（控制理论与控制工程专业论文）耗差分析通用软件的开发及应用.pdf

摘要 耗差分析方法通过对实际运行煤耗与设计煤耗的偏差进行分析，定量计算出各 因素对煤耗的影响，为经济运行、经济性诊断以及故障渗断等提供可靠的理论依据。 本文采用了矩阵分析方法进行经济性能指标计算；采用顺序扰动解除法进行能损 ( 耗差) 分析；建立了热力系统主要设备的经济性能计算模型；采用v c + + 编程工具 和o p e ng l 技术构建了耗差分析系统的图形组态环境，基于面向对象的编程思想编 制了耗差分析计算软件，较好的实现了耗差分析系统的可组念化和通用性。 关键词：耗差分析，性能计算，组态，面向对象 a b s t r a c t f h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e v i a t i o no ft e a lc o a lc o n s u m p t i o nf r o mi t st a r g e tv a l u e ， e n e r g y l o s sa n a l y s i sm e t h o dc a l c u l a t e st h ei n f l u e n c eo nc o a lc o n s u m p t i o no fk i n d so ff a c t o r s q u a n t i t a t i v e l y ，p r o v i d e st h e o r e t i cb a s i sf o re c o n o m i c a lr u n n i n g ，d i a g n o s i n go fe c o n o m ya n d d i a g n o s i n go ff a u l t t h i sa r t i c l eu s e dt h em a t r i xa n a l y s i sm e t h o dt oc a r r yo nt h ee c o n o m i c a l p e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o n ；u s e d o r d i n a ld i s t u r b a n c eu n c h a i n i n gm e t h o dt o a n a l y s i s t h e e n e r g y l o s s ；e s t a b l i s h e dt h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mm a i ne q u i p m e n te c o n o m i c a lp e r f o r m a n c e c o m p u t a t i o nm o d e l ；u s e dt h ev c + + p r o g r a m m i n gt o o la n do p e ng lt e c h n o l o g yt oc o n s t r u c t t h e g r a p hc o n f i g u r a t i o n e n v i r o n m e n to f e n e r g y - l o s sa n a l y s i ss y s t e m ；e s t a b l i s h e d t h e e n e r g y l o s sa n a l y s i sc o m p u t a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt h o u g h t ， r e a l i z et h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ev e r s a t i l i t y z h a n gh o n g t a o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o es u nw a n y u n k e yw o r d s ：e n e r g y l o s sa n a l y s i s ，t e c h n i c a lc a l c u l a t i o n ，c o n f i g u r a t i o n ，o b j e c t o r i e n t e d 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文耗差分析通用软件的开发及应用， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名：弘连艮 日甄：冲1 6 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：旌逮趁 导师签名：鸳垒互墨 日期：赵型： ：l q期：塑丛! ! 鱼 华北电力人学硕卜学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章引言 能源是人类赖以生存和推动社会进步的重要的物质基础。在人类当今所使用的 能源中，绝大部分来自煤炭、石油、天然气等一次能源，这些资源在地球上的储量 是有限的，而且是不可再生的，因此，节能降耗成了全世界范围内的研究课题。我 国的能源利用情况同样不容乐观。我国虽然资源丰富，但是人均资源占有量仅为世 界平均水平的一半，并且我国的一次能源的利用率偏低，能源危机日益严峻。 近年来，尤其是改革开放以后，我国的电力工业得到了迅猛的发展。当前，我 国发电设备总装枧容量为3 5 3 亿k w ，燃煤火力发电装机容量占全国总装枫容量的 7 45 ，发电量占全国总发电量的8 0 以上。我国得发电总装机容量和总发电量均 为世界第二位。按照我国电力工业发展的总目标：2 0 1 0 年发电装机容量将达到4 5 亿k w ，预计到2 0 5 0 年我国装机容量将达到1 6 亿k w ，其中火电机组仍将占总装机 容量的6 0 以上。但是。我国电力行业总体能耗水平不容乐观。有资料表明，到 2 0 0 3 年底，我国火电厂平均供电标准煤耗为3 6 3 9 k w h ，而国际同期先进水平仅 为3 0 3 9 k w h ，相差为6 0 9 k w h 。因此，在能源同益紧张的今天，提高火电厂 的经济性，既是火电企业自身降低成本的需要，也是全国次能源生产、运输和节 约的大事，更关系到整个固民经济的可持续性发展。 随着电力改革的不断深入，厂网分丌、上网竞价已成必然。在确保安全的时提 下，最大限度地降低供电煤耗，切实提高电厂运行的经济性，是提高发电厂竞争力 的重要手段，也是市场经济对发电厂提出的现实要求。我图火电机组的运行管理多 年以来一直沿用小指标竞赛的考核方法，取得了良好的效果。但这科- 分析方法在实 际应用中也存在着定的局限性，如：指标项耳繁多：各小指标之问可比性差：无 法实现在线监测：对运行缺乏指导等等。如采用耗差分析方法上述问题就会迎刃而 解。耗差( 偏差、能损) 分析方法就是通过对机组运行中的关键参数连续地进行监督 分析，并将这些参数的实际运行值与基准值进行比较，由两者的差值计算出各参数 对基准煤耗的影响。运行人员则根据耗差分析的结果及时地对工况进行调整或维 修，使机组的运行煤耗接近于最佳值。 计算机技术为电厂耗差分析系统的研究与实现锚平了道路。在此之前，由于机 组热力参数繁多且无法在线读取，同时热经济性计算方法复杂，耗差分析方法无法 实现在线计算，也就失去了其现实意义。随着计算机技术的不断成熟，特别是s i s ( 厂级信息监控系统) 的推广应用，为耗差分析提供了完善的计算平台。s i s 的实 华北电力人学硕十学位论文 时( 历史) 数据平台可以方便快捷的为耗差分析系统提供所需的绝大部分数据，同 时耗差分析系统也可以通过s i s 的网络平台与用户进行交互。 1 2 国内外研究现状 目前国内外的许多电力研究机构都在致力于火电厂缴组运行经济性诊断及耗 差分析系统的研究，在学术及应用上都取得了许多成果。 1 2 1 国外研究情况 国外的性能诊断及耗差分析系统起步早，理论研究和实际应用都比较成熟，己 基本成为电厂运行的必备支持系统。 在国外，早期的性能监测是以美国机械工程师学会( a s m e ) 的电站性能试验规 程( p t c ) 为基础的。当时由于测量元件的不可靠和其它一些技术问题，电站性能监 测仅仅是d a s 系统中的一个附属部分，只完成p t c 中少量指标的在线计算。直到 8 0 年代初，随着测量技术的不断提高，计算机和通信技术的飞速发展，以及电站大 型机组运行管理要求的同益提高，电站性能监测才从最初简单的p t c 在线监测向以 指导现场运行为目标的，能够完成机组各部分性能及整体性能分析和诊断的方向发 展在这一发展过程中，许多科研机构，特别是美国的电力研究所( e p r i ) 一直在进行 这方面的工作，在近1 0 年内取得了不少成果。拉j e p r i 开发的电厂监测工作站是一套独立的在线诊断子系统，可以诊断和分析 整个火电厂以及电厂中每个设备的运行状况。运行人员可以根据信息来调整运行， 检修人员可以根据信息确定和安排检修任务工程，技术人员可以判断设计改进的效 果，管理人员可以得到第一手的资料以便更合理地安排生产。由e p r i 丌发的电一 检测工作站为便于用户安装执行的都是通用标准，这样工作站可以容易地复制到另 一个条件相似的地方使用，以便于系统升级和适应操作条件改变，可得到的典型计 算结果，包括：锅炉效率、汽机效率、汽机循环热评价、冷凝器运行情况、给水加 热器运行情况、空气预热器情况、可控制的损失参数、在线机组递增热效率不确定 性分析等。1 2 1 1 2 2 国内研究情况 我国自八十年代初开始引进国家大型发电机组，从八十年代中期也- 3 1 ：始了对电 厂性能在线监测工作的重视与研究。其中，华北电力大学【3 1 、上海交通大学【4 1 、西 安热工所、西安交通大学、清华大学等高校或科研单位都做出了不少的成果。 在上面提到的几个现有系统中，上海交通大学与新华控制工程有限公司合作开 发的基于d e s 的大型火电机组经济性能分析系统基于等效焓降法基本实现了系统 2 华北电力人学硕十学位论文 的组态化。但是此系统是基于等效焓降法理论，而等效焓降法在变工况分析时有很 大的局限性；华北电力大学节能课题组基于热力学普遍原理，提出的经济性能矩阵 分析方法和耗差分析的扰动解除法，理论上优于等效焓降法，在几个工程中的实际 应用中反映良好，缺点在于没有实现组态化，软件不够成熟。 1 3 论文的主要研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 采用矩阵分析的方法构建经济性能计算模型，对各个热力系统热经济性能 指标进行核算。 2 ) 讨论热力系统变工况计算原理，建立各热力设备的计算模型，并基于此讨 论能损分析时参数目标值的选取。 3 ) 根据面向对象的模块化编程思想，实现可组态的经济性监测及耗差分析系 统。 华北l 扯力人学硕十学伉论文 第二章热经济性指标计算 2 1 热力系统经济- 性分析方法 热力系统经济性分析是经济性监测及能损分析的基础，目前热力系统经济性分 析的方法主要有热平衡法，等效焓降法循环函数法，熵分析，煳析法和矩阵方 法。 2 1 1 热平衡法 热平衡法主要是根据各加热器的热甲撕、物质平衡、和汽轮机的能量平衡进行 热力计算确定系统的汽水分布，最终求得系统的总的热经济性指标。浚方法的优 点在于概念清晰、计算可靠。同日寸，热平衡方 去也存在着过程繁琐、速度慢的缺点 在热力系统全而计算时j 作量过大，而目热平衡方法不易发现系统的内在经济性规 律，在热力系统的局部经济性定量分析时存在一定的困难。 21 2 循环函数法 循环函数法是由我国学者马芳礼先生创立的。该方法将复杂的热力系统分成若 干个单元，引入单元进水系数的概念，又将整个热力循环分为主、辅循环，并且满 足叠加性。通过分别计算各个系统的热经济十串指标来满足局部定量分析的要求。循 环函数法对于编制通用性的程序提供了良好的工具。但是，该方法对概念的理解要 求较高，公式复杂，一般的工程技术人员较难掌握。 2 13 等效焓降法 等效焓降法最初山前苏联学者库兹涅左夫在6 0 年代提出，9 0 年代山西安交通 大学林万超教授g i 入我国，并在此基础上逐步完善，形成了一套比较严密的理论。 它基于热力学的热功转换原理，考虑到设备质量、热力系统结构和参数的特点，经 过严密的推导，得出几个热力分析参量“，及“，等，用以研究热工转换及能量利用 程度的一种方法f 5 】。等效焓降法可以在机组负荷及汽轮机初终参数不变的情况下 对热力系统整体或局部进行定量能损分析口j 。等效焓降法概念清晰，容易掌握；计 算简捷，分析问题较为方便。该方法属于静态系统分析法，它的应用基础是汽轮机 汽态线不变。在热力系统局部小扰动的情况下，可以运用等效焓降法方便快捷的得 出分析结果，但是，实际运行中，绂组的负荷经常较人范围变动，汽轮机汽念线也 会发生较大偏移，所以当变工况偏差较大时，等效焓降法就失去了其应用基础，无 法做出准确的分析。 法做出准确的分析。 华北电力人学硕士学位论文 2 1 4 熵分析法 熵分析法的主要内容是通过对体系的熵平衡计算，求取熵产的大小及其分布， 分析影响熵产的因素，确定熵产与不可逆损失的关系，作为评价过程的的不完善程 度和改进过程的依据。该方法只要求针对某一具体的算例采用一致的基准念，所以 应用起来比较方便。但是也有其明显不足之处。首先，无法用它来评价能量系统的 使用价值，因而不便于使用统一的尺度来考察各类用能装置的完善程度以及一次能 源利用的充分程度；其次，熵的概念比较抽象，其本身并不是一种能量。 2 1 5 火用分析法 火用分析方法是在热力学两大定律的基础熵结合环境情况从对能的本性的全 面认识以及从能的实用性出发而提出的一种思想和方法。火用效率是从能量转换的 角度表示设备热力过程完善性的科学指标。火用损系数体现了具体的设备或过程在 造成总的火用损中的相对地位。它与火用效率一起从一个侧面为节能指标提供了参 考依掘。但是做为一个新概念，火用不像熵那样通用，尤其在变工况时，对于单个 系统的变化无论是机理还是计算都不宜探讨。在一个子系统效率发生变化时，很难 计算其他子系统效率变化及全系统效率变化。一1 2 1 6 矩阵分析法 矩阵分析方法是近一二十年兴起的一种融合系统工程理论的研究热力系统的 方法。矩阵分析法起始与9 0 年代初，最开始的矩阵分析方法只考虑了主系统， 无法应用于实际。近年来，矩阵方法迅猛发展，尤其是华北电力大学张春发教授等 对热力系统矩阵做了深入的研究，取得了许多重要成果。现在，矩阵方法已经发展 的非常成熟，在热力系统矩阵中，不仅考虑了主系统，还考虑了辅汽系统等，与热 力系统实际结构高度对应。 任何形式的电厂热力系统都可以用一个形式相对固定的矩阵( 热经济性状态方 程) 来表示】，加上功率方程和吸热量方程，就可以对热力系统进行较完整的分析。 矩阵方法的优点在于：热经济性状态方程的填写规律性强，与系统结构具有一一对 应的关系，具有良好的通用性；概念清晰，易于掌握。因此本文采用矩阵分析法做 为开发火电厂通用能损分析软件的理论基础。同时，应用矩阵分析法也有一定的问 题：因为，矩阵分析方法是基于电厂热力系统，其中的某些参数需要对整个热力系 统进行分析，不利于软件的模块化开发，所以在系统开发时，采用系统整体分析与 设备模块化计算相结合的方法，取得了比较理想的效果。 华北电力人学硕十学位论文 2 2 热力系统汽水分布矩阵方程的确定 2 2 1 加热器模型 回热加热器可以分为两类： 1 )疏水放流式加热器，其疏水方式为逐级自流，如图2 1 所示 ab 图2 1 疏水放流式加热器 对疏水放流式加热器，有 一2 t | 一t q i = h | 一t q y ，2 1 。0 + 1 ) 一，w 2 )汇集式加热器：它指混合式加热器或带疏水泵的面式加热器，其疏水汇 集于本加热器的进1 2 1 或出口：如果疏水自流并汇集与凝汽器热井或凝结水 泵的入口时，该加热器也属于汇集式加热器：如图2 2 所示： 对汇集式加热器，有 a 幽2 - 2 汇集式加热器 t | 2 f l f f f l q i = h i l i 1 y j2 f j ( “) 一l j 一 6 b 公式( 2 - 2 ) 华北l b 力火学硕士学位论文 加热器单元的划分： 为了使系统更加规律，也使整个计算更加清晰明了，将整个回热加热系统，包 括辅助汽流、轴封加热器、抽汽加热器、泵的焓升以及外部热源的利用等统统划分 为所对应的主加热器单元。加热器单元的归并以相邻两个加热器的水侧出口为界 限。 2 2 2 主系统汽水分布矩阵方程 主系统汽水分布矩阵方程是热力系统矩阵方程的基础，它的基本形式如下： m ；嘲= 【q ，】 为了编程方便，将其改写成下面形式：1 m * 【d = 卜h d ，】公式( 2 3 ) 回热系统各加热器编号按由高到低从1 号逐渐升高至n 号，则上述矩阵方程各 元素填写方法如下： 1 ) 【a 填写规则 - 为n n 矩阵，a 。填写规则如下： 规定第i 级前级数最高的汇集式加热器级数为z ，如果没有则z 为零： 如果i j ，a ，= o ： 如果i = j ，a 。= q ，： 如果j z ，a ，2 一： 2 ) ( d 】为n x l 的列向量，d ，为第i 级抽汽流量。 3 ) p j 为1 n 的行向量，t 由式2 - 1 或式2 - 2 确定。 4 ) 【d r 】为n 1 的列向量，其中元素均为d 。( 给水流量) 。 2 2 3 实际热力系统的汽水分布矩阵方程 上述矩阵方程，只能描述电厂主系统：在实际的热力系统中，有许多的辅助小 汽流，如喷水减温，轴封漏气，排污等，还有一些主设备之外的设备，如蒸汽加热 器等等，所以，只考虑主系统的矩阵方程是无法真正的描述实际热力系统的。实际 热力系统的汽水分布方程就是在主系统汽水分布方程的基础上，考虑上述辅汽、辅 助设备得到的。 兰! ! 生垄叁竺堕主：兰堡笙茎 式 实际热力系统的汽水分柿方程的基本形式如式2 - 4 1 1 】所示： 1 + 【d 】+ bj - ( q 一 公式( 2 4 ) 为了式方程个元素含义更加明确以及程序识别方便，将式2 - 4 改写为式2 - 5 形 n 。( 【d 】+ 陋矿j ) + i q ，j = h + 陋p j + l d 叫j ) 公式( 2 5 ) 2 2 3 1 爿 、 d 】、【d 加j 、p 】填写规则 式中的阻】、【d 】与h 三个矩阵所表示的含义与填写规则同主系统汽水分布方程 中的完全相同。 l d m j 为n 1 的列向量，其中元素全部为d 一( 给水流量) 。 2 2 3 2 辅助汽流及辅助设备预处理 实际热力系统矩阵方程较主系统矩阵方程，辅助汽流的处理是最主要的部分， 现将关于辅助汽流的一些约定列出： 1 )辅助汽流所属加热器级数：根据2 2 1 节中介绍的方法确定： 2 )约定辅助汽流由抽汽管道或疏水管道流入( 出) 的为汽侧辅汽，由给水 管道流入( 出) 的为水侧辅汽： 3 ) 规定q l 为l k g 辅助汽流带入( 出) 本缴加热单元的纯热量，此热量对汽 侧辅汽，q ：a ，一a ，；对水侧辅汽， ，= ，一 “。) ；其中， ，为辅汽所属 q h 级对应的抽汽焓，h 。为辅汽所属纵对应的给水入口焓。 对给水泵，由于给水经过给水泵时焓会有一定升高，则泵带入本级加热单元的 纯热量即为泵的焓升r ； 对非主加热器的加热器，包括轴封加热器、抽汽加热器等，设加热器热蒸汽入 日焓为； 。，疏水出口焓为h 。则l k g 加热器热蒸汽带入加热单元的纯热量碍，若加 热器疏水汇入热井则g ，= ，一h 。( h 。为凝汽器热井温度) ；否则，q f2 h 。一h da 22 3 3 矩阵p 圹j 填写规则 矩阵l d 。l 为n 1 列向量，其中元素d 印为第i 级加热器所属所有汽侧辅助汽流 流量之和( 流入为正，流出为负) 。 22 3 ，4 矩阵l q ，i 填写规则 矩阵【q ，j 为n 1 列向量，代表的是各级加热器单元中辅助汽流及设备带入( 出 r 坐! ! 皇垄查堂堡堂堡笙茎 的纯热量。 q = ( 6 + d 埘+ g 厅) 公式( 2 6 ) 式中：当辅助汽流流入时6 = 1 ，流出时6 = 一l ； d 胁、分别为辅助汽流的流量及纯热量； 2 2 3 4 矩阵p w ，j 填写规则 d 。与d m 之和，实际为通过第i 级加热器的给水流量，为了程序应用方便将 该流量写成两者和的形式，因此，d 。为第i 级之前各级加热器水侧辅汽流量之和 ( 流入取负，流出取征) ，也可用式2 7 表示： d 哪= ( d 啪) 公式( 2 7 ) 2 ，3 功率方程及吸热量方程 2 3 1 功率方程 功率方程表示了汽轮机做功与主辅汽之问的关系，其形式如下1 ： ：d o ( + 仃一瞳) 一 d ，r 陆- 一 d ，r 陆? 】 为了表述更加清晰以及程序应用方便，将功率方程改写成式2 - 8 形式： s v = d o ( h 。+ 盯吐) 一纠4 她一珥4 d h ? 公式( 2 - 8 ) 式2 - 8 中：d 。一一主蒸汽流量，以主汽门前流量为准； 一一主蒸汽焓； 仃一一再热器吸热； 。一一汽轮机排汽焓； d ，、d ? 一一第一、二类辅汽流量，流入取负，流出取f ； 幽? 一一h ，一吃+ 盯 幽? 一一 。一h 。 由于高压缸进出辅汽与中低压缸进出对热力系统来说增加( 损失) 的做功是不 同的，所以将所有进出汽轮机的汽流( 主蒸汽除外，包括抽汽) 分为两类，进出汽 轮机高压缸的汽流为第一类，以上标1 表示：进出汽轮机中低压缸的汽流为第二类。 华北电力人学硕十学位论文 2 3 2 吸热量方程 吸热量q 可由锅炉热量平衡推出，为计算方便写成式2 9 形式： q = d 。+ ( 一h m ) + ( d 0 一叫) + 盯+ ( d 。，+ ( - h 加) ) + d 。( m h 。) + d 。( ，一 。)公式( 2 9 ) 式中：d 吃，一一分别表示锅炉辅汽的流量( 流入取负) 及焓值； d ，。、d ，。一一分别表示过热、再热喷水减温水流量 同时由锅炉流量平衡可以得出主蒸汽流量与给水流量之间的关系： d o = d 加一d ， 公式( 2 1 0 ) 2 4 水和水蒸汽热物性参数计算模型 水和水蒸汽的热物性参数式热力过程计算和分析的基础。水和水蒸汽热物性参 数之例有着复杂的非线性关系，且多属于隐函数关系，因而，在传统计算中水和水 蒸汽物性参数的计算量非常大。 1 9 6 7 年，国际公式化委员会通过i f c 一6 7 水和水蒸汽热力性质计算公式，该公 式经过二十多年的使用，人们发现该公式仍存在一定的缺陷。1 9 9 0 年国际水和水蒸 汽性质学会i a p w s 成立了一个由多个国家的科学家组成的工作组，并于19 9 5 年提 出i a p w s 一9 5 标准，由于公式过于复杂，于是，该组织在1 9 9 7 年提出新的i a p w s 一9 7 标准，该标准还给出了水的动力粘度、导热系数等等计算公式。i a p w s 一9 7 标准公斫i 以来，迅速在国际上得到了推广和应用，成为热能、动力工程的计算基础。 与i f c 一6 7 公式相比，i a p w s 一9 7 有很多优点【i2 l ：它具有很高的计算精度， 在整个有效区域的不确定度较i f c 一6 7 小一个数量级：它在分区边界上的偏差非常 小：重新划分了区域，减少了计算模型的数目，相当多的热力性质可直接由导出方 程计算得出而不必迭代，因而计算速度得到了大幅提高。可以说i a p w s 一9 7 公式 是目前国际公认的最准确的计算水和水蒸汽热物性的标准，因此，本文就采用了基 于i a p w s 一9 7 标准编写的水蒸汽热物性计算动态链接库( d l l 文件) ，从根本上保证 计算精度。 2 5 热力系统经济性能指标计算 2 5 1 矩阵方程示例 热力系统经济性能指标主要包括：热耗量、汽耗量、内效率、煤耗率等，下面 1 0 华北电力人学硕+ 学位论文 以漳山3 0 0 m w 机组为例详细介绍热力系统热经济性指标的计算方法和步骤。系统 图如图2 3 所示： 首先根据2 2 节中介绍的方法列出系统的汽水分布矩阵方程以及功率方程和吸 热量方程，分别如下： d d 1 七d f 一d _ d 3 + d d 4 + d t n d 6 n + u d 删( 脚一) 一d m ( h f h f ) d 。( 矗。一) + ( d o + 巩一珑) 吒 d m 竹q h 0 0 d 埘( 矗删一 。) + d v ( 向川一向) + d ，( 哆胛一向) + d ( 门一民。) f 。( d o + 珐，一巩) r 2 ( d 0 + q ，一1 l ) t ( d o + 协，一巩) t4 i 。d n + d + d 0 t s t d o + d m + d i 。、 7 - 6 ( d o 十d _ + d i i 、 r ，( d 0 + q ，+ 口。 公式( 2 1 1 ) 功率方程： n = d 。( + 盯一九) 一d i ( h i + 盯一红) 一d ：( 也+ 盯一也) 一d 3 ( 也一见) 一d 4 ( 啊一h ) 一d 5 ( 5 一也) 一d 6 ( 魄一也) 一d 7 ( 吗一h ) 一d 肘( ，+ 口一，o ) 一上k ( 胪+ o - 一h ) 一d f l 、婶 七。一h ：、一d 计t h h ? 七d h j t d l l i + d f m + d i n l h + o h 0 - d 卅( 向省一吃) + d 肼( ：一魄) 一( d 胛+ d ) ( 啊一吃) 一d ( 向，一囊) + d t x ( h t x 一囊) 公式( 2 1 2 ) 吸热量方程： q = d o ( h o + 盯一向。i ) 一( q + d 2 + d 州十d 肛+ d m + d + d n + d t m + d i n ) o r + b ，( 吃，一h 。1 ) + d 。( 一h ) 一i ) 二( 丸。一丸1 ) 2 5 2 主蒸汽流量求取 现场中，限于技术水平，流量的测量误差比较大。热力系统的经济性计算是以 主汽流量为基准计算的。在耗差分析的层面上，较大的误差会使其失去意义，所以 g吼n吼心n吼0 吒。吼心吒吒。 吼n n 乇吒q吗心n地毛气0 华北电力火学硕士学位论文 主汽流量的值不能采用测量值，它的数值需要通过矩阵方程和功率方程迭代计算得 出的。 选取主蒸汽流量测量值d 。，为迭代初值，如果现场没有测点可以用流量与负荷 的拟和公式计算值做为迭代初值。在矩阵方程中还有一些小汽流，这些小汽流的物 性参数均为现场测量数据，流量或者取现场数据或者理论计算。这样处理以后，矩 阵方程中的未知数只剩下抽汽流量。由线性代数知识，我们可知a 矩阵的秩为1 2 ， 因此，该矩阵方程存在唯一解，由此矩阵方程可以解出抽汽量。功率方程做与矩阵 方程同样的处理，带入求解出的抽汽量可以解出主蒸汽流量，与假设值比较，不满 足误差要求则将计算值替代迭代值继续计算，直至满足要求。计算流程如图2 - 4 所 示： 幽2 4 主汽流量求解流程幽 2 5 3 主要性能指标计算i 2 0 i 1 ) 比内功n 和吸热量g 根据前面列出的功率方程、吸热量方程及主蒸汽流量可以计算出。 2 ) 汽轮机绝对内效率 衡量汽轮机能量转换程度的指标 仉2 西 3 ) 汽轮发电机组的绝对电效率玑 1 2 公式( 2 1 1 ) 华北电力人学硕十学位论文 衡量汽轮发电机组能量转换程度的指标。 r r 2 r i t m r 公式( 2 1 2 ) 式中7 7 一酞分别为汽轮发电机组机械传动效率和发电机效率，通常取为常数。 4 ) 电厂发电热效率r 。 衡量单元机组能量转换程度的指标。 q c p2 qh 0p t e 5 ) 厂用电率 = 警 匕、分别表示单元机组厂用电功率和发电机效率。 6 ) 煤耗率 煤耗率是耗差分析的核心指标。g l k w - h 发电煤耗率： 0 1 2 3 0 n 。 7 ，伸 供电煤耗率： 弘禹 7 ) 汽轮发电机组发电汽耗率d ，k g k w h d ：堡 只 8 ) 汽轮机各缸效率 叩2 等等 公式( 2 一1 3 ) 公式( 2 1 4 ) 公式( 2 ，15 ) 公式( 2 1 6 ) 公式( 2 1 8 ) 式中，。、h 。、h 。，分别表示缸入口焓，出口焓，对应压力下等熵变化时 的出1 ：3 焓。 9 ) 给水泵内效率 驴等等 馘( 2 - 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 6 排汽焓计算 汽轮机低压缸排汽焓是热力系统分析中一个至关重要的参数。热力系统中，大 部分汽流的焓值都是通过其物性参数由水蒸汽物性参数性质计算得出的，物性参数 ( 主要为温度、压力) 的获得都是由现场仪表直接获取，目前的温度、压力测量仪 表的测量精度完全可以满足热力系统分析的需要，因而得出的焓值也很精确。但是， 汽轮机运行时，其低压缸排汽并非干蒸汽而是具有一定的湿度，其焓值必须根据温 度、压力和干度才能计算。目前的测量技术测量汽轮机排汽湿度还有一些困难，所 以电厂现场中，一般不存在湿度测点，因而，排汽焓的计算必须采用其它的方法。 目前，汽轮机排汽焓的计算方法主要有以下几种： 1 ) 能量平衡法j 此类方法的基本原理为a s m ep t c 6 a 1 9 8 2 中提供的一种方法，根据汽轮机总 的输入、输出热量的平衡，通过计算汽轮机功率确定排汽焓，即利用热平衡方程， 物质平衡方程和汽轮机功率方程这3 个基本方程式，刘回热机组的热力系统进行计 算。具体步骤为假设排汽焓，求得各级抽汽流量，由功率方程求得排汽焓进行迭代。 根据前面的介绍，如果将主汽流量及排汽焓都做为未知数，那么未知数就会比方程 多一个，是不会有唯一解的，但如果主汽流量用测量值误差很大，即便迭代误差选 的很小最终精度也不会满足热经济性分析，因而该方法不可取。 2 ) 膨胀线外推法【”j 这也是a s m ep t c 6 a 1 9 8 2 提供的一种方法。根据汽轮机在过热蒸汽区入口蒸 汽状态点和抽汽状态点做热力过程线，并平滑外推到湿蒸汽区，由此确定排汽焓。 这种方法原理简薄、易于计算且无需迭代，但精度不高，用于热经济性分析误差过 大，也不可取。 3 ) 级效率计算法 这种方法深入到级组和级内部，通过级效率【2 ”、排汽焓和排汽干度的关系求解。 文献l s l o e 提出了于度修正原则柬计算排汽焓，这里，为了进一步提高计算精度， 在此基础上采用迭代的方法最终求取排汽焓，计算步骤如下： 在汽轮机末级中，假设排汽干度( 如进汽办为湿蒸汽，则依照下面介绍的方法 核算上级求得上级排汽干度，即本级进汽干度) ，根据干度可求出湿气损失，结 合喷嘴、动叶、叶高等等损失可求得级效率。出级效率和进汽焓可以求得排汽焓， 进而求得千度，与假设的干度相比较，如果误差过大则反复迭代，最终求得准确的 干度和排汽焓。 华北电力人学硕十学位论文 图2 - 3 漳i i i 电厂热力系统图 华北电力人学硕+ 学位论文 3 1 概述 第三章机组热力系统变工况计算原理 在以往的火电厂机组及热力系统分析中，通常计算的都是系统的静态工况或者 是在系统偏离额定负荷变化不大时的工况。热力系统的变工况是指系统的工况发生 变动，即偏离设计工况或者偏离某一基准工况。热力系统的变工况无论是何种原因， 其表现出的特点均是汽轮机的进汽量或者机组通过的蒸汽流量发生变化，其产生的 直接结果就是机组的各抽汽参数和热系统的有关参数发生变化，并表现为汽轮机膨 胀过程线的变化。 机组热力系统变工况计算的主要包括汽轮机的变工况计算、凝汽器的变工况计 算和回热加热器的变工况计算。 热力系统变工况计算的目的在于确定汽轮机各抽汽口和排汽端的蒸汽参数以 及回热系统的各相应参数，其实质是确定汽轮机新的膨胀过程线和系统参数。 3 2 汽轮机变工况计算 3 2 1 概述 变工况下，负荷变化，蒸汽初终参数偏离设计值，通流部分的结构、腐蚀甚至 损坏等时有发生，蒸汽量、各级的汽温汽压、比焓降等可能发生变化，从而引起汽 轮机功率、效率等随之变化，机组的热耗、煤耗等等也要变化。汽轮机的变工况研 究，对于确定机组变工况后的安全性与经济性具有重要的意义。 在现在的变工况核算方法种，根据核算的次序来划分，可分为由汽轮机排汽参 数算向进汽参数的逆序算法和由进汽参数算向排汽参数的顺序算法。两种方法采用 的都是是逐级详细计算的方法，无论是顺序或逆序计算都存在着计算方法过于复 杂、要求的设计参数过多的缺点。根据工程实际需要，需对算法进行一定简化，本 章后续内容将详细介绍。 3 2 2 弗留格尔公式 32 2 1 传统弗留格尔公式 弗留格尔公式是反映流量与级组前后参数的关系式： 旦：隆二窿阻 d i 。、p 己一p 乞吖可 6 公式( 3 1 ) 华北电力火学硕一t 学位论文 式中：d ：通过级组的蒸汽流量 p ：蒸汽压力 t ：蒸汽温度 脚码：1 表示级组前；2 表示级组后 d ：表示基准工况，无d 表示变化后工况 应用弗留格尔公式应当注意以下几点： 1 )级组中得级数应不小于3 4 级。弗留格尔公式是在级数无穷多的前提 条件下得到的，但在一定的负荷变化范围内，级组中的级数不小于3 4 级时，误 差大概在l 左右，完全能满足工程需要。总之，级数越多，误差越小。 2 )同一工况下，通过级组各级的流量相同。因此，对供热机组，只能取两 个抽汽点之间的级做为一个级组；对于有抽汽的非供热级组，只要回热系统f 常运 行，且抽汽仅用来加热本机凝结水，则负荷变化时，各段回热抽汽量与主汽流量近 似成f 比，故仍可将全体压力级做为一个级组应用弗留格尔公式。 3 )在不同工况下，级组中各级的通流面积应该保持不变。 3 2 2 2 弗留格尔公式改进及简化形式 弗留格尔公式经过改进或简化可以得到一下几种形式： 1 )张春发教授提出的考虑临界压比的改进弗留格尔公式【6 】： 长：蠡鼹瓣暖 此公式拓宽了原有弗留格尔公式的应用范围，改进了计算精度，不仅适用于中 阁级的变工况计算，而且还可以用于末几级，级数很少的时候计算误差较原有公式 小的多。 2 )简化的弗留格尔公式 不考虑压比，则式3 - 2 简化为传统的弗留格尔公式。 如果变工况时初温变化很小，则可以忽略温度影响，式3 - 2 变为 每= 器j 1 _ ( 鬻 2 j 一 餮 2 公如剐 在实际工程应用中，出于安全考虑，温度变化基本限制在5 度以内，所以应用 式3 3 的误差很小。 华北电力人学硕十学位论文 3 3 凝汽器变工况计算 凝汽器变工况计算的主要任务是确定凝汽器压力。 3 3 1 水冷方式凝汽器变工况计算 根据文献【7 】中提供的公式： r ，= f 州+ ，+ 西 式中：l 。蒸汽凝结温度： ，。，冷却水入口温度： 出冷却水温升 国一一传热端差 汽轮机运行时，只要知道当时的w 、f 和8 t 的数值就可以由式3 4 求出饱和蒸 汽温度v ，可以求得其对应的饱和压力n ；而在主凝结区，凝汽器的总压力p r 约等 于p 一。a t 和西的值可分别由式3 5 与式3 - 6 求取。 a t ：= 0 0 q c c 。d 。 式中：d 。一一系统主蒸汽流量； d 。一一冷却水量： c 一水的定压比热； 既，一凝汽器热负荷： q c w = q ( 4 ，一h ，) 式中：o f 一一流量系数： h ，一一进入凝汽器的蒸汽焓： h 。一一凝汽器出1 2 1 焓； 公式( 3 - 5 ) 公式( 3 - 6 ) 孙孑a t 了 馘( 3 _ 7 ) 式中：k 一传热系数； a ，一冷却水管外表总面积； 当凝汽器运行在设计工况或偏离较小时，k 几乎保持不变：如果偏离设计工况 较多时，k 会随之减小。k 值确定的方法有两种：一是根据厂家提供的曲线拟和( 同 样，打的值也可以根据凝汽器特性曲线拟和确定) ；二是目前比较通用的两个公式： k = 4 0 7 q ，c p 。妒，妒：妒d 妒m 公式( 3 - 8 ) 尼= 。以庐。k 。公式( 3 - 9 ) 华北电力人学硕十学位论文 式3 - 8 为苏联的别尔曼公式，在我国普遍采用。式3 - 9 为美国热交换协会推荐 的方法，在世界上广泛应用。应当注意，二式都是在循环水流量不变的条件下成立 的，所以循环水量发生变化时，应用要加以适当修正： 。( 爿 公式( 3 1 0 ) 式中k o 为式3 - 8 或式3 - 9 计算值，d w 和d w 。分别为实际循环水量和设计循环水 量；m 取0 5 0 8 。 3 3 2 空冷方式凝汽器变工况计算1 1 8 j 空冷方式指直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机的排汽的火电厂运行方式。发 电厂空冷技术是一种节水型火力发电技术。用于发电厂的空冷系统主要有两类：直 接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷系统指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空 气与蒸汽问进行热交换。本文中仅对直接空冷系统进行讨论。 空冷凝汽器的变工况计算采用，7 n t u 法。 由热平衡方程式中得出空冷凝汽器散热量为 q = d ( h ，一t ) = 3 6 0 0 a 地v 迎厄t a t 。 式中：q 一一空冷凝汽器散热量 d 一一汽轮机排汽量 一一汽轮机排汽比焓 矗一一凝结水焓 a 迎一一空冷凝汽器的迎风面面积 v 娅一一空冷凝汽器的迎风面风速 厄一冷热空气平均密度 c 。一一空气比热 由上式得空气在空冷凝汽器得温升f 。为 ，： 望咝二丝2 。3 6 0 0 a 迎”迎厄乞 由r 、n t u 定义得： ，7 ：l ：1 - e n t u 一乞 式中：行一一散热器效率( 空气温升率) 公式( 3 一1 1 ) 公式( 3 一1 2 ) 公式( 3 1 3 ) 华北电力人学硕士学位论文 n t u 一一传热单元数 则 1 2 虬+ “ 求出 后，加上排汽管道得温降，得出饱和温度，根据饱和温度和水蒸汽物性 函数计算出汽轮机的背压及。 3 4 回热加热器变工况计算 回热加热器是现代火电厂中用来提高热经济性的主要设备，其运行性能直接影 响到整个机组的热经济性。回热加热器影响经济性的因素包括：加热器的端差、抽 汽压损、散热损失等。出于回热加热器散热损失只与其设备的温度、保温层的质量 和厚度以及设备与大气接触的表面大小有关，一般变化不大。本节主要讨论端差及 抽汽压损基准值的确定方法。 3 4 1 抽汽压损 加热器的抽汽压损是从汽轮机抽汽口至加热的抽汽管道的总压力损失，包括沿 程阻力和局部阻力损失两部分。主要和抽汽口蒸汽参数和管道内部情况相关，由于 管道设计参数一定，因而在实际工程应用中，近似认为抽汽压损的相对值保持不变， 即： 3 4 2 加热器端差 妒：坐：c 彻s f p p 。= 0 1 6 p ? 、p 。? 加热器的端差。类似于传热温差，影响其大小的主要因素有：加热器内传热管 的特性、传热管的尺寸、管内对流换热系数、管外凝结换热系数及管内外工质的温 度等。对于实际运行的加热器而言，由于加热器已经设计完成，因此影响其运行端 差标准值的因素实际就是加热器的汽侧温度、给水入口7 9 n ( w ) 及给水流量( g w ) 。 回热加热器是具有相变的热交换器，其正常运行时所满足的传热关系可表示 为： ：- 垒l ：! 丝二 一f 。lf ，一r 。1 2 0 公式( 3 - 1 6 ) 公式( 3 17 ) 华北电力入学硕十学位论文 胛u ：尝公式( 3 - 18 ) ( g 。，c ) 。 式中：占一一加热器的效能； n t u 一一加热器传热单元数： a 一一传热面积； ( g 。，c ) 一一给水的热容： 一加热器压力下的饱和水温度； f 。l 、t 。2 给水进、出口温度 ， 1 忙1 1 4 _ 4 1 d o + l 口。d l2 3 d 【a 。 口。、d 。一一分别表示水侧和汽侧的传热系数 d o 、d 一一分别表示管子的外径和内径 传热系数k 的计算方法可以参照文献【2 7 】中所介绍的方法。另外，根掘文献 2 7 中所介绍的拟和方法对拟和公式的两个参数进行拟和，得出端差基准值的工程应用 公式如下： 肚州兰) | ”c 秽6 式中下标带0 的均为设计参数。 3 5 各参数应达值( 基准值) 的确定 3 5 1 运行主要参数应达值概述 当机组在一定的负荷和环境条件下运行时，存在某一种技术上可能达到的最佳 运行工况，各主、辅设备系统的技术状态良好，运行方式为最佳，此时的工况称为 应达工况；应达工况对应的运行参数称为参数应达值( 基准值) 。 火电厂热力系统运行参数主要包括三种类型：一是通过运行人员调整的参数， 如主蒸汽压力，主蒸汽温度等：二是出设备状态决定的参数，如再热蒸汽压损，加 热器端差等；三是与运行状态和设备状态都有关的参数，如凝汽器真空。合理的确 定主要运行参数的应达值对于知道运行人员操作以及作为电厂能耗分析的重要依 据和监视设备故障的辅助手段具有重大意义。 ，1 华北电力人学硕十! 学位论文 运行参数应达值确定的方法主要有两种：是设计数据，如主汽压力等；二是 理论计算，如抽汽压力等；结合具