（检测技术与自动化装置专业论文）基于主元素分析的火电厂热平衡计算应用研究.pdf

中文摘要 随着电力市场的逐步扩大和竞争的日益激烈，电厂不仅要满足维持机组正常 稳定运行，同时还要尽可能地使整个发电厂保持在最为经济的运行状态。热力系 统性能计算和热经济性分析在降低机组煤耗，提高火电厂运行效益方面具有重要 的作用。 火电厂热力系统的经济性分析是论文研究的重点之一。火电厂热力系统热经 济性计算是设计热力系统、分析和指导已有电厂安全经济运行的基本手段。论文 在热平衡矩阵法的基础上，考虑到实际热力系统的运行特点，围绕火电厂热力系 统的通用数学模型、机组的热经济性以及相关软件的开发等问题，建立了机组通 用热交换设备模型，并且计算出了全厂综合热经济性指标等。 本文以当前典型的6 0 0 m w 火力发电机组为例，列出了通用矩阵热平衡方程式， 采用直观的图形化建模方式，并将其应用到机组原则性热力系统分析中。文中建 立了一种m a t l a b 与v i s i o 相结合的新的可视化图形建模编辑环境，在图形化建模 过程中，实现了s i o 生成的图形文件以a c t i v e x 控件的形式被m a t l a b 所调用，提 取系统结构的连接管道和设备节点的相关参数，生成了热力系统关联矩阵，从而 进行热力系统性能计算，同时也实现了以m a t l a b 为平台构建可视化操作的g u i 图形交互界面，将热力系统热平衡计算结果显示，以3 0 0 m w ，6 0 0 m w 机组为例说明 构建过程。 论文对矩阵形式的热力系统分析方法进行拓展研究及实际应用，进一步利用 主元素方法分析热效率状况，旨在为节能工作提供一种有效的系统分析工具。主 元素分析方法同时也是多变量统计过程中考察机组运行安全与效率的重要方法之 一。采用基于主元素分析的方法对火电厂d c s 系统历史站所存储的机组运行数据 进行降维处理，找出影响发电厂效率的关键变量找出影响效率的主要因素，对其 进行优化控制，提高热效率。并以6 0 0 m w 湿冷机组与6 0 0 m w 空冷机组为例说明 主元素分析对热效率优化的主要作用。 关键词：热力系统；主元素分析；矩阵法；热经济性分析；图形化建模 分类号：t p 2 7 3 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee l e c t r i cm a r k e te x p a n d i n gg r a d u a l l y ，m a n a g e r so fc o a lp o w e rp l a n t sc a l l n o ts a t i s f i e dw i t ht h a tu n i t sa 船w o r k i n go r d e r l y t h e ya l s ow a n tt h a tt h eu n i t ss h o u l d r u na se c o n o m i c a l l ya sp o s s i b l e t h ep e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o no f t h e r m o d y n a l n i cs y s t e m a n dt h e r m a le c o n o m i ca n a l y s i sa l ev e r ys i g n i f i c a n c et oe c o n o m i co p e r a t i o na n d e n e r g y s a v i n go f c o a lp o w e rp l a n t t h ee c o n o m i ca n a l y s i so f t h et h e r m o d y n a m i cs y s t e mi so n eo f i m p o r t a n ts t u d i e si n t h i st h e s i s p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o no fh e a te c o n o m i ca b o u tt h e r m o d y n a m i cs y s t e mo f c o a lp o w e rp l a n ti sab a s i cm e t h o di nd e s i g nt h e r m o d y n a m i cs y s t e m , a n a l y z i n ga n d d i r e c t i n g t h es a f ee c o n o m i co p e r a t i o no ft h ec o a l p o w e rp l a n t c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fe f f e c t i v er t m n i n gt h e r m o d y n a m i cs y s t e m , ag e n e r a lm a t hm o d e l i n go f h e a t e ra sw e l la sa n a l y s i so f t h e r m a le c o n o m i c a ls y s t e mw e l ed e v e l o p e do nt h eb a s i co f h e a te q u a t i o nm e t h o d s ，w h i c hw a s s u p p l i e dt ob u i l d i n ge q u i p m e n tm o d e l i n g t h eu n i to f 6 0 0 m wc a p a c i t yt h e r m o e l e e t r i e i t yg e n e r a t i o nw i l t st a k e na sa ne x a m p l e i nt h i st h e s i s ，t h eg e n e r a lm a t r i xh e a tb a l a n c ee q u a t i o n sw c l ei n t r o d u c e d , t h e nt h e d i r e c t - v i e w i n gg r a p hm o d e l i n gm e t h o dw e r es e l e c t e d ，a n di th a sb e e na p p l i e di nt h e p r i n c i p l e dt h e r m o d y n a m i cs y s t e ma n a l y s i s an e wd i r e c t - v i e w i n gg r a p hm o d e l i n g m e t h o dw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o m b i n e sm a t l a bw i t hv i s i oi nt h i st h e s i s t h e p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt od e c r e a s ed i m e n s i o n so f p o w e rp l a n t d c sh i s t o r i c a ld a t a , a n dt h ek e yv a r i a b l e sw h i c ha f f e c tt h ep o w e r p l a n te f f i c i e n c yw e l e f o u n do u t s oi tc 趾b ej u d g e dw h e t h e rp o w e rp l a n tr u n si nt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y c o n d i t i o n0 1 n o t i nt h ev i s i b l eg r a p hm o d e l i n gp r o c e s s ，t h ev i s i og e n e r a t i n gg r a p hf i l e s c a l lb ec a l l e db ym a t l a bi na c t i v e xc o n t r o l ，t h e ng e n e r a t i n gt h et h e r m o d y m m i e s y s t e mr e l e v a n tm a t r i xb ye x t r a c t i n gt h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fe o r m e e t i n gp i p e l i n ea n d e q u i p m e n tn o d e ，w h i c h c a l lc a l c u l a t et h et h e r m o d y n a m i c s y s t e mp e r f o r m a n c e s i m u l t a n e o u s l y , t h eg u lw h i c hb a s e do nm a t l a bw a sc o m p l e t e d ，w h i c hc a l l d e m o n s t r a t et h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h e3 0 0 m wa n d6 0 0 m w t h e r m o d y n a m i cs y s t e m b a s e do nt h et h e o r i e so ft 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 ，t h es t u d yo nt h e a p p l i c a t i o no f m a t r i xm e t h o df o rp o w e rp l a n tt h e r m o d y n a m i cs y s t e ma n a l y s i si sd o n et o p r e s e n t 缸e f f i c i e n ts y s t e ma n a l y s i st 0 0 1 i nw h i c hp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i si s f u r t h e ru s e dt oa n a l y z et h e r m a le f f i c i e n c yt ob eb e t t e ro rn o t i ti sa l s oa k c yt e c h n i q u e f o rt h es a f e t yo p e r a t i o na n dp r o d u c t i v i t yo fp o w e rp l a n ti nm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a l p r o c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y a tl a s t ，t h ep r i n c i p l ec o m p o n e n t sw h i c he f f e c tt h et h e r m a l e f f i c i e n c yw e r ef m do u t , a n dt h e nc o n t r o lt h ep r i n c i p l ec o m p o n e n t si no r d e rt oe n h a n c e t h et h e r m a le f f i c i e n c y ，a tt h e $ a n a et i m ew et a k et h ew a t e rc o o l i n gu n i ta n da i rc o o l i n g t m i to f6 0 0 m wc a p a c i t ya s a p p l i c a t i o ne x a m p l e sw h i c hp r o v e dt h ep r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i se n h a n c e d t h et h e r m a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：t h e r m o d y n a m i cs y s t e m ；p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ；m a t r i xm e t h o d ； e c o n o m i ca n a l y s i so f t h e r m o d y n a m i cs y s t e m ；v i s i b l eg r a p hm o d e l i n g c l a s s n o ：t p 2 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 岔躺翠 导师签名： 在统 签字日期：刎咿7 年堋日签字日期：力7 年，2 ，月矿日 独刨世直明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字e t 期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师李平康教授的悉心指导下完成的，李教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来李老 师对我的关心和指导。 杜秀霞老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，并且指导我 们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 在此向杜老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，国俊丰、张伟、赵恒、金涛涛、李婷婷、黄 绿娥、杨敏、张洁浩、王鹏、赵利策、张兵等同学对我论文中的热平衡计算和主 元素分析等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我真挚的感激之情。 另外也感谢我的父母，我的亲人、我的同学和朋友们，他们的理解和支持使 我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 选题的目的及意义 1绪论 我国是一个能源大国，同时也是一个人均资源匾乏的国家。据统计，我国人 均能源为世界平均值的4 5 左右，但能耗强度为世界平均值的2 3 倍以上。尤其 是一些高耗能部门与国际水平相比之下，每年导致多耗能2 q 亿吨标煤。基于这 种情况下，国家把实旄可持续发展战略放在更突出的位置，大力提倡节约能源， 提高资源利用率，坚持“资源开发与节约并举，把节约放在首位，依法保护和合理 使用资源，提高资源利用率，实现永续利用”的方针。 目前，我国的能源结构以煤为主，其它能源所占的比重还比较小，因而火电 能耗水平直接关系到我国能源可持续发展战略，火电能耗节约则具有非常重要意 义，提高火电厂效率势在必行。中国煤电采编部在火电机组供电煤耗状况调查 分析及对策研究报告中调查得出，1 9 8 0 年全国火电机组发电煤耗和供电煤耗分 别为4 1 5 克千瓦时和4 4 8 克千瓦时，到2 0 0 0 年，。已分别下降到3 6 3 克千瓦时 和3 9 2 克千瓦时，如图l - l 所示。据统计，2 0 0 2 2 0 0 6 年，供电标准煤耗由3 8 3 克千瓦时下降到3 6 6 克千瓦时( 见表1 1 ) 。从公布的统计数据可以看出，距离 2 0 3 0 年末全国平均供电煤耗降低到3 3 0 克，千瓦时( 接近于日本9 0 年代末水平) 的 指标还任重而道远。同时，作为我国火电站主力机组的2 0 0 3 0 0 m w 的燃煤机组 多为我国自行设计和制造的，它们的供电煤耗为3 7 0 3 9 0 克，千瓦时，而进口的 同参数机组则为3 3 0 3 4 0 克千瓦时，工业发达国家的先进水平仅为3 1 7 克标准 煤千瓦- 时【l 】，其差距十分明显，据此估计我国每年就需多耗煤0 8 亿吨。因此， 火力发电厂的节能潜力是巨大的，如果节能处理得当，以2 0 0 6 年底全国平均供电 煤耗3 6 6 克千瓦时为对照基础，未来3 0 年可共节约标煤2 4 8 7 亿吨砼1 。这就要求 相关科技人员在新机组设计时就应注意吸收国外的先进技术，同时对现有运行机 组进行技术改造和节能挖潜，而火电厂效率优化分析在节能挖潜方面具有明显的 优势。 表1 - 12 0 0 2 2 0 0 6 年全国发电企业供电煤耗 年份2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 供电煤耗( 克千瓦时) 3 8 33 8 0 3 7 63 7 03 6 6 随着单机容量和总装机容量的日益增大，标准煤耗的绝对量增加了，因此降 低能耗水平是火电发展的主要方向。节能是我国能源战略和政策的核心，火力发 电厂既是产能大户，又是耗能大户，着力降低火力发电厂供电煤耗是实现电力工 业节能的一项切实可行的工作，而通过热力系统的定量分析与计算，准确获得机 组煤耗指标则是达到这一目标的先决条件。在我国北方地区，由于富煤缺水，空 冷机组得到广泛使用。空冷机组的效率分析及优化设计对我国节能同样具有非常 重要的作用。 莒 韫 十 辑 图1 - i8 0 年代以来我国火电煤耗走势曲线 f i g u r e l - 1t h et h e r m a lp o w e rc o a lc o n s u m p t i o nt r e n di no u rc o u n t r ys i n c e1 9 8 0 火电机组单机容量增大，热力系统结构也变得更加复杂，其热经济性计算方 法随之交得更为繁琐【l 引。然而随着计算机和计算数学的发展，计算机仿真技术在 火电厂热力系统热经济性能分析开发过程中起到了重要的作用，采用图形模块化 建模技术，使得建模过程变得直观、方便、快速、有效，极大的缩短了建模的时 间。对火电机组热力系统热经济性进行定量计算分析，降低系统建模难度，提高 能耗分析的准确性和精度，具有极为重要的理论意义和现实意义。 1 2 热平衡计算经济性分析国内外研究现状 1 2 1 国外热平衡研究现状 回热加热发电机组及其热力系统是火电厂的重要组成部分，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之一，对于电站的经济性诊 断和节能工作有十分重要的意义。火电厂热力系统计算的核心是对回热加热器的 热平衡式进行求解，求得各抽汽系数，然后根据汽轮发电机组的功率，求解汽轮 机进汽量以及机组热经济指标或者根据汽轮机的进汽量确定汽轮发电机组的功率 f 峋。 随着计算机技术的飞跃进步，机组经济性能分析在火电行业的应用得到迅速 2 发展，经济性能分析已经成为支持电厂运行的必备软件。性能监测是以美国机械 工程学会a s m e 的电站性能试验规程为基础的，早期由于测量元件的不可靠和其 它一些技术问题，电站性能监测仅仅是d a s 系统中的一个附属部分，只能完成诸 如运行参数的监视、记录、越限报警等简单的功能。七十年代热力系统分析软件 已纷纷涌现，比如有美国g e 公司的p e p s e z l 。 目前世界各国的各大公司研制的d c s 监控系统都具有热平衡计算经济性监测 和评价等功能1 4 j 。如美国贝利( b a i l e y ) 公司的i n f i 9 0 t ”、西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司的 w d p f ”、德国西门子( s i e m e n s ) 公司的t e l e p e r m - m e ”，日本日立( h i t a c h i ) 公司 的h i a c s 3 0 0 0 扪、瑞d ：a b b 公司的p r c o n t r o l - p 1 9 1 、美国e p r i 公司的p d m 1 0 】等。 这些商业用性能监测软件大多具有以下功能：1 ) 有效化测量数据；2 ) 实时分析 电站性能；3 ) 诊断运行中出现的问题；4 ) 分辨出某一单独设备的性能下降情况； 5 ) 进行不同燃料不同运行策略仿真【1 1 1 。 西屋电力公司和其它一些电站研究机构，分别开发研制了许多电站性能监测 热平衡分折整套系统嘲。这些软件实用性很强，采用了基于窗口的图形用户界面、 健全的数据基础，并与d c s 系统相兼容以满足电站的实际需要。这些性能监测软 件既能对整个电站性能进行监测，又能提供一系列专门设备的监测模型，如锅炉、 汽轮机、发电机、凝汽器、磨煤机和冷却塔等。用户可以根据自己的需要进行组 装。 比利时s i m t e c h 公司开发i p s e p r o 应用软件，用于热力系统性能的仿真研究， 软件具有可视化直观、使用方便、在线帮助等优点 7 1 。有较全面的热工对象模型库、 算法库，并提供再现修改和生成功能。现有主要模块包括：锅炉、燃烧室、凝汽 器、冷却塔、除氧器、汽包、扩容器、燃气轮机、齿轮箱、发电机、换热器、抽 汽冷却器、电机、管道、空气预热器、泵、分离器、阀门等。 由美国e p r i ( t h ee l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 组织开发研制的运行能源 管理系统o e m 是电站在线性能监测与诊断的一个有效应用，此能源管理系统通过 在线优化设备调度，使电站以最小的费用满足当前的负荷要求【1 2 】。它以设备能量 转换特性和电站运行负荷为基础，通过运算快速而准确地确定单元机组优化配置 和电站运行轮廓。为了提高单元机组热效率，e p i u 一方面建立了一个先进性能监 测软件a d v a n c e dp e r f o r m a n c em o n i t o t i n ga n di n s t r u m e n t a t i o np r o g r a m 系统，用以证 明应用现代性能监测设备后电站性能和系统配置能力的提高。另一方面e p r i 制定 了一套准则来帮助电站分析热效率降低的原因，这套准则的实用性在v i r g i n i a 电力 公司的m t s t o r m 电站1 号机组上得到了证明。e p r i 在提高热效率方面做的另外一项 有意义的工作便是负责组织开发研制了一个降低热耗率专家系统h e a tr a t e d e g r a d a t i o ne x p e r ts y s t e ma d 、，i s e r ，用它来分析和诊断燃煤电站热效率和可控参数 3 韭塞窑适太堂亟i 盆塞 的偏差和趋势，从而提供合理的性能偏差原因并提供校正动作【1 1 。 e p r i 开发的电厂热平衡计算监测工作站是一套独立的在线诊断子系统，可以 诊断和分析整个核电厂和火电厂以及电厂中每个设备的运行状况。运行人员可以 根据信息来调整运行，检修人员可以根据信息确定和安排检修任务，工程技术人 员可以判断设计改进的效果。由e p r i 开发的电厂检测工作站为便于用户安装执行 的都是通用标准，这样工作站可以容易地复制到另一个条件相似的地方使用，以 便于系统升级和适应操作条件，改变可得到的典型计算结果包括锅炉效率、汽机 效率、汽机循环热评价、冷凝器运行情况、给水加热器运行情况、空气预热器情 况可控制的损失参数、在线机组递增热效率、不确定性分析等。 德国s i e m e n s 公司开发的在线热平衡检测计算专家系统，能根据运行工况， 通过数学模型的计算，获得热力参数的期望值，并将这些计算值与实时测量值进 行比较，从而发现其中存在的偏差，进而对热力系统的运行经济性进行评价【9 】。 综合国外的发展状况和发展趋势，经济性监测诊断系统的硬件正由集中向分 布式的工作站方面发展。而软件功能则从简单计算到分析，正朝通用化，智能化， 专门化方向发展。诊断内容正从整体经济性诊断系统的计算向定量分析影响机组 经济性偏差、原因的深度和多机之间的优化调度的广度发展。同时，随着国外经 济性能研究的发展，我国在热平衡计算发展中也取得很大成果。 1 2 2 国内热平衡计算方法研究现状 火电机组热力系统定量分析是火电机组经济性诊断的重要组成部分和进行汽 轮机组经济性诊断的有效手段。国内最早的火电机组热力系统计算方法是“常规热 平衡法 【”】，后经改进简化计算发展为“简捷热平衡法”，这是热力系统计算的经典 方法。其特点是计算可靠，但过程繁琐、速度慢，热力系统的局部变化经济性定 量分析需进行热力系统全面计算，工作量大。五十年代美国s a l i s b u r y 提出的加热 单元概念，传入我国。由马芳礼教授创立了“循环函数法”【1 4 1 大大简化和方便了热 力系统计算和分析。在六十年代后期，前苏联的库兹涅佐夫首先提出了“等效热降 法”，七十年代传入我国，得到拓展，经“六五”作为重点节能项目由西安交通大学 林万超教授的研究，使其作为一种新的热工理论得以创造和完善，该方法以快速、 准确、简捷的特点成为火电厂热力系统局部定量分析的主要工具。目前，“循环函 数法”和“等效热降法”这两种方法已成为我国火电机组热力系统定量计算的主要方 法，得到广泛应用，为我国火电行业节能工作做出了巨大贡献。热力系统分析方 法中，分析法是从能量“质”的角度进行分析，热平衡法和循环函数法是从能量“量” 的平衡角度进行分析。而“等效热降法”抽汽效率的概念则有机结合了能量的“质” 4 和“量”，使其在热力系统的定量分析中显示了突出的优点。经过几十年的研究，该 方法在解决湿冷机组的热力系统分析中已很完善，但对空冷机组的热力系统还没 有建立起如湿冷机组那样方便快速的定量分析模型。因此有必要对此开展研究， 以便空冷电厂的工程技术人员进行热力系统的分析和改进。目前，国内研究的主 要有武汉水利电力大学的“电厂热力系统静态特性计算软件”】、上海交通大学的 “可组态的汽轮机组在线热经济性分析系统”【1 6 1 、东南大学的“全图形化热力发电厂 通用计算软件- 4 切。还有其他科研院所及高校，也取得了一定成蒯1 8 】，主要采用的 方法为： 1 传统热平衡法【l 刃 传统热平衡法方法是伴随热力发电厂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。该方法是发电厂设计、热力系统分 析、汽轮机设计的最基本的方法，也是热力系统求解的基础，至今还在广泛应用。 为避免繁复的热平衡方程组联立求解，该方法应用时通常从高压加热器开始逐级 求解，即必须已知通过高加的给水流量或将其假设为一千克，因此属于定流量的 计算。 2 循环函数法【2 0 】 循环函数法是简化分析方法，由马芳礼先生提出的。传统循环函数法在热力 学第一定律的基础上，把整个热力系统划分为若干个单元以及引入单元进水系数 的概念。又将整个热力系统循环分为主、辅循环，并且满足叠加性。在局部定量 计算中，本单元内热力参数的变化导致单元进水系数变化最终引起凝汽系数的改 变，从而简化了热力系统的分析。循环函数法对于编制通用性的程序提供了良好 的工具。该方法分析求解循环热效率的时候，对概念的理解要求较高，凝汽系数 的推导过程及其结果繁琐，概念性不够理想，对各种热流所组成辅助循环的处理 较复杂。阎水保先生等将循环函数法进行改进，利用矩阵理论通过演绎方法从热 力系统的广义数学模型出发，导出了循环函数法的主要流量关系，提出了热力系 统可以看作是由主循环与若干辅助循环的叠加闭。在热力系统中，主循环中所出 现的单元是热力系统的基本单元；每一个辅助循环都有一个特殊单元，该特殊单 元表征了该辅助循环。特殊单元均为逆向单元。描述热力系统的总加热单元数等 于主循环的单元数加上辅助循环的个数。这种改进方法使流量计算规范、简捷， 适合计算机处理。 3 等效热降法【2 l l 等效热降法属于定流量的计算方法，由前苏联专家库兹涅佐夫提出，2 0 世纪 7 0 年代末传入我国，西安交通大学林万超教授等在这一领域内做了大量的工作， 8 0 年代得以推广应用【1 4 1 。等效熟降法先要计算每段抽汽的等效热降，进而计算出 5 j e 塞銮遵太堂亟途塞 新蒸汽的等效热降，而将任何不属于回热系统本身的辅助汽水流动均归结为对新 蒸汽等效热降的影响，将主系统以及辅助汽水流对新蒸汽等效热降的影响叠加， 可最终获得热力系统热经济性的定量结论。 等效热降法是基于热力学的热功转换原理，考虑到热力系统结构和参数的特 点，经过严密的理论推导，导出几个热力分析参量，用以能量利用程度的一种方 法。等效热降法既可用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统局部分析定量。 它摒弃了常规计算的缺点，不需要全盘重新计算就能查明系统热经济性的变化， 即用简捷的局部运算代替整个系统的繁杂计算。但是，所需前提是新蒸汽参数不 变。其特点是：局部运算的热工参数概念清晰，结果与一般热力学分析几乎完全 一致。计算简捷而又准确，与真实热力系统相符。 4 矩阵法【2 2 , 2 3 , 2 4 矩阵法最早由陈国年、郭丙然等提出，矩阵法根据加热器的能量平衡和质量 平衡方程构造一个矩阵一伯一，一r 1 矩阵【2 5 1 。华北电力大学郭民臣教授在原有的 分析法基础上，提出了改进的热力系统矩阵分析法，该方程统一了热平衡的表达 形式，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1 2 6 1 。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，提出了“定功率”矩阵方程式。在已知功率时可一 次性求出汽轮机迸汽量和各加热器抽汽量，避免逐次叠代运算，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【2 7 】。 矩阵的系数与热力系统的结构相对应，热力系统结构、工况的变化只要改变 矩阵的系数就可以了，突出的优点是“数”与“形”结合，简化了计算机编程，且容易 实现。随着计算机技术的发展，采用并联矩阵法结合图形化建模环境，对分析热 力系统具有较强的发展前景。 总之，随着发电厂热力系统分析方法的不断完善，在指导电厂经济运行方面 的分析计算作用也越来越重要。开发火电厂热力系统分析软件时应在各种分析方 法中选择适当的一种或多种方法。 1 3 论文主要工作 本文的主要工作就是以大型火电厂热力系统为应用背景，对系统建模方法和 热经济性分析进行研究。本文在总结国内外对热力系统分析方法和计算机仿真技 术发展的基础上，以并联矩阵法为基础，引入流体网络拓扑分析法，通过深入分 析热力系统结构，推导了基于流体网络法的热力系统的矩阵方程。结合现代计算 机技术，开发了通用可视化建模分析软件包。在该软件包的基础上，分析6 0 0 m w 6 机组空冷、湿冷两种不同冷却方式下的热力系统结构，通过主元素分析的方法验 证机组是否处于预定的效率范围内，指导火电厂热力设备等系统运行在尽可能低 的单位供电煤耗状态。该软件包可以用来作为电厂设计、经济运行、监测、管理 等方面的可选管理决策工具。具体工作可归纳为以下几方面： 1 在定性分析火电厂热力系统热效率韵前提下，进一步定量分析机组热效率， 得出热平衡计算的数学模型并联矩阵法，综合考虑了热力系统各项经济指标。 为火电厂锅炉汽轮机发电系统的分析和计算提供理论基础，同时对湿冷机组与 空冷机组应用进行了研究探讨。 2 分析了热力系统的结构，为实现系统的通用性和软件的可扩展性建立一套以 流体网络理论为基础的火电厂热力系统计算的网络法。并对热力系统流体网络的 图形化建模软件包进行了总体规划和设计。对加热器和凝汽器等重要设备进一步 建立了通用热交换器数学模型，并在此基础上进行图形化建模热平衡计算的研究。 。 3 深入分析了软件包开发过程中的各项关键技术，利用a c t i v e x 控件技术解决 了m a t l a b 与m i e r o s o i to f f i c ev i s i 0 2 0 0 3 之间的交互链接问题，为保证软件包的 工程应用奠定了基础。同时实现了以m a t l a b 为平台构建可视化操作的g u i 图形 交互界面，将热力系统性能计算结果显示、生成e x c e l 报表并且保存等功能。 4 结合实际热力系统进行图形化建模，分析了几种不同结构的热力系统，通过 计算和分析，验证了该软件包的适用性，对热平衡计算的应用技术给出建议。并 且针对不同冷却方式下机组凝汽器压力不同的情况下，分折了空冷系统凝汽器系 统的工况变化对整个机组经济性的影响，通过变工况理论分析实现了对空冷系统 热效率的优化设计。 5 硼 究了d c s 系统中数据中的相关关系，设计了e d p fd c $ 系统与m a t l a b 相连接的办法，利用m a t l a b 软件中主元素分析的功能，通过多变量统计学中的 主元素分析来更准确的判断系统热效率是否运行在预定的范围内，并判断出对热 效率影响明显的变量。 效率优化是目前我国火电行业急需解决的一个问题，对节能有着重要意义。 本文基于主元素分析对d c s 历史数据进行降维处理和效率分析，采用矩阵形式的 热平衡计算方法，并利用图形化建模技术，分析了6 0 0 m w 湿冷机组与空冷机组不 同冷却方式下的机组效率的变化馈况。 7 2 火电厂热力系统过程分析 2 1 火电厂热力过程概况 2 1 1 火电厂整体热力系统过程 热力系统是电厂实现热与功转换的热力工艺系统，是电厂的核心部分，它通 过热力管道及阀门将各热力设备有机地联系起来，以在各种工况下能安全、经济、 连续地将燃料的能量转化成机械能最终转变为电能。火电厂热力过程主要分为两 大部分。 1 燃烧系统。大型火电厂为提高燃煤效率都采用燃烧煤粉的办法。其主要过 程是，用火车或轮船等把煤运入发电厂储煤场，这种煤经过碎煤设备破碎后，由 皮带运输机送入锅炉房内的原煤仓。煤从原煤仓落入给煤机，又给煤机送给磨煤 机，并将其研制成煤粉，同时送入热风来干燥煤粉。磨制好的煤粉由一次风机送 来的冷热一次风混合并携带下，由喷燃器喷入炉膛内进行燃烧。助燃用的空气由 送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气，送入炉膛 燃烧。在进入炉膛之前，先在空气预热器中接受排烟预热，以减少排烟热损失， 并提高空气温度，改善燃烧环境。炉膛内的燃烧产物高温烟气，在引风机的 引风作用下，沿着锅炉本体倒u 形烟道依次流过炉膛、过热器、省煤器和空气预 热器，将热量逐步传递给水、蒸汽和空气。降温后的烟气流入除尘器进行净化， 净化除尘后的烟气则被引风机抽出，排入大气。将燃料的化学能装换为热能。燃 煤燃尽的灰渣落入炉膛下面盼渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起被水冲至灰 浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。 图2 - 1 燃烧系统热力系统图 f i g u r e 2 - 1c o m b u s t i o nt h e r m a ls y s t e m 引风机 么电 垫力丞统过程盆赶 2 汽水系统。如图2 2 ，汽轮机内做完功的乏汽被凝汽器冷却成凝结水 、凝结 水经凝结泵送到低压加热器加热，然后经过除氧器除氧。在除氧器水箱内的水经 过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热， 然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁 管的上下两端通过联箱与汽包连通，汽包内的水通过水冷壁不断循环加热，吸收 煤燃烧过程中所放出的辐射热量。部分水在水冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽， 这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为 过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的 过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽 轮机转子转动，形成机械能。锅炉产生的新蒸汽进入汽轮机后逐级进行膨胀，蒸 汽部分热能就转变为汽流动能；高速汽流施加作用力于汽轮机的叶片上，推动了 叶轮连同整个转子旋转，汽流的动能于是被转换成汽轮机轴上的机械能。汽轮机 带动发电机，利用切割磁力线感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。为了 进一步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中问级抽出作过功的部分蒸汽，用 以加热给水。在现代大型汽轮机组中都采用这种抽蒸汽回热加热给水循环。此外， 还采用再热循环，即再热式机组，它把在汽轮机高压缸做功之后的蒸汽，送到锅炉 的再热器重新加热，使再热蒸汽提高到一定( 或初蒸汽) 温度后，送到汽轮机中压缸继 续做功。从中压缸送出的蒸汽，再送入低压缸继续做功。在蒸汽不断做功的过程 中，蒸汽压力和温度不断降低，最后排入凝汽器并被冷却水冷却，凝结成水。凝 结水再经过凝结水泵打至低压加热器，经过除氧器除氧，给水泵打压到高压加热 器，经省煤器进入锅炉，再过热器中把水已经加热到过热的蒸汽，送至汽轮机做 功，这样周而复始不断循环做功。 图2 - 2 火电厂热力系统图 f i g u r e 2 - 2t h e r m a ls y s t e mi np o w e r p l a a t 9 j e 立窑逼盘堂亟i 盆塞 ( a )( b ) 图2 - 1 热力系统做功过程原理图 ( a ) 原则性热力系统图( b ) 热力循环过程t - s 图 f i g u r e 2 - 3t h e r m o d y n a m i cs y s t e ma c t i n gp r o c e s s ( a ) p r i n c i p l e dt h e r m a ls y s t e m ( b ) t h e r m o d y n a m i cc y c l ep r o c e s st - s 火电厂热力循环采用朗肯循环方式，朗肯循环蒸汽动力装置包括四部分主要 设备：蒸汽锅炉、蒸汽轮机、凝汽器和水泵。如图2 3 所示，朗肯循环由以下四个 理想化的可逆过程组成： 1 2 ，l 一2 可逆绝热膨胀过程，过热蒸汽以及再热蒸汽在汽轮机中绝热膨 胀并对外做功； 2 _ - 3 定压定温放热过程，在汽轮机中膨胀做功后的乏汽在凝汽器中定压定温 凝结为饱和水，蒸汽凝结释放的热量被冷却水带走； 3 _ _ 4 可逆绝热压缩过程，水在水泵中被绝热压缩，压力提高； 仁 _ 6 1 定压可逆加热过程，在锅炉中水工质定压吸热，经过预热过程； 其中4 _ - 5 汽化过程； - 6 过热过程；6 1 后成为过热蒸汽。 在热能与机械能的相互转化过程中，经常伴随着热交换。当热力系统与外界 之间存在温差时，系统通过外界相互传递的能量称为热量，记为q ，单位与功同， 为j 。热和功不能直接转化，必须通过系统介质来完成。热量可表示为阳= t d s ， s 称为熵。 火力发电厂一般都采用凝汽式汽轮机。凝汽式汽轮机组是由汽轮机及回热加 热器与抽汽管阀、凝汽器、给水泵、凝结水泵、疏水泵等组成，通过热力管道构 成蒸汽热力循环系统。汽轮机组的热力性能试验是通过测量主蒸汽、再热蒸汽、 各级回热抽汽、汽轮机各汽缸排汽、回热加热器与水泵进出口工质等的热力参数 温度、压力和主蒸汽、主给水或凝结水等的流量，根据汽轮机组内部各设备或部 件的热力过程耦合关系，建立复杂的质量流和能量流平衡方程，求解出汽轮机各 1 0 图2 - 4d c s 控制系统热力过程主图 f i g u r e 2 - 4t h e r m o d y n a m i cp r o c e s si nd c sc o n t r o ls y s t e m 汽缸的相对内效率、机组绝对内效率、热耗率f 2 引。汽轮机组热力性能试验的本质 意义，是通过工程容易实现蒸汽、给水或凝结水的温度、压力和主蒸汽或给水或 凝结水流量的测量，基于质流和能流平衡，计算出汽轮机各级抽气及主要漏汽的 蒸汽流量。发电厂汽轮机组能够周而复始的做功，关键在于处于机组热力循环系 统中冷源的作用的凝汽器系统，而且凝汽器热力系统直接关系到机组的热效率。 2 1 2 凝汽器热力系统 1 凝器汽热力系统 汽轮机的凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的关键部分，内部主要由数以万计的 冷凝管组成，在热力循环中起冷源的作用，冷凝器在汽轮机装置的热力循环中起 冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度，提高循环效率，其主要任务是将 汽轮机排汽凝结成水并在汽轮机排汽口维持一定的真空度【2 9 】。凝汽设备通常由凝 汽器、循环水泵、凝结水泵、抽气设备以及联接管道等组成，它的热力系统流程 如图2 - 4 ，凝汽设备必须完成的基本任务是使汽轮机排汽凝结成水，回收洁净的凝 结水作为锅炉的给水，并在汽轮机排汽口建立并保持所需要的真空。大型火电厂 工作流程如图所示，经由冷却水泵抽来的具有一定压力的冷却水，流过冷凝器的 冷却水管( 简称冷凝管) ，发蒸汽凝结成水时放出的热量带走，而凝结水从冷凝器 底部有凝结水泵抽出，送往锅炉或蒸汽发生器继续使用。 凝汽器按照排汽凝结的方式不同，可以分为混合式凝汽器和表面式凝汽器两 大类。由于混合式凝汽器，需使凝结水与不洁净的冷却水混合，不能作为锅炉给 水，因而在现代的汽轮机装置中一般不采用。表面式凝汽器是目前汽轮机装置中 应用最广泛的凝汽器。根据所用的冷却介质不同，表面式凝汽器分为空气冷却式 和水冷却式两种。今年来，空气冷却式凝汽器由于本身的特点在我国北方诸如内 蒙山西等缺水地区的电站广泛应用p 0 1 。 2 直接空冷凝汽器系统 在我国，发电行业作为仅次于农业灌溉的第二用水大户，水资源保护及节约 用水显得极为重要和紧迫。另外，随着我国西部大开发、我国北方的晋、陕、宁、 蒙四省区煤炭资源丰富，火电工业迅猛发展。但所