（动力机械及工程专业论文）母管制供热汽轮机及热力系统建模与应用.pdf

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：钽主 日期： 2 2 l2 ：五：疆 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。 研究生签名：硷盔五 导师签名 摘要 摘要 目前国内外对母管制低能耗供热机组经济运行进行大量的研究，通过对母管制机组 主汽、给水、补水、循环水及热电负荷等方面进行经济优化调度，可以较大程度的实现 全厂系统节能。本文以某热电厂母管制汽轮机及热力系统为对象，建立了全厂热、电负 荷及给水管网模型，并结合a p r o s 仿真软件，研究系统经济运行，完成了以下工作： 以c c 6 0 型供热机组为研究对象，根据供热机组设计数据，建立该机组通流及热力 系统变工况数学模型；基于变工况模型，根据初终参数、供热需求及高压调门阀位确定 机组实际运行基准工况；以基准工况为前提，分析不同因素对机组经济性的影响，文中 提出的影响因素分析结果己经作为电厂优化改造的依据。 根据某热电厂供热机组与给水管网系统，用a p r o s 高级仿真过程软件，开发该厂 汽轮机及热力系统仿真模型，并进行仿真模型动、静态特性仿真实验。结果表明，开发 的仿真模型可以模拟机组不同工况下的运行特性，且具有较高的计算精度。 以该厂给水管网系统为研究对象，建立给水管网优化模型；根据电厂给水泵实际流 量与功耗特性，结合单纯形算法，研究给水泵总功耗最优分配问题；并在给水泵总功耗 优化基础上，采用等效焓降局部分析方法，分析给水分配对机组回热抽汽影响。经优化 计算，考虑给水分配对机组回热抽汽影响，可以年均节省7 9 8 7 m w h 的电量。 在研究热电负荷优化方面，考虑到热电厂系统复杂，参数耦合量较多，以单抽与双 抽机组额定工况下热力系统数据为基础，用循环函数方法确定机组的动力特性，并结合 单纯形算法，实现全厂热电负荷优化。为验证分配结果，将优化方案在仿真模型中进行 模拟，由于没有考虑机组全工况特性，在同等供热参数与主汽流量情况下，仿真结果与 优化计算结果存在一定的差距。为正确合理地进行全厂热电负荷优化分配，应考虑机组 全工况特性。 关键词：数学模型热电联产节能优化 a b s t r a c t a b s t r a c t m a n yr e s e a r c h e r sa r ec o n d u c t i n ge x t e n s i v er e s e a r c ht ot h el o we n e r g yc o s th e a t i n gu n i t ， a m o n gw h i c h ，e c o n o m i co p e r a t i o nb e t w e e nt h em a i n p i p e l i n eh e a t i n gu n i t si s t h ef o c u s ， o p t i m i z a t i o nc a l ls a v eag r e a t e re n e r g yt ot h ew h o l ep l a n ts y s t e mi nt h em a i ns t e a m ，f e e d w a t e r , s u p p l e m e n tw a t e r , c i r c u l a t i n gw a t e r , t h et h e r m a ll o a da n ds oo n ，i nt h i sp a p e r , b a s e do n t u r b i n ea n dt h e r m a ls y s t e m s ，e s t a b l i s ht h et h e r m a l l o a do p t i m i z a t i o na n dw a t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r km o d e l ，c o m b i n e dw i t ha p r o ss i m u l a t i o ns o f t w a r e c o m p l e t et h ef o l l o w i n gw o r k ： w i t hc c 6 0h e a t i n gu n i tf o rt h es t u d y , b a s e do nd e s i g nd a t ao ft h eh e a tu n i t s ，e s t a b l i s ht h e u n i tp e r f o r m a n c em o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fv a r i a b l ec o n d i t i o n s p r o p o s et h eb a s i s c o n d i t i o n st ot 1 1 ea c t u a lo p e r a t i n gu n i t , a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo nt h eu n i ti nt h ed i f f e r e n t f a c t o r s u s 抽gh e a t i n gu n i ta n dw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt h e r m a lp o w e rp l a n t c o m b i n e dw i t l l a d v a n c e dp r o c e s ss o f t w a r ea p r o s i no r d e rt ov e r i f yt h es i m u l a t i o nm o d e li ss u f f i c i e n tt o s i m u l a t et h ep l a n to p e r a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dw i t hh i g ha c c u r a c y , d e v e l o pt h e t u r b i n ea n ds y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l 。a n dt a k et h et e s t sa b o u tt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o n f o rt h ew a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k w a t e rs u p p l yo p t i m i z a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o m i n i m i z et o t a l p o w e rc o n s u m p t i o n ，a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l p u m pf l o wa n dp o w e r c o n s u m p t i o n ，t a k et h es i m p l e xa l g o r i t h mt os t u d yt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k a n db a s eo nt h e e q u i v a l e n te n t h a l p yd r o pm e t h o dt oa n a l y z et h eu n i t sa f f e c t e db yt h ew a t e rd i s t i l b u t i o n i t f o u n dt h a tt h ew a t e rp u m pc o n s u m p t i o ni so p t i m i z e dt os a v e7 9 8 7 m w ha n n u a l l y d u r i n gt h et h e r m a ll o a do p t i m i z a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e xp o w e rp l a n ts y s t e m sa n d t h em o r ec o u p l i n gp a r a m e t e r s ，u s e dt h ec y c l i cf u n c t i o nm e t h o dt oa c h i e v et h eu n i t c h a r a c t e r i s t i e so ft h ee x t r a c t i o ns t e a mu n i t ，c o m b i n e dw i t ht h es i m p l e xa l g o r i t h mt oo b t a i nt h e t h e r m a ll o a do p t i m i z a t i o n t ov e r i f yt h eo p t i m a la l l o c a t i o nr e s u l t s g e tt h er e s u l t st ot h e s i m u l a t i o nm o d e l i tw a sf o u n dt h a tt h e r ei sac e r t a i no u t p u tg a pb e t w e e nt h et w ou n i t si nt h e s a m eh e a t i n gp a r a m e t e r sa n dm a i nf l o w , t h e r e f o r e t h er e s u l to ft h el o a do p t i m i z a t i o ni sn o t r i g h t i ts h o u l dc o n s i d e rt h eu n i tf u l lw o r k i n gc o n d i t i o nf e a t u r e si nl o a do p t i m i z e k e y w o r d s ：m a t h e m a t i c a lm o d e l ；c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r ；e n e r g ys a v i n g ；o p t i m i z a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录- i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义l 1 2 国内外研究动态1 1 3 课题研究存在的难点3 1 4 本文的主要工作内容及目标3 第二章供热机组性能建模4 2 1 供热机组热经济性指标4 2 2 热电厂总热耗量的分配5 2 3 供热机组性能分析实例5 2 4 小结1 6 第三章用a p r o s 仿真软件开发电厂汽轮机及热力系统1 7 3 1 仿真研究对象1 7 3 2a p r o s 仿真建模1 8 3 3 汽轮机及热力系统静态特性2 3 3 4 汽轮机及热力系统动态特性2 5 3 5a p r o s 仿真模型分析3 0 3 6 小结3 2 第四章给水管网优化建模3 3 4 1 热力系统计算基础3 3 4 2 给水泵耗功特性3 5 4 3 给水优化模型3 6 4 4 给水优化模型解法3 7 4 5 给水优化应用3 7 4 6 j 、结4 l 第五章热电负荷优化建模。4 2 5 1 建立热电负荷分配模型4 2 5 2 热电负荷优化应用4 9 5 3 小结5 0 第六章结论5 l 致谢5 2 参考文献5 3 附件5 5 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文。5 7 第一章绪论 第一章绪论弗一早珀比 1 1 课题的研究背景和意义 近年来，为改善地球暖化，适应电力需求的增长速度，能源效益高和环境污染小的 热电联产发电系统( c g s ) 受到全世界的广泛关注。到2 0 1 0 年美国、欧洲热电联产的扩大 比例将实现以往的2 倍；国内，2 0 0 2 年国家发展和改革委员会能源局编写的( ( 2 0 1 0 年 热电联产发展规划即2 0 2 0 年远景发展目标也提出【l 】：我国要鼓励发展热电联产低能耗 供热机组，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 ，热电联产将占全国发电 总装机容量的2 1 ，占火电机组的3 7 的目标。我国政府在指导热电联产的发展中提出 要“以热定电”，要依据当地热负荷的实际大小来决定供热机组的形式与容量大小。由 于供热机组的供热半径不能太大，供热距离有限，远小于火力发电厂的输电距离。一般 供蒸汽的热网不宜大于1 0 k m ，供热水热网的供热半径也不宜大于2 5 k m ，供热太远，不 仅基建投资过大，也增大了输热损失，而目前我国中小城市和经济开发区与工业园区需 要集中供热，一些中型热电厂完全有能力供应近2 0 0 个工业用户的生产用汽，因此中小 型供热机组在一段时间内将会仍然存在，并发挥着节能减排的作用。而目前大多数热电 厂供热机组热经济性还可以进一步提高，特别是具有母管制系统供热机组，各台机组之 间可以进行优化，进一步提高热电厂母管制供热机组的热经济性。 目前，国内外研究人员大多将研究领域放在大型发电机组上，而对母管制多台供热 机组之间在主蒸汽系统、给水系统、循环水系统以及热、电负荷分配系统方面国内外研 究较少，如何在多台机组间实现负荷的最优分配有一定的难度，而电厂现场运行人员也 只是依照工作经验来感性的分配负荷，没有一定的科学依据，此外小型机组的数据采集 系统是在供热机组运行后才安装起来了，现场数据采集点有限，加上热电厂在热力试验 方面工作较少，因此在分析供热机组运行经济性时，因现场和试验数据不全，给准确分 析机组的热经济性带来较大困难。 针对上述情况，通过建立电厂系统数学模型来研究热电厂母管制多台供热机组热经 济性就存在着一定的价值。建模技术是个很实用的技术，美国国家关键技术委员会提交 总统的年度报告里曾经就高度评价建模技术的重要性，他们认为对于综合的复杂系统， “建模技术越来越被证明不仅仅是达到目标的最佳途径而且常常是唯一的途径”。研究 热电厂母管制多台供热机组节能降耗目标，需以母管制供热机组之间的汽轮机及热力系 统为研究对象，通过建立数学模型方法来分析热电厂优化潜力。因此，将建模技术运用 到研究当前热电厂母管制多台供热机组热经济性方面，就具有现实意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 电厂建模技术研究动态 电站建模技术是伴随着发电机组的发展而产生的，其主要目的是为了研究电厂机组 的运行特性，为电厂经济运行提供参考依据。随着计算机技术的进步和一些新技术的应 用，电站建模技术也取得了较大的发展，加上目前国内外对能源提出了更高的节能要求， 各国对电厂的经济运行也给予了高度重视，电厂建模技术也取得了新的突破，逐渐增加 了性能分析和故障诊断等科学领域的研究工作。目前国内外众多学者在电厂建模方面主 要采用下面三种建模方法i z j 。 ( 1 ) 理论解析模型 根据基本的科学定律，从系统内部工作过程的机理出发，为系统或过程建立的数学 模型称为理论解析模型。它具有较严密的科学根据，可用于多种多样的工作条件、或对 东南大学硕士学位论文 新的过程和系统进行探索。在电厂设计阶段，它的初步设计方案和各种静态计算的结果 可以作为建立模型的依据，对于在建好投产的电厂也可以用理论解析法建立它的动态模 型，模型中采用的某些数据还可以利用现场测试的结果来进行校核和修正。理论解析模 型简化了很多影响因素，与实际情况还存在一定的差距，但定性结论却比较合理，可以 用来分析系统结构对运行特性的影响。 f 2 ) 经验归纳模型 不考虑系统或过程的工作原理，完全根据实测数据的定量关系而建立的数学模型称 为经验归纳模型，显然，这种数学模型需要大量的试验数据，如果所依据的只是少量的 实测数据，则建立的模型精度很低，甚至可能失真。 ( 3 ) 混合模型 对于比较复杂的系统或过程，理论解析模型的精度一般都不是很高，而经验归纳模 型又只限于某一具体对象。为了提高模型的精度，同时又使用模型具有一定的适用范围， 常采用理论解析模型与经验归纳模型相结合的方法来建立所谓的混合模型。考虑到工程 系统或过程往往是比较复杂的，理论解析模型中一些经验系数是通过试验数据而来的， 严格的说都属于混合模型。 上述三种建模方法广泛适用于研究电厂局部设备及系统整体情况，文献 3 1 0 】是国 内外学者用理论解析模型来研究电厂局部设备及热力系统特性。文献1 1 1 4 主要是以混 合模型来研究电厂设备及系统的运行特性。本论文研究电厂汽轮机通流部分、热力系统 及给水管网运行特性，是根据电厂设备及系统实际情况，采用混合模型的建模方法来建 立电厂设备及系统数学模型，并对数学模型进行离散化处理与动态数学仿真计算，确定 相关设备及系统的正常运行工况，以及可能的非正常运行工况。 1 2 2 全厂优化模型研究动态 母管制机组的全厂优化既包括循环冷却水、凝水、补水、给水分配优化及热电负荷 分配优化，也包括锅炉吹灰、排污及机炉阀门优化、厂用电优化等。本文研究的是热电 厂系统给水优化分配及热电负荷优化，目前国内外众多学者在优化方面有大量的研究工 作，如比较成熟的线性规划和动态规划优化算法等，也有最近进行研究的现代优化算法， 主要有禁忌搜索算法、遗传算法和人工神经网络算法等。 线性规划法【1 5 - 1 9 】是一种基于确定的目标函数、合适的约束条件和规定了变量的取值 范围的数学分析方法，是数学规划的一个重要分支。线性规划模型的求解，需根据模型 特点采用不同的求解方法，一般有图解法、单纯形法和大m 法等，图解法只适用于两 个变量的线性规划问题，论文中线性规划数学模型采用的是单纯形法求解。 动态规划法【2 0 2 1 】也是数学规划的一个分支，它是用于解决多阶段决策过程最优化问 题的一种方法。其基本内容是把一个给定的原理问题分成许多阶段，或者分成许多子问 题，然后依次加以解决，最后一个阶段或子问题的最优就是这个原始问题的最优解。在 这类问题中，时间是个很重要的问题，由于在各个阶段上采取的决策与时间有关系，故 称之为动态规划。 遗传算法【2 2 以】( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是一种通过模拟自然界生物进化过程 搜索最优解的方法，属于随机优化算法。它是在二十世纪七十年代初期由美国密执根大 学的h o l l a n d 教授发展起来的。在优化问题中，如果目标函数是多峰的，或者搜索空间 不规则，就要求所使用的算法具有高度的鲁棒性，以避免在局部最优解附近徘徊，g a 的优点恰好是擅长全局搜索。另外，g a 本身并不要求对优化问题的性质作一些深入的 数学分析，从而对那些不太熟悉数学理论和算法的使用者来说，无疑是方便的，但是要 达到真正的最优解，则要花很长时间。 禁忌搜索算法1 2 5 】是局部领域算法，是人工智能在组合优化算法中的一个成功应用， 2 第一章绪论 所谓禁忌就是禁止重复前面的工作。为了回避局部领域搜索陷入局部最优，禁忌搜索算 法用个禁忌表记录己经到达过的局部最优点或达到局部最优的一些过程，在下一次搜索 中，利用禁忌表中的信息不再或有选择地搜索这些点或过程，以此来跳出局部最优点。 但该算法对于初始解的依赖性较强。 神经网络方法【2 6 】是由大量的简单计算单元( 即神经元) 广泛地互相连接而形成的复 杂的网络系统。它在一定程度和层次上模仿了人脑神经系统的信息处理、存储及检索功 能，具有学习、记忆和计算等智能处理功能。神经网络具有一些显著的特点：具有非线 性映射能力：不需要精确的数学模型；擅长从输入输出数据中学习有用知识；容易实现 并行计算等等。 1 3 课题研究存在的难点 为实现热电厂热电负荷安全调度及给水优化安全，主蒸汽及给水分配均采用母管制 布置。在母管制蒸汽水系统中，并列运行的机组之间会产生相互影响。所以必须考虑并 列运行机组之间的负荷分配问题。本文主要研究的是并列运行机组之间的给水优化分配 及热、电负荷优化分配，根据母管制机组本身的特点，采用机组的结构数据与现场运行 数据，利用a p r o s 仿真软件建立机组模型，通过模型的仿真计算，确定不同工况下机 组的运行情况。通过研究发现，本课题研究存在以下难点： ( 1 ) 母管制多台供热机组汽轮机及热力系统相对于单元机组复杂了许多，整体研究 国内外研究较少，如何很好的实现全厂热电负荷与给水系统优化工作难度较大。 ( 2 ) 由于小型供热机组结构数据与现场d c s 采集数据有限，用a p r o s 仿真软件建 立母管制供热机组整体与局部系统时难度较大，会影响系统优化结果精度。 ( 3 ) 建立热电负荷分配数学模型时，忽略了一些因素，会导致理论计算结果与不同 工况下机组动力特性计算结果存在一定的出入，给负荷优化研究带来一定的难度。 1 4 本文的主要工作内容及目标 本文研究对象是母管制供热汽轮机及热力系统，以某热电厂6 机l o 泵以及给水冷热 母管为研究对象，利用a p r o s 仿真软件为支撑系统，开发电厂汽轮机、热力系统及给 水管网数学模型，在数学模型的基础上，研究全厂给水优化及热、电负荷分配方案。论 文主要工作和内容如下： 第二章本章主要是以c c 6 0 8 8 3 4 1 2 1 4 7 型6 0 m w 双抽凝汽式汽轮机及热力系统 为研究对象，根据机组设计数据，建立供热机组性能模型与汽轮机通流部分和热力系统 变工况模型。通过汽轮机及热力系统变工况模型确定供热机组实际运行的基准工况，并 以基准工况为目标，分析不同因素对实际运行机组的影响。 第三章本章主要任务是针对某热电厂供热机组与给水管网系统，用a p r o s 仿真软 件开发电厂汽轮机及热力系统仿真模型，并进行仿真模型静态特性、动态特性试验，进 行数学仿真模型的验证。 第四章本章重点是以某热电厂给水管网系统为研究对象，根据电厂给水泵实际流 量与功耗特性，利用单纯形算法，实现给水泵总功耗最优的分配方案，并在给水泵总功 耗优化基础上，采用等效焓降局部分析方法，研究给水分配对机组影响时，给水优化分 配方案。 第五章主要任务是研究某热电厂热、电负荷优化，以单双抽供热机组额定工况设 计数据为基础，将电厂系统分为以主凝结水循环和以其它汽水辅助循环，分别确定机组 的动力特性。基于机组动力特性方程，结合单纯形算法来实现热电负荷分配，并将热电 负荷分配结果在a p r o s 仿真模型中进行模拟，校核负荷分配模型。 3 东南大学硕士学位论文 第二章供热机组性能建模 本章以c c 6 0 8 8 3 4 1 2 1 4 7 型6 0 m w 双抽凝汽式汽轮机及热力系统为研究对象，参照 机组设计数据，确定高压调节级、中压调节级及旋转隔板级的调门与调节级组合特性， 根据调门与调节级组合特性关系，建立该机组性能模型与汽轮机通流和热力系统变工况 模型。以汽轮机通流与热力系统变工况模型为基础，分析不同因素对机组经济性的影响。 2 1 供热机组热经济性指标 供热机组是利用己在汽轮机中先做了功、发了电的部分蒸汽( 供汽汽流) 用以对外 供热，在发电与供热两种能量产品的质量( 品位) 上是不相同的。对于供热参数不同的 供汽汽流，热能的品位也不相同：另外热电厂母管制单双抽供热机组，存在供热汽流的 热电联产和凝汽流的热电分产，有时还有直接从锅炉引出蒸汽经减温减压后直接供汽的 分产供热汽流，三者之间经济性均是不相同的。 热电厂的热经济性指标应反映能量转换过程的技术完善程度，既便于在供热机组之 间、热电厂间进行比较，也应便于在凝汽式电厂和热电厂间比较，而且要计算简明。目 前广泛采用综合指标【2 7 2 8 】进行评价热电厂热经济性。 ( 1 ) 燃料利用系数叩舻 r l ：(21),3600w+qh = 一 f 2 1 、 b 驴g 式中，形一热电厂的发电量，k w ； 绕热电厂的供热量，k j h ； 艮) _ 热电厂的标煤耗量，k g h ； q 标准煤的低位发热值，取2 9 2 7 0 k j k g 。 燃料利用系数，7 为输出电、热两种产品的总能量与输入能量之比，它将高品位的电 能按热量单位折算为3 6 0 0 w 后与供热量q h 相加，它不能表明热、电两种能量产品在品位 上的差别；只能表明燃料能量在数量上的有效利用程度，故称为热电厂的燃料利用系数， 是数量指标。 ( 2 ) 热化发电率f o 热化发电率是表明热电联产的技术完善程度，以供热循环为基础的热化发电量做计 算指标，与热电联产部分的热、电有关，即质量不等价的热电联产的热化发电量昕与热 化供热量纨。的比值。 国：关 ( 2 2 ) 国= 二一 l z - zj g 、。 孵：d r ( h o - h h ) r m t e , + d , ( h o - h f ) r l m r l g 。 3 6 0 0 t 。= 。1 3 6 0 0 既= 掣铲 式中，研，d i 对外供热抽汽量和第i 级加热器的抽汽量，t h ； ，j j l l l 分别为主蒸汽比焓和对外抽汽焓，l d k g ； h h ，h i 供热抽汽回水焓和第i 级抽汽焓，k j k g ； 形厂热化发电量，k w ； 4 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章供热机组性能建模 q t l ，广热化发电量，g j h 叩朋汽轮发电机组的机械效率： 印广汽轮发电机效率。 从上式可以看出，热化发电率与热电厂所采用的供热式机组型式及其主要蒸汽参 数( 包括蒸汽初参数、回热抽汽参数及供热抽汽参数) 、返回水率及其水温和补水温度、 设备的技术完善程度- ( 反应在供热式机组的相对内效率、机电效率上) 等有关。当供热 式机组的汽水参数一定时，热功转换过程的技术完善程度越高，f 0 越高。因此f o 是评价 热电联产技术完善程度的质量指标。 ( 3 ) 热电比r r = 旦 9 f 、x ( ) t t i q t f 10 0 、2-53600 7 供热机组燃料利用系数叩 热化发电率f o 、热电比r 只能比较供热参数相同的供热 式汽轮机的热经济性，既不能用来比较供热参数不同的热电厂的热经济性，更不能用来 比较热电厂和凝汽式电厂的热经济性。因此，燃料利用系数叩扩热化发电率、热电比 r 热经济性指标在应用上均有其条件和局限性，不能作为综合评价热电厂经济性的单一 指标。 2 2 热电厂总热耗量的分配 热电厂的总热耗q i l 包括供热汽流热耗妍、凝汽流热耗q c 和由锅炉直接引出经减温 减压后的供热汽流热耗o h ，b 。q c 属于热电分产发电热耗，属于热电分产供热热耗， 均为分别能量生产，无需参与9 的分配。只有汽轮机的供热汽流热耗妍属于热电联产， 才需在电、热两产品间进行分配 2 9 - 3 0 】。 q k b 等于0 时，热电厂总热耗q i 为： 幺= o 砌) - 4 - 绋 ( 2 - 6 ) 热电厂总煤耗鼠为： 既：q , e ( h ) + - q t p ( e ) ：( 。) + b ( 力 口 。 ( 2 7 ) 式中， q t p ( h ) 、鳓。厂热电厂供热和发电热耗，k j h ； b t p ( h ) 、鼬。厂一热电厂供热、发电的煤耗，k g h 。 将q h 分配踟h ) 、纵。) 的实质，是将热电厂总煤耗风在热、电两产品间进行分配) 、 鼬。) 。通常是首先确定供热方面的热耗量纵h ) ，再由式( 2 6 ) 确定发电方面的热耗量 q 饭。) ，据以求出相应的供热煤耗召赦h ) 与发电煤耗占奴。) 。 国内外众多学者对电厂9 分配进行了大量的研究，有热量分配方法、实际焓降方 法等，本文采用目前惯用的热量分配方法来进行热电厂的热耗量分配。 2 3 供热机组性能分析实例 2 3 1 性能分析研究对象 某热电厂供热机组型号是c c 6 0 8 8 3 4 1 2 1 4 7 型6 0 m w 双抽凝汽式汽轮机，回热 系统由2 个高压加热器、3 个低压加热器和一个除氧器组成。额定背压4 1 5 l ( p a ( 设计冷 却水温2 0 ) ，额定工况下中压调整抽汽压力4 1 2 m p a ，抽汽量7 5 t h ，低压调整抽汽压 力1 4 7 m p a ，抽汽量为1 2 0 t h 。其原则性系统图如图2 ，l 所示。 2 3 2 机组运行情况 目前某热电厂c 图2 1c c 6 0 型双抽机组热力系统图 c 6 0 8 8 3 4 1 2 1 4 7 型6 0 m w 双抽凝汽式汽轮机平均出力为5 5 m w 。双 抽机组在平均出力工况下，低压供汽量平均为5 0 t h ，中压供汽量平均为4 0 t h 。为更准确、 合理地反应机组的一般运行情况，文中以双抽机组某一工况实际运行数据进行分析，实 际运行数据来源于现场d c s 及试验数据，图2 2 为该机组d c s 运行画面，表2 1 选取主要 的现场数据和机组设计数据进行比较 图2 2c c 6 0 型双抽凝汽式汽轮机实际运行d c s 图 6 第二章供热机组性能建模 从表中设计值与运行值比较可以明显看出，3 群低加组出口凝水温度与l 群高加出口水 温度等明显偏离设计值，对机组热耗、煤耗等会带来一定影响。主汽压力偏离设计值较 高，这可能与热电厂长期的运行习惯有关，此外运行数据中热井温度还高于排汽温度， 分析汽轮机可能存在内漏情况或其它因素。 分析供热机组在某一实际运行工况下机组的最大节能潜力，需确定机组在这一工况 下的最佳值，称为基准值。因供热机组在不同工况下供热参数变化较大，基准值的选取 需参照机组本身实际运行情况确定，若以机组额定工况数据为基准，会给实际分析问题 带来较大的差距，应以某一实际工况下运行中的初终参数和供热需求为条件，以汽轮机 变工况及热力系统变工况计算来确定该运行工况下机组出力基准值。 通过表2 1 中数据，按热量法计算热电厂热经济性指标，反应供热机组在实际运行工 况与基准工况下机组的热经济性，其具体数据如表2 2 所示。 表2 2 供热机组运行与设计条件热经济性指标数据 通过计算比较机组出力基准值与运行值发现，在同等初终参数及供热需求条件下， 机组可由目前5 5 m w 出力提高到6 0 6 m w ，可见机组节能潜力较大。 通过双抽机组运行数据与基准值经济性指标数据比较发现，目前双抽机组实际运行 时，机组的发电热耗、发电煤耗分别都比基准值的数值高，反应机组热经性指标中的燃 料利用系数由基准工况下的5 4 3 7 下降到5 2 2 2 ，表明燃料能量在数量的有效的利用 程度上有所下降，热化发电率由原来的3 3 7k w h g j 下降到2 8 9 k w h g j ，表明热功转 换过程的技术完善程度也有所降低。可见目前供热机组还具有较大地节能降耗的潜力， 电厂运行及管理人员应该在保证机组安全的前提下，对机组的热电负荷重新进行合理地 优化分配，增加机组的热化发电率，提高机组的热经济性。 2 3 3 供热机组性能分析 为进一步掌握机组实际运行情况，反应不同因素对机组经济性的影响程度，分别建 立汽轮机调节级、压力级和热力系统变工况数学模型，通过供热机组变工况数学模型计 算不同工况下机组的运行特性。 2 3 3 1 汽轮机及热力系统模型 本章研究的c c 6 0 8 8 3 4 1 2 1 4 7 型6 0 m w 双抽凝汽式供热机组有高压调节级、中 压调节级及旋转隔板级三个调节机构，高压调节级是通过阀门升程控制进入汽轮机主汽 流量，中压调节级是通过中压调门控制中压供汽参数，旋转隔板是通过旋转角来控制低 压供汽参数。 7 东南大学硕士学位论文 为准确计算在不同工况下高压调节级、中压调节级及旋转隔板级的运行特性，需分 别调用高压调节级、中压调节级及旋转隔板级特性曲线。因高中压调节级及旋转隔板变 工况计算方法基本相同，本文以高压调节级为例来进行调节级变工况计算。 ( 1 ) 调节级变工况模型f 6 7 ，3 1 】 调门与调节级流量特性 不同工况下，通过高压调节级喷嘴流量，可以通过调门流量与喷嘴组流量对应关系 来确定。 调门流量计算公式： g l ：喾届溉t ( 2 - 8 ) x l p o v o 式中，广调门流量系数，与调门前后压比与调门升程比( l d ) 有关，计算时参照阀 门相对流量系数曲线； p 0 t 调门前压力，m p a ； 内主汽门前压力，m p a ； v 0 主汽门前比容，m 3 i ( g ； a v 调门公称通流面积，m ； p ，为调门彭台门系数。 d l 计算公式为 届= 式中，8 1 ，e ：c r 分别为调门前后压比和临界压力比。当1 c f 时，p l 取1 。 喷嘴流量计算公式： g ：竺：, p 2 e o ” u = _ ；= = 2 4 e o v o l i 喷嘴流量系数，一般取0 9 7 ； 风”喷嘴前压力，m p a ； f 1 喷嘴通流面积，m ； p 2 为喷嘴彭台门系数。 p 2 计算公式为 及= 式中，2 ，e ：c r 分别为喷嘴前后压比和临界压力比，当e 2 e c r 时，p 2 取l 。 由质量守恒关系，通过阀门流量与喷嘴流量相等 g l _ g 2 将( 2 - 8 ) 和( 2 9 ) 式代入( 2 1 1 ) 得： 铲墨肇兰 1 4 反a ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 一1 2 ) 中a ，f l 为固定阀门及喷嘴组面积，是常数；p 1 是l 的函数；p 2 是9 2 的函数； 8 ) c 为l 和l d 的函数；根据汽轮机热力特性书，8 2 与8 3 有对应关系( 2 等，于是调节阀与调节级有如下拟合关系式： f l = f ( e g ，三d ) 铲势铲詈， ( 2 - 1 3 ) 调节级特性曲线 调节级变工况计算时，需确定调节阀与调节级组合特性曲线，本文根据机组的设计 资料，参照上述推导公式( 2 - 1 2 ) ，确定高压调节阀与调节级占。= f ( c g , 三d ) 组合特性关 系曲线，其高压调节阀与调节级组合特性见下图所示。 孝妒一一 功 zi ! 三罾 ? j 形歹一一一 渤 7一一e g = o 8 一鼎7 f 一g 印6 f + c g j 0 5 一卿 o0 0 50 10 1 50 20 2 5l 口0 , 3 00 0 50 10 1 5 0 20 2 5 0 3 图2 3c c 6 0 机组撑l 高压调门组合特性图2 - 4c c 6 0 机组 2 高压调门组合特性 图2 5c c 6 0 机组 3 高压调门组合特性图2 - 6c c 6 0 机组j ! 4 高压调门组合特性 中压调节级的组合特性关系1 顸g ，l d ) 曲线处理方法与高压调节级方法相似，低 压旋转隔板级的组合特性关系与高中压调节级计算方法相同，文中用低压旋转角开度6 来代替高中压调门升程比l d ，其c c 6 0 8 8 3 4 1 2 1 4 7 型6 0 m w 双抽凝汽式供热机组中 压调节级与旋转隔板级的组合特性见图2 7 图2 1 0 所示。 9 l 1 3 8 6 4 2 o o o o o o 五 墨 5 4 2 o l o o o o o 东南大学硕士学位论文 j = 乏琴多一一 彩彳 l | 一唧9 一唧8 一e g 却7 一 eg=06 ， 一0 彩形 f ， 一e g = o 9 一e 卿8 ， 一e g 卸7 一 一g j 0 6 一0 0 0 00 0 50 1 0o 1 50 2 0 d0 2 5 00 0 5o 10 1 50 2l d 0 2 5 图2 7c c 6 0 机组拌l 中压调门组合特性 图2 8c c 6 0 机组 2 中压调门组合特性 圹 勿 | 一g j 0 8 二= 一 一鼎 图2 - 9c c 6 0 机组旋转隔板 l 调门组合特性 图2 1 0c c 6 0 旋转隔板撑2 调门组合特性 调节级变工况计算步骤 a 假设调节级级后压力，与对应各个阀门开度，查对应阀门与调节级组合特性曲 线，计算阀门前后压比】。 b 由阀门前后压比查各个阀门相对流量系数，计算阀门彭台门系数。 c 根据式( 2 8 ) 计算通过各个阀门的蒸汽流量及整个调节级的流量。 d 应用费留格尔公式确定调节级后压力。 调节级级后压力用级组临界压比改进的费留格尔公式计算【9 , 3 2 - 3 4 】。 g g o ( 2 - 1 4 ) 氏= 丛哆。：堕；丘：旦：争；盯g r = 丢 ( 2 - 1 5 ) p o o p o op o o 10 0l 一5 式中，g o 、卜分别为额定工况下和变工况下的主蒸汽流量，t h ； p ：、p z 0 分别为额定工况下和变工况下调节级室压力，m p a ： p 0 、p 0 0 分别为额定工况下和变工况下级组进口压力，m p a ； t 0 、分别为额定工况下和变工况下级组进口温度，。 e 与初设的调门后压力比较，如果相等，则计算完毕；如果不相等，用计算出的 调门后压力迭代重复计算上述过程，直至调节级后压力计算前后值相等为止。其计算的 1 0 ； 啦 啦 m 墨 瞄 眈 第二章供热机组性能建模 流程图如图2 1 l 所示。 图2 1 1 调节级计算流程图 调节级数学模型验证 调节级数学模型可以实现变工况计算，以进口参数为额定参数，通过阀门升程来控 制通过调门流量。通过调节级流量由0 逐渐增加到最大值，计算不同流量工况下各个喷 嘴前压力及级后压力，并将计算结果与设计书提供的值进行比较，见图2 1 2 所示。 9 焉 臼 2 8 岛 7 6 5 4 3 2 l 0 厂r r一 厂户 户 7 一 刃 | l7 l 矿 01 0 02 0 03 0 04 0 0g t h 图2 1 2 喷嘴前压力及调节级后压力与汽轮机流量关系曲线 1 l 东南大学硕士学位论文 图中实线是设计书上的值，虚线是经调节阀与调节级数学模型计算出来的值，从计 算数据结果可以看出，计算结果与设计书提供的值基本一致。以调节阀与调节级组合特 性关系方法能较好的实现调节级变工况计算。 ( 2 ) 压力级通流部分数学模型 汽轮机压力级通流部分，在系统变工况时，通流面积不变，可以按公式( 2 1 4 ) 用级 组临界压比改进的费留格尔公式计算压力级后压力。 ( 3 ) 汽轮机各级组相对内效率及抽汽焓的确定 在变工况的计算过程中，高压调节级、中压调节级及旋转隔板级工况变化较大，需 参照制造厂家提供有关数据，按速度三角形方法确定高压调节级、中压调节级及旋转隔 板级组效率曲线，其高压调节级效率曲线见图2 1 3 所示。其它压力级