（动力工程及工程热物理专业论文）基于热经济学结构理论的大型汽轮机组性能分析和故障诊断.pdf

摘要 摘要 热力系统性能分析是电厂节能降耗工作的基础，从热力学基本定律出发，深入开展热力系统分 析方法研究，从本质上把握能量损失的原冈，对电厂“节能减排”工作具有重要的指导意义。本文 将燃煤电厂汽轮机组作为主要研究对象，以热力系统建模、分析方法作为主要研究手段，利用“热 经济学结构理论”，建立电厂热力系统的性能分析和故障诊断方法，为燃煤发电机组的节能降耗与优 化改造提供科学、可靠的理论依据。 在热力学建模的基础上，利用基于热力学第二定律的“热经济学结构理论”构建一套完整燃煤 电厂的娴分析及热经济学分析方法。以3 0 0 m w 亚临界、6 0 0 m w 临界及1 0 0 0 m w 超超临界燃煤 机组为例，详细论述了热力学仿真模型转化为热经济学模型的主要过程。使用基于燃料一产品定义的 热经济学模型、炯成本和热经济学成本模型量化了设备之间的生产交互过程，分析了系统成本形成 的热力学过程及其分布规律。并利用热经济学分析方法对电厂部件进行前瞻性故障诊断。 本文对热力系统的三种分析方法：能量分析法、娴分析法和热经济学方法做了简单的介绍，其 中重点对能量分析法和焖分析法做了比较分析，并对热力系统中，炯损分布做了分析；本文还介绍 了基于热经济学分析方法一“结构理论分析方法”，采用简单联合循环机组作为研究实例，对系统 生产结构模型建立、特征方程建立、热经济学成本计算、故障和障碍分析、燃料影响等多方面进行 深入的研究；本文运用“热经济学结构理论”对燃煤电厂3 0 0 m w 亚临界机组、6 0 0 m w 级亚临界机 组及1 0 0 0 m w 超超临界汽轮机组热力系统建模，利用该模型对机组运行数据和设计数据进行分析， 以求在机组出现故障征兆时发现故障，并对故障做进一步分析，给出供参考的故障处理意见。 本文在基于第一、第二定律两种分析方法结果一致性基础之上，进一步分析基于热力学第二定 律方法的优越性，以及这种方法对机组性能优化所产生的积极作用，同时要分析热经济学结构理论 的局限性并为完善该理论提出相应的建议。 关键词：热经济学；结构理论；炯；炯分析：故障诊断 东南大学硕：l ：学位论文 a b s t r a c t e n e r g ys a y i n go fp o w e rp l a n ti sb a s e do nt h et h e r m o d y n a m i cs y s t e ma n a l y s i s i ti si m p o r t a n tt ot h ew o r k o fs a v i n ge n e 理a n dr e d u c i n ge m i s s i o nt or e s e a r c hf u r t h e rt h e r m o d y n a m i cs y s t e mb a s e do nt h eb a s i c t l l e r m o d y n a m i cl a w si no r d e rt oa c h i e v et h er e a s o n so fl o s si nn a t u r e u s i n gm e t h o do ft h e r m o d y n a m i c s y r s t e ma n a l y s i st h a tb a s e do nt h e r m o d y r n a m i co ft h ef i r s ta n dt h es e c o n dl a w s i nt h i sp a p e r t h ec o a l f i r e d p o w e rp l a n ta sam a j o rs t u d yt ot h et h e r m a is y s t e mm o d e l i n g a n a l y s i sm e t h o d sa sam a j o rm e a n so f r e s e a r c h ，t h eu s eo f ”t h e r m o e c o n o m i cs t r u c t u r et h e o r y ”，e s t a b l i s h i n gas e to fe n e r g ys y s t e me v a l u a t i o n 。 d i a g n o s i sa n do p t i m i z a t i o n ，i no r d e rt oc o a l - f i r e dg e n e r a t i n gu n i t sa tt h et r a n s f o r m a t i o na n do p t i m i z a t i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o nt op r o v i d eas c i e n t i f i c ，r e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i s a c c o r d i n gt ot h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g u s i n go f ”t h e r m a l - e c o n o m i c ss t r u c t u r et h e o r y , ”t h a tb a s e do n t h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i ct ob u i l dac o m p r e h e n s i v em e t h o do fe x e r g y e c o n o m i c sa n a l y s i so f c o a l f i r e dp o w e rp l a n t sa n dt h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i s t o3 0 0 m ws u b - c r i t i c a la n dl0 0 0 m ws u p e r - c r i t i c a l c o a l f i r e du n i t sa sa ne x a m p l e d i s c u s s e st h et h e r m o d y n a m i cs i m u l a l i o nm o d e li n t oat h e r m a l e c o n o m i c s m o d e lo ft h em a i np r o c e s si nd e t a i l s b a s e do nf u e l _ p r o d u c tt h e r m o e c o n o m i cm o d e l e x e r g e t i cc o s t sa n d t h e r m o - e c o n o m i c sc o s tm o d e l st oq u a n t i f yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd e v i c e so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s 。a n a n a l y s i so ft h ec o s to ft h ef o r m a t i o no ft h et h e r m o d y n a m i cs y s t e ma n di t sd i s t r i b u t i o np r o c e s s a n du s i n go f t h e l t l l o e c o n o m i c sa n a y s i sm e t h o d sf o rf o r w a r d - l o o k i n gp a r t so ft h ep l a n tf a u l td i a g n o s i s t h e r m o d y n a m i cs y s t e mo ft h et h r e ea r i a l y s i sm e t h o d s ：e n e r g ya n a l y s i s ，e x e r g ya n dt h e r m o - e c o n o m i c s a n a l y s i sm e t h o d sh a v eb e e nd o n eab r i e fi n t r o d u c t i o n w h i c hf o c u so ne n e r g ya n a l y s i sa n da n a l y s i so f e x e r g d oac o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，e x e r g y - l o s so f t h e r m o d y n a m i cs y s t e md oa na n a l y s i so f t h ed i s t r i b u t i o n ； i n t r o d u c e db a s e do nt h et h e r m o - e c o n o m i c sa n a l y s i sm e t h o d s ：”t h es t r u c t u r eo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s m e t h o d ”u s i n gas i m p l ec o m b i n e dc y c l eu n i ta se x a m p l eo f t h es t u d y , t h ep r o d u c t i o ns t r u c t u r eo ft h em o d e l s y s t e m ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n ，t h e r m o - e c o n o m i c sc o s tc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i so f f a i l u r e sa n do b s t a c l e s ，t h ei m p a c to ff u e la n ds oo n ，w h i c hm u l t i a s p e c t sr e g a r d e dt oc o n d u c ti n - d e p t hs t u d y ； t h eu s eo f ”t h e r m o e c o n o m i c ss t r u c t u r a lt h e o r y ”f o rt h e r m o d y n a m i cs y s t e mm o d e lo f s t e a mt u r b i n eu n i to f a3 0 0 m ws u b c r i t i c a la n dl0 0 0 m ws u p e r - c r i t i c a lo fc o a l f u e dp o w e rp l a n t u s i n gt h em o d e io ft h eu n i t o p e r a t i n gd a t aa n dd e s i g nd a t af o ra n a l y s i s ，i no r d e rt of i n df a u l tw h e nt h eu n i ts i g nf a u l t , a n d t of u r t h e r a n a l y s i so ff a i l u r e a r eg i v e nf o rt h ef a i l u r et od e a lw i t ht h ev i e w so fr e f e r e n c e ； i nt h i sp a p e r b a s e do nt h ef i r s t ，t h es e c o n dl a wo fc o n s i s t e n c yi nt h er e s u l t so ft w oa n a l y t i c a im e t h o d st o f u r t h e ra n a l y z et h a tt h es u p e r i o r i t yo ft h es e c o n di a wo ft h e r m o d y n a m i c s - b a s e dm e t h o d sa sw e l la s p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h eu n i tr e s u l t i n gf r o ma na c t i v er o l ei nt h i sm e t h o da tt h es a m et i m et o a n a l y z et h el i m i t a t i o n so ft h es t r u c t u r eo ft h et h e r m o e c o n o m i c st h e o r ya n dr e f i n e m e n to ft h et h e o r y c o r r e s p o n d i n gr e c o m m e n d a t i o n s k e yw o r d s ：t h e r m o e c o n o m i c ，t h e r m a l - e c o n o m i c ss t r u c t u r et h e o r y , e x e r g y , e x e r g ya n a l y s i s ，m a l f u n c t i o n d i a g n o s i s l l 符号说明 缩写 c o n d 一 凝汽器 h e 一热交换 i p 一中压缸 g c 一 轴封加热器 b f p t 一小汽机 标量 n 一部件数目 f 一 部件燃料娴( k 、功 m f 一某部件故障损失( k 、叻 d i 一 由于某一部件产生的障碍( k 、聊 k 。一单位炯成本 r 一比娴系数( 连接点) w 一 机械功或电功( k 、聊 希腊字母 t l 一汽轮机或者泵效率 一增量 矩阵和向量 f , p 一燃料、产品向量( n x l ) k d 一每一个部件单位炯消耗对角阵 单位娴消耗矩阵( n n ) 【d f 】障碍矩阵( n n ) 下标 i j ，h 一部件数索引 e 一进口 d 一对角阵 上标 一娴成本 - 增量 1逆矩阵 符号说明 f w h p l p c o n d p 一 给水 高压缸 低压缸 凝结水泵 x 一操作变量 p 一部件产品娴( k 聊，压力( m e a ) d f 一部件内产生障碍损失( k 叼 n ，n 一负熵( k v o 和比负熵( k - j k g ) k ：一 产品单位炯成本( k w ) t 一温度( ) k 一单位炯消耗( 部件) p i 一燃料、产品和不可逆损失向量( n 1 ) u ，u d 一一元向量( 1 3 1 ) 和单位矩阵( n x n ) p ，i i 一产品和不可逆损失矩阵算子( n x n ) o s 。 t 0 一 t - v 周围环境 出口 整个系统 设计工况 转置矩阵 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( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 繇砰名哗慨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源和研究背景 能源是人类赖以生存及推动社会进步的重要物质基础。当今所使用的能源中，绝大部分为煤炭、 石油、天然气等一次能源，这些资源的储量是有限的，且不可再生，凶此，节约能源使用成了伞世 界范围内的研究课题。我国能源利用情况同样不容乐观。我国虽然能源资源丰富，但是人均占有量 仅约为世界平均水平的一半，并且相比其他发达国家而言，我国一次能源的利用效率偏低，我国目 前能源利用效率仅约为3 4 ，相当于发达国家2 0 年前的水平。近年来，电煤资源供应紧张，煤价大 幅提升，发电成本明显增加，同时电力改革逐步深化，厂网分开、竞价上网措施已经开始实施，电 厂当前迫切关心的问题是如何挖掘电厂自身潜力，通过优化生产降低煤耗，减少发电成本，取得竟 价上网的优势。 国家“十一五规划”1 1 1 对电力产业结构调整有明确的规定：超临界、超超临界机组是今后火电 行业发展的重点。相对于小机组而言，超临界机组具有更安全、更节能以及更环保等优点。汽轮机 组是燃煤电厂的重要组成部分，其安全性和经济性备受重视。汽轮机组向大容量、高参数方向发展， 经济性提高的同时机组的系统也越来越复杂，数以干计的关键部件在高温、高压、高转速条件下运 行，安全性就成为一个突出的问题。冉加一卜一些在役大机组的老龄化，使汽轮机组发生故障的可能大 大增加。一台大机组一旦发生重大的设备事故造成的经济损失和社会负面影响将是巨大的。因此， 汽轮发电机组的故障诊断一直是故障诊断技术研究的一个重要方而。 为了研究汽轮机组运行特性，利用各种性能分析及前瞻性故障诊断方法进行机组在线评估与诊 断，以达到提高发电机组运行的安全性和经济性，确保机组能够持续稳定工作的目的。目前的热力 学评估方法主要有： 1 ) 基于热力学第一定律性能分析方法，此方法是在实际运行中参数偏离设计工况时，根据偏 离的偏差值来计算整个机组性能的影响； 2 ) 基于热力学第二定律熵分析方法，此方法以孤立系熵增原理为依据，通过改善热力过程和 循环，目的是减少能量传递和转换过程中的不可逆熵产及损失，从而减少能鼍“品质”的降低； 3 ) 基于热经济学结构理论的分析方法或者称之为焖方法，此方法已经提出有半个世纪，各国 的科学家都为此做了很多研究，纷纷提出了各自的研究理论，以西班牙学者a v a l e r o 为代表的结构 理论，可望成为这些理论统一的参考标准。在结构理论体系下又有各种故障诊断方法。 热力学第一定律仅能反映能量转换过程中各股物流和能流的能量数量，而无法反映能量传递的 方向以及评价其能量品质，这就导致基于热力学第一定律的评价方法无法正确分析系统节能、优化 的潜力。热力学第二定律的出现改变了人们对能量转换过程的认识。该方法以吉布斯的理论为基础， 利用热力学势的方法评价系统中任意点上的物质与能量，只作性能分析，与系统的形式、结构以及 复杂程度无关。通过分析发现，各种能量形式之间存在相互转换的不等价性，不可逆成为制约热力 性能提升的最大障碍，“可用能”( a v a i l a b i l i t y ) 以及“娴”( e x e r g y ) 的概念应运而生。在能鼍转换过 程中，能量的数量虽然保持不变，但是可用能( 或者娴) 的数量却是逐步减少的，甚至最终消失。 可用能的这种“稀缺性”和“损耗性”直接导致了各种能量形式之间存在不等价性，这种不等价性 是能量本身的特性。 本文正是在此背景下，将我因数量众多、节能潜力巨大的燃煤电厂汽轮机组作为手要研究对象， 采用基于热经济学结构理论的故障诊断方法作为系统的评价方法，建立一套完整的能量系统的评价、 诊断和优化平台，为包括燃煤发电机组在内的各种复杂能量系统的节能降耗与优化改造提供科学、 可靠的理论依据。 1 2 国内外火电机组性能分析现状与发展趋势 由于汽轮机的热力特性试验对发电厂经济性乃至汽轮机的发展都具有非常重要的作用，因此它 东南大学硕：l 学位论文 引起了世界各国的普遍重视。事实上，美国、德国、日本以及其他一些国家的专业学术机构都制定 了各自的汽轮机组热力特性试验规程，并随着测量技术和热力系统的发展加以修订。经过几十年的 发展与研究，汽轮机热力试验不仅在试验方法和试验技术方面取得了飞速发展，在计算方法上也有 了较大的进步。a n s i a s m ep t c 6 1 2 1 汽轮机性能试验规程是日前国际上最高精度等级的热耗率试验 规程，在我国被广泛用于评价新投产的大型汽轮机机组或老机纽改造的经济性能。 对汽轮机热力性能试验数据的处理主要是为了得到汽轮机的热耗率、热效率和各汽缸的热效率。 而大量和关键的计算是热力系统的计算。目前计算和分析汽轮机热力系统常用的方法主要有常规热 平衡法、等效热降法、循环函数法和矩阵法等。它们都属于热力学第一定律的分析范畴，中心是求 解回热循环的各级抽汽量并对其进行简化处理。循环函数法和等效焓降法就属于简化处理的方法， 具备局部定量的特性。 热力系统串联解法是伴随热力发电工程的出现而采用的最原始方法，基于加热器的热平衡计算 汽轮机的各级抽汽量，是发电厂设计、热力系统分析、汽轮机设计最基本的方法，也是热力系统的基 础，至今还在广泛应用。由于各电厂热力系统特殊性，该方法应用时必须从高压加热器( 高加) 开始逐 级求解，因此也必须已知通过高加的给水流量或将其假设为l k g ，因此属于定流量的计算。在运用计 算机进行计算时经常采用迭代算法。 循环函数法是简化分析方法，该方法要用串联法先对整个热力系统进行计算，算出回热抽汽量和 循环效率，然后把热力系统分解成回热循环和辅助循环的互相叠加。当对热力系统的更改进行分析 时，只限定在局部循环的变化对系统热经济性的影响，计算端差等设备缺陷的影响还不是很方便。 电厂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。矩阵分析也属于传统的分析方法，其特点是一次能计算几 十个未知的参数，同时求出各级抽汽，适用于计算机求解。 在我国，计算机技术在工业中的应用已经有几十年历史，2 0 世纪8 0 年代初，计算机刚应用于汽 轮机的热力性能试验计算当中，但由于计算机技术发展水平的限制，计算方法基本未变。上世纪9 0 年代以来，随着计算机技术以及工业自动化水平的进一步的提高，汽轮机热力试验的自动化、智能 化得到了很大的发展，数字采集系统越来越多地应用于热力试验中，特别是各种面向对象的计算机 语言的成熟和可视化开发工具的出现，为开发通用、高效、界面友好、简单易用的性能计算软件提 供了基础。目前国内从事汽轮机热力试验研究工作的主要有电力试验研究所、设备制造单位以及部 分高校，如西安热工研究院、上海成套设备研究所、东南大学、西安交通大学、浙江大学、华北电 力大学等，并在性能计算软件的开发方面取得了一定的成果。 1 3 火电机组热经济性诊断方法的发展 热经济学是2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代初兴起的一门研究热系统经济运转的应用性新兴学科，也 是热力学与经济学和系统工程学结合而产生的一门交叉学科。热经济学的创始人t r i b u s 在研究海水淡 化的过程中首次将经济凶素引入到分析过程。在2 0 世纪6 0 年代初，t r i b u s 正式将这种分析方法定名为 热经济学( t h e r m o e c o n o m i c ) 。热经济学的发展过程分为两个阶段。 第阶段是指1 9 8 6 年以前，这一时期是热经济学的发展期，主要呈现出“百花齐放，百家争鸣” 的特点，这一时期相继出现了多种模式的热经济学。以t r i b u s 等人创建的孤立化模式热经济学； g a g g i o l i 学派创建的代数模式热经济学；b a y e r s 和k o t a s 根据结构法创建了结构系数模式热经济学； f r a n g p o l o u s 开发了热经济学功能分析法而形成了功能模式热经济学；m v o ns p a k o u v s k y 开发的工程 功能模式- 与f r a n g p o l o u s 的相差无几。前苏联的v m b r o d y s k y 的烟技术一经济模式是在前苏联通用的 技术一经济比较法的基础卜以娴甲衡代替能平衡而形成的；s z a r g u t 开发了累积娴方法用于热经济学 也形成了自已的模式；a v a l e r o 等人开发的炯成木理论，又存此基础上开发了符号炯经济学以及扰 动理论。因此热经济学前期的发展足分散的、多中心、多模式的。 第一个阶段足指1 9 8 6 年以后，热经济学的发展日趋成熟，可谓是热经济学的成熟期，其主要特 点是热经济学开始走向统一。热经济学的多模式引起了太多的理论和名词，这导致了理论与名词混 乱，而且方法比较复杂化，这些都妨碍热经济学发展。热经济学的学者们开始探讨热经济学的统。 1 9 8 9 年，v a l e r o 等发表了“o nt h eu n i f i c a t i o no f t h e r m o e c o n o m i c st h e o r i e s ”，号召热经济学的统一： 1 9 9 3 年，v a l e r o 等人提出了结构理论：v a l e r o 与t s a t s a r o n i s 合作共l 司发表了“后进先出( l i f o ) 法则”： l a z z a r e t t o 与t s a t s a r o n i s 合写的论义中又提出“平均成本( a v c o ) 法则”；更近。步，他们团结合作选 2 第一章绪论 定一个较复杂的系统以四个人第一名字的首字母命名为c g a m 问题，四人分别用各自的方法论求解 此共同的问题，1 9 9 4 年他们同时在a s m e 的e n e r g y 增刊上发表所计算的结果，相互间的误差未超出工 程上允许的范围，这样做的目的是考察四种理论所代表的方法论的差异，并取长补短为统一化做准 备；19 9 9 年e r l a c h ，l u i s s e r r a 和v a l e r o 共同发表题日为“s t r u c t u r a lt h e o r ya ss t a n d a r df o r t h e r m o e c o n o m i c s 例”的论文，提出使用结构理论作为标准的建议。2 l 世纪以来，许多研究学者诸如 a l e j a n d r oz a l e t a 、j a v i e rr o y o 、m a u r or e i n i 等人卜比1 在v a l e r o 的结构理论基础上提出了故障诊断的方 法如：相对内效率、娴效率、故障矩阵、膨胀线夹角故障诊断方法等。v a l e r o 等人在“o nt h e t h e r m o e c o n o m i ca p p r o a c ht ot h ed i a g n o s i so fe n e r g ys y s t e mm a l f u n c t i o n s ”中建立一个用热经济学方 法诊断故障的基本法则。使用热经济学方法执行能量系统故障诊断，总结其给出的主要论点，并且 展现了用热经济学的方法来诊断能量效用系统的能力。论述了故障诊断的概念和数学原理。最重要 的是，它着眼于故障的概念，从工程的角度来看，将其转换成一个纯粹的热经济学参数形式，将一 个联合循环电厂可能出现的故障的起因和影响总结归类。此外，它还能够显示主要的热经济学方面 的指标。尤其是讨论了构成主要热量的燃料影响公式。a l e j a n d r oz a l e t a 等在“c o n c e p to n t h e r m o e c o n o m i ce v a l u a t i o no fs t e a mt u r b i n e s 中提出核算和评估蒸汽机的斓经济性的概念。在文章 的第一个部分，用热力学第一和第二定律分析某一电厂。使用方法有“娴成本理论”和v a l e r o 等提 出的“热经济学的一般理论”。这些方法被运用于计算蒸汽机产生的产品( 或热能) ( p ) 和燃料( f ) 的炯成本和经济性。文章的第二个部分是在具体的故障情况下对汽机某一个级中( 喷嘴一动叶) 熵增 ( a s g ) 程度和功率损失( w ) 的评估。 在国内，也有许多专家学者对热经济学及其故障诊断进行了研究和探讨，主要有： 王加璇等i l 川阐述了热力学分析的两类基本方法及其发展、娴的基本性质，说明它是势参数的理 由。探究热力学基础研究与热经济学相关的问题，提出熵定律对热经济学影响。叙述了热经济学定价 法则以及热经济学今后统一方向发展问题的见解。最后简要阐述了在结合生态平衡热经济学中生态 系统网络热力学建模方面进展。 王清照等1 1 4 j 将分析能量系统的方法分成三大类，即热力学第一定律分析、第二定律分析和热经 济学分析。该文聚焦于热经济学分析，特别研究其新发展热经济学结构理论，列举其超越其它方法 的优点。为了扩展其应用范围，该文把它运用于故障诊断领域，把它视为热力学参数分析的发展。 在深入讨论之后写出详细的数学推导，得出两个数学判据用以判别事故发生的部位和情况，并取国 产2 0 0 m w 汽轮机组作示例，进行了演示，表明此法使用起来简捷、准确。 张超等i i 埔 l 将基于热经济学结构理论和符号火用经济学的诊断方法应用于湖南某电厂3 0 0 m w 燃煤机组，利用热力学仿真研究了多个典型的热力设备故障，使用故障或障碍矩阵( 或燃料影响表) 定量地分析了这些故障对各设备不可逆增加和燃料消耗的影响，弥补了传统火用分析技术的不足。 通过分析发现：( 1 ) 某一组件不可逆的增加并不意味着该组件产生了故障，通常是由于其他组件故障 在该组件诱导的障碍；( 2 ) 某一组件的故障除了诱导其他组件产牛障碍外，也会引起其他组件性能变 化( 产生诱导故障) ：( 3 ) 该方法能有效缩小故障源的搜索范围，要辨识的真正故障原因必须分离诱导 故障。 1 4 论文的主要研究内容 热经济学理论经过诸多科学家几十年不断研究发展，逐步显示出其解决复杂能量系统存在问题 的能力。其中，“热经济学结构理论”脱颖而出，逐步统一。了热经济学的其它方法，而凡开创了除 热经济学成本分析、优化外的热经济学故障诊断领域，将热经济学的应用领域进一步拓展。热经济 学结构理论有严格的数学推导做保障，形式简单、易于扩展，使得该方法很容易和其它领域的方法 相结合( 例如优化理论、环境评价等) ，因此该方法具有很强的生命力。 本文以热经济学结构理论作为主要的评价方法，以节能潜力巨大、数量众多的燃煤发电机组作 为研究对象，以能源一经济一环境的可持续发展为主线，力图从系统评价、故障诊断及优化改造三 个方面，建立一整套包括燃煤机组在内的各种复杂能量系统的分析和优化平台。本文主要工作和研 究内容包括以下几个部分： 第一章主要介绍了课题背景及研究意义，引m 了传统的故障诊断方法和热经济学诊断方法，并 且简单介绍了国内外学术界在热经济学领域的起源、现状及发展方向。 3 东南大学硕士学位论文 第二章主要对热力系统的三种分析方法：能量分析法，炯分析法和热经济学方法做了简单的介 绍，分别对三种方法采取实例计算分析，其中重点对能量分析法和娴分析法做了比较分析，并对热 力系统中，娴损分布做了分析； 第三章以“热经济学结构理论”为基础。建立了机组通用热经济学模型，采用了一个简单热力 过程实例验证此模型，分析了实例电厂在运行工况和故障工况下的燃料影响，以及内部故障和诱导 故障； 第四章采用“热经济学结构理论”对电厂故障参数进行分析，对通流故障、回热系统故障进行 热经济学分析，通过对故障参数分析，辨别故障根源，分清内部故障和诱导故障，并量化故障产生 的燃料影响，评价系统整体性能，给 h 机组优化意见。 第五章成功把“热经济学结构理论”应用到大型凝汽式汽轮机组，分别对3 0 0 m w 亚临界机组、 6 3 0 m w 亚临界机组以及1 0 0 0 m w 超超临界机组分别用所建立的热经济学结构理论模型进行分析， 结果证明所建模型具有一定的通用性，可以适合亚临界机组和超临界机组。 4 第二章热力系统的分析方法 第二章热力系统的分析方法 热力系统是电厂的一个核心部分，随着单机组容量的增大，热力系统( 原则性热力系统而言) 变的越来越复杂，因此不论是电厂的设计还是运行，掌握热力系统的分析方法和研究热力系统的分 析计算是至关重要的。现在比较普遍的电厂热力系统分析主要是依据第一定律分析的方法一能量分 析法，因为这种方法简单易行因而通常的热经济分析主要是针对此方法。但是由于第一定律的分析 通常只着眼于能量的数量而不能反映能量的质量因素，其分析结果不能全面反映能量的实质，因而 以第二定律为核心的炯分析方法得以发展来综合考虑质、量两方面的冈素。这样就形成了热力系统 的烟分析法。但在以经济为主导的生产实践中却使得以上两种方法义同时显示出“节能而不节钱” 的局面，于是以经济学和热力学为核心的热经济学分析方法将热力学与经济学结合起来。总体上讲， 对于热力系统的经济性分析，迄今已经存在了三种基本方法：一、能量分析法；二、炯分析法；三、 热经济学分析法。为了便于分析研究，现对如上的各种方法进行比较。 2 1 能量分析法 以能量数量 2 2 - 2 6 为核心的第一定律分析是在卡诺和克劳修斯所奠定的理论基础上经过长期的运 用而形成的，利用系统能量平衡概念进行分析的方法。其实质是把所分析系统与卡诺循环进行比较， 以与卡诺循环接近的程度来评价其优劣。对于全厂原则热力系统的热经济性指标关键在于汽轮机的 热经济性，回热系统又是全厂热力系统的基础，为此全厂的热力系统计算的核心是求得汽轮机各级 抽汽量、凝汽量、总功率。而求解各级抽汽则是问题的关键。因为求解出各个抽汽份额后只要利用 汽轮机的功率方程式便把整体效率计算出来，凶而所有的问题转移到求解抽汽份额的问题上来。其 计算原理就是利用能量平衡方程、质量平衡方程构造方程组进行联立求解。整个计算过程可以是相 对量也可以是绝对量，传统的计算方式是采取定功率法、定供热量法以及定汽耗量法。因此，汽轮 发电机组的热经济性指标有以下几个： 1 ) 汽轮机组的绝对内效率： 形 仉。翥 2 )汽耗d o 和汽耗率d o ： 矾2 雨鬻赢最高 小鲁 其中：高压缸回热抽汽做功不足系数：y 二：! ! 二丝! 丝 h o h 。+ g 埔 低压缸回热抽汽做功不足系数：】，二： ! ! !竺 。h o h c + g m 3 ) 热耗q o 和热耗率q o ： q o = d o ( 一) + d , h q 小 铲譬 5 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 东南大学硕士学位论文 附表l 为江苏某3 0 0 m w 机组采用能量分析法对试验数据进行计算的附表，计算过程基准定律为 热力学第一定律，根据能量乎衡和工质平衡计算得到，由于机组采取的是修后简化试验，因此参与 计算仅限于高、中压缸及高加数据。 2 2 娴分析法 2 2 1 娴分析法介绍 娴分析法1 2 7 - 2 9 以吉布斯的理论为基础，利用热力学势的概念而形成的第二定律分析法，其核心 是以工质的实际做功能力来对系统进行评价。而这里的评价辛要是对系统的形成组元来评价，所有 的过程是基于第一定律分析后求解出抽汽份额而进行的，并且对于系统的每一股能量流的娴值给以 列出。对于不同的组元如锅炉、汽轮机、加热器等将采用不同的分析细节来进行。其最终的分析结 果将以娴效率而体现出米。 娴平衡公式： x 一矿= 一鸭+ ， ( 2 6 ) 其中：温度为t 时热流娴： x 晡= ( 1 - t t o ) q ( 2 - 7 ) t o 是基准温度，t 是实际温度 比炯为： 、壬，= h h o - t o ( s - s o ) ( 2 8 ) 总的炯值为 x = 聊、壬，( 2 - 9 ) 在热力学分析中，使用热效率，该指标因受理论基础的限制，将输入输出的能量等同起来因此 它是不完善的，随着热力学第二定律的发展产生了新的性能指标即热力学第二种效率，炯效率。但 是炯效率的定义是很复杂的，因为不同性质的系统和设备以及不同的使用目的等都对斓效率的定义 有着不同的要求，因此 现了不同的焖效率。 1 ) 传递炯效率：系统或设备输出娴的总和和输入娴的比值就定义为传递炯效率。其特点是： a ) 普遍适用于一切过程；b ) 只表征系统或没备的内部热力学完善性；c ) 不反映系统或设备中过程的性 质与目的。因为它把有片j 的输 i 和无用的输出都笼统地看成系统的输出，因而不能区别不同的情况 真实地反映系统或设备的热力学完善程度。从本质上它所表征的只是系统或设备中过程的不町逆性 对于热力学完善程度的单。影响。 2 ) 目的炯效率：达到目的所得到的炯与付出代价所消耗的斓的比值定义为目的炯效率，本论 文中所涉及的炯效率便为此类娴效率。 ，烈毕。r = 啄删，乓畔 头。1 k 归= 一，一嘞，一= 一。一 由炯效率的定义可知热力系统组元的炯效率应是目的炯效率。 2 2 2 计算实例 本计算实例分析主要运用能量法与炯分析法计算电厂的各个部分的损耗。同时为了验证自己对 各个设备的炯损及炯效率的掌握情况，并为下面章节的热经济学方法的计算做准备，本案例分析选 择了文献 3 0 1 所给的示例运行数据进行计算分析。 图2 1 文献 3 0 所给出的某6 6 m w 燃油空冷机组，入e l 燃料的低位发热量是4 0 5 0 4 5 8 k j k g ：系统 配备有两个高加，两个t 氏j j h ；过热蒸汽是7 9 3 k ( 5 2 0 。c ) ，9 1 2 m p a ；汽轮机出口排汽进入空气冷凝器， 冷凝器水进入凝结水箱，然后再循环。具体参数如表2 1 、2 - 2 所示。 根据表2 1 、表2 2 数据，利用表2 3 的公式对图2 1 所示的电厂进行计算，其能量平衡计算见表2 4 ， 炯损以及炯效率计算结果见表2 5 。 为了了解环境温度的改变对设备娴损以及炯效率的影响，在压力不变( 1 0 1 3 k p a ) 温i t 度改变 6 第二章热力系统的分析方法 图2 1 某6 6 m w 电厂原理图 表2 1 电厂运行工况 运行工况数值单位 燃料质量流率 燃烧室入口燃气质量流率 烟道温度 给水温度 蒸汽流量 蒸汽温度 蒸汽压力 输出电能 冷凝器风机耗电 风机数量 冷空气流量 5 0 1 8 8 8 4 1 1 2 4 9 4 2 2 7 5 0 7 9 3 2 9 2 5 6 0 8 8 o 1 8 0 2 3 9 0 0 0 k g s n m 3 h 泵和电机效率0 9 5 表2 2 各点运行参数 测点t ( k )t ( ) p ( m p a )m ( t h ) l6 1 8 5 53 4 5 42 4 2 31 7 8 2 5 4 7 8 52 7 4 71 3 2 41 4 9 34 6 3 6 51 9 0 50 5 6 91 6 4 43 9 4 3 51 2 1 20 2 0 61 4 0 53 6 0 4 58 7 30 0 6 3 6 4 63 4 3 1 57 00 0 2 72 0 4 9 73 3 9 9 56 6 80 0 2 72 0 4 9 83 3 9 7 56 6 60 0 2 72 2 6 0 93 4 1 1 56 8 o1 3 7 32 2 6 0 1 03 3 7 6 0 6 4 4 50 0 2 4 2 1 1 1 1 3 5 6 1 58 30 0 5 72 2 6 0 7 k k仇k伸椭台讹 k k仇k胁删槲厶口讹 东南大学硕士学位论文 1 23 6 2 4 58 9 30 0 6 8 7l3 9 6 1 3 3 9 0 1 51 1 7 0 1 8 1 5 2 2 6 1 44 2 8 1 5l5 50 6 8 6 72 7 5 1 54 3 0 1 5 1 5 7 1 2 2 6 32 7 5 1 64 3 6 1 51 6 30 6 6 7 13 2 7 1 74 6 1 4 51 8 8 31 0 7 9 12 7 5 1 84 6 6 1 51 9 32 3 5 4 41 7 8 1 94 9 4 1 52 2 l1 0 3 0 l2 7 5 2 07 9 3 1 5 5 2 09 1 2 3 32 7 5 入口空气 2 9 8 1 52 50 1 0 1 32 3 9 0 0 出口空气 3 1 8 1 5 4 50 1 0 1 32 3 9 0 0 注l 环境条件是1 仁2 9 8 1 5 k , p 0 = 1 0 1 3 k p a 表2 3 电厂设备的拥损值和焖效率的方程 设备 娴损值 娴效率 锅炉i b o i l f f i = x f m l + x i n x a l l l q u b o i l d r = ( x 叫- ) x 蜘 泵 2x m x 0 一w i ，唧 t 1 岬2 l - i p 1 l n p w p i 唧 力n 热器i h e 蜘= x i * ) ( o mq i m a 眠矿l i h c 砸e r s ，x i n 汽轮机i 劬征= x m - x 叫t - w dt 1 n a l