（电气工程专业论文）火力机组变工况运行经济性分析及优化的在线实现.pdf

浙江大学工程硕士毕业论文摘要 摘要 随着我国各大电网机组装机容量的不断扩大，以及用电结构的调整，高参数、 大容量机组在电网中担任调峰工作已成为必然。我国大部分主力机组在6 5 一 7 5 负荷下运行，这使得机组能耗远远超过设计值。另外，计算机技术和工业控 制技术在电厂日益广泛的应用，加之现代火力发电节能分析理论的不断完善和发 展，为电力机组性能在线监测工作的开展提供了必要的技术手段。本课题正是在 这一背景下，提出对火电机组变工况运行电力生产系统进行经济性分析和参数优 化，在线监测机组的运行状况，给出导致能耗偏高的真正原因。同时针对机组运 行的当前负荷，通过分析及变工况计算给出新蒸汽压力的经济值，指导机组经济 运行，进而为机组实现节能优化运行提供依据。 本文着重论述了机组变工况特性，并从火力机组发电原理出发，论述了各种 扰动对机组经济性影响的发电过程。以电厂电力生产热经济性状态方程和扰动顺 序解除法为理论基础，完成了机组变工况运行的经济性分析。针对节流配汽滑压 运行机组，对滑压运行时机组经济初压的确定方法进行了初步的探讨，为机组的 经济运行提供了依据。 论文论述了“火力机组变工况经济性分析和在线优化系统”的方案设计、系 统功能及实际应用中达到的技术指标和存在的问题。系统在现场运行后，一方面 能使管理人员随时掌握机组的运行状况及存在的问题，有的放矢的指导运行及设 备维护。同时，也使运行值班人员进一步明确了本岗位的责任，促使其改进运行 方式，优化操作调整。实践表明，应用了论文中数学模型开发的系统，其计算结 果准确的反映了机组运行的实际情况，能够有效的指导机组的经济运行，具有广 泛的使用和推广价值。 关键词：电力生产，数学模型，节能优化，经济运行 浙江大学工程硕士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i n lm e 抽伪s eo f u l l i tc a p a c i 母i 1 1t h ee l e c 埘cn e ta n d 也ea d j l l s n n 曲to f e l e c t r i cc o n s 砌p t i o n s t r u c t u r e ，i ti si n e v i t a b l ef o rl a r g ec a p a c i t ym l dh i 曲p a r 锄e t e ru n i tt ob eo p e r a t e di no f f 二d e s i g n c o n d i t i o n 。m o s tu n i t si n0 1 1 rc o u n t r yn m m6 5 7 5p e r c e n td e s i g nc o n d i t i o n ，w h i c hr e s u l t si nm a tt l l e e n e 玛yc o n g u m p t i o no fu n i ti sf 缸m o r e 协a i li t sd e s i g nv a l u e i na d d i t i o n ，c o m p u t e rt e c h n o i o g i e s a l l di n d u s 埘a lc o n 加lt e c h n o l o 西e sa f ee x t e 工l s i v e l ya p p l i e di 王lp o w e rp l a l l ta n d 辨a tp r o g r e s sh a s b e e nm a d ei n 也ef i e l do fe n e r g ys a v 协gt h e o r yo ft h e 肌a 1s y s t e mf o rp o w e rp l a n t ，w 1 1 i c hh a sb e e n d 锄e n t a lt e c h n 0 1 0 9 ym e a l l sf o ro n l i n em o n i t o r m go ft l l e 蛐d y n a l n i cs y s t e m sp e r f b n a n c ei p o w e rp l a n t b a s e do n 也i sc o n d i t i o n ，w ep u tf o 押删r dt h et h e s i s o n - l i i i ea n a l y z i n gm e m l a le c o n o m y 甜l do p t i m i z i n gp a r 锄e t e r sf o ru n j cmo f r - d e s i g nc o n d i t i o no fp o w e rp l a n t ，w h o s ep u r p o s ei st o m o n i t o rt h er u n n 证gs t a t eo fu n i ta n dt ol o o kf b rm e 姐l er e a s o nf o rh 逸h e re n e r g yc o n s u m p t i o n t h 0 u 殳h 肌a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，t h ee c o n o m i cl i v es t e a i np r e s s u r ef o ru n i ti nm ec i h t e n tl o a dc a n b eg e t ，w h i c hc a nb eu s e dt og i l i d et 1 1 e 砌tn m n i n ge c o n o m i c a l l ya n dt op r o v i d eb a s i sf o rm eu n i tt o r u i li ne n e r g ys a v i n ga 1 1 do 州m i z i n g 吼a t e b a s e do n 廿1 ee i e m e m a r yt l l | b i n ew o r kd o n ep r i n c i p l e ，t 1 1 eo 尽d e s i 皿c o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fu n i ta r er e l a t e di n l ep a p e r ，a n d 、v em a i n l yd i s c u s s e d 1 et h e m l a lp r o c e s sc h a n g e sc a u s e db y d i s t u r b a n c ew h i c ha f f e c t s 也e r r n a le c o n o m y a c c o r d i n gt ot l et h e 哟o e c o n o m ys y s t 锄s t a t e e q u a t i o na n dd i s t l u b a n c eo r d i n a lu n c h a i l l i n gm e a n s ，w ea n a l y z e d 吐屺t 1 1 e h n a le c o n o m yf o r 埘ti 耵 o f r - d e s i g nc o n d i t i o n ，i n 也el a t t e rp a no fm ep a p e r m e 也o do fd e t e m i l l i n ge c o n o m i cl i v es t e 踟 p r e s s u r ef o rs l i d i n gp r e s s u r eo p e r a t i o nu n i ti sp r i i n a r i l yd i s c u s s e d ，w l l i c hi s ab a s ef o ru n 面 o p t i m i z i n go p e r a t i o n i n ( h el a t t e rp 缸o f t h ep a p e r ，m ep r o i e c td e s i g m ，s y s t e m 矗m c t i o na n ds o m et e c l l i l i c a li n d e xa n ( e x i s t i i l g 口r o b l 锄so fm e “n l e m l o e c o n o m i c sa n a l y s i sa n dp a r 锄e t e ro p t i m i z a ：七i o 曲f o rt h 唧l a s y s t e mf o ru m ti no 雕d e s i g nc o n d i t i o ns y s t e m ”a r er e l a t e d i no n eh a n d ，也em a i l a 窖e ri n 也ep o w e ： p l a n tc a na c q u i r e 廿l eo p e r a t i n gs t a t ea n de x i s t i r 培p r o b l 咖so f t h eu n i t 盘o m 也er u 衄i l l gs y s t e m ，a n ( i n s 订u c tm e 砌to p e r a 廿o na n de q u i p m e n t sm a i n t e n a n c e i nm eo t h e rh a n d ，i ti sh e l p 旬if o rt h i o p e r a t i n g 锄p l o y e c st ou n d e r s t 粕dt h er e s p o n s i b i l i t ) ，o fm ep o s ta n d t h eg a i nm e yc a i lb r i n 吕w h i c l c a np r o m o t em e mt oi m p r o v em eo p e r a t i n gm o d ea n dt oa d u s te m c i e n t l y ni sp r o v e dm a tm m 砒e m a t i cm o d e l i nt h ep a p e ri sp r e c i 8 ea n dt l l es y s t e m sr e s u l t sb a s e do n 也em o d c la c c o r dw i u t h er e a i i s t i cr u 碰n gs t a t u s ，w h i c hc a nb eu s e dt oi n s t n l c tt h eo p e r a t i o n 喊c i e n n y a c c o r m n 对y t h i s y s t 锄i sr e a s o n a b l ea 1 1 di sv e r yv a l u a b l et ob ea 口p l i e da i i dt ob ep o p u l a r i 丑e d 1 yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rp r o d u c t i o l l ，m 【也e m a t i c sm o d e l ，e c o n o m i co p t i l i z 砒i o n ，e c o n o m m o v e m e n t 2 浙扛大学工程硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 电力行业是电能的生产者和供给者，同时也是耗能大户。每年用于发电所消 耗的煤量占全国煤生产总量的二分之一，甚至更多。因此电力行业的节能尤其是 电能的生产单位火力发电厂的节能工作的开展具有重要的意义【1 】。随着经济 的不断发展及人民生活水平的不断提高，对电力的生产及供应提出了更高的要 求。为此，电网容量不断扩大，单机容量不断增加。目前在我国的几大电网中， 3 0 0 m w 的机组已占据主力位置，6 0 0 m w 的机组( 乃至1 0 0 0 m w 的大型火力机 组) 也相继投产发电。与此同时，随着国家经济政策的调整，我国的用电结构有 了很大变化，轻工业和市政生活用电量不断上升，重工业的夜间用电量所占比重 逐步相对减少。电力的供需矛盾日益突出。为解决这一矛盾，迫使大电网中单机 容量3 0 0 m w 及更大容量的机组参与电网的调峰工作，以满足用户负荷变化的需 要。 然而，从总体上看，我国的电力工业无论在技术装备方面还是运行水平方面 都与世界先进国家存在着一定的差距。据国家电力公司2 0 0 2 年统计数据，国内 机组的平均供电煤耗为3 8 6 9 瓜w h ，而同期国际先进机组的平均供电煤耗为 3 2 2 9 瓜w _ h ，差距高达6 4 9 瓜w h 【2 】。尤其调峰机组，由于偏离设计工况运行，使 得机组供电煤耗更是远远高于上述数值。具有多台机组的电厂可以通过在各台机 组间进行负荷优化分配，使得每台机组均能运行在相应负荷的最佳工况条件下， 全厂煤耗率为最小，从而实现电厂在调度负荷下的全厂经济效益最大化。本课题 正是在这一背景下，提出对火电机组运行系统进行变工况经济性分析和参数优化 以及在线监测机组的运行状况，给出导致能耗偏高的真正原因，为机组实现节能 优化运行提供依据。 1 2 课题的国内外发展现状 近十几年，研究热力系统节能分析的有关专著或论文越来越多，有较大影响 的是热力发电厂【3 】、火电厂热力系统节能理论1 4 】、电厂热力系统节能分 浙江大学工程硕士毕业论文第一章绪论 析原理胪】和节能原理1 6 j 等。国外代表该领域的主要论著有s t e 醐t u r b i n e a n dt h e i rc y c l e 【7 l 、ag e n e r a lt h e o r yo ft h e r m o d y n 锄i c 【引。目前有关系 统节能降耗和机组性能在线监测软件的开发模型都是基于这些论著的基本思想 而进行的。这些论著在一定程度上反映了热力系统节能理论的前沿。 传统的电厂热力系统节能分析理论主要是以热力学第一定律为依据，并沿用 至今仍为主要方法。近年来，以热力学第二定律为依据的分析方法得到了迅猛的 发展。由于传统的设计方法及可利用的数据资料均以热力学第一定律给出，目前 用热力学第二定律分析方法进行在线监测还有一定困难。综合目前国内外系统节 能理论，无论是第一定律分析方法还是第二定律分析方法，我发现在以下几个方 面还需要发展。 第一、从方法论上讲，所采用的数学工具仍是初级的。与其它学科相比， 热力系统的研究滞后于其它学科，如电力系统、信息系统等。为了发现更普遍 的规律，必须将先进的数学工具和计算机技术联系起来并应用于热力系统的节 能分析中。 第二、从本质上讲，目前的研究方法都属于静态研究或稳态研究。研究的基 础是汽轮机通流部分热力学状态参数己知，并且在系统变化时，这些热力学状态 参数保持不变，因此使热力系统分析所能解决的范围大大缩小。 另外，随着机组装机容量不断扩大，主力机组担任调峰成为必然。很多国家， 包括我国机组长期在低负荷下运行成为事实。除东南少数地区，我国大部分主力 机组在6 5 一7 5 负荷下运行，这使得机组能耗远远超过设计值。机组煤耗偏高 的原因多种多样，可以分为系统原因、设备原因、运行环境及运行方式四大类。 前两种只能通过系统和设备改造完成，运行环境一般是不可以改变的，但运行方 式可随时调整。九十年代以前，我国发电量供不应求，主力机组承担基本负荷， 绝大部分机组长期在额定负荷下运行，无所谓运行方式的选择。因此有关运行方 式对能耗影响的研究不多，一些研究只是定性的，另些研究也只限于试验资料。 对这些资料进行比较，我发现存在着截然相反的两种观点：一种观点认为：如果 单纯从热经济性上考虑，初压为临界压力以下的机组，都不宜采用滑压运行f 9 】。 这是因为虽然初压较低时机组内效率较高，再加上给水泵耗功减少带来的收益也 不足以抵消循环热效率降低带来的损失：另一种观点认为：虽然变压运行在低负 2 浙江大学工程硕士毕业论文 第一章绪论 荷时相当于降低了蒸汽初参数，使机组热效率有所降低，但由于给水泵耗功以及 节流损失的减少，仍使机组效率提高删。这两种观点截然相反，而且都是定性 描述。在机组运行负荷普遍偏低的情况下，彻底弄清低负荷下机组的能耗特性是 机组运行方式优化的前提。无论国内还是国外有关这方面的报道，研究都是定性 的，还不能定量描述，在负荷正常变化范围内，运行方式对能耗影响的数值尚无 准确的方法确定。上述一些研究结果都是在某些特殊条件下导出的，因此存在一 些结论相反的观点并不奇怪。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 根据国家电力公司重点科学技术项目“火电厂低负荷能耗特性及节能优化 控制系统研制”，在已完成的国家电力公司重点科学技术项目“火力发电厂设备、 系统及运行节能在线监测研究”的基础上，胜利发电厂开发了“火力机组变工况 经济性分析和在线优化系统”。在开发该系统的基础上，建立火电机组运行方式 优化的数学模型，为节能优化控制提供理论及实践依据。 作者在导师吴国忠教授的指导下，建立了胜利发电厂撑2 机组变工况热经济 性分析及在线优化实现的数学模型。在胜利发电厂相关技术人员的大力配合下， 完成了系统的开发并成功的应用于生产，取得了良好的效果。 1 3 2 课题的主要研究内容 本课题的目的是通过对火电机组负荷优化分配和运行优化技术的研究分析， 找出导致机组能耗偏高的真正原因。可促进火力发电厂连续负荷优化分配、瞬时 负荷优化分配和运行优化的实现，从而产生良好的社会经济效益。 本课题的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 针对胜利发电厂群2 机组电力生产系统，进行运行系统结构的研究和热经 济性分析，推导出电力生产系统经济性状态方程，进而对机组进行变工况经济性 分析。 ( 2 ) 分析机组运行系统及主要设备的变工况方式，建立机组变工况经济性分 析的数学模型。以热经济性分析中的顺序扰动解除法为指导，定量分析各种原因 浙江大学工程硕士毕业论文第一章绪论 对机组经济性的影响。 ( 3 ) 深入研究节流配汽滑压运行机组的变工况特性，建立滑压运行方式最优 化设计的数学模型，在满足机组经济运行约束条件的基础上优化各发电机组出 力，针对胜利发电厂撑2 机组运行系统给出优化设计方案。 ( 4 ) 完成胜利发电厂# 2 机组“火力机组变工况经济性分析和在线优化系统” 的开发。所开发的软件实现了对火电机组在线自动计算最优化负荷分配，使全厂 的负荷及时满足电网要求，保证机组运行在允许的负荷范围内和安全的工况下， 降低机组的负荷调节频度，提高机组的稳定性，延长主、辅机组设备的寿命。同 时，对火力发电机组进行负荷优化分配，使得每台机组均能运行在相应负荷的最 佳工况条件下，全厂煤耗率为最小，从而实现电厂在调度负荷下的全厂经济效益 最大化。 4 浙江大学工程硕士毕业论文第二章火电机组热经济性状态方程 第二章火电机组热经济性研究与分析 传统计算火电机组热经济指标的方法是对回热系统的加热器列热平衡方程， 从高压加热器到低压加热器逐次数值求解抽汽系数，然后数值求解内部功、功率 及循环吸热量。传统方法五十年代初由苏联引入，一直沿用到现在。在此期间， 也有人研究如何对加热器热平衡方法进行改进。但从总体上看，其基本方法仍然 是加热器抽汽系数逐次数值求解法，仍不能完整用于火电机组热经济性分析。传 统方法沿袭至今的一个重要原因是当时采用的数学工具是初等的代数方程。如果 解析计算加热器抽汽系数，则从高压加热器开始，抽汽系数的解析式越来越复杂、 冗长。将抽汽系数解析式代入功率方程及吸热量方程后得到的系统输出、输入方 程更为复杂，以至于汽水系统与其热经济性指标之间的内在联系被复杂冗长的关 系式湮没。既然这种所谓的“解析式”没有系统分析功能，而用于热经济分析又 不如逐渐数值求解抽汽系数方便，因此传统的电厂热力计算方法沿用至今。 本文将结合胜利发电厂群2 机组的实际发电过程，由系统结构图依照方程的 构成规则给出热经济性状态方程的具体形式，并对其应用加以阐述。 2 。l 机组技术经济特点及主系统结构图 胜利发电厂# 2 机组为东方汽轮机厂生产的n 2 0 0 型超高压一次中间再热、 单轴、凝汽式汽轮机，配东方锅炉厂6 7 0 1 3 7 5 3 5 5 3 5 型超高压自然循环固态排 渣汽包锅炉。 表2 1 汽轮机设计工况下的技术参数 参数名称额定值参数名称额定值 主蒸汽压力1 2 7 m p a 主蒸汽温度 5 3 5 高压缸排汽压力 2 4 h i p a 高压缸排汽温度3 4 0 再热蒸汽压力2 2 2 n a再热蒸汽温度5 3 5 中压缸排汽压力 o 2 4 m p a 中压缸排汽温度2 8 0 3 0 0 低压缸排汽压力 一5 - 2 k p a 低压缸排汽温度 3 6 额定工况给水温度 2 4 0 浙江大学工程硕士毕业论文第二章火电机组热墼济性鉴查兰堡 榉2 机组的给水抽汽回热系统包括两台威尔给水泵、3 台高压加热器、l 台除 氧器和4 台低压加热器。机组原则性抽汽回热加热系统见图2 1 所示。 图2 1 汽轮机汽水系统图 2 2 热经济性状态方程 所谓系统的状态【1 3 1 是指系统在某一瞬间所处的宏观物理状况。和热力学中关 于状态参数的定义具有相同的含义，系统( 或设备) 的状态参数是指这样一些物 理量，即它们综合在一起决定了系统的状态。用一句简单的话说，系统的状态在 n 维欧氏空间是一个点，这个点的位置一旦确定，系统的所有状态以至于系统的 6 浙江大学工程硕士毕业论文 第二章火电机组热经济性状态方程 所有性质被唯一确定。对于一个热力系统来讲，整个系统的状态参数应该包括热 工状态参数和结构状态参数两部分。对于已经设计好并投入运行的汽轮机组汽水 系统来讲，系统的结构状态参数是一些不变量，而系统的热工状态参数则是一组 连续交化的状态变量，其数值与系统的状态一一对应。 用理论方法建立状态空间表达式称为系统的实现问题，用实验的方法建立状 态空间表达式称为系统的辨识问题【1 4 】。通过对典型系统进行研究寻找状态方程结 构与系统结构之间的对应关系，然后将典型系统的状态方程推广到一般系统。按 照方程构成原则，可写出一般火电机组发电系统的热经济性状态方程。方程的结 构与系统的结构图同构，根据系统图可直接写出状态方程。 火力机组电力生产系统的核心部分是给水加热系统，系统状态方程的建立与 给水加热系统密切相关。系统的热力计算及热经济性分析的困难在于详细了解系 统的汽水分布规律，为此将首先建立系统的汽水分布矩阵方程以发现其内在的规 律。 与电厂热经济指标相关的方程包括内部功率( 汽轮机内部轴功率) 方程、工 质吸热量方程，用系统工程观点叙述，它们是系统的输入和输出以及输入和输出 的传递函数。 ( 1 ) 功率方程 对于只有再热，无抽汽回热及轴封漏汽的机组，1 蝇新蒸汽( 主汽门前蒸汽) 所作的功为： h = 十仃一也 ( 2 - 1 ) 式中 厂一新蒸汽比焓； 矗广_ 氐压缸排汽滞止焓； o l 蚝工质在再热器中的焓增。 针对胜利发电厂轮机组汽轮机汽水系统，1 k g 工质在汽轮机所作功方程的展 开式如下： 7 口= ( + 口一心) 一q ( 如+ 仃一绣) 一口；( 岛一恁) 一哆，。( 岛+ 盯一恁) ，。2 一一( + 盯一忽) 一町埘( k 一魂) 一吩纠( a + 盯一玩) 一吁纠( 啊+ c r 一玩) ( 2 - 2 ) 一町6 d ( 魄+ 盯一红) 一吩，d ( 魄一九) 一町s d ( 啊+ 一吃) ( 2 ) 工质吸热量方程 浙江大学工程硕士毕业论文第二章火电机组热经济性状态方程 工质在锅炉内吸热量方程较为简单，由锅炉工质的能量平衡得到： d = d 0 ( + 盯一b ) 一【d f e b 卜慨e b 】 + d 6 f ( f j 1 2 加) + d ，( 一矗加) + d 盯( 厅一一k ) + d 阿( ，一 惜) ( 2 - 3 ) 式中三k 过热蒸汽喷水减温水量： 一过热器喷水减温水： d 广再热蒸汽流量，它等于主蒸汽流量减去高压缸的抽汽量及从高压缸离 开的其它辅助汽量： d 矿一再热器喷水减温量； 最小一再热器喷水减温后的蒸汽焓值； 而。一再热器减温水焓。 对于胜利发电厂# 2 机的实际汽水系统，其1 蝇工质在锅炉内的吸热量方程 的展开式如下： q = ( 矗。一向州) + 口时( 们一 。拍) + 口，a + 口雎- ( 向巾一 。3 。) ( 2 4 ) 上面给出的汽轮机汽水系统分布方程与系统的输入、输出方程构成了电厂热 力系统热经济性状态方程。理论推导和大量计算表明，用热经济性状态方程计算 热经济性指标，与传统的计算方法相同。该方程用于电厂热力系统热经济性在线 监测及机组变工况的热经济性分析，方程容易自动生成，而且因为采用溅量精度 较高的系统状态参数为计算数据，可避免传统的( a s m e 标准) 直接以主蒸汽流 量测量值为基础计算热耗引起的误差。这是因为：在实用工况范围内主蒸汽流量 表计误差较大，低负荷运行时可达5 ，发电标准煤耗误差可达1 8 9 k w h ；本文 提供的状态方程不仅可直接用于计算系统热经济性指标，而且由于它是解析的， 因此可以进行系统的分析与综合。若将方程中的系统状态参数看作变量，还可用 它进行系统变工况研究，分析查找系统、设备、运行、负荷及环境改变等因素对 热经济性的影响。该方程准确反映了系统连接结构、系统的热力学状态参数以及 辅助系统汽水份额对热经济性的影响。该方程有以下几个特点： 第一、便于查找使热力系统热经济性定解的系统参数及参数个数。 第二、对于影响热耗较小但又不易测量的小汽水流量系数可取设计值。 第三、系统热耗的确定不依赖于测量误差较大主蒸汽流量或主凝结水流量， 8 浙江大学工程硕士毕业论文第二章火电机组热经济性状态方程 从而提高了系统热耗的计算精度。 第四、该方程是准确方程，推导过程无近似假设。在设计工况下计算的能耗 和厂家给出的能耗完全一样。用该方程计算运行能耗时的误差仅依赖于钡4 量误 差。 2 3 实时热经济指标计算 在汽轮机组的设计、热力试验、运行特性分析及技术改造中，都需要对系统 的热经济指标进行计算，水和水蒸汽的热物性参数是进行热经济指标计算和分析 的基础。已有的以工业用水和水蒸汽热力性质计算公式为基础的水和水蒸汽的热 物性参数的计算模型，其最大特点是提高了精度和计算速度并扩大了公式的使用 范围。本文中所用到的模型是以原苏联热工研究所提出的b t h 公式1 5 1 为基础， 该公式在结构上与i f c 公式相比，变得简单，而且能够满足工程要求。 前文所述有关电力系统热经济性状态方程的内容，从实际应用方面为对热经 济指标的在线分析与计算提供了基础。将方程中的系统状态参数看作变量，并取 为实时值，结合水和水蒸汽的热物性参数的计算模型，就可实现对热经济指标的 在线分析与计算( 算例祥见第五章) 。下面为单元机组热经济指标的计算公式： ( 1 ) 汽轮机内效率轨 轨= 绕( 2 5 ) ( 2 ) 绝对电效率巩， 。w | m | l g 式中：叩矿分别是机械效率、发电机效率。 ( 3 ) 发电热效率 ，7 口。仇叩p 叩t ，7 m 玎g 式中：孙分别是锅炉效率、管道效率。 ( 4 ) 供电热效率花 叩；= ( 1 一f 0 ) q ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 浙江大学工程硕士毕业论文 第二章火电机组熟经济性状态方程 式中：乞厂用电率a ( 5 ) 发电热耗率g 。 23 6 0 0 k j 瓜w h ( 2 9 ) ( 6 ) 供电热耗率记 g 品= 3 6 0 0 嵋k j k w h ( 2 - l o ) ( 7 ) 发电标准煤耗率6 5 6 5 “1 2 3 g k w h ( 2 1 1 ) ( 8 ) 供电标准煤耗率睨 醮* 1 2 3 叩； g k w h( 2 1 2 ) 上述公式是对火电机组热经济指标进行计算和分析的基本公式，也是对 机组变工况经济性分析的基础。本文在以后将阐述利用热经济性状态方程及 这些基本公式对机组变工况经济性分析的方法。 1 0 浙江大学工程硕士毕业论文 第三章火电机组变工况运行经济性分析 第三章火电机组变工况运行经济性分析 3 1 火电机组变工况概述 火力发电厂热经济性是评价火电厂性能的重要指标之一。电厂热经济性取决 于系统结构、构成系统的设备、运行条件和方式等。系统结构的变化、设备性能 的改变、运行条件( 当地气候条件、所采用的煤种、外界负荷) 的改变、运行方 式的调整( 定压运行、滑压运行、组合方式运行) 都会影响电厂热经济性的变化。 在火电机组运行中，引起生产系统状态改变的原因种类很多，大致分为四类： ( 1 ) 系统结构变化：如过热器喷水减温、再热器喷水减温、锅炉连续排污 及扩容回收、蒸汽供熟、门杆漏汽、轴封漏汽及其回收。目前一般所指机组节能 分析是指系统结构变化对热经济性的影响分析。 ( 2 ) 设备性能变化：是指原则性火电机组中所有设备的机械尺寸或材料性 能的变化。如系统中的各换热器受热面减少、长期运行使换热面结垢；汽轮机通 流设计不合理或内效率降低。 ( 3 ) 运行条件改变：如外界负荷的变化、循环水温度变化、循环水流星的 变化、煤种的变化等。 ( 4 ) 运行方式的调整：如采用滑压运行还是定压运行、一次风、二次风的 调整等。 真正意义上的火电机组系统分析应包括各种原因对热经济性的影响。这样才 能消除故障，改进调整，优化调度，提高热电厂的经济性。 对火电机组进行变工况热经济性分析，有以下几个方面的意义： ( 1 ) 使运行人员了解掌握机组的各种热力特性，为判断设备内部特性变化 提供依据。 ( 2 ) 为机组经济运行提供指导。如通过变工况计算，给出机组的经济运行 参数，使机组在经济参数下运行，提高机组运行的热经济性。 ( 3 ) 为机组设备的状态检修提供必要的指导。如通过对汽轮机通流部分效 率的监视及其经济性分析，为机组的大修提供理论指导。 浙江大学工程硕士毕业论文第三章火电机组变工况运行经济性分析 3 2 机组交工况特性分析 机组变工况运行时，系统各热力设备都在非设计工况运行。因此，为满足机 组在使用工况范围内对热力系统进行准确的经济性分析，下面对主要热力设备的 变工况特性进行分析。 1 汽轮机系统变工况特性 汽轮机通流部分有主汽阀、调节阀、动静叶片级和排汽缸组成，担负着把蒸 汽热能转化成机械能的任务，是保证汽轮机安全、经济运行的关键部件。这里首 先对汽轮机通流部分级内的交工况加以分析，关于汽轮机进汽机构( 主汽阀和调 节阀) 的变工况在下章中论述。 胜利发电厂炮汽轮机有调节级，汽轮机变工况时，第一级的通流面积不发生 变化，弗留格尔公式可用到主汽阀和调节阀之前。分析时可以将汽轮机整个通流 部分划分为两大部分：末级和除末级以外的所有级。 包括阀门在内的各通流级( 不包括末级) 段的压比、焓降、温降、容积流量、 流动效率均不变或近似不变。因机组变工况时，主蒸汽温度维持不变或变化很小， 所以各级后温度也可近似认为不变。阀前及各通流级前压力与流量成正比，确定 中间级组的抽汽压力，可按照上面所述原则分析计算每个变工况的中间状态。在 初温变化不大的前提下，各级抽汽压力的计算公式如下 门 p 1 = p 导 ( 3 1 ) u 式中g 一通过机组的额定工况蒸汽流量： p 蒸汽压力； g l 一表示变工况后，通过机组的蒸汽流量。 p j 表示变工况后的蒸汽压力 凝汽式汽轮机末级蒸汽容积流量很大，故叶轮直径大大增加，为保证机组较 高的级效率，应在最佳速比下工作，这时各级的理想焓降相应增大较快。由于末 级处于湿蒸汽区，湿气损失较大。尤其在汽轮机变工况运行时，末级的蒸汽湿度 变化较大，因而对低压缸效率影响较大。在设计工况下，其末级常处于临界状态 下运行。当机组负荷降低或排汽压力升高时，它可能处于皿i | 缶界状态下运行，这 样在末级的变工况计算中，首先需要判断末级的流动状态，看其是处于亚临界还 浙江大学工程硕士毕业论文 第三章火电机组变工况运行经济性分析 是超临界状态下运行，之后进行变工况计算。当凝汽式汽轮机末级在偏离设计工 况运行时，只要利用临界压力与临界流量成正比的关系即可得出该工况下未级的 临界压力值1 6 1 ，之后和实际的背压值比较，即可判别出流态，并且如果末级处 于超临界状态时，也可使超临界状态的变工况计算简化。 另外，在火力发电厂的生产过程中，除了主系统以外，还有向各类辅助设备 和生活设施供汽的蒸汽系统，如热网用汽及回收等，这些有热量带入或带出主系 统的汽水系统统称为辅助汽水系统。在机组热经济分析中，为了能够准确确定机 组的热经济指标，对于轴封系统及辅助汽水系统的小汽水流量应正确处理。在设 计工况下，根据机组热力系统热平衡图，对各换热单元进行热量平衡和质量平衡 分析，确定设计工况下各小汽水流量所占份额。机组变工况过程中，各小汽水流 量所占份额可视为不变，从而大大简化了系统的变工况计算，而且从实际应用结 果来看，这样处理也足以满足工程计算的要求。 2 凝汽器变工况 热力发电厂中，凝汽器的作用之一是在汽轮机排汽口造成高度真空，使其机 组排汽尽可能膨胀到低的压力，多作功和减少冷源损失。因此，凝汽器工作的好 坏直接影响着机组的循环热效率。所以，在对机组进行变工况经济性分析时，对 凝汽器的变工况应进行深入细致的研究。 对凝汽器变工况研究的目的就是确定汽轮机排汽压力( 凝汽器真空) 与哪些 因素有关，并找出其与这些因素之间的关系。 汽轮机工况变动将导致主蒸汽流量或通流级流量的变化，从而导致汽轮机的 排汽流量即进入凝汽器的蒸汽流量发生变化，改变了凝汽器的热负荷d 。另外， 凝汽器的冷却水进水温度j 及冷却水量等参数均随着机组负荷或季节因素 的变化而改变。因而凝汽器一般在偏离设计工况的条件下运行。由以上分析可得 到下面关系式： = ，( 砬，o 。，巩)( 3 - 2 ) 即凝汽器压力主要决定于汽轮机的排汽量、冷却水量和冷却水进口温度， 称这一关系为凝汽器的变工况特性。通常以一组曲线表示，称为凝汽器的特性曲 线。不同的机组，凝汽器的特性曲线并不相同，该组曲线就是对凝汽器进行变工 况计算的依据。而在对胜利发电厂趁汽轮机做变工况经济性分析时，由于机组 浙江大学工程硕士毕业论文第三章火电机组变工况鋈堑经迸丝坌析 设计工况资料的欠缺，厂家并没有提供凝汽器的特性曲线。故对凝汽器的变工况 处理，我采取了如下方法。 正常运行时，凝汽器的排汽压力与排汽温度的关系是饱和蒸汽的压力和温度 的关系。这样，实际凝汽器内的排汽压力可由与其相应的饱和蒸汽温度来确定， 而饱和蒸汽温度用下式计算： r 。= ，。l + 址+ 拉 ( 3 3 ) 式中t 一与凝汽器内排汽压力相对应的饱和蒸汽温度，亦即排汽温度； f 。一凝汽器进口循环冷却水温度； ，一循环冷却水温升，= r ，2 一f 。l ； 毋一凝汽器传热端差。 如。l 一凝汽器出口循环水温度。 由式( 3 3 ) 可知，凝汽器排汽温度屯取决于凝汽器进口冷却水温，、冷却水温 升4 f 和端差占r 。又因凝汽器排汽压力胁是排汽温度名的单值函数，所以有 只= ( o l ，f ，国) ( 3 - 4 ) 其中： 质= 弋 ( 3 5 ) 口瓦一1 式中七一凝汽器内排汽至循环冷却水的平均传热系数，k j 皿2 h c ； f - _ 凝汽器的冷却面积0 ； 忍，一循环冷却水量k g h 。 端差万f 可用a b 雪格里雅耶夫提出的经验公式计算出，即； 踮亲( 以+ 7 5 ) ( 3 _ 6 ) 式中 卜系数，伽5 7 ，凝汽器工作状况良好时，取m 为较小值 d 卜凝汽器单位蒸汽负荷k g m 2 h ，反= 见f ： 历进入凝汽器内的蒸汽量k g h 。 上式不仅可以用来计算机组在不同工况下凝汽器的端差，而且可以起到与凝 汽器试验曲线相同的作用，将式( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 综合使用可以计算出变工况 t 4 浙江大学工程硕士毕业论文第三章火电机组变工况运行经济性分析 后机组的排汽压力，即凝汽器的工作压力，为机组的变工况经济性分析时汽轮机 排汽压力基准值的确定提供了较精确的数学模型。 3 加热器与辅助汽水系统变工况 一般情况下，加热器端差随着机组负荷的变化略有改变，在对机组进行变工 况经济性分析时，一般按不变量处理。但在我对胜利发电厂轮汽轮机热力系统 做变工况经济性分析时发现其加热器端差数值，尤其是高压加热器端差随负荷变 化较大，这时若再将其看作不变量，势必对计算精度产生一定影响。故我采用了 如下方法对其进行了处理：计算出几个典型工况各加热器端差，利用数学工具拟 台出各加热器端差随负荷变化的关系式，并以此作为变工况经济性分析时加热器 端差的计算基准。实际计算结果表明：该种处理方法较将端差作为不变量处理更 符合实际情况。从而也减少了由此引起的计算误差。汽轮机轴封系统的作用是防 止转子在穿出汽缸处有蒸汽从高中压缸内向外泄漏进汽轮机厂房或空气漏入低 压缸内，影响机组真空度。同时轴封系统还要回收沿高、中压主汽门和调节汽门 的阀杆漏出来的蒸汽。 另外，在火力发电厂的生产过程中，除了主系统以外，还有向各类辅助设备 和生活设施供汽的蒸汽系统，如热网用汽及回收等，这些有热量带入或带出主热 力系统的汽水系统统称为辅助汽水系统。 在机组热力系统热经济分析中，为了能够准确确定机组的热经济指标，对于 轴封系统及辅助汽水系统的小汽水流量应正确处理。设计工况下，根据机组热力 系统热平衡图，对各换热单元进行热量平衡和质量平衡分析，确定设计工况下各 小汽水流量所占份额。机组变工况过程中，各小汽水流量所占份额可视为不变， 从而大大简化了系统的变工况计算，而且从实际应用结果来看，这样处理也足以 满足工程计算的要求 4 锅炉与发电机变工况 由于缺乏一些运行参数的在线手段，使得锅炉效率变工况的准确分析较为复 杂。针对这一现实，对锅炉效率的变工况分析，我采用离线数据结合在线数据的 办法。对能够在线的参数如排烟温度，氧量等，进行在线分析。对不能在线的参 数，则通过离线输入的方法，使其尽可能的接近实际运行参数，进而使得对机组 变工况下锅炉效率的分析更准确。 塑垩查兰三堡堡主生些笙塞 苎兰垩查皇垫望壅三堡重复丝堑丝坌堑 另外，与汽轮机变工况热平衡密切相关的是锅炉变工况的汽温特性。锅炉再 热器的汽温变化特性原则上与过热器的汽温特性相似，但又有其不同的特点。定 压运行机组负荷变化时，过热器进口工质的温度是近似不变的，等于锅炉汽包压 力下的饱和温度( 负荷变化时，该值变化较小) 。而再热器的进口参数决定于汽 轮机高压缸的排汽参数。喷嘴配汽定压运行机组在负荷下降时，汽轮机高压缸排 汽温度降低，再热器的进汽温度也随之降低，则在保持再热器中工质吸热量不变 的情况下( 对于一台已经投运的锅炉来讲，工质在再热器中的吸热量会有所增加， 但不足以弥补汽轮机高压缸排汽温度降低带来的影响) ，汽轮机中压缸进汽温度 即再热蒸汽温度也有所下降，这使得整个循环的热效率降低，影响了机组的热经 济性。一般当锅炉负荷由额定值降到7 0 负荷时，再热器进口温度约下降3 0 一5 0 ，再加上再热蒸汽压力较低，蒸汽比容较小，因此，再热汽温的降低幅度较大。 对于滑压配汽机组，负荷下降时，高压缸排汽温度稳定，再热蒸汽温度和过热蒸 汽温度一样能维持在一个相对稳定的数值，有利于提高机组的热经济性。 发电机的变工况是指发电机效率”。与机组电功率之间的关系，即 玑= 厂( 札) 。其中发电机效率啦考虑了发电机轴承耗功等全部损失a 一般情况 下，其数值随着负荷的降低略有下降。图3 1 所示为胜利发电厂群2 汽轮发电机组 发电机效率札随负荷变化的关系曲线，即为机组变工况经济性分析时发电机效 率选取的依据。 享 潞 较 暴 删 ，一r j ， 7 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 发电机负荷m w 图3 一l 发电机效率变化曲线 1 6 9 8 7 6 5 4 3 2 o 撼 g g i g g | 喊 髫| 魄 o 浙江大学工程硕士毕业论文第三章火电机组变工况运行经济性分析 3 3 热经济分析中的顺序扰动解除法 九十年代以前，确定电厂热经济指标的的方法几乎毫无例外的是对机组进行 “热力考核实验”，实验按电力工业部标准( a s m e 标准) 进行。实验目的【1 8 】主 要是确定额定工况( 或接近额定工况) 下机组的能耗。考核机组性能在额定工况 下是否达到制造厂家给定的热经济指标或机组大修前后热经济性能方面的改进。 当时由于技术条件的限制，不能同时记录与热经济性有关的众多热力参数，热力 实验考核所用数据不多，主要数据是发电机功率、主汽温、主汽压、再热汽温、 再热汽压、排汽压力、除氧器及以前各加热器抽汽给水参数和给水流量。 用“热力考核实验”模型进行在线监测，存在以下问题： ( 1 ) 流量测量不够精确。用压力和温度补偿法计算出来的流量结果存在系 统测量误差。 ( 2 ) 系统分析功能不完善。除主再热蒸汽参数、排汽参数引起能耗偏差可 用修正曲线确定外，其他原因不能分析。 ( 3 ) 不适于较低负荷工况。在较低负荷工况下，流量表误差、汽轮机内效 率变化较大，以此为基准的计算结果误差也大【驯。 九十年代以后，林万超教授完善了前苏联学者库兹涅佐夫的等效焓降法，该 方法在汽轮机参数不变的情况下可以对系统结构及辅助设备进行定量能损分析， 在火力发电节能理论方面做出了贡献。负荷变化必然引起通流参数的变化，当负 荷变化较大时不能或只能近似使用等效焓降法。以等效焓降法为模型开发的能损 分析系统在九十年代初问世，在线监测的负荷范围仍是在额定负荷附近，在负荷 变化较大时不予监测。当时由于国内装机容量不足，用电紧张，大型机组基本在 额定工况下运行。随着电力事业的发展，装机容量不断增加，大型机组参加调峰 成为必然，因此对火电机组节能在线监测系统提出了更高的要求。等效焓降法属 于静态系统分析法，对