（动力工程及工程热物理专业论文）300mw汽轮机组热力系统能耗分析.pdf

中文摘要 摘要 在“十一五”规划中，我国政府将电力工业作为节能重点领域中的8 个重点 工业之首，而3 0 0 m w 机组作为火力发电的主力机组担负着很大的节能任务。汽轮 机及其热力系统是电厂热力系统中重要的组成部分，它的热经济性直接影响到电 厂的热经济性。因此全面评价汽轮机组热力系统的热经济性，并分析其降低的原 因，寻求改进方案，对电网运行主力机组3 0 0 m w 热系统的节能降耗工作具有非常 重要的意义。 电厂节能工作的效果直接取决于对热力系统分析的程度和准确度，等效热降 法由于其简捷性和通用性，对火电厂深入丌展运行热经济性分析和节能降耗工作 具有实用价值。运用等效热降法的理论，以3 0 0 m w 汽轮机组热力系统为研究对象， 运用热力系统的设计参数，定量分析加热器端差，抽汽压损，疏水冷却器和蒸汽 器冷却器的设置以及高压加热器的切除运行对机组热经济性的影响。对轴封漏汽 及利用系统和门杆漏汽以及厂用蒸汽系统对机组热经济性的影响程度进行了定量 分析。 通过对国产n 3 0 0 m w 汽轮机组热系统设备定量分析可知，所处的地位和条件 各不相同，各加热器的端差对热经济性的影响也各不相同。同时也知道以高、低 压为界限，分别采用相同的端差是不合理的。各加热器的型式及所处的位置有所 差异，其抽汽压损的变化对热经济性的影响不尽相同。通过疏水冷却器的定量分 析可知，机组n o 2 、n o 6 、n o 7 加热器加装疏水冷却器经济效益最好，因为这几 个加热器的疏水份额和能级差综合起来相对较大的缘故。机组所有加热器加装疏 水冷却器总热耗率降低达到4 0 1 1 0 5 k j ( k w l a ) 。通过将蒸汽冷却器由内置式改为外 置式的定量分析中可知，串联式和并联式蒸汽冷却器分别使机组的热耗率降低了 14 7 8 9 9 k j ( k w l a ) 和13 5 5 7 4 k j ( k w l a ) 。 通过对国产引进型n 3 0 0 m w 汽轮机组轴封渗漏及利用系统的节能潜力分析中 可知，再热机组的高压门杆，轴封漏汽应尽可能回收利用于再热冷段以前的加热 器中，避免利用于再热冷段以后，提出的改进措施使整个机组的热耗率降低了 6 5 6 3 0 k j ( k w l a ) 。对厂用蒸汽系统节能潜力的分析中可知，改动抽汽源并考虑回水 回收时，能使机组的热耗率降低1 0 8 6 7 8 7 k j ( k w h ) ，对厂用蒸汽而言，在满足热 力参数的前提下，应尽量使用能级低的蒸汽热量。 关键词：3 0 0 m w 汽轮机，节能降耗，等效热降法，回热系统，辅助系统 a bs t r a c t i n “n a t i o n a le l e v e n t hf i v e y e a rp l a n ”，o u r g o v e r n m e n tp u te l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y t ob et h em o s ti m p o r t a n te n e r g y s a v i n gf i e l do ft h ee i g h tk e yf i e l d s 3 0 0 m wu n i t sa r e r e s p o n s i b l ef o re n e r g y - s a v i n gt a s k sf o ri ti st h em a i np o w e rs u p p l y e ri nt h ef o s s i i f i r e d p o w e rp l a n t t h e r m o d y n a m i cs y s t e mo ft h ep l a n tc a l lm a k ec o n v e r s i o no fh e a ti n t op o w 既 s t e a mt u r b i n ea n di t st h e r m a ls y s t e mi sa ni m p o r t a n t p a r to ft h et h e r m o d y n a m i cs y s t e m ， i th a sag r e a ti n f l u e n c eo nh e a te c o n o m yo fap o w e ru n i t s ot oe v a l u a t et h ee c o n o m v o f s t e a mt u r b i n ea n di t st h e r m a ls y s t e mc o m p r e h e n s i v e l y , i d e n t i f yt h er e a s o nt h a ti t d r o p s ， f i n dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d ，h a v eas i g n i f i c a n tm e a n i n go nt h e e n e r g y s a v i n go f 30 0 m wu n i t s e f f e c t i v e n e s so fe 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 nw o r kl i e so nt h ed e p t h a n dp r e c i s o no ft h ea n a l y s i sa b o u tt h et h e r m o d y n a m i cs y s t e m ，i ti s v a l u a b l ef o r e n e r g y - s a v m ga n do p e r a t i o ne c o n o m ya n a l y s i s w i t he q u i v a l e n te n t h a l p yd r o pm e t h o d t h e o r y , s t e a mt u r b i n ei st h eo b j e c to fs t u d y , i n t e m a lp o w e re q u a t i o n 、h e a ta b s o r p t i o n e q u a t i o n 、t h e r m a lb a l a n c ee q u a t i o na r ef u n d a m e n t a l so ft h ea n a l y s i s ，b yu s i n gd e s i g n p a r a m e t e r so ft h e r m o d y n a m i cs y s t e m ，a n a l y z et h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f h e a t e r 、e x t r a c t i o ns t e a mp r e s s u r e1 0 s s 、d r a i nc o o l e r 、s t e a mc o o l e ro nt h ee c o n o m yo f t h e r m a ls y s t e ma n dc u to f f o p e r a t i o no fh i g h p r e s s u r eh e a t e ro nt h ee c o n o m yo fp o w e r u n i t b e s i d e st h a t ，t h ee f f e c t so fs h a f tg l a n ds t e a ml e a k a g ea n di t su t i l i z a t i o n 、v a l v es t e m s t e a ml e a k a g e 、p o w e rp l a n ts t e a mc o n s u m p t i o no nt h eh e a te c o n o m yo f p o w e ru n i ta r e a l s oa n a l y z e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y a f t e rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e r m a ls y s t e m so fn 3 0 0 m ws t e a mt u r b i n e ，w e c a ns e et h a tt h eh e a t e r - s i d eh a v eav a r i e st h e r m a le c o n o m y b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo f p o s i t i o na n dc o n d i t i o n s w ec a na l s ok n o wt h a ti su n r e a s o n a b l et oh a v eal i m i t e d p r e s s u r e d i f f e r e n tt y p ea n dl o c a t i o no ft h eh e a t e r ，t h ee x t r a c t i o no f c h a n g e si np r e s s u r e l o s sh a v ead i f f e r e n te f f e c to ft h et h e r m a le c o n o m y a f t e raq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so f a d d i t i o no ft h ec o o l e r ，w ec a ns e et h a tt h eh e a t e ro fu n i tn o 2 、n o 6a n d n o 7w i t ht h e d r a i nc o o l e rh a v et h eb e s te c o n o m y ，b e c a u s et h ed r a i np r o p o r t i o na n dt h e e n e r g y d i f f e r e n c eo ft h es e v e r a lh e a t e rh a v ec o m p r e h e n s i v e l yg r e a t e rd i f f e r e n c e t h et o t a lh e a t c o n s u m p t i o nr a t eo fa l lh e a t e ro fu n i tw i t hd r a i nc o o l e rd r o p st o4 0 110 5 k j ( k w h ) w h e n p l a c et h es t e a mc o o l e ro u t s i d e ，w ec a ns e et h a tt h es e r i e sa n d p a r a l l e lo ft h eh e a tr a t e h a v ed r o p s1 4 7 8 9 9k j ( k w h ) a n d1 3 5 5 7 4 k j ( k w h ) r e s p e c t i v e l v i i i t l l r o u g hm ea i l a l y s i so fe n e r g y s a v i n gp o t e n t i a lo ft h en 3 0 0 m ww i t ht h es e a l l e a k a g ea n dm eu s es y s t e r n s ， w ec a ns e et h a tr e h e a t e rd o o r su n d e rh i 曲p r e s s u r e u n l s a n dt h es e a lg a sl e a k a g es h o u l db e a sm u c ha sp o s s i b l ep u tb e f o r et h e c o l dr e 。h e a t e ra n d a v o i dt ou s e 以e rt h ec o l dr e h e a t e r a t i e ri m p r o v e m e n t o ft h ee n t i r ea n i th a sr e d u c e d t n e h e a tc o n s u m p t i o nr a t eo f6 5 6 3 0 k j ( k w h ) o n t h ep l a n ts t e a ms y s t 锄a n a l y s l s o e n e r g y - s a v i n gp o t e n t i a l ， w ec a l ls e et h a tw h e nc o n s i d e ro fc h a n g e so f t h es o u r c e e x t r a c t i o nr e c o v e 巧a j l db a c k w a t t h eu n i tc a nr e d u c e t h eh e a tc o n s u m p t l o nr a t eo t 10 8 6 7 8 7 k j ( k w h ) ，s oo nt h es t e a mp l a n t ，i ts h o u l d m a k ef u l lu s eo f t h es t e 锄h e a w h e nt h et h e r m a lp a r a m e t e r si ss a t i s f a c t i o n i v 咖 驴=州 毛吾 吼 一 贴 鹏 出 m 吖= i 学位论文独创性声明 文 研究 ，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 导师签名： 国博 下简 交中 签字日期：抄只矿2 签字日期：彦纱口么z2 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年- 月一日。 说明：本声明及授权书! 逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着中国国民经济的快速增长，能源消费量越来越大，我国已成为世界第二 大能源消费国，并成为世界上对能源依赖程度最高的国家之一。我国还没有完全 改变“高投入、高消耗、高排放、不协调、难循环、低效率 的粗放型经济增长 方式。由于经济增长方式粗放，因此付出的资源环境代价过大，加剧了能源和资 源短缺的压力，带来了煤电油全面紧张，经济运行绷得过紧等问题。与世界先进 水平相比，我国能源利用率和经济效益还存在着较大的差距。高耗能产品的能源 单耗要比发达国家平均水平高4 0 左右，单位产值能耗大约是世界平均水平的两 倍多，能源有效利用率要比世界平均水平低十多个百分点。因此，节约能源和提 高能效的潜力很大，充分挖掘节能潜力，降低能源消耗，是摆在我国政府和人民 面前的一项紧迫的任务。在能源供应总量不能满足需求的情况下，节约是解决供 需不平衡最现实，最有效的途径。为此国家发展和改革委员会制定度实施了国家 节能中长期专项规划，明确提出宏观节能目标是在2 0 0 3 - - - 2 0 2 0 年年均节能率 为3 ，形成的节能能力为1 4 亿吨标准煤。这是一个经过努力可以达到的节能目 标。对电力生产的指标规定了火电供电煤耗，2 0 1 0 年达到3 6 0 9 标准煤( k w h ) ，2 0 2 0 年达到3 2 0 9 标准煤( k w h ) t 1 , 2 】。 火力发电在我国的电力工业生产中占有很大的的比例。如表所示2 0 0 6 年我国 的电力生产情况。 表1 1 我国2 0 0 6 年电力生产情况【1 l t a b l e 1 1s t a t i s t i c so fq u a n t i t yo fg e n e r a t ee l e c t r i c i t ya b o u tc h i n ai n2 0 0 6 种类 装机容萤( 亿k w )发电量( 亿k w h ) 由表中数据可知，火电机组的节能工作对整个电力工业的节能降耗有非常重 要的影响。对火电机组而言就是要不断提高和保持机组热效率。从长远来看，通 过不断的设备改造更新和技术进步，努力保持老机组的热效率尤为重要。据统计， 重庆人学硕十学位论文 截止到2 0 0 6 年底，全国3 0 0 m w 级机组共有4 8 6 台，总容量约1 5 亿千瓦，占火 电总装机的比重超过3 0 。由于我国大型火电机组的设计、制造、安装、运行与 维护等方面与发达国家还存在着差距，使机组本应达到的经济效益不能得到充分 发挥。引进西屋公司技术经优化改进制造的3 5 0 m w 机组与国产引进型3 0 0 m w 机 组属于同类型机组。2 0 0 4 年度各电厂公布的技术指标见表1 2 。由表中数据可知， 现役的国产引进型3 0 0 m w 机组各项经济指标与同类型进口机组相关较大。由此可 见，火电机组的节能降耗任务是任重而道远。 表1 23 0 0 m w 进口机组与国产机组各项经济指标对比【3 】 ! 璺! ! 宝：! ：笠2 翌坚璺! ! 12 1 暨2 翌2 翌zi 呈璺竺! ! 璺1 2 坐i 翌p 2 墨苎翌垒垒2 尘宝! 生12 2 里暨竺呈韭! 项目单位进口机组 国产机组相差 平均负荷率 6 9 9 57 6 9 36 9 8 厂用电率4195 2 61 0 7 补水率083 22 4 凝汽器真空度9 4 8 49 4 1 5 0 6 9 锅炉效率 9 3 4 99 2 11 3 9 供l 乜煤耗率 g ( k w h ) 3 2 3 63 4 6 62 3 近年来，随着电力体制改革方案的逐步实施，电力企业的思维模式、工作方 式、管理体制都面临新的考验，竞争更加激烈。随着电力市场的逐步建立和电力 工业体制改革进程的深化，商业化运营已成为我国电力企业改革的方向。五大发 电集团的成立揭开了发电企业全面竞争的序幕。竞争机制的引入，使五大发电集 团在兴建大型机组的基础上，更加重视提高原有机组的生产效率，以降低发电成 本，如何提高机组经济性，使机组的各项指标接近设计水平，达到或超过国内外 同类机组水平，成为各发电企业生产经营的重要课题，只有内部挖潜、节能降耗 才能使发电成本降下来，使发电企业处于有利的竞争地位。可见，对现有电网的 主力机组( 3 0 0 m w ) 进行热力系统的能耗分析，找出其节能潜力，进行节能改造 并指导汽轮机组热系统的正确而合理的运行，具有极其深远的意义。 1 2 国内外发展及研究现状 火电厂的节能工作内容广泛，它包括火电厂的设计施工，运行管理和技术改 造等多个方面。从节能的对象和采取的措施来看，可以归结为2 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；二是针对热力系统，着眼于优化和完善热力系统及其设备，改善 2 l 绪论 运行操作，提高运行效率，以实现节能目标。 电厂热力系统是火电厂实现热工转换热力部分的工艺系统，其工作状况的好 坏直接影响火电厂的经济效益。火电厂热力系统是以汽轮机组回热系统为核心， 将锅炉、汽轮机和其他局部热力系统有机组合而成。对热力系统建模并对其性能 进行定量分析是电站性能监测的主要内容，对于电站的经济性分析和节能工作具 有十分重要的意义。火电机组热力系统经济性分析就是确定热力系统运行参数和 运行方式的经济性、定性分析运行方式和运行参数是否合理，定量分析各种运行 方式以及系统不合理的节能潜力大小。国内外学者在火电机组经济性分析领域进 行了大量研究和实践。 1 2 1 等效热降法 等效热降法【4 】的概念源于美国5 0 年代，等效热降法是2 0 世纪6 0 年代由前苏 联学者库兹涅佐夫首先提出的热力系统分析方法。2 0 世纪7 0 年代传入我国，经林 万超教授【5 】等人的研究和拓展，使其成为一种较为完善的热力系统节能分析理论， 等效热降法分为定热量等效热降法和变热量等效热降法。应用等效热降法进行热 力系统经济性分析是以新蒸汽流量保持不变为前提条件的。将新蒸汽流量固定不 变的优点是：热力系统中任何影响热经济性的变化，只是改变汽轮机的功率和该 变动以后的抽汽份额，各级抽汽流量不致全部变动。目前在我国应用较为普遍， 国内很多高校都进行了相关的的研究。华北电力大学进行了大量的研究，张春发 等人利用矩阵和偏微分理论对等效热降法的理论基础进行了研究【6 1 ，并针对火电机 组的热力系统，导出了和等效热降法一致的公式，又利用扰动理论【7 】并针对再热机 组，对其热经济性进行了分析，并建立了线性化方程。李娟，张春发【8 】以矩阵方程 为数学工具，依据扰动理论的基本原理，从热力系统热经济性基本方程出发，推 导出了系统节能分析的内部功和吸热量分析方程，进而得到了系统节能定量分析 的基本方程，对传统的等效热降法的计算方法作了有益的补充。郭江龙等人【9 j 分别 采用定热量及矩阵、虚拟热力系统的思想，并在等效热降和热平衡法的基础上， 构造了热力系统能效分布矩阵方程。有效的克服了目前新兴的热经济性矩阵分析 方法需要联立其他方程才能求解系统最终热经济性指标的缺陷，使得热力系统的 整体和局部分析更加清晰、简单、客观，非常适合于计算机程序化，在传统的、 以手工计算为基本背景的等效热降法向计算机化方向发展作出了贡献。另外结合 矩阵方程，针对进出热力系统的3 类典型辅助汽水( 从加热器的汽侧、水侧进出 系统，纯热量进出系统) ，构造了定热量等效热降转换系数允的计算模型【10 1 。东南 大学的陈强等人】研究了抽汽等效焓降的矩阵算法模型，不仅为等效热降法的并 行运算创造了条件，还将热力系统的“形“和矩阵的“数 建立了联系，扩展了 等效热降法的理论基础。浙江大学的盛德仁等人【1 2 】根据汽轮机组回热系统的热平 3 重庆人学硕十学位论文 衡计算，分析了等效热降法理论，并将等效热降法和热偏差法有机结合，推导出 了扩展的能损分析理论。郑州大学的闫水保【l3 】利用工质实际做工能力原理，证明 了变热量和定热量两种等效热降法的重要关系，指出了再热器吸热的做功效率有 不同的选择方法。东北电力大学的李勇等【1 4 】首先对理想循环热效率的定义方法进 行了改进。然后，基于改进的理想循环热效率，提出了等效热降法的改进算法。 该方法利用蒸汽等熵膨胀过程来确定等效热降，不仅避丌了求解汽轮机排汽焓的 难题，而且还可以分析引起热力系统经济性降低的原因和部位，从而为汽轮机热 力系统经济性诊断提供了依据。在等效热降分析法中，在分析热力系统某局部因 素变化对热经济性的影响时，国外学者均采用实际循环热效率作为热经济性指标 【”】。部分西方学者在致力于运用矩阵和偏微分理论 1 6 , 1 7 】来研究热力系统网络的分 析，对等效热降法理论发展作出了很大的贡献。国外学者v a l e r oa ，t o r r e sc 【4 j 运 用偏微分方程与矩阵分析相结合来求解扰动对整个系统参数的影响问题，形成了 近现代节能技术的重要数学工具。同时也是掌握等效热降分析法的重要的理论工 具。 以等效热降为理论基础，很多学者对汽轮机组热系统能耗进行了分析。其中， 东北电力大学的李勇等【i8 】以等效热降理论为基础，从热力学第一定律出发，使用 工程技术人员易于掌握和理解的热平衡方程，推导了加热器端差对机组热经济性 影响的精确计算模型，指出了运用等效热降法定量分析为近似模型。李泽伯等【l 9 】 用等效热降法和矩阵方程建立了3 0 0 m w 机组各加热器端差对循环效率的影响的 计算模型，提出在运行或设计工作中，对加热器端差取相同值或以高低压为界分 别采用相同值的做法是不合理的。葛晓霞等【2 0 】采用等效热降法定量分析了 a n s a l dt c d f 3 3 5 型机组加热器端差对机组热经济性的影响，指出加热器端差 从运行的实际值减少到设计值，机组经济性明显提高。华北电力大学的弓学敏等【2 l 】 应用等效热降法和热力系统状态方程，采用严格的数学推导，构建了抽汽压损对 机组热经济性影响的具有通用性的数学模型。华北电力大学的李静等【2 2 】依据等效 热降理论，分析了抽汽压损对新蒸汽等效热降和循环吸热量的影响，得出了抽汽 压损变化对机组热经济性的影响可以分为加热器疏水放热量变化和给水焓升变化 对热力系统影响的线性叠加。东南大学的付小军等【2 3 】为了满足热力系统中疏水冷 却器的节能效果分析的需要，建立了热力系统经济性评价的等效热降整体与局部 定量模型。对热力系统不同疏水利用方式的效率比较，为热力系统节能改造提供 定量数据的支持。西安交通大学的李秀云等【2 4 】经过严格的理论分析和数学推导， 首次提出了外置式蒸汽冷却器机组抽汽等效热降和新蒸汽等效热降的计算通式， 建立了局部定量分析的法则，研究并提出了机组热力系统变化的经济性诊断模型， 成功地解决了外置蒸汽机组热力系统变化的定量计算问题。山东电力研究所的刘 4 1 绪论 志真【2 5 1 利用等效热降法对3 0 0 m w 机组蒸汽冷却器热经济性进行了分析，为机组 进一步的提高经济性和技术改造提供了理论依据。其它学者对蒸汽冷却器不同的 连接方式也进行了研究，对系统的设计和运行具有一定的指导意义。山东电力学 校的张灿勇【2 6 】通过分析加热单元，定义了加热单元的回热率，并在等效热降的基 础上，推导出了火电机组高加停运时分析其热经济性的估算公式。辅助系统也是 节能降耗的一个重要方面。部分学者应用等效热降法对轴封及厂用蒸汽对机组热 经济性的影响进行了分析。并运用能级利用原则充分挖掘了机组辅助系统的节能 潜力。另外，随着火电厂能源管理的信息化和自动化技术的发展，在线性能监测 和运行优化正在成为火电厂热力系统技术革新的一个重要方面。实现节能降耗的 在线监测是今后总的发展趋势。 1 2 2 常规热平衡法 常规热平衡法【27 】的本质是将热力学第一定律直接应用于回热加热器中各加热 器和凝汽器( 或锅炉) 物质平衡和能量平衡中，求出各加热器的抽汽量和凝汽流 量( 或给水流量) ，然后直接求出所需要的新蒸汽流量、机组功率和热经济指标等。 当热力系统局部发生变化时，一般需要对热力系统整体进行全部计算，才能确定 热经济性指标的变化，这使得计算量很大，单独采用时很不方便。但热平衡法直 接利用热力学第一定律，非常可靠，可以作为其他算法是否正确的检验方法。部 分学者【2 8 】以热平衡法为基础，以n 6 0 0 m w 机组切除最后一级高压加热器为热系统 结构的局部改动，全面考虑汽态膨胀过程线的变化，对热系统的变工况进行了计 算。另外又采用等效热降法对高加解列这种扰动进行了热力计算。通过对最终的 经济指标的对比，指出等效热降法由于不考虑汽态膨胀过程线的变化，所得结果 有一定的误差。从而可知，在对热系统进行节能分析时，该方法计算精度很高， 通常作为评价其他分析方法的校验基准。 1 2 3 矩阵分析法 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个或几十个未知的参数，同时求出各级抽汽 量。该方法具有便于计算机程序化，通用性好，快速、精确等特点。矩阵法国内 最早于9 0 年代初提出【2 9 j ，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。后经 过l o 多年的研究发展，在原有分析方法的基础上，统一了热力系统矩阵分析的表 达形式1 3 ，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 际热力系统时更为方便，其意义也更加清晰。随后，又把汽轮机的功率方程( 也是 能量平衡式) 与加热器的方程共同联立，得出了定功率矩阵方程式【3 1 1 。在已知功率时 重庆人学硕十学位论文 可一次性求出汽轮机进汽量和各加热器抽汽量，避免了逐步叠代的运算，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。近年 来，矩阵法在不断发展，并得到了大力推广【3 2 。3 8 】。部分学者【3 9 】针对传统的热经济 性计算方法对辅助汽水系统的处理的局限性，提出火电机组辅助汽水强度矩阵， 运用其分析不同容量( n 1 0 0 m w 、n 2 0 0 m w 、n 3 0 0 m w ) 火电机组的各股辅助汽 水对煤耗率的影响，诊断电厂辅助汽水能量损耗的场所和设备，查明量损耗的大小， 找出对机组能耗影响较大的主要辅助汽水，并指出节能改造的途径与措施。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。 1 2 4 恻分析法 2 0 世纪3 0 年代初恻的诞生及以后几十年的研究，使删分析法逐渐成剿4 0 越】。 此种方法先计算出热力系统各节点俐值，然后再进行俐平衡计算。该方法不仅考虑 热功转化过程中量的方面，而且也考虑了质的方面，着重能量转化过程中的不可 逆损失即能量在质的方面的差别，可进一步评价热力系统能量转化和利用的完善 程度。这种方法不仅表明能量转换的结果，并能确切揭示能量损失的部位、数量 及其损失的原因，考虑了不同能量有质的区别。在此基础上，6 0 年代发展的一门 新学科一删经济学，在热力系统分中也得到了一定程度的应用。7 0 年代以来热经 济学【4 6 】迅速发展。它是一门将热力学分析与系统工程相结合，将热力学与经济 学相融合，在热力学参数与经济学参量之间寻求一个恰当的平衡点，从而探讨能 量利用的合理性，系统运行的经济性，方案的可行性以及系统参数的优化。它的 研究的内容和范围较广，主要有能量系统的热经济优化设计，能量系统的热经济 最优化运行研究；合理确定能量系统各种产品的成本和俐单价；能量系统的经济决 策及可行性研究等。部分学者1 47 j 以热经济学结构理论为基础，以某电厂3 0 0 m w 燃 煤机组为对象，使用基于燃料一产品定义的热经济学模型和删成本模型量化了设备 之间的生产交互过程，利用系统仿真深入分析了系统在设计工况以及变工况下， 成本形成的热力学过程及其分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用 成本的影响。结果表明热经济学结构理论弥补了传统热力学分析的不足，对电厂 以及其他复杂能量转换系统的运行经济性分析和优化，提供了一套行之有效的方 法。 1 3 本文研究的主要内容及方法 目前在现有的火力发电机组中，国产型引进型3 0 0 m w 占有很大的比例，这种 机型安全可靠性高、负荷适应性广及自动化水平较高，但是由于设计、制造、安 装、运行及检修维护等多方面因素的影响，热经济性与进口机组差距较大。本文 重点研究国产型引进型n 3 0 0 m w 汽轮机组热力系统。主要任务是分析其汽轮机组 6 1 绪论 回热系统能耗，采用等效热降法对热力系统各个组成部分和设备以及它们的设计 工况和运行式况参数进行定量分析，发现问题并进行调整，使整个系统和参数处 于最佳状态，达到提高热力系统热经济性的目的。从理论上指导热力系统结构的 设计及改进。另外该机组运行能耗普遍较高，究其主要原因是辅助设备和系统还 不尽完善，因此将以其辅助系统作为研究对象。依据上述理论和原则，做了以下 工作： 回热系统中的热力设备，通过运用变热量等效热降法建立各热力设备的计 算模型，分别对加热器端差和加热器抽汽压损进行了节能分析；通过对原热力系 统结构的分析，定量计算了疏水冷却器和蒸汽冷却器对系统能耗水平的影响，从 而为其系统的整改方案提供了理论依据。在生产运行中高压加热器停运时，将影 响到发电机的出力及整个电厂的经济效益。所以有必要定量分析其解列运行时对 系统热经济性的影响程度。 分析了汽轮机组辅助系统的轴封漏汽和门杆漏汽机理，通过运用变热量等 效热降及能级利用的原则对轴封渗漏及其利用系统进行定量分析，指出了节能潜 力并提出了合理的技改方案。通过定量分析厂用蒸汽系统有回水和无回水两种运 行情况，对厂用蒸汽系统进行了节能分析，在有回水的情况下，系统的热经济性 明显提高。 等效热降法结合矩阵分析法，并且强调定量与定性分析有机统一，对国产 n 3 0 0 m w 机组热力系统局部发生变化时，对汽轮机组的装置效率和热耗率相对变 化率进行计算。全面地、系统地分析各种局部定量计算的结果，发现热力系统的 结构、参数以及热力设备的缺陷、能耗水平和问题。针对存在问题和缺陷，进行 各种改进措施和方案的经济性计算与分析，提出完善热力系统的措施，提出降低 设备能耗的方案，形成新的热力系统。在分析具体计算结果时，以机组热耗率作 为评判其对系统影响程度的尺度。在进行局部定量分析计算中，皆采用m a t l a b 语言编程，充分发挥其在矩阵运算中的优越性能。 7 2 汽轮机组热力系统基本方程与经济指标计算 2 汽轮机组热力系统基本方程与经济指标计算 汽轮机的内功率方程和能量方程是进行热力系统计算的基本方程。现代火电 厂的汽轮机组都无例外地采用给水回热加热，回热系统既是汽轮机热力系统的基 础，也是全厂热力系统的核心，它对机组和电厂的热经济性起着决定性的作用。 回热加热器作为回热热系统的主要设备，其运行性能直接影响到整个机组的热经 济性能。 2 1 汽轮机内功率方程 对于一次再热机组，针对汽轮机通流部分取控制体，建立能量平衡和质量平 衡【4 8 】，得 zc - 1m m n = d o h , 。一q 以，- zz ) ，q 一以力一 ( 2 1 ) j = cj - - ij = lj = m h + l 式中：h 。o = + 仃一吃； 以，= h j + 盯一吃( ，= c ，c + l ，z ) 5 日，= 而，- h ( j = 1 ，2 ，c 一1 ) ； 以疗= 疗+ 仃一吃( = 1 ，2 ，m ) ； 日疗= j l l 疗一h n ( j = m + 1 ，m ) 。 其中，为汽轮机内功率，k j h ；d o 为主蒸汽流量，蚝m ；为主蒸汽比焓， k j k g ；仃为再热器在锅炉内的比吸热量，l ( j k g ；h n 为汽轮机低压缸排汽比焓， k j k g ；d ，为汽轮机的第级抽汽量( = l ，2 ，z ) ，蚝h ；h j 为汽轮机的第j f 级抽 汽比焓( j = 1 ，2 ，z ) ，l 【j 蝇；d 疗为从汽轮机通流部分漏出的辅助蒸汽的流量 ( j = 1 ，2 ，m ) ，k g h ； 办疗为其第j 股的比焓( j = l ，2 ，m ) ，k j k g ；c 为高压缸的 抽汽级数；z 为汽轮机的抽汽级数；m 。为从汽轮机高压缸部分( 包括主汽阀，调 节阀) 漏出的辅助蒸汽的股数；m 为从汽轮机通流部分漏出的辅助蒸汽的总股数。 2 2 循环吸热量方程 对于一次再热机组，根据能量平衡方程和质量平衡方程可得4 8 】 q = d o ( 一乙) + d ，仃= d 0 ( 一乙) + d o 一窆q 一羔q1 仃 ( 2 2 ) j 2 1，2 1 式中，仃= h z r 一，其中，q 为循环吸热量，k j k g ；h g r 为高压缸排汽焓，k j k g ；t 笋为锅炉的给水比焓，k j k g ；m ：为从再热冷段及其以前漏出的辅助蒸汽的股 数。 9 重庆人学硕十学位论文 2 3 加热器的分类 2 3 1 表面式加热器 表面式加热器通过金属受热面来实现热量传递，其疏水方式为逐级自流，如图 2 1 所示。其符号规定如下【3 0 】： z j2 t j t j 一1 a r j2 t 可一t j l q j = h j t , j q 谚= h e t s j 乃2 ( + 1 ) 一t , j t ，：，加热器出口水比焓，k j k g ： f ，：给水在n o ，加热器中的焓升，k j k g ； t 。，：辅助水流的焓，k j k g ； f ，：进入加热器的辅助水流与加热器入口给水比焓之差，k j k g ； q ，：蒸汽在施歹加热器中的放热量，k j k g ； h ，：，加热器的抽汽焓，k j k g ； t , j ：x o j 加热器排出疏水的焓，k j k g ； g 疗：辅助蒸汽在x o j 加热器中的放热量，k j k g ； h 。：其它蒸汽进n 0 ，加热器的焓，k j k g ； y ，：疏水在n o 加热器中的放热量，k j k g 。 图2 1 表面式加热器 f i g 2 1s u r f a c ef e e dh e a t e r 2 3 2 汇集式加热器 汇集式加热器通过蒸汽和被加热水直接混合并进行传热，如图2 2 所示。 其符号规定如下【3 0 】： l o 2 汽轮机组热力系统基本方程与经济指标计算 0 。t j t j i a r j2 t w j t j _ l q 力= 一t y l q ，= h j t j l 乃2t s ( j + 1 ) 一t j i 图2 2 汇集式加热器 f i g 2 2d i r e c tc o n t a c th e a t e r 为了使整个计算更为简明，计算时把系统的各种附加成份，如轴封蒸汽的利 用、轴封加热器、泵的焓升以及外部热源的利用等，分别归并入相应的加热器内， 一律不再单独自立。就是说，把加热器及其附加成份视为一个整体，其归并的原 则是以相邻两个加热器的水侧出口为界限，凡在此界限内的一切附加成份都并到 界限内的加热器中。 2 4 热力系统热平衡矩阵方程 电厂热力系统热平衡方程是分析电厂热力系统的基础，热经济的指标的计算 和热力系统的技术改造方面的经济分析都离不开热平衡方程的应用。矩阵热平衡 方程的形式简单，层次清楚，容易记忆，所有不同容量的机组的热力系统都可以 用统一的矩阵方程表达其热平衡关系。通用热平衡方程是对电厂热力系统热平衡 计算的高度概括，应用起来灵活方便，其中对辅助汽水系统，给水泵焓升的影响 以及外热量的考虑都有灵活的处理。 2 4 1 热平衡方程的基本形式 一般的，对于z 级抽汽回热系统从高压加热器到低压加热器的热平衡方程可以 写成3 0 】 【彳 哆 + 4 + 4 】h + e a q ， = o ( 2 3 ) 其中，a 、a ，、4 分别为回热系统、辅助蒸汽系统、辅助水流系统的结构矩 重庆人学硕十学位论文 阵；a ，为回热系统各级加热器抽汽相对流量( 占主蒸汽流量的比例) ；口。为从汽 侧进出回热系统的辅助汽流相对流量( 占主蒸汽流量的比例) ；口，为从给水或凝 汽水管道进出回热系统的辅助水流相对流量( 占主蒸汽流量的比例) ；a q ，为进出 回热系统的纯热量，k j k g ；f ，、y ，和g ，分别为加热器的给水比焓升、疏水比放热 量和抽汽比放热量，k j k g 。 对填写规则叙述如下： 彳：反映回热系统结构( 加热器类型和疏水方式) 的结构矩阵。它是一个下 三角矩阵，其阶数为回热级数。其填写规则如下： 主对角线是1 蚝回热抽汽在本级加热器中的放热热降。 f j 时，如果第级加热器有级加热器来的疏水，则4 f ，= y ，；如果无级 加热器来的疏水，则4 ，= f ， f j 时4 ( f ，) 2 乃；i j 时，4 ( f ) 2 0 。 q ，：反映各级加热器的外热量，凡是不能包含在辅助汽水流量中的外界因素 均可包含在该项罩，如给水泵焓升的热量、轴封冷却器的散热量等。 2 4 2 辅助汽水的处理 辅助蒸汽 辅助蒸汽是指回收于回热系统的轴封漏汽、排污扩容蒸汽和流出回热系统的 厂用蒸汽、除氧器排汽、小汽轮机的用汽等。这些小股的蒸汽进入或流出回热系 统的汽侧，虽然l 晓疗l 向量中每一个元素代表了1 个控制体的辅助蒸汽的相对流量， 但是实际中如果某控制体中没有辅助蒸汽，我们只要把那些不存在辅助蒸汽的加 热器在i 口。i 对应元素上赋零，而不需要改变整个方程的结构。口。的取值有正负号 的区别，凡是进入回热系统的流量取“+ ”号，流出回热系统的流量取“一”号。如果在 同一级控制体上有2 股辅助蒸汽流量同时进入回热系统，可将2 股蒸汽抽象为l 股，其焓值取平均焓值，即 k q 0 h o + c t j j h 力 。场一 口：+ 口； 1 2 2 汽轮机组热力系统基本方程与经济指标计算 辅助水流 辅助水流是指从给水泵出口引出的喷水减温流量等，这些流量进出回热系统 的水侧。并不是每级控制体都有进出的水流量，没有该项则流量为零。同样，我 们规定进入加热器的流量为正，流出加热器的流量为负。 辅助外热量 凡是不能包含在辅助汽水流量中的外界因素，均可在辅助外热量中加以考虑， 例如给水泵的焓升的热量、加热器散热的热量、轴封冷却器的热量、发电机散热 的回收等。与辅助流量的符号规定一样，进入回热系统的外