在统一物理模型下研究主蒸汽压力参数的变化对机组煤耗的影响分析_闫顺林

收稿日期 2010 03 01 作者简介 闫顺林 1959 男 教授 从事火电机组节能理论 节能技术及锅炉燃烧稳定性的研究 在统一物理模型下研究主蒸汽压力参数的 变化对机组煤耗的影响分析 闫顺林 焦世超 华北电力大学能源动力与机械工程学院 保定 071003 摘要 为实现火电机组节能降耗的目的 主蒸汽压力参数对机组经济性能有着十分重要影响 统一物理模型的形 式规范简明 数学模型形式简单统一 物理意义明确 能够适用于各种形式的火电机组 在统一物理模型下研究主 蒸汽压力的变化对机组的煤耗的影响 推导出主蒸汽压力变化对机组煤耗的影响的物理模型 为火电厂调峰运行 起着一定的指导作用 关键词 统一物理模型 主蒸汽压力 耗差分析 机组煤耗 分类号 T K 212 文献标识码 A 文章编号 1001 5884 2010 05 0366 03 U n d e r t h e U n i f i e dP h y s i c a l M o d e l t o S t u d yt h e M a i nS t e a mP r e s s u r e P a r a m e t e r s o nt h e U n i t o f A n a l y s i s o f C o a l C o n s u m p t i o n Y A NS h u n l i n J I A OS h i c h a o S c h o o l o f E n e r g y a n dP o w e r a n dM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g N o r t hC h i n a E le c t r icP o w e r U n i v e r s i t y B a o d i n g071003 C h i n a Ab s t r a c t O nt h ep u r p o s e s o f a c h i e v i n gt h e r m a l p o w e r e n e r g ys a v i n g t h em a i ns t e a mp r e s s u r ep a r a me t e r o nt h eu n i t h a sa v e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c ee c o n o m i cp e r f o r ma n c e T h ef o r m o fu n i f i e dp h y s i c a lmo d e ls p e c i f i c a t i o ns i mp l e u n i f i e d ma t h e m a t i c a l m o d e l i s s i m p l ei nf o r m c l e a r p h y s i c a l m e a n i n g c a nb e a p p l i e dt ov a r i o u s f o r ms o f t h e r ma l p o w e r u n i t s U n d e r t h eU n i f i e dP h y s i c a l Mo d e l t os t u d yt h em a i ns t e a mp r e s s u r ep a r a m e t e r so nt h eu n i t o f a n a l y s i so f c o a l c o n s u mp t i o n d e r i v e t h em a i ns t e a mp r e s s u r ec h a n g eo nt h eu n i tc o a lc o n s u m p t i o no f t h ep h y s i c a lm o d e l p l a yag u i d i n gr o l ef o r t h ep e a k i n g p o w e r p l a n t i no p e r a t i o n Ke yw o r d s u n i f i e dp h y s i c a l mo d e ma i ns t e a mp r e s s u r e e n e r g yl o s s a n a l y s i s u n i t c o a l c o n s u mp t i o n 0 前 言 火力发电厂运行中 由于要参与调峰 汽轮机经常在变 动工况下运行 除流量发生变化外 蒸汽的参数也可能偏离 设计值 蒸汽参数在一定范围内变化 在运行中是允许的 实际上也是难免的 其中 包括主蒸汽压力在内的主蒸汽参 数是对机组性能有着十分重要影响的参数 主蒸汽压力是 反映锅炉和汽轮机之间能量供求关系的一个重要物理量 在 机组运行中具有举足轻重的作用 耗差分析方法 1 是指分 析机组运行过程中各小指标参数偏离基准值时对机组热经 济性的影响 本文在主蒸汽温度 t 0 汽轮机机组背压 pc保持 不变的情况下 通过耗差分析方法对主蒸汽压力变化对煤耗 b s的影响进行分析 1 主蒸汽压力对机组煤耗变化的模型的推导 全厂发电标准煤耗率的变化的模型 2 公式如下 b s Q Q P P 1 1 1 主蒸汽压力的变化对机组功率 P的影响 比内功 P 是机组在循环中 在各个小汽轮机中所做的比 内功之和 即 P Dt j h0 h t j n 1 i 1 Dt i hi 1 h i i 其中 D t j 为调节级的主蒸汽流量 D t i 为流过各小汽机的蒸汽 流量 在统一物理模型 3 中 将机组的循环内功进行全微分 P H t ja tj D t j t j D tj H t ja n i 1 H t ia ti Dt ia n i 1 D t i t i Hti a D c Hti c Hti c Dc 2 其中 H t ja t j Dt j Htja ti Dt i Dc Hti c分别为调节级的理想比 焓降 调节级的相对内效率 调节级的主蒸汽流量 各小汽机 的理想比焓降 各小汽机的流量 最末级的流量 最末级的比 焓降 1 1 1 推导 D t j Dti及 Dc 由于调节级流过的流量 D t tj D0 假设主蒸汽压力变化 时 调节汽门开度不变 仅流量变化 对于凝汽式或调节级 为临界工况的机组 当调节阀开度不变时 流量仅与初参数 第 52卷 第 5期汽 轮 机 技 术V o l 52 N o 5 2010年 10月T U R B I N ET E C H N O L O G YO c t 2010 有关 4 由弗留格尔公式得到 D t tj p 0 D0 p 0 D 0 p 0 进而 D tj D 0 p 0 p 0 3 由统一物理模型可知 假设进入第 i 个小汽机中的工质 流量 D ti 则 Dti 的表达式为 D t i D0 Df r tj Dfc tj n 1 i 1 D fr i n 1 i 1 D fc i n 1 i 1 D r i n 1 i 1 D i 就上式对 p 0进行微分 假设在主蒸汽压力变化较小的 范围内 由于辅助汽水所占的比例很小 可以视为辅助汽水 的变化量为零 推导结果如下 D ti D 0 p 0 i 1 n 1 D i p 0 p 0 4 最末级的主蒸汽流量 即进入第 9个小汽机的工质流量 D c 则 D c的表达式为 Dc D 0 D fr t j Dfc tj 8 i 1 D f r i 8 i 1 D f c i 8 i 1 D r i 8 i 1 D i 同理 可以求出 D c D c D 0 p 0 8 n 1 D i p 0 p 0 5 1 1 2 推导 H t ja 调节级组理想焓降可表示为 H tja k k 1p 0 0 1 p t j p 0 k 1 k k k 1 a b p 0 c T 0 Rg T0 1 p tj p 0 k 1 k 其 中 a 0 572891 23 b 7 528 728 10 3 c 5 4037586 10 4 推导出 H t ja的值 H tj a 0 k 1 k tj b H tj a b p 0 c T0 0 k 1 k tj p 0 6 1 1 3 推导 H t ia 对于再热前的各中间级组 蒸汽比焓可表示 为h k k 1 p m 对于特定机组 m可取为定值 一般取 2 940 2 950 则 再热前的第 i 级组的理想比焓降的变化 H t ia H t ia h t j m 2 4 p0 H tj tj T 0 c T0 H ti a h tj m 3 4 T0 p 0 b p 0 H ti a h tj m D 0 D 0 H t iaHtj h tj m t j H t iaHt1a h 11 m t1 H t iaHt i 1 a h i 1 i 1 m t i 1 i 1 2 n h 对其全微分 求出再热前 H ti a的关系式 H ti a H ti a h tj m 3 4 T0 p 0 b Ht ia h t j m p 0 p 0 7 对于中间再热机组 高压缸工作在过热蒸汽区的级的内 效率可以认为不变 机组相对内效率的变化主要由中 低压 缸效率的变化引起 因此计算中间再热机组主蒸汽参数变 化引起的功率增量时 完全可以认为机组的相对内效率是不 变的 5 同理 对于再热后各中间级组 第 n h 1级组的理想比 焓降为 H t n h 1 a k k 1 p z r z r1 p n h 1 p z r k 1 k k k 1 Z z rRgTzr 1 p n h 1 p z r k 1 k 可以求出再热后 Ht ia的关系式 H ti a H ti a h nh 1 nh 1 m 7 8 Tz r pz r 8 由弗留格尔公式便可得出再热汽压力 P z r比例于汽轮机 的主蒸汽流量 D z r p z r D 0 p 0 n 1 i 1 D i p 0 D 0 n 1 i 1 Di p z r p0 9 将 9 代入 8 中 得再热后的 H t ia的关系式 H t ia H t ia h n h 1 nh 1 m 7 8 Tz r D0 p 0 n 1 i 1 D i p 0 D 0 n 1 i 1 D i p z r p0 10 1 1 4 推导 H t ic 由于最末级处于湿蒸汽区 湿蒸汽的干度不容易求出 故不能简单的顺延中间级的焓降公式 H t ic h88 h c 由下式推导出 h 88 h zr 8 i n h ti Ht i a h n h 1 n h 1 m 7 8 Tzr p z r p 0 p 0 H t ic hz r 8 i n h ti H t ia h n h 1 n h 1 m 7 8 Tz r p z r p 0 p 0 h c 综上所述 即可以求得主蒸汽压力的变化对机组功率 P 的影响 P H tja t j D 0 p 0 p 0 0 k 1 k tj b H t ja a b p 0 c T 0 0 k 1 k tj p 0 D0 t j n 1 i 1 H t ia t i D 0 p 0 i 1 n 0 D n p 0 p 0 n 1 i 1 D 0 i 1 n 0 D n Ht i a t i 367第 5期闫顺林等 在统一物理模型下研究主蒸汽压力参数的变化对机组煤耗的影响分析 Dc h z r 8 i n h ti H ti a h n h 1 n h 1 m 7 8 Tz r P z r p 0 p 0 h c Ht i c D 0 p 0 8 n 1 D i p 0 p 0 11 其中 H t ia H t ia h t j m 3 4 T0 b p 0 再热前 或 H t ia H t ia h n h 1 nh 1 m 7 8 Tz r D0 p 0 n 1 i 1 D i p 0 D 0 n 1 i 1 D i p z r p0 再热后 1 2 主蒸汽压力变化对机组吸热量 Q的影响 由统一物理模型可知 机组的吸热量公式为 Q n 1 i 1 D b i h i 1 h i 1 i 1 n 1 i 1 Q b i n 1 i 1 D b iHb i n 1 i 1 Q b i 12 在主蒸汽的吸热部位只在锅炉中 还有在再热部分 在 统一物理模型中 可以将主蒸汽的吸热量的部位划分到第一 个小锅炉中 还有就是再热部分中的第 n 个小锅炉中 其它 锅炉的吸热量视为零 n 1 i 1 Q b i为其从阀门或者高压侧汽封进 出的辅助汽水流量的代数和 进入为正 流出为负 i 1 n 1 对机组的循环吸热量 Q进行全微分 Q n 1 i 1 D b i p 0 H b i p0 n 1 i 1 H b i p 0 D b i p0 其中 i 1和 n 进一步化简为 Q Hb 1 D 0 D 0 Hb 1 H b n Db n Db n Hb n 为证明机组循环吸热量 Q随主蒸汽压力变化的变化量 Q 只需求出 D 0 Hb 1 Db n Hb n的变化量 1 2 1 推导 H b 1 主蒸汽在锅炉中的焓升 H b 1 在统一物理模型中为第一 个小锅炉的实际焓降 H b 1 h 0 h g s hg s 为锅炉给水焓值 在 计算主蒸汽焓升变化量 H b 1时 主要是要确定锅炉给水焓值 h g s 的变化 H b 1 h 0 h g s 由于在固定工况下 热力系统的结构矩阵 A 以及各抽 气段的抽气比例均视为不变值 所以凝结水在回热加热段 的焓升不变 给水的变化主要考虑排气焓值的变化 6 Hb 1 h 0 h c 1 2 2 H b n的推导 H b n hz r hn n 对上式进行全微分得 H b n h z r hn n h zr h0 n 1 i 1 H t ia t i h z r h0 n 1 i 1 H t ia ti 1 2 3 推导 D 0和 Db n 由上可知 D 0 D 0 p 0 p 0 即 D b n D 0 p 0 n 1 n 1 D i p 0 p 0 Q H b 1 D 0 p 0 p 0 D 0 h0 hc Hb n D 0 p 0 n 1 n 1 D i p 0 p 0 Db n h z r h0 n 1 i 1 H ti a ti 13 上文中提到的 h z r 虽然没有明确的计算公式 但是可以 通过推导出变化后的再热压力 p z r 进而求出变化后的再热 焓 h z r hz r 变 hz r 由公式 1 11 13 可最终推导出主蒸汽压力参数 的变化对机组煤耗的影响的数学模型 b s Q Q p p 14 式中 P H tja t j D 0 p 0 p 0 0 k 1 k tj b H t ja a b p 0 c T 0 0 k 1 k t j p 0 D0 tj n 1 i 1 Ht ia t i D 0 p 0 i 1 n 0 Dn p 0 p 0 n 1 i 1 D 0 i 1 n 0 D n H ti a ti Hti c D 0 p 0 8 n 1 D i p 0 p 0 Dc h z r 8 i n h ti H ti a h n h 1 n h 1 m 7 8 Tz r p z r p 0 p 0 h c Q H b 1 D 0 p 0 P 0 D0 h 0 hc Hb n D 0 p 0 n 1 n 1 D i p 0 p 0 Db n h z r h0 n 1 i 1 H t ia ti 其中 Ht ia H t ia h t j m 3 4 T0 b p0 再热前 或 H t ia H t ia h nh 1 n h 1 m 7 8 Tz r D 0 P 0 n 1 i 1 D i P 0 D 0 n 1 i 1 D i p z r p0 再热后 2 实验数据验证 为了进一步验证上述模型的准确性和精确性 以某发电 厂 600MW发电机组 型号为 N600 16 7 537 537 为例 如 图 1 进行实例分析 在主蒸汽压力的改变下 分析对火电机 组煤耗的影响 计算结果如表 1所示 下转第 372页 368汽 轮 机 技 术 第 52卷 经过多次测试和反复修改后 终于通信成功 下面是通 信成功时的数据及其分析 其中从站的地址为 3 主站的地 址为 2 下面的数据均是十六进制 1 主站发送 10 03 02 49 4E16 该报文是 F D L状态请 求 用于搜索在总线上的活动站 主站接收到 10 02 03 00 05 16 表示地址为 3的从站向主站反映自己是活动的 此时 通过在 C C S 中设置探针观察到 S P C 3状态寄存器 地址为 04H和 05H 的值为 0 x 0841 说明此时 S P C 3的波特率为19 2 k b i t s 并且处于 p a s s i v e i d l e 状态 看门狗的状态是 B a u d C o n t r o l 并且 D P状态机处于 WA I T P R M状态 2 主站发送 68 05 05 68 83 82 6D3C3EE C16 读取从 站的诊断信息 主站接收到 68 0B0B68 82 83 08 3E3C02 05 00 F F00 08 95 16 表示从站需要重新进行初 始化参数 S P C 3的状态寄存器为 0 x 0841 表明 D P状态机处于 WA I T P R M状态 3 主站发送 68 0C0C68 83 82 5D3D3E88 22 24 0B00 08 00 B E16 设置从站的参数 主站接收到 E5 这是从站对 初始化参数的短确认 S P C 3的状态寄存器为 0 x 0891 表明 看门狗的状态是 D P C o n t r o l D P状态机处于 WA I T C F G状 态 4 主站发送 68 07 07 68 83 82 7D3E3E13 23 34 16 收 到 E 5 然后继续发送 68 07 07 68 83 82 5D 3E3E13 23 14 16 仍收到 E 5 这是主站发送的组态配置报文 表示输入与 输出的数据长度均是 4字节 从站回答的 E5是一个短确认 此时 S P C 3的状态寄存器为 0 x 08a 1 表明 D P 状态机处于 D A T A E X C H状态 同时指示灯亮 当 D P从站进入数据交换状态后 就可以进行正常的通 信了 通过串口周期性地向从站发送数据 在 C C S 中使用探 针观察到程序接收的数据正确 同时串口调试助手也能正确 接收到从站发出的输入数据 在串口通信调试成功后 使用 了 C P 5611和计算机作为主站 与从站进行通信测试 也获得 了成功 5 结 论 因为 P R O F I B U S 具有开放性 可靠性 扩展灵活和实时 性等优点 非常适合工业领域以及其它通信性能要求高的领 域 由于 P R O F I B U S 网络提供 24V电源 解决了模块供电问 题 尤其当模块很分散且环境较危险时 这个优点就非常明 显 现在工业领域多采用单片机作为处理器 单片机的频率 低 在大量运算时很难有所作为 所以本系统在采用 D S P 和 专用通信芯片后 大大提高了系统性能和扩大了使用范围 参 考 文 献 1