（控制理论与控制工程专业论文）机组性能计算模块化建模及实用化问题分析.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 为了实现在线监测机组运行状况、合理调整运行参数和提高机组运行经济性，本论 文以大型火电机组为研究对象，结合电厂的实际需求，全面分析了机组的主要运行参数 和技术经济指标。在系统的实现上，构建准确的数学模型，运用工程模块化建模的方法 建立热力系统性能计算模块，丌发了一套热力系统在线性能分析系统。同时对性能计算 面临的实用化问题进行了简要分析和解决方案的初步探讨，详细介绍了基于b p 神经网 络模型的数据预测和验证，简单的分析了性能计算的不确定性和可验证性。最后利用火 电厂数据采集系统采集的机组实时运行数据对某电厂的全厂性能指标进行计算并给出 结果展示，实现了性能指标的在线计算，对保证机组的安全经济运行起到了重要作用。 关键词：性能计算，监测模型，模块化，实用化问题 a b s t r a c t i no r d e rt or e a l i z et h ep u r p o s eo fo n - l i n em o n i t o r i n gt h er u n n i n gs t a t eo fp o w e ru n i t s ， a d j u s tt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sr a t i o n a l l ya n di n c r e a s et h er u n n i n gp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e r s e l e c t sl a r g et h e r m a lp o w e ru n i ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a ln e e do f t h e r m a lp o w e r p l a n t ，ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fm a i no p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a l e c o n o m yi n d e x e si sp u tf o r w a r d a st ot h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m ，b u i l d i n ga na c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e lf i r s t l y , t h e nu s i n gt h em o d u l a rm o d e l i n gm e t h o dt oe s t a b l i s hp e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o nm o d u l eo ft h e r m a ls y s t e m ，f i n a l l yas e to fo n l i n em o d u l a rp e r f o r m a n c ea n a l y s i s s y s t e mo fp o w e rp l a n ti sd e v e l o p e d a tt h es a m et i m e ，g i v i n gt h eb r i e fa n a l y s i sa n dt h e s o l u t i o no ft h ep r e l i m i n a r yd i s c u s s i o na b o u tt h ep r a c t i c a lp r o b l e m st h a tp e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o ni sf a c i n g ，n e x ti n t r o d u c i n gp r e d i c t i o na n dv a l i d a t i o no ft h ed a t ab a s e do nb p n e u r a ln e t w o r km o d e li n d e t a i l ，t h e na n a l y z i n gu n c e r t a i n t ya n dv e r i f i a b i l i t y o ft h e p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o ns i m p l y a tl a s t ，t a k i n ga d v a n t a g eo ft h e r m a lp o w e rp l a n td a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mt og a i n t h er e a l t i m eo p e r a t i n gd a t a ，c a l c u l a t i n ga l lt h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fs o m ep o w e ru n i ta n dg i v i n gt h er e s u l t ss h o w t h es y s t e mr e a l i z e do n l i n e c a l c u l a t i o no fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dp l a y e da ni m p o r t a n tf u n c t i o ni ni m p r o v i n gt h e o p e r a t i o n a le c o n o m i c sa n ds e c u f i t y t i a nm i a o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i z h e na n dh u a n gx i a o b i n k e y w o r d s ：p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，m o n i t o r i n gm o d e l ，m o d u l a r , p r a c t i c a lp r o b l e m 删mml叭4眦5删69删7 删1洲y 华北电力人学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论。1 1 1 课题研究背景和意义一l 1 2 热力系统分析方法的研究现状l 1 3 国内外性能监测系统的研究现状3 1 4 文章内容安排4 第二章火电机组在线性能监测模型一6 2 1 引占6 2 2 锅炉性能计算模型6 2 2 1 输入一输出热量法( 正平衡法) 锅炉效率计算6 2 2 2 热损失法( 反平衡法) 锅炉效率计算7 2 3 汽轮机性能计算模型1 0 2 3 1 回热系统热平衡计算1 0 2 3 1 1 抽汽流量的计算1 0 2 3 1 2 排汽焓在线计算的确定1 2 2 3 2 加热器和凝汽器性能计算1 4 2 3 3 汽轮机相对内效率及缸效率1 7 2 3 4 汽耗率、热耗率和热效率计算1 7 2 4 机组全厂性能计算模型1 9 2 5 本章小结2 0 第三章热力系统模块化建模2 l 3 1 热力系统模块化建模方法2 l 3 2 热力系统的分解、模块划分2 2 3 3 热力系统性能指标模块化模型的建立2 3 3 3 1 疏水放流式加热器模块化设计2 4 3 3 2 锅炉性能模块化设计2 5 3 3 3 性能模块内部搭接的实现2 7 3 3 4 热力系统图形组态3 6 3 4 本章小结3 6 第四章在线性能计算实用化问题分析3 8 4 1 实时数据预测验证研究3 8 4 1 1 生产实时数据预测验证意义3 8 4 1 2b p 神经网络基本原理3 8 t 华北电力大学硕士学位论文 4 1 3b p 神经网络模型应用于实时数据预测验证4 l 4 1 3 1 数据处理4 l 4 1 3 2 误差评价指标4 2 4 1 3 3b p 网络结构设计4 2 4 1 4 神经网络的预测结果及误差分析4 3 4 2 机组在线性能计算的不确定性分析4 5 4 2 1 机组热力过程与研究范畴4 6 4 2 2 状态参数与边界参数的关联方法分析4 7 4 2 3 基于数据模型的机组运行状态重构4 8 4 3sis 中性能计算的验证机制4 9 4 4 本章小结5 0 第五章在线性能分析系统在电厂中的应用5 1 5 1 计算平台概述5 l 5 2 系统应用实例5 2 5 2 1 计算原始资料5 2 5 2 2 计算结果发布5 2 5 3 本章小结5 8 第六章结论与展望5 9 参考文献6 1 致谢6 5 在学期间发表论文和参加科研情况6 6 华北电力火学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 为适应我国国民经济保持高速增长的念势，电力行业的发展必须与国民经济发展相 协调。目前，我国的发电总装机容量和总发电量均为世界第二位。2 0 0 8 年底全国的装机 容量达到7 9 2 5 3 万千瓦【，按照我国电力工业发展的总目标：预计到2 0 2 0 年我国发电装 机容量将达到9 5 亿千瓦，其中火电机组仍将占总装机容量的6 9 5 左右【2 1 ，到2 0 5 0 年 装机容量将达到1 6 亿千瓦，因此我国以煤为主的能源消费格局在比较长的一段时间内 不会改变。2 0 0 5 年美国能源信息署预测了未来2 0 年世界能源发展的脉络，按照该预测 到2 0 2 5 年，煤炭在我国一次能源构成中仍然占到5 8 2 f 3 】，而国产大型燃煤机组的平均 供电煤耗率为3 6 6 4 眺w h 【4 】，高出先进国家2 0 3 0g 1 , w h 。在当今倡导建设节约型社 会的大前提下，电力企业还有很大的节能潜力可挖，提高火电机组的热经济性，不仅是 降低发电成本本身的需要，而且减少一次能源的消耗，有利于对资源和环境的保护，实 现可持续发展。 中国的电力正由计划经济模式向市场经济模式转化，电力的需求也逐渐由卖方市场 转向买方市场，发电单位要致力于提供优质、低耗的电能以满足社会的需要，这就要求 发电厂对自身机组的性能有全面的了解，对自身的发电成本有准确的估计。对电厂机组 的各项性能和热经济指标进行监督和计算是了解设备运行状况的一种主要措施，而建立 合理的火电机组经济性模型是对机组各项性能和热经济性指标在线监测的基础。 为了能实时反映电厂的运行经济情况，监视火电厂各主、辅机设备的运行参数及经 济性能，协助运行人员预测诊断某些设备的事故运行工况，从而对机组进行在线热经济 性计算、性能分析与优化，指导运行人员进行实时参数调整，最大限度发挥机组节能潜 力，保证机组的安全经济运行，具有十分重要的意义。这也是加强运行考核与管理，降 低发电成本，生产管理发展的必然趋势。 1 2 热力系统分析方法的研究现状 热力系统的分析方法经历了一个逐渐发展的过程，应该说基于不同的热力系统性能 计算模型，就应该有与之对应的热力系统分析模型。基于热力学方法的热力机组性能分 析与诊断按其依据热力学理论基础的不同可分为热力学第一定律分析法和热力学第二 定律分析法。 1 基于热力学第一定律的方法 热平衡法f 5 】是最基本的热力系统分析方法。当热力系统比较复杂时，或对热力系统 l 华北电力人学硕十学位论文 进行多方案比较时，直接应用热平衡法往往很繁琐，所以热平衡法一般用来验证其它方 法的f 确性，而较少直接用于热力系统节能分析。 第一定律分析法的典型代表是国内广泛采用的等效热降法【6 1 ，该方法是前苏联学者 库兹涅佐夫在2 0 世纪6 0 年代后期首先提出的热力系统分析方法，2 0 世纪7 0 年代传入 我国，西安交通大学的林力- 超教授对其深入研究并加以完善和推广。作为回热系统局部 定量技术分析的简捷方法，等效热降法成为火电厂能损分析的首选理论和方法。近些年 为了适应在线监测的需求，国内几所大学的不少学者都对其进行了进一步研究和改进， 如浙江大学盛德仁教授提出热偏差修正【_ 7 1 ，东北电力学院李勇教授采用改进的汽轮机理 想循环热效率的等效热降分析【8 】以及东南大学徐治皋教授学科组的相关研究等。 循环函数法【9 j 是由我国电力建设研究所马芳礼教授根据2 0 世纪5 0 年代美国 s a l i s b u r y t j 提出的加热单元概念创立的热力系统计算和分析方法。该方法与等效热降法 的思想方法有较大差别，是将任一复杂的热力系统划分为主系统和各种不同的辅助系 统，分别计算各系统的经济指标，也能很好地解决局部定量分析这一难题。同样该理论 中概念较多，公式复杂，并且不易发现其一般规律，一般的工程技术人员难于理解和掌 握。为了完善和改进传统的节能分析理论，文献 1 1 , 1 2 】对循环函数法的进行了改进和扩展。 矩阵分析法就是将矩阵数学工具引入到热力系统的分析中来，将等效热降法从数学 理论基础上进行了完整统一。系统热经济状态方程为热力系统的局部定量分析奠定了统 一的一致化分析手段，使其脱离了分析过程中每一步都强调热平衡的思想，不同环节有 不同的表达式。该方程将系统分析向更高一层次进行了抽象，即系统分析建立在系统的 拓扑结构与热力学状态参量之上【1 3 , 1 4 】。矩阵法是一种表示传统方法的计算手段，矩阵分 析有很多种变形，包括基于循环函数法思想的矩阵分析 1 1 , 1 2 , 1 5 , 1 6 】和基于等效焓降法思想 的矩阵分析【1 7 旧】。 2 基于热力学第二定律的方法 熵分析法的主要内容是要通过对体系的熵平衡计算，求取熵产的大小及其分布，分 析影响熵产的因素，确定熵产与不可逆损失的关系，作为评价过程的不完善性和改进过 程的依据。熵这个参数应用起来比较方便，但是概念比较抽象，无法满足把能量的使用 价值与经济价值融合在一起的需求。 第二定律分析方法的典型代表人物足西班牙学者a v a l e r o 。由他倡导的热经济学分 析方法【2 m 2 2 l 在过去的近十年罩引起了世界各国学者的追随。国内主要有以王加璇教授 为代表的热经济结构理论分析研究。火用分析法最大的优势在于可以诊断出组元的不可逆 性大小，然而在系统诊断过程中不可逆性增加的组元不一定就是所要寻找的异常点。热 经济学理论将热力学概念与经济学成本概念和分析方法联系了起来，使其成为一套完整 的通用系统分析体系。火用经济成本分析法还在逐步的发展和完善中。 目前基于热力学第一定律的分析方法因其在应用上的实用性和方法上的成熟性仍 占有此领域的主导地位。只要所有运行状态参数准确可靠，且具有良好的状态一致性， 2 华北电力人学硕十学位论文 通过质、能平衡分析即可得到准确的热经济性指标计算结果。综合考虑上述分析方法的 优缺点以及现场实时性能计算和能损分析的要求，在本文的数学模型建立时，主要采用 了热力学第一定律分析法中的常规热平衡法。 1 3 国内外性能监测系统的研究现状 从8 0 年代丌始，国外火电厂性能监测与分析系统逐步开始应用，随着火电机组监 测水平及信号处理技术的提高，计算机软、硬件的发展及更新速度的加快，控制理论的 发展和普及，对复杂热工对象的数值仿真成为可能。经多年试验、使用、总结和完善， 很多系统已比较完善，经济效益显著。迄今为止，国外一些公司开发了数量不等的火电 厂性能分析软件，人机界面友好，系统互换性强。随着数据库功能不断完善和开发，各 种高级应用软件层出不穷【2 3 - 4 9 1 ，其中功能较完善并有较多应用的软件主要包括1 5 0 l ： 1 s i m t e c h 公司开发的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。有较全面的热工对象模块模型库、算法 库，并提供在线修改和生成功能。现有主要模块包括：锅炉、燃烧室、压气机、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。 2 z e e f a x 公司的p p c m s 系统( 热电站性能监测系统) ，包括：锅炉全性能分 析、热损失分析、p i n c h 和a p p r o a c h 温度分析、基于设计参数的建模；汽轮机焓降、 过程绝热焓降、热耗分析、可控参数对机组性能的影响；凝汽器与冷却塔清洁度分 析、泵性能对循环水系统的影响、冷却塔冷却能力的分析和性能监测；系统平衡计算一 一包括除氧器、水箱、给水泵、循环泵等在内的质量和能量平衡分析等。 3 a s p e nc u s t o mm o d e l e r 系统提供热力系统和化工系统的设计优化和运行优化， 具体功能包括：建立用户模型，使用高级过程建模语言，通过对象方程描述对象，具体 算法有软件本身完成，建立生成流程图，通过图形编辑器完成该功能，实现可视化，用 于过程的动态仿真，主要应用领域包括热电厂设计优化。 4 e t a p r o 热力发电厂性能监测和优化，包括锅炉换热面性能分析、锅炉总体性能 分析、联合循坏性能分析、凝汽器性能分析、冷印塔性能分析、风机系统性能分析、回 热系统分析、燃气轮机性能分析、余热锅炉性能分析、泵性能分析、汽轮机性能分析等。 5 德国s i e m e n s 公司的s i e n e r g y 系统：s i e n e r g y 软件包中的机组效率分析优化 模块主要用于机组性能和效率分析。采用对锅炉、汽轮机、热力系统、汽水系统和烟风 系统的数学模型进行仿真，从整个电厂运行角度动态分析各设备和系统的效率。s i e n e r g y 系统专门针对电厂开发，因此较符合电厂的实际情况，它包括机组控制回路优化软件 p r o f i ，电厂生产管理系统软件b f s + + 、电厂运行优化软件o p t l p r o + + 、高层协调管理 c o c k p i t ，其中o p t l p r o + + 是一种综合的动态运行管理和专家状态监测系统，以降低和控 华北电力入学硕+ 学位论文 制火电厂发电成本，提高机组和设备效率为目的，依据现场测点数据对火电厂进行在线 的热力循环计算和依据符合、环境条件进行在线热力循环优化计算，完成热力系统能量 平衡、质量平衡以及对发电过程进行实时成本分析。 6 瑞士a b b 公司的o p t i m a x 系统：o p t i m a x 是在线的电厂效率计算优化软件包， 目的是最大限度地优化电厂过程，降低机组的热耗率，实质是以成本为核心，将机组或 整个电厂装置置于最佳运行状态下。其中的性能计算模块可以计算出当前工况下的实际 值和期望值，并进行循环分析计算，使操作人员、电厂工程师和管理人员根据计算结果 来进行适当操作以提高电厂的运行效率。 7 e p r i 的运行能源管理系统( o e m ) ：r 本r 立公司的运行维护和管理信息系统 和电厂监控信息系统，o e m 通过在线优化设备调度使得火电厂以最小的费用满足当前 的负荷要求，从而实现全厂范围内的性能优化和热耗管理。 自上世纪8 0 年代中期，由于电厂的自动化程度的提高和计算机技术的广泛应用， 我国也开始了火电厂性能在线监测和优化运行问题的研究。目前国内火电厂性能监测与 分析软件的开发和应用还处于初级阶段，国内已经投入实际应用具有代表性的主要有西 安交通大学研制的“微机在线运行能损分析装置 ，华北电力大学的“机组经济性在线 监测诊断指导系统 及东南大学开发的监测系统等。目前这些系统普遍具有性能指标计 算、报表自动生成、事故追忆与越限记录、趋势图显示等功能，在此基础上开发出运行 可控损失监测、预测性维修、运行优化、最佳负荷分配等功能。 总的来说，国内火电厂运行优化软件还处于发展阶段，与国外同类系统相比还有一 定差距，仍有很大的潜力向更深更广的方向发展和完善。虽然有些实际应用，但真正应 用成熟的产品还不多，软件的通用性差，如何解决系统的通用性问题就显得非常重要， 将模块化思想引入热力系统性能分析计算中解决了系统模型通用性的问题，而且模块化 建模的方法还具有简单、快捷等特点。因此随着电站自动化的迅速发展，目前国内外经 济性分析系统的功能f 由简单计算分析向模块化、通用化、智能化方向发展。其中模块 化、通用化是一种重要的发展趋势。 1 4 文章内容安排 第一章介绍了本课题的研究背景及意义、热力系统分析方法的研究现状以及国内外 性能监测系统的研究现状。 第二章丰要对火电机组s i s 系统中在线性能计算监测模型进行介绍，主要包括 锅炉性能计算模型、汽轮机回热系统热平衡计算模型( 重点介绍了抽汽流量和汽轮机末 端湿蒸汽排汽焓的计算) 、机组全厂级性能计算模型等，涉及到了火力发电厂的各主要 技术经济指标。 第三章首先阐述了模块化建模思想，然后对热力系统的各个设备和过程进行模块化 4 华北电力火学硕+ 学位论文 分解并建模，最后利用传统的热平衡法，在能量平衡和质量平衡的基础上，以模块化建 模方法搭接系统，将子系统模块集成整个机组的模块化模型。文中给出了锅炉效率模块 和典型加热器模块的模块算法设计，接着给出了各设备性能模块的内部子模块连接图以 及单元机组热力系统组念图。 第四章提出了性能计算所面临的实用化问题：实时数据预测验证、性能计算的不确 定性及可验证性。重点是运用m a t l a b 对基于b p 神经网络的预测模型进行训练仿真，对 某电厂的主蒸汽流量数据进行了预测。对性能计算的不确定性和可验证性进行了简单探 讨并给出了初步的解决方案。 第五章主要是在火电厂现有信息资源基础上，利用数据采集系统采集实时数据，应 用基于模块化结构设计思想丌发的在线性能计算分析系统对某电厂的全厂性能指标进 行计算并给出结果展示。 第六章对本论文研究工作进行总结，并指出下一步要研究的方向。 5 华北电力人学硕十学位论文 2 1 引言 第二章火电机组在线性能监测模型 性能计算与分析模块是s i s 工程中的一个基本应用模块，能够及时准确地计算、分 析、评价全厂及各机组热力设备的技术经济指标，火电机组在线性能监测模型可以实时 反映电厂运行的经济性及机组不同运行方式的影响，监视整套机组和各部件的性能，给 出电厂运行的完整状况，为运行管理人员提供技术经济参数，使其处理问题时能够做出 更合理的决策。 在线性能计算模型包含了全厂及机组各系统、设备的性能计算模块。计算模型主要 以美国a s m ep o w e rt e s tc o d e s 、g b 、d l 行标为标准，凝汽器部分的计算符合美国h e i 标准，水和水蒸气热力性质计算公式采用国际水蒸气性质会议确认的工业用i f c 9 7 公式， 并结合在线监测性能计算的特点进行。计算主要指标如下表所示： 表2 - 1 性能计算主要指标 模块名称 计算内容 锅炉性能正平衡效率、反平衡效率、各项热损失等 汽轮机性能低压缸排汽、高中“氐压缸效率，循环效率、相对内效率、热耗率 汽耗率等 凝汽器性能凝汽器热负荷、端差、过冷度、循环水温升流量、清洁系数等 空预器性能烟气进出口温度、空气进出口温度、氧量、漏风率、烟气侧空气 侧效率等 加热器性能加热器端差、给水温升、抽汽流量、疏水流量等 机组全厂性能厂用电率、功率因数、补给水率、供发电功率、供发电汽耗率、 供发电热耗率、供发电标准煤耗率等 2 2 锅炉性能计算模型 根据中华人民共和国电力行业标准( d l t9 0 4 - - 2 0 0 4 ) ，锅炉热效率模型如下： 2 2 1 输入一输出热量法( 正平衡法) 锅炉效率计算 输入一输出热量法热效率是指锅炉输出热量占输入热量的百分比。对于锅炉效率计 算的基准，燃料以每千克燃料量为基础进行计算，输入热量以燃料的收到基低位发热量 来计算，即： 6 华北电力人学硕士学位论文 旷曼舢 ( 2 1 ) 式中：1 。为锅炉热效率，；g 为每千克燃料的锅炉输出热量，k j k g ：q 为每千 克燃料的锅炉输入热量，k j k g 。 在该标准的计算中，锅炉的输入热量为入炉煤的收到基低位发热量，即： q ，= 纰， ( 2 2 ) 锅炉输出热量应根据汽水系统的设置来确定热量平衡界限，主蒸汽系统以锅炉省煤 器入口至术级过热器出口为界限，确认给水、减温水、排污、抽汽及主蒸汽的相关参数； 再热汽系统以锅炉再热器入口至再热器出口为界限，确认再热器入口蒸汽、抽汽、再热 减温水及再热蒸汽相关参数。这些需确定的参数包括流量、温度及压力，并由温度及压 力求出相应的焓值，即： lr1 q 1 = 去p h 钾+ d ， 三+ d p ，h 口，+ e d g f h 一d 伊 蠹一d 妇h 切一d e , h 暑，一d 互h 巧j ( 2 3 ) 式中：d 为锅炉实际蒸发量，k g h ：h 朋为锅炉主蒸汽焓值，k j k g ；d 。为锅炉再热 器出口蒸汽流量，k g h ；鳐为锅炉再热器出口蒸汽焓值，i o k g ；d 删为锅炉的排污流量， k g h ；乃为锅炉排污焓值，k j k g ：d 芦为主给水流量，k g h ；| l 箬为锅炉给水焓值( 省 煤器入口给水焓值) k j k g ；为冷再热蒸汽流量，k g h ：h h 为冷再热蒸汽焓值，k j k g ； 为过热器减温水流量，k g h ：h 为过热器减温水焓值，k j k g ；d 可为再热器减温水 流量，k g h ；h 巧为再热器减温水焓值，k j k g ；为锅炉其他输出( 包括吹灰、疏水及 其他自用蒸汽) 流量，k g h ；h q ，为锅炉其他输出的焓值，k j k g 。 2 2 2 热损失法( 反平衡法) 锅炉效率计算 1 锅炉热效率 矽g = ( 1 一兰蔓1 2 2 l 季盟) 1 0 0 ：l o o 一( q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + 9 6 ) ( 2 4 ) 蟛， 式中：q ：为锅炉排烟热损失，；q ，为可燃气体未完全燃烧热损失，；q 。为固体 未完全燃烧热损失，；q ，为锅炉散热损失，；q 。为狄渣物理热损失，。 2 排烟热损失 排烟热损失是指排出烟气带走的物理显热占输入热量的百分率。 铲妾圳。 协5 ， q 2 = 鲮+ q 也口 ( 2 6 ) 7 华北电力人学硕十学位论文 q 2 = c 脚( 一白) ( 2 7 ) 甜2 d = ：d c 舢：d ( 一0 ) ( 2 - 8 ) 式巾：q 2 为干烟气带走的热量，k j k g ：q 2 以。为烟气所含水蒸气的显热，k j k g ； 为每千克燃料燃烧生成的实际干烟气体积，m 3 k g ；，d 为每千克燃料燃烧产生的水 蒸气及相应空气湿分带入的水蒸气体积，m 3 d c g ：p ，为排烟温度，口c ；，为送风温度， o c ；c ，为干烟气从勺到的平均定压比热，k j ( k g k ) ；c p , h z o 为水蒸气从0 到的 平均定压比热，k j ( k g k ) 。 如果采用燃料的元素分析对排烟损失进行计算，应按g b t1 0 1 8 4 中的计算方法。 如果用燃料的工业分析进行简化计算，可以按如下计算方法： 实际干烟气体积可以通过式( 2 9 ) 计算，即 = ( 。) 。+ ( 口一1 ) ( y 。醇) 。 ( 2 9 ) 式中：( 吆) 。为每千克燃料燃烧所需的理论干空气量，m 3 蚝；( 嘭) 。为每千克燃料 燃烧产生的理论干烟气量，m 3 k g ；口卯为末级受热面出口的过剩空气系数。 ( 吆) 。2 而1 ( k z 纰，”) ( 2 - 1 0 ) ( ) = k - ( 吆) 。 ( 2 1 1 ) k 、k ：可根据燃料的种类及燃料无灰干燥基挥发分的数值在表2 2 中选取。 表2 - 2 排烟热损失计算系数表 燃料种类无烟煤贫煤烟煤烟煤长焰煤褐煤 ( ) 5 1 01 0 2 02 0 3 03 0 - - 4 0 3 7 3 7 k l 0 9 80 9 8 0 9 80 9 80 9 8o 9 8 k 2 0 2 6 5 90 2 6 0 80 2 6 2 00 2 5 7 00 2 5 9 5 0 2 6 2 0 h 。( ) l 32 5 3 52 5 3 53 53 43 4 烟气中所含水蒸气容积计算如下： v h , o = 1 2 4 鼍+ 1 2 9 3 c r p y ( v 善) l ，2 ， 式中：。，为燃料收到基氢含量，；m ，为燃料收到基水分含量，；d 。为环境 空气绝对湿度，k g k g ；燃料收到基氢含量h 。可以在上表中选取，或选取近期的煤质元 素分析数值。 一般情况下，干烟气的平均定压比热容可以取1 3 8k j ( k g k ) ，水蒸气的平均定压比 热容可以取1 5 1k j ( k g k ) ，空气绝对湿度可以取0 0 1k g k g 。 华北电力人学硕+ 学位论文 3 可燃气体未完全燃烧热损失 可燃气体未完全燃烧热损失是指排烟中可燃气体成分未完全燃烧而造成的热量损 失占输入热量的百分率。对于燃煤锅炉可以忽略。 4 固体未完全燃烧热损失 固体未完全燃烧热损失是指锅炉狄渣可燃物造成的热量损失和中速磨煤机排出石 子煤的热量损失占输入热量的百分率，即： ：3 3 7 _ 2 - 7 a rc + q 7 (213)q4 2 f 坦。 弘嚣舢。( 2 - 1 4 ) 6 ：丝垡+ 垒箜( 2 1 5 ) 1 0 0 一1 0 0 一c 磊 式中：g 。“为中速磨煤机排出石子煤的热量损失率，；线为中速磨煤机排出石 子煤的低位发热量，k j k g ；b l 为锅炉燃料累计消耗量，t ；b s z 为石子煤的排放量，t ；以 为燃料收到基灰分含量，；c 为狄渣中平均碳量与燃煤灰量之比率，；、c 二分 别为炉渣、飞灰中含碳量，；，口历分别为炉渣、飞灰灰分含量占燃煤总灰量的质量 百分率，。 吼、口伪的数值可根据最近灰平衡试验或锅炉性能试验来选取。对于固态排渣煤粉 锅炉，可以代之以口= 1 0 、口历= 9 0 ；对于液态排渣煤粉锅炉，可以代之以吼= 3 0 9 0 、 a l l l = 1 0 0 一仅k o 一般在线计算中，可忽略q 。“。 5 散热损失 散热损失是指锅炉炉墙、金属结构及锅炉范围内管道( 烟风道及汽、水管道联箱等) 向四周环境中散失的热量占总输入热量的百分率。 q 5 ，d = 5 8 2 x ( d 耐) 。0 3 8 ( 2 1 6 ) 舻弘锄d e _ _ l = 5 8 2 x 譬 协 式中：q ，耐为额定蒸发量时的散热损失，：d e 。为额定蒸发最，t h ；d 为实际蒸 发量，t l l 。 6 狄渣物理热损失 灰渣物理热损失是指炉渣、飞狄排出锅炉设备时所带走的显热占输入热量的百分 率，即： 9 华北电力人学硕七学位论文 舻参l 警+ 訾l 协 式中：t 止为由炉膛排出的炉渣温度，。c ；c 拓、c ，j ，分别为炉渣、飞灰的比热，k j ( k g k ) ； 对r 固态排渣煤粉锅炉，炉渣温度可以墩8 0 09 c ；炉渣的比热町以取o 9 6k j ( k g k ) ； 对于液念排渣煤粉锅炉，炉渣温度t 艮= t ，+ 1 0 0 。c ( 岛为煤狄的熔化温度，。c ) ，炉渣的 比热可以取1 1 0k j ( k g k ) 。 鉴于排烟温度般介于1 0 0 。c - 2 0 0 。c 之问，飞灰的比热一般可以取0 8 2k j ( k g k ) 。 当燃煤的折算狄分小于1 0 ( 即4 1 8 7 a ，q ，1 0 ) 时，固态排渣煤粉炉可忽略 炉渣的物理热损失。 2 3 汽轮机性能计算模型 2 3 1 回热系统热平衡计算 2 3 1 1 抽汽流量的计算 抽汽量的计算工作是十分繁琐的，循环函数法对概念的要求较高，简化及概念性不 够理想，特别是在有混合式的加热单元中。常规热平衡法是一种流量平衡法，易于理解 和掌握，从高压至低压逐级计算各抽汽量。在这里，我们采用能量平衡和质量平衡法来 计算各级抽汽量，易于编程，过程简洁。 把加热器分成两类，一类称疏水放流式加热器，简称疏放式加热器，它们属于表面 式加热器，其疏水方式为逐级自流，加热器不带疏水泵，疏水自流入凝汽器，如图2 1 ； 另一类称汇集式加热器，是指混合式加热器或带疏水泵的表面式加热器，疏水自流并汇 集于凝汽器热井或凝结水泵的入口，如图2 2 。 图2 1 疏水放流式加热器 i o 华北电力入学硕十学位论文 图2 - 2 汇集式加热器 1 疏水放流式加热器数学模型 对输水放流式加热器定义抽汽放热量吼、给水焓升0 以及疏水放热量乃。 乃= h 彬一五“，一i ) ( 2 - 1 9 ) q s = 乃 ( 2 - 2 0 ) 乃= ( 川) 一 ( 2 2 1 ) 在全面考虑加热器所对应的汽轮机抽汽以及各种辅助蒸汽、水、热量回收等情形的 基础上，根据质量能量平衡得： d s h j + d w ，( 川h ( 川) + q 枷以枷) + q ，以，+ 见吃= 仍，+ 仇h 叫 ( 2 - 2 2 ) d w ：咖1 ) + 见 ( 2 _ 2 3 ) 岛= 见( 川) + q + 戗。， ( 2 - 2 4 ) 联立公式可得： q ：坐丛止逊掣篙堂生坚止剑协2 5 ， 式中： q 进入第级加热器的抽汽量，k 的； 哆第级抽汽焓值，k j k g ，乃= ( 乃，0 ) ； 战，_ ，级加热器出口水流量，k g h ； d w ( 川) 级加热器入口水流量，k 的； h w - i h w s 加热器进，出口水焓值，l c j k g ，h ，= 厂( p 。，t 。) ； 见( 川) 进入级加热器疏水流量，k g n ： 见，第级加热器疏水流量，k 加； 乃，( 川) ，吃，加热器进，出口疏水焓值，k j k g ，= f ( p a ，乞) ； 华北电力大学硕+ 学位论文 乏：q ，进入加热器的辅助汽水流量，k 蚰； h k ，进入加热器的辅助汽水比焓，k j k g ，仇，= f ( p k ，气，) yd 。加热器主给水管路上的辅助水流量，k g ，i l ； 九加热器主给水管路上的辅助水流比焓，k j k g ，= 厂( ，t m ) 2 汇集式加热器数学模型 02 h 蚵一j i l ，“一i ) q j 。h 厂h 4 卜l 、 乃2 ( 川) 一川) 根据质量能量平衡： q 哆+ 绒( 川户w ( - o + d d ( + 0 h , q 0 + q ，+ 绒= d w ，h w ， 巩，= o 一。) + 9 + 岛舯) + 见，+ 见 联立公式可得： 、 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) d ，：堡：! ! 垒! 二笠：! ：! ! 二竺：型f 竺! 型) 二垒! 型盘二圣竺：竺：! 二竺：二圣堡【竺二生型! ( 2 3 1 ) 勺一i ，一i ) 对于具体机组，只要热力系统一定，根据式( 2 2 5 ) 或( 2 3 1 ) 即可方便地求出各 级抽汽流量。它是我们分析热力系统运行经济性的基础。 2 3 1 2 排汽焓在线计算的确定 在汽轮机的在线性能监测中，汽轮机排汽焓的计算是整个热力系统计算的重点，对 火电机组在线监测和经济性在线分析具有重要意义。当最术几级抽汽处于湿蒸汽区时， 其压力和温度不再是独立参数，而且目前尚不具备测量汽轮机排汽湿度的有效手段，汽 轮机排汽往往处于湿蒸汽区域而无法利用测量仪表直接得到其焓值，所以实时热平衡计 算中，低压缸效率的计算一直都很麻烦。一般在实际应用中就需要由其他已知数据并利 用一定的方法求得。 在此本文介绍一种常规计算方法【5 。首先应用热工平衡法，利用已知的实测参数对 各级抽气流量进行计算，并与膨胀线外推法相结合，最后得出排汽焓。 1 热： r 、f 衡法计算排汽焓h ，c 求出机组各级抽汽量后，排汽焓就可以通过对整个回热系统的热平衡计算得出了。 下面给出热平衡计算方程【5 2 】： g ：旦 ( 2 3 2 ) q 。q d 1 2 华北电力人学硕+ 学位论文 w = k + 2 ，噍，一b 哆一d c h c ( 2 - 3 3 ) j = l 式巾：w 为汽轮机内功；nj , j 发电机功率；刁。为机械效率( 汽轮机主轴输m 的轴端 功率与汽轮机内功率之比) ；仇，为电机效率( 发电机出线功率与汽轮机主轴输出的轴端 功率之比，要按电功率来计算发电机效率， 般分析时取= 0 9 8 o 9 9 ) ；砬。、h ：q 为 主蒸汽流量、焓；d ：r 、k 为再热蒸汽流量、焓；d ，、h ，为各级抽汽量、抽汽焓；口、 见为排汽量、排汽焓。 基于式( 2 3 2 ) 和( 2 3 3 ) 可以计算排汽焓办 2 通过曲线拟合，动态确定排汽焓初值见。 首先，对处于湿蒸汽区的抽汽段进行判断，一般火电机组仅最末一级抽汽处于湿蒸 汽区，故在此只判断到第七段抽汽。然后根据当前工况的己知点( 非湿蒸汽区的工况点) ， 通过最b - 乘法拟合出一条光滑的压力一焓( p h ) 曲线，然后由湿蒸汽区各未知点的压 力p 推出各未知点的焓值h 。 3 求得最终排汽焓见 采用曲线拟合方法是由当前工况点参数拟合曲线，能跟踪当前工况，动态地求出最 接近实际值的各未知点的初值，计算过程简单，程序可靠，计算效率高。但缺点是计算 误差较大 5 3 5 4 i ，对于工况变动较大的机组初值很难选定，曲线拟合点比较少，再加上术 几级加热器可能处于湿蒸汽区而导致拟合曲线偏离实际曲线较远，使得计算结果偏离实 际值较大。为了进一步提高计算精度，本文将上一次通过热平衡计算得到的排汽焓作为 一个已知点参与到曲线拟合中，同时对本次拟合的结果也作为已知点，多次重复拟合p h 曲线，提高了计算精度，效果更佳。排汽焓计算的流程图如下： 1 3 华北电力人学硕+ 学位论文 图2 - 3 排汽焓计算流程图 2 3 2 加热器和凝汽器性能计算 1 加热器性能计算 ( 1 ) 加热器上端差是指加热器进口蒸汽压力下的饱和温度与水侧出口温度的差值，即： a t = f 拍一t 。 ( 2 3 4 ) 式中：出为加热器上端差，。c ；为加热蒸汽压力下的饱和温度，。c ；f 。为加热 器的水侧出口水温，。c 。 ( 2 ) 加热器下端差是指被加热工质进入疏水冷却器( 或疏水冷却段) 时的温度与离丌疏 水冷却器( 或疏水冷却段) 的疏水温度的差值，即： f 耐= f 。一f 缸 ( 2 3 5 ) 式中：k 为加热器下端差，。c ；f 。为疏水冷却器的疏水温度，。c ；f 豇为加热 器的水侧进口水温，4 c