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太原理工大学硕士研究生学位论文 大型火电机组热经济性的在线计算 摘要 国家“十一五 节能规划制定的节能降耗目标以及“竞价上网”的市 场竞争政策的深入实施，使得降低生产成本、实现火电节能成为火电工业 当前形势下亟待解决的一个现实问题。调查表明，火电机组的实际供电煤 耗要比设计值高的多，运行水平低是其中的一个主要原因。通过火电机组 运行性能的在线监测，指导机组运行，提高运行水平，已被证明是针对火 电机组运行管理的一条行之有效的节能途径。 为了实时监测火电机组运行性能、确定影响机组热经济指标的主要因 素及其影响程度，从而及时、合理地为运行人员提供操作指导，降低运行 因素导致的不必要的损失，提高机组运行的热经济性，有必要对火电机组 实时运行性能的定量评价方法进行研究。为此，基于某3 0 0 m w 大型火电机 组，本文开展了以下几方面的工作： 1 全面分析了发电机组热经济指标的计算模型及方法，并针对该机组进 行了不同工况下的热力计算。计算结果表明：额定负荷下，其锅炉效率为 9 1 6 8 ，汽轮机绝对内效率为4 3 o ，全厂热效率为3 8 2 。 2 研究了调节级的变工况计算原理。针对机组采用的顺序阀控制方式， 依据喷嘴配汽原理建立了调节级的变工况计算模型，根据特性参数的计算 结果绘制了调节级特性曲线，并拟合了曲线方程。计算表明：调节级轮周 效率1 1 u 与压比呈抛物线关系，1 1 u = 1 2 2 3 e 2 + 2 3 4 5 ；0 3 2 1 ；而流量系数“与 压比为线性关系，3 4 2 4 e + 3 7 1 6 。 3 研究了适合汽轮机排汽焓在线计算的方法。由于汽轮机排汽处于湿蒸 汽区，其焓值与压力、湿度有关，而现场并不具备测量排汽湿度的有效手 太原理工人学硕士研究生学位论文 段。本文从机组能量平衡的角度，建立了排汽焓在线计算模型，避开了湿 度的影响，同时避免了其它算法的迭代计算过程。利用该模型计算得额定 负荷下排汽焓为2 4 8 2 4 k j k g ，与设计值2 4 4 7 5 k j k g 相比，相对误差仅1 4 。 4 研究了负荷变化时，机组变工况计算的原理和运行参数目标值的确定 方法。经过分析，将机组运行参数分为三类，分别采用设计值、热力试验 结果和变工况热力计算三种不同的方法确定其目标值。 5 建立了机组主要运行参数耗差的计算模型，并针对该机组的不同负荷 进行了参数的耗差分析。额定负荷下，该汽轮机绝对内效率偏差使供电标 准煤耗增加6 1 9 9 ( k w - h ) ，热力系统各项参数偏差导致供电标准煤耗增加总 计5 9 3 9 ( k w h ) ，二者相对误差为4 3 8 。分析表明经济性下降主要是由新 蒸汽压力降低和排汽压力升高导致的。 6 基于建立的模型，利用v b 语言和a c c e s s 数据库开发了火电机组运 行性能在线监测分析程序。该程序能够实时监测火电机组当前的运行状况、 计算机组的热经济指标并对主要运行参数的耗差进行分析。 关键词：火电机组，热经济指标，目标值，耗差分析，在线监测 i l 太廒理工人学硕士研究生学位论文 o n l i n ec a l c u l a t i o no nt h e r m o e c o n o m i c i n d i c a t o r sf o ral a r g ef i r ep o w e r g e n e r a t i n gu n i t a b s t r a c t f o rf i r ep o w e rg e n e r a t i n gu n i t s ，r e a l i z i n ge n e r g yc o n v e r s a t i o nh a sb e c o m e a n u r g e n tp r o b l e ms o l v e d a t p r e s e n t ，a s ar e s u l to ft h e11mf i v e y e a r e n e r g y s a v i n gl a y o u t a n dt h e c o m p e t i t i v ep o w e rm a r k e t a c t u a le n e r g y c o n s u m p t i o n i sm u c hh i g h e rt h a nt h ep l a n n e dv a l u e ，d u et ot h el o wo p e r a t i n g l e v e l ，s h o w e di nas u r v e y t oi n c r e a s eo p e r a t i n gl e v e l ，b yo n l i n em o n i t o r i n g p e r f o r m a n c ea n dg u i d i n go p e r a t i o n ，h a sb e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ew a y t o s a v ee n e r g y s oa st oe v a l u a t et h e i ro p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，a s c e r t a i nm a i nf a c t o r sc a u s e d u n n e c e s s a r ye n e r g yl o s s e s ，i n c r e a s et h e r m o e c o n o m i ci n d i c a t o r s ，i ti sn e c e s s a r y t os t u d yt h em e t h o d so fq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t i n go p e r a t i n gp e r f o r m a n c e s o b a s e do na3 0 0 m wu n i t s e v e r a la s p e c t sw e r es t u d i e da sf o l l o w s ： 1 m a t h e m a t i cm o d e l sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h e r m o e c o n o m i c i n d i c a t o r sw e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y , a n dc a l c u l a t i o n su n d e rv a r i a b l e l o a d s w e r ec a r r i e do u t i ts h o w e dt h a t ，u n d e rt h er a t e dl o a d ，t h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e b o i l e ra n dt h et u r b i n ew a sr e s p e c t i v e l y9 1 6 8 a n d4 3 o a n dt h a to ft h eu n i t w a s3 8 2 2 n et h e o r yo fo f f - d e s i g nc a l c u l a t i o n sf o rg o v e r n i n gs t a g ew a sd e e p l y s t u d i e d b a s e do nt h ec o n t r o lo fs e q u e n c ev a l v e ，c a l c u l a t i o nm o d e l sw e r e f o u n d e da c c o r d i n gt ot h en o z z l eg o v e r n i n g c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf o r t h e g o v e r n i n gs t a g ew e r ec a l c u l a t e da n dc h a r a c t e r i s t i c c u r v e sw e r ed r a w n n e i l l 太原理t 人学硕- l 研究生学位论文 c u r v e sw e r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ：1 1 u _ 1 2 2 3 e 2 + 2 3 4 5 e 一0 3 21 ，3 4 2 4 c + 3 716 1 1 u ，a n dpr e s p e c t i v e l yr e p r e s e n tt h ec i r c u m f e r e n c eo fw h e e le f f i c ie n c y , t h e p r e s s u r er a t i oa n dt h ef l o wc o e f f i c i e n t 3 o n l i n ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fs t e a mt u r b i n ee x h a u s te n t h a l p yw e r e s t u d i e d f o re x h a u s ts t e a mi sw e ts t e a m ，i t se n t h a l p yi sr e l a t e dt op r e s s u r ea n d m o i s t u r e ，b u tt h em o i s t u r ec a n n o tb eo b t a i n e di nf i e l dm e a s u r e m e n t o n l i n e c a l c u l a t i o nm o d e l sw e r ef o u n d e da c c o r d i n gt oe n e r g yb a l a n c eo ft h eu n i tf o r a v o i d i n g i t e r a t i v ec a l c u l a t i o n u n d e rt h er a t e dl o a d ，t h ec a l c u l a t e de x h a u s t e n t h a l p yi s2 4 8 2 4 k j k g c o m p a r e dt ot h ed e s i g n e dv a l u e2 4 4 7 5 k j k g ，r e l a t i v e e r r o ri so n l y1 4 4 t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fo f f - d e s i g e nc a l c u l a t i o nf o rt h eu n i tw e r e s t u d i e d ，a n dd e t e r m i n i n go ft h et a r g e tv a l u e sf o ro p e r a t i n gp a r a m e t e r sw a s a n a l y z e d p a r a m e t e r sw e r ed i v i d e di n t o3k i n d s ，a n dt h e i rt a r g e tv a l u e sw e r e d e t e r m i n e dr e s p e c t i v e l yb yt h ed e s i g nd a t a ，t h ep e r f o r m a n c et e s td a t aa n dt h e d a t ao b t a i n e df r o mo f f - d e s i g nc a l c u l a t i o n 5 e n e r g yc o n s u m p t i o nd e v i a t i o n sr e l a t e dt ok e yo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n d t h e i rr e l a t i o n s h i p sw i t hl o a d sw e r es t u d i e d u n d e rt h er a t e dl o a d ，t h ed e v i a t i o no f t u r b i n ee f f i c i e n c yl e a d e dt oa6 19 9i n c r e a s ef o rs t a n d a r dc o a lc o n s u m p t i o n a n d s e v e r a lk e yp a r a m e t e r sl e a d e dt o5 9 3 9 ，r e l a t i v ee r r o rw a s4 3 8 t h el o s sw a s m a i n l yc a u s e db yp r e s s u r ed e v i a t i o n so ft h en e ws t e a ma n dt h ee x h a u s t ，s h o w e d a n a l y s i sr e s u l t s 6 b a s e do nf o u n d e dm o d e l s ，s o f t w a r eo fo n l i n ep e r f o r m a n c em o n i t o r i n g f o rac o a l f i r e dp o w e rg e n e r a t i n gu n i tw a sd e v e l o p e db yu s i n gv bl a n g u a g ea n d a c c e s sd a t a b a s e i tc a nm o n i t o rp r e s e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，c a l c u l a t e t h e r m o e c o n o m i ci n d i c a t o r sa n d a n a l y z ee n e r g yc o n s u m p t i o nd e v i a t i o n s k e yw o r d s ：c o a l f i r e dp o w e rg e n e r a t i n gu n i t ，t a r g e tv a l u e s ，t h e r m o e c o n o m i c i n d i c a t o r s ，e n e r g yc o n s u m p t i o nd e v i a t i o na n a l y s i s ，o n l i n em o n i t o r i n g i v 太原理丁人学硕- | ：研究生学位论文 单位 k j k g k j k g n m 3 k g k j k g k j k g u 砖 k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k j k g k g h k g h k w 符号说明 代表意义 锅炉的输入热量 燃料收到基定压低位发热量 烟气中0 2 的百分含量 烟气中c 0 2 和s 0 2 的百分含量 排烟过量空气系数 理论空气量 加热器j 的抽汽焓 加热器j 的出口水焓 加热器j 的疏水焓 l k g 抽汽在加热器j 中的放热量 l k g 给水在加热器j 中的吸热量 l k g 疏水在加热器j 中的放热量 加热器j 的抽汽等效热降 加热器j 的抽汽效率 加热器i 的端差 新蒸汽焓 新蒸汽等效热降 l k g 蒸汽的再热吸热量 汽轮机的排汽焓 理想排汽焓 锅炉给水焓 给水泵焓升 流量 加热器j 的抽汽量 发电机功率 锅炉效率 v 艄 q 晚鹏 晰妒 坞一气一哂勺竹乌喵q b h 6 k舻一k缸d q r m 太原理1 人学硕 j 研究生学位论文 孙 1 1 i v i m t 1 9 b s d o t k p t 1 u a b s 角标 f w c o b s g p z j z p d j z r r c r h g w z w f h h z a r 理想循环热效率 汽轮机绝对内效率 机械效率 发电机效率 标准煤耗率 机组汽耗率 全厂热效率 调节级轮周效率 压比 标准煤耗变化量 锅炉给水 凝汽 新蒸汽或设计工况 补水 高压缸排汽 中压缸进汽 中压缸排汽 低压缸进汽 再热蒸汽 再热冷段 再热热段 过热器减温水 再热器减温水 飞灰 灰渣 燃料收到基 v i d ” 吐 h m 一 g ，l， 叭叫 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：型至丝盈日期：论文作者签名：型芏塑! 坠日期： 彳哆乎j 、弓口 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：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；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：二! 互塑煎 日期：签 名：二! j 塑堕 日期：渺、f 、弓o 太原理t 大学硕 | 坍究生学位论文 1 1 本课题的研究背景与意义 第一章引言 近几年，经济的迅速发展带来了过大的能源、资源消耗。而另一方面，我国面临的 能源制约问题却正逐步凸显并将进步加剧。根据国家发改委公布的能源发展“十一 五规划，2 0 1 0 年，我国一次能源消费总量控制目标为2 7 亿吨标准煤左右，一次能源 生产目标为2 4 4 6 亿吨标准煤，约合2 5 4 亿吨标准煤需要依赖于进口。 能源是人类生存和社会发展的重要物质基础，解决能源约束问题，除加大勘探开发 力度、加快工程建设外，另一条根本途径就是“节流 ，彻底改变能源消耗大、利用率 低的现状，走一条跨越式节能的道路。中华人民共和国节约能源法明确规定：“能源 节约与能源开发并举，把能源节约放在首位方针，节能是国家发展经济的一项长远方 针”。节能将是我国经济和社会发展的一项长远战略任务。 近些年，国家政府一直致力于并逐步加大了节能工作的力度。能源发展“十一五 规划明确制定了实现g d p 能耗下降2 0 的目标。各行业，尤其是高耗能行业的节能 工作，关乎着规划能否如期实现。电力工业居我国重点高耗能行业之首，其节能的实旌 对实现国家节能规划具有重要的现实意义。 2 0 0 5 年，我国电力工业全国平均供电标准煤耗为3 7 4 9 ( k w h ) ，与世界先进水平 ( 1 9 9 9 年) 相差约5 0 9 ( k w - h ) ；生产厂用电率为5 9 5 ，与世界先进水平( 1 9 9 9 年) 相差约2 。据计算l 】j ，如果供电标准煤耗降低1 0 9 ( k w - h ) ，全国每年将节约超过2 0 0 0 万吨标准煤；平均厂用电率降低1 ，每年可节约至少9 0 0 万吨标准煤。 提高火电机组经济性的途径是多方面的，其中提高运行管理水平是针对生产管理环 节最切实可行的方法之一。火电厂运行管理的目标之_ 就是全面监测电厂机组运行的经 济性，及时准确地计算机组的热经济指标，分析运行中能量损失的大小、地点及原因， 从而指导运行人员操作，减少运行可控能量损失，提高机组运行的经济性。性能监测的 最终目的是指导运行人员选用合理的调整方式，使机组处于或接近最佳运行状态，最大 限度的降低运行可控损失。这意味着性能监测应该为运行人员提供两类重要性能数据： 一类能用来定量地评价机组实际运行状态的优劣，即性能指标；另一类能定量地确定各 种运行条件变化对实际运行性能的影响，即耗差分析。 太原珲t 人学硕士研究牛学位论文 目前多数机组的性能评价尚依赖于人工操作的离线监视，由于参数繁多，人工读取 的数据滞后性较大，所以这种监视方式不能实时反映机组的运行状况，更不能实时指导 机组运行，以至于运行参数调整不佳，机组长期运行在较差的状态下，影响了运行的经 济性。在线性能监测有助于运行人员及时地调整机组运行状态，以提高机组效率，为企 业赢得效益，同时也可作为状态检修的依据，为设备的可靠运行提供保障。性能监测是 机组节能降耗行之有效的分析手段，发电厂热力系统及设备的节能会给电厂运营带来明 显的经济效益。特别是随着电力体制改革深入开展，在“竞价上网”市场经营模式下， 提高机组运行的经济性、安全性、可靠性就会在电力市场竞争中占据有利的地位，而通 过机组性能的在线监测，掌握运行状况，优化机组运行，成为电厂“竟价上网”的前提 和首要任务。 1 2 目前国外发展水平 作为机组运行优化的基础性研究工作，西方发达国家早在2 0 世纪7 0 年代初就开展 了电站热力系统性能监测方面的研究。在这一发展过程中，美国电力科学研究院( e p r i ) 发挥了主导作用，集中了大批人力物力进行深入研究，同时与众多电力公司合作完成了 大量试验验证工作，在此基础上制定了一系列行业规范和标准，对世界范围内机组运行 优化技术的发展奠定了坚实的基础。 由于测量技术、测量软件可靠性及其它的技术问题，早期的电厂机组运行性能监测 只是作为数据采集和数据处理系统( d a s ) 的一个附属部分，以美国机械工程师协会 ( a s m e ) 的电站性能试验规程( p t c ) 为基础，完成少量指标的计算。直到8 0 年代初， 随着测量技术、计算机和通讯技术的不断发展和电厂安全经济管理要求的不断提高，电 站性能监测开始向以指导现场运行为目标、能够完成机组各部分性能和整体性能分析与 诊断的运行优化方向发展。 从8 0 年代开始，随着计算机技术和控制理论不断发展，国外火电厂优化软件逐步 开始应用、推广，经过十多年使用、总结和完善，很多软件包已比较成熟，经济效益显 著。迄今为止，国外大部分d c s 供货商均开发了数量不等的火电厂优化管理软件，其 中功能较完善并应用较多的软件包有德国西门子公司的s i e n e r g y 系统、美国通用物理公 司的e t a p r o 系统、美国e l a g h b a i l e y 公司的p e r f o r m e r 系统、美国西屋电气公司的 s m a r t p r o c e s s 及瑞士a b b 公司的o p t i m a x 系统等。这些软件可按全部软件包一起整包提 太原理1 + 人学坝t 研究生学位论文 供，也可按不同需要分包供应，在国外近几年投产的大型火电厂中均有不同程度的应用。 德国西门子公司的优化软件包s i e n e r g y 包含效率分析优化、电站运行优化、机组控 制优化和生产管理等功能模块，其特点是整个电厂运行和管理全部以降低成本为核心， 从机组效率、燃料、设各运行费用及主要部件寿命损耗等多个角度出发，进行综合优化 管理。该软件包有很多小的功能模块，涵盖了机组实时优化控制、系统优化管理、设备 维护管理、项目管理、文件管理等，各功能模块相互独立，可以根据电站实际情况灵活 搭配。 美国通用物理公司研发的e t a p r o 性能监测和优化系统由性能监测、趋势分析、报 表生成、状态诊断和建模分析等5 个功能模块组成1 2 j ，实现了炉侧和机侧的全范围优化， 通过模块化设计满足不同客户需求，同时为客户提供了二次开发环境，已经应用于6 0 多个国家的3 0 0 余家电站，在欧美地区市场占有率达到7 0 ，目前也已进入中国市场， 江苏谏壁发电厂实施的该系统己通过验收并投入运行。 美国e l a g h b a i l e y 公司的p e r f o r m e r 系统是一个综合的大型优化管理软件包，主要由 系统性能计算和优化、能量管理、报警和事件管理等模块组成，可根据电厂每个设备、 子系统运行情况和电网需求指令，协调指挥整个单元机组或全厂工艺系统运行在最佳效 率点，使运行成本和上网电价最低，达到最好的经济效益。 美国西屋电气公司的电站过程优化与高级控制软件包s m a r t p r o c e s s 由智能模块 o p t i m i z e r s 和a d v i s o r s 组成1 3 1 。o p t i m i z e r s 运用基于知识的软件工具对电站设备进行建模 和优化，通过将优化目标直接发送给d c s 形成综合闭环。a d v i s o r s 在当前机组的运行 约束下对设备性能迸行分析，针对电站运行中存在的问题对运行人员提出建议，降低不 必要的发电成本。 瑞士a b b 公司的o p t i m a x 系统包括性能计算、过程信息管理、电站负荷优化调度 和基于模型的诊断专家系统等功能模块1 4 j ，该系统以成本为核心，利用实时数据进行在 线热力计算，使得操作人员、电站工程师和管理人员能够根据计算结果进行适当操作， 最大限度地优化电站过程，将机组或整个电厂置于最优状态下运行。其中的诊断专家系 统能逻辑地评估电厂中各设备或系统的状态，找出偏差并分析原因、检测故障，同时提 出纠正措施；同时，电厂工程师还可根据最新经验对该专家系统进行更新以保证其能跟 踪电厂的发展变化和用户的新要求。 太原理一1 人学硕i 研究生学位论文 1 3 国内研究情况 8 0 年代，我国开始引进国外大型发电机组，由于设备昂贵和运行水平的限制，在较 长的一段时间里，电站人员更多的是关心设备的安全性而较少考虑机组的经济性；另一 方面，早期d c s 产品的操作支持系统通常是各d c s 厂商自行研制的专用型操作系统， 使得二次开发的难度大、代价高，因而在性能监测和运行优化方面的研究比较少。直到 9 0 年代初，随着运行水平的不断提高，电站设备的安全性有了较为足够的保障，电站性 能监测才逐渐受到重视 国内火电机组性能监测软件的有关研究起步较晚。9 0 年代初，进行性能监测软件开 发的只有清华大学等少数单位，开发的软件也只是试验性的应用于个别机组上，软件属 于电厂信息管理系统( m i s ) 的范畴。9 0 年代末，国内学者侯子甜5 】提出了“厂级监控 信息系统”的概念，“火电厂厂级监控信息系统是主要为火电厂全厂实时生产过程综合 优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统”。厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r y i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称s i s ) ，从国内外开发、应用的经验看，目前还没有清晰完整的 定义，其系统功能、监控方式、管理范围等也还需要不断地发展完善。但厂级监控信息 系统的提出，使得机组性能监测和操作指导从m i s 中剥离出来，并成为s i s 的核心功能 之一。2 0 0 0 年，s i s 被正式纳入国家经贸委颁发的火电发电厂设计技术规程，规程 中明确指出“当电厂规划容量为1 2 0 0 m w 及以上、单机容量为3 0 0 m w 及以上时，可设 置厂级监控信息系统”。尽管s i s 系统并不完善，但根据设计规程，一批新建工程开始 立项建设s i s ，一批已建火电厂也参照规程、根据自己的需要纷纷建设s i s 或网架和数 据库应用平台。2 0 0 4 年6 月，国内第一个s i s 项目，大唐盘山电厂2 x 6 0 0 m w 机组s i s 系统通过了技术鉴定蚓。 经过1 0 余年实验室研究阶段的开发，目前国内在性能监测和运行优化方面积累了 许多经验，涌现了_ 批火电机组运行优化软件，并已在部分国内机组中应用。如华北电 力大学开发的“机组在线优化运行管理系统”、浙江大学研发的“机组在线能耗分析系 统”、西安交通大学研发的“火电机组在线经济性诊断与监测系统”、山东电力研究院开 发的“机组运行分析与专家支持系统”、浙江省电力试验研究院开发的“运行优化管理 系统”、华东电力试验研究院开发的“机组运行优化管理系统”等，都己在国内机组中 应用。但一些产品并没有取得预想中的效果，个别产品甚至沦为摆设，对机组运行优化 系统的推广应用造成了消极影响。此外，国内的机组运行优化系统还存在一些共性问题， 4 太原理工人学硕士研究尘学位论文 如部分模块只是对电站现有业务的功能模仿和简单计算机化，功能实现与用户实际需求 还有一段距离，系统功能仍然以性能监测为主，运行优化、故障诊断和操作指导等方面 的开发应用相对不足等，与国外同类软件相比还有很大的差距。 1 4 机组热力系统定量分析法 热经济性计算分析采用的方法，主要分为两类：从能量的数量角度分析的“热力学 第一定律分析法 和从能量的质量角度分析的“热力学第二定律分析法”。第一定律分 析法主要有热平衡法、循环函数法、等效热降法、矩阵法、偏微分理论的应用；第二定 律分析法主要是热经济学法。 热平衡法是最原始、最基本的方法，属于定流量法，即计算时必须已知加热器内水 流量或者将其假设为l k g ，其中心是求解各级回热抽汽量。由于计算时必须从高压加热 器开始向低压加热器逐级求解，又被称为“串联解法”。热平衡法是发电厂设计、热力 系统分析、汽轮机设计最基本的方法，也是分析热力系统的基础，至今仍在广泛应用【7 】。 基于5 0 年代美国j k s a l i s b u r y 提出的加热器单元概念，马芳礼1 8 j 高工于1 9 8 0 年左 右提出了热平衡法的一种简化处理方法循环函数法。该方法将热力系统分解成回热 循环和辅助循环的叠加。计算时首先根据热平衡法对整个热力系统进行计算，得到回热 抽汽量和循环效率，当热力系统发生变化时，热经济性的分析计算便可以只限定在变化 的局部循环内部。该方法大大简化和方便了热力系统计算与分析，但计算端差等设备缺 陷的影响还不是很方便。 等效热降法是7 0 年代发展起来的一门热工技术，最初由前苏联专家提出，后经我 国西安交通大学林万超一墩授完善，由于对热力系统局部变动定量分析具有简便准确的 特点，在我国电厂机组热经济性分析计算中得到了广泛应用。基于热力学热变功的基本 原理，根据质量平衡和能量平衡，推导出等效热降法的两个重要参量：抽汽等效热降 h i 和抽汽效率1 1 i 。当热力系统结构确定之后，这两个参量成为定值，基于这两个参数可 对热力参数的变化进行方便快捷的分析。华北电力大学张春发 1 0 , 1 1 1 教授利用偏微分理论 对其进行了定义和推导，使之建立在更严谨的数学推导上。郭江龙等1 2 , 1 3 】结合等效热降 理论和q 一丫t 矩阵，用矩阵形式表达等效热降的主系统计算规律，构造了非再热和再热 机组通用抽汽效率矩阵方程，在此基础上，引入“虚拟热力系统”的概念，将辅助成分 与主系统归并，构造了实际热力系统热经济性计算通用的矩阵方程，弥补了等效热降法 太原理1 人学硕十研究生学位论文 在辅助汽水成分处理时模型通用性不佳的不足。 矩阵法是9 0 年代以后发展起来的一种新方法，由于能够一次计算出电厂的所有经 济指标，引起了国内的极大关注。电7 热力系统的矩阵分析是联立各级回热加热器的热 平衡方程式，通过求解一组包含各级抽汽量的线性方程组完成对热力系统的计算。其特 点是一次能计算几个或几十个未知的参数，同时求出各级抽汽，因此又称为“并联解法 。 矩阵法国内最早是郭丙然【1 4 】和陈国年1 1 5 】先生于9 0 年代初提出的，当时提出的矩阵形式 只包含对回热循环部分的详细分析，对辅助流量的考虑是通过对方程右侧进行补充完 善，最后解出各级抽汽量。华北电力大学郭民斟1 6 】教授在原有分析法的基础上，提出了 改进的热力系统矩阵分析方程，该方程统一了热平衡的表达形式，考虑了辅助蒸汽、辅 助水流以及散热损失等，使矩阵法应用于实际热力系统更为方便、意义更加清晰。随后， 又将汽轮机功率方程( 也是能量平衡式) 与加热器的方程共同联立，提出了“定功率 矩阵方程式f 1 7 】，在已知功率时可一次性求出汽轮机进汽量和各加热器抽汽量，避免了逐 步迭代的运算，实现了直接“定功率”分析，使得矩阵法成为一种更为简洁、方便的热 力系统分析法。 偏微分理论最初用来对等效热降和抽汽效率进行定义和推导，使得这两个概念建立 在更严谨的数学基础上。偏微分方法的应用，是对电厂热力系统参数变化的线性化处理， 使发电厂热力系统简化分析的概念更加清晰、易于接受，给等效热降法赋予了新的生命 力。热( 汽) 耗变换系数法f j8 】就是建立在偏微分理论和矩阵法的基础上，在定功率条件 下分析发电厂热力系统的新方法，应用矩阵热平衡方程式和偏微分理论导出了两个新参 数：热耗变换系数毛和汽耗变换系数k i 。借助这两个参数可以简化电厂热力系统的分析， 进行局部定量计算l l 引，对热电厂的热电成本进行分摊等。该方法还可直接对汽轮机热耗 率进行分析，与其它方法相比不用得知热力系统效率。 热经济学( t h e r m oe c o n o m i c s ) 起源于上世纪5 0 年代末，6 0 年代中期形成完整体系。 热经济学结合了热力学第二定律与经济学，不仅考虑能源的消耗，而且考虑到对生态环 境的影响，在系统内部上保持物理与经济的平衡，利用火用成本( e x e r g yc o s t ) 进行故 障诊断f 2 0 , 2 1 , 2 2 】。热经济学法在分析复杂能量系统方面具有其他方法无可比拟的优点，目 前已经发展成为国际上极为重视的一门交叉学科，在发达国家受到青睐。 6 太原理工人学硕士研究生学位论文 1 5 论文的主要内容 本论文以某电厂3 0 0 m w 机组为研究对象，针对该机组的特点和在线计算快速准确 的要求，全面分析了电厂机组的热经济指标的计算模型和方法，计算了机组不同工况下 的热经济指标；研究了机组运行参数目标值的确定方法，确定了机组负荷变化时运行参 数应该达到的目标值；构建了准确的耗差分析数学模型，计算机组的主要运行参数( 如 主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热压损、再热温度、排汽压力等) 偏离目标值给机组经济 性带来的影响，寻找导致机组经济性下降的主要因素以指导运行人员操作；编制了能够 对火电机组热经济性能进行在线分析的软件。 经过比较，本文采用适合计算机编程计算的矩阵法计算热力系统的热经济指标，采 用计算简便快捷的等效热降法和偏差分析法建立运行参数的耗差模型，分析运行参数的 耗差。 7 太原理工大学硕l 研究生学位论文 第二章电厂热力系统分析基础知识 2 1 分析中常用参数的定义 进行电厂热力系统分析，需要处理大量的汽水热力参数。为此，首先把热力系统中 繁多的热力参数分成三类： 1 蒸汽在回热加热器中的放热量q ，包括两类： q j 1 蚝抽汽在第j 级加热器中的放热焓降，k j k g ； q 巧1 蚝回收于第j 级加热器的辅助蒸汽在该加热器中的放热焓降，k j k g 。 2 水在回热加热器中的吸热量f ，包括两类： i 厂一1 蚝水在第j 级加热器中的吸热焓升，k j k g ； 可一l k g 进入第j 级加热器的辅助水流在该级加热器中的吸热焓升，k j k g 。 3 疏水在回热加热器中的放热量 丫厂一l 蚝上级疏水在第j 级加热器中的放热焓降，k j k g 。 2 2 参数的计算方法 对应不同的加热器形式，q 、小t 有不同的计算方法。为此，首先将加热器划分为 两类：疏水放流式加热器和汇集式加热器。 疏水放流式： 如图2 1 所示，计算方法如下： t 2 t j 一， q j = h j 一岛 乃2 弋舻1 ) 一岛 ( 2 1 ) 汇集式： 如图2 2 所示，汇集式加热器包括混合式加热器( a ) 和带有疏水泵的表面式加热器 ( b ) 两类，计算方法如下： 巧。t j t j + - q j = h j 一l 乃2 弋一t j + ， 9 ( 2 2 ) 太原理t 大学硕f 研究生学位论文 式中： 丐，0 ，分别为篼j 、j + l 级加热器出口水焓，k j k g ； h j 第j 级加热器抽汽焓，k j k g , - j ，k ，) 分别为第j 、j - 1 级加热器疏水焓，k j k g 。 n o j 图2 1 疏水放流式加热器 f i g 2 1h e a t e rw i t ho p e n f l o wd r a i n a g e 2 3 等效热降法的基础内容 n o jn o j ( a )( b ) 图2 - 2 汇集式加热器 f i g 2 - 2g a t h e r i n gh e a t e r 设给水回热加热系统共有z 级抽汽，按照抽汽压力的高低，从高加至低加将加热器 依次编号为1 ，2 ，z ( 参见图3 一1 ) 。 1 抽汽等效热降和抽汽效率的计算 h ，：( h j - h 。) 一窆争h ，( 2 - 3 ) r = j * lq ， 7 7 i = ( 2 4 ) 。 q j 式中： h j 加热器j 的抽汽等效热降，k j k g ； l l c 汽轮机低压缸的排汽焓，k j k g ； 卜加热器j 后更低压力抽汽口角码； q 广1 k g 蒸汽在加热器r 中的放热量，k j k g ； a ，一取b 或弧，视加热器的形式而定； ，【广l k g 水在加热器r 中的焓升，k j k g ； 7 ，一1 k 疏水在加热器r 中的放热量，l o k g 。 l o 太原理： 人学硕士研究生学位论文 t 1 广一加热器j 的抽汽效率。 a r 取值规则如下：如果j 为汇集式加热器，则a r 均以_ 代之；如果j 为疏水放流式 加热器，则从j 以下直到( 包括) 汇集式加热器用丫r 代替a r ，而在汇集式加热器以下， 无论是汇集式还是疏水放流式加热器，则一律以q 代替。 2 各级抽汽等效热降间的关系 疏水放流式加热器与其后相邻加热器之间的等效热降关系 疏水放流式加热器与其后相邻加热器之间的关系，可以分成如下两种情况，如图2 3 所示。 n o j n o j + l n o j n o j + l ( a )( b ) 图2 - 3 相邻加热器连接系统 f i g 2 3c o n n e c t i o no fa d j a c e n th e a t e r s 疏水放流式加热器与其后相邻加热器( 不论形式如何) 之间的等效热降关系通式为： h j = ( h i - h m ) + ( 卜桫 汇集式加热器之间的等效热降关系 n o j 图2 - 4 相邻加热器连接系统 f i g 2 4c o n n e c t i o no fa d j a c e n th e m e r s ( 2 - 5 ) 汇集式加热器连接系统如图2 - 4 所示，它们等效热降之间的关系为： h j2 ( h i - h m ) + h m 州芝+ l q t - r ， ( 2 - 6 ) 太腺t 罩- 1 1 人掌硕j j 研究生学位论文 3 再热机组的等效热降 对于再热机组，当热力系统发生变动时，流经再热器的蒸汽份额发生变化导致循环 吸热量q 改变，而这又会引起循环做功量的改变。根据对循环吸热量的处理方法不同， 等效热降法分为定热量等效热降和变热量等效热降两种。 定热量法维持循环吸热量q 不变，系统的做功量中扣除再热器吸热量的变化量a q 酉 带来的影响。变热量法则顺其自然，恢复循环吸热的真实性，使它随系统的变动而改变。 由于变热量法与常规方法和习惯相一致，使问题变得直观易懂，又维持了等效热降法分 析问题简洁、准确的特色，在工程界广为应用。因此，本文选用变热量法对研究对象进 行分析。 为区别于定热量等效热降h j ，变热量等效热降用h o j 表示，用g 表示1 k g 蒸汽再热 吸热量。变热量等效热降及抽汽效率计算如下： 再热热段以后的h o i ： 再热冷段及以上的h o j ： 变热量抽汽效率t 1 0 j ： 新蒸汽等效热降h ： h h ，一h 。一a 。矿 ( 2 7 ) r = j + l h ：h j + o r - h 。一a ，矿 一；no h 。j 一百 h = h 。+ c y - h 。- z t 钟一兀 r = 1 ( 2 - s ) ( 2 - 9 ) ( 2 l o ) 再热器吸热量变化a q 荭- j ： a q 叫2 盯兀( 1 一 ) ( 2 1 1 ) t = j + lq r 式中： a q 玎j 能级j 排挤l k g 蒸汽引起再热器吸热量的变化，k j k g ； n 各种附加成分引起的做功损失，k j k g ； c 再热冷段抽汽的( 那级加热器的) 序号。 太原理工大学硕上研究生学位论文 2 4 矩阵法的基础内容 1 定流量矩阵热平衡方程 矩阵法将汽轮机的热力系统划分为主回热系统和辅助系统。主回热系统是构成热力 系统的基础，与各辅助系统的叠加构成了电厂热力系统。 主回热系统对应的热力循环称为主循环，只包括汽轮机、锅炉、凝汽器和各加热器 以及它们之间必要的连接，给水泵、凝结水泵、小汽轮机都不包括在内。 辅助系统是指与热平衡方程式有关的辅助蒸汽系统、辅助水流系统、辅助外热量、 进出锅炉热量等。辅助蒸汽系统是指轴封漏汽、排