（水利工程专业论文）高压加热器最佳更新周期的建模与仿真.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 高压加热器是火力发电机组的重要辅助设备之一，其工作状况直接影响着整个发 电机维的崮力。宅对整个火力发电梳组安全、疆靠、经济迪运符鞫节裁增效起蓑鬟要 作用。在电力能源紧张、供需矛盾突出的今天，人们越来越关心高压加热器的可靠性 趣律数及其更新周麓。 高压加热器设备最佳更新周期的研究是以其经济寿命为前提，以提高机组效率， 降低金韭维修成本，俊发电视组安全、可靠、经济运行为目的，来确定其合理豹使用 年限。 本文稷撵离压加热器豹可靠经特点，在分斩高歪加热器运行规律和故障特征的基 础上，利用技术经济学中的年均总费用最小法，通过充分考虑火电机组高加停运造成 的缀济损失的嚣提下，建立猫压热热器的最佳更新周羯静态帮动态数学模黧。 此外，利用数学模型对蒲山电厂撑1 机组锅炉高压加热器进行了仿真计算和分析， 得龉其科学合理的使用寿命。为今君新枫组高弧加热嚣的更薪王作积累了经验。 通过理论研究建模和实际仿真应用表明，对高压加热器的最佳更新周期的确定非 常实用，它沟火力发奄企业及时地更新高压加热器，减少企业不必要的经济损失提供 了理论依据。所以，这对于提嵩发电厂发电可靠性、减少发电损失和提高发电设备利 用率以及安全运行水平具有十分重要的意义。本文可供发电厂的管理入员参考和借 鉴，具有广泛的推广应用价值。 关键词：高臁加热器最佳更新周期建模仿真 华中稃技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a h i g h e s 鼹辑h e a t e ri s 凇龇m a j o ra u x i l i a r yd e v i c e si np o w e rp l a n t s + 孤f a i l u r e c o u l dd i m 棚ya f f e c tt h el o a do fg e n e r a t i n gu n i t s i td i r e c t l yr e l a t e st ot h es a f e t y , r e l i a b i l i t y o f g e n e r a t i n gu n i t i ti sa l s ov e r yi m p o r t a n tf o rs a v i n ge n e r g ya n dm a k i n ge c o n o m i cp r o f i t s i np 劂p i a r 建w i t he n e r g ys h o r t a g ea n dc o m p e t i t i v ee l e c t r o s 琏e n c e , n o w n 幽y st h e r e l i a b i l i t ya n dr e n e w a lp e r i o d so f 峨巍p r e s s u r eh e a t e rw e r ef o c u s e dm o r ea n dm o r n + t h eo p t i m a lr e n e w a lp e r i o do f ah i 曲p r e s s u r eh e a t e rw a st oe v a l u a t et h es c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l er u n n i n gt i m eo fe q u i p m e n tf o rr e d u c i n gm a i n t e n a n c ec o s ta n di m p r o v i n gw o r k e f f i c i e n c y w n i c hm u s td e p e n d e do nt h em s 耀- c ho f e c o n o m i cl i f ea n d c o a l dg l l a t x t r t h e s a f e t y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m i co f g e n e r a t i n gu n i t s 。 b a s e d0 1 1r e l i a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co f h i g hp r e s s u r eh e a t e ra n dt h em e t h o d 酣t l l el o w e s t c o s te v o r yy e a r , am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sp r e s e n t e di nt h ep a p e rb yu s i n gt h el o w e s t a n m l a lc o s tm e t h o d , w h i c hw a sc o m m o n l yu s e di nt h ee c o n o m i c s 。，a f t e ra n a l y z i n gr u n n i n g c o n d i t i o na n df a u l tc h a r a c t e r i s t i co fh i g hp r e s s u r eh e a t e r , t h es t a t i ca r t dd r n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh i 非p r e s s u r eh e a t e rf o rc a l c u l a t i n go p t i m a lr e n e w a lp e r i o dw e r o m a d er e s p e c t i v e l y ，蟊嚣s o l u t i o no fs i m p l i f y i n gm o d e l 铤避蒯溅m e t h o dw a sa l s o d i s c u s s e d 。 f u r t h e r m o r e , t h es t a t i ca n dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d em o d e lw e r et e s t e do nt h en o 2u n i th i g hp r e s s u r eh e a t e r si np u s h a np o w e rp t a n t t h eo p t i m a lr e n e w a lp e r i o do ft h e s e 蟮醣p r e s s u r eh e a t e rw a s c a l c u l a t e da n da 镒y z e d ，i t 螂s h o w nt h a th i sr e n e w a ll i v e s 赋 r e a s o n a b l ea n de c o n o m i c t i l i se x p e r i e l l c ew i t lb eh e l p f u lf o rt h er e n e w a lo f n e wu n i t sh e a t e x c h a n g e r si nt h ef u t u r e 弱艟r e s e a r c ho fm o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o n i nd i c a t e dt h eo p t i m a lr e n e w a lp e r i o do fa 瓣g hp r e g s 燃r 嚣h e a t e ri sp r a c t i c a l w h i c hc a l ld e c i d e dt h ep r o m p tr e n e w a lo f n e wm i l t sh i g h p r e s s u r eh e a t e r sa n dr e d u c e dt h ep o w e rp l a n tu n n e e e s s a yl o s se f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h i s t e c h n o l o g yi sg o o df o rw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，w h i c hw a ss i g n i f i c a t i v ef o ri m p r o v i n g p o w e re q u i p m e n tr e l i a b i l i t yi np o w e rp l a n ta n ds a f eo p e r a t i o nl e v e la n dr e d 嚣i n gt h el i n e l o s s 。强i sp a p e rc o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dav a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h e m a i n t e n a n c ed e c i s i o no f m a n a g e r si np o w e r p l a n t s k e y w o r d s ：臻g hp r e s s u r eh e a t e ro 鲻m a lr e n e w a lp e r i o dm o d e l l i n g s i m u l a t i o n 挂 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中积经标明弓l 用鲍内容终，本论文不戗含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标骧。本人安全意识到本声明的法律结果由本人承撰。 学位论文作者签名：r 晓乐 日期：2 0 。6 年，月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宛全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子敝，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可欧采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年勰密后适用本授权书。 本论文属于 不保密隧。 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者签名：砭酵荔膏、 鑫期：2 0 。6 年f | 月f 泪 指导教师签名： 缛精 目期：牡6 年 j 月| i 目 华中科技大学硕士学位论文 日i j置 一、提高高压加热器投入率和可靠性的意义 电能是社会发展的主要能源并且和人们的生活息息相关，电力系统安全、可靠、 稳定的运行对国民经济起着越来越重要的作用。 改革开放以来，我国电源建设快速发展，截止2 0 0 5 年底，全国发电总装机容量 已达5 1 亿千瓦，为我国社会主义经济建设提供了强有力的能源保障。其中火电装机 占7 4 5 ，水电装机占2 4 1 ，核电占l 。3 ，火电机组在全国电源结构中占主要地位。 所以，我国是一个以火力发电为主的国家。 随着大机组在电网中的不断增加，对机组的安全可靠性要求越来越高。因设备故 障和事故引起的不安全因素( 直接的和间接的) 也随之增多。然而在机组的设备更新 方面，主要还是凭经验操作“1 。为提高循环效率而设置的给水加热器，作为发电厂的 主要辅助设备，其故障直接影响机组的出力嘲高压加热器停运后，汽轮发电机组发 电出力将降低8 1 2 ，发电煤耗将上升3 5 ，锅炉的水冷壁管也易因超温而受 到损坏。因此，高压加热器的安全、稳定运行将直接影响到发电机组的出力及整个热 力发电厂的热经济性。正常情况下发电机组在高压加热器因故障停运时出力受限1 0 左右嘲。因高压加热器停运还会导致机组效率降低，从而导致发电煤耗增加枷。在当 前全国电力能源紧缺、供需矛盾突出、煤炭告急并且价格居高不下的今天，如果因高 压加热器停运而造成发电损失和效率降低，那真是雪上加霜。 长时间以来，很多专家学者和工程技术人员对高压加热器的故障模式、如何提高 高压加热器投入率的运行方式以及高压加热器停用时对机组熟经济性影响都进行了 详细地分析和研究，得出了许多十分有益的结论。然而从以可靠性为中心的维修角度 分析和优化检修周期的研究并不多，一些文献仅从高压加热器长期过行可靠性分析得 出了高压加热器的壳体检修周期，并没有从经济性角度考虑和研究，而且没有通过综 合技术经济比较来确定。如果能够通过综合技术经济比较得出的高压加热器检修周 期，将对发电企业降低维修成本，提高经济效益，更有指导意义。 如何提高高压加热器的投入率和可靠性是人们十分关心的问题，通过对大量资料 华中辞技大学硕士学饿论文 和现场故障数据纪录研究发现机缀的l 号高压加热器最易受掇，主要原因是因为l 号 端差较大，而且在大多数机组只商一个高压加热器大旁路( 3 号高压加热器串联) f 5 】 这释浚诗结穗孛，一螽塞压燕熬嚣教漳无法z 露瓣露候，整令篱歪麓蒸器缀都要箨运。 所以我们如果提高了1 号高压加热器的可靠性就可以大大提高整个高压加热器组的可 靠性和投入率。现在，发电企业擞然十分重视状态检修，但辩于机组的辅助设备之一 酶毒舔麓熬器设备来说，由于它戆停运还没有纛按造成荸梳这么疆显静磊莱( 实际上 造成间接经济损失也十分可观) ，所以大多数发电企业还是采用事后维修方式来处理 高压加热器故障，这种维掺方式比较被动，往徒闵接造成的机组热经济损失也是十分 可蕊魏，同辩检修赞爝也隧对褥逐年增热。特掰是高压燕热嚣在侵蘑一段辩闻戳詹， 由于高压加热器内的管件的故障模式属于故障递增型，可靠性逐年下降旧。所以一味 约临修，大小修时也仅是查漏、换管、堵漏，没有进行科学触分析，结果叉费时又费 力。筏往蠢高歪热燕嚣敌障停运稔修造成静援灾已经远远高乎高压热熬器豹投资。这 个时候企业因没有有效的评价方i 袅而浪费大量人力物力，使机组的经济效益下降。特 别是蠛修避，无论换罄还是堵砂鼹约工撵中，童律条件瑟劣，易发生人身焱全事故。 所以我们必须研究蹴一种方法，计算出商压加热器设备静更新镯期。由被动变为主动， 也就悬我们将维修的决策建立在掌握设备状态和技术经济分析的基础上，实施真正意 义上豹预防性维修，这样溉可以避免过修失修，也胃以有效避免安全事艘。 二、营内外发藏戳组可靠往管理的现状 国外在这方面起步早，美国电力生产和运瞥者最关心的魁两个方面：一是安全和 可靠懿艇产，这是基骥；二是利润，获褥最大剩澜是发电企熊在索场竞争巾追求豹目 标1 7 l 。魄力工程师和w 靠性工程师紧密结合，对提高杌组可用率需要投入的资金以及 所产生的效益都作详细的分析，开发相应的软件，为发电机缎找出最优化的可用率值， 麸孛达剃最佳妻冬经济效益。对掰鸯更改项髫都避行可靠性与缀济性豹分捞，最经济建 评价更改项目的优劣 8 1 。对于火力发电厂，均怒以最好的可髓睾指标，加戳各项经济 指标( 如煤耗、发电壤、厂用电零等) 来确定最低的上网电价。从而在竞价上网中， 立于不敷之遗。 9 0 年代初美国嗽力研究院( e p r i ) 对发嗽机组设备建藏了一套完撼的设备寿命 2 华中科技大学硕士学位论文 延长控制l e c ( l i f e e x t e n d i n gc o n t r 0 1 ) 及其经济性评价方法是最有代表性的【9 】。同时 美国能源部也提出的一种考虑了环保因素成本概念并涉及运行标准和财政评价方面 的电站技术筛选模型t l c c 模型，t l c c ( t o t a ll i f ec y c l ec o s t ) 被称为总寿命期成 本【埘。是但由于某些设计方面及考核参数的差异，使我们难于直接应用其成果。我们 在借鉴他们的经验和教训时，积极开发适合我国国情和电力企业管理体制下的发电设 备状态检修软件十分必要，迫在眉睫1 1 1 。许多院校和科研单位都已经开展了这项工作， 并取得了很多成果 但在高压加热器设备的更新周期的研究以及相关软件还没有，具体原因有以下几 点： l 没有一套科学的高压加热器更新周期计算方法。 2 高压加热器设备更换后，如果不积极创造良好的运行环境，新设备的高效率和 高可靠性就不能充分发挥。 三、本文的主要研究内容 本文就是在以上原因基础上着手写的，主要内容如下： 对高压加热器可靠性进行理论研究，找出发电机组可靠性与高热加热器可靠性特 征以及它们的指标之间关系 从技术经济角度分析，设备的更新周期确定实际上就是设备经济寿命的确定。设 备经济寿命确定方法通常采用年费用最小法。所以，本文根据高热加热器的故障规律 和可靠性特征选择采用年费用最小法。其中，年费用最小法有分为静态法和动态法。 利用年均总费用最低法建立其静态和动态模型，并用此模型分析和计算高热加热器的 经济寿命，确定高热加热器最佳更新周期。 根据高热加热器经济寿命定义和高热加热器的故障规律，主要在进行如下分析的 基础上建立模型。 1 分析高热加热器的年运行费用 ( 1 ) 从高热加热器停运对机组热经济性的影响分析，找出高热加热器停运后给 水温度和煤耗之间的关系。 ( 2 ) 对机组负荷影响。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 维修费用的计算。 这部分主要是计算高热加热器停运后造成的损失和检修费用，高热加热器的年损 失费用和总的检修费用即年运行费用，又称年运行成本。 2 高热加热器的年均投资。 高热加热器的年均投资就是指高加购买费用年均值。 3 高热加热器的年均总费用。 高热加热器的年均总费用就是年运行费用和年均投资之和。从经济角度来讲，当 年均总费用最低时，高热加热器就应该更换了。年均总费用最低时的年限就是高热加 热器的经济寿命t 。 最后，利用建立的高压加热器经济寿命模型，对蒲山电厂高压加热器最佳更新周 期进行仿真计算和分析。 四、本文的组织结构 本文共分高压加热器可靠性的理论研究、高压加热器最佳更新周期的确定方法、 建立高压加热器最佳更新周期的计算模型、高压加热器最佳更新周期的仿真应用、结 论与展望等五部分 第一部分高压加热器可靠性的理论研究。重点研究了高压加热器的可靠性特性、 故障规律、寿命特征、机组可靠性与高热加热器可靠性以及它们的指标之间关系。 第二部分高压加热器最佳更新周期的确定方法。通过对高压加热器寿命的分析， 得出高压加热器最佳更新周期的确定方法和计算方法。 第三部分建立高压加热器最佳更新周期的计算模型。在是否考虑资金时间价值的 条件下，分别建立起高压加热器最佳更新周期的静态和动态模型。 第四部分高压加热器最佳更新周期的仿真应用。通过充分考虑高压加热器停运造 成的经济损失的前提下建立的最佳更新周期动态模型，针对蒲山电厂进行仿真计算和 详细分析。 第五部分为结论与展望。 4 华中辩技大学硕士学位论文 1 高压加热器可靠性的理论研究 在霹靠往工程审，毒靠缝含义爱捂凌( 逶鬻措产品、设备、元俘、系绕 的性质， 特别指产品不发生故障的性质f 1 2 l 。可靠性管理怒指在预定时间内和规定条件下，保持 系统、设备、部件戚元件规定功能的一系列管联活动，是全颥贯穿系统的规划、设计 蕞l 逢、逡行帮绫修豹企过程懿综合馒管垂翻。鬻篷麴煞器设餐静更新躅麓磷究是鞋毒 靠性管理为中心的状态维修内容乏一。 。 枕组与蹇压翻热器耱状态划分 火力发电机组( 以下简称“机组”) 的可靠性，是指机组在规定条件下和规定时 闯内，完成规定功隧纳能力1 1 4 1 。 1 1 状态的定义 1 、在使用( a c t ) 设备处予簧进行统计评价的状态。谯使用状态分为可用( a ) 羁不可建( u ) 堋。 2 、可用( a ) 设各处于能够执行预定功脆的状态，丽不论其是否薇运行，也不 论其隧够提供多少出力。可用状态包含运行( s ) 和备用( r ) 1 4 1 。 ( 1 ) 运行( s ) 一对手掇组，撂发邀税或落穗壤在电气童处于联接嚣魄力系统工 作( 包括试运行) 的状态，可以怒垒出力运行，计划或非计划降低出力运行；对于辅 助设备，指磨煤机、给水泵、送风机、引风机朔高压加热器瓣，正在( 全鼢力或降低 出力) 隽极缰工撂。 ( 2 ) 备用( r ) 设备处于可用，但不在遴行状态。对于机组又有全如力备用， 计划及备类非计划降低出力备用之区分。 3 、壤组陲糕爨秀( ) 一攫缝达不龚最大容量运行嫒备麓戆情魏 t ) 2if ( t ) d t ( i - 2 ) 4 、可用率a ( t ) ( a v a i l a b i l i t ya tt i m et ) 可用率是指元件或设备在起始时刻正常的条件下，时刻t 正常工作的概率埘。 可靠度与可用率的不同在于，可靠度的定义中要求元件的时间区问( o ，t ) 连续 地处于正常状态，而可用率则无此要求。如果一个元件在时刻t 前发生过故障但又修 复而在时刻t 处于正常状态，那么对可用率有贡献，而对可靠度没有贡献。因此，一 般可用率a ( t ) 大于或等于可靠度r ( t ) 5 、不可用率q ( t ) ( u n a v a i l a b i l i t ya tt i m et ) 不可用率是指可修复元件在起始时刻处于正常状态的条件下，时刻t 处在故障状 态的概率【1 9 1 。因为元件在时刻t 不是处在正常状态，就是处在故障状态。 6 、维修度( m a i n t a i n a b i l i t y ) 维修度是指在规定的条件下使用的设备故障后，在规定的时间( o ，t ) 内完成修 复的概率”9 1 ，记为m ( t ) 。 7 、修复率 修复率是指修理时间已达到某一时刻单尚未修复的设备在该时刻后的单位时间 内完成修理的概率【1 9 1 ，可表示为斗( t ) 。 1 2 3 高压加热器的寿命特征 l 、平均故障时间间隔 平均故障时间间隔( m t b f ) 是对于可以修复系统或设备而言的脚1 ，可用下式表 示： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 耐 m t b f ；琦 c(1-3) y m l i l z 1 式中，盱一第i 个设备从j 一1 次故障到第j 次故障的工作时间h ； n 广第1 个考查设备的故障数； n - - 被考查设备的总数。 2 、平均寿命 平均寿命( 0 ) 是最常用的寿命特征量，一般是对所考虑的设备总体而言的1 2 0 l 。 对于有n 个设备的总体，其平均寿命可用下式表示： z t , 0 = 上l ( 1 - 4 ) 对于可修复设备，平均寿命就是平均故障时间间隔，即 o = m f b f ( 1 - 5 ) 对于 ( t ) 为常数的指数分布，可靠度函数有： r ( t ) = e “t = p 芍= p m b f( 1 - 6 ) 此时，平均寿命与故障率的关系为： o = m t b f = 一 ( 1 - 7 ) 3 、可靠寿命 高压加热器的可靠寿命就是高压加热器设备的可靠度为给定值r 值的高压加热器 设备寿命，用t r 表示，其中r 称为可靠水平。可靠寿命的观察值是能完成规定功能的 高压加热器设备的比例恰好等于给定可靠度时所对应的时 2 0 1 。一般情况下，可靠寿 命t r 是可靠度函数r ( t ) 的反函数： t r = r 1 ( t )( 1 - 8 ) 对于高压加热器设备在偶然故障期时， 为常数的指数分布，由于 r ( t r ) = c 4 “= r( 1 - 9 ) 所以此时高压加热器的可靠寿命： 华中科技大学硕士学位论文 t r _ 一i i 1 n r - e l n r( 1 - 1 0 ) 从公式中可知，在指数分布的情况下，要获得较高的可靠度，高压加热器设备必 须在远小于平均寿命的时间内工作。例如，为了保证高压加热器设备有9 9 的可靠度， 其工作时间不应长于0 0 1o 。 4 、中位寿命 当r = 0 5 时的可靠寿命就是中位寿命，记为幻。中位寿命也是一个常用的寿命特 征，它的意义是：当设备工作到中位寿命时，可靠度与故障函数均为5 0 e ，即在中位 寿命时，设备刚好有一半故障。 对于 为常数的指数分布，有： t o 5 _ 0i n 0 5 = 0 6 9 3b ( 1 - 1 1 ) 5 、特征寿命 当可靠度r - - - e - 1 时的可靠寿命就是特征寿命，记为，。 e 对于指数分布，有： t 一。= o( 1 - 1 2 ) e 因此指数分布的特征寿命就是设备的平均寿命。 6 、更换寿命 更换寿命就是当设备的故障率为给定值 的设备寿命嗍，记为t ( ) 。给定了 值之后，就可以求得更换寿命。对于指数分布， = 常数，更换寿命为； 1 t ( ) = 一l n r ( t )( 1 - 1 3 ) 高压加热器设备的故障属于耗损故障期，即故障率随时间的增长而增长，当高压 加热器设备使用到它的更换寿命t ( ) 时，必须更换。否则，不久就会发生故障， 造成整台机组经济性能下降。 7 、经济寿命 经济寿命是指设备在使用后期由于设备老化，运行费用( 包括生产成本和维修费) 日益增加，根据运行费用来确定的设备寿命，通常指平均运行成本低于某一个极限的 1 2 华中科技大学硕士学位论文 服役f f j t 2 0 j 。经济寿命用于分析和确定设备的最佳使用年限和最佳更新时机。所以，为 了确定高压加热器设备的最佳使用年限和最佳更新时机，高压加热器的经济寿命正是 本文研究的重点。 1 2 4 可靠性的评价指标 i 、运行系数( s f ) 伽器煳。忙器- 咣 仆 2 、平均无故障可用小时( m t b f 或m t b f a ) 对于机组：m t b f 磊溅2f a o h t ( 1 一1 5 ) 射觚璐：姗脚蠹猫2 盟u o t ( 1 - 1 6 ) 非计划停运次数 3 、辅助设备故障平均修复时间( m i t r ) 一黼2 哿非计划停运次数 ”1 4 、辅助设备故障率( ) 次年 =墨2 q = 墨2 鱼q 平均无故障停运时间m t b f a ( 1 - 1 7 ) ( 1 1 8 ) 5 、非计划停运率( u o r ) u 。肛磊蔫黼煳。忙嵩洲。 6 、检修费用( r c ) 一台机组一次检修的费用( 包括材料费、设备费、配件费人工费用等子项) 。 1 3 火力发电机组可靠性与高压加热器可靠性的关系 根据高压加热器投运率的概念，我们知道高压加热器可靠性间接受发电机组可靠 性制约。发电机组如果停运，尽管高压加热器此时无故障，作为辅助设备的高压加热 华中科技大学硕士学位论文 器也必定要停运如果机组可靠性高了，主机运行时问长了，自然要求高压加热器运 行时间长从而要求高压加热器可靠性提高，故障率降低，故障维修时间缩短口n 。 高压加热器作为火力发电机组的辅助设备，是为提高机组热效率服务的。如果高 压加热器可靠性提高了，机组热效率会得到提高，就可以节约大量一次能源煤，从而 降低发电成本，提高企业的竞争力，对国计民生以及建设节约型社会都起着十分有意 义的作用。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 高压加热器最佳更新周期的确定方法 设备更新决策是企业生产发展和技术进步的客观需要，对企业的经济效益有着重 要的影响。过早的设备更新，将造成资金的浪费，失去其它的收益机会；过迟的设备 更新，将造成生产成本的迅速上升，失去竞争的优势。因此，设备是否更新、何时更 新、选用何种设备更新，要考虑技术发展的需要，又要考虑经济方面的效益，这就需 要不失时机地做好设备的更新决策工作1 2 2 1 。 2 1 高压加热器的寿命 火力发电厂是能源转换系统，能源转换效率本质上取决于电站工艺的总体设 计和主机，辅机设备的优化配置。当然，也取决于这些设备如锅炉、汽机、发电 机及各种辅机的工作效率及状态。当电厂投入运行之后，机组的主体设备、工艺 结构均已确定。经验和理论分柝都告诉我们，任何设备存在以经济性为准则的最 佳工作点，满负荷出力与经济负荷出力是两个不相同的概念。此时，影响能源转 换效率的将是设备的寿命。 设备磨损是造成设备寿命下降的主要原因之一，设备更新周期的确定取决于对设 备寿命的考虑。设备的寿命主要有以下四种： l 、自然寿命 设备的自然寿命就是设备受物理磨损和自然磨损所能延续使用的时间，它反映设 备的物理耐磨程度；它的报废以设备规定使用能力为标准刚。 2 、设计寿命 设计寿命是指设备在规定的设计温度、设计压力等设计参数下，保证系统在额定 出力的前提下所能安全运行的设计时数【2 们。如火力发电厂的高压加热器一般设计寿命 3 0 年左右。 3 、可靠寿命 可靠寿命是指部件在一定的外荷载作用下，综合考虑影响材料抵抗力外荷载能力 的各种因素的前提下，部件能够安全可靠地使用的寿命1 2 0 。如通过各种检测和试验手 华中科技大学硕士学位论文 段进行构件的蠕变寿命预测，这种预测的寿命亦称为可靠寿命。 4 、经济寿命 指设备在使用后期由于设备老化，运行费用( 包括生产成本和维修费) 日益增加， 根据运行费用来确定的设备寿命，通常指平均运行成本低于某一极限的服役期嘲。经 济寿命常常用于分析和确定设备的最佳使用年限和最佳更新时间。所以，确定设备最 佳更新周期也就是确定设备的经济寿命。 经济寿命是从经济角度看设备最合理的使用期限，也就是从设备开始使用的因经 济效益变差而被更新所经过的时间。具体来说，是指能使一台设备的年平均使用成本 最低的年数。设备的使用成本是由两部分组成，一是设备购置费的年分摊费用。二是 设备的年运行费用( 操作费、维修费、材料费、能耗费、停工损失费等等) 这部分费 用是随着设备的使用年限增加而增加。如图2 1 可知，年分摊费用随着时间的增加而 减少，年运行费用随时间增加而增加，所以有一个交点，此交点对应的时间，也就是 设备的使用成本最低的时间设备该更换的时间。对于火力发电机组高压加热器设 备来讲，它的经济寿命就是年使用成本( 年均总费用) 最低时的时间。 定 使 用 费 用 服务年限 图2 - 1 设备年度费用曲线 从技术经济角度分析，高压加热器设备的最佳更新周期实际上就是高压加热器设 备经济寿命，即确定高压加热器设备最佳更新周期也就是确定高压加热器设备经济寿 命。 t 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 高压加热器经济寿命的计算方法 火力发电机组是一类工业大系统，不仅要求主机、辅机、各种装置、各子系统相 互协调工作，而且需要相互之间工作参数的合理配合，才能达到经济运行的总体优化。 我们的主要目标是提高机组级的总体经济性，而单一设备的经济性，是实现经济运行 的基础。因此，做好设备经济寿命的计算，从而为设备的更新提供有益的参考，是搞 好电厂经济运行的基础性工作。一 设备的经济寿命计算方法常用的是年均总费用最小法唧，又分为静态和动态法。 对于一台运行的设备来说，不考虑资金时间价值的情况下，计算年均总费用的方法是 静态法；如果考虑资金价值的条件下，计算年均总费用的方法采用动态法。动态法的 优点是计算结果更为符合实际。 我们根据高压加热器经济寿命的定义，静态法计算公式是 2 4 1 ： a c = 了k 0 - v l + 孚 沼- ， 其中，k o 一高压加热器设备购买费用，万元； v 广高压加热器设备的残余价值，万元： c 广一高压加热器设备的运行费用，万元； t - 一时间，年。 当年均总费用a c ( t 一1 ) a c ( t ) a c ( t + 1 ) 时，p 为高压加热器的经 济寿命。 我们根据高压加热器经济寿命的定义，动态法计算公式是伫q ： a c ( t ) = 【k o + c j( p f ，i o ，t ) 。v l ( p f ，i o ，t ) 】( a p ，i o ，t ) p 1 ( 2 2 ) 其中：k o 一高压加热器设备购买费用，万元： v 广高压加热器的残余价值，万元： q 一高压加热器的运行成本，万元； t 时间，年； 1 7 华中科技大学硕士学位论文 i 广利率； ( p f ，i o ，t ) 一次支付现值系数； c a r l ，i o ，t ) 资本回收系数。 p f i o d 。斋( 2 - 3 ) 式中，i 利率5 ( p f ，i o ，t ) 可查表得出。 川i o ) _ 糟 ( 2 剐 式中，i 一利率； ( a f ，i o ，t ) 可查表得出。 当年均总费用a c ( t 一1 ) a c ( t ) a c ( t + + 1 ) 时，t 为高压加热器的经 济寿命。 火力发电厂锅炉高压加热器属于磨损型设备，技术更新较慢，无形损失可以忽略。 同时其主要由钛钢和铜管等材料组成，所以其残值不随时间变化而变化。高压加热器 被购买后，投资成本就固定，年均总费用高低就由年运行费用的多少来决定 1 、高压加热器设备的年运行费用c i 如果是常数，则年均运行费用也为常数。那 么a c ( t ) 年平均使用成本随着使用年限的延长而逐渐减少，这说明此时高压加热器 设备的经济寿命实际上等于其自然寿命。 2 、高压加热器设备的年运行费用c i 如果是随着使用年限t 的增加而逐年增加一 个相同的数量 值，则采用低劣化数值法求解，得公式( 2 5 ) 。 仁产 式中，k o 一高压加热器设备购买费用，万元； v i ，一高压加热器的残余价值，万元； 劣质化数值，为常数。 例如1 ：某厂高压加热器的劣质化数值 为0 4 5 万元， 值约3 万元。则 ( 2 5 ) 购置费用是8 0 万元，残 华中科技大学硕士学位论文 p j 三学- j 等年 亿6 ， 可知，高压加热器的经济寿命是1 8 5 年，采用低劣化数值法求解得高压加热器的最佳 更新周期是1 8 年左右。 例如2 ：某厂高压加热器的劣质化数值x 为0 4 万元，购置费用是8 0 万元，残值 约3 万元。则： t - 严半2y o 2 ( 匝8 0 4 - 3 ) = 1 9 6 年 ( 2 - 7 ) 可知，高压加热器的经济寿命是1 9 6 年，采用低劣化数值法求解得高压加热器的 最佳更新周期是2 0 年左右。 所以，经初步分析可知，降低维修费用的增加幅度对延长高压加热器的经济寿命 至关重要。 高压加热器的年运行费用c i 如果是随着使用年限t 的增加呈现某种规律变化， 我们就可以利用这种规律来简化计算，如式( 2 5 ) 所示但是不够科学，因为高压加 热器的停运造成的损失被忽略了。高压加热器的运行费用是由高压加热器停运或效率 下降造成的机组煤耗增加的损失费用c 燃和高压加热器停运造成机组负荷下降的能源 损失费用l ，还有运行维护费用c m 以及检修维护费用c r 组成。这部分损失占年运行 费用很大比例口5 1 。所以，为了准确确定高压加热器的更新周期我们必须考虑它。 rr 0 2 ( c 攥+ l 他+ c n ) ( 2 8 ) j 式中，c j 高压加热器年运行费用，万元。 rr c ( 馍+ l + c ”+ c n ) c = ：l _ = ：! 丁丁 ( 2 9 ) 式中，c 高压加热器年运行成本，万元，年。 高压加热器被购买后，投资成本就固定，年投资成本就只与时间t 有关，随t 增 大而减少。但是高压加热器的运行费用是由高压加热器停运或效率下降造成的机组煤 耗增加的损失费用c 煤和高压加热器停运造成机组负荷下降的能源损失费用l ，还有 1 9 华中科技大学硕士学位论文 运行维护费用c m 以及检修维护费用c r 组成，如式( 2 8 ) 所示所以，高压加热器 的年运行成本c 不仅与时间t 有关系，而且与c 煤、l 、c m 和c r 变化有关，如式( 2 9 ) 所示。 2 3 高压加热器年运行费用的分析 高压加热器的运行费用是由高压加热器停运或效率下降造成的机组煤耗增加的 损失费用c 爆和高压加热器停运造成机组负荷下降的能源损失费用l ，还有运行维护 费用c m 以及检修维护费用c r 组成。其中，高压加热器停运造成的c 燃和l 这两部分 损失占年运行费用很大比例。所以，为了准确确定高压加热器的更新周期我们必须计 算这两部分的损失费用。 2 3 1 因停运煤耗增加的损失费用 目前，随着电力体制改革的逐步深入，竞价上网势在必行，各运营电厂管理人员 将越来越重视降低维修成本，提高安全性和经济性，从而增强企业的市场竞争能力。 这就要求电厂管理和技术人员根据一定的检测设备和运行数据确定设备状态和可用 性，并在此基础上优化现有的维修模式在保证机组安全和可用的情况下，降低维修 费用，提高企业的竞争能力。作为火力发电厂而言，衡量热经济性最直观的指标是煤 耗率的高低1 2 6 。为了说明高压加热器停运对热经济性的影响。根据现场调查，由于受 高压保护装置的影响，当高压加热器系统中的一台加热器停运，一般情况下所有高压 加热器将全部从回热系统中切除停运。单个高压加热器的切除停运，往往是一种纯理 论分析。不管如何，也不管用哪种方法计算分析，高压加热器停运，锅炉省煤器入口 的给水温度降低，除了对锅炉安全经济运行有影响外，由于回热级数减少，装置效率 降低，机组的热经济性下降，其热耗和煤耗增加。 2 3 1 1 高压加热器对机组经济性的影响 高压加热器的停运和高压加热器因故障效率下降都直接影响到给水温度，锅炉给 水温度达不到设计值伫们。从而使机组的热效率下降，煤耗增加。煤耗和给水温度之间 的关系如何? 以下将详细进行分析。 2 3 1 1 1 机组热力计算的基本公式吲 华中科技大学硕士学位论文 l 、耗汽量变化 当机组输出功率不变时，投入高压加热器后，由于抽汽只做了一部分功及被抽出 加热给水，因此耗汽量将增加。 q , ( h , - h k + a h ) q o - q o 2 幽誓i 面-乜一n k + n 式中，h - h r - b 唧 g t 一缸) + 三= 三! 一 ( 2 1 0 ) h i l 扯+ a h q o 、q o 投与不投高压加热器时进入汽轮机的新蒸汽量，k g h ； q 广- 抽汽量，k e , h ； l a , 、h i ，h r _ 新蒸汽、抽汽及低压缸排汽热溶，l d k g ； b r p 一热再热蒸汽热焓； b 删一冷再热蒸汽热焓； m 一总抽汽级数； x - 唯压加热器抽汽级数； n 一再热器后高压加热器抽汽级数。 x4-h 当n = 0 ，即再热器后无高压加热器时，则q l ( h j - n ) = 0 i - x + l 当无中间再热时，a h = 0 。 2 、单位蒸汽在锅炉内的吸热量由于投高压加热器后给水温度升高而降低。因此 高压加热器后汽轮机的热耗量的减少为； 巾。，一巾o - q o ( h 舳) + q 。r h ( h r a - - h r n , ) q r h ( b ，h 细) q r h ( h r e - - - - h m , ) ( 2 - i i ) 式中，巾。、巾。一不投与投高压加热器时汽轮机的耗汽量，k j h ； h f w 、h 旷不投与投高时加时进入锅炉的给水热焓，k j k g ； q r h 、q r | f 不投与投高压加热器时进入再热蒸汽流量，k g m 。 机组的热耗增加百分率为： 2 l 华中科技大学硕士学位论文 巾= 掣l o o 忙竺x 1 0 0 ( 2 1 2 ) oo o 3 、汽轮机热耗率的计算 腿- 詈砥【( ) + 詈h 】 ( 2 1 3 ) 式中，h r 热耗率，i d k wh 5 p - 机组电功率，k w ； 中o _ 一耗，i d h ； d o 一汽耗率，i d k w h ； q o _ 汽耗，k g l h ； q r 旷一再热汽量，k g 恤 h r 旷一再热前后蒸汽焓之差，k j k g ； h 进入锅炉的给水焓，k j k g ； b 广主蒸汽焓，k j k g 。 高压加热器故障或停运后的熟耗率为： 嗽警= d ，o 【( 帅) + 安蛐 ( 2 1 4 ) 为了计算方便，我们假设聋h 姘，与! 堕h r h 相等( 此假设会引起一些误差) ， q q o 则热耗率变化量为： 职= 业；竺 pp ：d o ( h o - h ) , ) - d o ( h o - h 归) 式中，h r 热耗率，i d k wh ： p 卜_ 机组电功率，k w ； 中广热耗，i d h ； d o _ - 汽耗率，k j k wh ； d 。l 一高压加热器停运后的汽耗率，l j 瓜wh ； ( 2 1 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 q 广汽耗，k g h ： q o ，高加停运后的汽耗，k g h ： q r h 一再热汽量，k g h ； q r 卜高压加热器停运后的再热汽量，k g h ： h r i 广一再热前后蒸汽焓之差，k j k g ； h r l 卜高压加热器停运后再热前后蒸汽焓之差，k j k g ： b 进入锅炉的给水焓，l a l g ： h 细一高压加热器停运后进入锅炉的给水烩，k j i ( g ； h o 一主蒸汽焓，k j , k g 。 2 3 1 1 2 煤耗与热耗以及热耗率的关系。 1 9 9 0 年4 月，前能源部电力可靠性管理中心为了在统计计算中有一个比较统一的 取数，决定采用统计平均数，即高压加热器停运时的热耗率增加数字，煤耗率增加量 由所增加的热耗率来推算【2 7 1 。 l 、机组的热耗率： 职c l ：坠 ( 2 1 6 ) 1 1 f i i 一 式中，h r o _ - 汽轮机热耗率，l o k wh ； h r 汀一机组热耗率，k j k w h ； n 旷川炉效率，； r i 盯一管道效率，。 机组的热效率： n 旷等1 0 0 ( 2 - 1 7 ) 2 、发电机组的