（热能工程专业论文）汽轮机组回热系统的节能潜力分析.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽轮机组回热系统的节能潜力分析， 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：期：塑! 竺：圣：! 占 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 摘要 回热系统是火电机组热力系统的重要组成部分，定量分析回热系统各参数变化 对机组热经济性的影响，对于火电机组节能降耗有重要的理论价值和实际意义。本 文在火电机组热经济性分析的统一物理模型和数学模型的基础上，分别建立了火电 机组辅助汽水流量、加热器上、下端差和抽汽压损的耗差分析模型；同时建立了加 热器上、下端差和抽汽压损同时变化的耗差分析模型和汽轮机汽缸效率的耗差分析 模型，为火电机组的热经济性分析提供了新的工具。通过实例计算，验证了上述各 模型的正确性。 关键词：回热系统，统一物理模型，统一数学模型，节能，耗差分析 a b s t r a c t r e g e n e r a t i v es y s t e mi s a ni m p o r t a n tp a r to ft h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mf o rt h e c o a l f i r e d p o w e ru n i t i t h a sat h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e f o r e n e r g y - s a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n t o a n a l y s et h ei m p a c to nu n i t s t h e r m a l e c o n o m yq u a n t i t a t i v e l yw h e nt h er e g e n e r a t i v es y s t e mp a r a m e t e r sc h a n g e d o nt h eb a s i s o ft h eu n i f i e dp h y s i c a lm o d e la n dm 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 e c o a l f i r e dp o w e ru n i t s ，t h ee n e r g y - l o s sa n a l y s i sm o d e l s ，i n c l u d i n ga u x i l i a r ys t e a m w a t e r f l u x ，h e a t e rt e r m i n a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n de x t r a c t i o ns t e a mp r e s s u r el o s s ，w e r e e s t a b l i s h e d i nt h em e a nt i m e ，e n e r g y l o s sa n a l y s i sm o d e l sw h e nt h ea b o v et h r e ef a c t o r s c h a n g e di nt h es a m et i m ew a se s t a b l i s h e d f i n a l l yt h ee n e r g y - l o s sa n a l y s i sm o d e lo ft h e e f f e c to fc y l i n d e r so ns t e a mt u r b i n e sw a se s t a b l i s h e dp r e l i m i n a r i l y t h em o d e l ss u p p l ya n e wm e t h o dt ot h et h e r m a le c o n o m ya 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 t h em o d e l s m e n t i o n e da b o v ei nt h i sp a p e rw e r ep r o v e dt ob ec o r r e c tb yt h ec h e c k i n gc a l c u l a t i o n s w uh u a n y i n g ( 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 y a ns h u n l i n k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v es y s t e m ，u n i f i e dp h y s i c a lm o d e l ，u n i f i e dm a t h e m a t i cm o d e l ， e n e r g y - - s a v i n g , e n e r g y - l o s sa n a l y s i s 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题背景及意义，1 1 2 国内外相关课题的研究现状2 1 3 课题研究内容4 第二章回热系统节能潜力分析的理论基础6 2 1 火电机组热经济性分析统一物理模型简介7 2 1 1 统一物理模型建立的基本原则7 2 1 2 回热系统统一物理模型的建立7 2 1 3 锅炉和汽轮机本体统一物理模型的建立8 2 1 4 凝汽器统一物理模型的建立9 2 2 火电机组热经济性分析统一数学模型简介1 0 2 3 火电机组发电标准煤耗率的计算1 3 2 4 统一模型对压水堆核电机组二回路热力系统适用性的验证1 4 第三章辅助汽水流量变化对机组热经济性的影响1 5 3 1 辅助汽水流量变化对机组热经济性影响模型的推导假设1 5 3 2 辅助汽水流量变化对各级抽汽系数的影响1 5 3 3 辅助汽水流量变化对循环吸热量的影响1 7 3 4 辅助汽水流量变化对循环内功的影响1 9 3 5 辅助汽水流量变化对机组热经济性影响模型的建立2 l 3 6 应用实例及计算结果分析2 2 第四章加热器端差、抽汽压损变化对机组热经济性的影响2 3 4 1 加热器上端差变化对机组热经济性影响的计算模型2 3 4 1 1 模型推导的理论基础2 3 4 1 2 模型的推导及建立2 3 4 1 3 应用实例及计算结果分析2 6 4 1 4 加热器上端差影响系数的提出与分析2 7 4 2 加热器下端差变化对机组热经济性影响的计算模型2 9 4 2 1 模型推导的理论基础2 9 1 华北电力大学硕士学位论文目录 4 2 2 模型的推导及建立2 9 4 2 3 应用实例及计算结果分析3 0 4 2 4 加热器下端差影响系数的提出与分析3 l 4 3 抽汽压损变化对机组热经济性影响的计算模型3 2 4 3 1 模型推导的理论基础3 2 4 3 2 模型的推导及建立3 2 4 3 3 应用实例及计算结果分析3 3 4 4 加热器端差、抽汽压损同时变化对机组热经济性影响的计算模型3 4 4 4 1 模型的建立3 4 4 4 2 应用实例及计算结果分析3 4 第五章汽轮机汽缸效率变化对机组热经济性的影响3 5 5 i 模型推导的理论前提3 5 5 2 模型的推导及建立3 5 5 3 应用实例及计算结果分析4 2 第六章结论与展望一4 3 6 1 结论4 3 6 2 展望4 4 参考文献4 5 致谢4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 9 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础， 安全、可靠的能源供应和高效、清洁的能源利用是实现社会经济持续发展的重要 保证。中国是世界最大的发展中国家，同时也是世界第二大能源生产国和消费国。 2 0 0 8 年我国能源生产总量为2 6 亿吨标准煤，比上年增长5 2 ，能源消费总量却 达到2 8 5 亿吨标准煤，比上年增长4 0 【l j 。能源消费量大于能源供给量，在不断 推进的工业化和城市化进程中，能源问题愈来愈成为中国经济发展和社会进步的 “瓶颈 。 由于中国的能源结构以煤为主，因此中国的电力工业是以燃煤火电为主的。 中国在1 9 5 2 年时，煤电曾占总装机容量的9 0 4 ，总发电量的8 2 2 。以后虽然 比重有所下降，但根据中电联发布的数据，截止到2 0 0 8 年底，全国发电设备容量 7 9 2 5 3 万千瓦，其中火电6 0 1 3 2 万千瓦，约占总容量的7 5 8 7 1 2 1 。 由于中国电力工业的迅速发展，发电用煤占煤炭产量的比重逐年提高，由1 9 8 0 年的1 8 ，提高到2 0 0 7 年的约5 7 2 i 引，发电已成为煤炭工业的最大用户。因此 作为耗能大户，电力行业的节能降耗及火电机组的热经济性分析工作是一项重要 任务，具有重要的经济意义和社会价值。 电厂热力系统热经济性分析是电厂节能降耗的理论分析基础，它既是热力系 统设计、改造的理论依据，又是热力设备经济运行在线分析、监测的实用技术， 其分析和研究具有十分重要的理论和现实意义1 4 j 。讨论汽轮机组的热经济性问题， 人们往往把目光放在汽轮机的初终参数上，认为它们的变化对机组的经济性影响 较大。这无疑是正确的，但分析整台机组的经济性仅限于此也是不全面的，还应 关注汽轮机的回热系统，回热系统是利用汽轮机的抽汽加热给水，以提高电厂热 效率，节省燃料，并有助于机组的安全运行。为了更大的提高机组的效率，现代 大容量机组的回热加热器一般都设置有疏水冷却段或疏水冷却器，根据机组的容 量，有的加热器还设有过热蒸汽冷却段或蒸汽冷却器。回热系统是汽轮机热力系 统的基础，同时也是火电厂全厂热力系统的核心，有相当大的节能潜力，认真分 析其中存在的问题，也能找到节能的途径和办法。回热系统的运行参数比如加热 器的端差、辅助汽水、抽汽压损等的变化都会对机组热经济性造成影响。对这些 参数进行认真细致的分析，找出其中的不合理因素，分析产生这些不合理因素的 根源，从中找出解决的办法，达到降耗的效果，是节能工作的主要任务【5 l 。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外相关课题的研究现状 研究热力系统节能分析的有关专著或论文很多，有较大影响的有热力发电 厂、火电厂热力系统节能理论、电厂热力系统节能分析原理、热力系统火用 分析、节能原理等。国外代表该领域的主要论著有( ( s t e a mt u r b i n ea n dt h e i r c y c l e 、ag e n e r a lt h e o r yo ft h e r m o d y n a m i c 。这些论著及论文介绍了多种热力 系统分析方法，主要有常规热平衡法、等效热降法、循环函数法、火用分析法以及 矩阵分析法【6 】【7 j 。 ( 1 ) 常规热平衡法1 8 j 1 9 】 在目前所有的热力系统分析方法中，常规热平衡法是最基本的方法，它是热 力学第一定律在火电厂热力系统计算中的直接表述【1 0 】。在对电站系统分析计算时， 以热力学第一定律为基础，采用逐级热平衡法串联求解抽汽量，从而确定系统的 汽水分布，并利用功率方程及吸热量方程最终求解系统总的热经济性指标。该方 法概念清晰，数值求解方便，可以利用其思想对局部热力系统变化对热经济性的 影响进行定性的分析，是我国电厂热力系统的设计与改造的理论基础，对于广大 从事热力系统研究工作的学者来说更是一块基石。但由于5 0 年代初矩阵理论在电 厂热力系统研究领域的应用尚不普遍，一些基本公式的推导都是基于简单的代数 运算，使得对加热器从高压到低压逐级求解抽汽量时，其热平衡方程变得越来越 复杂，并且不易发现内在规律；尤其最末级，电厂全部辅助系统( 如轴封漏汽、门 杆漏汽、排污回收利用、喷水减温、厂用汽等1 对其热平衡方程均有影响，因此难 以写出其解析式。这些都增加了对局部热力系统变化对热经济性的影响进行定量 计算的难度。特别是当热力系统比较复杂或对热力系统进行多方案比较时，直接 应用热平衡分析法往往很繁琐。因此在7 0 年代以后逐渐被等效热降法或循环函数 法等方法取代，一般仅用来检验其它方法的计算精度，而较少直接用于热力系统 的分析计算。 ( 2 ) 等效热降法 等效热降法是2 0 世纪7 0 年代由前苏联库兹涅左夫提出的，9 0 年代以后，西 安交通大学林万超教授在其基础上逐步完善，形成了一套严密理论。等效热降法 是基于热力学的热工转换原理，考虑到设备质量、热力系统结构和参数的特点， 经过严密的理论推演，导出几个热力分析参量圩，及，7 ，等，用以研究热工转换及能 量利用程度的一种方法。该方法在机组负荷及汽轮机初终参数不变的情况下可以 对系统结构及辅助设备进行定量能损分析，在电厂热力系统节能理论方面做出了 重要贡献。等效焓降法属于静态系统分析法，但它可以直接分析计算系统局部改 变即小扰动对热经济性的影响，对于定量查找系统的能损分布及系统的局部改造 2 华北电力大学硕士学位论文 特别有利。但负荷变化必然引起通流参数的变化，当负荷变化较大时不能或只能 近似使用等效焓降法。随着电力事业的发展，装机容量不断增加，大型机组参加 调峰成为必然，对于初温、初压、负荷、运行方式、背压改变时能耗的改变进行 分析计算时，等效焓降法已超出了其应用范围。该理论已进入系统分析问题的核 心，概念和结论清楚准确，但理解难度很大，并且仍沿用了简单的代数推导方法， 不易对一些结论给出理论证吲1 1 h 1 4 1 。 ( 3 ) 循环函数法 循环函数法是循环的函数与方程法的简称，它是一种电厂蒸汽动力循环的定 量分析理论，是由我国电力建设研究所马芳礼高级工程师经过数十年的研究创立 的一种新型热力系统分析方法【1 5 】1 1 6 1 。该方法首次用循环不可逆性来定性分析、用 循环函数式来定量计算蒸汽循环的经济性，既简化了热力系统整体计算，又解决 了辅助汽水的单项热经济指标。 该方法与等效热降法中的思想有较大差别，是将任一复杂的热力系统划分为 主系统和各种不同的辅助系统，分别计算各系统的经济指标，也能很好地解决局一 部定量分析这一难题。与常规热平衡法相比，在手工计算条件下，计算工作量大 为减少。但该理论中概念较多，对概念的理解要求较高，公式复杂，推导比较麻 烦，并且该方法在计算端差等设备缺陷的影响还不是很方便，并且不易发现其一 “ 般规律，一般的工程技术人员难于理解和掌握。因此相对于等效热降法，该方法 运用的还不是很普遍【1 7 l 【1 引。 ( 4 ) 矩阵分析法 矩阵分析法是在热平衡法一次建模基础上的二次建模。其实它只是一个泛称， 并不特指某种具体的分析方法。一般而言，只要计算方法采用矩阵形式表达，即 可划为这一范畴。矩阵法是一种与计算机密切相关的热力系统分析方法。随着计 算机科学和技术的发展，矩阵法取得了迅速的发展，已成为一种主要热力系统分 析方法。矩阵法有多种变形，但其核心内容是首先根据热力系统的特点构造结构 矩阵，使矩阵不仅具有简洁的形式，又有明确的物理意义，然后计算非调节抽汽 流量，进而求出机组的热经济指标【1 9 h 2 3 1 。 目前，不但可以利用矩阵分析方法计算各级加热器的抽汽系数，吸热量方程、 功率方程也融入了矩阵方程，这样使矩阵直接包含热经济指标，形成了一个完整 的矩阵计算模型。另外，热力设备局部变化( 如加热器抽汽压损，端差、辅助汽 水变化等) 对经济性的影响也可以在矩阵方程中合理表达【2 4 h 2 9 1 。 矩阵分析法突出特点是“数与“形的结合，即：矩阵结构与热力系统结 构一一对应，矩阵中矩阵元素数值与热力系统中相关热力参数一一对应。当热力 3 华北电力大学硕士学位论文 系统结构或参数发生改变时，只需调整矩阵的结构和矩阵元素数值即可，使热力 系统的计算通用性更佳，非常适合于编制通用计算程序。随着计算机的普及及计 算技术的发展，这类分析方法是当前热力系统分析计算方法的主流研究方向，研 究较为活跃。 ( 5 ) 火用分析法 传统的电厂热力系统节能分析理论主要是以热力学第一定律为依据，并沿用 至今仍为主要方法。近年来，以热力学第二定律为依据的火用分析得到了迅猛的发 展，热力系统火用分析及节能原理就是这一理论的典型著作。它们的贡献 是明确定义了火用效率，规定了火用的基准态，并参照热力学第一定律的能量平衡方 程式得到了火用平衡方程。在明确基本概念的基础上解决了燃料火用、化学火用、工 质火用的计算问题，丰富了热力系统节能分析理论。由于传统的设计方法及可利用 的数据资料均以热力学第一定律给出，所以用热力学第二定律分析方法进行在线 监测还有一定困难。西班牙学者v a l e o 在论文ag e n e r a lt h e o r yo ft h e f m o d v n a m i c 中首次应用第二定律分析方法研究了复杂系统，对象是6 0 0 m w 机组主系统。作者 定义了子系统火用效率，然后用复杂的矩阵理论导出了系统的火用效率。在这种方法 中需对高阶矩阵用符号计算机求逆阵，这种计算机是分析推理型计算机，目前市 场上少见，因此其基本思想运用及发展受到限制【3 0 h 3 5 1 。 当前热力系统分析方法越来越重视通用性、智能化、准确度。随着计算机科 学技术的飞速发展，便于编程计算的热力系统分析方法也表现出前所未有的活力， 热力系统矩阵分析法借助计算机可以快速、准确地解决实际问题，同时该方法具 有很强的通用性。本课题研究的内容正是针对热力系统运行中常见的问题，基于 矩阵法建立数学模型，并进行具体的分析。 1 3 课题研究内容 ( 1 ) 建立加热器上、下端差变化对机组相对煤耗率影响的计算模型 对火电机组回热系统的工作原理和影响因素进行研究，以火电机组热经济性 分析的统一物理模型和数学模型为基础，利用偏微分理论推导出加热器上、下端 差对机组相对煤耗率影响的计算模型。 ( 2 ) 建立辅助汽水变化对机组相对煤耗率影响的计算模型 以火电机组热经济性分析的统一物理模型和数学模型为基础，通过严密的数 学推导，建立定流量条件下辅助汽水变化对机组相对煤耗率影响的计算模型。 ( 3 ) 建立抽汽压损变化对机组相对煤耗率影响的计算模型 基于火电机组热经济性分析的统一物理模型和数学模型，推导出加热器抽汽 4 华北电力大学硕士学位论文 压损变化对机组相对煤耗率影响的计算模型。 ( 4 ) 建立端差、辅助汽水、抽汽压损同时变化对机组热经济性影响的计算模型 对单因素变化对机组热经济性影响的计算模型进行分析，推导出多因素同时 变化时对机组经济性影响的计算模型。进而对整个回热系统的节能潜力进行分析。 ( 5 ) 建立汽缸相对内效率变化对机组相对煤耗率影响的计算模型 通过对机组回热系统及通流部分的研究，以火电机组热经济性分析统一物理 模型中的小汽机为研究对象，推导出各个小汽机相对内效率变化对机组相对煤耗 率的影响。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章回热系统节能潜力分析的理论基础 回热系统是电厂热力系统的重要组成部分之一。它运行情况的好坏对机组和 全厂的热经济性起着重要作用，因此对回热系统进行热经济性分析是电厂节能分 析中不可缺少的一部分。要做好回热系统的节能降耗工作，就必须对其热经济性 进行在线的和离线的多角度分析研究，这就需要建立相应的热经济性分析的数学 模型。然而由于火电机组热力系统的多样性，以往建立数学模型的基本思想都是 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，由于要直接面对复杂的、多变的热力系统，所建立的数学模型过于复杂、 没有特别统一通用的形式。为此，参考文献【3 6 1 中建立了火电机组热经济性分析的 统一物理模型，见图2 1 ，并在此基础上建立了热经济性分析的统一的基本数学模 型。本文在热力系统热经济性分析统一物理模型的基础上对回热系统节能潜力进 行了详尽的分析，进而建立了相应的数学模型f 3 7 】【3 8 1 。 l ，lk l k j k i k l k j b l k l 门 媚_ 叫珥s i 咚i u 1 l 媚媚 锢 蝈 瓯门 瓯口 蔑咚咚 叫见i 刊u 蚝医 如 以医 ul j i 也医咚医 岛l 咚 h 。i ，d l g l n o i h 。2b h nd 2 ig 2 n o 2 h 。，坞。kh d ， ig n o 3 矗- “ 啊lh akkd g i n 0 4 h s nkkkkd s ig 5 n o 5 “ nkkkk h d g 6 n o 6 bkkhkkbd 7 g n d 7 l 眩kkkkkh d 。 l g 。 n o 8 d l kkkb 1 1 9 bk q 。 ( ： 弋 _ 7 。荔多 ，一。 ， 篙釜迨i 么备矿 也 图2 - 1 火电机组热经济性分析统一物理模型 6 岛 蜴 蜴 幺 绣 幺 岛 蜴 华北电力大学硕士学位论文 2 1 火电机组热经济性分析统一物理模型简介 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 回热系统统一物理模型的建立 ( 1 ) 回热系统统一物理模型建立过程中的问题及解决措施 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形式比较复杂，同时，使 用的规则也就比较多。为解决这一问题，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2 1 中的n o 1 到n o 8 。 2 1 l 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。 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 ) 回热系统统一物理模型中各项与实际热力系统的映射关系 为了建立回热系统统一物理模型与实际热力系统的映射关系，需要了解一些 基本概念： 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1 2 4 】。 2 ) 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，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o i ( 见图2 - 1 中的d 1 切8 ) 汽轮机的第f 级的名义抽汽量d f 是指进入第f 级级控制体的实际抽汽量d 蕊+ 进出该级控制体热介质侧的辅助汽水流量的代数和仉z ，辅助汽水进入为正，流出 7 华北电力大学硕士学位论文 为负。值得注意的是珥z 往往为零，此时，名义抽汽量也就是实际抽汽量。 4 ) 名义水流量g i ( 见图2 1 中的g x g 8 ) 如果以第一级( 指抽汽压力最高的一级) 高压加热器的出水量吼为基准，则进 出第f 级级控制体的名义水流量g i = g m - - 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 i ( 见图2 - 1 中的q l 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侧的辅助汽水的换热量q 巾等于进( 出) 热介质 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抽汽的焓) 。 直接进出该级控制体冷介质侧的辅助汽水的换热量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 6 册f ，q 6 历r 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。 输入控制体的泵功蜴f 。 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) 第i 级 控制体的焓h i j ( h ( i + 1 ) ) 等于进( 出) 第i 级控制体的疏水焓吃( i - 1 ) ( k ) ，否则，等于出( 迸) 控制体的冷介质的焓j i l w i ( ；+ 1 1 ) ，参见图2 - 1 。第级抽汽及其疏水在第f 级控制体 中的名义放热量为一7 l j l 一+ ”f ，i = 1 n ，j = l i 。j = i 时h l i 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 谢( + 。) ) ，冷介质的焓升为 气ak 一m ) 2 1 3 锅炉和汽轮机本体统一物理模型的建立 ( 1 ) 锅炉和汽轮机本体统一物理模型建立过程中的问题及解决措施 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循环内功方程。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： 、 1 ) 以汽轮机的露个抽汽i ：1 为分界点，将汽轮机分为n + 1 个做功单元，即n + 1 个小汽轮机，见图2 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 r 小汽轮机的排汽焓，也即第f 级抽汽的焓( i = l - - n ) ，如果第f 个小汽轮机的排汽未 被加热，则第i + 1 个小锅炉的出口工质焓h f 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 质流量现1 为主蒸汽流量d o ，第f 个小锅炉中工质流量d b i 为：n n ，、一第f 一1 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 入为正，流出为负) + 在第f 一1 个小汽轮机( 包括其进e 1 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) ，即等于风+ ( 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) ) a = 2 - - - n - f1 ) ；q b 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) 热量等于其质量流量( 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1 。 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红- 1 ，其出口蒸汽的焓 为第f 股抽汽的焓j l 盯( 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 t i 为巩+ 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 = l - n + 1 。 2 1 4 凝汽器统一物理模型的建立 ( 1 ) 凝汽器统一物理模型建立过程中的问题及解决措施 在建立回热系统的统一物理模型时，假设各股抽汽的疏水都进入到了凝汽器， 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 ) 凝汽器统一物理模型与实际热力系统的映射关系 广义凝汽器中有咒+ 1 个小凝汽器，图2 1 中，经过第t 1 个( 在此n - 8 ) j n 热器 9 华北电力大学硕士学位论文 的各股抽汽的疏水焓即为前1 靠个小凝汽器的入口工质的焓，第咒- 4 - 1 个小凝汽 器的入口工质的焓是最后一个小汽轮机的排汽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 。为进( 出) 凝汽器的其他 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，但由于假设所有的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， 一般情况下用不到凝汽器的热平衡和质量平衡。 2 2 火电机组热经济性分析统一数学模型简介 通过对统一物理模型的研究可以在此基础上建立统一的数学模型。在众多的 数学模型中，热力系统的汽水分布方程、循环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的基础。 ( 1 ) 循环吸热量方程 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 = 善巩( 嚏一t 一噍叫一t ) + 善瓯 ( 2 - 1 ) 写成矩阵型式为 q ；h h + p 倒】 】 ( 2 - 2 ) 式中： 【如】= 【7 l o 一啊一啊。丸一k 】 】霉 见t 见z q t 柚，】1 h b i 2 g ，啦】【口，地】 口m + t 。， 】，其中 口施 2q 卢t ：】为进出 第i 个小锅炉的各股辅助汽水的比放热量组成的行矩阵；。一一。；一1 ) 一h 乒。， g 声2 一一l x ；一1 ) 一2 ，一。x h ) 为第i 个小锅炉进口工质的焓，h 乒。，h 庐z ，为进出 第i 个小锅炉的各股辅助汽水的焓o = l ，2 ，3 ，疗+ 1 ) 。 华北电力大学硕士学位论文 】； 【d ，珥】【q 2 6 2 】d ( 棚) 6 【州】 r ，为进出各个小锅炉的辅助汽水流 量组成的分块列矩阵。其中【】2 - 啡： ， 口一a a , 2 d o 口一3 或 ，为进出第i 个小锅炉的各股 辅助汽水的流量( d 一。，2 ，。，) 组成的列矩阵。a 一。，口乒2 ，口一，为进出 第f 小锅炉的各股辅助汽水的相对流量。 ( 2 ) 循环内功方程 循环内功是机组在循环中，在各个小汽轮机中所做的内功之和，即： n t 或( 噍- 1 - 玩) 白“1 ” 写成矩阵形式为 峨 或 式中： 组： ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 【蛾】；【一嚏。嚏一 兹吃一吃+ - 一+ - 】 【b 】； 口。皿：d i ( 柑) r ( 3 ) 汽水分布方程 利用热力学第一定律建立能量平衡方程，得到如下的通用汽水分布线形方程 善口# d j + q f 。t g f = 1 玎 ( 2 - 5 ) 其中的每一个方程，例如第f 个方程表示，1 f 股抽汽在第i 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i 个加热器中的焓升。 写成矩阵形式为 【彳p 】“q lh g 】 式中： ( 2 - 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 m = 啊1 一l 吃。一九：k 一： 吃2 一，：一，k 一， ，一九，。一k ，一k ，k k ， h 。，一丸。k k 。k 一九。k ，一九。蚝一， k 。一九，九。一 。，k 。一k ，h 。一丸，一吃6 k ，一k 。丸，一k 。k ，一九。丸，一 棚。一九， k 一一k ，一一九，一九， o k 一。 。一吃，k 一， 吃，一九，吃，一九，k 九， 上式中h i i 表示第f 级抽汽焓；吆表示第i 级加热器的疏水焓；k o = 1 8 ) 表示第f 级加热器的出口水焓；丸，表示循环水泵的出口水焓。 d 卜 d 1d 2 d 8 r 上式中d i 是指进出f 级控制体的实际抽汽量哦+ 进出该级控制体热介质侧的辅助 汽水流量的代数和p z ( 进入为正，流出为负) ，即 d i = d 吐+ d 亍 q = q lq 2 q 8 r 上式中q 表示进入第i 级控制体的名义加热量，由以下几部分组成： 1 ) 直接进( 出) 该级控制体热介质侧的辅助汽水的换热量级，即 q = q e 珥 2 ) 直接进( 出) 该级控制体冷介质侧的辅助汽水的换热量纰，即 q o 矗- 3 ) 流体与控制体中冷、热介质的表面式换热量q 铡，即 一 4 ) 输入控制体的泵功。 由1 ) 4 ) 得， q g + q o , + + 1 2 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 卜】= o 0 上式中t 表示主给水( 或主凝结水) 在第i 级控制体中的焓升，t k 一 呻+ 。) 。 g g lg 2 g 8 】r 上式中g 为名义水流量，如果以第一级( 指抽汽压力最高的一级) 高加的出水量g ， 为基准，则进( 出) 第f 级控制体的名义水流量q g 加一进( 出) 1 ( f - 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。而 g 加一d o 一罗，罗为从1 号加热器出口至汽轮机主汽门之间管路上进出的 篇镯 所有辅助汽水( 定义d 棚，进入为正，流出为负) ，所以， g ：f 。一荟矾矗5 岛一荟一荟z 2 3 火电机组发电标准煤耗率的计算 ( 2 - 1 2 ) 标准煤耗率可表明一个电厂范围内能量转换过程的技术完善程度，也反映其 管理水平和运行水平。同时也是厂际、班组间的经济评比、考核的重要指标之一。 本文均以发电标准煤耗率作为指标来计算分析机组的热经济性。 机组的发电标准煤耗率计算式可写为 吃塑l( 2 1 3 )5 7 0 0 0 x 4 1 8 6 8 r b z r l s n 、7 式中：6 ，为发电标准煤耗率，g k w 。h ；仇为锅炉效率；为汽轮机机械效率；仇 为发电机效率；q 为循环吸热量，k j k g ；n 为机组循环内功，k j k g 。 一般情况下，r b 、变化较小，可视为常数。对上式两边取对数，并微 分得： d b 。d qd n - - - ；= - 二= 一一 b |q n 1 3 ( 2 1 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 统一模型对压水堆核电机组二回路热力系统适用性的验证 由于核电机组的装机容量不断地提高，在研究核电机组安全运行的同时，对 济性的研究也显得十分重要，压水堆核电机组是目前主要的核电类型，其二 的经济性直接关系到整个机组的经济性高低，因此有必要深入研究其热力系 经济性，以促进核电机组的合理设计和经济、安全运行【3 9 1 【删。 通过对压水堆核电机组二回路热力系统与火电机组热力系统的相同与不同之 行分析，验证了统一模型对压水堆核电机组二回路热力系统的适用性，针对 堆核电机组二回路热力系统的特殊性( 见图2 。2 ) ，做了一定的修改和修正，具 理方法如下： ( 1 ) 压水堆核电机组二回路和火力发电机组的汽水系统基本相似，只是用广义 发生器取代广义锅炉即可。 ( 2 ) 由于核电机组中间再热的加热蒸汽来自高压抽汽和新蒸汽，所以再热不影 环吸热量。即危- 玩( f = 1 n ) 。 ( 3 ) 用于再热的新蒸汽、高压抽汽以及高压加热器接收的其疏水都认为是辅助 ，可由热平衡法先求出其份额。 ( 4 ) 由于核电汽轮机大部分叶片都处于过渡区和湿蒸汽区，所以核电汽轮机高 和低压缸内的静止零部件均需采用各种去湿装置和积水疏导装置，有些级则 半缸的相应位置设置抽汽口，以利疏水，所以在进行比内功的实际计算时需 原数学模型进行一定的修正。 图2 - 2 压水堆核电机组二回路热力系统图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章辅助汽水流量变化对机组热经济性的影响 所谓辅助汽水，指对完成回热循环并非必需的汽流和水流，如：轴封漏汽、 阀杆漏汽、工业用汽、减温水、连续排污等，它是火电机组热力系统的重要组成 部分【矧。定量分析其对机组热经济性的影响具有重要的实际意义。本文在火电机 组热经济性分析的统一物理模型和数学模型【3 6 j 的基础上，对火电机组热力系统进 行了进一步的分析与研究，导出了发电煤耗率与辅助汽水流量的通用微分关系式。 该关系式形式简单，计算方便快捷，计算精度高，通用性强。它为火电机组的节 能降耗，特别是辅助汽水系统的定量分析计算提供了一种新的工具。 3 1 辅助汽水流量变化对机组热经济性影响模型的推导假设 推导假设：汽轮机的进汽和排汽参数不变，给水温度不变。一般情况下，辅 助汽水流量的变化不可能很大，属于小扰动，根据小扰动理论可知，小扰动参数 变化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。所以仅仅是辅助汽水流量变化不会使汽轮机的进汽和排 汽参数以及锅炉给水温度产生较大的变化。每千克抽汽的放热量、每千克给水或 凝结水在各级加热器中的焓升也不可能产生太大的变化。所以这些量都视为常数。 3 2 辅助汽水流量变化对各级抽汽系数的影响 对火电机组热力系统汽水分布通用矩阵方程( 2 6 ) 进行变形为 ( 珑 + 【巩z 】) + ( 【靠哦 + 。， + 】) q 】。 g j 】( 3 - 1 ) 结合推导假设，当辅助汽水流量发生变化时，可认为输入控制体的泵功q 刍保 持不变，首先将方程( 3 - 1 ) 的两边都除以d 0 ，然后对所得方程两边取微分得抽汽系 数的微分表达式为 式中 - 彳婴 删一 z 】- 【么 - 1 帅i t 2 冲 _ 1 【】 】( 3 - 2 ) 一 a f l h 】h z l 、7 【 ； q 。2 r ，为各级抽汽系数口酊组成的列矩阵( f = 1 ，2 ，肛) 。 【】一 【】【】【】r ，为进出各级控制体热介质侧的辅助汽水相 1 5 华北电力大学硕士学位论文 对流量组成的分块列矩阵。 】呸。q ：q ，r 为进出第f 级控制体热介质 侧的各股辅助汽水的相对流量( q ：，：，q ，) 组成的列矩阵o = l ，2 ，n ) 。 h 】= o q z r ，】 0 ，为一分块对角矩阵。 】吼。吼z ，是 进出第i 级控制体热介质侧的各股辅助汽水的比放热量组成的行矩阵；儡，一噍。一， 吼：a 鬼：一吃，屹为i 级抽汽的比焓，噍。，噍：，为进出第i 级控制体热介质侧 的各股辅助汽水的