基于能量平衡法的以热定电数学模型研究.pdf

第 56 卷 第2 期 20 14 年 4 月 汽轮机技术 T U R B IN E T E C H N O LO G Y V 01 5 6 N o 2 A pr 2 0 14 基于能量平衡法 的以热定 电数学模型研究 王 漪 ， 薛永锋 ， 张 敏。 ， 王 聪 (1 辽宁省电力有限公 司， 沈阳 110006 ； 2 国电科学技术研 究院沈阳电力技术分 院， 沈阳 110006 ； 3 东北电力科学研究院有限公司， 沈阳 110006； 4 奥克兰大学， 新西兰 奥克兰) 摘要： 为了缓解供热季节电网调峰压力， 合理安排电量计划及最大限度吸纳风电， 基于供热机组以热定电在线监测 系统， 提出了能量平衡法。通过进入汽轮机和排出汽轮机的能量进行平衡计算， 确定不同采暖抽汽流量和工业抽 汽流量下机组发 电负荷 的关 系 ， 可以准确计算 出机组在不 同的采 暖抽汽流量 和工业 抽汽流量情 况下最 大可增 出力 和可减 出力 。 关键词： 供热机组； 以热定电； 能量平衡； 调峰 分类号 ： TM 73 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1001-5884 (2014 )02-0150-03 R esearch on M athem ati cal M odel of O rderi ng Pow er by H eat B ased on E ner balance M ethod W A N G Y i ，X U E Y ongfeng ，Z H A N G M i n ，W A N G C ong (1 Li aoni ng Electri c Power Company Li m i ted， Shenyang 1 10006， Chi na； 2 Guodi an Sci ence and Technology Research Insti tute， Shenyang 1 10006 ， Chi na；3 Northeast Electri c Power R esearch Insti tute C om pany Li m i ted ， Shenyang 1 10006 ， Chi na ； 4 The Uni versi ty of Auckland， 12 Grafton Road Grafton 1010， New Zeand) A bstract ： In order to ease the pressure of heati n g season peak regu lati on ， reason ab le arrangem ent of electri ci ty plan ， and th e m axi m u m w i nd pow er ab sorpti on ， the m ethod of energy-balance m ethod i s p ut forw ard on the b asi s of on li ne m on i tori ng of o rd eri ng p ow er by heat i n heatsup ply turbi ne un i ts i n thi s pap erT hrough the balan ce calcu lati on of E nter and exh aust steam tu rbi ne energy， determ i n e uni t h eati n g an d i n du stri al extracti on steam fl ow and pow er load ， i t can accurately calculate th e m axi m u m i ncrease output an d redu ce o utp ut i n di fferent heati ng an d i ndu stri al extracti on steam fl ow cond i ti ons K ey w o rds ： hea t-su p p ly tu rb i n e u ni ts ； ord eri n g po w er b y h eat ； en ergy -b a lan ce ； p eak regu la ti on 0 前言 供热机组在各类燃煤机组中整体热效率是较高的， 同时 集中供热取代了大量的锅炉房， 改善了大气环境， 提高了能 源利用效率， 热电联产企业对我国经济社会发展做出了重要 贡献。国内很多学者对火电机组热经济性 I4 J、 热电负荷最 佳分配方法 lo 方面进行了大量的研究。但在肯定热电联产 机组的重要作用同时， 也必须看到热电联产机组运行管理方 面还存在的诸多问题。部分省份热电联产机组运行的动态 信息尚未采集和分析 ， 缺乏科学量化控制和有效监督 ； 不少 热电企业供热与供电比例失衡， 有的热负荷与发电量计划不 匹配， 直接影响节能减排、 吸纳风电等绿色能源的能力 及 资源优化配置。以往通常由政府相关部门组织年度核查 ， 确 定机组最小开机方式 J， 这种方法远远不能满足 电网发 电计 划编制和电网调峰的需要。为此， 在保证供热参数的同时， 如何解决供热与供电， 供热与电网低谷调峰这一对矛盾已迫 在眉睫 j。建设热电机组在线监测系统 ， 将发电机组有关设 备的供热基本参数进行实时监测 “ ， 对现场数据计算分 ，差班究精确的 热定电数学模型， 运用科学手段对其运 收稿 13 期 ： 2013 7-04 行情况实施在线实时监控 ， 随时掌握热电机组的供热情况及 其出力可调范围， 实现对热电机组的科学管理， 科学合理地 安排供热机组参加电网调峰， 充分发挥供热机组调峰的潜 力 ， 搞好“ 三公” 调度交易工作。 1 能量平衡法的特点及原理 为了科学合理地进行以热定电， 研究开发一套精确实用 的数学模型 至关重要。建立以热定电数学模型的方法 很多， 主要有 ： 供热工况图法 、 蒸汽做功能力法 、 完整热 力计算法 等。以上 3 种方法都有各 自的优点， 但在实际 应用过程中也有很大的缺点。工况图是在设计的额定压力 下绘制 的， 如果抽汽压 力发 生变化 ， 查 取 的数据将 出现较 大 偏差， 同时供热改造后的机组， 制造厂不提供工况图， 所以无 法对此类机组进行发电能力的计算 ； 蒸汽做功能力法根据抽 汽量变化反映蒸汽做功能力， 但需要得到机组主蒸汽做功能 力的准确数据 ， 而且在机组每次大修后蒸汽的做功能力都会 发生变化 ， 造成计算的误差较大。完整热力计算法需要制造 厂对所有机组进行核算， 计算不同抽汽流量、 不同抽汽压力 下的汽轮机特性 ， 耗费人力和财力较大。 作者简介 ： 王漪(1962一 ) ， 男 ， 博 士 ， 高级工程师 ， 从事 电力系统和 电力市场理论及运营技 术的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 王漪等 ： 基于能量平衡法的以热定电数学模型研究 15 l 针对以上 3 种方法的不足， 本文提出了一种新的以热定 电数学模型 能量平衡法。能量平衡法是将所有进入汽 轮机和排出汽轮机的能量进行平衡计算 ， 得到不同采暖抽汽 流量和工业抽汽流量下机组发电负荷的关系。该方法具有 物理意义清晰、 推导过程严谨、 模型简捷实用、 计算结果准 确、 适用范围广等特点， 可以准确计算出机组在给定的采暖 抽汽流量和工业抽汽流量情况下调峰出力范围。 图 1 是一般性汽轮机简化热力图， 一些机组和图中所示 机组有部分区别。图中， D 表示主蒸汽流量； 表示主蒸汽 焓； hH表示高压缸排汽焓； h 表示中压缸进汽焓 ； D 表示工 业抽汽流量； 表示工业抽汽焓( 图中的机组 h = h ， 部分 机组 h = h )； D 表示采暖抽汽流量 ； 表示采暖抽汽焓； D 表示各段抽汽流量 ； 毗， (i = 1， 2 )表示高压缸各段抽汽流 量占D 的比例； ， (i =3， 4 ， 5)表示 中压缸各段抽汽流量 占 D 的比例； ， (i = 6 ， 7 ， 8 )表示低压缸各段抽汽流量 占D 的 比例(部分机组没有八段抽汽， 即 = 0 ) ； h (i = 1， 2 )表示 高压缸各段抽汽抽汽焓 ； h (i = 3 ， 4 ， 5 )表示中压缸各段抽 汽抽汽焓 ； h (i = 6 ， 7 ， 8 )表示低压缸各段抽汽抽汽焓； D 表示低压缸排汽流量； h。 表示低压缸排汽焓； P 表示发电机 功率。 采暖抽汽 D |， h 8 图 1汽轮机简化热 力图 2能量平衡法电力模型的计算公式 P 输人汽轮机的总能量 Q 。 的表达式为： Q l ：D h + D 一( 1 + 2)D h肼 (1) 输出汽轮机的总能量 Q：的表达式为： Q 2 = lD h l + 2D h + D H 一( l + 2)D h + O 3D h + 4D 。 h + 5D h d + 13 6D h + 7D 。 h 7 + a8D h稿 + D ghg + D dhd + D hp + P f (2 ) 式中， P 为汽轮机内功率。 根据能量平衡原理， 输入汽轮机的总能量 Q 等于输出汽 轮机的总能量 Q ， 整理后得出汽轮机内功率的计算公式为： P 。= D h + D 一( 1 + 012)D h 一 D 一(O l + 2)D hH 一 ( lh 1 + 2h + 3h + O 4h + 5hd + 6h + ， h + 8h豳)D 一D hg D dhd D hp (3 ) 发电机功率 P 与汽轮机内功率 P 的关系为： P = (P 一P ) 叼 (4 ) 式中， P 为机械损失； 为发电机效率。 将式(3 )代人式(4 )得出发电机有功功率的计算公式为： P = D Hh日+ D 一( l + 2)D h肘 一 D 一( 1 + 2)D 。 h 一(o h l + 0f2hH + 3h + 4h + 5hd + 6h + 7h + 8h胡)D 一 D ghg D dhd D hp P r (5 ) 主蒸汽流量表达式为： D = D + D d + D + D (6 ) l + 2 + OL3 + 4 + 5 + a6 + 7 + 8 = 1 (7 ) 当计算机组最小负荷时， 低压缸排汽流量 D 已知， 为低 压缸最小冷却蒸汽流量， 利用焓差来计算机组的功率， 物理 意义清晰。所以最小负荷的表达式为： P i = D g(h日一h日 + h 一h ) + D d(hH h + hM hd) 8 +Dc 一 h + o i ( 一 ) 8 8 + ( 一 h )+ oi ( hg) 8 8 + ( 一 )+ O i ( 一 ) 8 + (3 i ( 一 h )+ 。 ( 一 h胡 ) + D (hH hH + h h ) 一P 叼 = 。 D + 6D d + cD 田+ P 叩一Pmr (8 ) 式 中， El, = (hH h + h h ) ； 6 = (hH hH + hM hd)叩； B 8 c= h 一 h 。 + OLi ( 。 一 h )+ OLi ( 一 h ) 8 8 + ( 一 )+ ( 一 ) 8 8 + ( 一 )+ ( 一 h胡 ) + 8(h 一h ) P = D (hH hH + hM h ) 。 当计算机组最大负荷时， 主蒸汽流量 已知， 为汽轮机 TM C R (最大连续出力)工况下主蒸汽流量， 利用焓差来计算 机组的功率， 所以最大负荷的表达式为： P ： D (hH hH + hM hP) 一D g(hg hp) 一 Dd(hd hp) 一D。 h础一hP + ( l + 2 + 3 + 4 + O 5 + 6 + O 7)(h 一h ) + ( l + 012 + 3 + 4 + 5 + 6)(h 一h ) + ( l + O 2 + 3 + 4 + 5)(hd h ) + ( 1 + 2 + 3 + 4)(h 一hd) + ( 1 + 2 + 3)(h 一h ) + (2 l + 2)(h埘一h) + 1(h。 1 一h ) 一P = 田 P H dD 一eD d 一尼 D tr7 一P m (9 ) 式 中， P = D H (hH hH + h 一h ) ； d = (h 一hp)叼； e = (hd hp)r ； 7 6 = h 一 h + ； ( h胡 )+ OLi ( 一 ) 5 4 3 + ( -h )+d ( -h )+ ( -h ) 2 + OLi ( 一 h )+ 。 ( 。 一 )o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 152 汽轮机技术 第 56 卷 3 结论 随着国家节能减排政策的实施、 国网公司加大跨区跨省 电力电量交易力度实现更大范围的资源优化配置以及风电 等绿色能源容量和供热机组所占火电机组的比重的增加 ， 以 热定电工作就越彰显其迫切性和重要性。 根据对汽轮机能量平衡分析， 提出了能量平衡法建立以 热定电数学模型 ， 并对其理论和算法进行了全面的分析研 究， 丰富和发展了以热定电的理论和方法。 能量平衡法具有物理意义清晰、 推导过程严谨、 模型简 捷实用、 计算结果准确、 适用范围广等特点， 可以准确计算出 机组在给定的采暖抽汽流量和工业抽汽流量情况下最大可 增 出力 和可减 出力。 参 考 文 献 华敏， 沈林成， 龚云贵， 等 一种分析热力系统热经济性的新 方法 凝汽 系数法 J汽 轮机 技术 ， 2010 ， 52 (6)： 421 4 2 3 于淑梅 ， 李金磊汽 轮机组不同运行方式热经济性 比较 的通 用 数学模型J汽轮机技术 ， 2010， 52(1) ： 27 28 李勇 ， 张斯文 ， 李慧基 于改进等效 热降法 的汽轮机热 力 系统热经济性诊断方 法研 究 J汽 轮机技 术 ， 2009 ， 51(5 )： 3 3 3 33 7 李书营 ， 何雪梅基 于热经济学矩阵模式 的发电厂热力 系统经 济性分析J汽轮机技术 ， 2008， 50(5)： 378 379 吴龙， 袁奇， 刘 昕 供热机组热电负荷最佳分配方法分 析 J中国电机工程学报 ， 2012 ， 32(35)： 6 12 6金建国， 国文学， 姜铁骝， 等 供热机组问热电负荷最佳分配的 研究J汽轮机技术 ， 2007 ， 49(2)： 90 96 7 魏昭峰风电在我国能源发展中的定位J中国电力 ， 2011， (4 ) ： 1 5 8张灵凌 热 电厂最小运行方式分析 与监管研 究D 北京 ： 华 北 电力大学 ， 2011 40 49 9 盛德仁， 陈坚红， 李蔚， 等 供热机组间热电负荷优化分配的 研究J动力工程 ， 2001， 21(6)： 1560 1563 1O 孙玮， 尚力， 刘继东， 等山东热电联产机组在线监测系 统的研究 J热力发 电 ， 2009 ， (11)： 9O 一92 11魏豪， 刁学广， 赵伟东供热电厂热电负荷优化分配系统的 研制J东北电力技术 ， 2002， (11) ： 15 一 l8 12 姚立强， 郭江龙 ， 王兴国， 等 调节抽气式汽轮机参与电网调 峰的负荷特性分析J汽轮机技术 ， 2009， 51(1)： 61 63 13 王兴国 ， 何 燕玲 ， 张海 良供热机组调峰运行 中的最小 出力分 析 J河北 电力技术 ， 2006 ， (6 )： 46 48 14 初立森 ， 李敏 ， 李海 峰供热 机组 的热 力与 运行 特性 探讨 J 吉林 电力 ， 2009 ， (6)： 1 5 15谢春林 ， 薛永锋 ， 王松岭供热机组在线监测系统 以热定 电模 型研究J东北 电力技术 ， 2012 ， (7)： 9 11 16 王漪， 薛永锋， 邓楠 供热机组以热定电调峰范围的研究 J中国电力 ， 2013 ， 46(3)： 59 62 17倪 景 峰热 电联 产 机 组 以热 定 电运 行 的研 究 及 软 件 实施 D 北京 ： 华北 电力大学 ， 2004 18杨伟光 ， 鲁爱 ， 李学刚供热机组在线监测 系统调峰计算方 案研究J 吉林电力， 2010 ， (6)： 5 7 19李维特 ， 黄保海汽轮机变工况热力计 算M 北 京 ： 中 国电 力 出版社 ， 200 1 (上接第 87 页) 的问题， 提出了径向滑动轴承变形与润滑耦合设计的双间隙 协调方法并构造了相应的膜厚方程和双间隙确定方法。该 方法的基本思想是对 目前经典润滑理论中处理成一段 圆弧 的， 依据变形的大小处理成分别代表变形区和非变形区的两 段圆弧， 从而达到利用经典润滑理论近似求解计入弹性变形 的轴承性能的目的。这种模型和算法对于重载或低黏介质 轴承尤 为重 要。 (2 )针对某重 载圆弧轴 承 ， 通过 A N SY S 和经典 润滑理论 轴承计算软件迭代 ， 对计入瓦体变形的轴承性能及实际瓦面 型线进行计算 ， 并提出了变形控制技术， 即通过改变瓦体结 构及约束方式控制瓦体变形， 从而达到合理利用瓦体变形的 目的。改善结构下的轴承最大变形量为73 4ILm ， 约为一般 流体动力润滑模型下最小膜厚的68； 弹流模型下改善结构 的轴承最小膜 厚与一般 流体动力 润滑模 型相 比约 增大 18 6， 可见瓦体变形不容忽视。 (3 )以重载工况下受关注的轴承最小膜厚和最大油膜压 力等效为目标， 利用本文提出的双间隙协调方法以某重载轴 承为对象进行了等效双间隙的确定及性能求解。利用双间 隙方法计算得到的轴承性能与弹流模型结果较吻合， 与一般 流体动力润滑模型相比， 轴承的最小膜厚误差由15 7减小 为4 7。双间隙协调方法有效解决了计算精度与效率之间 的矛盾 。 参 考 文 献 1 张国渊 ， 陈大治， 袁小 阳， 董光能轧机油膜轴承设计技术研 究 J太原科技大学学报 ， 2006， 27 (s0)： 24 27 2 段芳莉 ， 魏云 隆弹性变 形对径 向轴 承弹 流润 滑性能 的影 响 J 润滑与密封， 2000， (6)： 9 一l1 3 张直明 ， 张言羊 ， 谢友 柏 ， 等滑 动轴 承的 流体动 力润 滑理 论 M 北京 ： 高等教育 出版社 ， 1986 4 李维特根据润滑理论求解轴承特性的新方法 J汽轮机技 术 ， 2007， 49(03) ： 175 178 5 YUAN Xi aoyang， CHENG Zhi lan， et a1A three Di mensional TE H D M odel a