0 0 r , , “ 每l k w hi i i i i i _ i i 耗的蒸汽量称为汽耗率：d = q q o ( 2 8 ) ( 2 9 ) 汽轮机热力试验的目的就是通过各种效率来评估汽轮机组中的整个能量转换过程中不同阶段的 完善程度。在考虑整个电厂的热经济性时，由于以上的分析均没有考虑锅炉的效率，管道效率和厂 用电等，因此整个电厂的电效率要比汽轮机组低，而热耗率和汽耗率比汽轮机组的高【2 4 】。 2 2 现有的数学模型及分析 回热作为提高机组和全厂热经济性最有效的手段，被当今所有热力发电厂的汽轮机系统采用。 如无特别说明，下文讨论的电厂热力系统，均指回热( 机组) 热力系统。回热系统既是汽轮机热力 系统的基础，也是电厂热力系统的核心，对机组和电厂的热经济性起着决定性作用。回热系统带有 抽汽，使得汽轮机中膨胀做功的蒸汽量是变化的，即机组的做功不仅与其进口状态和排汽状态有关， 还与抽汽流量有关，计算时必须减去由于抽汽回热引起蒸汽作功的不足。目前通常采用的热力系统 分析方法有：热平衡法，等效焓降法，循环函数法等。热平衡法是其他两种方法的基础，作为一种 般的方法，其使用上没有范围的限制。但是传统的热平衡法计算分析步骤却比较繁琐，这一缺点 在系统的结构发生变动时尤其突出。针对这个问题，学者们相继提出了适合于回热系统快捷计算的 等效焓降法，循环函数法等。在这一节里，我们首先介绍热平衡法，然后在此基础上讨论等效焓降 法和循环函数法。 2 2 1 热平衡法 常规的热力计算方法可分为定功率和定流量计算两种。定功率计算又称为反向计算，此法将机 组的电功率作为定值，通过计算求得所需的蒸汽量和各抽汽口参数，进而计算出当前玉况下机组的 热经济指标。定功率计算法在设计、运行部门用得较为普遍是热力发电厂技术经济比较的基础。 定流量计算又称为正向计算，它将进入汽轮机的蒸汽量作为定值，计算发电功率。这种方法主要用 图2 4n 1 2 5 1 3 2 4 5 5 0 5 5 0 型汽轮机组热力系统 7 东南大学硕士学位论文 热平衡分析法是针对每一个流量、热量节点建立流量、热量平衡方程，反缺整个热力系统的质 量分配、能量转换过程。以图2 4 所示的回热系统为例，热平衡法计算一般采用“由高到低”的顺序， 即从高压加热器开始，依次进行到较低压力的加热器，依次逐个求出各级抽汽量。热平衡法的核心 是建立由z 个加热器热平衡式和一个功率方程式、或一个求凝汽器流量的物质平衡式所组成的( z + 1 ) 个线性方程组。各加热器热平衡式的书写原则为：吸热量= 放热量n h ；或者是流入热量= 流出热 量，其中流入热量中应乘以蒸汽焓的利用系数nh 。拟定热平衡式时，可以根据需要与简便的原则，选 择最合适的热平衡范围，必要时可以考虑将加热器与周围的辅助设备或是几个加热器看成是一个整 体来计算。图2 4 中热力系统的热平衡方程组如式2 1 0 所示。 n o i ：口l ( 啊一红1 ) = 丸1 一九2 n o 2 ：口2 ( 吃一红2 ) + q ( 纯l 一玩2 ) = k 2 一九3 n o 3 ：0 c 3 缟+ 吒37 0 4 + ( 口l + 口2 ) 吃2 + 口门h i 3 = k 3 n o 4 ：口4 ( 啊一吃4 ) = d 。3 ( 4 一九s ) ( 2 i 0 ) n o 5 ：口5 ( 绣一凡5 ) + a 4 ( 凡4 一红5 ) = 3 ( 九5 一6 ) n o 6 ：魄+ 口，6 自r 6 + 吼6 7 + ( q + 岛) = 哎3 6 o 7 ：a 7 _ l z 7 + 。+ 口r 7 h i 7 = 吼6 k 7 2 2 2 等效焓降法 等效焓降法是一种研究热力系统小参数变化对机组热经济性影响的简化近似计算法，基于汽轮 机通流部分热力过程膨胀线( 即h - s 图) 根据热力学第一定律，运用热量平衡和质量平衡的基本原理， 从热功转换过程及其变化规律中推导出一个重要的参量等效焓降，此参量用于分析蒸汽动力装 置和热力系统的经济性。该法者眼于各般蒸汽的做功能力，逐级求取各级加热器的抽汽等效焓降及 新蒸汽等效焓降，然后分析各种附加成分对循环热效率的影响。等效焙降法将实际热力系统看作主 循环系统( 一般为纯回热系统) ，增加一些辅助性成分，如轴封利用、连续排污和补充水等。当主循 环系统发生微小的变化时，变化的部分也可作为辅助漏汽系统来处理。对于不同性质的附加成分， 其等效焓降增量的计算方法也不相同，可以单独计算由此所引起的新蒸汽等效焓降增量口”。等效焓 降法通过珥和聃分析计算辅助系统所引起的工质和参数变化，得到相应的经济指标变化的方向和数 值，最终得到所要求的实际热力系统的热经济性指标。岛表示i k g 蒸汽在汽轮机中从j 级至排汽口 所做的内功，哺是j 级加热器的等效焓降与获得热量之比，等效焓降的通式为： 三 h ，= 伪一见) 一 a ，见+ 幻。 ( 2 1 1 ) jj + 一7 r = j + l 根据第级加热器的型式的不同，式中的4 可以取弓或知，r 为，级加热器之后更低压力抽汽口的下 标。若7 为汇集式加热器( 如除氧器) ，则所有的a ，均取作印若，为串联疏水加热器，则从，级向下 ( 按汽轮机疏水下排的汽流方向) 直到7 级后第一个汇集式加热器( 包括汇集式加热器) a ，取作弦， 该汇集式加热器以下( 按汽轮机中的汽流方向) 的4 取作耳。却m 为i k g 被斥回入汽轮机的汽流所 引起的再热器吸热量的变化量，只有当，级是高压缸排汽时才存在，而当，级为中、低压缸的排汽时， 就不存在，显然，对于非再热机组，4 q m = 0 。 对于疏水运级自流的表面式加热器，如图2 5 ( a ) 所示，其q 对由汽蒸汽放热量) 、f ( 给水焓 升) 、y ( 疏水放热量) 与实际的物理意义一致；对于混合式加热器以及用泵将疏水打入凝结水的表 面式加热器，如图2 5 ( b ) 所示， 其q ( 蒸汽入口焓- 给水入口焓之差) ，y ( 疏水焓- 给水焓) 以给水焓为基础： ( a ) 疏水逐级自流加热器 8 第二章汽轮机组热力系统性能分析 ( b ) 汇集式加热器 图2 5 加热器 有时，为简化计算，各级抽汽的等效焓降可以按照递推关系根据己知的等效焓降求取，具体的 递推关系式与相关加热器的类型有关。各种加热器的等效焓降关系列举如下： 疏水逐级自流加热器之间的等效焓降为：( 参见图2 4 中的l 一2 ，4 5 级加热器) h j = ( 矗，一h j + 】) + ( 1 一二! 二l ) h f + l k j k g ( 2 1 2 ) q j + l 汇集式加热器之间的效焓降为：( 参见图2 4 中的3 6 ，6 7 级加热器) q = ( _ 一吃) 一，+ h ；k j k g ( 2 1 3 ) r = j + lt t 7 汇集式加热器与疏水逐级自流加热器之间的等效焓降为( 其中m 为下一个汇集式加热器的 级数，参见图2 4 中的3 4 级加热器) q 砒一h j + ”+ ( 1 一导一点：一，莓：。j k g 1 4 ) 锅炉可视为汇集式加热器，经与等效焓降相同的推演，可整理出新蒸汽的等效焓降为： 1 = ( 一) 一耳+ a q m k j k g ( 2 1 5 ) r f f i l t r 各种辅助成分主要可以从以下方面进行考虑：1 ) 纯熟量进入系统，指没有汽水工质引入系统， 只有热量引入系统的方式：2 ) 工质出入系统：即有流量又有热量进出系统，可分为蒸汽引入系统 的加热器汽侧、热水因如系统的给水主流、热水引入系统的疏水管路、气态工质由系统引出、热水 又住给水管道引出等。 根据以上分析，对图( 2 4 ) 的热力系统主循环使用等效焓降法计算公式如下： h 7 = 玛一趣 h 6 = ( 魄一吃) 一q 马g ， h 5 = ( 魄一以) 一，6 9 6 一勺h 7 q 7 峨= ( 吃一h o ) 一扎也q 5 一蚝峨q 6 一v 7 h 7 q ， h 3 = 氓一h l t 4 h4 | q 4 一t s h s | q s t 6 h6 fq 6 一t 1 h 1 | q 1 h 2 = ( 一睫) 一心也9 3 一f 4 风9 4 一t h s q 5 一h 6 q 6 一q h 7 q 7 + a q m h 1 = 氓一h j y 2 h 2 iq 2 一y 撑3 q 3 一t 4 h 4 q 4 一f s hs q ，一f 6 h 6 q 6 一t 1 h 7 q 1 + a q m i t o = t h o h j f i h l q t 下2 h 2 q 2 t 3 h j q 3 一王4 h 4 q 4 f 5 h 5 q s t 6 h 6 q 6 一薯7 h 1 iq 1 + q m ( 21 6 ) 辅助汽水以进入除氧器汽侧的蒸汽为例，份额为卿焓值为* 的蒸汽进入加热器汽侧后，计算 该附加成分的损失做功h f ： 兀3 = 口门【( ，3 一趣) 一( h 3 一魄) + 编一( 坞一吃) ( 2 1 7 ) 对每一附加成分求出n 后，就可计算出新汽的等效焓降： h = u o 一l - i ( 2 1 8 ) 矾= h q ( 2 1 9 ) 若热力发电厂的热力系统结构一定，在单元制运行的某工况下，只要新汽、再热汽、排