（工程热物理专业论文）供热机组热力系统热经济性分析的eedm方程.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在完善供热机组多重循环分析思路的基础上，构建了具有通用性、智能化 和适合计算机编程的供热机组能效分布矩阵方程。该方程可以定量分析任意局部变 化对供热、发电两个方面的独立影响，有效避免了传统分析方法只能单一的分析局 部变化对发电影响的不足。深入研究了热电联产总热耗量的分配问题，完善了基于 产品地位系数的热电分摊方法，该方法充分考虑热电产品的多样性，分配结果随产 品地位的改变而改变，使热电成本分摊更切和实际，更易被生产所接受。 关键词：供热机组，能效分布矩阵方程，多重循环，产品地位系数 a b s t r a c t i nt h i st e x t ，o nt h eb a s i so fi m p r o v e dt h em u l t i p l ec i r c u l a t i o n ，av e r s a t i l ei n t e l l i g e n ta n d s u i t a b l ef o rc o m p u t e rp r o g r a m m i n go ft h ee n e r g y - e f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o nm a t r i xe q u a t i o nf o r c o g e n e r a t i o nu n i th a sb e e nc o n s t r u c t e d t h ee q u a t i o nc a nb eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fa n y c h a n g e st ot h el o c a lh e a t i n g ，p o w e rg e n e r a t i o nb o t ht h ei n d e p e n d e n te f f e c t s e f f e c t i v ew a yt o a v o i dt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fa n a l y s i sc a no n l yb eas i n g l ep a r t i a la n a l y s i so ft h ei m p a c to f c h a n g e si nt h ep o w e rg e n e r a t i o ns h o r t a g e i n d e p t hs t u d yo fc o m b i n e dh e a ta n dp o w e r c o n s u m p t i o no ft h et o t a lm l o c a t i o no fh o ti s s u e st h et h e r m o e l e c t r i cc o s t a p p o r t i o nm e t h o d b a s e do n p r o d u c td e g r e ec o e f f i c i e n t a r ep e r f e c t e d ，a n d f i n a l l yc o m b i n e d w i t ht h e e n e r g y - e f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o nm a t r i xo fc o g e n e r a t i o nu n i ta n dt h ep r o d u c td e g r e ec o e f f i c i e n t ac e r t a i nt y p eo fc o g e n e r a t i o nu n i th a sb e e nc a l c u l a t e d t h e nw er e c e i v e dt h ei m p a c to f t h e r m o e l e c t r i cc o s tb yd i s t u r b a n c e t h i sm e t h o di se f f e c t i v ea n da tf i e l di t p r o v i d e sa l l e f f e c t i v em e t h o df o rt h et h e r m o - e c o n o m i c a n a l y s i so fc o g e n e r a t i o nu n i t z h a n gw e n b a o ( t h e r r n a le n g i n e e r i n gp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f y us h u m e i k e yw o r d s ：c o g e n e r a t i o nu n i t , e n e r g y - e f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o n m a t r i x ，m u l t i p l e c i r c u l a t i o n ，p r o d u c td e g r e ec o e f f i c i e n t 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在完善供热机组多重循环分析思路的基础上，构建了具有通用性、智能化 和适合计算机编程的供热机组能效分布矩阵方程。该方程可以定量分析任意局部变 化对供热、发电两个方面的独立影响，有效避免了传统分析方法只能单一的分析局 部变化对发电影响的不足。深入研究了热电联产总热耗量的分配问题，完善了基于 产品地位系数的热电分摊方法，该方法充分考虑热电产品的多样性，分配结果随产 品地位的改变而改变，使热电成本分摊更切和实际，更易被生产所接受。 关键词：供热机组，能效分布矩阵方程，多重循环，产品地位系数 a b s t r a c t i nt h i st e x t ，o nt h eb a s i so fi m p r o v e dt h em u l t i p l ec i r c u l a t i o n ，av e r s a t i l ei n t e l l i g e n ta n d s u i t a b l ef o rc o m p u t e rp r o g r a m m i n go ft h ee n e r g y - e f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o nm a t r i xe q u a t i o nf o r c o g e n e r a t i o nu n i th a sb e e nc o n s t r u c t e d t h ee q u a t i o nc a nb eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fa n y c h a n g e st ot h el o c a lh e a t i n g ，p o w e rg e n e r a t i o nb o t ht h ei n d e p e n d e n te f f e c t s e f f e c t i v ew a yt o a v o i dt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fa n a l y s i sc a no n l yb eas i n g l ep a r t i a la n a l y s i so ft h ei m p a c to f c h a n g e si nt h ep o w e rg e n e r a t i o ns h o r t a g e i n d e p t hs t u d yo fc o m b i n e dh e a ta n dp o w e r c o n s u m p t i o no ft h et o t a lm l o c a t i o no fh o ti s s u e st h et h e r m o e l e c t r i cc o s t a p p o r t i o nm e t h o d b a s e do n p r o d u c td e g r e ec o e f f i c i e n t a r ep e r f e c t e d ，a n d f i n a l l yc o m b i n e d w i t ht h e e n e r g y - e f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o nm a t r i xo fc o g e n e r a t i o nu n i ta n dt h ep r o d u c td e g r e ec o e f f i c i e n t ac e r t a i nt y p eo fc o g e n e r a t i o nu n i th a sb e e nc a l c u l a t e d t h e nw er e c e i v e dt h ei m p a c to f t h e r m o e l e c t r i cc o s tb yd i s t u r b a n c e t h i sm e t h o di se f f e c t i v ea n da tf i e l di t p r o v i d e sa l l e f f e c t i v em e t h o df o rt h et h e r m o - e c o n o m i c a n a l y s i so fc o g e n e r a t i o nu n i t z h a n gw e n b a o ( t h e r r n a le n g i n e e r i n gp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f y us h u m e i k e yw o r d s ：c o g e n e r a t i o nu n i t , e n e r g y - e f f i c i e n c yd i s t r i b u t i o n m a t r i x ，m u l t i p l e c i r c u l a t i o n ，p r o d u c td e g r e ec o e f f i c i e n t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文供热机组热力系统热经济性分析的 e e d m 方程，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：呲 日期： 苎! 旦旦：主仝 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：娃玉望 日期：塑i3 ：3 ：了 铷签翻迹 日期 华北电力人学硕士学位论文 1 1 本课题的背景及意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建 立可靠、安全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。我国也提 出了“节能优先、清洁环保、供应安全、市场推动”的能源发展战略。我国人均资 源匮乏，自然生态环境脆弱，能耗强度为世界平均值的2 - - 3 倍，并且随着经济持续 快速发展，能源消费也迅速增加，温室气体排放、酸雨等环保问题也日益突出。由 于我国的能源结构以煤为主，清洁能源所占比例还比较小，可再生能源的开发还不 够，因此我国电力工业在今后相当长的一段时间内都是以燃煤的火力发电为主，故 如何提高机组的运行性能、降低能耗进而节约能源、减少污染物及温室气体排放、 实现可持续发展成为一个战略性、紧迫性的课题【i l 。 1 1 1 我国电力工业发展的现状比1 ( 1 ) 电源结构以煤电为主。电力工业是能源工业的重要组成部分，是推动人 类文明及支撑社会经济发展的重要基础。目前在世界范围内，火力发电( 燃煤发电、 燃油发电和天然气发电) 是最主要的发电方式。根据联合国能源统计资料，目前世 界总发电量中，火电占6 5 左右。2 0 0 0 - - 2 0 0 5 年是中国电力工业发展最为迅猛的 时期，发电装机容量由3 1 9 0 0 万千瓦增加到5 1 2 0 0 万千瓦，年均增长速度达1 2 6 。 装机容量和发电量仅次于美国，均上升到世界第二位。2 0 0 5 年我国总装机容量5 1 2 0 0 万千瓦中，火电装机容量3 8 8 9 6 万千瓦，占7 6 ；水电装机容量1 1 5 0 0 万千瓦，占 2 2 5 ；核电装机容量6 8 4 万千瓦，占1 3 ；风力等可再生能源发电装机容量1 2 0 万千瓦，占0 2 。2 0 0 5 年我国总发电量为2 4 7 4 7 亿千瓦时，其中火电发电量2 0 1 8 0 亿千瓦时，占8 1 5 5 ；水力发电量4 0 2 6 亿千瓦时，占1 6 3 ；核能发电量5 0 5 亿 千瓦时，占2 0 4 ：风力等可再生能源发电量3 6 亿千瓦时，占o 1 1 。在火力发电 量中煤电占9 5 以上。 ( 2 ) 发电能源消费以煤炭为主。我国发电能源消费以煤炭为主，目前煤炭在 火力发电能源构成中占9 5 以上。随着中国电力工业的高速发展，发电用能特别是 电煤消费量呈持续快速增长势头。2 0 0 5 年电力消费能源占一次能源消费量的比重为 3 8 4 ，比2 0 0 0 年和2 0 0 1 年增加了近4 个百分点；电能在终端能源消费中的比重 为1 8 5 。2 0 0 5 年全国发电用煤约1 1 5 6 亿吨，比2 0 0 0 年的5 4 7 亿吨翻了一番， 年均增长1 6 1 。2 0 0 0 一一2 0 0 5 年发电用煤占全国煤炭产量的比重基本维持在5 1 左右，比2 0 0 0 和2 0 0 1 年增加了近8 个百分点。 华j 匕电力人学硕十学位论文 ( 3 ) 发电装备技术水平相对落后。到2 0 0 3 年底，中国已建成的单机容量在 3 0 0 m w 及以上的火电机组容量占全国火电装机总容量的4 1 3 9 ；2 0 0 - 3 0 0 m w 机 组占1 5 2 8 。到2 0 0 5 年底，中国己建成的单机容量在3 0 0 - - - 6 0 0 m w 之间的火电机 组占4 8 3 ，其中6 0 0 m w 以上的机组占1 2 0 5 。火电机组中除6 左右的燃气轮 机和柴油发电机组外，其余都是常规的燃煤火电机组，致使电源调峰能力不足。燃 气一蒸汽联合循环机组和低污染燃煤发电机组比例均过低，单机功率过小，在大中 型发电机组中尚未形成规模，不能适应电源调峰和环保要求。 ( 4 ) 火力发电是中国对生态系统和大气环境产生影响的主要发电方式。与其 他发电方式相比，由于火力发电是我国主要电力生产方式，而且以煤炭消费为主， 发电用煤的平均灰分高达2 8 左右，基本上是没有经过沈选的动力煤，外加污染控 制和治理技术落后且利用不够广泛，致使火力发电行业成为二氧化硫、氮氧化物、 烟尘等大气污染物的主要排放源，是造成大气污染，引起酸雨等环境问题的主要原 因。同时也是废水、煤粉灰和炉渣等固体废弃物的主要排放源。由于煤炭燃烧所排 放的大量二氧化碳等温室气体，导致了以温室效应为特征的全球性环境问题。2 0 0 5 年中国全部火电机组的二氧化碳排放量中国碳排放量的4 0 左右。单位发电量的二 氧化碳排放强度比较高，其原因一方面是中国煤电占主导地位，发电用燃料的碳排 放强度高；另一方面是中国小容量机组所占比例偏大，发电效率较低。由于以煤为 主的化石燃料在未来将继续主导中国热力和电力生产，因此，火力发电行业仍将是 中国二氧化碳的主要排放源。 根据电力部门的专家分析，中国到2 0 2 0 年的电源结构仍然以煤电为主。煤电 仍将占总装机容量的5 0 以上。在中国未来的能源消费结构中，煤炭占一次能源消 费总量的比重将逐年下降，但发电用煤在国内煤炭供应量中的比重将由2 0 0 5 年的 5 0 左右逐步上升到2 0 2 0 年的6 5 7 0 ，接近发达国家7 0 8 0 的比重。届 时，中国煤电装机容量将增加近一倍。单位供电煤耗将下降到平均3 2 0 克标准煤 千瓦时。2 0 0 5 年相比，2 0 2 0 年燃煤发电的二氧化碳减排潜力可达1 2 x1 0 8 t c 。由于 以煤为主的化石燃料在未来将继续主导中国的热力和电力生产，因此发电部门是温 室气体减排潜力比较大的部门。 ( 5 ) 节能和提高能源效率的潜力仍然很大。衡量电力行业能源效率和经济运 行水平的主要指标是供电标准煤耗和输电线路损失率。改革丌放以来，我国有关部 门投入巨额资金对火电厂燃煤系统、控制系统等进行了大量适应现代化要求的改 造，提高了机组技术水平，降低了供电煤耗，火电效率得到明显改善。全国火电机 组平均供电煤耗从2 0 0 0 年的3 9 2 克标准煤千瓦时下降到3 7 4 克标准煤千瓦时， 降幅4 1 。同时，火力发电线路损失率由7 7 下降到7 18 ，降幅6 8 。与世 界主要工业国家相比，我国电力工业节约能源的潜力仍然很大。其中，供电煤耗与 2 华北电力大学硕士学位论文 国际先进水平的差距约为3 0 5 0 克标准煤千瓦时，相当于美国、英国2 0 世纪7 0 年代的水平，与日本供电煤耗3 2 0 克标准煤千瓦时相比，2 0 0 5 年我国火电机组多 耗煤4 6 4 0 万吨。 由上可见火力发电厂仍是我国电力事业的主导，其节能任务更加重，火电厂的 节能减排工作仍具有重大意义。 1 1 2 我国热电联产发展现状 热电联产即采用供热机组是节能的重要途径之一。它符合并实现了按质利用热 能的原则，达到了“热尽其用”的目的，与相同电、热负荷的热电分产相比提高了 热利用率，节约了能源，同时采用供热机组还有减轻大气污染，改善环境，可以提 高供热质量，改善劳动条件等环境和社会效益。所以我国政府历来鼓励发展热电联 产。在大气污染防治发、节能法等法律性文件中都明确提出要鼓励发展热电 联产。原国家计委、国家经贸委、环保总局、建设部于分别于1 9 9 8 年和2 0 0 0 年颁 发了关于发展热电联产的若干规定和关于发展热电联产的若干规定的修订 及补充，以促进热电联产的健康发展。目前在三北地区的一些中心城市北京、长春、 沈阳、石家庄、郑州、太原、衡水等已经有一批2 0 0 m w 和3 0 0 m w 大型抽汽冷凝 机组在安装运行。近年来我国供热机组容量的比例虽然已提高到近1 2 但与世界先 进水平相比，这一比例仍然相当低，仅为俄罗斯的3 3 、美国的5 0 ，也低于丹 麦、荷兰等国家。最近刚成立不久的国家发展和改革委员会能源局组织编制了2 0 1 0 年热电联产发展规划及2 0 2 0 年远景发展目标。该规划提出：到2 0 2 0 年，全国热电 联产总装机容量将达到2 0 0 g w ，其中城市集中供热和工业生产用热的热电联产装机 容量达到1 0 0 g w 。预计到2 0 2 0 年，全国总发电装机容量将达到9 0 0 g w 左右，热 电联产将占全国发电总装机容量的2 2 ，在火电机组中的比例为3 7 左右。根据上 述规划，2 0 0 1 - - 2 0 2 0 年，全国每年要增加热电联产装机容量约9 g w ，年增加节能 能力约8 m t 标准煤。由此可见，热电联产在我国能源生产中必将占有更加重要的地 位，具有很广阔的发展前景0 所以提高供热机组热经济性必将带来燃料的更大节省， 对节能减排具有重要的理论和现实意义p 5 】。 1 2 供热机组热经济性的研究的主要方向 供热机组的热经济性分析与节能潜力的挖掘，从节能的对象和采取的措施来 看，可以归纳为三个方面：一是针对锅炉、汽轮机和主要辅机，着眼于提高主机的 热效率并降低辅机的电耗，以达到节能的目的。二是针对单个机组的热力系统，着 眼于优化和完善热力系统及其设计，改善运行操作，提高运行效率，以实现节能目 标；三是从全厂整体的运行经济性出发，在并列运行的机组之间进行电负荷、热负 3 华北电力人学硕十学位论文 荷、循环水量、给水量及补水量等的最佳分配，使全厂在最优方案下运行，节能降 耗。这涉及到热电厂的设备制造、系统设计、运行优化、建造施工、运行管理和技 术改造以及热经济性分析与计算【6 一l 】等多个方面的研究，是一项复杂的系统工程。 而机组热经济性分析与计算的研究是其中必备的、最基础的理论研究之一，因为通 过热力系统的定量分析与计算，准确获得机组煤耗指标是达到节能目的的先决条 件，只有明晰知晓实际运行工况下机组当前的各项煤耗指标，以及各种局部因素( 如 辅助汽水成分、系统设备参数变化等) 对各项煤耗指标的影响状况，才能优化机组 的系统设计、运行管理、确定影响机组设备运行经济性降低的原因及部位，进行技 术改造及机组节能潜力。因此，供热机组热经济性分析与计算方法的研究是当前供 热机组热经济性研究的一个主要方向。 1 3 供热机组热经济性研究的现状 伴随着世界范围的能源危机和环境污染问题，供热机组在世界范围内受到了普 遍重视和广泛推广，国内外对供热机组热经济性的研究也同趋深入和广泛，涉及设 备制造、系统设计、运行优化以及热经济性分析与计算等多个方面【6 。2 0 】。 1 3 1 设备制造、系统设计以及运行优化方面的研究 在设备制造和系统设计方面，当前的热经济性研究有两个趋势：一是供热机组 容量大型化，在加拿大已经有4 4 0 m w 的供热机组投入运营，台湾也有两台6 0 0 m w 的供热机组在运行；我国在1 9 9 9 年制定的当前优先发展的高新技术产业化重点 领域指南中提出：“近期产业化的重点是形成3 0 0 m w 热电联产机组成套设备的制 造能力，并逐步形成6 0 0 m w 供热机组成套设备的供应能力。打二是能源系统新型 化，一方面由热、电联供向热、电、冷( 或煤气) 三联供发展，另一方面由单纯的 燃煤为主向燃气、燃油、地热等清洁能源发展。近年来学者们在供热机组运行优化 方面做了一定的研究工作，但是在供热机组热经济性分析的实时性和通用性等方面 还存在诸多不足，还不能很好的应用于工程实际，有待进一步完善和发展。 1 3 2 热力系统热经济性分析与计算方面的研究 节能的实施涉及到一系列的环节，随着科学技术的飞速发展，供热机组热力系 统节能理论也在不断地发展，其主要依据是热力学第一定律和热力学第二定律。而 热力学的研究历史可以追溯到1 7 世纪，1 9 世纪前叶卡诺原理和热工当量原理的提 出标志着热力学的发展进入一个新时期，2 0 世纪热力学的研究进一步发展逐渐形成 了较完整的热力系统节能理论，尤其近2 0 年来，对热力系统分析热经济性分析与 计算方法研究的有关专著和论文越来越多。到目前为l e ，应用于电厂热力系统热经 济性分析与计算的具有代表性的理论主要有：常规热平衡法、等效焓降法、循环函 4 华北电力大学硕士学位论文 数法、矩阵法、火甩方法等；而有关电厂节能降耗的分析与计算基本上是基于常规热 平衡法、等效焓降法、循环函数法的思想上而进行的，基本上反映了电厂热力系统 节能理论的前沿。 随着火电机组单机容量的不断增大，热力系统结构也变得更加复杂，其热经济 性计算方法随之变得更为繁琐。但是随着计算机和计算数学的发展，一定程度上方 法的繁简程度已不能作为衡量某一种方法优劣的尺度，而热经济性计算的通用性、 智能化、精确度和适应计算机计算己只渐成为研究问题的基点。迄今为止，在这一 点上，还未能引起人们更多的关注。 目前，电厂热力系统的分析与计算，使用的方法较多，传统的热平衡方法尤为 普遍，除传统热平衡方法的使用显得繁琐、复杂、可变性较差等不足以外，其它方 法也在数学方法的灵活应用上稍显不足，难以实现热力系统结构及其汽水分布与其 计算公式在形式上的一一对应关系，不易探讨系统结构变化对机组运行性能的影响 程度，因而通用性不尽理想，造成计算机处理实现上的困难。如何使热力系统分析 这一典型的工程问题更好地使用严谨的数学方法处理，使得热力系统结构特性完全 转化为数学语言，实现其“数 与“形的小秒结合，避免手工操作过程中更多的 人为判断的主观干预，从而能够更通用地使用计算机处理，为火电厂热力系统节能 提供更为科学和简便实用的技术手段，是电厂节能工作的重要课题。 1 4 本论文的主要研究内容 本文旨在研究分析相关技术文献的基础上，通过对供热机组热力系统进行科 学、合理而严密的剖析，得到一种新的智能化和精确度更高、更易于计算机编程计 算的热力系统分析与计算方法，使其更方便的应用于供热机组热力系统的热经济性 分析，以期实现供热机组的安全与经济运行，达到节能降耗的目的。 主要研究内容如下： ( 1 ) 在研究参阅大量文献的基础上，对当前主要供热机组热力系统热经济性 分析与计算方法进行评述和比选，指出其发展趋势，分析其需要解决的问题。 ( 2 ) 针对目前供热机组热力系统热经济性分析方法的不足，构建具有通用性、 智能化和适合计算机编程的供热机组热力系统热经济性方程。 ( 3 ) 在本文的供热机组热力系统热经济性分析方法的基础上，对供热机组热 电联产总热耗量的分配问题进行研究，试图提出一种更科学、更切合实际、更易被 不同类型联产企业接受的分配方法。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章供热机组热经济性分析方法评述及比选 2 1 供热机组热经济性的特点 供热机组的生产方式是建立在联合能量生产的基础之上，同时生产热、电两种 产品，两者能量形式不同，品位质量也存在很大差异。电能是一种比较完善，高品 质的能量，生产电能的损失要你生产热能的损失大得多。相较于凝汽式电厂来说， 供热机组热经济性分析要复杂的多，其热经济性是发电和供热共同作用的体现，涉 及到总热耗量在热、电之间的分配以及热、电成本计算等问题，要求既能反映生产 过程的技术完善程度，又要反映两种产品的质量差别。只有确定扰动分别对于热、 电两个方面的影响，才能更全面的评价供热机组热经济性的真实变化，也才能进而 分析供热和发电两个方面在扰动发生时的热经济指标。 由于供热机组产品的双重性，在供热机组的节能分析中，其热经济性分析的理 论还远不如凝汽式电厂中成熟和完善，这在一定程度上，阻碍了热电厂的节能工作 的开展。而且由于热电联产节能是相对于热电分别生产方式而言的，评价热电联产 的节能效果的比较基准是热电分产。鉴于目前，热电分产的技术水平的不断提高， 单耗不断降低，对热电联产的节能水平也相应提出了更高的要求。因此，随着城市 供热规模的扩大，供热机组装机容量和单机功率的增大，就迫切需要建立一套较为 完善的适用于供热机组热经济性分析的理论与方法。 2 2 供热机组热经济性分析方法的概况比卜纠 电厂热力系统热经济性分析方法大都建立在热力学第一和第二定律的基础上， 种类比较多，见诸文献的主要有：常规热平衡法【2 4 1 、循环函数法【1 0 川l 1 2 5 - 2 7 、等效 热降法【6 】【2 8 3 0 1 、常规热平衡简捷算法【3 卜3 3 1 、热耗变换系数发【3 4 1 、质量单元矩阵分析 法【3 5 1 、火用分析法 3 6 瑚】、做功能力法f 3 9 】及人工神经网络f 4 0 】等，国外该领域的代表文 献主要有【4 l 】、【4 2 其中前三种分析方法较为成熟，广泛的应用予实际生产领域。 大体上述分析方法可以分为以下两类： 第一类分析方法是以手工计算为主，主要包括常规热平衡法、等效热降法、循 环函数法等。其中常规热平衡法计算精度最高，分析其他分析方法的精确性通常以 此方法作为校验基准；等效热降法、循环函数法和组合结构法特别关心于分析计算 过程中工作量的大小。经常为减少繁重的计算而对实际热力系统做近似处理，工作 量小了，但却以牺牲一定的精确性为代价。循坏函数法和等效热降法在我国应用较 广。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二类分析方法以计算机计算为主，大多采用矩阵形式，属于并联解法。主要 包括常规热平衡简捷算法、热力系统平衡的拓扑算法、质量单元矩阵分析法、循环 组合法以及火用分析法等。目前这类方法的研究较为活跃，但还有许多工作要做，如 热力设备局部变化对系统热经济性指标的影响，以及供热机组热力系统的定量分析 计算，在上述分析方法中所设计的矩阵方程的表达形式等还存在不足，需要做大量 的工作予以完善。 2 3 对现有主要热经济性分析方法的评价 2 3 1 常规热平衡法 常规热平衡法是最基本的热力系统分析方法，是一种单纯的汽水流量平衡和能 量平衡方法，是发电厂设计、热力系统分析、汽轮机设计最基本的方法，它以单个 的加热器为研究对象计算出各级加热器抽汽系数，并利用系统的功率方程和吸热量 方程最终求得系统的热经济指标。理论上各种分析方法都可以由它推倒出来。 该方法概念清晰上世纪5 0 年代自前苏联引入，应用广泛。但由于其在定量分 析计算中工作量很大，在以手工计算为主要计算形式的时代，该方法存在着先天的 不足。特别是当热系统较复杂或者是进行热力系统不同方案比较时，直接应用该方 法会非常繁琐。故在7 0 年代后逐渐受到等效热降法和循环换函数法的挑战，但该 方法一直广泛用于各高校“热力发电厂”的课常教学。 随着计算机技术的发展，对于任意复杂的热力系统只要编制合适的计算程序， 计算机都可以很快得到计算结果。但是计算机程序化对计算方法的通用性要求较 高，对于不同的热力系统或者同一热力系统的局部定量分析，主体的计算程序都需 要重编或者做大量改动，这样虽然计算工作量减少了但程序设计的工作量却大大增 加了。因此通用性不足这一缺陷是常规热平衡方法在计算机计算形势下新的不足。 近来，国家对环保和节能越来越重视，客观上对供热机组热力系统热经济性分 析方法的计算精度也有了更高要求。特别是随着机组单机和总体装机容量的不断增 大，由于热经济分析方法误差带来的煤耗计算偏差不容忽视，因此常规热平衡方法 计算精确度最高的特点成为一种适时的优势，以常规热平衡法为基础，结合矩阵思 想逐渐成为研究的新热点。 2 3 2 循环函数法 循环函数法是由马芳礼高级工程师在美国s a l i s b u r y 提出的“加热单元”的概念 基础上结合数十年实际工程设计和理论教学经验所创立的，一种新型的热力系统简 化计算方法。该方法首次用循环不可逆性来定性分析、用循坏函数式来定量计算蒸 汽循坏的经济性，既简化了热力系统整体计算，又解决了辅助用汽水的单项热经济 7 华北电力人学硕士学位论文 指标。 该方法能较好的适应计算复杂的热力系统，也适用于局部的定量分析。它用串 联解法先对整个热力系统进行计算，得到回热抽汽量和循环效率，然后把热力系统 分为回热循环和辅助循环的相互叠加。在作不同热力系统方案选择时，如果不同的 方案仅是某一加热单元的变化，只需要对该单元进行重新计算，方案中没有变化的 其他加热单元不必再重新计算，与常规热平衡法相比，在手工计算的条件下，计算 工作量大为减少。但是该方法对概念的理解要求较高，推导比较繁琐，并且该方法 在计算端差等设备缺陷的影响还不是很方便。因此造成对方法理解、掌握方面的困 难，以及应用的广泛性受限。 该方法采用“单元”为基本模块计算，非常符合计算机模块化计算的要求，因 此得到了一定的发展，并且文献 4 3 】将矩阵思想引入单元的计算，简化了使用者对 概念的理解。但是循环函数法在推导中认为不可逆损失只有汽轮机末级的排汽，忽 略了末级单元内加热器疏水入冷凝器所带来冷源损失等，故该方法具有一定的近似 性。迄今为止这一点还没有引起更多关注。 因此，尽管循环函数法计算简捷，通用性也较好，但模型的近似性以及对使用 者专业知识要求较多的缺陷还是其广泛应用受到制约的重要因素。 2 ，3 。3 等效热降法 等效热降法由前苏联学者首先提出，在上世纪7 0 年代由林万超教授加以引进 完善并推广应用。它是基于热力学的热功转换原理，考虑到设备的质量、热力系统 结构和参数的特点，经过严密的数学推导，求出几个热力分析参量日，和，7 ，等，以新 蒸汽流量不变，循环的初终参数不变和汽态线不变为前提，以等效热降日；来分析热 力系统的热经济性。该方法既可以用于整体的热力系统计算，也可以用于热力系统 局部定量分析。它摒弃了常规计算的缺点，用简捷的局部代替整个系统的繁杂计算。 具体讲，它只研究与系统改变有关的部分，并用给出一次性参量进行局部定量，确 定变化的经济效果。另外，在考虑了附加成分后该方法可以单独求出这些附加成分 对整个系统热经济性的影响。这样应用等效热降提出的小指标耗差分析计算模型可 以节省大量的繁杂计算，同时该方法局部运算的热工概念清晰，与一般热力学分析 完全一致，易于理解，基本满足了现场分析需要，对电厂节能降耗具有重要的现实 意义。由于其简捷性和通用性，等效热降在上世纪9 0 年代以来常被选为机组能耗 在线分析的计算模型。但是等效热降法也存在着一些不足，主要体现在两个方面： 一是对于再热机组来说，等效热降法以汽轮机装置的效率来代替再热器吸热的做功 率，由其他热力系统计算方法计算获得，亦即在该方法中用到的重要数据要通过其 他的分析方法来获得，这样在某种程度上就动摇了等效热降作为一种独立的热经济 8 华北电力大学硕士学位论文 性分析方法的基础，文献【4 4 】对此做了较深入的探讨；二是在局部定量分析中，等 效热降法的部分分析模型不像我们一般认为的那样精确，而是具有一定的近似性， 文献【4 5 】对其相关模型的精确度都做了一定的客观分析。 2 3 4 火用分析法 “火用成本理论”由西班牙学者v a l e r o a 提出，西方把矩阵叫做“符号数学”， 所以火用分析法称为符号火用经济学，在我国一般称为“矩阵模式热经济学 【4 6 1 ，简单 叫做火用分析法。火用分析法以热力学第二定律所定义的效率为基础，提出了火用成本 b 幸的概念，为求得火用成本还建立了一个事件矩阵a ，进而通过矩阵运算求出单位火用 成本f 火用单价) 。计入设备折旧、维修以及工资等非能量费用，做进一步分析则可以 得到产品的热经济学成本。 火用分析法将热力学分析方法和经济学分析方法相结合并引入了系统工程、优化 理论、决策理论等基本思想，在解决复杂能量系统的分析优化时能够确定能量系统 中的“用能薄弱环节”，对节能的开展具有重要意义，但是该方法所涉及的许多问 题还有待于进一步的解决，这直接关系到该方法的应用，主要是： ( 1 ) 系统集成度的划分。不同的系统集成度下，所分析的单位火用成本( 火用单 价) 不同。系统集成度取决于分析者的目的，那么以发电成本作为竞价上网的依 据时，发电成本在不同的系统集成度下求得不同的结果，到底那一个发电成本才 是最可靠、最合理的，这是研究人员应该关心的问题之一。 ( 2 ) 产品和副产品如何区分。系统输出能量流是产品还是副产品直接关系到 补充方程的确定，进而会影响事件矩阵a 的结构和相对应的元素。尤其是对于供热 机组来说，由于存在热和电两种能量流的输出，如何确定两者的产品地位，对热电 成本分摊的计算会有很大影响。 ( 3 ) 各股火用中火用值的确定。各火用流的火用值不但与压力、温度等有关，而且还 与质量有关，而质量的确定要通过其他的分析方法，这给火用分析法带来了一定程度 上的不便。 目前火用分析法还处于发展阶段，文献 7 】、【3 8 1 都对该方法做了一定的研究。 2 3 5 矩阵分析法 矩阵分析法泛指一切用矩阵形式来表达的分析方法。该方法在上世纪9 0 年代 丌始见于文献 4 7 】随着计算机技术的发展此类方法成为当前热力系统热经济性分析 计算方法研究的热点。目f j i 在各学术期刊上公丌发表的有常规热平衡简捷算法 ( q - y - r 方程) 、热力单元矩阵分析法等。 无论是定流量和还是定功率的矩阵分析法其模型都采用矩阵这一数学表达形 9 华北电力大学硕十学位论文 式，将“数 和“形 很好的结合在一起。矩阵结构与热力系统结构、矩阵中矩阵 元素与热力系统中相关参数都具有一一对应的映射关系。当热力系统结构或者热力 参数发生改变时，只需要对矩阵结构或者矩阵元素数值做出调整便可，使热力系统 热经济性分析方法更通用、简捷和适于计算机编程。 目前，大部分矩阵形式的热经济性分析方法都还有待于改进。以应用较广泛的 常规热平衡法为例，通过其核心的矩阵方程仅能够计算加热器各级的抽汽系数，要 求解最终的热经济指标还需要联立其他吸热量方程、功率方程来实现。因此，还只 是一种热力系统热经济分析计算中局部环节的矩阵方法。如何将吸热量方程和功率 方程融入同一的矩阵方程，使改进后的方程形成一个完整的矩阵计算模型还有不少 工作要做。文献 4 8 4 9 虽然将q y f 方程和等效热降理论相结合，将功率方程和吸 热量方程融入矩阵方程，使矩阵方程直接包含热经济指标( 循坏效率r a ) ，使对于 凝汽式电厂热力系统的热经济性分析更加的通用和简捷。但是在用于供热机组时尚 存在一定的不足。另外热力设备局部变化对热经济性的影响在矩阵方程中的合理表 达也要进一步研究。 2 3 6 其他分析方法 近来相关学科的一些理论，如人工神经网络等在厂热力系统热经济性分析计算 中也有所应用。这些方法都有他们各自的可取之处，但是研究还很不完善，不能够 形成一种完整的分析方法，在此不再赘述。 2 4 供热机组热经济性分析方法的发展趋势及其所需解决的问题 2 4 1 供热机组热经济性分析方法的发展趋势 在手工计算时期，衡量热经济性计算方法的优劣的一个标准就是计算量的大 小。这样为了减少计算工作量往往对复杂的热力系统进行一定程度的假设或简化， 使之尽量简单，便于手工计算。计算简单了但却以牺牲一定的精确性为代价。在当 前重视节能工作的大环境下，特别是随着火电机组单机容量和总装机容量的r 益增 大，常规分析方法的通用性不足和精确度低的不足表现得也同益明显。并且随着计 算数学特别是计算机技术的飞速发展，机组热力系统分析计算方法中计算工作量的 大小已不能再作为衡量某一种方法优劣的尺度。相反，在计算机计算时，我们使热 力系统尽量的复杂，以保证计算的精确性。因此通用性、智能化、精确度高，适于 计算机编程计算成为热力系统分析计算方法发展的新趋势： ( 1 ) 通用性：通用性主要体现在两个方面，一是要求分析方法能够适应火电 机组各种类型的热力系统定量分析；一是要求分析方法的计算形式具有普适性，以 利于丌发计算机通用程序。 1 0 华北电力入学硕士学位论文 ( 2 ) 智能化：智能化主要体现在热力系统的定量分析上，使用者不需要具有 很深的专业理论知识，只需要根据分析方法所确定的规则，对计算形式做简单修改 即可完成热经济性的定量分析，即傻瓜化。 ( 3 ) 精确度：火电机组单机容量和总装机容量的日益增大客观上要求提高分 析方法的精确性，而计算数学和计算机技术的发展是这种要求成为可能。 ( 4 ) 适于计算机编程计算：分析方法中计算手段可以复杂，但是要适合于计 算机编程。近年来适于计算机计算和编程的热力系统分析方法( 主要是矩阵分析法) 研究较为活跃，也取得了一定的成果。 2 4 2 目前供热机组热经济性分析方法的研究所需解决的问题 供热机组热经济性分析方法的研究除了要力求符合以上发展趋势所说特点外， 还要着力解决以下两个问题： 一是如何准确定量分析各种热力设备局部变化对热经济性的影响。如前所述， 目前在针对热力系统局部定量分析中，大部分分析方法对热力设备( 如加热器压损、 端差、蒸汽冷却器、疏水冷却器等) 局部变化对热经济性的影响考虑不足。相对而言， 只有等效热降法对此有较为系统的介绍，其模型是近似的。 二是如何采用恰当的分析思路，在供热机组热经济性定量分析中，能得到各种 局部变化对发电和供热两个方面的影响。随着我国热电联产的大力发展，供热机组 单机容量和总装机容量也同益增大，现有分析方法一般将供热汽流也作为一股普通 的辅助汽水流，对其的定量分析与其他辅助汽水流的分析一样，仅能分析供热汽流 对发电方面的影响，不能分析其对供热方面的影响f 1 1 】【1 9 】【2 5 】【2 8 1 。 2 5 供热机组热经济性定量分析的思路 思路一：以等效热降法为典型代表，固定供热机组的新蒸汽流量和对外供热量， 仅单一的考虑局部变化对发电量的影响，该思路的核心是将供热抽汽等同于轴封漏 汽等其它辅助汽水，只要将机组供热抽汽及其补水( 回水) 分别表达为两类辅助汽水 供热抽汽从汽轮机出系统、补水( 回水) 从加热器水侧进系统，按照凝汽式机组 的分析方法来计算。在我国影响较广的循环函数法，由于将供热抽汽循环与机组其 它辅助汽水流循环均视为独立循环，并列等同，因此不能定量分析计算辅助汽水循 环对供热抽汽循环的影响程度，一般也应归为这种分析思路。 思路二：供热循环凝汽化，如果将供热机组凝汽化，就可以结合现在已经发展 的较成熟完善的凝汽机组热经济性分析方法将其加以广延，柬分析供热机组的热经 济性。 华北电力大学硕十学位论文 第三章供热机组多重循环的基本理论 以前文2 5 节所提到的供热循环凝汽化为指导思想，文献 5 0 5 1 提出了多重循 环的方法，把一个供热机组热力系统局部定量分析问题，变成一个与凝汽机组相同 的问题。因而凝汽机组热力系统的局部定量分析的全部方法和公式，全部适用于供 热机组。 3 1 多重循环的概念 3 1 1 多重循环的定义 若以供热汽流从供热机组相应抽汽口抽出为起点，其回水补入供热机