（热能工程专业论文）二次再热机组热经济性分析方法及系统开发研究.pdf

声明户口明 i y i i i l l i i l 7 i i i l 8 1 1 5 i i i l 7 1 1 5 i i i l l iy 1 7 8 5 7 5 1 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文二次再热机组热经济性分析方法及系 统开发研究，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i i i i 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：圣垒銎 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： 日期：童l ! ! 幻f 导师签名： 吐 ， a 关 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r e s e n tc o a l - f i r e du n i tt h e r m a ls y s t e m a n a l y s i sm e t h o d ，a m e t h o do ft h e r m a le c o n o m y a n a l y s i so fs u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eu n i tw i t hd o u b l er e h e a t c y c l e sw a sc o n s t r u c t e d c o m p a r e dw i t ht h ep r e s e n tt h es u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eu n i tw i t h d o u b l er e h e a tc y c l e st h e r m a la n a l y s i sm e t h o d s ，t h e r ei sao n e t o - o n ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o p o l o g i cc o n f i g u r a t i o no ft h em a t r i xe q u a t i o na n da c t u a l t h e r m a ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，a n di t sm a t r i xe l e m e n tv a l u e sr e f l e c tt h et h e r m a l p a r a m e t e r so ft h ea c t u a lt h e r m a ls y s t e m t h es t r u c t u r ea n dt h c i r n a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eu n i tw i t hd o u b l er e h e a tc y c l e st h e r m a ld y n a m i cs y s t e mc a n b ee x p r e s s e di nm a t h e m a t i c sc o n v e n i e n t l y t h ep a p e ra l s od e v e l o p e das o f t w a r ef o r a n a l y z i n gt h es u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eu n i tw i t hd o u b l er e h e a tc y c l e st h e r m a le f f i c i e n c y w a n gy a s e ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g uj u n - j i e k e yw o r d s ：d o u b l er e h e a tc y c l e s ，t h e r m a ls y s t e m ，t h e r m a le c o n o m y ，m a t r i x 入的数方再结 o 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文目录 、 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 我国的能源状况1 1 1 2 我国电力工业发展现状2 1 1 3 当今社会对电力技术的发展要求3 1 1 4 本课题的意义3 1 2 热力系统热经济性计算方法的研究现状4 1 2 1 热力系统定量分析计算方法概况4 1 3 本文的主要研究内容5 第二章二次再热机组热力系统矩阵分析方法7 2 1 二次再热机组热经济性矩阵方程的构建思想7 2 2 主系统矩阵分析方程7 2 3 辅助汽水成分的归并处理9 2 3 1 辅助汽水成分及过热度热量跨级利用的回热抽汽在外置式蒸 汽冷却器中放热量卸，的分类处理方法9 2 3 2 另类辅助汽水成分的分类处理方法1 0 2 4 二次再热机组实际系统的能效分布矩阵方程10 2 5 分析算例1 1 第三章二次再热机组热力系统的能损分析计算模型1 5 3 1 辅助汽水成分对热经济性影响的表达方式1 5 3 2 机组运行参数目标值的确定16 3 2 1 机组运行参数目标值的确定方法1 6 3 2 2 热力系统变工况计算的步骤1 7 3 2 3 具体参数目标值的确定1 8 第四章二次再热机组热经济性指标的确定2 1 4 1 锅炉侧热经济性指标的计算2 1 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文目录 4 1 1 由原煤工业分析成分转化成元素分析成分的数学模型2 1 4 1 2 锅炉热损失法热效率计算2 2 4 1 3 排烟热损失2 2 4 1 3 1 干烟气带走的热量2 3 4 1 3 2 烟气中含水蒸气的显热2 4 4 1 4 可燃气体未完全燃烧热损失2 5 4 1 5 固体未完全燃烧热损失2 6 4 1 6 散热损失2 6 4 1 7 可燃气体未完全燃烧热损失2 6 4 2 机组性能指标的计算2 7 4 3 总效率与分效率变化之间的关系2 7 4 4 热经济指标的绝对变化量2 7 第五章二次再热机组能耗分析系统的设计与实现2 8 5 1 软件工程的概念2 8 5 2 需求分析2 9 5 3 系统开发的总体技术原则与技术特点2 9 5 3 1 系统开发的总体技术原则2 9 5 3 2 技术特点3 0 5 4 系统的主要功能3 0 5 4 1 实时参数检测与处理3 0 5 4 2 在线热经济性指标计算3 0 5 4 3 动态的能损分析3 2 5 4 4 机组在线性能试验3 3 5 4 5 机组优化运行指导3 4 5 4 6 运行分析的优化3 4 5 4 7 诊断管理3 4 5 4 8 数据查询3 4 5 4 9 离线数据人工录入3 4 5 4 1 0 多用户分级管理3 4 5 4 1 l 使用通用电站热经济性分析平台开发3 4 5 5 系统功能方框图3 5 5 6 5 7 5 5 5 8 丝上立 弟六草 6 1 6 2 后继工作展望4 4 参考文献4 5 致i 射4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 0 华北电力人学高校教师在职攻读硕士学位论文 1 1课题背景及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 充足可靠的能源供应是工业化社会整体持续发展的必要条件。作为世界上最大 的发展中国家，目前中国能源生产量居世界第3 位，基本能源消费量居世界第2 位。 1 9 9 9 年，我国人均石油储量仅为世界平均水平的1 1 ：即使储量最丰富的煤炭，人 均储量也仅为世界平均水平的7 9 。并且我国的能源分布很不均匀。煤炭资源有6 0 分布在华北，水力资源有7 0 分布在西南，而经济发达、工业和人口比较集中( 约 占全国人1 2 1 总数的3 7 ) 的南方八省一市能源却比较缺乏( 煤炭占全国的2 ，水 力占1 0 ) 。由于我国化石资源的富煤、缺油、少气的特点，形成了以煤炭为主导 地位的能源消费结构，并且这种能源消费结构在相当长的时间里是难以改变的。在 国家“十一五”发展规划中，明确提出了国家能源政策的基点是“节约优先，煤为 基础。但与此同时，煤炭也是制造污染最多的化石燃料。煤炭作为我国消耗量最 大的化石资源，其中约8 4 是直接用于燃烧，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的 大气污染物还没有得到有效的控制，以至于我国每年排入大气的8 7 的s 0 2 和6 7 的n o x 均来源于煤的直接燃烧，可见煤燃烧所产生污染物已成为我国大气污染的主 要来源。今后，随着我国环保要求的不断提高，大型污染行业的发展将会受到环境 保护要求的制约，发展洁净煤燃烧技术，提高煤的燃烧效率，降低污染排放，成为我 国能源战略中的重要方面。 1 1 1 我国的能源状况 我国人口众多，人均资源匮乏，自然生态环境脆弱。2 0 0 8 年，中国在全球一次 能源消费市场中所占比重为l7 7 ，居于美国之后，位列全球第二，其中煤炭占 7 0 2 ，石油1 8 8 ，天然气3 6 ，水电6 。6 ，核电0 8 。我国人均能耗为世界平 均值的4 5 左右，但能耗强度为世界平均值的2 - 3 倍以上，其中1 1 个高耗能产 业的3 3 种产品能耗比国际先进水平高4 6 左右，这些高耗能部门与国际水平相比 之下，每年多耗能2 3 亿吨标煤。这与世界平均消费水平次能源中煤炭占 2 7 ，石油4 0 ，天然气2 3 ，水电和核电占1 0 差距甚大。随着中国经济发展和 能源需求量的增加，能源结构矛盾同益突出，以煤为主的一次能源结构给中国经济 发展带来一定的制约。根据中国确定的2 0 1 0 目标，经济的增长对能源需求量的增 加是必然的趋势，按目前能源结构发展下去，能源消费使社会和环境的压力难以承 受，国家实现经济长期可持续发展战略受到制约。因此，在经济发展的同时，逐步 改善能源结构、发展洁净能源是亟待解决的问题。 l 华北电力大学高校教师在职攻读硕+ 学位论文 我国煤炭累计探明储量达1 0 3 3 4 亿吨，但剩余储量只有9 0 0 亿吨。中国石油的 源量为7 8 7 亿吨，剩余可采储量2 3 亿吨。中国煤层气预测资源为3 5 万亿立方米， 当于4 5 0 亿吨标准煤，排世界第三位，但尚末成规模开发利用。英国电力预测我 煤炭的可采年限为8 0 年，石油的可采年限为4 0 年，天然气的可采年限为5 0 年。 个预测虽然不一定准确，但是我国化石能源资源难以保证本世纪我国经济和社会 展的需求，并且浪费依然严重，使本来就短缺的资源过度递减，确是不争的事实。 个问题涉及到国家经济安全，人类社会的可持续发展，因此必须引起我们高度重 能源问题对我们国家的经济发展、环境保护以及对整个世界经济都有重要的影 响。在能源基金会的支持下，国家发改委能源研究所建立的2 0 0 0 - - - 2 0 2 0 年时间段 的中国能源需求和中国中长远能源政策选择的情景分析表明，在一般情景中：2 0 2 0 年中国一次能源总需求将达3 2 8 亿吨标煤，比2 0 0 0 年增加2 5 3 ，人均2 2 吨标 准煤。2 0 0 0 年到2 0 2 0 年期间中国的能源消费弹性系数为0 6 5 ，能源需求年均增长 4 8 。电力需求的增长速度比一次能源更快，2 0 0 3 - - - 2 0 1 0 年全社会用电量平均增 长速度为6 6 7 0 ，2 0 11 - 2 0 2 0 年全社会用电量平均增长速度为4 5 5 5 ， 预计到2 0 2 0 年，全社会用电需求将达4 2 万亿千瓦时，发电装机容量达9 5 亿千 瓦，石油需求为8 7 亿吨标煤，煤炭为2 0 亿吨标煤，碳排放也将达到1 9 4 亿吨， 人均1 3 3 吨碳排放。能源消费的增长将对资源、环境，温室气体排放和能源供应 安全施加更多压力，对中国的能源发展提出了严重的挑战。 1 1 2 我国电力工业发展现状 我国电力工业始于18 8 2 年，到2 0 0 9 年已有1 2 7 年的历史。从1 8 8 2 年至1 9 4 9 年，历经6 7 年，装机容量只达到1 8 5 g w ，发电量4 3 亿千瓦时，分别居世界第2 1 位和第2 5 位。在1 9 4 9 年新中国成立之后的半个世纪中，中国的电力工业取得了迅 速的发展，平均每年以1 0 以上的速度增长，截至2 0 0 9 年底，全国发电设备容量 8 7 4 0 7 万千瓦，同比增长1 0 2 3 。其中，水电1 9 6 7 9 万千瓦，占总容量2 2 5 1 ，同 比增长1 4 0 1 ；火电6 5 2 0 5 万千瓦，占总容量7 4 6 0 ，同比增长8 1 6 ；水、火电 占总容量的比例同比分别上升o 7 4 个百分点和下降1 4 5 个百分点；风电并网总容 量1 6 1 3 万千瓦，同比增长9 2 2 6 。全国电网2 2 0 千伏及以上输电线路回路长度3 9 9 7 万千米，同比增长1 1 3 8 ，其中5 0 0 千伏线路回路长度为1 2 1 9 万千米，同比增长 1 2 8 5 ；全国电网2 2 0 千伏及以上公用变设备容量1 6 5 l 亿千伏安，同比增长 1 7 0 9 ，其中5 0 0 千伏公用变设备容量为6 2 8 亿千伏安，同比增长1 9 4 4 。 在加快电源建设的同时，中国电源结构调整也在有序进行。目前全国水电装机 已经接近2 亿千瓦，跃居世界第一位。在超临界、超超临界、环保型火电机组方面， 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 也加大了技术开发和技术引进的力度，大机组比重明显提高，6 0 万千瓦超临界火电 机组已成为电力建设的主力机型 1 。 1 1 3 当今社会对电力技术的发展要求 2 0 世纪末，伴随着人类所取得的辉煌成就，以往那种以自然资源的巨大消耗为 代价的工业化所引发的人口爆炸、资源短缺、环境恶化等社会问题日益突出，以至 于人类生活、发展以及地球生态平衡都面临着严重的威胁。面对这些问题，人们逐 渐接受了可持续发展理念，并着手在社会各方面实施可持续发展战略。按照可持续 发展的要求，人类需要努力控制人口数量、减少资源消耗、降低环境污染。 上述社会问题在能源领域的具体反映就是能源短缺和能源在转换和消费过程 中所引起的环境污染问题。到目前为止，人类能够大规模利用，用以满足生产和生 活需要的一次能源主要是煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料。目前这三种 能源占全世界所消耗能源的9 0 左右，预计这种情况在2 l 世纪还将持续相当长的 时间。然而，这三种能源储量有限，在2 0 0 2 年的联合国可持续发展大会上，专家 们估计：煤炭大约还可开采2 0 0 余年，石油和天然气大约还可开采7 0 年左右。由 以上数据可以看出，煤炭、石油、天然气这三种能源的储量确实有限，即使是可供 人类消费时间最长的煤炭，2 0 0 年在人类历史长河中仅仅是短暂的一瞬。 与此同时，能源转换和消费过程中引起的环境污染、生态破坏等问题已相当严 重。据统计，排放到大气中的污染物，9 1 的s 0 2 、9 9 的n o x 、9 9 的c o 、7 8 的c 0 2 、6 0 的粉尘和4 3 的炭化氢是在能源的转换( 主要是燃烧) 过程中产生的。 由此可见，能源行业更加迫切地需要实施可持续发展战略。按照能源可持续发 展的要求，人类在当前必须尽可能有效地利用能源，提高能源转换和使用效率，并 尽可能地减少污染物质的排放，同时要尽可能地增大可再生能源所占的比重。 在一次能源的消费中，发电消费所占的比重最大，目前已达到1 3 以上，并且 还在不断增加。在能源可持续发展的总要求下，发电工业除了需继续注重“经济、 可靠、安全 的原则外，还必须满足“高效、洁净”的要求。这就决定了发电技术 的基本发展趋势是：近期注重提高效率，降低污染；远期注重采用可再生能源发电。 展望未来，符合这一趋势的发电技术将会获得快速发展，不符合这趋势的发电技 术将会被逐步淘汰。超临界二次再热机组作为一种效率高、污染较小、技术成熟、 可立即大规模装备发电工业的机组，无疑其应用前景极其广泛。 1 1 4 本课题的意义 如前所述，我国电力工业在今后相当长的一段时间内都是以燃煤的火力发电为 主。据统计数据，目前我国火电装机中3 0 万千瓦以下机组仍占3 5 左右，发电煤 3 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 耗约每千瓦时3 2 0 克标煤，热效率约3 6 ，与国际先进水平仍有不小差距。目前先 进的超超临界机组热效率可以达到4 5 ，随着技术进步和发展，将来有可能会超过 5 0 。如果中国的燃煤机组热效率能够达到4 5 ，每年可节省煤炭7 亿吨，占现在 燃煤发电的一半。发展高效洁净煤发电技术已经是未来中国煤电持续发展的必然选 择。可以预测，超( 超) 临界二次再热机组作为成熟、高效燃煤发电技术具有广阔 的应用前景。 二次再热机组热力系统与现有火电机组的有较大的区别，二次再热机组采用了 两级蒸汽再热用以提高机组的热经济性；二次再热机组的高低压加热器都采用了外 置式蒸汽冷却器，由于抽汽过热度很大，为降低蒸汽过热度，对回热抽汽通过外置 式蒸汽冷却器进行过热度热量的跨级利用。因而，二次再热机组的热力系统比一次 再热机组的热力系统更加复杂，当热力系统发生变化时，会导致二级再热器的吸热 量与高低压加热器的外置式蒸汽冷却器放热量的互相耦合，从而使常规的定量分析 计算变得非常复杂和繁琐。 着力降低两次再热发电机组的发电煤耗是推动此类型机组发展的紧迫而又重 要的工作之一，而通过对两次再热发电机组的热力系统进行定量分析与计算，明晰 知晓实际运行工况下机组当前的煤耗指标，以及各种局部因素( 如辅助汽水成分、 系统设备参数变化等) 对煤耗指标的影响状况，才能优化机组运行管理、确定影响 机组设备运行经济性降低的原因、部位及机组节能潜力。目前，针对常规火电机组 的热经济性分析方法的研究已经很广泛了，本文借助火电机组热经济分析研究已有 的成果，应用于两次再热发电机组，针对超超临界二次再热机组( 以下简称二次再 热机组) 的节能理论进行分析研究，并借助于现代计算机技术及相应的高级编程语 言功能，研究开发一套针对二次再热机组的在线监测与能耗分析系统，研究工作对 于提高二次再热机组的热经济性和安全性、实现此类机组的节能降耗具有极为重要 的意义。 1 2 热力系统热经济性计算方法的研究现状 1 2 1 热力系统定量分析计算方法概况 火电机组热力系统定量分析计算方法种类繁多，见诸各文献的有：常规热平衡 法【2 1 、等效热降法【3 1 、循环函数法【4 1 、组合结构法【5 1 、常规热平衡简捷算法【6 7 1 、循 环组合法【8 j 、热力系统广义数学模型【9 】、热力系统平衡的拓扑算法【l 们、功能分析法 【1 1 1 、自由路径法【1 扪、热( 汽) 耗变换系数法【1 3 1 、热量品位系统法【14 1 、质量单元矩阵 分析法l i 卜增j 、符号娴经济学法等【l7 - 2 i 】在热力系统定量分析计算中也有所应用，其中 前三种分析方法比较成熟，被广大使用者所接受，并广泛应用于研究及生产领域。 4 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 上述各分析方法的基本思想大都是建立在热力学第一定律和第二定律的基础上。我 们可以将其分为四类： 第一类分析方法：包括常规热平衡法。该方法本质上是对热力系统内各子系统 列写能量平衡方程式，联立方程求解，属于串联算法。该方法的计算精度最高，我 们在分析其它分析方法的计算精度时，一般以常规热平衡方法作为校验基准。但由 于存在着通用性不佳的不足，制约了该方法的应用。 第二类分析方法：包括等效热降法、循环函数法和组合结构法等。这类分析方 法非常注重分析过程中计算工作量的大小。往往对实际热力系统做近似处理，以牺 牲计算结果的精确度来尽量避免繁重的计算工作量。其中等效热降法、循环函数法 在我国应用较广。 第三类分析方法：包括常规热平衡简捷算法、火电厂热力系统平衡的拓扑算法、 热力系统广义数学模型、循环组合法、质量单元矩阵分析法以及符号火用经济学法等。 这类分析方法的共性在于均采用矩阵形式，属于并联算法，适用于计算机编程计算。 目前这类分析方法的研究较为活跃，但尚有许多工作需要完善，如常规热平衡简捷 算法，尽管实现了热力系统内汽水流量分配计算的矩阵表达，但对于热经济性指标 的最终计算，还需要联立其它能量平衡方程( 如吸热量方程、功率方程) 才能完成； 另外热力设备局部变化对系统热经济性指标的影响，以及供热机组热力系统的定量 分析计算，在上述分析方法中所涉及矩阵方程中的表达形式等问题，还存在不足， 需要做大量的完善工作。 第四类分析方法：包括功能分析法、热( 汽) 耗变换系数法、热量品位系统法、 自由路径法等。这类分析方法在计算形式上仍采用代数计算形式，研究者较少，虽 各有特点，但影响力较小。 1 3本文的主要研究内容 为避免上述分析方法的不足，并充分利用原有火电机组热经济性分析的研究成 果，本文将提出一种新的更科学、更简洁、更通用的超临界二次再热机组热经济性 分析方法，并开发一套能耗分析软件应用于二次再热机组热力系统的节能分析，以 期为实现此类机组的安全与经济运行奠定基础。 主要研究内容包括： ( 1 ) 针对在二次再热机组热力系统的特点，提出一种新的计算分析思路，构 建一种规律性较强且适于计算机计算的二次再热机组热经济性评价方法。 ( 2 ) 科学的对影响二次再热机组热经济性指标的各类汽水进行分类，使其能 够实现对其局部定量分析过程的智能化，即对使用者而言，不需要具备较高的专业 5 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 识，只要按照这种表达方式所确定的规则填写矩阵即可得到定量分析的结果。 ( 3 ) 基于软件工程原理，对二次再热机组能耗分析系统进行需求分析，制定 发方案，使该系统具有可维护性强、改造升级容易的特点。 ( 4 ) 编制代码，开发基于超临界二次再热机组在线监测与能耗分析系统。 6 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 第二章二次再热机组热力系统矩阵分析方法 随着火电机组向大型化、高参数方向发展，超( 超) 临界二次再热( 以下简称 二次再热机组) 发电技术进入快速发展阶段。二次再热机组采用了两级再热器用以 提高机组的热经济性，此外二次再热机组的高低压加热器都采用了外置式蒸汽冷却 器，并且由于抽汽过热度很大，为降低蒸汽过热度，对回热抽汽通过外置式蒸汽冷 却器进行过热度热量的跨级利用。因而，当热力系统发生变化时，会导致二级再热 器吸热量与高低压加热器的外置式蒸汽冷却器放热量的互相耦合，从而使常规的定 量分析计算变得非常复杂和繁琐。 为了能够清晰明了的分析其热力系统， 机组热经济性的影响，并探求其内在规律， 系统和辅助系统。 准确的掌握各种辅助成分( 或扰动) 对 通常的做法是将实际热力系统分解为主 本文通过将等效热降理论和q - y f 矩阵形式相结合，将矩阵的结构和元素值表 达实际二次再热机组的热力系统的结构和参数，导出了适合二次再热机组热经济性 分析的矩阵方程。该方法不但具有通用性好、精确度高和易于程序化的特点，而且 有效克服了目前常规的二次再热机组定量分析计算非常复杂和繁琐的缺陷。 2 1 二次再热机组热经济性矩阵方程的构建思路 实际二次再热机组的热力系统结构是非常复杂的，为了能够清晰明了地分析其 热力系统，准确地掌握各种辅助成分( 或扰动) 对机组热经济性的影响，并探求其 内在规律，本文将沿用能效分布矩阵方程的做法仍将实际热力系统分解为虚拟主系 统和虚拟辅助系统。 从本质上看，无论主系统还是辅助系统，也无论是定流量分析还是定功率分析， 其引起热力系统热经济性指标的变化，总是通过改变系统中各级回热抽汽流量大小 而实现的，也就是说，就单纯对热经济性影响而言，增减辅助汽水成分与改变主系 统参数可以是等价的。因此，本文将原本属于主系统的进行过热度热量跨级利用的 回热抽汽在外置式蒸汽冷却器中的放热量划归到辅助系统，并将实际热力系统中的 各种辅助汽水成分对各级回热抽汽量的影响归并到主系统相关热力参数的改变上， 从而形成一个与原实际热力系统的主系统结构完全相同的虚拟热力系统，然后再对 此虚构的热力系统进行分析计算。 2 2 主系统矩阵分析方程 根据常规热平衡法，二次再热机组主系统循环效率的计算表达形式： 7 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 h 。一h 以+ 仃l + 仃2 一c ti a 石f = 1 i 五j 再嚣 ( 2 1 ) 式中： 为新蒸汽焓值，单位k j k g ； 吃为排汽焓值，单位k j k g ； 忽为第f 级加热器抽汽焓值，单位k j k g ； 必为第f 级加热器抽汽系数； ，舻为给水焓值，单位k j k g ： 盯为1 船蒸汽在再热器中的吸热量，单位k j k g ； 二次再热后：a h , = 红- h 二次再热冷段至一次再热热段后：曩= 扛+ q 一 一次再热冷段及其以前：触= 红+ q + c r 2 一 将式( 2 - 1 ) 进行数学变换，整理得： h o 一+ q ( 1 一) + 吼( 1 一) 一q 战 铲1 i 上( 2 - 2 ) 其中：二次再热后：忍= 吩一； 二次再热冷段至一次再热热段后： 吩= 红+ 仃l ( 1 1 7 0 ) 一 一次再热冷段及其以前： 红= 岛- i - q ( 1 一) + 吒( 1 一) 一 根据常规热平衡法，并结合g y f 矩阵的 4 】【口】= r 】表达形式，将式( 2 2 ) 表 达为矩阵形式，即二次再热机组主系统热经济性矩阵方程( 假定第m 段抽汽来自二次 再热冷段至一次再热热段后，第m 段抽汽来自一次再热冷段及其以前) ： 8 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 0 o ： o o ： o 0 ： 0 tq o 一吃 呜一吃 一，一死 一+ q ( 1 一r o ) k q 一+ q ( 1 一) 一+ q ( 1 7 7 0 ) + 仃2 ( 1 一r o ) 吃一九+ q ( 1 一r o ) + 0 2 0 一r o ) 一+ q ( 1 一r o ) + o r 2 ( 1 一r o ) ( 2 - 3 ) 特别需要指出的是【么】的填写规则：未经过热度热量跨级利用的回热抽汽与文 献 3 中的f 、厂、口规定相同，经过热度热量跨级利用的回热抽汽后f = f ，y i - - - y ， q = q z x q ，= 玩( g ，为过热度热量跨级利用的回热抽汽在外置式蒸汽冷却器中放出 的热量，后文中凡涉及到f ( f i ) 、厂( y i ) 、g ( g ) 均按此规则填写) 。 矩阵 a 】为z x z 阶矩阵；矩阵【r l 】为( z + 1 ) 1 阶矩阵，为待求矩阵。我们所关心 的仅仅是末行元素【】的数值，该元素数值为二次再热机组热力系统循环效率。 2 3 辅助汽水成分的归并处理 热力系统中的各种辅助汽水成分按不同的处理需要，有多种分类方法。本文采 用文献 2 2 中的分类方式。需要特别指出的是：由于本属于主系统的进行过热度热 量跨级利用的回热抽汽在外置式蒸汽冷却器中的放热量g ：被划归为辅助汽水成 分，因而经热力学分析将跨级利用的回热抽汽中的纯热量g ：划归到第三类辅助汽 水成分。 2 3 1 辅助汽水成分及过热度热量跨级利用的回热抽汽在外置式蒸汽冷 却器中放热量g ：的分类处理方法 文献 2 2 在将各加热器能量、质量守恒方程矩阵化表示后，将主系统的g 一厂一f 矩阵方程a a = f 扩展到辅助系统，表示为： a a + a ，瑾，+ a ，a ，+ a q ，= f ( 2 4 ) 本文由于将进行过热度热量跨级利用的回热抽汽在外置式蒸汽冷却器中的放 热量g ：划归为辅助汽水成分，需对式( 2 - 4 ) 作进一步变换，得： 【彳】【口】+ 【a 厂_ | 口r 】+ 【a ，】【口，】+ 【g r 】+ 【g ：】= 【r 】 ( 2 5 ) 对该式进行一系列数学变换，最终可以得到如下形式： 9 矾砚；巩 ， ， ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 线元素为 起的做功 ( 2 - 8 ) 二次再热冷段至一次再热热段后： 兀= + q 【( 囊- h ) + o r 2 ( 1 - r o ) ( 2 - 9 ) 一次再热冷段及其以前： 兀= + 【( 吩- h , ) + o i ( i - r o ) + o r 2 ( 1 - ，7 0 ) ( 2 1 0 ) 因此，式( 2 3 ) 所示矩阵方程中的矩阵【w 】的最后一行元素用 i i j b 一1 1 ；，+ 0 i o 一) + 呸( 1 一) 一n 替换。 2 4 二次再热机组实际系统的能效分布矩阵方程 综上所述，可推导出实际二次再热机组热经济分析扩展型能效分布矩阵方程： 1 0 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 死吃 f zq o 儿吼 啊一吃 一 ： 一。一吃 一+ q ( 1 - r o ) - - i 一+ q ( 1 一) ，一+ o r , ( 1 一) + o - 2 ( 1 一) ： 吃一+ q ( 1 一吼) + 吒( 1 7 7 0 ) 一玩+ 吼( 1 - r o ) + c r 2 ( 1 一r t 0 ) - 兀 ( 2 1 1 ) 至此，本文将原有只能计算一次再热的能效分布矩阵方程扩展为可计算二次再热机 组的矩阵方程。 该矩阵方程具有以下特点： ( 1 ) 该矩阵方程直接包含了表征热力系统热经济性指标的元素，因此，我 们可以通过修改矩阵结构或矩阵中的某些元素值，直接计算机组热力系统的热经济 性指标系统循环效率，或定量分析扰动( 包括辅助汽水) 对系统循环效率的影 响值& o 。 ( 2 ) 本方程具有较广的应用范围，若认为本矩阵方程第二次再热吸热量0 2 = 0 ， 则本矩阵方程简化为可计算一次再热机组循环效率计算的能效分布矩阵方程；若认 为本矩阵方程一次、二次再热吸热量0 i = 0 、o r 2 = 0 ，则本矩阵方程简化为非再热机 组循环效率计算的矩阵方程。 ( 3 ) 该矩阵方程与现有的矩阵分析方法相比，矩阵拓扑结构、元素数值分别 与实际机组热力系统结构、热力参数具有一一对应的映射关系，可方便地用数学语 言表达热力系统的结构特性和热力特性，实际机组热力系统发生任何变化都可通过 改变矩阵方程中的元素有效的表达出来，使热力系统的结构特性完全转化为数学语 言，避免手工操作过程中更多的人为判断的主观干预，从而能够更通用地使用计算 机处理。 由于该矩阵方程表达为矩阵形式，且具有极强的规律性，非常适合计算机求解， 借助m a t l a b 求解更具有无可比拟的优越性，也可借助现有成熟的矩阵算法编程计 算。在计算机广泛普及的今天，这一热经济性的分析方法具有非常良好的应用前景。 2 5 分析算例 为验证本矩阵方程的正确性，本文以图2 - 1 所示的典型二次再热机组【2 3 】的热力 1 1 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 例( 数据整理的结果见表2 - 1 、2 - 2 ) ，利用本文研究所提出的二次再热机组 分析扩展型能效分布矩阵方程对本例进行计算，比较计算结果以校验该矩阵 正确性和准确性。 融r 6 图2 - 1 典型的二次再热机组热力系统图 f i g 2 - lf l o wc h a r to ft y p i c a ls u p e r c r i t i c a lp r e s s u r eu n i tw i t hd o u b l er e h e a t 表2 - 1主系统主要参数 t a b 1t h em a i no r i g i n a ld a t u mo ft h em a i nt h e r m o d y n a m i cs y s t e m 加热器编号 g f ( k j t k g ) r j ( k j k g )以( k j k g ) l2 3 3 9 51 0 3 15 0 2 2 2 5 0 5 ，31 4 0 21 4 0 5 32 5 4 1 61 1 8 11 1 8 6 42 3 6 5 81 2 0 31 1 1 9 5 2 6 7 6 9 1 1 6 10 62 4 0 2 42 1 4 02 8 5 4 72 0 2 8 32 2 9 01 9 1 7 81 8 7 8 42 1 1 5o 主蒸汽焓值3 2 7 8 0k j k g ；排气焓值2 3 6 6 0k j k g ； q = 4 3 0 6k j k g ；0 - 22 4 2 9 1k j k g ；q 05 7 4 8 0 0k j k g 表2 - 2 辅助系统参数 t a b 2 2t h ea u x i l i a r ys t e a m w a t e rd a t u m 辅助汽水流 a 0( k j k g )( k j k g ) l0 0 0 2 5 4 3 0 5 8 2 2 5 0 6 6 20 0 0 2 3 3 3 1 0 5 1 2 7 8 9 1 30 0 0 1 4 6 3 0 8 0 2 2 8 6 9 3 用式( 2 一1 1 ) 填写各矩阵和子矩阵一一【吁】d 、【口，】d 、【幻，】d 、【彳】，、【彳】f 、 、【，7 】、 b 】、【彳】和 w 】，其中前三个矩阵的填写规则与文献 2 2 相同，其余 本文规则填写。 1 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 过热度热量跨级利用的回热抽汽在外置式蒸汽冷却器中的放热量a q ：。= 2 3 7 0 k j k g ：幻加= 3 3 1 5k j k g ( 需要特别指出的是：按照本文所述加热器边界划分规则， a q ：o 被划分到锅炉一侧，因而方程中q o = 一不+ a q 加) 。 该二次再热机组的热经济分析矩阵方程为： a 9 r 巧乃 磊鲕 啊一吃 吃一 ： 魄一吃 吃一吃+ q ( 1 7 7 0 ) 一+ q ( 1 一刁o ) 魄一+ o - t ( 1 一r o ) + o - 2 0 一r o ) 一吃+ q ( 1 一r o ) + o - 2 ( 1 7 7 0 ) 一兀 其中： 彳”】= e 一 4 】【吩】d 一 4 口，】d 一 g ，】d - a q ：】d 】- 1 彳】 主要矩阵填写如下： a 】= 刎，= 研门 9 2 乃乃 儿托 9 3乃 9 4 0 乃 以 0 0 【吩】，) = d i a g c 。1 3 q ，町2 r 2 ，0 ，0 ，0 ，町l r 6 ，0 ，o 】 【吼】) - - d i a g o ，0 ，0 ，0 ，0 ，幻拍r 6 ，0 ，0 】 【以】d - - d i a g o , 0 ，0 ，0 ，o , o ，f 6 ，0 】 1 3 仇仍；仇仇仉仇 气吃吃吃乃吼 q砭乃q吃蚝0 1乞勺弓蚝劬 q乞巧勺巧吼 乃圪以儿吼 矾办红死死卵 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 兀= + 口门 i 一九+ 仃l ( 1 一r o ) + 盯2 ( i - , 7 0 ) + 口，2 【2 一九+ 盯2 ( 1 - r o ) 】+ 口，3 ( h i 3 一九) 根据以上矩阵，用m a t l a b 进行求解，可直接求得r o ；而通过将所要分析的 辅助汽水循环参数设置为o ，就可计算出变化后的，通过和整体计算结果进行比 较即可得到该辅助汽水循环对热经济性的影响值却，从而达到局部定量分析的目 的。计算结果见表2 - 3 。 表2 3 计算结果 t a b 2 3t h e r m a le c o n o m yc a l c u l a t i n gr e s u l t s 计算方法本文方法常规热平衡法 实际循环效率( ) 4 9 2 3 4 8 74 9 2 3 4 8 7 辅助汽水对热 10 1 0 3 4 8 2 30 1 0 3 4 8 2 3 经济性的影响 20 0 2 8 7 5 4l0 0 2 8 7 5 41 却 30 0 1 7 6 3 5 60 0 1 7 6 3 5 6 从表2 3 的计算结果可以看出，与常规热平衡算法相比，计算结果一致，证明 与常规热平衡算法相比，计算结果一致，证明本文所述方法是完全正确、切实可行 的。 1 4 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 第三章二次再热机组热力系统的能损分析计算模型 3 1 辅助汽水成分对热经济性影响的表达方式 基于上文所述的二次再热机组矩阵分析方法的热经济性局部定量分析中，只要 按照规则填写相关矩阵，将所分析的辅助汽水参数设置为0 ( 即除去该扰动) ，就 可以计算出变化后的吁。，从而得到该辅助汽水循环对热经济性的影响值，这个数值 既可以采用绝对量，也可以采用相对量。与前文所述的二次再热机组热经济性定量 分析方法相比，本方法并不要求使用者清晰了解辅助汽水成分对热经济性影响的物 理机理，适宜于转化为计算机语言编程计算。 设原实际系统循环效率为，去除所分析辅助汽水成分后实际系统循环效率为 r 。，则该辅助汽水对热经济性影响的绝对值a r o 和相对值8 r o 分别为： r o = 7 7 i o t a r o ( 3 1 ) 8 r o = 7 t _ o - 1 7 0 1 0 0 ( 3 2 ) r 0 火电厂全厂总效率7 7 c 可以表示为锅炉效率、管道效率7 7 口、循环效率、机械 效率7 7 。、和电机效率锄的连乘，即：r l = r b r p r o r 7 , ，。因此，煤耗率计算公式可 以表达为： 。：一01230i, ：j 坚l ( 3 3 ) = 一= 一 ij j j l l c 1 潲毋| j x l | d 循环效率发生变化时，煤耗率6 的变化为： 6 6 ：玩b 。：j 坚l 一半l n 幽飘函j 丑d 1 幽p r 。0 q i 翔d 0 1 2 3 ，11 、 = = 一 q m 舶| 一dq q r j0 ；q ：! 三! ( 丛玉) q 幽p r o 秘潮d r 。q = b e 8 r o( 3 4 ) 任意分效率单独发生变化时，其相对变化率等于总效率的相对变化率，即： 8 b = 艿研= 艿7 7 ，= 万= 万7 7 ，= 8 r i b = 万= a r g ( 3 5 ) 在能损分析过程中，单独研究每一个设备的效率相对变化率，可以得到它对总 1 5 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 同时也可以得到它对于煤耗率的影响结果，这就是电厂能损分析 数目标值的确定 水平的优劣，可以通过实时经济指标得到一定的反映。如果要对 述，还需要给出当前运行条件下所能达到的最佳经济指标，即目 标值的接近程度反映了运行经济性的好坏，运行人员应以缩小它 们之间的偏差为目的进行操作调整、优化运行。在计算运行参数偏差的煤耗变化量 时，需根据当前值与目标值之间的偏差来计