（动力工程及工程热物理专业论文）600mw超临界燃煤机组热经济学分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 热经济学的分析方法是基于热力学第二定律，这种方法不仅能够从能量的 数量方面进行了精确的衡量，更重要的是还可以同时纳入了环境因素以及管理投 资等非能量的因素，综合考虑各方面扰动因素。运用这种方法无疑对目前我们国 家的火力发电机组的运行、设计以及改造方面具有重要的现实意义，是缩小我国 与发达国家煤耗，降低国内现役机组的煤耗率的重要理论指导。 传统的热力学分析方法具有它的局限性，这种局限性通常只关注了发电厂热 力系统的热力学方面的性能考核，而没有考虑其它如成本等方面的因素，所以不 能够全面的反应整个热力系统以及各主辅设备的性能状况。本文是以结构理论为 基础，以某6 0 0 m w 超临界燃煤机组为对象，建立了大型火电机组复杂系统的物 理结构图和生产结构图，计算了不同设计工况和实际工况下各组元的单位火用成 本，深入分析了成本形成的热力学过程及分布规律，揭示了能量损失的不等价性， 并定量研究了设备火用成本随运行参数的变化。结果表明该方法相对于传统分析 方法能更合理、更准确的判断设备的节能潜力，为大型火电机组及其他复杂能量 系统运行的经济性分析和优化改造提供了行之有效的方法。 通过建模计算及变工况分析，得到变工况下整个系统及各设备的性能运行特 性，对锅炉、汽轮机各机组以及给水加热器设备特性进行深入分析，取得一定的 成果。 关键词：超临界机组，热经济学，结构理论，火用成本 华北电力大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h e n i l a le c o n o m i c 觚a l y s i s m e t h o d sa r eb 勰e do nt l l es e c o n d l a w o f t h e n i l o d ”卸血c s t h i sm e m o dn o to n l yc a r eo ft h e 舢m b e ro f e r g yi np r e c i s e m e a s u r e ，b u ta l s oo t h e rm o r ei m p o r t a n t 勰p e c t si n c l u d i n ge n v i r o m n 铋t a lf a c t o r s 孤d o t i l e ri n v e s t m e n tf a c t o r s ，u s i n gt h i sa p p r o a c hf o rt h ec 硼嘲l to u r c o u l l t i yu n d o u b t e d l y h a si m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n gf o rt h ec o a l - j e i r e dp o w c rs t a t i o no p e r a t i o n ，d e s i g n i n g 觚dr c c o n s t n l c t i o n ，a l s o ，i t s 锄i m p o r t a n tt 1 1 e o r e t i c a lg u i d 锄c et 0n a r r o wt h ec o a l c o n s u n l p t i o nb e t w e e no u rc o u i l 仃y 锄dd e v e l o p e dc o u n t r y r e d u c et h ee 1 0 m e s t i cc o a l c o n s u m p t i o no fc u r r e n tu j l i t sr a t e i h et r a d l t i o n a it h e m l o d y n 眦l c a n a l y s i s m e t l l o dh 弱i t s l i m i t a t i o n s ，t h e l i m i t a t i o n so ft h eq u a l i t yi su s u a l l yf o c 璐o n l yo nt h et l l 锄o d y n a m i c so ft h 锄a l s y s t 锄p e r f o m a n c et e s t ，w i t t l o u tt a l 【i n gi n t oa c c o u n to t l l c rf a c t o r ss u c h 弱c 0 s te t c ， i ti sn o tc o m p r e h e n s i v er e a c t i o nw h o l em e m o d y n 锄i cs y s t 锄嬲w e ua sv 撕o u s e q u i p m e n tp e r f o r m a n c es t a t l l s t h i sp 印盯i sb a s e d0 nt 1 1 et h e o 巧o ft h es m l c t u r e ，o n e o f6 0 0m w s u p e r c r i t i c a lc o a l - f i r 。dp o w 盯p l a n tf o ro b j e c t ，m i sp a p c re 曲凼l i s h 鹤t h e p h y s i c a ls t r u c t u r ef i g u r e 孤dp r o d u c t i o ns 加c t u r ef i g l l r eo fl a r g e - s c a l ep o w e rp l 锄t c o m p l e xs y s t e m ，c a l c u l a t e sv 撕o u sc o n d i t i o n sw i t he a c hu n i te x e r g yc o s t ，d e 印l y a l l a l y z e s d i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n so ff 0 撇e d c 0 s ta i l dd i s t r i b u t i o nl a wo f m e m l o d y n a m i c sp r o c e s s ，r e v e a l st h e 饥e r g yl o s ss 腻，觚dq u a i l t i t a t i v e l yr e s e a r c h 也e e q u i p m e n te x e r g yc o s tw i t hp a r 锄e t r i cv 撕a t i o 娜t h er 豁u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r c dt 0 t r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o d ，t h i sm e t l l o di sm o 他佗弱o n a b l c 如dm o 他c u r a t e j u d g m e n tt ot h ep o t e n t i a lo fe n e r g ys a v i n ge q u i p m e n tf o rl a r g e - s c a l ep o w e rp l a n t a n dp r o v i d e se f f e c t i v em e t h o df o ra n a l y s i sa n do p t i m i z i n gr e c o n s t l l l c t i o no fo t h e r c o m p l e xe n e r g ys y s t e m so p e r a t i o np e r f b n n a n c e t h r o u g ht h em o d e l i n gc a l c u l a t i o na i l dv 撕a b l ec o n d i t i o na i l a l y s i s ，g e tc h a i l g e u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ee l l t i r e s y s t e m a n dv a 打o u se q u i p m e n t sp c r f o m 觚c e o p e r a t i o nc h a r a c t e n s t i c so f b o i l e r 锄ds t e 锄t u r b i n eu n i t s 如dd e v i c e o fw a t e rh e a t e r c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，a n do b t a i n e dac e r t a i nr e s u l t k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a lu n i t s ，t e m a l e c o n o m i c s ，s t n l c t u r et h e o r ) r ，e x e r g yc o s t u 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第l 章绪论 当今，能源已经成为制约全球经济和社会高速发展的核心问题。而我们国家 同样也迎来了一个国民经济高速发展的新时期，随着电力需求量的不断增长，能 源电力产业日渐成为保障我国的经济社会快速发展最重要的支柱型产业。我国常 规能源资源占世界总量的1 0 7 ，但人均能源资源占有量远低于世界平均水平。 在中国的能源结构中，一次能源煤的比例占据了绝大部分，而二次能源又是以火 电为主。以2 0 0 9 年4 月1 6 日拉西瓦水电站6 号机组的投产为标志，我国电力总 装机容量突破了8 亿千瓦时。这其中火电机组占总装机容量的7 0 以上，煤是 我国一次能源利用中的主要部分，而发电用煤亦占了在我国整个能源消耗中主要 部分。另外，近几年大型火电机组中，超临界、超超临界机组所占比重也在逐年 增加。截至2 0 0 9 年底，全国3 0 万千瓦及以上火电机组占全国火电总装机容量的 比例超过7 0 ，可以预见，3 0 万千瓦以上机组，尤其是6 0 万千瓦亚临界和超临 界机组将成为我国在未来五十年内的主力机组，但是从我国目前火电机组的运行 状况来看，相对于发达国家我国的机组煤耗仍然存在很大的降低空间，在降低煤 耗的工作中，除了我国电厂内部管理维护技术力度不够外，但技术上改进力度不 够也是十分重要的因素。所以说着重加强大型燃煤机组，尤其是现役的亚临界、 超临界机组和超超临界机组的设计优化和运行优化改造，对解决我们国家的能源 紧缺问题和人民电力需求日益增长的状况，具有重要的理论指导意义和现实意 义。目前，随着厂网分开，每个发电公司必将面临着非常严峻的市场竞争压力， 这也就要求我们需要不断提高机组的运行管理水平，不断加大节能力度和减排的 强度，要求我们节能工作者进一步改进理论技术，加大节能研究工作的深度。 随着我国国民经济的不断发展，一大批大、中型的火力发电厂尤其是超i 临界 和超超临界机组相继建成投产。在电力工业的发展历程中，单击容量不断增大， 机组参数不断调高，从单机运行维护到机、炉协调控制以及自动化水平都迅速发 展。而追溯过去的发展历程，从2 0 世纪9 0 年代开始，汽轮机技术的新突破主要 体现在两个方面：第一，从1 9 9 3 年起新一代铁素体9 1 0 c r 钢成功在6 0 0 m w 机组中得到了应用，而日本和欧洲开发了世界新一代超超临界参数汽轮机，并正 向含b 和c o 的6 2 0 度铁素体l1 c r 材料、6 5 0 度奥氏体材料、7 0 0 度镍基材料 发展；第二，为了满足8 0 0 1 0 0 0 m w 全速汽轮机低压缸以及配“f ”级燃气轮机的 同轴1 4 0 m w 单流汽轮机低厄缸的要求，新一代技术排汽面积突破的特大型 华北电力大学硕士学位论文 长叶片开发成功。近十年来，特大型长叶片成为各大公司技术开发的重点。2 0 世纪投运的火力发电单轴最大功率汽轮机为前苏联列宁格勒金属工厂制造的 2 3 5 m p “5 4 0 超临界参数1 2 0 0 m w 汽轮机，采用一次中间再热，冲动式五缸六 排汽，低压末级叶片高度为1 2 0 0 m m ，3 0 0 帆，m i n ，设计热耗为7 6 5 0 k j k 、釉。而 2 0 世纪投产的火力发电双轴最大功率汽轮机为a b b 公司制造的 2 4 2 2 5 4 m p “5 3 8 5 3 8 超临界1 3 0 0 m w 汽轮机，采用一次中间再热，反动式 六缸八排汽，低压末级叶片高度为7 6 0 m m 和1 0 1 6 m m ，3 6 0 0 3 6 0 0 ( r m i n ) 和 3 6 0 0 l8 0 0 ( r m i n ) ，截止1 9 9 2 年底，国外共有9 台1 3 0 0 m w 双轴汽轮机在运 行，全部安装在美国。而2 0 世纪蒸汽参数最高的百万千瓦级大功率汽轮机是由 日本三菱公司生产的2 4 5 6 0 0 6 0 0 超临界1 0 0 0 m w 汽轮机，三菱公司的产品 为一次中间再热反动式双轴四缸四排汽，3 6 0 0 1 8 0 0 ( r m i n ) ，低压末级动叶片 高度为1 1 7 0 l l m ，发电效率为4 4 。基于世界各国的能源政策和能源价格，2 0 世 纪9 0 年代，大部分大功率的发电机组仍然是燃煤机组，煤炭的单位价格低廉， 但燃煤比燃用其他燃料如天然气等会释放更多的污染物，如二氧化硫、二氧化碳、 汞、烟尘和氮氧化物等。锅炉的烟气净化和脱硫脱硝装置的单位造价随着汽轮机 功率的增大而下降，因此2 0 世纪9 0 年代后期投运的火电汽轮机呈现大功率和蒸 汽参数高温高压倾向。在欧洲、美国，其新建的洁净燃煤电厂，考虑了脱硫、脱 销、除尘装置的综合费用，都以6 0 0 8 0 0 m w 为基本机组类型。我国自1 9 5 8 年 开始生产汽轮机，2 0 世纪6 0 年代生产2 0 0 m w 和3 0 0 m w 的高参数机组，到后 来的6 0 0 m w 亚临界压力机组，近十余年来，除了国产机组，还从国外引进并消 化吸收了一批高参数、大容量的机组，包括3 0 0 、6 0 0 、9 0 0 m w 和1 0 0 0 m w 的 机组，而进入2 l 世纪以来，我国开始投运的1 0 0 0 m w 容量的汽轮机组。到目前， 高参数大容量机组已经有数百台在运行，在电力工业中发挥着至关重要的作用。 在3 0 0 m w 和6 0 0 m w 汽轮机的基础上，我国正在开展更大功率超临界参数汽轮 机的研制，并为了降低煤耗，着重发展1 2 5 6 0 0 m w 的热电联产汽轮机，为降低 缺水地区的水耗，着重发展3 0 0 6 0 0 m w 的空冷式汽轮机。近几年我国大批超临 界参数机组顺利投产，成功实现了从亚临界向超临界产品技术的飞越，标志着我 国电力工业发电及技术装备进入了高速发展的关键时期。 在我国，煤碳的消耗成本占据了发电企业所有成本的百分之七十上下，那么 实际上节能降耗的核心问题就是如何更加充分的利用并不长久的煤碳资源，提高 利用效率，降低供电煤耗率。在电厂里整个机组供电煤耗主要取决于三大主机设 备、辅机设备的运行性能好坏和整个热力系统汽水参数匹配和管道设计。所以说， 对整个热力系统以及各主机设备和辅助设备进行定量的研究并定性的对获得性 能指标进行研究探讨，是整个电厂系统运行和优化改造的重要理论基石，那么同 华北电力大学硕士学位论文 时这样一种方法又可以应用于进行在线的性能诊断。总结起来分析火电厂的研究 方法，无外乎是两大类：基于热力学第一定律基础上的热平衡方法；另外一种就 是基于热力学第二定律基础上的火用分析方法、熵分析法。热经济学结构理论则 是在火用分析的基础上发展起来的。 我们通常说的卡诺循环，指一种最理想的状态循环。这种状态实际是不能达 到的，而热力学第一定律是建立在卡诺循环基础上，通过不懈的努力寻求一种能 够无限接近这种循环的过程。在过程中，我们也考虑了其他方面的外部扰动因素， 但主要应用各种效率或者说是能量转换系数，比如说：热效率等，那么经过了机 组的整体能量平衡计算，得出一定指导运行或者设计的结论，但这个方法具有它 的弊端，也就是忽视了能量的品位，能量的品位问题直接关系到多产品的成本定 价、优化等问题，是发展各种热电( 冷) 联产、煤化工产业和能量梯级利用的重 要理论依据。所以在这样的状况下，就需要新的研究思路和分析方法。火用这个 概念的提出实际上就反应了以吉布斯理论为基础的热力学第二定律的特性，通过 这样的特性研究能够对系统进行黑箱化处理，忽略其内部的相变、耦合方式的多 样化以及其他复杂状况，仅仅对它进行整体性能的计算。通过研究可以知道，能 量在实际的转化过程中并不是等价的，这种不等价性正是约束系统的性能改进的 最主要问题。那么从而产生了火用这个概念，也就是可用能的概念。这样，就指 导了我们如何对能量系统在不同过程、不同工况和不同的外部环境参数下复杂能 量系统转化以及在转化的过程中所兼有的品位高低问题。 热经济学的研究分析方法是基于热力学第二定律，这种方法不仅仅从能量的 数量角度进行了精确的衡量，更重要的是可以同时纳入了环境因素以及管理、一 次投资等非能量的因素，综合考虑各方面扰动因素，其在评价复杂能量系统的经 济性能上的优势不言而喻，运用这种方法对大型超临界机组的节能潜力进行挖掘 和改造，能够体现出非常直观的经济效益，虽然我们国家目前在役的超临界和超 超临界机组的效率还是达到了比较高的水平，例如上海第二外高桥电厂的标准煤 耗率甚至在2 9 0 9 k w h 左右，但实际上其他的大部分机组不管是满负荷、部分负 荷还是低负荷稳燃下，效率较发达国家还是具有非常大的差距。所以通过对超临 界机组的热经济学性能评价，对我们国家的大型燃煤机组及其他复杂能量系统的 成本形成规律、性能评价和系统优化改造具有重要的理论基础和前瞻性。 1 2 国内外研究动态 热经济学方法的应用和发展是从火 j 以及火用的成本的概念萌芽和产生为基 础的，它的基本计算过程和基本原理可以归纳为：通过对整个系统中子系统的划 分，电厂热力系统及各设备间的成本形成和线性分配，从成本的角度将热力系统 华北电力大学硕士学位论文 以及相关联的传输过程有机耦合，得到的关系式也就是火用的平衡方程式或者是 货币流的热经济学成本方程组，得到过程中每环节的性能以及之间生产交互关 系，最终是要对变工况下每一个子系统进行性能评价，进而定量分析每个子系统 性能变化时对其他子系统及整个热力系统的性能影响有多大。自1 8 7 3 年吉布斯 提出火用概念以来，火用一直被公认为能量系统体系的科学评价指标。在二十世纪 五十年代产生了热经济学研究方法，进而延伸发展，由于热经济学方法的包容与 通用性，能够加入各种比如说设备的一次投资、维护费用等，能够更全面的评价 系统及设备的生产性能，并成为分析复杂能量系统的有效理论方法。另外，此系 统同时可以综合考虑脱硫、脱销和脱碳等污染物评价因素，我国杨勇平近几年在 这个方面提出了切实的构想，提出了广义子系统以及广义能耗评价指标，从电厂 的各个方面特别是目前节能减排大趋势下的环境污染物火用成本，认为由于排放 所征收的费用导致一些烟气的火用成本应该为负值，从而对能耗评价的系统分析 提供了新的思路。实际上，如脱去烟气中的二氧化硫成分，就必须要加装脱硫的 装置，加装循环浆液泵，氧化风机等高耗能的设备以及其他的耗水设备，这样造 成这些污染物的火用成本就是一个负值。热经济学在系统综合分析中必将在可持 续因素和广义评价方面必将扮演重要的角色。 近些年来，西班牙学者v a l e r o 等人总结性并最终提出了后入先出法则，就是在会 计学上所说的l i f o 原则，这种方法能够清晰而且准确的标明每一股能流，它们 的生产分配关系以及相互间的作用和影响。而近些年来，热经济学方法在电厂离 线状态监测与性能诊断系统也快速发展，在国际上有些国家已经将控制系统对组 元造成的异常考虑到了组元故障中进行分析，而我国学者们在这方面的研究还 很少。 实际上热经济学结构理论的思路就是采用利用欧拉定理和燃料产品定义线 性化了的数学方程式，统一了优化模式以及矩阵模式等各种方式的研究方法，对 于边际成本的计算采用数学微积分链式法则，这种计算的结果在设计工况下偏离 平均成本的计算数值不大，在特征方程为齐次时，两者可以使用相同的计算过程。 我国较大规模的热经济学理论研究是从2 0 世纪8 0 年代初开始的，华北电力大学 的王加璇从美国引进了这一理论并且把它实际的应用于了2 0 0 m w 火电机组的热 力系统性能分析，进而王清照又继续研究并且探寻出较大容量机组的热力系统的 热力故障诊断，热力故障诊断区别于以往的传统方式，例如振动监测、红外监测 等需要较大成本的诊断方法，它的优点是简单易行、快速直观的反应出系统中产 生的性能下降。张晓东和程伟良等人分别在对以上方法进行归纳总结，并且继续 深入研究了热电联产机组的成本分摊问题的特性，并分析了汽轮机在偏离设计工 况下，能耗的边际成本模型等。并利用热经济学结构理论对机组运行过程中的成 华北电力大学硕士学位论文 本进行分析和性能诊断。另外，有些学者将这种方法应用于了微型的燃气轮机以 及冷热电联产的系统集成和优化计算及成本分摊。 张超和熊杰等人将热经济学结构理论应用于某湖南电厂3 0 0 m w 燃煤机组， 运用机组仿真系统分别进行了机组运行性能参数、负荷变化等变工况下的仿真计 算与热经济学优化。研究了变工况下性能变化及参数的敏感度分析，并把系统的 能力部分和非能量部分相结合起来组建了全局角度模型，通过序列二次算法可以 得到每个加热器的最佳端差、主辅机以及汽轮机各个级组级的效率、泵效率等的 最佳参数以及设备投资回报的最佳成本【l6 1 。通过研究能够发现这种结构理论的 确具有区别于热力学第一定律和第二定律的先进性，能够全面评价系统的经济 性，对复杂能量转换系统运行的经济性分析提供了一套行之有效的方法。 1 3 论文主要内容 本文研究以6 0 0 m w 超临界燃煤机组的热力系统为研究对象，将其划分为若 干个子系统，绘制了大型燃煤机组复杂热力系统的物理结构图和生产结构图，根 据热经济学结构理论建立了其数学模型并计算了不同工况下各组元的单位火用成 本、单位热经济学成本，深入分析了不同工况下成本形成的热力学过程及分布规 律，揭示了能量损耗技术上的不等价性，并定性分析了设备火用成本随运行参数 的变化成本分布规律及其原因。本文主要工作和研究内容包括： ( 1 ) 以热经济学结构理论为基础，6 0 0 m w 超临界凝汽式机组为对象，建立了通 用的热经济学数学模型和火用成本模型。 ( 2 ) 通过结构理论建立起来的数学模型对所求得的线性方程组进行计算，了得 到大型火电机组各项评价指标，例如：单位火用耗系数、火用流率、单位火用成本等 性能评价指标；通过对投资及管理费用的估算，形成各设备组元相应的单位热经 济学成本特性方程组，进而取得评价能量系统热经济性优劣的相应热经济学成 本。 ( 3 ) 针对不同设计工况( 1 0 0 t h a 、7 5 t h a 及5 0 t h a ) ，定量研究了回热 加热器以及汽轮机依抽汽口划分的各级组效率性能变化，并且研究了在三种不同 设计工况下，得到了单位火用成本在机组复合滑压运行下的特性曲线，利用计算 得到的性能评价指标定性对每个设备以及整体机组热经济性能进行评价，进行了 实际工况下的性能计算，指出了需要改进的部位。 ( 4 ) 热经济学成本综合考虑了投资及管理成本，对系统及各设备性能变化具备 很强的敏感度，针对设计工况下取得的热经济学成本量化了系统各部位的成本分 布，指出了降低机组热经济性能的关键步骤，并对影响热经济学成本的具体因素 进行了分析。 华北电力大学硕士学位论文 第2 章热经济学基础及其结构理论 热经济学通常在两种环境中探讨复杂能量系统的诸多问题：物理环境和经济 环境。在热力学第一定律的探索中，由于我们所用的能量损失系数( 热效率) 等 是与环境无关的物理量纲，所以在运用热力学第一定律即热平衡法来分析能量系 统时，只考虑了能量的数量问题。而运用热力学第二定律中来分析问题时，火用 是个势参数，随环境温度、压力的变化而变化。所以在进行实际计算时，需要首 先确定火用值计算的基准态，把由户压强、r 温度等一些物理量参数描述整个机 组环境的环境，称之为物理环境。但在热经济学研究分析中，不仅要在物理环境 里来考虑问题，还要将其放到经济环境中。 热经济学的思路是利用结构理论的线性数学模型将整个机组系统与环境有 机结合，将内部子系统有机联接，采用了热力系统的生产结构图来描述系统的生 产关系，通过计算能够获得各设备的单位火用耗系数、火用损和能流的单位火用成本， 利用线性方程组进行求解。继而能够通过得到的性能评价指标来评价机组的性 能。 2 1 热经济学的基本问题 2 1 1 能量定价法则 能量定价涉及的内容和范围十分广泛，例如热电联产中热与电两种产品成本 如何分摊等问题。热经济学研究能源的定价问题主要从能量的可用性程度、定价 等方面进行。 火用是势参数，是表征能量价值的物理量。以火用来定价能够非常直观以及准 确反映不同的产品成本信息及它们的品位问题，也就是能级梯度利用，故而我们 主张用火用来定价。 虽然以火用的角度来定价是十分合理的，但并非所有的能量系统都要用它来 定价，如果这个系统的产出唯一，那么说所产出的产品必将特性固定，在这样的 情况下，其所携带的能量与所携带的火用量其实就是一个比值的区别，并没有实 质上或者是原则上的区别。所以可以选择前者来定价。而实际在热经济学分析与 优化中所遇到的能量系统往往较复杂，如果面临一些优化问题或者是变工况计算 问题，比如说在系统中加入一个微型热泵来利用余热，那么系统可能就不适宜用 能来定价，所以还是提倡所有的系统都用火用来定价。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 集成度划分的原则 子系统之间的经济交易是不额外加入利润的，内部不管如何进行划分、如何 进行拆分组合，都对整体的分析结果没有影响。而我们要分析的系统往往是非常 复杂的能量系统，为了避免复杂，求取时候省时易行，我们应该在能够满足计算 精度需要的前提下，将系统尽量的简化。 在热经济学结构理论中，采用热力系统的生产结构图来描述系统间的相互交 互关系。组元可以是一个实际部件，它也可能是一个虚拟部件，同时也可能会是 两个甚至是多个部件的集合。划分时，需要遵循一个原则：划分的组元的生产目 的类似、结构紧密，也就是说从物理上的空间集成和功能上的时空集成耦合角度 来划分，例如可以把轴封加热器与第八级低压加热器划分为一个组元，简化了计 算，而且这两个设备具有功能上的类似和结构上的紧密，因为它们都是利用低压 缸排出的低压低温蒸汽来加热凝结水。在本文中，作者还通过抽气口细分了汽轮 机的组元，这样能够更加精确指导汽轮机各个缸内部的监测分析，所以如果想要 知道每一级的情况，也可以每一级就是一个子系统。 组元划分的集成度高，则精确度不够；集成度低，则计算较精确。本文是以 抽气级组，也就是每一个抽气口间的级组作为一个子系统。集成度较低，精度较 高。确定物理结构图后，可为绘制生产结构图提供依据【2 】。 2 1 3 系统能量平衡方程数学描述【2 1 通常情况下，在系统的内部存在着各种类型的平衡，这种平衡可以是质量的 守恒，也可以是货币的守恒，通过热经济学角度分析整个复杂系统，就需要对这 样的系统进行基础方程的阐述，那么我们通过下面几个数学方程式简单表述出这 些基本平衡方程： ( 1 ) 物质平衡方程： m 缸一，= 砌 ( 2 - 1 ) ( 2 ) 能量平衡方程： ( q 一q o 叫) + ( 玩一虬。，) + ( 彬。一形w ) 啦， ( 2 - 2 ) ( 3 ) 火用平衡方程： 瓦一一l 碰 ( 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 货币平衡方程： 一心砒 ( 2 4 ) 进而求取盈利的方程组： 儿= 一g 乓一e ， ( 2 - 5 ) 这四个平衡方程式就是所有复杂的热力系统基本计算的基石，而且我们定义在 每一个子系统的边界上来求取其火用值，从而可以用黑箱法简化计算，对子系统 的分析十分便捷有利。 2 1 4 成本方程 按能量本身的特性对能量以火用定价，而对于产品的成本，还应该进一步划 分为两类，获得能量产品需要付出两类代价，直接的能量消耗和非能量性的消 耗。所以应把能量成本划分为能量费用和非能量费用。例如：锅炉生产蒸汽就 要消耗燃煤，燃煤是蒸汽成本中的能量费用：而同时为了维护锅炉设备的运行， 必然会有设备的折旧费、维修费及人员工资等，就属于非能量费用。这样可以 将热经济学的成本方程表示如下： 成本费用= 能量费用+ 非能量费用 在热经济学分析中，我们常用如下方程来描述成本方程： 勺易= c j 斗易一+ g ( 2 6 ) 式中劬、乓为产品的的火用及其单价；c 价历。为输入系统的火用及其单价； 为非能量费用c 。= 罗z ，+ g ，其中z 为各设备的折旧费用，占为工资、维修 下 管理费用，图2 1 表示了成本的构成关系： 图2 一l 成本构成示意图 经以火用来定价后，热力学量纲就变成了经济学量纲。根据经济总量平衡方 程，可得基本的成本方程式：式( 2 一1 ) 。由式( 2 一1 ) 和图2 1 可以看出，火用价格 华北电力大学硕士学位论文 是在系统的边界上定义的。那么，子系统之间的相互经济交换保持平衡，没有 任何的附加利润，这样的话现金流的定价是内部的价格，同时也叫传递价格； 而环境与系统的现金流动遵循外部的经济规律，称之为外部价格。下面取一个 最简单的系统为例，如图2 2 ，系统有子系统1 和子系统2 ，火用流e 。先进入子 系统l 中，进入子系统1 的价格是由外部价格来定的，即是市场价格；进而子 系统1 到子系统2 输出产品，即火用流e ，2 ，两个子系统之间不存在任何附加利 润，c ( 子系统l 输出的火用价格) 就等于c 2 ( 输入到子系统2 的火用价格) ，记 为c m ：最后子系统2 输出产品火用流e 阳，这股火用流的用价格是由外部市场价格 来决定。 2 图2 2 两子系统间火用流传递过程 根据式( 2 1 ) ，子系统1 的产品成本方程可以写为： e 1 2 cl 。2 = el o c l o 七c r l q - 1 、) e 1 2 c 1 2 。e lo c l o 专乙n lu | ) 式中的公式左边为予系统1 输入到子系统2 的火用及其单位火用成本 那么对于第2 个子系统，输入的火用流是e 。而单位火甩价格为( 子系统内部传 递过程不附加利润) 为c 。同时由式( 2 一1 ) 得： 上0 0 c p d = 局，声j 2 + c k ( 2 - 8 ) 而整个子系统的产品火用成本不会因为子系统的划分而变化，可以表示为： 昂。铆= e j d ，c j o + g ，+ c 一2 ( 2 9 ) 上式表明，子系统2 输入火用的单位火用价格等于子系统1 输出的“产品火用的 单位火用成本，这是由于子系统1 与子系统2 间的火用流传递无附加利润，称为 内部经济，火用价格也叫传递价格。因此，在分成子系统写其成本方程时，需注 意如下原则： 。 ( 1 ) 子系统的成本方程必须满足经济平衡准则，即子系统的“产品火用成本 也应包括两项：能量费用与非能量费用。 ( 2 ) 每一个子系统向其下一个子系统输出“产品时，应当遵循内部的经济法 则，无附加利润，只按其成本定价，即为传递价格。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 5 不同部位火用的不等价性 火用是能量中的可转换部分，将不同形式的能量等同起来表述。因此可忽略 不同能量形式上的差别，这是火用分析所具有的特点。但是我们不能因此就把一 切火用的经济值也随之等同，因为系统中的各个部位，在系统过程进行的不同阶 段上，为获得火用所付出的代价不同。一般情况下来说：能量消耗和非能量消耗 都是越是接近系统末端就会越大，而接近初端者则较小，故火用和损失在经济上 是不等价的。 同时为了进一步的说明问题，对一个所有的子系统都依次排列的链式系统 进行分析，如图2 3 ，子系统l 的成本方程为： o = 勘，c d ，+ g j ( 2 - l0 ) 式中，c 1 为子系统输出产品火用的总成本。 已已， e z l 2 c - | ， c ， 图2 3 依次排列的链式系统火用流程图 根据子系统的成本方程，子系统2 输出产品e ”2 的总成本为； o = a + g 2 = 岛锄+ g j + ( 2 - 1 1 ) 那么依次类推，得到子系统k 的总成本： g = 气瓦+ c i l 子系统后出口火用e l 经历其前各子系统累积的火用损失后， r 巨。= 色形 ，代入式2 7 ，得到： 兀7 7 f g = 筝+ 圭g ， 兀仇扛1 子系统七的输出火用e ”量的单位火用成本为： ( 2 1 2 ) 所需要的输入火用 ( 2 一1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 巳 q = 争= = 生= 肌 丘 u 仉 扭l ( 2 1 4 ) 式中，夕七就叫做子系统七的单位火用成本增长系数【2 1 。 由式( 2 1 0 ) 可以看出，因为每个子系统的火用效率都为介于0 与1 之间的 数，而且非能量费用是累积值，会越来越大，因此卢七则总是大于1 的，并且随 序数j | 的增大而增大。这证明了在系统的不同部位的火用成本是不同的，也就是 说火用在经济上并非等价的，同时火用成本越接近系统末端就越大。进一步分析 可见造成火用成本递增的因素有两种：一是过程的不可逆性，二是由于非能量费 用递增的因素。 2 2 热经济学结构理论建模 热经济学的结构理论建立在火甩成本理论基础上的一种数学方法。它是西班 牙人v r a l e r 0 等在完成矩阵模式热经济学体系之后而提出的，这种方法囊括了热 经济学领域发展进程中的各种方法论，例如优化模式热经济学、会计模式热经济 学、结构键理论等，是各种方法统一起来的通用模型。 2 2 1 火用成本基本概念的阐述 对于单位火用耗系数k 这个概念，其数值就等于j 勿，也就是肿。通常情况 下，我们可以把能量系统的关系结构由刀个子系统来表达，设其中有胁股流动 的火用流，这样用矩阵简化了复杂系统的计算问题。通过矩阵计算，充分反映了 内部的复杂生产交互关系，即所谓的生产关系。 因此，若假定了一子系统：这个系统有p 股的输入火用流，伴随着s 股的输 出火用流，可以写成： 一 骂= 忍 i 2 i 渊 【2 1 5 ) 用事件的矩阵来表示，火用成本平衡方程为： 么矿= 0 ( 2 一1 6 ) 在上式中，彳是事件矩阵，这里可以引入一个单位火用成本的概念，这个概 念量在分析和计算中十分有用。 华北电力大学硕士学位论文 k = b b ( 2 17 ) 通过一定了的条件确定，可以得到系统内部的每个组元或者说是子系统都分 布着三种单位火用成本，也就是燃料、产品以及有可能的残留火用的。 如下为火用成本推论： 规定1 任何燃料或产品的火用皆为正值。因此，对于双线流( i j ) 必须是b i b i 规定2 f 正常情况下，在任何一个生成的子系统中，每一个燃料f 都有一个 单位火用成本大于l 或者等于1 ，而且等于造成这股火用流的单位火用成本。 规定2 p 在没有外部定价的情况下，生成的子系统输出的所有产品单位火用 成本都一样。 推论在正常情况下，生成子系统的每个产品的单位火用成本大于或等于l 。 规定r 所有的残留和副产品，它们都可能是由外部定价的对象，但在生成 的子系统中，必须如正常产品一样清晰出现。 2 2 2 热经济学的平均和边际成本 在热经济学分析领域，可根据分析目的不同将上面的火用成本和热经济学成 本分为平均成本以及边际成本。平均成本主要用于能源审计、产品定价等一些领 域，它表达了生产一单位产品所需的外部资源的平均数量。反映了整个系统的稳 态产出特性。 而边际成本则表达了每增加一单位的产品成本所追加的外部资源或燃料的 数量，它反映了能量系统的动态性能。能够用于复杂能量系统的优化、性能故障 诊断等方面。以火用成本为例，它的数学表达式可以定义为： 后：f 篓1 ( 2 1 8 ) l 扭i 在一定条件下 2 2 3 结构理论基本概念 热经济学结构理论是基于火用成本理论和矩阵模式热经济学基础上发展起 来的。复杂能量系统中的每一股能流的产生都会消耗燃料，也就是外部的资源。 这样，每一股流的生成都要消耗代价，故而都有它的成本。在系统中每股能量的 流和子系统都存在着相互作用和交互的关系，同时可以按照物理环境和经济环境 来划分，划分为火用流和现金流。这个火用的值代表了生成这股物理流的生产过程 的热力学效率，从而知道单位火用成本的概念就是获取一单位的火用要损耗的外部 华北电力大学硕士学位论文 资源，也就是燃料的量【2 1 。例如，如果生成电能的单位火用成本值是2 7 ，就是指获 得一单位电能火用要消耗掉2 7 单位的资源火用。可以看出，单位火用成本是一个无 量纲比值。而同时，现金流则同时考虑了燃料的经济价值、设备的投资和运行管 理费用，单位热经济学成本就是生成这股现金流所要消耗的货币数量。 电厂热力系统过程组元燃料产品定义，见表2 1 ： 表2 一l 热力系统典型过程组元燃料产品定义 在分析实际问题中，整个过程中往往存在多个部位的不可逆损失，所以存在 相当部分的燃料火用在生产过程中损耗掉，过程组元的火用平衡关系表达式为： f = p 十，( 2 1 9 ) 式中，代表燃料，尸代表产品，是火用损失。 定义单位火用耗系数为单位产品所需的燃料火用，即： 船= f 尸 ( 2 2 0 ) 单位火用耗系数是组元内部热力学过程效率的一种衡量值。而对于实际的过 程，在设备内部存在各种各样的损失，不可逆损失越大，那么单位火用耗系数愈 大，且这个值恒大于一。这个系数的倒数火用效率表达了此设备的火用完善程度： 玎= ；= ，一专 c 2 - 2 ， 进而得到一个热经济学领域的全新概念，即技术产品系数。与单位火用耗类 似，它表示了单股的燃料流在过程组元中的单位火用耗，记为： 乃= 考 协2 2 ， 进而知道每个组元它的技术产品系数与其单位火用耗间关系： 巧= 磅= 罟= 罟 ( 2 - 2 3 ) 热经济学结构是一个通用的数学模型，用以解决实际问题，是在传统的矩阵 模式热经济学和火用分析理论基础上发展起来的。为表征超临界机组各设备间关 系，必须绘制两幅图：物理结构图和生产结构图，物理结构图必须与热力系统图 相对应，但并非一一对应。物理结构图的绘制根据各热力设备功能，依据合适的 集成度划分各个过程组元。组元可以是一个实际部件，也可是某部件的一部分， 或几个部件的组合。组元划分的集成度高，则精确度不够；集成度低，则计算较 精确。确定物理结构图后，可为绘制生产结构图提供依据。在热经济学结构理论 中，对整个系统进行描述，运用生产结构图来阐述系统间的相互交互关系；由于 各设备间复杂得交互关系，加入两种虚拟组元：“汇合点”和“分流点”，分别为多 输入单输出和单输入多输出的虚拟组元，在汇集和分支组元，入口和出口的火用 或负熵保持守恒【r 7 1 。这个系统最终是要求得每一个组元性能变化对整个系统及 其他组元的影响有多大。 热经济学不仅能够量化每个组元的不可逆损失，更能够建立起各设备间的生 产关系，并且具有在广义故障诊断领域进一步发展的广阔空间。根据上式( 2 2 3 ) 的火用成本理论，可以对任意一组元进行分析，过程组元的平衡方程为： j = f p = ( 翘一1 ) p ( 2 2 4 ) 对上式求微积分可得： d ，= 卿o + ( 船一1 ) 护 ( 2 2 5 ) 经过数学推导，从而可以获得区分两种类型的不可逆损失： 1 、内源性不可逆损失( 故障) ，这是由于本身的单位火用耗的增加而引起的： 懈= 芹船产峨掣 ( 2 - 2 6 ) j = 0 2 、外源性不可逆损失( 障碍) ，这是由于其他组元的故障扰动而引起的，迫 使本组元消耗更多的外部燃料资源，以获得其他组元所需要的额外的产品： 、 嬲= ( 舾f 一1 ) 蛔 ( 2 - 2 7 ) 故障只影响本过程组元的性能，障碍是过程组元改变自身以维持总产品不变 的结果。过程组元的不可逆损失的增加值是故障和障碍的和，即为： f = 崛+ 嬲 ( 2 2 8 ) 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 4 燃料产品的定义及其表达式 定义各个设备的生产功能。用来量化设备的生产目的被称为产品“p ，而生 产产品所要消耗掉的火用称为燃料f 。在系统中，组元可以有很多燃料，但只 有一个产品。通过这种定义把系统中复杂的物质和能量流分别进行归类，每个 设备或子系统的生产功能明确，简化了系统的分析过程。 表2 2 机组燃料一产品表达式 过热器，再热器 艮= z z s ：r s z j 心爿：s 垆 习事| n t b 2 l b 2：n 胚2 邵j + 跏s j 墨r 跗 砖。f 聊 ， w b 秆b 5 汽轮彩慑组 f b = b 1 b 2p = wk b = f b 7 p b 1 f s = t 0 s 2 - s1)cs=fs7p 1e w 一卜 ! n、 b 2 r 勇if b = w p = 8 2 bl k b = f b 7 p f s = t 毹s r s1)ks=fs?p 华北电力大学硕士学位论文 n 除氧器 凝汽器 f b = m 2 b 2 + m 3 b 蕈- ( m 2 + m o b 4 p = ml ( b r b1 ) f s = t 文s r s l s r s 0 f b = b l + b 2 + b r b 3 p 2 t o ( s l 七s 2 + s r s 3 ) 胪矽 k b = f b f p k s = f s f p k b = f b 7 p k w = f w p f b = w lp = w 2 l c b = f b 7 p 图中的b 表示了