燃气蒸汽联合循环在线热力性能监测软件开发.pdf

华北电力大学（北京） 硕士学位论文 燃气-蒸汽联合循环在线热力性能监测软件开发 姓名：蔺文涛 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：卞双 20080301 华北电力大学硕士学位论文 摘要 提高效益已逐渐成为每一个企业的目标，而性能监测可对生产过程进行全面的 经济分析。可以精确地、动态地反映出企业的经济效益状况。在线实时性能监测有 助于运行人员更好地选择运行方式，以提高机组主机与辅机的效率，进而提高整套 机组的效率，为企业赢得效益，同时也可作为状态检修的依据。性能监测还是节能 降耗行之有效的分析手段，而发电厂的热力系统及设备的节能给电厂运营带来明显 的经济效益。 本文设计的燃气蒸汽联合循环在线性能监测软件系统利用D E L P H I7 0 和S Q L S e r v e r2 0 0 0 作为开发工具，实现了在线监测与性能分析，可实时指导火电厂运行人 员及时调整各项参数，使机组效率处于最佳状态，从而达到优化运行的目的。 关键词：在线监测，联合循环，燃气轮机，性能计算 A B S T R A C T I m p r o v ee f f i c i e n c yh a sb e e nb e c o m i n gt h et a r g e to fe a c hc o r p o r a t i o n ，t h eP e r f o r m a n e eO n - l i n em o n i t o r i n gc o n d u c tac o m p r e h e n s i v ee c o n o m i ca n a l y s i so ft h ep r o d u c t i o nP - r o c e s s T h i sc a nb eu s e dt Od y n a m i c a l l yr e f l e c tt h es i t u a t i o no ft h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y o fe n t e r p r i s e s T h eP e r f o r m a n c eO n l i n em o n i t o r i n gc a nH e l pw o r k e r sr u n ab e t t e rc h o i c eo fo p e r a t i n gm o d e ，t Oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a i n f r a m ea n da u x i l i a r y , A n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ee n t i r eu n i t ，t h i sc a nw o nb e n e f i t sf o re n t e r p r i s e s ，a tt h es a m et i - m cc a nb eu s e da st h eb a s i sf o rs t a t eo v e r h a u l T h eP e r f o r m a n c eO n l i n em o n i t o r i n ga l s o i sa ne f f e c t i v em e a n so fe n e r g ys a v i n g ，E n e r g yS a v i n go ft h et h e r o a , a ls y s t e m sa n de q u i p m e n to ft h ep o w e rp l a n tc a nb r i n gs i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t so ft h ep o w e r p l a n t I nt h i sp a p e r , u s i n gt h es o f t w a r eo fD E L P H I7 0a n dS Q LS e r v e r2 0 0 0a sad e v e l o p m e n tt o o l ，t h eP e r f o r m a n c eO n l i n em o n i t o r i n go fG a s s t e a mc o m b i n e dc y c l ea c h i e v e st h eo n - l i n em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g ，w h i c hc a nG u i d a n c et h eo p e r a t i n gw o r k e r so ft h e p o w e rp l a n tt ot i m e l ya d j u s tt h ep a r a m e t e r s ，m a k es u r et h ee f f i c i e n c yo ft h e r m a lp o w e r p l a n t si si nt h eb e s tc o n d i t i o n ，c o n s e q u e n t l y ，a c h i e v i n gt h ei n t e n to ft h eo p t i m a lo p e r a t i o n L i nW e n t a o ( 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 ya s s o c i a t ep r o f B i a nS h u a n g K E Y W O R D S ：o n l i n e m o n i t o r i n g ，c o m b i n e dc y c l e ，g a st u r b i n e ，p e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 提高效益已逐渐成为每一个企业的目标，而性能监测可对生产过程进行全面的 经济分析。可以精确地、动态地反映出企业的经济效益状况。在线实时性能监测有 助于运行人员更好地选择运行方式，以提高机组主机与辅机的效率，进而提高整套 机组的效率，为企业赢得效益，同时也可作为状态检修的依据。性能监测还是节能 降耗行之有效的分析手段，而发电厂的热力系统及设备的节能给电厂运营带来明显 的经济效益。 本文设计的燃气蒸汽联合循环在线性能监测软件系统利用D E L P H I7 0 和S Q L S e r v e r2 0 0 0 作为开发工具，实现了在线监测与性能分析，可实时指导火电厂运行人 员及时调整各项参数，使机组效率处于最佳状态，从而达到优化运行的目的。 关键词：在线监测，联合循环，燃气轮机，性能计算 A B S T R A C T I m p r o v ee f f i c i e n c yh a sb e e nb e c o m i n gt h et a r g e to fe a c hc o r p o r a t i o n ，t h eP e r f o r m a n e eO n - l i n em o n i t o r i n gc o n d u c tac o m p r e h e n s i v ee c o n o m i ca n a l y s i so ft h ep r o d u c t i o nP - r o c e s s T h i sc a nb eu s e dt Od y n a m i c a l l yr e f l e c tt h es i t u a t i o no ft h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y o fe n t e r p r i s e s T h eP e r f o r m a n c eO n l i n em o n i t o r i n gc a nH e l pw o r k e r sr u n ab e t t e rc h o i c eo fo p e r a t i n gm o d e ，t Oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a i n f r a m ea n da u x i l i a r y , A n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ee n t i r eu n i t ，t h i sc a nw o nb e n e f i t sf o re n t e r p r i s e s ，a tt h es a m et i - m cc a nb eu s e da st h eb a s i sf o rs t a t eo v e r h a u l T h eP e r f o r m a n c eO n l i n em o n i t o r i n ga l s o i sa ne f f e c t i v em e a n so fe n e r g ys a v i n g ，E n e r g yS a v i n go ft h et h e r o a , a ls y s t e m sa n de q u i p m e n to ft h ep o w e rp l a n tc a nb r i n gs i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t so ft h ep o w e r p l a n t I nt h i sp a p e r , u s i n gt h es o f t w a r eo fD E L P H I7 0a n dS Q LS e r v e r2 0 0 0a sad e v e l o p m e n tt o o l ，t h eP e r f o r m a n c eO n l i n em o n i t o r i n go fG a s s t e a mc o m b i n e dc y c l ea c h i e v e st h eo n - l i n em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g ，w h i c hc a nG u i d a n c et h eo p e r a t i n gw o r k e r so ft h e p o w e rp l a n tt ot i m e l ya d j u s tt h ep a r a m e t e r s ，m a k es u r et h ee f f i c i e n c yo ft h e r m a lp o w e r p l a n t si si nt h eb e s tc o n d i t i o n ，c o n s e q u e n t l y ，a c h i e v i n gt h ei n t e n to ft h eo p t i m a lo p e r a t i o n L i nW e n t a o ( 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 ya s s o c i a t ep r o f B i a nS h u a n g K E Y W O R D S ：o n l i n e m o n i t o r i n g ，c o m b i n e dc y c l e ，g a st u r b i n e ，p e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃气蒸汽联合循环在线热力性能 监测软件开发，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：日期：删? 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： 导师签名：4 ：丝 日期：幽多星：多 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 燃气一蒸汽联合循环发电技术的发展现状 1 1 1 概论 长期以来，我国的能源结构以煤为主，它决定了煤炭在我国发电能源结构中的 地位。据预测：即使到2 0 3 0 年，燃煤电站占我国发电总装机容量的比例仍将高达 5 8 5 ，发电量则占6 5 7 。由此可见，煤电仍是我国电力工业的主导。但是从环保 的角度看，煤电的污染排放( s 0 2 、N O z ) 问题非常严重，至今尚未获得有效的控 制，这已成为我国电力工业实施可持续发展战略的“瓶颈”环节。因此除了发展燃 煤电站的环保装置( F G D 、D E D ，) 外，还必须发展洁净煤发电技术，并有条件 地调整我国的能源结构，即：用优质的清洁燃料例如天然气，来替换部分发电 用的燃煤。燃烧天然气的燃气轮机及其联合循环发电机组则是目前提高能源资源的 利用效率，并相当彻底地解决环境污染问题的首选技术。 燃气轮机是从2 0 世纪5 0 年代开始逐渐登上发电工业舞台的，但是由于当时的 机组单机容量小，热效率比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰 机组使用。自8 0 年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大的提高， 特别是燃气一蒸汽联合循环机组渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开 发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位发生了明显的变化，它们不仅 可以用作紧急备用电源和尖峰负荷机组，而且还能携带基本负荷和中间负荷峭J 。 1 1 2 燃气一蒸汽联合循环的发展现状 1 1 2 1 国外燃气一蒸汽联合循环的发展现状 目前，世界上能设计和生产重型燃气轮机的主导工厂只有4 家，即美国的G E 公司、德国的S i e m e n s 公司、法国的A l s t o m 公司和日本的三菱公司。以前美国的西 屋公司也是生产燃气轮机的主要厂商，后来与德国的S i e m e n s 公司合并，其专利技 术一部分归S i e m e n s 公司所有，另一部分则为同本三菱公司继承和发展，致使三菱 公司取代了西屋公司的原有地位，而成为世界上具有独立设计和生产重型燃气轮机 能力的四大厂商之一。这些公司既生产5 0 H z 的燃气轮机发电机组，也同时生产6 0 H z 的机组。 表1 1 和表1 2 给出了目前已经生产的燃气轮机及其联合循环的性能参数。由 此可见，燃气轮机的单机功率已经超过3 3 4 M W ，热效率已达3 5 4 1 9 2 ；而联合 华北电力大学硕士学位论文 循环机组的单机功率以达到4 8 9 3 M W ，热效率已超过5 8 7 ( 在2 0 0 5 年已提高到 6 0 ) 。显然，从热力性能的角度看，它们完全可以承担基本负荷，而且比超超临界 参数的燃煤蒸汽轮机电站还要优越【8 1 。 表1 - 1 某些典型的燃气轮机发电机组的性能参数1 1 5 l 公司名称机组型号I S O 基本功率 压比 燃气初温供电效率单位售价 ( M W )( )( ) ( $ k W ) G E 发电 P G 9 2 3 1 ( E C ) 1 6 9 11 4 03 5 2 01 6 0 P G 9 3 5 1 ( F A ) 2 5 5 6 1 7 O 1 2 8 8 3 7 0 01 6 0 A l s t o mG T l 3 E 21 6 5 11 4 61 2 6 03 5 6 91 6 6 G T 2 62 6 3 03 2 O1 1 6 7 1 2 4 53 7 O O1 4 8 S i e m e n sV 6 4 3 A6 7 41 5 81 3 1 03 4 9 32 3 6 ( K W U ) V 8 4 3 A 1 8 0 0 1 6 6 1 3 1 0 3 8 0 01 7 0 V 9 4 3 A2 6 5 91 7 01 3 1 03 8 6 01 5 9 三菱M 7 0 1 F2 7 0 31 7 O1 3 4 93 8 2 11 6 0 M 7 0 1 G3 3 4 02 1 01 4 2 73 9 5 41 6 5 G E 船用L M 6 0 0 0 一P D4 1 1 22 9 41 1 6 04 0 6 72 9 6 与丁业 R R 公司T r e n t6 05 1 5 03 3 04 1 9 22 9 9 普惠 F T 82 5 4 91 9 31 1 2 13 8 5 63 8 2 表1 - 2 某些联合循环发电机组的性能参数1 1 5 】 公司名称机组型号I S O 基本功率供电效率所配燃气轮机单位售价 ( M W )( ) 的情况( $ k W ) G E 发电S 1 0 9 E C2 5 9 3 5 4 0 M $ 9 0 0 1 E C $ 1 0 9 F A3 9 0 05 6 7M S 9 0 0 1 F A3 5 4 $ 2 0 9 F A 7 8 6 95 7 1M $ 9 0 0 1 F A3 0 6 A i s t o mK A l 3 E 2 24 8 0 05 2 9G T l 3 E 23 4 1 K A l 3 E 2 37 2 0 05 2 9G T l 3 E 23 3 2 K A 2 6 13 9 2 55 6 3G T 2 63 6 0 S i e m e n sG U D l 9 4 22 3 9 45 2 2V 9 4 24 4 6 ( K W U ) G U D l S 9 4 3 A 3 9 2 25 7 4V 9 4 3 A3 4 8 二菱 M P C P I ( M 7 0 1F ) 3 9 7 75 7 0M 7 0 1 F3 4 8 M P C P 2 ( M 7 0 1F ) 7 9 9 65 7 3M 7 0 1 F2 9 5 M P C P l ( 7 0 1G ) 4 8 9 35 8 7M 7 0 1 G3 9 6 2 华北电力大学硕士学位论文 总的来说，无论在供电效率、比投资费用、发电成本、污染排放量以及运行维 护的可靠性方面，燃气蒸汽联合循环发电方式都要比有F G D ( 尾气脱硫装置) 的 燃煤蒸汽电站优越。因而它越来越受到人们的青睐，在世界的发电容量中所占的份 额更是明显地快速增长。事实也正是如此：自2 0 世纪7 0 年代的能源危机以来，美 国和西欧的一些政府都开始鼓励电力工业使用天然气。据不完全统计，到1 9 9 0 年 底，全世界已经投入运行的烧天然气的联合循环发电机组的总功率为1 4 0 1 9 M W ， 徊9 9 1 1 9 9 6 年之间，投入运行的这种新机组容量之总和不会低于2 7 4 0 0 M W 。而且 ：I 时烧油和烧天然气的联合循环的装机容量则已高达4 0 0 G W 。 1 1 2 2 我国燃气一蒸汽联合循环的发展现状 我国的电力工业急需燃气轮机及其联合循环的现实是肯定的，因为目前我国缺 电的局面还没有根本缓解，经济发达的东南沿海地区电力供需矛盾仍然比较突出， 全国总体缺电容量约为1 0 ，而且许多地区电网的峰谷差相当大，急需启动快、调 峰特性好、建设周期短的燃气轮机及其联合循环机组来适应建设发展的需要，特别 是在某些沿海开放地区更是如此。因此近年来，在这些地区陆续引进了一批燃气轮 机及其联合循环机组，例如：广东( 含深圳市) 燃气轮机及其联合循环的总装机容 量已经超过4 G W ；海南省的总装机容量已接近6 0 0 M W ；上海市已达5 2 0 M W ；浙江 省已经建成总量为7 0 0 M W 的烧重油的燃气蒸汽联合循环电站等。这些都说明：我 国的电力工业对燃气轮机及其联合循环是有所需求的，而且已经打破了我国过去长 期实行的“发电设备只准烧煤 的燃料政策的限制。 环境保护政策的制定也为促进燃气轮机及其联合循环机组在我国的使用提供 了机会。目前，因煤炭的燃烧而造成的严重污染已经引起我国各界的关注。1 9 9 5 年 8 月2 9 日我国政府公布了新修订的中华人民共和国大气污染防治法，1 9 9 6 年3 月7 日则发布了火电厂大气污染排放标准。在有天然气资源的条件下，用燃气 轮机及其联合循环机组来改造燃煤电站不仅是节约能源，更是改造中心城市污染最 简捷的途径。例如：陕甘宁地区的天然气进京后，在北京地区合理地使用燃气轮机 及其联合循环机组的问题已经提到日程上来了。又如，在某些地区( 如兰州) 已经 开始着手用燃气轮机及其联合循环机组来改造燃煤旧电站，其原因就在于为了改变 已经出现的、难于容忍的大气污染。 显然。目前我国是否能够在电力工业中适当使用燃气轮机及其联合循环发电机 组，主要取决于以下三个条件：在近期或稍长的时间内，我国究竟能够提供多 少天然气资源供发电工业使用? 如何合理地确定天然气的价格，使其发电成本 能够与廉价的、污染严重的煤电相竞争? 从长远的观点看，我国是否能够为我 国的电力工业提供自制的、优质而廉价的燃气轮机及其联合循环机组的硬件和消耗 性热备件p J 。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 电站在线性能监测的发展现状 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础。世界各国都把建 立可靠、安全、稳定的能源保障体系作为国民经济的战略问题之一。随着我国国民 经济的不断发展，对能源需求日益增长。统计数据表明，能源消耗量的增长率与国 民生产总值的增长率接近正比关系，能源的不足将会严重制约国民经济的发展。针 对我国能源紧张的问题，国家制定了坚持开发与节约并重，把节约放在突出位置的 方针。电力工业是耗能大户，因此提高电厂设备运行的经济性及可靠性成为当前节 能工作的一项重要内容。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，作为发电单位，其任务已不再是简单地完 成年度发电指标，而是要致力于提供优质、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。而 对电厂机组的各项性能和热经济性指标进行监督和计算则是了解设备运行状况和 热经济性的一种主要措施。 电厂性能在线监测系统可以实时地监视火电厂各主、辅机设备的运行参数及经 济性能，并能协助运行人员预测诊断某些设备的事故运行工况。开发研制在线性能 监测装置用以监视电厂全厂及各主要设备的运行性能，便于运行管理人员及时了解 各主要设备的运行情况，并对运行参数做出合理的调整1 3 引。 1 2 1 国内外电站性能监测系统的发展 在国外，早期的性能监测是以美国机械工程师学会( A S M E ) 的电站性能试验规程 ( P T C ) 为基础的。当时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 仪仅是D A S 系统中的一个附属部分，只完成P T C 中少量指标的在线计算。直N 2 0 世 纪8 0 年代初，随着测量技术的不断提高，计算机和通信技术的飞速发展，以及电站 大型机组运行管理要求的日益提高，电站性能监测才从最初简单的P T C 在线监测向 以指导现场运行为目标的、能够完成机组各部分性能及整体性能分析和诊断的方向 发展。在这一发展过程中，许多科研机构特别是美国的电力研究所( E P R I ) 一直在进 行这方面的工作，在近1 0 年内取得了不少成果I l 引。 我国从8 0 年代初开始引进国外大型发电机组。在最初较长的一段时间内，由于 电站设备昂贵和电站运行水平的限制，电站人员主要关心设备的安全性而较少考虑 机组的整体性能；加上早期D C S 产品的操作支撑系统通常是各D C S 厂商自行研制的 专用型操作系统，使得软件的二次开发难度大、代价高。因此在性能监测与诊断方 面的研究比较少。直至1 J 9 0 年代初，随着电站运行水平的不断提高，电站设备的安全 性有了足够的保障，电站人员的注意力才逐渐转向了对机组整体性能的追求上，电 站性能监测与诊断越来越引起广泛的重视。目前国内的一些科研机构和高等院校， 4 华北电力大学硕士学位论文 如西安热工研究院以及清华大学、浙江大学、东南大学等正在进行这方面的研究， 但还只是刚刚起步。为适应国际电力工业的发展，进一步加快这一领域的研究是非 常必要的。 1 2 2 电站性能监测系统的应用概况 1 2 2 1 国外电站性能监测系统的应用概况 在电站性能监测和诊断方面，美国电力研究所( E P R I ) 一直处于领导地位。早在 1 9 8 2 年8 月，E P R I 便开始了火电站设备早期故障检测的工作，这是电站设备诊断和 预测性检测的一个重大转折。自此以后，经过1 0 多年的努力，E P R I 在此领域取得 了许多成果。此外，像西屋电力公司发电部等其它一些电站研究机构在此方面也做 了不少工作。他们分别开发研制了许多电站性能监测和诊断软件。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。目前已经进入商业性应用的性能监测软件 大多具有以下功能：有效化测量数据；实时分析电站性能；诊断运行中 出现的问题；分辨出某一单独设备的性能下降情况；进行不同燃料、不同运 行策略仿真；计算维修以后获得的效益。 例如由美国电力研究所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。此运行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。它以设备能量转换特性和电站运行负荷为知识 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。这一技术在 联合循环电站中得到了良好应用。 再如纽约州电力燃气公司的G o u d e y 电站8 号机组上安装了一个计算机化性能试 验软件( C P T P ) 1 1 5 】。此软件为优化设备试验执行正确的试验步骤提供准则。同时准确 解释试验结果，并以逻辑连续方式描述解决问题的措施，从而提高热效率。此系统 中已经建立的模型有：汽轮机焓降试验，能源补充和水平衡试验，给水加热器、凝 汽器、锅炉给水泵试验，空气预热器烟气侧效率或空气泄漏量试验，锅炉泄漏试验， 磨煤机状况和煤管道流量平衡试验等。 另外在监测电站性能的过程中，常常需要了解一个专门设备的性能状况。因此 许多科研机构开发研制了一系列专门性H 匕l ：。i m l 斥测软件，针对某一单独设备进行监测与 诊断。 例如用于锅炉性能诊断与监测的一个最早的例子是系统1 4 0 ( S Y S T E M1 4 0 ) i l s 它从1 9 8 3 年起在一些电站中使用，适用于B & W 型锅炉。系统1 4 0 主要用来提高锅炉 5 华北电力大学硕士学位论文 负荷和进行能量管理，它的最大优点是可以利用电站原有的设备。此系统的一个具 体应用是用它来研究燃烧混合煤的可行性。 再如在凝汽器性能监测方面，E P R I 正在资助发展的一个在线凝汽器性能监测系 统，通过在线分析监测凝汽器运行数据来确定凝汽器对单元机组热效率的影响。影 响因素包括凝汽器管污染、冷却水流量变化和冷却水入口温升。通过这些信息，系 统能确定满负荷或部分负荷时的最佳背压和凝汽器清洁因子，从而为管理人员制定 J f 机计划提供依据。 随着计算机实时监控技术的迅速发展和电站运行经验的不断积累，人工智能技 术竹：电站领域也得到了一定应用。经过最近几年的发展，人工智能专家系统在诸如 故障诊断、热效率偏差和趋势分析以及确定吹灰策略等方面有了实质性进展。 例如纽约州电力燃气公司和通用物理公司联合开发的一个吹灰器顾问( S o o t b l o w e rA d v i s o r ) 专家系统，用于哥伦L P , i l V K i n t i g h 电站的6 4 3 M W 机组上。此系统使用 锅炉和汽轮机循环中的关键参数测量值来确定锅炉不同部位的清洁因子，从而帮助 运行人员确定吹灰策略1 1 5 J 。 1 2 2 2 我国电站性能监测系统的应用概况 随着我国计算机技术的发展，电力工业生产水平和管理水平的不断提高，计算 机在生产调度和管理过程中的应用日益广泛。应用计算机实现火力发电机组的综合 监控和管理，能为机组的安全、经济运行提供可靠、有效的保障。对电厂运行经济 性的在线监测和控制、机组运行负荷的优化调度及其机组运行过程中的在线故障诊 断等技术对于现代化的电力生产具有十分积极的意义。 从国外引进的汽轮发电机组一般都装有较完善的监测系统，国产大机组也选配 一些进口的监测设备。我国也自行开发了故障诊断器，并达到了一定的水平，其中 振动诊断技术比较成熟。如南京汽轮发电机厂开发的以微机为核心的多功能振动分 析系统，其中旋转机械振动状态监视及预测维修系统包含5 个软件：振动监测软件、 稳态分析软件、瞬稳态分析软件、振动数据采集及管理软件、趋势分析软件等，其 性能可与国外产品相媲美。 要达到或赶上国外的发展水平，我国的电站性能监测和诊断技术还需要大量深 入的研究。一方面要加紧对早期引进机组中的性能监测部分进行改进和完善，以充 分利用电站现有的设备和控制系统；另一方面对那些正在引进的机组和相应的D C S 系统要投入足够的技术力量进行研究，确保把国外先进的性能监测和诊断技术引入 囡内。此外，由于性能监测和诊断仍处在不断发展过程中，因此加强研究单位、运 行厂家和制造厂家的合作，组织力量对这方面进行深入系统的研究，将有助于尽快 缩小我国与国外技术上的差距，提高我国电站的自动化水平和管理水平，加速我国 电力事业的发展I 弱J 。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本论文的研究内容 研究燃气蒸汽联合循环机组在线性能监测软件的目的是能够更加准确、实时地 对联合循环机组热经济性及运行参数进行计算分析，确定燃机、汽轮机设备及热力 系统的热经济状况，同时对当前的运行参数、运行方式进行计算，定量给出其对经 济性的影响。运行人员可根据计算结果进行参数调整，使机组运行工况最经济。 本课题利用D E L P H I7 0 ，并与S Q L S e r v e r2 0 0 0 相结合，编制了一套集监测、计 算、显示为一体的软件。S O LS e r v e r2 0 0 0 在后台完成各类数据的管理，D E L P H I7 0 在前台完成数据的计算、分析结果以及画面的显示等功能。 本文的工作主要有以下几个方面： 第一部分简要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状及论文的主要 研究工作； 第二部分本课题开发的软件适用于双压再热式和三压再热式两种形式的联合 循环系统，在论文此部分中针对此两种系统分别建立了理论分析模型； 第三部分在理论模型的基础上进行联合循环在线热力性能监测软件的开发； 第四部分对软件计算的精确性和实时性进行分析验证； 第五部分对课题的研究成果进行总结，指出研究的不足之处，为下一步的研 究指明方向。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章燃气蒸汽联合循环的理论分析模型 2 1 联合循环的理论分析模型 目前，最为广泛采用、且获得最高实用热机效率的循环是通过把燃气轮机的布 雷敦( B r a y t o n ) 循环与蒸汽轮机的朗肯( R a n k i n e ) 循环联合在一起，并通过余热 锅炉( H R S G ) 耦合在一起形成的燃气一蒸汽联合循环，也就是通常理解的常规联 合循环，因此理论模型可以分别对燃气、蒸汽两部分进行建立。 本论文选取的是不补燃的余热锅炉型联合循环，它的燃气部分和其他常规联合 循环的燃气部分相同，蒸汽部分考虑两种形式，分别为双压再热式和三压再热式蒸 汽系统。因此本章首先进行理论上的分析，建立相应的理论分析模型，为以后做进 一步研究打下基础。 2 1 1 熵函数 在燃气轮机的热工过程中，无论是压气机的压缩过程还是燃气透平的膨胀过程 都可以近似地看作绝热过程。绝热过程的计算在燃气轮机的设计和循环的热力性质 中极为重要。将比热近似地作为定值得出的绝热过程方程式： 。pv7=const 以及由此计算出的终态参数、过程功、技术功等公式，虽然用起来比较简便，但在 要求精确计算，尤其对于压气机和燃气透平等温度变化范围较大的热力过程，准确 性不够。熵函数法是一种简单而且较为准确的方法，是在变比热可逆绝热过程的基 础上推导出来的。 原理【5 9 】： 设有l k g 气体，从已知的任一状态p l ，乃( 或h ，乃) 经可逆绝热过程变化到某 一压力p 2 ( 或比容 ，：) 。 在可逆绝热过程中，工质的熵变为零。由熵变的积分公式可知： 旷驴譬c 夸刑n 鲁= - - 所以： 胁鲁2 譬c ，等 p ， 其中： 乃、乃一过程起始、终了的温度； 华北电力大学硕士学位论文 s J 、s 厂过程起始、终了的熵； p l 、p 厂过程起始、终了的压力； 勺、肝一定压比热和气体常数。 因为理想气体的比热仅为温度丁的函数，即印= c p ( 乃，对于一定的气体，r c ，d F T 完全由T 1 和T 2 决定，故比值旦也仅仅取决于1 1 和疋，即： p 1 堕= 厂( 五，疋) ( 2 2 ) P l 如果预先将各种T 1 和7 2 时的p 2 p J 值编制成图或表，则可以用来求终态参数。 但乃、死都可为任意数值，利用式( 2 2 ) 式无论是编制电算程序还是编制乃、疋与 P 2 P l 间的图表，都极为繁复困难。 在此基础上，若事先选定某一固定的温度乃作为参照温度，将绝热过程2 1 延长到温度T o 时的点( 见图2 1 ) 。 由于乃是定值，j ：c P 了d T 就只是温度丁的函数了。若以符号e 表示，即： e ( 丁) = j ：c P 了d T 则式( 2 1 ) 改写为： R l n i P 22 r c P 了d T 一J ：c P 了d T 2 e 亿) 一e ( 五) ( 2 - 3 a ) 或简化写成： R l nP _ 2 _ 2 = e 2 e 1 ，I nP _ L 2 ：垒兰 ( 2 3 b ) P 1P l K 即：熵函数表征了绝热过程的压比与该绝热过程所对应的等熵过程熵函数值间 的对应关系。 图2 - 1 熵函数 9 华北电力大学硕士学位论文 引入一个参数相对压力P ，它的定义为： h l ，= 三= 昙f c ，孥(23e)P h 1 r = 一R = i 厶c ，了 ( 2 因为e 只是温度丁的函数，所以P ，也只取决于温度L 因而： l n 告 - l n p , 2 - - l n p , 1 - - T e 2 - e l ( 2 - 3 d ) 比较式( 2 3 d ) 与( 2 - 3 b ) ，可得： 丝= 堕 ( 2 4 ) p 1P ，1 该式表明：绝热过程气体的压力比等于相对压力比。 同理： 一= 岔c 睾俐n 昔= o 或： 尺l m V h 2m _ _ 觑c ，了d T + j ：c ，了d T 定义另一个参数相对比容： I n V r = 一瓤c ，了d T 生：堕 ，1 ，1 v ，也仅仅是温度丁的函数。 对于压气机和燃气透平，p 2 P J 表示压缩和膨胀过程的压比，因此通过压比和起 始状态的熵函数，就可以求出对应的等熵压缩和膨胀终了状态的熵函数值，从而求 出终了状态对应的等熵参数。根据选取的由压气机、燃烧室和透平的内效率，就可 以求出实际的状态参数值，然后可算出压气机耗功和透平膨胀功及整个燃气轮机装 置的输出功。 2 1 2 燃气轮机循环的理论分析模型 燃气轮机是以空气为介质，靠高温燃气推动透平机械连续做功的大功率、高性 能的动力机械。它主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成，再配以进气、排气、 控制、传动和其他辅助系统。如图2 - 2 所示为简单循环燃气轮机的工作原理图。由 图可见，当机组启动成功后，压气机连续不断地从外界大气中吸入空气并增压，不 断喷入燃烧室的燃料与空气混合后点火、燃烧，高温高压燃气在透平中膨胀做功， 降压降温的气体经喷管或排气装置直接排入大气，或引入废热锅炉，回收部分余热 华北电力大学硕士学位论文 后再排入大气。燃气在透平中所做的机械功，2 3 左右被用来带动压气机，消耗在 压缩空气上；剩余的那部分功则通过机组的输出轴带动外界的各种负荷，如发电机、 压缩机、螺旋桨、泵等。 “ p b a 图2 2 简单循环燃气轮机装置流程示意图 T Cd S 图2 - 3 理想的燃气轮机循环p V 图和T s 图 在简单循环中，人们认为空气在经历了绝热压缩后，无损失地进行等压燃烧加 热。继而在燃气透平中作绝热等熵膨胀，最后在大气中放热而完成整个循环。其工 作过程如图2 3 所示1 2 】【5 9 】【训。 其中： 1 - - 2 为理想绝热压缩过程，过程方程为：p l y l 七= p 2 V 2 ； | ! - 3 为理想定压吸热过程，过程方程为：P 2 。P 3 或者芝2 ； 3 4 为理想绝热膨胀过程，过程方程为：P 3 v 3 = P 4 l ，。； 华北电力大学硕士学位论文 4 1 为理想定压放热过程，过程方程为：L V - - - 兰- 4I 互V - - L 。 压气机理想压缩过程消耗的功：K = i ：- i 1 燃气轮机理想膨胀过程所作的功：M = f 3 一 燃气轮机装置的循环净功：= 峙一K = G ，- i 。) 一( f ：- i 。) 循环吸热量：q ，一c 朋I 笼( 己一疋) 循环放热量：q ：= c 朋1 2 ( 瓦一瓦) 装置的循环热效率聊按定义为：r ，；1 一鱼；1 一斗 q 11 3 一2 上述式中，p 为压力，v 为比容，七为绝热指数，r 为热力学温度，f 为焓，c P 。为平均 定压比热容。 事实上，人们曾对简单循环燃气轮机的上述特性进行过非常详细的研究【3 1 l1 6 0 1 。 但是，未曾考虑：燃气质量流量G g 与空气质量流量G 。的差别；燃气的比热 容c 册与空气的比热容c 即的差异；燃烧室效率帕的影响。然而，随着燃气初温 的不断提高以及低热值燃料的应用，上述三个因素的影响将越加严重。 考虑流阻损失影响的最简单实际循环的热力性能1 1 J ： 在最简单的实际循环中，压气机之前一般装有空气滤网，在压气机与燃气透平 之间又装有连接管道和燃烧室，在燃气透平的排气口侧装有排气烟道( 对于联合循 环来说，还装设余热锅炉) ，这些元件都会导致工质压力的降低，致使燃气轮机循 环损失有效能量。 p 如 ，2 经 P t D 图2 - 4 有流阻损失的燃气轮机简单循环的压容图 1 2 华北电力大学硕士学位论文 DS 图2 5 有流阻损失的燃气轮机简单循环的温熵图 有流阻损失的最简单实际循环的压容图与温熵图如图2 - 4 和图2 5 所示： 为了研究流阻损失对于燃气轮机实际循环特性的影响，引入描写流道压力损失 的系数1 】： ，= V c ， 1 K ：笠 1 P l ，= P _ _ z z 1 P 3 P 4 U 2 2 l p 。 则压气机的压缩比为： 冗= v c vr v t 。 式中：笠在考虑了流阻损失的影响后，燃气透平的实际膨胀比。 p 4 循环参数的选择1 1 1 ： 压气机进气道压损系数：v ，：丛= 1 0 1 0 n P l 压气机排气道和燃烧室压损系数：v ，：丝- - 1 0 3 1 - - 1 0 6 4 取1 0 4 0 p 3 1 3 r 乃 n凡乃两 乃 丁 华北电力大学硕士学位论文 燃气透平排气压损系数：H ：堕= 1 0 2 6 - - - 1 0 7 5 取1 0 4 0 p 4 压气机内效率：刀。= O 8 8 燃烧室燃烧效率：一般在0 9 5 - 0 9 9 之间，取仉= O 9 8 燃气透平内效率：刀，= 0 9 0 1 窄气在压气机内的压缩过程 压气机进气道压损系数： K ：丝 ( 2 5 ) p 1 压缩比： 兀；丝 p 1 1 点空气比焓： ， i l = ，l ( 瓦) 1 点空气熵函数值： e l = P ( 正) = 厂2 ( 互) 1 2 为可逆绝热压缩过程，由式( 2 - 3 a ) 求出： e 2 = e 1 + R l n J r 式中：R 空气常数。 2 点等熵压力函数： J P 2 詈 2 点等熵温度： 乏= 厶( J ，) 2 点空气比焓： i 2 = ( 疋) 眶气机内部等熵压缩效率： r 。：粤 1 4 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 点实际温度： 瓦= f 4 ( i 2 ) ( 2 - 1 4 ) 压气机实际耗功： K ；f 2 一f l 。生土 ( 2 1 5 ) I | c 2 宅气、燃料在燃烧室内混合后燃烧 图2 - 6 为燃气轮机燃烧室的能量平衡图，根据能量守恒定律，忽略燃烧室对外 散热损失，对于燃烧室有： Q i n = O o f 即： 竹。f 2 + 衍，