（热能工程专业论文）大机组运行方式优化.pdf

华此电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 耗差分析、运行方式优化是电厂节能降耗必备的基础理论工作。本文以火电机 组热经济性分析统一物理模型和数学模型为基础，借助偏微分理论，建立了一种基 于机组全局性的多运行参数耗差分析模型以及初温、初压、再热汽温和机组背压等 主要运行参数的单因素耗差分析模型；根据系统工程的观点，建立了确定喷嘴配汽 汽轮机最优运行初压的数学模型，并利用费博纳西寻优法，编制了基于变工况模型 的初压优化程序，可求得不同运行条件下的定、滑压运行最佳负荷分界点及滑压运 行的最优初压，为火电机组的优化运行提出了一种新思路。 关键词：凝汽机组，耗差分析，运行方式，最优初压 a b s t r a c t e n e 略y l o s sa n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z a t i o n o f o p e r a t i o nm o d ea r e e s s e n t i a lb a s i c t h e o r e t i c a lw o r kf o rc o a l f i r e d p o w e ru n i t se n e r g yc o n s e a t i o n 锄dc o a lc o n s u m p t i o n d e c r e a s e a u f a c t o r s v a r y i n ge n e r g y l o s sa n a l y s i sm o d e lb a s e do nt h eo v e r a l la n a l y s i so fu n i t a n di n i t i a lt e m p e r a t u r c ，i n i t i a lp r e s s u r e ，r e h e a tt e m p e m t u r ea n de x h a u s tp r e s s u r ee n e r g y - l o s s a n a l y s i sm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d0 nt h eb a s i so ft h eu n i f i e dp h y s i c a lm o d e la n dt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fh e a t e c o n o m i ca n a l y s i sf o rt h ec o a l - f i r e dp o w e ru n i t w i t ht h em e t h o d o fs y s t e m i ca n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d ei sb u i l tf o rs e l e c t i n go p t i m a li n i t i a lp r e s s u r e0 f t h en o z z l eg o v e m i n gs t e 锄t u r b i n e b yt h em e t h o do ff i b o n a c c i ，t h ep r o 黟a mo fi n i t i a l p r e s s u r eo p t i m i z a t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ev a r i a b l ec o n d i t i o nc a l c u l a t e dm o d e l t h e b e s tl o a dd e m a r c a t i o np o i n tb e t w e e ns e t t i n gp r e s s u r ea n ds l i d i n gp r e s s u r ea n dt h eo p t i m a l i n i t i a ls t e a mp r e s s u r eu n d e rd i f ! l b r e n tc o n d i t i o n sc a nb eo b t a i n e d ，w h i c hp r o p o s e dan e w m e t h o dt oo p t i m i z eo p e r a t i o no ft h et h e n n a lp o w e fu n i t l iy u h u i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g - h u a k e yw o r d s ：c o n d e n s i n gs t e a m ，e n e r g y - l o s sa n a l y s i s ，o p e r a t i o nm o d e ，o p t i m a i i n i t i a i s t e a mp r e s s u r e 华此电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 耗差分析、运行方式优化是电厂节能降耗必备的基础理论工作。本文以火电机 组热经济性分析统一物理模型和数学模型为基础，借助偏微分理论，建立了一种基 于机组全局性的多运行参数耗差分析模型以及初温、初压、再热汽温和机组背压等 主要运行参数的单因素耗差分析模型；根据系统工程的观点，建立了确定喷嘴配汽 汽轮机最优运行初压的数学模型，并利用费博纳西寻优法，编制了基于变工况模型 的初压优化程序，可求得不同运行条件下的定、滑压运行最佳负荷分界点及滑压运 行的最优初压，为火电机组的优化运行提出了一种新思路。 关键词：凝汽机组，耗差分析，运行方式，最优初压 a b s t r a c t e n e 略y l o s sa n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z a t i o n o f o p e r a t i o nm o d ea r e e s s e n t i a lb a s i c t h e o r e t i c a lw o r kf o rc o a l f i r e d p o w e ru n i t se n e r g yc o n s e a t i o n 锄dc o a lc o n s u m p t i o n d e c r e a s e a u f a c t o r s v a r y i n ge n e r g y l o s sa n a l y s i sm o d e lb a s e do nt h eo v e r a l la n a l y s i so fu n i t a n di n i t i a lt e m p e r a t u r c ，i n i t i a lp r e s s u r e ，r e h e a tt e m p e m t u r ea n de x h a u s tp r e s s u r ee n e r g y - l o s s a n a l y s i sm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d0 nt h eb a s i so ft h eu n i f i e dp h y s i c a lm o d e la n dt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fh e a t e c o n o m i ca n a l y s i sf o rt h ec o a l - f i r e dp o w e ru n i t w i t ht h em e t h o d o fs y s t e m i ca n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d ei sb u i l tf o rs e l e c t i n go p t i m a li n i t i a lp r e s s u r e0 f t h en o z z l eg o v e m i n gs t e 锄t u r b i n e b yt h em e t h o do ff i b o n a c c i ，t h ep r o 黟a mo fi n i t i a l p r e s s u r eo p t i m i z a t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ev a r i a b l ec o n d i t i o nc a l c u l a t e dm o d e l t h e b e s tl o a dd e m a r c a t i o np o i n tb e t w e e ns e t t i n gp r e s s u r ea n ds l i d i n gp r e s s u r ea n dt h eo p t i m a l i n i t i a ls t e a mp r e s s u r eu n d e rd i f ! l b r e n tc o n d i t i o n sc a nb eo b t a i n e d ，w h i c hp r o p o s e dan e w m e t h o dt oo p t i m i z eo p e r a t i o no ft h et h e n n a lp o w e fu n i t l iy u h u i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g - h u a k e yw o r d s ：c o n d e n s i n gs t e a m ，e n e r g y - l o s sa n a l y s i s ，o p e r a t i o nm o d e ，o p t i m a i i n i t i a i s t e a mp r e s s u r e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大机组运行方式优化，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：缉日期：二掣 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： 日期： 导师签名： 日 期：驽够 至”一碧 华北l 乜力人学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 随着国家经济政策的调整，我国用电结构发生了很大变化，轻工业和市政生活 用电量不断上升，重工业夜间用电量所占比例相对减少，致使全国各大电网的峰谷 差幅值逐年增大，电网对调峰的要求越来越迫切。同时，随着电网容量的日益扩大 和高参数大容量机组的不断投入，电网中承担尖峰负荷的中小机组比例相对减小， 少量水电又多为径流式，在丰水期不易弃水调峰。因此，大型火电机组参与电网调 峰已势在必行1 1 引。 参与调峰的机组，无论采取何种运行方式，都会频繁出现过渡工况，给机组安 全、经济运行带来威胁。在安全方面，我国从理论到实践上都已取得了较大的进展。 目前，国内已有不少机组安装了汽轮机热应力和寿命管理监测系统，为机组的合理 启停起着积极的指导作用1 5 6 j 。随着汽轮机设计、制造和运行技术的不断发展和完善， 汽轮机组运行的经济性愈来愈为人们所重视。一般来说，影响机组低负荷运行热经 济性的主要因素有：系统设计、设备状况、运行环境、运行方式、运行人员的技术 水平等i 。其中只有运行方式可以人为地随时调整。因此，在机组变负荷运行时， 寻求最佳的机组的运行方式，对现场节能降耗具有十分重要的意义。 随着“厂网分开、竞价上网”经营模式的实施，发电企业成了独立的法人实体， 自负盈亏。国家电力公司的重组，更在深化改革和促进竞争的道路上迈进了一步。 在这种电力市场竞争同趋激烈、机组降负荷运行发电成本不断增加的现状下，对机 组运行进行优化管理，寻找合理的运行方式，降低生产成本已成为电力企业提升竞 争力的急迫需求，也成为愈显重要的研究课题。 1 2 课题研究的现状 为了满足电网灵活性和经济性的需要，近年来，几乎在1 0 0 0 m w 以下的各种容 量的机组上都采用了复合滑压运行方式1 7 j 。这种运行方式在负荷降到一定程度时， 调节阀门有一部分全关时，开始采用滑压运行，如果此时单靠滑压运行调节还不能 满足电网调峰的需要时，可启闭部分调节汽门进行应急调节，这样比全滑压运行方 式要灵活得多。另外在这种运行方式中，只有在高负荷或低负荷区域内采用定压运 行，此时只有一个调速汽阀处于节流状态，故其热经济性在整个负荷范围内比较高。 但其何时由定压转为滑压，以及在滑压状态下应采取多大的初压，是火电机组运行 方式优化急需解决的问题。 华北电力人学硕十学位论文 就目前的情况看，无论国内还是国外有关火电机组运行方式优化方面的研究都 存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 研究基本都是定性的，还不能定量描述。在适用负荷范围内，运行方式对 能耗影响的数值尚无方法进行准确的确定。 ( 2 ) 机组额定初压不同，运行方式对能耗影响的规律就不同。一般来说超临界 机组滑压运行的优势较明显。初压越低，定压运行的优势越明显。不同设计参数的 机组运行方式对能耗的影响需要定量研究【7j 。 ( 3 ) 滑压运行优势的一个方面在于节省泵功。在变工况时泵的效率也是变化的， 不同机组、不同负荷、不同运行方式对给水泵能耗的影响以及对系统的影响需要深 入的分析。 ( 4 ) 滑压运行优势的另一方面在于汽轮机的内效率能保持较高的数值，但不同 的机组、不同负荷其内效率也不同，这不仅需要理论分析，而且需要实验才能测定。 ( 5 ) 运行方式不同，还会影响再热汽温。再热器欠温、再热器喷水减温对能耗 的影响较大。此项能耗偏差仍属运行方式对能耗影响，但是再热汽温特性是锅炉设 备的固有特性，理论分析非常困难，只能对具体机组用试验方法解决，在目前的一 些分析中该项能耗偏差未计入运行方式对能耗率影响的因素，因此，得出的结论是不 全面的。 ( 6 ) 随着机组老化，复合滑压运行方式中定、滑压运行的最佳负荷分界点以及 滑压运行的最优运行初压会发生变化，况且试验法本身也存有缺陷，因而，在机组 投运时由试验法确定的最佳运行方式在当f j i 可能并非最优。 目前，大型火电机组普遍采用定滑定的运行方式，机组在什么条件下采用定 压运行、什么条件下采用滑压运行，即如何确定机组定、滑压运行的负荷分界点及 滑压运行时的初压，以获取最低的能耗，便是值得研究的问题。 最优运行初压的确定通常采用试验测试的方式。电厂技术人员为获得在各个负 荷下的最优运行初压，降低热耗做了大量的工作。从最小的5 0 m w 热电机组到6 0 0 m w 纯凝汽机组，都有相关文献报道，这同时也反映出试验法的缺陷：对于特定机组试 验得出的结果不能推广到其它类似机组中去，而且试验方法也存在其它的问题。首 先，试验工作必须遵循汽轮机性能试验规程中的各种条件，这就需要很大的工 作量。其次，试验只能测量有限点上的热耗，由此拟合各负荷下的最优运行初压， 若在机组正常运行时做试验，由于机组负荷不能随意变化，所得有效点更为有限。 最后，随着机组的老化，最优初压也随之发生变化，因而在机组投运时所做试验确 定的最优运行初压在当前可能并非最优。 上述试验法的种种问题，在利用变工况模型进行优化时都很容易克服，建立变 2 华北电力人学硕士学位论文 工况模型只需正常条件下d c s 系统记录的数据，并不要求机组无补水、无排污，各 种泄露造成的误差可以在建模时考虑；其次在得到变工况模型后，可以计算出无限 个工况时的热耗值，因此得到的最优运行初压也更为可靠；最后，模型可以经常根 据实验数据进行整定，随着机组性能的变化，可以定期计算机组的最优运行初压曲 线。 1 3 课题的主要研究内容 本课题选取大型凝汽机组为主要研究对象，重点研究探讨不同负荷下初温、初 压、再热汽温和汽轮机背压等主要运行参数变化对系统能耗的影响及大机组运行方 式的优化。其主要研究内容如下： ( 1 ) 以火电机组热经济性分析统一物理模型和数学模型为基础，建立： 1 ) 主汽温变化对机组热经济性影响的计算模型 2 ) 主汽压变化对机组热经济性影响的计算模型 3 ) 再热汽温变化对机组热经济性影响的计算模型 4 ) 汽轮机背压变化对机组热经济性影响的计算模型 ( 2 ) 确定复合滑压运行方式中机组定、滑压运行的最佳负荷分界点及滑压段的 最优运行初压。 3 华北电力人学硕十学位论文 第二章火电机组热经济性分析理论基础 要做好火电机组的节能降耗工作，就必须对其热经济性进行在线和离线的多角 度分析研究，这就使得建立统一的热经济性分析模型显得尤为重要。以往建立统一 的数学模型的基本思想是直接分析各种不同的热力系统的特点，然后通过高度的抽 象概括来建立统一数学模型，由于建立的数学模型直接面对复杂的、多变的热力系 统，使得所建模型要么太过复杂、没有明确的物理意义，要么根本无法建立。为了 克服这一弊端，本文采用火电机组热经济性分析统一物理模型和数学模型作为火电 机组热经济性分析的理论基础，其统一物理模型的形式规范简明，数学模型形式简 单统一、物理意义明确，能够适用于各种形式的火电机组。 2 1 火电机组热经济性分析统一物理模型和数学模型 2 1 1 统一物理模型建立的基本原则 建立热经济性分析模型的基本理论基础是能量平衡方程和质量平衡方程，所以 统一物理模型的建立也必须遵循这两个基本的方程。以使在物理模型基础上建立的 数学模型也符合能量平衡方程和质量平衡方程。 2 1 2 建立统一物理模型遇到的问题与解决措施 ( 1 ) 回热系统 回热系统中的加热器有的是混合式、有的是表面式，对于表面式加热器其疏水 有的是自流入下一级加热器，有的是自流入凝汽器的热水井，还有的是用疏水泵打 入主凝结水管路，另外，辅助汽水的引入( 出) 方式和引入( 出) 数量的也不同。 为了适应如此复杂的系统，目前的回热系统汽水分布方程的形式就比较复杂，同时， 使用的规则也就比较多。为了解决这一问题，采取的措施是： 1 ) 将所有的加热器都视为“表面式加热器，见图1 1 中的n o 1 n o 8 。 2 ) 假设任意一级加热器抽汽的疏水都逐级自流过其后的各级加热器，各股抽汽 的疏水互不混合，图1 1 中的细实线表示1 8 级抽汽和其疏水。 3 ) 将原系统的热力参数通过特定映射规律映射到新的回热系统中。 ( 2 ) 锅炉和汽轮机本体 机组有无再热以及再热的次数等，直接影响了与锅炉本体和汽轮机本体密切关 联的循环吸热量方程和比内功方程。再热的次数越多，则这两个方程的形式越复杂。 对此问题的解决措施是： 4 华北电力人学硕十学位论文 止k h 翌 3 3 l “k ，_ 【k且， i l 韶 陋 j l 哐 哐 a mq b 7 哐 d 拍斗k 7 q b 2 l l 下一l - f 一 l - - - - 一 + i d l 一 鼍芒 匕 l卜l 卜 l l s i t id 。 艺 d m 弋 ld ， 沙 砜 ld 。ld ， k i l id l g l j l 们 2 l | 1 1 2 2d 2 g 2 l 氟一j l l 3 i 3 2 3 3 d 3 g 3 “缸l矗4 2矗4 3 h 聃d i g t 们 如l 5 2 5 3 s 4 | 1 5 s d 5 g 5 “ j l l 6 i 6 2 6 3 “ 岱 | 1 1 ；l i d 6 g 6 | 1 1 7 lj l l 7 2 刀 1 1 7 4 7 5 7 6 | 1 7 7d ， g ， h 。4 r 1i l 口， 口1 。1 口 “ 口1 d _ g 8 d 。 h w 9 9 1 1 1 9 2 l 帕 | i l 舛 好| 1 1 钾 j 1 1 钾 厂rrf厂 (1iiiliil 、 x _ to ，型2 型纠 、 、沁l 么荔；矿 o 图卜1 火电机组热经济性分析统一物理模型 1 ) 以汽轮机的，1 个抽汽口为分界点，将汽轮机分为咒+ 1 个做功单元，即，l + 1 个小汽轮机，见图1 1 。 2 ) 假设每个小汽轮机都有一个为其提供热量的小锅炉，所有的小锅炉统称为广 义锅炉，见图1 1 。 通过1 ) 、2 ) 使得循环吸热量方程和比内功方程形式大为简化，且物理意义明确， 便于进行热经济性的分析与计算。 ( 3 ) 凝汽器 在回热系统的统一物理模型的建立时，假设各股抽汽的疏水都进入到了凝汽器， 5 华北电力人学硕十学位论文 我们假定每一股抽汽的疏水和汽轮机低压缸的排汽都进入一个对应的小凝汽器，所 有的小凝汽器统称为广义凝汽器。广义凝汽器的提出，保证了整个统一物理模型的 完整性，消除了不同抽汽进入凝汽器对汽水分布方程的影响，而且也为单独对凝汽 器的分析提供了另外一种模型。 2 1 3 实际热力系统与统一物理模型的映射建立 ( 1 ) 广义锅炉 与厅+ 1 个小汽轮机对应有，l + 1 个小锅炉，第1 个小锅炉的进口工质焓j l l o o 即 给水焓，其出口工质焓j i l o 为主蒸汽的焓；第f + 1 个小锅炉的进口工质焓| l “为第i 个 小汽轮机的排汽焓，也即第f 级抽汽的焓( f = l 咒) ，如果第1 个小汽轮机的排汽未 被加热，则第f + 1 个小锅炉的出口工质焓j i l ，就等于其进口工质的焓，如果被加热则 其出口工质的焓等于其进口焓+ 单位工质在再热器中的焓升；第1 个小锅炉中工质 流量d 6 l 为主蒸汽流量d o ，第i 个小锅炉中工质流量d 肼为眈俨l ，一第f 1 个小汽 轮机名义抽汽流量+ 进( 出) 第f 一1 个加热器热介质侧的辅助汽水的代数和( 进入 为j 下，流出为负) + 在第f 一1 个小汽轮机( 包括其进口处的阀门) 中进出的各股辅 助小汽流的代数和( 进入为正，流出为负) ，即等于d o + ( 在1 f 一1 个小汽轮机 ( 包括其进口处的阀门) 中进出的各股辅助小汽流及名义抽汽流量的代数和( 进入 为正，流出为负) + 进( 出) 第1 f 一1 个加热器热介质侧的辅助汽水的代数和( 进 入为正，流出为负) ) ( f = 2 咒+ 1 ) ；吼f 为进出第f 个小锅炉的辅助汽水带入( 出) 热量的代数和( 进入为正，流出为负) ，每一股辅助汽水带入( 出) 热量= 其质量流 量( 进入第f 个小锅炉的工质的焓一本股小汽流或小水流的焓) 。 ( 2 ) 汽轮机 第f 个小汽轮机进汽焓为第f 个小锅炉的出口工质的焓j l 卜1 ，其出口蒸汽的焓为 第f 股抽汽的焓| l 甜( 最后一个小汽轮机为其排汽焓) ，第f 个小汽轮机中参与做功的 蒸汽流量d ，为d 撕+ 从其进口阀门或高压侧汽封进出的辅助汽水流量的代数和( 进 入为正，流出为负) ，f = 1 甩+ 1 。 ( 3 ) 回热系统 为了建立回热系统的统一物理模型，需要建立一些基本概念以及其中一些概念 与实际系统的映射关系。 1 ) 级控制体 为了建立回热系统的通用汽水分布方程，需要按一定的规则在回热系统中划分 级控制体，所谓级控制体是指包含一级加热器，并包络与该级加热器相连的抽汽管 路、部分疏水管路、部分凝结水管路或给水管路的控制体。其划分原则详见文献【9 】。 6 华北电力人学硕士学位论文 2 1 热介质和冷介质 控制体中包含的汽机抽汽及其疏水是加热凝结水或给水的放热介质，我们称之 为热介质，被热介质加热的凝结水或给水称之为冷介质。 3 ) 名义抽汽量d f ( 见图1 1 的d 1 d 8 ) 汽轮机的第f 级的名义抽汽量d f 是指进入第i 级级控制体的实际抽汽量d “+ 进 出该级级控制体热介质侧的辅助汽水流量的代数和d 疗，辅助汽水进入为正，流出为 负。值得注意的是d 俺往往为零，此时，名义抽气量也就是实际抽汽量。 4 ) 名义水流量g f ( 见图1 1 的g 1 g 8 ) 如果以第一级( 指抽汽压力最高的一级) 高加的出水量g 加为基准，则进出第f 级 级控制体的名义水流量g 产g 所一进出1 f 一1 级控制体的冷介质侧的辅助汽水流量的代 数和，辅助汽水进入为正，流出为负。 5 ) 名义辅助加热量q ( 见图1 - 1 的q 1 q 8 ) 进入第f 级控制体的名义加热量q ，由以下几部分组成： 直接进出该级控制体热介质的辅助汽水的换热量q 巾q 一等于进( 出) 热介 质的各股辅助汽水带入( 出) 热量的代数和，而每一股辅助汽水带入( 出) 的热量 等于其质量流量( 该股辅助汽水的焓一本级抽汽的焓) ； 直接进出该级控制体冷介质的辅助汽水的换热量q 加q ，等于进( 出) 冷介 质侧的各股辅助汽水带入( 出) 热量的代数和，而每一股辅助汽水带入( 出) 的热 量等于其质量流量( 该股辅助汽水的焓一本级控制体进口的水焓) ； 流体与控制体中冷、热介质的表面式换热量q r ，q 豇等于通过换热表面与冷、 热介质进行换热的流体带入( 出) 的热量的代数和，每一股这样的流体带入( 出) 的热量等于其质量流量该流体换热前和换热后的焓变，也等于冷、热介质的质量流 量冷、热介质接受换热后和换热前的焓变。 输入控制体的泵功绋，。 6 ) 如果第j 级抽汽的疏水真实流入( 流出) 了第f 级控制体，则其进( 出) f 级控制体的焓 盯伪“+ l ，) 等于进( 出) z 级控制体的疏水焓幻。卜l ，( 办讲) ( 参见图1 1 ) ， 否则，等于出( 进) 控制体的冷介质的焓j l l w f ( 矗w 。m ，) ，参见图1 1 。第j 级抽汽及 其疏水在第f 级控制体中的名义放热量为口盯= j i l 一j l l 。f + l ，f = 1 咒，= 1 f 。当_ = f 时 豇表示第f 级抽汽的焓。 7 ) 出( 进) 第f 级控制体的冷介质的焓为j l 谢( j i l w 。f + 1 ，) ，冷介质的焓升为f f - j 1 w f j 1 w ( “1 ) 。 7 华北电力人学硕十学位论文 ( 4 ) 广义凝汽器 广义凝汽器中有力+ 1 个小凝汽器，图1 1 中，经过第咒个( 在此，l = 8 ) 加热器 的各股抽汽的疏水焓即为前1 托个小凝汽器的入口工质的焓，第咒+ 1 个小凝汽器 的入口工质的焓是最后一个小汽轮机的排气焓也即汽轮机低压缸的排汽焓；每一个 小凝汽器的出口工质焓为凝汽器热水井工质的焓；q c 为进( 出) 凝汽器的其它辅助 汽水带入( 出) 热量的代数和( 辅助汽水进入为正，流出为负) ，每一股辅助汽水带 入的热量= 辅助汽水的质量流量( 辅助汽水的焓一凝汽器热水井的焓) ；分析表明， 广义凝汽器完全服从能量守恒定律，但由于假设各股抽汽的疏水都进入了凝汽器( 实 际并非全部) ，所以，广义凝汽器，并不符合质量守恒定律，为此引入疏水质量影响 系数，即对于每一股抽汽的疏水如果其真实进入了凝汽器，则其质量影响系数取为 1 ，否则取为o ，质量影响系数的引入实质是排除了假设进入、实际并没有进入凝汽 器的疏水对凝汽器质量平衡的影响。在机组热经济性的分析中，一般情况下并不用 到凝汽器的热平衡和质量平衡。 2 1 4 基于统一物理模型的数学模型的建立 在统一的物理模型的基础上建立的数学模型必然是统一的、通用的。在众多的 数学模型中，热力系统的汽水分布方程、比内功方程和循环吸热量方程是最基本的， 是进行火电机组热经济性分析、耗差分析的基础。下面对这三个基本方程的建立进 行分析。 ( 1 ) 循环吸热量方程 对每个小锅炉建立能量和质量平衡方程，则工质从广义锅炉( 所有小锅炉) 中吸 收的热量，即为机组的整个循环中循环吸热量，可表示为： q 2 著巩( ”t ) + 善瓯 ( 2 - 1 ) ( 2 ) 比内功方程 对每个小汽轮机建立能量和质量平衡方程，则工质在各个小汽轮机中所做的比内功 之和，即为机组在整个循环中的比内功，可表示为： 一破 - 1 - ) ( 2 - 2 ) ( 3 ) 汽水分布方程 利用热力学第一定律建立能量平衡式，得到如下的通用的汽水分布线形方程组： b + q 2 t g f ( 汹刀) ( 2 - 3 ) 8 华北电力人学硕士学位论文 其中的每一个方程，例如第f 个方程表示，1 f 股抽汽在第f 个加热器中放热 量和进出第f 个加热器辅助能量之和等于给水或凝结水在第f 个加热器中的焓升。 抽汽量的递推解为： t g q ：f 一q 皿；型一 ( 2 - 4 ) 2 2 火电机组发电标准煤耗率的计算 在火电厂的动力循环中，由燃煤在锅炉中的供热量，在经历了各环节转换并克 服了各项损失后才由发电机输出有效功率b 。根据传递过程可以写出能量转化方程 为i l o 】： 3 6 0 0 = 却胁刁p 研 ( 2 - 5 ) 式中，只= 尸叮肌蚀，其中，b 为电厂煤耗量；9 1 为燃煤的低位发热量；枷为锅炉 效率；坳为管道效率；班为循环热效率；为机械效率；锨为发电机效率；p 为汽 轮机内功率。 则全厂煤耗率可表示为： 6 ；导。型l ( 2 6 ) ，) 罨一薯一 i ，h l (吼仇，7 ，仇 式( 2 6 ) 表示煤耗率6 除与各效率有关外，还受实际煤的低位发热量q l 影响。为 消除此影响，使煤耗率只与热效率有关，采用了“标准煤耗率”坟作为通用的热经 济指标，而6 则相应称为“实际煤耗率。 标准煤的口l = 2 9 2 7 0 l ( j k g ，则全厂发电标准煤耗率表达式为： 吃。丽害生一旦 ( 2 7 ) f 】 一一_ 一 ，- ，- 5 2 9 2 7 0 ，7 6 ，7 p 仇，7 。刁g仇，7 p 仇，7 m 、7 全厂发电标准煤耗率的变化与汽轮机循环热效率变化的关系为： 他。噬一眈：j 哗3 _ 一旦。j 坚3 _ 掣：也粤 即等一- 等 9 ( 2 - 8 ) 华北电力人学硕十学位论文 式中，“表示变化后的指标。 本文以发电标准煤耗率坑作指标来计算分析机组的热经济性，由式( 2 - 8 ) 可知， p 7尸 观。譬。一粤。一掣：一掣 b sq tpp9 q ( 2 9 ) 式中，a p = p 一p ，q = q7 一q 吃。考希 ( 2 1 0 ) 如果，当机组运行参数扰动对汽轮机内功率的影响较小，即p 相对原内功率尸 变化较小时，上式可简化为： 媳：型掣：等一等 ( 2 - 1 1 )3 p oo p 、。 1 0 华北电力人学硕十学位论文 第三章凝汽机组主要运行参数耗差分析模型 在汽轮机实际运行过程中，不可避免地会发生运行参数偏离标准值的现象。当 偏离值的大小不超过其允许范围时，一般不会引起部件强度方面的危险性，但会导 致机组经济性的变化。 耗差分析就是分析机组运行中某些参数偏离基准工况时对机组热经济性的影 响。以系统工程的观点可知，促使运行参数偏离基准值的各种原因称为扰动。电厂 热力系统扰动分为两大类，一类为大扰动，另一类称为小扰动【1 1 】。大扰动是指对汽 轮机通流部分热力状态产生影响的扰动，这类扰动尽管有时强度不大但波及的系统 范围较大，甚至波及全系统，引起系统汽水流量的重新分布，进而导致各级抽汽口 和排汽端的蒸汽参数以及回热系统各相应参数发生变化，因而分析过程相当繁杂。 小扰动是指对汽轮机通流部分以外的扰动，通常是指对辅助设备及系统的扰动，这 种扰动尽管有时强度较大( 如加热器切除) ，但对通流部分的热力学状态参数影响不 大，因此对整个系统的热力学( 强度) 参数的影响不大。 作为回热系统局部定量技术分析的简捷方法，基于小扰动理论的耗差分析法， 如等效焓降法【1 2 1 ，顺序扰动解除法【1 3 1 4 】等，已成为火电厂能损分析的首选理论和方 法，为我国火电厂的节能降耗工作作出了很大的贡献。然而，基于小扰动理论的耗 差分析法存在着许多局限性，只能解决火电厂的部分能损分析问题，对于引起汽轮 机膨胀过程线变化的主汽压、主汽温、再热汽温、排汽压力等大扰动参数的耗差分 析却无法适用。本文引入系统工程的观点，借助偏微分理论，以火电机组热经济分 析统一模型为基础，导出了凝汽机组主要运行参数的耗差分析模型。 3 1 统一物理模型的确立 目前，在发电厂的汽轮机中，喷嘴调节是应用最为普遍的一种配汽方式。在机 组运行工况变动时，调节级效率会随着调节阀的开度和开数的变化而发生较大改变。 汽轮机术级在机组变工况运行时，由于其湿汽损失和余速损失的变化，未级效率变 化也很大。如果在不考虑汽轮机通流部分可能出现的结垢、间隙过大等故障问题时， 当机组负荷变化时，汽轮机中间级组的效率基本不变【1 5 】。 因此，按照效率的变化，可将汽轮机通流部分分成三部分。第一部分调节级组， 即汽轮机主汽门至调节级后；第二部分为汽轮机各中间级组；第三部分为最未级组， 即最后一级抽汽至汽轮机低压缸排汽端。第二部分又可按各抽汽口划分成，1 个级组， 其中咒为回热系统加热器的个数，第1 级组的起点选在汽轮机调节级后，则各级组 的排汽焓值即为各加热器的抽汽焓。 华北电力人学硕士学位论文 r 广一 习 一嘞l 一一壤。 q 。l 一2 l i 一 嚷一 谚。叫 。 d | q 一露 日 图3 1 火电机组热经济性分析统一物理模型示意图 嚷 珑， 为了使所建模型能够适用于各种形式的火电机组，制定热经济性分析与能耗计 算的统一标准，本文建立了如图3 1 所示的火电机组热经济性分析统一物理模型， 并将进、出各个小汽机的辅助汽水作了如下划分：从第f 个小锅炉出口到第i 个小 汽机进口之间管路上漏出的辅助蒸汽，记为d 序；( f = 1 ，2 ，3 ，l + 1 ) ；从第f 个 小汽机出口到第f + 1 个小锅炉进口管路之间进出的辅助汽水，记为d 序；( f = 1 ，2 ，3 ， ，l + 1 ) ，( 实际上从此处管路上进入的辅助汽水大多为零，只有再热喷水处不为零，其 带入的热量按进入第f 个小锅炉的辅助汽水计算) ，辅助汽水进入为正，流出为负。 3 2 相关方程的推导 3 2 1 机组循环吸热量方程及其微分表达式 循环吸热量表示在机组的整个循环中，工质从广义锅炉吸收的热量，即： q 一薹巩( k 棚一缸。肛。，) + 萋瓯+ q 。( 一。) + q r ( 3 一1 ) 式中吃( f = 1 ，2 ，3 ，刀) 为第f + 1 号小锅炉的出口焓，也即第f + 1 小汽轮机的进口 焓；( f = 1 ，2 ，3 ，以) 为第f + 1 号小锅炉的进口焓，当f o 时，也即第f 个小汽 轮机的出口焓。为第1 号小锅炉的出口焓，也即第1 号小汽轮机的进口焓；。为 第1 号小锅炉的进口焓。 根据广义锅炉的定义知：第1 号和刀+ 1 号小锅炉原为虚拟， 以下推导，将式( 3 - 1 ) 转化为其等价式： q = 妻巩( 吨州哪) + 耋瓯 1 2 本不存在，为便于 ( 3 - 2 ) 华北电力人学硕十学位论文 即q = 巩 巩 + 【h 肛】 d 肛】 ( 3 3 ) 式中， h 臃 = 一j i l l 一啊。j l 。，一j l 。肛。) 】，【d 6 ， _ 见。见： r ， h 倒】= 口，啦 q ，：如 g 触。】 ， d 归，】= 研蜥】 q 啦】【d 加“ r ( i = 1 ， 2 ，3 ，咒) 。其中，【q 赢】2 卜一q z 】，为进出第f 个小锅炉的各股辅助汽水的 比放热量组成的行矩阵；g 乒l = j l ( x j 1 ) 一j 1 1 i l ，g 一2 ； ( “x j 1 ) 一 一2 ，； ( ) ( ) 为第f 个小锅炉进口工质的焓，k 。，j l 一：，为进出第f 个小锅炉的各股辅助汽水的焓( 其 中汹，2 ，3 ，砘 d 鸬 | d 五1 d 一2 ， 口一l d o 口一2 d o 口五3 d o 为进出第f 个小锅炉的各股辅助汽水 的流量( d l ，d 一2 ，d 一3 ，) 组成的列矩阵。口一l ，口一2 ，口i 3 ，为进出第f 小 锅炉的各股辅助汽水的相对流量。 对方程( 3 - 3 ) 两边取全微分，经整理得 q = q 三1 0 + c 2 五。一c 2 幽p + c 3 l ，l 。一c 3 幽秽+ c 。( 【a 何】+ 【a ，c ；】 + 【口一卜【呸】) + c ；。【口肛】+ c 6 ( 口俐+ 口脚) ( 3 - 4 ) 式中，c 1 = 茜；c ：= 或；c 3 一见( + 1 ) ；c 。= 玩【日6 f 】【丁】；c 5 一d 0 f 日脚】；c 6 l d o 阪。】； 【，】_ l ii ，【厶。】= i ：l 为刀1 阶矩阵； 丁】= 0 10o 110 11 1o 为厅甩阶矩阵。 进出小锅炉的辅助汽水相对哦较小，且其焓值相对于其应达值的变化也较小， 因此，式( 3 - 4 ) 中未考虑进出小锅炉辅助汽水的比焓变化对循环吸热量q 的影响。 3 2 2 机组比内功方程及其微分表达式 比内功是机组在循环中，在各个小汽轮机中所做的比内功之和，即： 一( 一) + q 。( 一啊。) + 薹d i ；( 红一。一吃) ( 3 - 5 ) 1 3 华北电力人学硕十学位论文 将式( 3 5 ) 写成矩阵形式为： = 【h ， d f f + h 嘶+ h 阳p ( 州) ( 3 - 6 ) 式中，【h “ ；【一啊。嚏一办： 。川) 一吃。】，【d 。 d f ，d f z 巩 r ， h c l j i h q h t q ，h t c = h n h c o 对方程( 3 - 6 ) 两边取全微分，经整理得： 一且峨+ + b 日妇 + 风嘞+ 尾【仇】+ 吃。( 瓴一觚) + 马【a 加j + 色( 【口肛】+ 【a 一卜【q 】) ( 3 - 7 ) 式中，b5 亩。bz ( d 0 + d 倒切玎；bap “仇】；色- ( d o + d 朋) ；色；【d “如】； 反一2 ( 州) ；马一d 0 ( 【峨】陋】+ e 。【，r ) ；风一域( 【h 玎儿丁】+ 以【，】r ) ；毋和色为1 力阶 矩阵。 和【】为甩1 阶矩阵，其中，如、巩分别表示第f 号小汽机的理想焓降 和相对内效率；第1 号小汽机的焓降县，一吃，一啊。，第f ( f 苫2 ) 号小汽机的焓降 巩a 吃- i _ ， e = 1 11o 11 1 为托咒阶矩阵。 3 2 3 加热器相对抽汽量的微分表达式 根据2 1 节所述的火电机组的汽水分布方程，可知，第f 级加热器的相对抽汽量 是一个由多个参数影响的函数厂，即 q 一厂( ，k ，口j ，口磊，口。， 耐，j i l 。) ( 3 8 ) 根据小扰动理论可知，小扰动参数变化时不会对整个热力系统其它参数产生大 的影响，即可认为小扰动参数变化时，机组其它运行参数不变。而关于回热系统的 一些运行参数均可视为小扰动因素，如加热器上端差、下端差、抽汽压损等【1 8 2 1 j 。 根据系统工程的观点，借助偏微分理论，可导出： k 】= k 瓦+ 憋卸。+ k 蛾+ 亿已+ 墨。卸。+ k + 码。a 晡 + k 幽要+ 玛幽主+ + k ，l 。+ k 2 口三 ( 3 9 ) 1 4 华此电力人学硕十学位论文 热k 一去卜。胪等一口摩鼾研， 砭一去。p 。瓦一昙每p 垮碱训川 玛一去。去蕾魄州1 】 一石b ，卜鲐驴半壤魄堋m ，l ( + 1 x + 1 ) 一朋 l i ：嚣l 墨= 一f 七。( 考，+ ；。乙) ( 一所) m - 1 】【哦豇】 以( + 1 ) ( n + 1 ) 一肌j 并1 民= 去和魄训】 k ，2 善凡，r 2 嚣+ 静( 叫舭。1 】【】( 江1 ，2 。以) 丧，凳a 办训吲( 待”城+ 2 ，川 民5 善墨岛。吒谢m 。】【鼠衍】，1 1 ，2 ，行 岛2 善而，墨。u 彳。】【】，i 协，刀 k 1 。一一m 。1 】【】 k 。一吒。【彳。1 】【吃。】 墨：= ，；，2 一舱一】 其中，p 0 、死、d o 分别为主蒸汽压力、温度和比容；妇、疋，、t ) z ，分别为再热蒸汽压 力、温度和比容；磁为气体常数；七为绝热指数，对于过热蒸汽七= 1 3 ；见。+ ，为第+ 1 级加热器抽汽压力( 为高压缸抽汽级数) ；【玩。】- 【o o 1o o r ，为咒1 阶矩阵，咒为加热器的个数，矩阵中第f 项为1 ，其余各项为0 ；= q 一为进入 15 华北电力人学硕t 学何论文 第f 级控制体的实际相对