（热能工程专业论文）汽轮机排汽焓的在线计算及应用软件开发.pdf

摘要 摘要 提高汽轮机组的经济性是火电厂实现节能降耗的一个关键问题。随着计算机技术的发 展，实现汽轮机热力性能的在线计算是必然要求。汽轮机组计算机热经济性分析是汽轮机性 能监测的重要内容之一。研究汽轮机在线性能计算，可以实现对机组热经济性及运行迸行实 时监测，有利于运行人员根据计算结果进行调整，使机组运行状况得到改善。 汽轮机性能计算中排汽焓的求解一直是一个比较棘手的问题。本文一方面根据理论近似 模型原理计算捧汽焓，另一方面通过凝结水焓和汽轮机排汽在凝汽器内的放热量来求解捧汽 焓，很好地解决了捧汽焓的求解问题。理论基础部分本文论述了热力性能计算的方法及汽轮 机经济性的主要评价指标。热力性能试验的修正计算等主要内容。 利用v i s u a lb a s i c 和m a t l a b 作为编程工具，开发了“热力性能计算”应用软件该软件 运用国产组态软件组态王和s o l s c r v e r 2 0 0 0 致据库实现实时数据采集和存储软件具有界 面友好，操作简单等特点 关键词：汽轮机：性能计算；修正计算；捧汽焓 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rp o w e rp l a n t , t h ek e yt os a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o nl i e s i ni m p r o v i n g e c o n o m i c so ft u r b i n e s a c c o m p a n yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e c a r r y i n go u tt h e t h e r m a le c o n o m i ca n a l y s i so ft h et u r b i n eu n i t sw i t ho n l i n ec a l c u l a t i o nw h i c hi so n co ft h e i m p e r t a n tc o n t e n t sf o r t h eo n - l i n em o n i t o r i n go ft h et u r b i n eu n i t si si n e v i t a b l e s t u d yo d i n e t h e r m a lc a p a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft u r b i n e si st om o n i t o rt h et h e r m a le c o n o m i c sa n d r u n n i n gp a r a m e t e ro ft u r b i n eu n i t si nr e a lt i m ea n dt o t u n ep a r a m e t e ri no r d e rt oi m p r o v et h e r u n n i n gs t a t e m e n ! o ft u r b i u eu n i t s t h ec a l c u l a t i o no ft h ee x h a u s ts t e a me n t h a l p yi sat o u g hp r o b l e m i no s i d e t h ee x h a u s t e n t h a l p yi sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt op r i n c i p t em o d e la l i k e ；o nt h eo t h e rs i d e i ti sc a l c u l a t e db yt h e h e a tr e l e a s e db yt h ee x h a u s ts t e x m 缸c o n d e n s e ra n dt h ee n t h a j p yo f c o n d e n s e ds t e a m b yt h i sw a y , t h ep r o b l e mo fc n i c u h t i n gt h ee x h a u s ts l e f ne n t l u d p yi ss o l v e dc o m m e n d a b l y t h et h e r m a l p o r f c a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h em a i ne v a l u a t ei n d e xs i g no ft u r b i n ee c o n o m i c sa n dt h e c o r r e c t i o no ft h e r m a lp e d o r m a n c et e s ta l ed i s c o u r s e di nt h ep a r to fr a t i o n a l e w i t hv i s u a lb a s i ca n dm a t l a b ，a p p l i c a t i o ns o t w a g ef o rt h e r m a lc a p a b i l i t y 刚o m m n c e c a l c u l a t i o nw a sd e v e l o p e d k i n g v i e wa n ds q ls e r v e r2 0 0 0a g eu s e dt od a t aa c q u i s i t i o na n d s t o r a g e t h ef m n v a g ei se a s yf o ro p e r a t o r st oo p e r a t ea n dh a s a f r i e n d l yi n t e r f a c e k e yw o r d s ：t u r b i n e ；p e r f o r m a n o ec a l c u l a t i o n ；c o i t e c l i o nc a l c u l a t i o n ；t h ee x h a u s ts t e a me n t h a l p y 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： 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：导师签名：日 期： 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展，产业结构的不断变化及经济结构的改革，能源的消费迅速增 长2 0 0 0 年以来我国的电力工业进入了新的快速发展时期。2 0 0 2 年至2 0 0 4 年国内生产总 值由8 9 4 6 8 亿增至1 3 6 5 1 5 亿元，年均增长8 6 。从而拉动了发电量高速增长，由1 3 6 8 5 w h 增至2 1 8 7 o t w h 。年均增长1 2 4 。发电装机容量由3 1 9 3 2 g w 增至4 4 0 ? o g w ，年均增长 8 4 蚪“ 煤炭发电仍然是2 1 世纪初期我国发电的主要形式，预计到2 0 2 0 年，煤电装机容量为 6 0 0 ( ；w 左右，约需煤炭1 4 0 0 g t ，占该年煤产量2 1 0 0 6 t 的6 眺。火电厂巨大的煤炭消耗不仅 给环境带来巨大压力，还造成了煤矿能源的短缺，同时火电厂发电输电效率低下等因素加剧 了能源供应紧张的程度。 在能源的消费过程中，人们也逐渐认识到节能降耗的重要性和紧迫性。国家政府部门也 出台了一系列政策与措施，鼓励引导耗能单位节能降耗，甚至将它作为企业的一项考核标准。 我国电力行业存在的突出问题之一就是汽轮机组发电效率不高。有资料显示：我国火电厂煤 耗为每千瓦时标准煤4 0 4 克，与国际先进水平3 1 7 克标准煤相比，我们高出2 7 4 。我国发电 效率低与大量使用中小机组有关，有些小机组的发电煤耗高达1000 克千瓦时吲。可见， 我国火电厂有提高发电效率、降低煤耗的必要性，而且其发电效率的提高还有很大的空间 火电厂是我国主要的耗能大户，因此火电厂的节能对解决我国能源短缺的紧张局面的重 要性不言而喻。汽轮机是一种以蒸汽为r 质，井将蒸汽的热能转换为机械功的旋转机械，是 现代火力发电厂中戍 j 最广的原动机。无论是在常规的火力发电厂还是核电站中，都采用以 汽轮机为原动机的发电机组。在工业生产中有余能和余热的地方，还广泛地应用着不同类型 的各种工业汽轮机。所以，汽轮机在生产电能和热能方面，都发挥着极其重要的作用因此， 提高火电厂发电效率的重要途径之一就是保证汽轮机系统运行的质量。 随着火电机组容量的不断增大，对运行的经济性和安全性提出了更高的要求，单靠运行 人员的现场观测和分析已远远不够。汽轮机组经济性诊断对电厂的经济运行、节能降耗具有 十分重要的意义。机组经济性诊断要求实现对机组的在线性能分析诊断。因此开发汽轮机 性能在线分析软件，让发电企业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 热力发电厂制定机组优化运行经济调度方案和机组维护、检修计划与策略，在线实时指导机 组运行人员，具有极人的现实意义和良好的经济效益。 近几十年来，计算机和信号测茸技术的快速发展使汽轮机系统的在线状态监测、控制成 为现实。新的测精方法和新的测鼙元件使信号测耸的准确性和有效性都有较人群度的提高， 而计算机软件技术的研究与开发使很多人i ：智能技术可以成为现实。现在的人：t ：智能技术在 信号处理、模拟人类决策、系统优化控制、在线监测和故障诊断方面都取得了前所朱有的成 果。这为汽轮机系统的在线监测，性能优化的实现提供了条件。使之成为可能。本课题就是 在认真学习汽轮机热力性能计算等相关专业知识的基础上，借助于计算机，开发符合现场要 东南大学硕上学位论文 求的应用软件，以满足生产的需求 1 2 国内外研究现状 我国煤炭资源的紧缺尤其是近几年煤炭价格的上涨，迫使火电厂必须提高发电效率， 以提高市场竞争力。火电厂通常由循环过程非常复杂的热工设备组成，如何方便地描述热力 循环内部 质的流量分布及做功是许多学者一直在探讨的问题。火电机组性能分析是确定主 辅机组热力系统运行参数是否合理和运行方式是否经济的一种定量检验方法。最早提出的热 力系统计算方法是常规热平衡法。此法计算精确，但计算步骤比较繁琐。后经发展改进，逐 步完善形成简捷热平衡法，虽然对实际热力系统进行了定的简化和假定，但计算 作量仍 然很大。此外，热力系统的计算方法还有矩阵法、等效焓降法和耗差分析法等。矩阵法的实 质在于利用简化记法，对热力系统各回热加热器的质量平衡方程和能量平衡方程整理分析， 联立构成方程组，以矩阵的形式来解，由于便于实现计算机编程，因而在汽轮机组在线经济 分析中得到广泛应用：等效焓降法可以用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统的局部 定量分析，其计算简捷、准确概念清晰，易于掌握应用；2 0 世纪6 0 年代加拿大学者提出 了“耗差分析法”，2 0 世纪8 0 年代以后该方法开始在我国广泛采用，耗差分析法可以对 关键的运行参数进行连续的监督分析，并最终反映到煤耗变化上 1 2 1 捧汽烩的计算方法 为了定量评价凝汽式发电机组的热经济性，目前世界各国均采用热量法制定机组的热经 济指标汽轮机组的热经济指标主要有汽耗率、热耗率、相对内效率、循环热效率、绝对电 效率等。此外为了评价和鉴定机组的安装水平、调试质量、维护、技术改造，以及新技术 的推广应用，经常需要进行热力试验。在将试验结果与设计值进行比较前，必须进行修正 因为在进行热力试验时，一般情况f 不可能所有的t ：况参数和条件都满足设计要求，这些工 况参数和条件的偏差必然会对试验结果产生影响。因此必须对试验结果进行修正，消除偏 差产生的影响，以保证比较是在相同的热力循环条件下进行 无论是汽轮机组的热力性能分析。还是试验结果的计算、修正，都存在捧汽焓计算这一 问题比如对于凝汽式汽轮机组，汽轮机组的实际循环热效率是反映汽轮机组热功转换程度 的一项重要热经济性指标，根据其定义式：吃- 皑鼋0 ( 其中q 是以进汽轮机的蒸汽为l k g 的实际比内功t o , - h o + a 币q 一一罗a f h ，一o , h 。；q o 是比热耗叮o - h o + a g 一一h 一) 可 ，= i 知，要想计算实际循环热效率必须己知新汽焓值、抽汽份额和始值、捧汽焓值、l k g 再热蒸 汽的再热热鬣和锅炉给水焓值l 】j 。实际运行机组中以上各参数的温度、压力都有测点，可由 蒸汽图表查得焓值。但汽轮机在运行过程中其处于低负荷运行= 况时捧汽、末级和次末级工 极有可能处于湿蒸汽区( 即使在满负荷运行时末级也可能在湿蒸汽区) ，焓值不能由压力和 温度查得。因此汽轮机捧汽焓的在线测量一寅是实现机组在线经济诊断的难点问题之一 国内外涉及排汽焓计算的研究有很多就方法而言总体上可以分为三大类：汽轮机中末级 蒸汽湿度的测量技术；理论上探讨相关的近似模型；软涮量技术。 2 第1 章绪论 l 2 1 1 蒸汽湿度测量技术 对低压缸内湿蒸汽流动性质的研究，学术界已进行了多年的探索。在一些发达国家，湿 蒸汽两相流的研究起步比较早，我国真正开始此项研究是在7 0 年代后期。汽液两相流的测 量方法有很多，适用于汽轮机低压缸湿度测晕的方法有热力学法和光学法。按热力学法制成 的湿度测量装置应用比较早。在德国早期建成的k a h l 核电站以及b i b l i s 核电站中的1 3 0 0 盯 汽轮机的验收试验中，采用了节流式的测湿计；英国g e c 研制了凝结式测湿计；西安热： 研 究所研制了一种节流式湿度计：英国中央电业实验室研制了g e r l 过热式湿度探针；东北电 力学院及西安交通大学分别对g e r l 做了改进。7 0 年代后期，蒸汽湿度的光学测量法得到了 很大发展。1 9 7 3 年，前苏联莫斯科动力学院研制了角散射式光学探针：1 9 7 8 年，美国两屋 公司和瑞士b b c 公司研制了全散射式光学探针：1 9 8 2 年，前两德斯图加特大学和前苏联斯 大林金属工厂先后研制了消光法光学探针；我国原上海机械学院研制了全散射光学湿度探 针。但是蒸汽湿度的在线测量技术遇到了附加设备复杂和对测量精度的影响因素较多等问 题，也存在造价高、维修保养要求高等缺点。 1 2 1 2 理论近似模型 理论上计算汽轮机捧汽焓主要有以下几种方法：能量平衡法、余速损失法、曲线迭代法 和熵增计算法等。 ( 1 ) 能量平衡法 能量平衡法将汽轮机及回热系统看作一个封闭的热力单元，利用热平衡方程、物质平衡 方程和汽轮机功率方程，根据单元能量守恒原则计算捧汽焓。其优点是：理论上可以精确计 算汽轮机捧汽焓：缺点是很难全面考虑单元的能量进出 ( 2 ) 余速损失法 余速损失法p 1 i 0 i 认为机组背压变化将主要影响末级相对内效率而这一末级相对内效 率的变化主要是由于末级余速损失的变化引起的。该方法需要事先知道汽轮机在额定参数时 的末级级前压力拟合。末级前后压力捧汽余速损失”曲线。 ( 3 ) 迭代法 目前广泛使用的是迭代算法。对于汽机排汽焓的计算，一般有两种方法：电算迭代法和 曲线外推法。电算迭代法即矩阵算法，是根据汽轮机总的输入、输出热鼍的平衡，即利用热 平衡方程、物质平衡方程、汽轮机功率方程联立计算确定捧汽焓，该方法最先假定一个捧汽 焓初值。然后得出相应湿抽汽点的焓值进行迭代计算。这种方法受收敛条件的限制，迭代次 数会影响热经济性在线计算的时间周期。曲线外推法，即根据汽机在过热蒸汽区入口状态点 和抽汽状态点作热力过程线，然后将此曲线平滑外推到湿蒸汽区由此得出处于湿蒸汽区的 抽汽焓及捧气焓此法由于曲线拟合点的数目较少，精度较差 ( 4 ) 熵增计算法 熵增计算法利_ j 熵增原理首先计算排汽点的熵值，然后拟合焓熵例中湿蒸汽区压力与 熵的函数关系式计算捧汽焓值汽轮机排汽焓主要由两方面冈素决定，即：凝汽器的工况 决定捧汽温度，进而决定排汽压力；机组具体热力系统决定了机组的热力过程线。因此若 想直接计算捧汽焓，其所借助的f 具必须能同时准确反映这两方面的因素，而温熵图止好具 有这种优点。然而这种方法需要全面地考虑热力系统各辅助汽水流量分布，在实践中不易准 确把握，影响了其实用性。 东南大学硕士学位论文 1 2 1 3 软测量技术 软测量技术( s o f ts e n s o rt e c h n i q u e ) 的基本原理是：对于工业过程测餐中不可测的 或难以测盛的过程量( 主导变量) ，先检测易于检测的、与主导变量有密切关系的过程量( 辅 助变量) ，通过合适的数学模型的运算，得到主导变量的估计值，从而完成主导变量的测量。 软测簧技术主要是基于人工神经网络模型。近十年来，软测量技术广泛应用于过程工业中， 比如炼油、石化、聚合、造纸、采矿、食品、医药精细化工、半导体、纺织及微电子行业等 电厂过程控制软测量技术的采用也在逐渐增加，基于软测量的高级控制也在走向成熟。总结 近几年来软测量技术在汽轮机排汽焓求解方面的文献。大致可以分为两个方向：运用传统的 软测量技术( 基于人工神经网络方法来建模的) 建立的排汽焓在线计算模型，有方向传播( b p ) 网络模型、双并联人工神经网络模型和径向基( 舳f ) 网络模型等；此外，还有一种基于支 持向量基( s v m ) 的汽轮机排汽焓在线预测模型。软测量网络模型的权值和阀值的计算比较 耗费机时，一般根难满足在线计算的需要。 1 2 2 电厂自动化现状 能源电力是国民经济的支柱性产业。在全球信息化、自动化的推动下，电力行业也跨入 了信息集成的时代。随着火力发电机组向高参数、大容量的发展，对机组自动化的要求日益 提高，以“4 c ”( c o m p u t e r ，c o n t r o l 、c o e u n i c a t e ，c r t ) 技术为基础的现代火电厂热工自 动化技术得到了相应发展其中。最有代表性的是问世于2 0 世纪7 0 年代的集散控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d 岱) 火电厂d c s 的应用在不同程度上提高了火力发电机 组的数据采集预处理、生产过程控制，逻辑控制、监视报警、连锁保护、操作管理的能力和 水平，是目前热控系统的主流。新型d c s 系统具有如下特点：通用化的硬件平台，p l c 的融 入：独立的应用软件体系；标准化的通信体系；强化安全、冗余措施；与现场总线控制系统 的无缝融合 近几年，相关学科的一些理论在火电厂热力系统分析计算中有所应用，如人工神经网络， 信号流图等。它们虽然研究还很不完善，不足以形成一种完整的分析方法，但有些观点还是 有可取之处的，是对常规分析方法的一个有益补充但尚需要做大量的工作。从近年来的发展 我们可以得出，机纽热力性能计算的实时化、在线化是其发展的必然趋势，也是现场生产的 实际需要。如何使计算软件准确、快速、简洁地描述说明现场生产的状态这是目前大家都 关注和不斯进行研究探讨的问题。 i 3 本文的主要内容 本误题来源于工程实践，是麻现场生产的实际需要而进行立题研究的。通过到现场试验。 对现场设备的性能以及电厂数采系统的了解，结合电厂的实际需求，提出了适合于厂家要求 的汽轮机捧汽焓计算模型，并相应开发了其应 j 软件。本文的主要内容可概括为以下几个方 面： ( 1 ) 介绍汽轮机组热力性能计算的方法通过对各种计算方法的比较分析，从而得出 本文适用的最佳计算方法矩阵分析法，结合研究对象的结构特点等，阐述了用该法进行 汽轮机组热力计算的过程及方法； 4 第1 章绪论 ( 2 ) 介绍本课韪现场试验方面的一些内容：比如试验的方法、条件，试验数据的整理 等，结合热力试验的性质，对汽轮机组热力试验的热力性能计算结果进行了参数修正计算； ( 3 ) 通过对汽轮机摊汽焓各种计算方法的对比分析，选择曲线拟合来建立捧汽焓的计 算模型，该模型同时辅以逆向求解排汽焓计算模型，二者相互印证和比较： ( 4 ) 在汽轮机捧汽焓计算模型以及汽轮机热力性能计算和修正计算的基础上，开发出 界面友好、便于现场运行的应用软件 5 东南大学硕 学位论文 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 汽轮机是火力发电厂的重要动力设备。汽轮机运行的好坏，寅接关系到发电厂的安全和 经济，而且要影响整个电网。因此，保证汽轮机组的安全经济运行是火力发电厂汽机分场所 有工人和技术人员的最重要的职责。但是汽轮机组是一种技术上非常精密的设备，而且结构 极其复杂。要保证汽轮机安全经济运行，必须掌握它的特性，特别是它的热力特性。无论是 改进现有机组的回热系统，还是机组大修后做热力试验需定量地分析比较其热经济性时都 要做机组的热力计算。因此，热力计算是进行经济性比较的基础。 2 1 经济指标 掌握汽轮机的热力特性，最有效的方法是通过热力试验来取得汽轮机组热力试验获得 的原始测量数据不能直接用于评估机组的经济性能，须经过必要的处理，才可作为性能试验 计算的依据各种型式的汽轮机，可以使用不同形式的技术指标来表达其热力性能。目前， 汽轮机热力性能试验计算中，常用的热力性能指标主要有相对内效率、汽耗率、热耗率和绝 对电效率 2 1 1 效率指标 乏1 1 1 相对内效率 汽轮机本体( 包括主汽门和调节汽门) 是蒸汽做功的通道，蒸汽在汽缸内完成蒸汽热能 向旋转机械能的转换。在理想情况下，汽轮机级内熟能转换为机械功的最人能簧等于蒸汽在 级内的理想比焓降。实际上，蒸汽在汽轮机通流部分膨胀、做功的过程中，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机械功 所以变为有用功的有效焓降a h i ，总是小于理想焓降a h 。，两者之比称为汽轮机相对内效 率，或简称内效率，即 r 塑 ( 2 1 ) , i 。a h zl，, 式中 巩汽轮机的相对内效率； ；有用功的有效焓降k j k g ： a h 理想焓降k j k g 。 各符号的意义如图2 - 1 所示。相对内效率是衡蟹汽轮机中能量转换过程完善程度的指标 6 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 图2 - - 1 汽机相对内效率 对于过热蒸汽区，蒸汽的焓值可用该点的压力、温度查水蒸汽图表得到所以处于过热 蒸汽区的高、中压缸，其相对内效率只与进出口的蒸汽状态有关，测量求解较为简捷但是 对于低压缸，其捧汽或末级抽汽一般处于湿蒸汽区捧汽焓或末级抽汽焓的确定是一个难点， 因此低压缸相对内效率的计算也就比较复杂。 2 1 1 2 循环热效率 由于汽轮发电机组的热力循环中存在着冷源损失，特别是汽轮机的捧汽损失( 乏汽在凝 汽器中释放汽化潜熟凝结成水) 所以要使1 蚝蒸汽获得理想焓降蜩。的热能，就必篱加给 它比a h ，大得多的热量。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 比称为循环热效率仉。若忽略水泵耗功，且使装置按朗肯循环工作，则装置的循环热效率 为： ”型t ( 2 - 2 ) w - t 仉。i 忑 式中 r 循环热效率； 蒸汽初焓k j k g ； 吃凝结水焓，即在背压p 。下的饱和水焓k j k g 。 ( h o h ：) 为每千克蒸汽在锅炉中所获得的热量。如果汽轮机采用回热系统，则丘应为末 级高压加热器出口的给水焓 r 2 1 1 3 绝对电效率 7 东南大学硕士学位论文 整个热力循环中加给i k g 蒸汽的热量所转变为电能的份额称为绝对电效率，用符号叩d 表示： 玎。3 6 0 0 巴- r h ，7 ( 2 3 ) 吁“。1 r , f , , r l , 2 。3 式中：弓发电机的实际发电量k w ； q o 汽轮机热耗，即蒸汽在锅炉中的吸热量k j h ； 仇循环的理想热效率- 一般为o 5 o s 4 ； 仉发电机效率，等于毒，一般为o 9 8 o 9 9 ： 汽轮机相对内效率； 叩- 机械效率，一般为0 9 8 0 9 9 2 1 1 4 全厂总效率叩口 凝汽式发电厂的全厂热效率为发电机输出功率( 以热量计) 与燃料所供给的热量之比， 其计算式为： 3 6 i o i 0 一, , - q b q p q , r q r g - r b r l p r l d ( 2 - 4 ) 1 f 式中：b 锅炉煤耗k g m ： q l 煤的低位发热量k ”【g 仉锅炉效率，一般为0 9 5 如管道效率，一般为0 9 8 全厂总效率b ，又称为电厂的毛热效率，除去厂用电容量名( 单位：k 、) 的全厂热效 率称作“净热效率”。我国1 9 9 0 年燃煤火电厂平均厂用电率为8 2 。其中1 2 5 2 0 0 帅机组 电厂为8 5 ；3 0 0 孵及以上机组电厂为4 7 5 5 左右；中、小容量机缌电厂为9 1 2 j 刈。 2 1 2 能耗指标 2 1 2 1 汽耗率和热耗率 汽轮发电机组除用绝对电效率表示经济性以外还经常用每生产i k l h 电能所消耗的 蒸汽量和热量来表示，分别称之为汽耗率d 和热耗率孽川。其中，汽耗辜的定义式为： 8 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 d 堡。! 塑 弓a h - r , d 式中：d o 主蒸汽流量k g h ； ( 2 5 ) 叩d 相对电效率。 对于不同类型的机组，由于机组参数不同，所以虽然功率相同汽耗量却不同，供热式 机组由于抽汽量不同更是如此。所以汽耗率并不宜用来比较不同类型机组的经济性，此时需 要采用反映机组经济性的另一指标热耗率，其计算公式为： 州( h o - h 加，- 掣一箬 c z 咱， 式中； - 给水焓州k g z 1 2 工煤耗事 标准1 某耗率就是每生产1 研h 的电量所消耗的标准煤量，标准煤就是低位发热量为 2 9 3 1 0 k j k g 的煤。标准煤耗表明个电厂范围内的能量转换过程的技术完善程度，也反映其 运行水平的高低标准煤耗率的计算式为： 6 j 三型一0 1 2 3 ( 2 - 7 ) 2 9 3 1 0 n 9r 9 式中： b 标准煤耗率k g ( k w h ) 叩口全厂总效率 2 2 热力系统性能分析方法 热力系统分析都是以某一热力循环为基础的。回热循环作为提高机组和电厂经济性最有 效的手段广泛应用于热力发电厂的汽轮机组之中本文的热力系统性能计算如无特别说 明，都是以同热循环为基础的。回热系统的热力计算是发电厂原则性热力系统计算的核心 热力系统分析计算的方法主要有热平衡法、等效抽汽法、等效焓降法、循环函数法以及矩阵 法等。 2 2 1 热平衡法 热平衡法是热力系统的常规计算方法。其目的在于确定热力系统备部分蒸汽或水的参数 及流量，机组的功率和热经济指标。热力系统常规计算方法又可分为定功率计算和定流量计 算两种。各加热器的热平衡式、流革平衡式和机组的能蕈平衡式( 功宰方程式) 是热力计算 的三个基本公式。常规热平衡计算的实质，是对n 个加热器的热平衡式、一个功率方程式或 一个凝汽流量的物质平衡时所组成的( n + 1 ) 元线性方程组的求解。 9 东南大学硕学位论文 常规热平衡计算方法是热力系统分析计算的最基本方法，运算比较繁琐，而且在任一汽 水流量或参数发生变化时，必须就整个系统重新定量地计算一遍，无法进行局部计算。但是， 常规热平衡计算方法是其他热力系统计算理论的基础与校核依据。 2 2 2 等效抽汽法 汽轮机的回热循环和系统通常是由多级( z 级) 回热加热器组成的，各级的抽汽焓 j 不 同，抽汽量口也不同a 可以设想一个抽汽，用它可以代表所有z 级抽汽量之和，即 扣；口， 式中：口等效抽汽量。 当主蒸汽流量d o 和捧汽量见己知时，则等效抽汽流量为 4 生一1 见 等效抽汽焓t 为：级抽汽焓的加权平均值即 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 口，h j ) t - 型一 ( 2 1 0 ) 4 等效抽汽的系统图如图2 2 所示。把点划线胃成的热力系视为一个加热器，并用等效抽汽对 这个加热器加热。在等效抽汽法的处理方法中，一般是在保持排汽量不变的条件i - ，利用抽 汽量及进汽量的变化来计算和判别系统的热经济性回热系统的热平衡方程为 衲。4 - f 。- 0 4 - 口) r 卢 ( 2 1 1 ) 即 式中： 1 l 。；户+ 三6 加一；。) 唧 ( 2 1 2 ) 4 等效抽汽量： 也等效抽汽焓k j k g ： ；。凝结水焓k j k g ： f 一给水焓k j k g 。 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 图2 2 等效抽汽示意图 等效抽汽是z 级抽汽的“重心”，当初，终参数一定时，屯- ，0 ) ，新汽流量和凝结水 流量的比值可以反映 。的大小和机组的热经济性即当初、终参数和给水温度定时，抽 汽量加大，等效抽汽焓也减小；在单位捧汽量下，加热量和作功量同步增加，汽轮机的回 热循环热耗率就降低，给水回热加热过程的不可逆性减少，汽轮机热力系统的经济性提高 2 2 3 等效焓降法 等效焓降法是苏联学者 m 库兹涅佐夫于六十年代提出的一种定流量计算方法，经 过国内外学者的努力，已日趋完善并形成一个体系等效焓降法根据热力学第一定律，用热 量平衡和质量平衡的基本方法，对热功转换过程及其变化规律导出几个热力分析参量h ； ( 等效焓降：l k g 抽汽流从，级加热器返回汽轮机的真实做功能力，它标志着汽轮机各抽汽 口蒸汽的能级或能位的高低) 及叩；( 抽汽效率：表示任意热量加到汽轮机的回热系统第，级 加热器处时，该热量在汽轮机中转变为功的程度或份额) 等，用于分析蒸汽动力装置和热力 系统的经济性。 等效焓降法既可以用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统的局部分析定量。等效 焓降法的特点是：局部计算的热l ：概念清晰，与一般熟力学分析完全一致，因此容易掌握应 用：计算简洁准确，与真实热力系统相符无论手算或电算都很方便。分析问题时，这种方 法能充分剖析事物的本质和矛盾，分清问题的主次，从而促进问题的止确解决 等效焓降的计算是以新蒸汽流昔保持不变为前提条件的。此外。在计算等效焓降时，认 为新蒸汽参数、再热参数、终参数以及各抽汽参数均为己知，且保持不变，即汽轮机膨胀过 东南大学硕士学位论文 程线的变化暂时不予考虑为了局部定量分析的方便，把加入循环的热量q 也保持不变。 计算抽汽等效焓降从凝汽器开始比较容易确定总结等效焓降的计算规律，可得h ，的计算 通式【4 】为 h t - ”驴蓦鲁以 协 式中 | i i ，级抽汽的焓值k j k g ； 丸汽轮机的捧汽焓k j k g ： 4 诹y ，或者，视加热器的形式而定k j k g ； g ，级抽汽的抽汽放热量k j k g ： ，加热嚣j 后更低压力抽汽口脚码 如果级加热器为汇集式加热嚣，则一，均以0 代之。如果j 为疏水放流式加热嚣，则从，以 下直到( 包括) 汇集式加热器用以代替4 ，而在汇集加热器以下，无论是汇集式或琉水放 流式加热器，赠一律以0 代替一，各级抽汽等效焓降h 算出后，按做功与加入热量之比， 可得相应的抽汽效率； 矿鲁 协 注：吼、n 、f ，分别是r 级加热器对应的抽汽放热量，疏水放热量和给水吸热量。如果加 热器型式为疏水放流式( 面式加热器，疏水方式为逐级自流) ，如图2 - 3 所示。则 g ，- ，一f ， 7 ，m t i ，码一t ， f m t ，一r ，- 1 图2 - - 3 疏水放流式加热器 图2 4 汇集式加热器 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 若加热器型式为汇集式( 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 出口或进口) 如图2 4 所示。则 口，一h ，- t ，1 ，a i dr ，l ，“ 一t , - i t m tr t r - i 式中 f ，+ 1 ) 、f ，分别是加热器r + 1 、，的捧出疏水的焓k j k g ； t ，、t r - ! 分别是加热器，| 、r - 1 的出口水焓k j k g 2 2 4 循环函数法 循环函数法是根据热力系统的参数，用热平衡方法列出计算系统热经济性的基本和综合 特性系数的函数式以及计算方程式用以分析和比较热力系统的方案，或系统及其局部热力 系统变化所引起的热经济性变化。循环函数法将任一复杂的热力循环及其系统。划分为主循 环和若干并列的辅助循环。主循环是不考虑任何附加成分( 轴封、门杆漏汽、抽气器用汽等) 的回热系统，而将每一附加成分以及对外供热、补充水、减压减温器、锅炉捧污、工质泄漏 等逐作为辅助循环来处理，分别计算主、辅循环的热经济指标。最后综合成实际的整个热 力循环热经济指标。 为了简化计算，将相邻几个加热器作为一个整体来建立其热平衡方程式。在循环函数法 中，此整体称为。加热单元”，其实质是每一个加热单元相当于一个不向单元以外的加热器 捧放壤水的混合式加热器，本单元内几个相邻加热器之间却有疏水逐级自流的热量交换，以 主水流将备单元串联起来佣。如图2 - 5 所示，系统被划分为3 个加热单元。 本方法运用的定律之一是任何闭合循环的做功等于该循环的吸热量减去其放热量。用循 环函数法计算时，对概念的理解要求较高，比如。在一些特殊的加热单元里，抽汽放热量的 概念就比较抽象另外，抽汽系数的推导过程及结果都比较繁琐。 图2 - 5 加热单元的划分 2 2 。5 矩阵法 热力系统常规热平衡算法的关键和大部分t 作最是计算各级同热抽汽量。回热抽汽量有 两种计算方法：一种是从高压到低压逐级计算各级抽汽量，称为串联计算法：另一种是列出 1 3 东南大学硕士学位论文 各级同热加热器的热量平衡式和质量平衡式，然后利用高斯消去法、约当消去法或用求逆矩 阵解线形代数方程组，同时计算出各级抽气量，这种方法称为并联法，因为它经常用矩阵形 式也称矩阵法1 6 j 。 矩阵法根据加热器的热平衡式，通过口一，一z 矩阵对热力系统的结构进行研究。以图 2 - 6 为例，简要介绍矩阵法的计算方法。给水流量为l k g 各级加热器的抽汽量为a 。，方程顺 序为从高加至低加。根据各级加热器的热平衡方程式和质量平衡方程( 暂不考虑备辅助汽水 系统) 可得到如下方程组： q l a l - 毛 7 2 a l q z a z 。t 2 y 3 a l + r ，口2 + q ，口3i f 3 q + 口2 + c t 3 + 可q 。 吃口l + 毛口2 + f ，a ，+ y 5 n + q s a sl t f 口1 + f 6 口2 + f 0 童3 + y 6 口+ y s a 5 + 9 6 口6 一k 。r 7 a l + f 7 2 + f 7 口3 + f 7 口+ f f t c z s + f 7 口+ q 7 口7 _ f 7 ( 1 5 ) 图2 - 6 同热系统图 方程组( 2 - 1 5 ) 可写成矩阵方程，其形式为：a 口- f 。其中 彳_ q l r 2 吼 如 吼 f 4f f 呵 f s 气lf 5 留5 f 6f f 6f 6 t 6q 6 f 7f 7 f 7f 7 f 7f 7 口7 1 4 “o “如“n 仍加m m m 幽仍 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 矩阵一称为( q r f ) 矩阵，矩阵一和矩阵t 组成广义( q r f ) 矩阵 对于不同的热力系统结构，可写出其广义0 一，一f ) 矩阵；反之知道了热力系统所对 应的广义国一r f ) 矩阵，就可以了解其热力系统结构。广义( g y f ) 矩阵实现了热力 系统“数”与“形”的巧妙结合。 2 3 热力系统矩阵方程的确定 现在，矩阵方法已经发展得非常成熟，在热力系统矩阵中，不仅考虑了主系统，还考虑 了辅助系统等，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 相对固定的矩阵来表示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，适用于计算机编程因此选用矩 阵法作为热力性能分析计算的方法。 2 3 1 加热器单元划分 为了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、加热器、泵的始 开等) 划分为相应的主加热器单元。加热器单元的归并以相邻两个加热器的水侧出口为界限 z e l a l 热系统中，进出加热器的有汽轮机的抽汽、辅助蒸汽、疏水、给水或主凝结水等，为了 便于计算分析，现就其符号和意义进行简单说明： g j l l 【g 抽汽在加热器中的放热量k j k g ； l k g 回收至加热器的辅助蒸汽在加热器中的的放热量k j k g ： r j l k g 上级疏水在本级加热器中的放热量k j k g ： f ；l k g 给水或主凝结水在加热器中的吸热量k j k g ： 口各级抽汽系数； 口口回收的辅助蒸汽的系数； h 各级加热器的抽汽焓k j k g ： 各辅助蒸汽焓k j k g ： 各级加热器的疏水焓k j k g ； h _ 主凝结水或给水焓k j k g ： 回热加热器可分为两大类： 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 疏水逐级自流的表面式加热器( 图2 7 ) ，其q 、r 、f 的定义如下： ( 2 ) 口j _ j 一 一 图2 _ 7 表面式加热器 7 i - h i l i 由一h 日 i l h 畸一h 山q e i h 口一h 日 ( 2 - 1 6 ) 汇集式加热器包括除氧器、带疏水泵的表面式加热器和与凝汽器直接相连的 表面式加热器( 图2 - 8 ) ，其q 、，、z 的定义如下： q ，一 j 一i l “，1 ， f 一j i 叫一_ i i 州，i ) 图2 _ 8 汇集式加热器 r 一 ，j 1 ) 一 叫，+ l ， q j 一 j 一 叫+ 1 ) ( 2 1 7 ) 2 3 2 回热系统矩阵方程 本文借助于常规方法建立的热平衡方程式，采用矩阵法进行热力系统性能计算。本文的 研究对象是n 1 0 0 - 9 0 型汽轮机，是具有七级同热抽汽系统的汽轮机组：两个高压加热器、一 个除氧器、四个低压加热器，回热系统崮如l 兰l2 - 9 所示。现对备加热器进行编号。从最高一 级高压加热器到最低一级低压加热器依次为1 号，2 号，7 号加热器，各级加热器的 抽汽放热量、琉水放热量、给水吸热量分别由下标标明。在实际计算时，各加热器的抽汽进 汽温度，进汽压力、疏水温度和进、出水温度等数据可以实现在线采集，也可以手动输入 针对图2 9 所示的热力系统，根据矩阵法的书写规则，我们可以得出它的矩阵方程： g i 口l - q 第2 章汽轮机组热经济性指标计算 y 2 a 1 4 - q 2 a 2 一巳 y 3 口1 4 - ，3 a 24 - q 3 a a 4 - a f a q l a 。 r 4 5 1 4 - t 4 u 2 + l 口3 + g 口+ 5 1 3 l ：4 一f f 5 a l + t 5 5 2 4 - z - 5 5 3 4 - r 3 5 4 4 - q 3 a s + 5 1 ，。吃 f 6 a 1 4 - t 6 5 2 + 。r 6 口3 + 7 6 5 4 4 - y 6 5 54 - q 6 5 6 + 口，6 一f ( 2 - 1 8 ) t 7 5 14 - z 7 a 2 4 - t 7 5 3 4 - 1 1 a 4 - i f 7 t ；t 3 + t t a 6 4 - q l a l4 - or 乒7 - f 图2 - 9n 1 0 0 - 9 0 5 3 5 型汽轮机回热系统 将式( 2 1 8 ) 写成矩阵形式： 口i y 2 叮2 如托吼 _ r f 。r 口 f ，f ，r ，吼 kf 6 吒r 6 “吼 t 1t 1 t 1 t 1 t 1 t 1q 1 巧qf sr ，q 1 3 f 6f 6r 6 r 6q t 6 t 11 1 气1 气11 1t 7 q 1 7 用矩阵符号表示，上式可写为： d k k + b ，k k ，j - p 】 2 4 本章小结 5 f l 口，2 口， a ， 5 3 5 f 6 5 1 7 ( 2 - 1 9 ) 本章首先介绍了热力性能计算的效率指标、能耗指标的定义及其表达式。为了定量评 价凝汽式发电机组的热经济性，目前世界各国均用热量法制定机组的热经济指标。效率指标 1 7 五n乃“霸“砌 p ，g钆l 2 町如。钾n 几h 西西m m 如m m 东南大学硕上学位论文 主要有汽轮机相对内效率巩、循环热效率叩，、绝对电效率叩“、全厂热效率，7 。等。能耗 指标主要有汽耗率d 、热耗率q 和标准煤耗率b 。 其次介绍了热力性能计算的几种方法，主要有热平衡法、等效抽汽法、