（流体机械及工程专业论文）基于火用传递的火电机组回热系统能量转换特性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 火用的传递和转化在自然界中是普遍存在的，火用传递理论揭示的是火用在传递 和转化过程中的时空变化规律，能够为现代节能理论提出新的观点。本文以火 电厂回热系统的经济性分析和能量转化特性研究为主题，改进了基于质量单元 火电厂热力系统分析中计算单元进水系数的矩阵方程，建立了基于质量单元的 供热机组热电分摊模型。分析了回热系统的火用传递特性，推导得到了平壁换热 过程和压火用传递过程中的火用传递系数关系式。经实例验证改进的质量单元单元 进水系数的求取方法计算更为快捷，热电分摊模型能够更好的解决实际问题， 回热系统火用传递的分析为机组的经济运行和设备的技术改造提出了建设性的意 见，推导得到的火用传递系数能够较好的揭示用能过程中变化规律。 关键词：火用传递，火用传递系数，质量单元 a b s t r a c t t h et r a i l s m i s s i o n 觚dt h et r a n s f 0 咖a t i o no ft h ee x e 唱ya r ep r e v a i l i n gi nt h e n a t i o n t h ee x e r g yt r a n s f e rr e v e a l e dt h es p a c e _ t i m ec h a i l g el a w s oi tc 粕p r 0 v i d e s o m en e wm e t h o df o rt h em o d e m e n e r g y s a v i i l gt h e o i ：y t l l i sp a p e rw a ss t u d y i i 坞o h t h ee c o n o m i ca n a l y s i s 觚dt h ee n e r g yc o n v e r s i o nc h a r a c t c r i s t i o ft h er e g e n e r a t i v e s y s t e m t h i sp a p e ri n l l ，r o v e dt h em a t r i xe q u a t i o no ft h ec o e 衔c i e n to f “m a s su n i t ”， e s t a b l i s h e dt h em o d e lo ft h et 1 1 e 咖o e l e c t r i cc o s t 一印p o r t i o ni nm e m a lp o w e rp l 孤t ， 觚a l y z e dt h ee x e r g yt r a i l s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e g e n e r a t i v es y s t e m ，d 盯i v e dt h e r e l a t i o n s h i po ft h ee x e 玛y 纽吼s f e rc o e m c i e n tf o rt h et r a n s f e rp r o c e s so fap l a n ew a l l 孤dt h ep r e s s u r ee x e 唱y t h em a t r i x e q u a t i o nm a k e st h ec a l c u l a t i o no ft h e c o e m c i e mo f “m a s su n i t ”m o r ec o n v e n i e n t t h em e t h o do ft h et h e 姗o e l e c t r i c c o s t a p p o n i o nh a v es o l v e dm ep r a c t i c a lp r o b l e m s ，a n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ee x e r g y t r a n s f e rc o e m c i e n th a v er e v e a l e dt h cc x e r g yt r 锄s f e rl a wo ft h ep r o c e s so ft l l eh e a t t r a n s f e r z h o uy - o n 由i e ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o c h e nh a i p i n g k e yw o r d s ：e x e r g yt r a n s f e r ，e x e r g yt r a n s f e rc o e f l f i c i e n t ，m a s su n “ 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 火用的传递和转化在自然界中是普遍存在的，火用传递理论揭示的是火用在传递 和转化过程中的时空变化规律，能够为现代节能理论提出新的观点。本文以火 电厂回热系统的经济性分析和能量转化特性研究为主题，改进了基于质量单元 火电厂热力系统分析中计算单元进水系数的矩阵方程，建立了基于质量单元的 供热机组热电分摊模型。分析了回热系统的火用传递特性，推导得到了平壁换热 过程和压火用传递过程中的火用传递系数关系式。经实例验证改进的质量单元单元 进水系数的求取方法计算更为快捷，热电分摊模型能够更好的解决实际问题， 回热系统火用传递的分析为机组的经济运行和设备的技术改造提出了建设性的意 见，推导得到的火用传递系数能够较好的揭示用能过程中变化规律。 关键词：火用传递，火用传递系数，质量单元 a b s t r a c t t h et r a i l s m i s s i o n 觚dt h et r a n s f 0 咖a t i o no ft h ee x e 唱ya r ep r e v a i l i n gi nt h e n a t i o n t h ee x e r g yt r a n s f e rr e v e a l e dt h es p a c e _ t i m ec h a i l g el a w s oi tc 粕p r 0 v i d e s o m en e wm e t h o df o rt h em o d e m e n e r g y s a v i i l gt h e o i ：y t l l i sp a p e rw a ss t u d y i i 坞o h t h ee c o n o m i ca n a l y s i s 觚dt h ee n e r g yc o n v e r s i o nc h a r a c t c r i s t i o ft h er e g e n e r a t i v e s y s t e m t h i sp a p e ri n l l ，r o v e dt h em a t r i xe q u a t i o no f t h ec o e 衔c i e n to f “m a s su n i t ”， e s t a b l i s h e dt h em o d e lo ft h et 1 1 e 鼬o e l e c t r i cc o s t 一印p o r t i o ni nm e m a lp o w e rp l 孤t ， 觚a l y z e dt h ee x e r g yt r a i l s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e g e n e r a t i v es y s t e m ，d 盯i v e dt h e r e l a t i o n s h i po ft h ee x e 玛y 纽吼s f e rc o e m c i e n tf o rt h et r a n s f e rp r o c e s so fap l a n ew a l l 孤dt h ep r e s s u r ee x e 唱y t h em a t r i x e q u a t i o nm a k e st h ec a l c u l a t i o no ft h e c o e m c i e mo f “m a s su n i t ”m o r ec o n v e n i e n t t h em e t h o do ft h et h e 姗o e l e c t r i c c o s t a p p o n i o nh a v es o l v e dm ep r a c t i c a lp r o b l e m s ，a n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ee x e r g y t r a n s f e rc o e m c i e n th a v er e v e a l e dt h cc x e r g yt r 锄s f e rl a wo ft h ep r o c e s so ft l l eh e a t t r a n s f e r z h o uy - o n 由i e ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o c h e nh a i p i n g k e yw o r d s ：e x e r g yt r a n s f e r ，e x e r g yt r a n s f e rc o e f l f i c i e n t ，m a s su n “ 声明尸刚 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于火用传递的火电机组回热 系统能量转换特性研究，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： 1 虱磊窭日 期： 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： 导师签名： 日 期： 1 懒之 、 潲，。y 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 能源是国民经济与社会发展的重要物质基础，它是不仅关系到国家经济、社会 的发展，也关系到国家安全和外交战略。能源科学是一个多科学、多专业的综合和 交叉学科。它研究的对象是含能体或用能过程，研究的任务是探索和开发新能源， 研究能量的转化和利用的规律，以推动科学用能的不断发展，促使提高资源的利用 率，促进可再生资源的增长，使系统内部在相互协调的情况下达到物质和能量转换 得最佳效果，并使其结构功能保持良好状态。近年来，随着全球经济一体化进程的 加速，各国科技力量迅速发展，对资源的利用也提出了更高理论和技术层面的科学 的利用，这就更要求对用能过程和用能本质进行更为深入的分析。 能源与人民的生活息息相关，能源的利用率将直接影响到我国国民经济的发展 和社会的稳定。火力发电厂是重要的产能大户，又是耗能大户，其产能过程和耗能 过程必然包含着能量的传递和转化。要提高其能源的利用率，新的更为科学的研究 和分析方法在分析电厂中能量传递和转化过程将会显得更有意义。火用传递的分析方 法，是一种在实践中逐步发展起来的，研究能量过程传递和转化过程中各种关系的 新方法，必定为现代节能理论提出新的方法和思路。而现代，高参数、大容量火电 机组中，给水回热系统是一个重要的能量传递和转换的重要场所，且对机组的经济 和安全运行起着重要的作用。给水回热系统是利用汽轮机的抽汽加热给水，以此提 高电厂热效率，节省燃料，并有助于电厂机组的安全运行。如果加热器发生故障而 停运，会使锅炉给水温度降低，增加燃料消耗量。如某电厂，2 0 0 1 年二号高加非计 划停运一次2 0 小时，每一小时大概多耗标煤1 2 0 0 k g 。另外由于加热器的停运，进 入锅炉的给水温度降低，相对于炉膛内热负荷的蒸发量减少，单位蒸汽在锅炉过热 器中吸热量增加，这样会引起过热蒸汽温度升高，可能烧坏过热器，威胁机组的安 全运行。同时加热器停用，造成原有抽汽继续在汽轮机内做功，下一级抽汽口监视 段压力升高，使汽轮机缸体与转子的胀差加大，进而威胁汽轮机的安全运行。因此， 研究和分析给水回热加热系统的性能和运行特性，寻求加热器系统的经济性指标与 设备结构和运行的关系，是更好地掌握加热器系统特性和提高系统的运行水平，提 高机组的经济性和安全性的关键。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 能、火用、火用传递概念的发展演化关系 华北电力大学硕士学位论文 “能 是自然科学领域中最具普遍性的物理量之一，但是一般说的“能 是对 客观世界普遍物质某种共性的概括和抽象。能量是物质运动的量度，能量随物质运 动的形式不同，表现为不同的形态，如机械能、电磁能、化学能及核能等等。人们 为了认识和揭示各种形式的能的共性，总结出来的热力学的两条基本定律，从量和 质两方面完整地描述了能的客观属性。 随着人们在逐渐接受能量和能质概念的同时，在对“能的客观属性深入认识 基础上，一直在探索找到适合的参数和准则能够对能质进行恰当的描述1 8 6 5 年克 劳修斯提出的熵参数，随后建立了“熵产的概念与熵方程，完成了第二定律的文 字表述和数学表述。然而熵和熵产对能质的描述是通过熵增原理间接完成的，熵又 是一个比较抽象的参数，且概念还需要转换，这无疑增加了对能质概念的认识和工 程应用的困难，为便于理解和工程实际的需要出现了“火甩 参数，到上世纪7 0 、8 0 年代火用方法不断成熟，并逐渐应用于工程上。 火用概念是在便于理解和工程实践需要的基础上出现的，关于火用的定义和性质有 不同的说法：一种说法是，火用是在给定环境介质参与下，可以转换为任何其它能量 形式的能量：另一种说法是，火甩是由系统和环境组成的大复合系统的作功能力。前 者实际上隐含了系统能是由“可任意转换部分 和“不可任意转换部分”组成的， 这有悖于“能是物质运动的量度，能系是一不可分割整体的论断。后者强调火用是 系统和环境所共有，虽然避免了前者将“能”分割的不妥，却又模糊了火用是系统给 定态状态参数的性质。且还将火用游离于其属体之外的。比较合理的解释应是：能量 与火用所表征的是同一属体的两个不同属性一能之量与能之质，即能质的概念。二者 归于同一属体，故不可分，二者遵循的着不同的规律，又必须分别称谓，简言之火用 的物理本质即能质。是热力学第二定律赋予能“能质刀的概念。 任何理论和参数出现，都是应工程实践需要而产生，火用传递的出现也是。首先， 自然界不同形式能量之间的传递和转换是极其普遍的，不同形式的火用之间转化和传 递也是普遍存在的。其次，随着人们对能与能量传递的深层认识，火用方法的研究也 面临极大的困难。作为状态参数的火用，是完全不受实际时、空条件的约束，体现的 是理想条件下的理论作功能力。而实际过程则无法摆脱时、空条件限制，即必须在 一定的物理条件和环境作用下依靠势位转变得以完成换言之，过程的进行总是在 一个确定的时间内完成的，而势位的变化属于传输现象，与势位变化相对应的火用理 论则是一种火用传递现象。 火用传递理论是研究火用的传递和转换规律的科学，它产生于上世纪八、九十年代， 是热力学和传输学相交叉的边缘科学。火用传递的出现，将热力学的研究从热静力学 的范畴扩展到热动力学的范畴，考虑时空域对能量系统的作用和影响，从深层次的 揭示实际系统中不可逆过程中的火用损机制、以及过程速率与过程阻力和过程动力之 2 华北电力大学硕士学位论文 间的关系。 总之，火用传递的出现，完成了能一火用一火用传递链式发展的趋势，从人们对能的 认识开始，在热力学一定律的基础上完成了能一能量一能量( 热量) 传递的链式发 展，使热力学从简单的能量守恒定律发展到完整的能量( 热量) 传递学理论。在任 何能量的传递必然伴随着能质的传递，热力学第二定律必然完成的能一火用一火用传递 的链式发展，为更为深入地揭示能质蜕变的规律奠定基础，火用传递的出现必然将极 大地丰富能量分析理论，为深层次的理解和节约能源开辟新的道路。 能量与能质寓于同一客观属体( 能) 内，又分别表征能的不同客观属性。根据 热力学的划分方法，能的分析必将发展到火用传递分析。在热力学上可划分为基础热 力学和应用热力学两大类。在热力学第一定律在理论分析和实践的应用都应用了烩 这个热力学参数，成熟的焓理论解决了很多工程实践的问题；在热力学第二定律基 础上分别形成了以熵和火用为核心的两个热力学参数，所以在热力学第二定律发展起 来的分析理论，将更为丰富详见框架1 1 所示。 图卜l 能分析发展结构示意图 能理论是涉及多专业、跨学科的一门综合学科，火用理论可以和其他学科相结合 可形成不同的理论。它的直接应用是火用分析法；其扩展应用是与经济学结合产生的火 用经济学，与传输学结合产生火用传递理论。见框架图1 2 所示 在能的分析过程中，任何能量的传递和转化过程，都受到时间和空间的限制， 为了能够揭示能量在传递和转化过程中的时空变化规律，热力学分为：静态热力学 和动态热力学，火用的动态热力学必将实现火用传递理论见框架图l - 3 所示。 3 华北电力大学硕士学位论文 图卜2 火用分析和其他学科形成的交叉学科 图卜3 能分析发展结构示意图 1 2 3 火用传递研究方法的引入和发展现状 火用传递是一门在火用分析方法基础上发展起来的，涉及热力学、传输学和流体力 学等多门学科相交叉的边缘学科。早在1 9 6 1 年g a g g i 0 1 i 建立的局域火用平衡微分方 程中就隐含了火用传递的思想【i 一钉。它把火用的热力学特性与能量传递规律相结合，提 供了一个对有多种能量形式同时传递的复杂过程，有可能运用火用传递【5 l 理论将多目 标问题转化为单一目标来研究的有力工具，从而使那些十分复杂以至采用其它方法 难以解决的问题得以求解。 尽管4 0 多年前g a g g i o l i 在他建立的局域火用平衡微分方程中就隐含了火用传递的思 想【6 】，但一直未引起学术界的重视。1 9 8 5 年s o m a 明确地提出了火用传递的概念【7 1 ， 论证了火用传递的存在，并定义了火用传递系数等术语，对一维稳态热传导的火用传递问 题进行了讨论。虽然其讨论局限于唯象方面，但其思想具有重要的意义，可以说他 为研究能量及火用的传递和转换提供了新的思路嘲1 9 9 2 年d u n b a r 等将含有热能、 压能、化学能、动能和势能体系的能量方程和火用方程进行了分解分析【9 1 ，从理论上 阐述了不同形式的能量火用之间的传递和转换关系。同期，我国项新耀教授提出了输 火用基元【1 0 】及输火用系统的概念，并对火用传递过程中的强度量、火用传递的分类以及反 4 华北电力大学硕士学位论文 映传递特性的火用传递系数、火用阻等概念作了进一步的阐述，并从唯象上对解决火用 传递问题的一般方法提出了原则步骤【1 0 以4 1 。1 9 9 5 年李友荣着重讨论了热火用传递的 基本规律和特性，分析了热传递和热火用传递的区别与联系，建立了热火用传递方程， 初步从现象的分析走向理论探讨【l5 1 。后来有学者将热火甩传递的研究从一维发展到二 维，从稳态拓展到非稳态【1 6 1 8 】。1 9 9 7 年项新耀教授等用唯象的方法，定性研究了火 驱原油过程稳态区的火用传递方程及驱动功【1 9 。2 0 】。1 9 9 7 2 0 0 5 年期间，王松平等在 普遍化的火用方程基础上【2 1 。2 3 1 ，分析了火用传递和转换的普遍规律，从定义普遍能位函 数出发，依据一般能量方程和火用方程，建立了能量传递和火用传递方程的一般形式， 用非平衡态热力学导出了一般火用传递唯象方程，对不同形式的火用传递和转换关系、 过程进行的速率与火用阻和过程推动力分别做了研究，从而将火用传递的理论研究向前 推进了一大步【2 4 1 。2 0 0 0 年，s t a i l i s l a ws i e n i u t y c z 提出以具有复杂热交换特性的流体 和同时有热和质传递特性的流体为研究对象的火用传递，建立了由复杂流体、热机及 环境组成的非平衡系统所传递或消耗的火用函数表达式【2 孓2 6 1 。2 0 0 1 年，项新耀教授 提出了不同形式火用转换过程的评价准则，稳态与非稳态火用传递过程的评价准则，给 出了各评价准则的定义式或表达式，并对其工程意义作了必要的阐述。同期，项新 耀、成庆林对火用传递的普遍性、同一性和特殊性进行了探讨，这对开展火用传递的广 泛研究有一定指导意义，同时也为工程火用传递的研究提供了基础【2 7 3 0 l 。2 0 0 4 年项 新耀、成庆林针对动力锅炉内热交换建立了火用传递计算和分析的模型【3 1 1 ，将理论应 用于生产实践中来，加快了火用传递分析方法应用于实践的速度。 由于工程火用传递问题往往是十分复杂的，以致难以对所研究的对象作出完整、 准确的描述。尽管火用传递理论在不断发展，但如何将其应用于工程实际、解决一些 复杂的工程火用传递问题，还需做很多探索性的研究。近4 0 年来火用传递的发展由缓 慢逐渐加快，国内外学者在这方面做了大量的工作，取得了一定成果。但是随着人 们对“能质 的深化认识，对能一能质( 火用) 一火用传递链式发展的相关性及必然性的 深刻理解，火用传递必将趋于普及1 3 2 】。目前火用分析已经在节能实践中对合理用能起到 重要作用，火用传递也将在深层次节能实践中对合理用火用的动态控制起到其它理论所 不能及的指导作用。而本文的目的就是运用火用传递的分析方法，来实现回热系统的 动态分析。 1 3 回热系统分析方法的研究现状 火力发电厂的回热系统是有一系列的加热器组成，它是火力发电厂热力系统的 重要组成部分，其回热系统的热经济性分析是电厂节能分析的重中之重，最为常见 的分析方法是热量法( 即基于热力学第一定律基础) ，其分析方法较多，但有其统 一性。本文针对现有回热系统热经济性分析的各种方法进行分析，找出其方法存在 5 华北电力大学硕士学位论文 的统一性。 在工程实际中，回热系统热经济性分析方法应用最为广泛的是等效焓降法、循 环函数法和常规算法。随着计算机的普及和对节能分析理论的通用性、简捷性的要 求，先后有张春发教授建立了经典矩阵方程【3 3 1 、陈海平教授建立了基于质量单元的 热力系统分析方法【3 5 。3 8 】和郭江龙博士建立的e e d m 矩阵方程3 4 1 ，巧妙利用原有分 析方法中的优点，总结出了通用性强、计算简捷、易于实现编程的计算方法。为火 电厂现代的节能分析理论做出了重要的贡献。 1 3 1 经典矩阵方程和e 印m 矩阵方程的统一性描述 文献 3 3 中阐述的热力系统三大方程为：汽水方程、功率方程和吸热量方程。 汽水方程： m 【口】- 鼠m 功率方程： 尸= d o ( + 仃一吃) _ 妒 r 吸热量方程： q = 或( + 仃一九。) 一【仃r 【口】。 功率和热量的扰动方程为： 即= 【仇】r 缘 v q = q 一q = g ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 _ 3 ) ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) 文献 3 4 中的e e d m 方程也可以经典矩阵方程中找到原型。两者是相互统一 的。功率的扰动方程的推导如下所示： 当有热量扰动时的汽水方程为 h 【口】+ 鳞 = d o m 得到： 6 ( 1 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 【q 】= 【彳】1 ( d 0 【。】一 绋 ) 将式( 1 7 ) 带入到功率方程为得到： 尸= 反( + 仃一吃) 一 酽 r 【彳】一( 或【t 卜 缘 ) 功率方程为： p = d o ( j i l d + 盯一吃) 一 矽 r 【彳】。1d o 【。】 功率变化量： v 尸= 雎p = 酽 7 【彳】_ l 缘 令 鲜 7 阿1 = h r v p = h 】r 锡 式中【仇】的计算： 啊一吃 吃一吃 魄一忽 么一吃 魄一魂 魄一吃 岛一吃 魄一吃 文献 3 4 为上述矩阵的增广矩阵，如下所示： 7 ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 仇珑仇仉仉仇协仇吼 劬气吼乃气吼乃吼吒勺吼吃巧吼石吃，巧气吼匕吩巧勺 华北电力大学硕士学位论文 | i i 一吃 红一吃 魄一 死一吃 魄一恁 魄一红 玛一吃 一吃 一乞 ( 1 1 3 ) 注：式( 1 1 3 ) 为非再热机组的推导，再热机组的e e d m 的矩阵方程的变化见文献 3 4 所示 经典矩阵方程的优点是系统完善，通用性强。文献 3 4 在经典矩阵方程基础上 建立的e e d m 矩阵方程，将循环效率引入到矩阵方程中避免了其他方法中借助其他 方程才能得到循环效率，使热力系统的计算更为快捷。 1 3 2 等效焓降法、经典矩阵方程、e 印m 方程的统一性描述 根据等效焓将理论【3 5 1 ，各级回热加热器等效热降及抽汽效率计算的通式为： 肾卜塾仉 其中，对于具有三高四低一除氧的八级非再热机组回热系统 ( 1 1 4 ) 甄= ( 啊一) 坞= ( 吃一吃) 一乃仍 皿= ( 呜一吃) 一儿仇一气仇 风2 ( 钆一死) 一乃仍一托砚一q 仇 ( 1 1 5 ) 皿= ( j 毛一吃) 一，7 4 3 ，7 3 一f 2 ，7 2 一气仇 风= ( 魄一吃) 一儿仇一q 仇一吃一吃仍一气编 马= ( j l z 7 一) 一虼7 7 6 一儿仇一仇一吒仇一吃仇一1 r l 编 风= ( 一魂) 一乃仍一九仇一九协一气仇一巧玩一吃仇一f i ，7 8 仇砚砚仉玩玑玩吼t 勺吼吒勺气巧吼吩气吒乃气吃吼呸吩吃吒巧气气 华北电力大学硕士学位论文 其中：仇：堡 吼 将上面两个式子整理成矩阵方程的形式为： j i i l 一吃 吃一吃 岛一九 丸一吃 吃一吃 一吃 坞一九 唿一九 9 5 9 6 巧巧诉 气 9 8 ( 1 - 1 6 ) 这就和式子( 1 1 2 ) 相吻合了。 虽然经典矩阵方程和e e d m 方程都有着其他方法无可比拟的优点，但对于辅助 系统采取的方法不管是先计算后归整，还是先归整后计算，其处理和计算都较为简 略，例如辅助汽水迸汽系数，有的依靠的是经验，有的是依靠繁琐的计算。针对这 个问题文献 3 5 3 8 在循环函数法的基础上结合现代节能理论，建立了基于质量单 元的热力系统分析方法【3 5 - 3 8 1 。 1 3 3 火用和火用传递的分析方法 上述的方法都是热量分析方法，热量法的缺点是不能揭示能量传递过程中的能 质蜕变规律，仅仅体现了能量中量的概念，很难正确的对能量系统做出更为科学的 判断；能质分析方法中的火用分析方法，将放在第三章进行详尽的阐述，现有的对回 热系统中各加热器和整个回热系统的火用方法，不外乎黑箱、灰箱和白箱的分析方法， 为工程实际问题的解决做出了巨大的贡献，但是这些分析方法都是停留在静态的分 析上，不考虑时空域对能量系统的作用和影响，无法正确的评价不可逆过程火用损的 动力学意义，忽视了它作为实际过程的推动，以致决定实际过程效率的重要作用。 现在火用传递的分析方法，则可以较好的解决火用在传递和转换过程的时空规律，非平 衡系统不可逆过程的火用损机制、过程速率及转换的时空规律。回热系统火用传递的特 性分析将放在第五章进行详尽的阐述，能够实现回热系统加热器运行性能的动态分 析，是实现火电机组高效、安全运行的关键技术之一，特别是二十一世纪的今天， 随着机组容量的增大、运行参数的提高，对运行和控制要求越来越高，因此，研究 回热系统中能量传递和转换时空规律显得更有意义。现在火用传递的研究方法还没有 引入到火力发电厂的热力系统中来，为更为深刻的揭示火电厂热力学系统中的能量 9 聃珑玩仇佻协仇 吼毛乃吼吃气勺气吼石吃气勺气吼吃吩巧勺 华北电力大学硕士学位论文 传递和转换规律，先将火用传递的分析方法引入到火力发电厂的回热系统分析中来。 1 4 课题研究内容 迄今为止，火用传递无论是在理论体系和理论方法上还处于探索阶段，对于火用传 递的工程实践很少见，这是由于火用传递自身的特点和发展现状所决定的。但是在火用 传递理论逐步形成和完善的基础上，进一步的研究火用传递和转换规律，阐明用能过 程的实质，是一切用能过程必经的阶段，这也是未来发展的趋势。 本文将以能量分析过程中能( 热量) 火用火用传递链式发展的必然趋势为主线， 阐述回热系统能量转换过程和系统经济性分析。鉴于火用传递发展的现状和工程实际 的需要，现将火用传递的特性引入到工程实践中来，为火用传递理论和工程火用传递的分 析的发展做点基础工作。本文的研究内容如下： ( 1 ) 分析和总结火力发电厂回热系统中分析能量分析方法中各种分析方法统 一性，并比较其优缺点，根据现有的研究方法进入深入的研究，并根据实际项目的 需要致力于解决热电联产机组热电分摊方法的研究。 ( 2 ) 总结现有火力发电厂回热系统和各类加热器能质分析( 火用) 方法的研究， 分析现有火用分析方法的思路和存在的问题，为火电厂回热系统火用传递的分析打下基 础。 ( 3 ) 在对回热系统结构和分析方法深入了解的基础上，引入煳传递分析特性， 总结火用传递的基本概念，建立工程火用传递分析和评价的基础，并找到适合回热系统 火用传递分析的评价准则，为火用传递的分析指明方向。 ( 4 ) 根据火用传递的发展现状，进行火用传递系数的求解方法的研究，研究电厂 中实际存在的火甩传递过程进行分析并进行实例的分析。在建立起来的工程火用传递评 价和方法的基础上，进行回热系统的火用传递特性分析。 1 5 本章小结 本章论述在火用传递和回热系统的研究现状基础上，分析了传统能分析理论和实 际过程中面临的困难，说明了姗传递出现的必然性，阐述了火用传递现象的普遍性和 能一火用一火用传递理论链式发展趋势必将成为现实，明确了火用传递研究的现状和亟待解 决的问题。 最后，本章对论文要研究的主要内容进行了概述，将火用传递特性引入到回热系 统的分析中来，考虑到火用传递发展的现状和回热系统内部结构的复杂性，对回热系 统火用传递特性分析进行简化，目的是能够使复杂的火用传递的研究方法引入到会点机 组回热系统中来，为机组的经济性分析分析提供新的思路。本文将遵循这一主导的 思想展开研究。 1 n 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于质量单元回热系统分析方法的研究 2 1 基于质量单元的热力系统分析模型 基于质量单元的热力系统分析的核心是求解质量单元的单元进水系数，本文将 致力于改进文献 3 5 3 8 中的矩阵方程，建立适合于任何质量单元单元进水系数的 矩阵方程，并研究单一辅助汽水进出热力系统的影响。在电厂的实际运行中，机组 热力系统的结构、负荷、运行初终参数、回热系统及辅助汽水参数都是一定时，任 何别的汽水进出热力系统，最终体现在锅炉吸热量的变化，进而影响机组的经济性： 峥南= 等q 赫舶芦q 勰棚p r q 豫2 a f ( 卜监) ( 一乙+ ) + ( 。 一等) 州哎一老) 毛 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 要进行建立基于质量单元热力系统分析，精髓就是计算口，= f 万_ ，所以屯的 ll “渤 求解就成为我们研究的重点。热力系统中任何汽水循环的计算分析都是离不开屯 ( 包括主循环) ，据此建立屯的通用计算模型。 2 1 1 质量单元单元进水系数矩阵方程 2 1 1 1 建立矩阵方程的基础 整个热力系统是由很多个汽轮机循环组成【4 0 1 。任何汽、水从出热力系统到回流 至热力系统构成一个循环。对于泄漏到外界或不返回热力系统的汽水，将其与补给 水构成一个辅助循环。在计算分析过程中视主循环承担机组的负荷，任何辅助汽水 和抽汽的研究，都将其视为对主循环的扰动。 ( 1 ) 小汽流进入系统 小汽流经过5 号加热器汽侧进入系统见下图所示：根据质量单元的特点建立关 系 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 质量单元结构简图 吼 0 乃吼 虼虼 l1 o0 o q f s 9 6 虼 ll l ( 2 3 ) 矩阵方程中的级、乃、q 为抽汽放热量、疏水放热量及给水焓升；珥表示单元 抽汽系数，g ，表示辅助汽流的放热量，白，表示汽进入该质量单元的质量单元进水 系数。 ( 2 ) 小水流进入系统 如下图所示小水流水进入4 号加热器进水管： 图2 2 质量单元结构简图 9 4 o 乃9 5 虼九 ll 0 0 4 o 气 吼气 ll 面 以 丸 嘞s 毛 气 1 ( 2 4 ) 矩阵方程中的g l 、乃、t 为抽汽放热量、疏水放热量及给水焓升；碣表示单元 抽汽系数，0 ，表示进水和该级加热器主给水焓差，表示水流进入该质量单元的 质量单元进水系数。 ( 3 ) 将主循环当作小水流进入汇集式加热器进水管： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 质量单元结构简图 吼 0 y 5q 5 y 6y 6 ll o0 o0 吼 0 l1 ( 2 5 ) 主循环的正，相当于水流进入汇集是加热器( 即带疏水泵式加热器或除氧器) 。 2 1 1 2 通用矩阵模型 根据以上分析可知，总结其内在规律性，建立适用于热力系统任何质量单元分 析的矩阵方程： b d i = t l 厶 六2 召乙柚 ； l 礅 lll1l 盔 吐 ： 吃 如 吃 ： 毛 l ( 2 6 ) ( 2 7 ) 写作规范如下所述： 曰为b k 的增广矩阵，b 脚为反映系统连接方式的拓扑矩阵，口乙埘= 6 f ，并且 当i _ j 时，毛= 吼；当i j 时，若第i 级加热器接收j 级加热器的疏水，6 ：f = 乃；否 则乞= t 。当i 一p j ( ，+ 1 ) 毒一巳( ，+ 1 ) ( 3 7 ) 为一个下三角矩阵，矩阵的元素气( f 为行，为列) ，取值如下，当k j ， 勺= 略= ；当f 歹时， 一 铲k ( 矗级控制体接受，级疏水) ( 渤l 控制体不接受，级疏水) 这种分析方法的有点是经典，能够很方便快捷的找到各个设备的火用损失的大 小，也能够计算出单个设备在系统的中的地位和作用，但是这个方法咋求解的过程 中不得不借助于热力学第一定律是得求解变得繁琐，而且失去了热力学第二定律的 一些最为优越的特点。为解决这个问题，国内外的学者不断的进行探索，以期得到 更为理想的效果。 3 1 3 回热系统火用方法的近似处理办法 有学者认为火用损失和蒸汽流量是有关的，想找到蒸汽流量和火用损失之问的关 系，目的是将上面的矩阵方程简化处理，将两个未知数的矩阵方程中经过的前期的 处理，变成不依赖于第一定律而求出抽汽系数，求出火用损失，国内外还有学者针对 火用损失的原因进行假设处理，认为无论是抽汽火用降还是疏水火用降都没有被凝结水全 部有效利用，其中主要是由于加热器中是温差传热造成的火用损失。因此在冷热流体 均为稳定流动，不考虑压力损失时，建立了温度火用效率和火用效率的概念，目的是建 立火用损是和流量之间的关系，这种在热学第二定律基础上建立的火用损矩阵方程中， 只存在一个未知数，方程可解。 温度火用效率和加热器之间的火用效率之间的关系【4 3 4 4 j 仇2 仉r 仇 ( 3 - 8 ) 为计算回热系统，加热器中引入抽汽放热火用效率弦、疏水放热火用效率的 概念，、的计算公式分别为( 瓦环境温度，单位k ) 2 7 华北电力大学硕士学位论文 ：翌监巩 2 一巩 1 一瓦弓 ：坚监仇 2 一仇 l - 瓦巧 式中： 矿一一川) 2 蓠 矿一一川) 2 蔫 对汇集式加热器，单位为k 毛= 急 对疏水放热式加热器，单位为k 于一h r h 鸯 毛2 嚣 式中j 巧凝结水平均吸热温度，单位为k 瓦抽汽平均放热温度，单位为k 毛凝结水平均吸热温度，单位为k 仇回热加热器简单传热的热效率 国内的学者通过引用加热器火甩效率的方式将上面的矩阵方程改为【4 3 】： 2 8 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中： e - 2 e q 刀e i e 2e r m d e f 62 e f m e i ( 3 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 通过一定的假设，将矩阵中的两种未知参数火翔损失和流量之间建立关系，通过 引入效率的方法，将其简化为只有抽汽参数，目的是实现热力学第二定律能够单独 的分析问题，有一定的使用价值。对于辅助汽水的处理，不管是热量法或者是火用方 法，各种方法中均采用先归正处理，然后进行计算的方式。 3 2 回热系统实例计算 按照述方法以某6 0 0 m w 机组进行为例计算，其热系统图见图2 6 所示，机组 的参数见表3 1 所示和计算结果表3 2 和表3 3 所示。有表3 2 可见，除混合式加 热器的抽汽系数的计算误差较大外，其他加热器的参数较为符合热量法的计算结 果，原因是在混合式加热器中由于各股汽水进行混合式压力损失较大，其熵增较大 的原因造成了计算结果出了偏差，从此可见虽然混合式加热器没有换热温差损失但 是由于流动和压力的损失较大也造成了火用损失较大。火用损分布和火用效率的分析将放 在第五章进行分析，以便于和火用传递特性分析进行比较 3 3 本章总结 本章是总结了回热系统火用分析方法各种分析方法，并进行实例的计算的性质为 2 9 i 2 ， 5 7 r。口rptptpfp 锄锄锄跏础缘砌诹 p e 一 一 p p 帕 ” h p p 口 托 ” n p g 口 p 订 1= 订 “ p p p p p ， ， 6 7 pfp，p，p，pt。pf 。 n ” ”。 托 q p p 口 口 p p p j 2 ， ， 7 i p彳p，p，p，p rp引口rp引 华北电力大学硕士学位论文 和火电厂回热系统的火用 专递特性分析的计算结果进行比较打下基础，另一方面是在 深入了解回热系统火用分析的基础上，进行回热系统火用传递理论的研究。 表3 1 某6 0 0 m w 机组状态参数 回热抽汽参数 项目单位 l234567 8 加热器压 m p a 5 7 1 9 83 4 9 6 7 1 5 3 6 8 1 o 7 1 2 5 o 2 7 3 6o 1 1 7 60 0 6 3 40 0 1 9 6 力 加热器温 3 8 0 33 1 5 74 3 3 13 2 7 32 2 01 3 3 1 x = 0 9 9 2 3x = o 9 5 6 l 度 加热器入 k j k g 1 3 2 1 1 71 5 0 6 9 56 9 1 1 67 9 4 4 86 1 2 9 73 8 6 7 56 1 4 2 45 0 4 4 6 口蒸汽 加热器入 1 c j i 【g 3 1 3 1 23 0 1 7 53 3 2 6 23 1 1 5 82 9 0 7 22 7 4 0 52 6 3 8 72 5 0 1 5 口汽焓 加热器蒸 k g h 1 3 2 1 1 71 5 0 6 9 56 9 1 1 67 9 4 4 86 1 2 9 73 8 6 7 56 1 4 2 45 0 4 4 6 汽流量 加热器出 k j l ( g 1 2 0 2 31 0 5 1 68 5 8 27 2 65 3 7 34 2 6 33 5 5 52 3 9 4 口水焓 加热器疏 k j ，k g 1 0 7 6 38 7 5 87 3 9 7o4 4 8 63 7 7 62 6 1 3 水焓 应用上述公式和热量法分别求出抽汽系数，其结果见表3 2 。 表3 26 0 0 m w 机组的抽汽系数的计算结果 捍l 拌2拌3群4拌5撑6撑7撑8 第一定律 o 0 7 3 2 4o 0 8 3 5 40 0 4 2 8 60 0 4 7 6 60 0 3 3 9 4 70 0 2 4 1 30 0 3 7 2 0 9o 0 3 1 4 5 2 第二定律0 0 7 3 3 6o 0 8 3 5 60 0 4 2 9 0o 0 5 1 0 20 0 3 4 0 1 50 0 2 4 1 30 0 3 7 1 8 50 0 3 4 1 9 表3 36 0 0 m w 机组的各加热器火用损分布 群l群2群3群4稃5捍6撑7群8 火甩效率 o 9 1 7 7o 9 4 8 40 8 7 5 70 8 9 0 4o 8 3 2 40 9 0 2o 7 6 00 。7 5 0 火用损失 5 6 4 4 24 1 9 9 l6 2 8 l l7 5 8 3 3 9 9 21 1 2 6 3 7 0 5 2 1 0 6 华北电力大学硕士学位论文 第四章工程火用传递的研究 根据能的分析发展到火用的分析，好像已经可以解决工程实际和理论研究的所有 问题。回热系统的分析也是，成熟的焓、火用分析和传热学理论基本可以解决回热系 统中的所有问题，但是根据能一火用一火用传递链式发展的方向，到底火用传递的引入能在 工程实际中解决那些问题，这种新理论能否为新技术提出好的意见和建议呢? 能量 分析的发展方向是什么? 就要看现有的火用分析利用了什么样的研究方法，这些研究 方法能够为实际问题解决什么问题，应工程