大型燃煤机组能效管理数学模型建立及优化设计

大型燃煤机组能效管理数学模型建立及优化设计-1-摘要随着我国经济的高速增长能源问题也日趋严峻，首当其冲的就是电力供需，而我国电力能源由主要以火电为主，所以燃煤电厂更有必要节能减排、提高能效。本课题研究了燃煤发电厂的工艺流程，并对建立燃煤机组能耗数学模型的基础知识如火用分析法、热平衡法、模块化建模理论等进行了学习和研究。重点对锅炉及汽轮机的能耗进行建模，其中用正、反平衡法建立锅炉数学模型，用热平衡法建立汽轮机数学模型，随后又建立了机组/全厂性能计算模型。在重点分析和研究机组各系统运行重要性能参数和经济性能指标运行优化目标值定量化计算问题的基础上,对当下的热力机组各个系统中经济性能目标值的偏差系数确定方法问题进行了分析和总结。随后本课题确定了火电机组各部分运行重要性能优化的目标值并重点进行了火电机组各部分运行重要性能优化的目标值偏差系数分析,建立了"单位偏差系数"的模型并对其偏差系数进行了目标值的计算和推导。在前面的基础上，研究学习了面向对象的方法，确立了建模过程和模型特点，建立了燃煤机组能效管理数学模型，并对125MW机组应用实例分析，重点分析了经济性能指标如锅炉热效率、汽机消耗，通过分析找出热损最大的时间及部位，分析了其影响的因素，给出其优化的建议及可能的优化方向。关键词：热力系统；能效管理；数学模型；运行优化ABSTRACTWiththerapidgrowthofChina'seconomy,theenergybecomeshortage,mostimportantisthepowersupplyanddemand,andChina'spowerenergyismainlythermalpower,soitismorenecessaryforcoal-firedpowerplantstosaveenergy,reduceemissionsandimproveenergyefficiency.Thistopicstudiedtheprocessflowofcoal-firedpowerplants,andstudiedthebasicknowledgeofbuildingmathematicalmodelsofenergyconsumptionofcoal-firedunits,suchasexergyanalysismethod,heatbalancemethodandmodularmodelingtheory.Theenergyconsumptionofboilerandsteamturbineismainlymodeling.Theestablishedmathematicalmodelboilerusespositiveandnegativebalancemethods,establishesthemathematicalmodelofsteamturbine,usestheheatbalancemethod,andthenestablishestheunit/performancecalculationmodelofthewholeplant,basedonwhichtheimportantparametersofthetargetquantitativevalueandtheunitoperationofindexoptimizationareconcerned,Themethodstodeterminethetargetvaluearesummarizedinthecurrentthermodynamicsystem,andthemethodstodeterminethetargetvalueoftheunitareintroducedindetailintheoperationparametersandeconomicperformanceindexes.Thendeterminethetargetvalueofthermalpowerunitoperationoptimization,andanalyzethedeviationofthermalpowerunitoperationoptimization.The"unitdeviationcoefficient"modelisestablishedandcalculated.Previously,basedonthestudyofobject-orientedmethod,themodelingprocessandcharacteristicsofthemodelwereestablished,themathematicsmodelofcoal-firedunitsmanagementofenergyefficiency,andtheexampleanalysisof125MWunitapplication,analyzedtheeconomicperformanceindicatorssuchasthermalefficiencyofboiler,turbineconsumption,throughtheanalysisofthetimeandplaceofmostheatloss,analysesitsinfluencefactors,givesitsoptimizationSuggestionsandpossibleoptimizationdirection.Keywords:Thermalsystem;Energyefficiencymanagement;Mathematicalmodel;Operationoptimization目录TOC\o"1-3"\h\u12715摘要 I13898ABSTRACT II30254第1章绪论 1227921.1课题背景与意义 1251621.2国内外研究现状 1222751.3本文研究内容 45518第2章建模理论基础 5228412.1热平衡法 5204842.2㶲分析法 5100312.3模块化建模理论 6113182.3.1模块化建模概述 615322.3.2模块化建模方法 6258052.3.3火电机组建模模块划分 7204512.3.4建模基本假设 7215552.4本章小结 78695第3章燃煤发电机组数学模型的建立 8261763.1锅炉能效数学模型的建立 860383.1.1用正平衡法建立锅炉数学模型 8133603.1.2反平衡法建立锅炉数学模型 928133.2热平衡法建立汽轮机数学模型 1014033.3机组/全厂性能计算模型 12192693.4本章小结 141095第4章火电机组运行优化目标值的确定 15316294.1概述 15108914.2运行优化目标值理论 15112864.3机组重要运行参数和经济性指标目标值的确定 1714354.3.2最佳运行试验方法 1751564.3.3变工况热力计算方法 18246344.3.4采用历史数据的统计值 19197354.3.5人工神经网络法 20108994.4火电机组运行优化的偏差分析 2180854.4.1基于校正系数的偏差分析方法 21274154.4.2基于校正系数的偏差分析方法 22205214.5基于偏差因子的偏差分析方法 22134684.5.1“单位偏差系数”的模型建立 22197084.5.2“单位偏差系数”的理论推导 23288394.6本章小结 2517779第5章程序开发及应用实例分析 26135945.1面向对象方法和模型特点 26214305.1.1面向对象的方法 26184595.1.2建模过程和模型特点 26285225.2软件体系结构和计算流程 28195745.2.1软件体系结构 28233225.2.2实时经济性分析计算流程 2886455.3125MW机组应用实例分析 3026075.3.1机组重要运行参数和经济性能指标页面 3079695.3.2经济性能指标分析 31111115.4本章小结 3517460结论 369247参考文献 377126致谢 40绪论1.1课题背景与意义伴随中国经济飞速增长，电力需求日益趋紧。我国作为能源消费大国，如何提高能源利用率、减少污染排放已经成为当今社会亟待解决并且优化的课题，而我国电力行业首当其冲的就是火电企业。从发电构成来看，2018年中国的火力发电总量达到了49231亿千瓦时，约为全国发电总量的70%以上，占据着绝对的主导地位[1]。“十三五报告”指出，到2020年要力争淘汰火电落后产能2000万千瓦以上，新建燃煤发电机组平均供电煤耗低于300克标煤/千瓦时，现役燃煤发电机组经改造平均供电煤耗低于310克标煤/千瓦时，电网综合线损率控制在6.5%以内[2]。因此火电企业提高生产效率，改进提高工艺流程，对自身行业的生存及发展和国家节能减排都有着重要的意义。所以，就更有必要对大型燃煤机组的能效指标进行监控和建立相应的数学模型，通过对这些指标的历史数据进行分析，找出能耗较大的时间和部位，加以分析并给出优化设计方案和措施。1.2国内外研究现状热力系统分析方法自诞生以来，经过国内外节能工作者的不断努力，在理论分析和实际应用方面都取得了长足的进步，这些方法大多数是建立在热力学第一定律、第二定律上的基础上的，例如，以热力学第一定律为基础较为突出的有，常规热平衡法、矩阵分析法和微偏分分析法等，以热力学第二定律为基础的分析法则以㶲分析法为代表[3]。在国内，各发电企业在部分子系统上进行了小范围的研究及应用，如等离子技术、变频器的使用、通过对给水系统改造后使用汽泵代替电泵上水、优化机组运行方式等方法来实现节能降耗，但对于具体实施方案，目前发电企业还没有统一的规范性文件或指引，还没有形成科学的、系统的节能降耗方法和途径，节能降耗研究领域尚有许多空白之处待填补[4]。一些省份已开始节能发电调度能耗实测方面的研究，并取得了一定的研究成果及进展，但在燃煤机组能耗排序细则、各类燃煤机组的通用能耗计算类型、中间再热热电联产机组发负荷凝汽能耗算法等方面还有待进一步深入研究[5]。国外燃煤机组节能降耗的研究方面，国外发电厂积极研究并应用锅炉排烟系统的余热利用技术，欧洲的火电机组多采用热点联产作为主要节能技术[6]。一些欧美国家还在机组上增加了烟气深度冷却器，丹麦某电厂曾将排烟温度由190度降低至90度，有着惊人的节能效果，欧洲的塔式锅炉效率已达到了95%以上，煤耗降低了4g/kWh左右[7]。下面将详细介绍一些国内外研究火电燃煤机组的热力系统能效定量分析方法。常规热平衡法常规热平衡法是伴随热力发电工程出现的而采用的最原始方法[8]，基于加热器的热平衡计算汽轮机的各级抽气量，是发电厂设计、热力系统分析、汽轮机设计最基本方法，也是分析热力系统的基础，沿用已久。理论上其他各种分析方法都可以由它推导出来，它以单个加热器为研究对象，通过逐级列写各个加热器的汽水质量平衡和能量平衡方程，以得到各级加热器抽气系数，并利用功率方程和吸热方程求解系统的热经济指标[9-14]。等效热降法等效热降法是由前苏联科学家库兹涅佐夫在上世纪60年代末提出，并在70年代逐步完善成熟，后经我国各学者在这方面做了拓展研究，80年代在国内得到广泛应用，等效热降法是基于热功转换原理，考虑到设备质量、热力系统结构和参数的特点，以等效热降H（比内功）和抽汽效率η的变化来分析热力系统的热经济效益[15-23]。循环函数法循环函数法是根据热力系统的参数，用热平衡方法列出计算系统热经济性的基本和综合特性系数的函数式以及计算方程式，用以分析和比较热力系统的方案，或以系统及局部热力系统变化所引起的热经济性变化，是一种新型的热力系统计算方法[24]。矩阵分析法矩阵分析法只是一个泛称，并不特指某种具体的分析方法，一般而言，只要计算方法采用矩阵形式表达，即可划为这一范畴，电厂热力系统的矩阵分析法是将电厂的热力系统用一个形式相对固定的矩阵来表示，加上功率方程和吸热量方程，就可以对热力系统进行较完整的分析，其优点在于模型均采用矩阵形式表达，突出特点是“数”与“形”的结合，即：矩阵结构与热力系统结构一一对应，矩阵中矩阵元素数值与热力系统中相关热力参数一一对应，当热力系统的计算通用性更佳，非常适用于编制通用计算程序[25-30]。火用分析法从热力学第二定律可以看出，温度的传递和压力的损失会改变能量和质量。然而，热平衡法没有考虑到这一点。为了解决这一问题，引入了（火用）分析方法，真实反映了设备能源利用的程度和效率。火用是指热力系统将能量转换为机械能的能力，它能真实地反映可用能量的损失。火用分析基于热力学第一、二定律，其最重要环节是火用损失分析。这有两个原因。一方面是技术方面的不可逆现象，这往往是由于设备缺陷造成；另一方面在内在方面，是指系统结构和由外部连接引起的不可逆现象。简而言之，火用分析是一种有效的节能诊断方法。等效热降法、热平衡法、循环函数法均基于热力学第一定律。等效焓降法计算比较复杂，故常采用近似热工系统实际值的方法导致其误差较大，而实际应用较少。循环函数法重点关注的是热力参数，列出热力系统热经济性及热力计算公式，分析比较热力系统能效的变化。但此法仅限于系统局部周期变化，实际应用较少。实际应用来说，该计算方法主要是基于热平衡法，但由于只考虑系统的外部能量损失，而不考虑机组内部设备的消耗，该方法也有一定的局限性。对于大型燃煤机组来说，使用火用分析法更客观。相比热平衡法，火用分析法客观、准确并可计算出系统的内、外部火用损失，能够更加严谨客观地对系统的能效进行分析。然而，当今的火电节能问题越来越新，越来越复杂，仅靠传统的理论分析方法已不能满足当今的节能需求。主要体现在两点。一是当今燃煤机组是一个复杂的大系统，各子系统之间相互作用、相互联系，涉及许多复杂的热力交换，具有未知的特性，很难建立精确的数学模型；二是单位能耗对负荷、自然条件、燃料及工质特性、运行条件、设备状态等因素有较大影响，应根据边界变化动态确定强相关关系。因此，近年来提出了一种基于数据挖掘的能耗分析方法。该法通过数据采集和在线监测热力系统中的关键参数，获得大量累积的数据后客观、严谨地反映机组运行边界、设备特性。对这些数据、信息分析，可快速准确地得到机组各子系统和各热力设备的运行状态和相互影响关系。具体来说，在复杂热力系统建模和运行优化中常用的数据挖掘方法包括关联规则学习、模糊系统、人工神经网络、支持向量机等。如采用关联数据挖掘方法，建立不同工况下燃煤电厂安全经济指标与主要监测参数之间的关系，通过监测热力设备运行状态，指导远程操作人员，确定机组运行工况偏离度；采用聚类算法对不同锅炉效率等级对给定工况下的数据进行聚类，得到影响燃烧效率的规则。人工神经网络和支持向量机建模方法可适用于较复杂的热力系统，其中人工神经网络适用于非线性复杂系统建模，十分适合火电机组能耗特性建模。但是，数据挖掘方法的缺点是有局限性。第一，此方法大多仅限于局部系统或参数的建模与优化，对于有复杂且繁多子系统非线性和强耦合性的大型燃煤机组来说很难付诸实践。第二，大量的历史数据使得机组能耗指标的特征变量种类复杂、数量庞大，会让建模耗费很长时间并十分繁琐。第三，现有数据挖掘方法基本没有建立运行的机理模型，复杂工况及边界约束条件得不到考量。总结起来若能耗模型完全用数据挖掘法建立，则外部因素及负荷条件对机组能效的影响不能准确地描述，很难定量还原基准状态的变化规律及分布特征。1.3本文研究内容本文研究内容如下：1.研究燃煤发电机组发展现状及能耗状况，研究热力系统性能计算方法。2.建立燃煤发电机组主要用能设备的基本数学模型。3.针对燃煤机组能耗分析及管理，建立相关数学模型，量化机组供/发电标准煤耗、汽轮机汽耗率、汽轮机热耗率、厂用电率、机组补水率、供热比，实现燃煤机组能耗指标的监测。4.基于能耗计算模型，编制出可计算各项热力参数和性能指标的能效监测软件，以了解机组的运行及能耗状况，指导机组的运行及优化设计。建模理论基础2.1热平衡法热平衡分析法是根据能量守恒定律，定性分析消耗指标影响大的相关参数，并与标准值比较修正后得出各项运行指标对热耗影响值的一种方法。根据热力学第一定律，热效率η=Q1/Q0×100，Q1：输出热量，Q0：输入热量。热平衡法以能量守恒定律为理论依据，如图2-4所示，图2-3热平衡理论如图所示，其中Ⅰ可指任意的用能设备，左边Qi=1到Qi=n表示用能量来源，也代表能量输入，右边从Qj=1到Qj=m代表能量输出。热平衡法又分为正平衡法和反平衡法，在后面将用两种方法进行对锅炉进行建模。2.2㶲分析法热力学第二定律指出，当压力损失和温度传递时，能量质必然也会改变，火用分析法正式建立在其理论基础上的。火用分析法能够弥补热平衡法的不足，体现出真实的设备用能程度及用能效率。㶲是热力系统可逆地变化到环境状态所用的最大功，而㶲可以描述热力系统把能量转换成机械能的能力，㶲分析法是建立在热力学第一、二定律基础上，对热力系统及过程㶲平衡加以计算及分析，找出能力损失较大的地方或过程。㶲分析中，关键是计算出㶲损，以找出能耗的关键部位或者过程，并可通过火用损的变化发现系统或设备的故障。根据工质热力循环顺序对每个环节或设备进行分析，列出㶲平衡方程式对火用损值进行计算。如图2-5，j代表一个研究对象亦可以是一个设备。进入设备j的㶲为Ejin，出设备的㶲为Ejout。㶲损可表示为：。特别地，如果给定物质仅与所处环境的压力及温度达到平衡而非所处环境平衡，所做功为此物质的物理㶲，物理㶲可由以下公式得到：，H表示物质初始焓值，H0表示平衡态下焓值。T0表示环境温度，S表示初始焓值，S0表示平衡态下的焓值。图2-4火用平衡理论根据以下㶲计算公式可以算出各状态点的㶲值其中e表示各状态点㶲值。h为焓函数，s为熵函数。先由已知一点的温度及压力值查出焓与熵，再根据第一个公式计算出状态点的㶲值。2.3模块化建模理论2.3.1模块化建模概述模块化建模，顾名思义，就是把大的、复杂的系统分解成若干独立的模块，对独立的几个子系统，分别建立模型，然后将各个子系统再按一定的规则连接起来，从而构成整个系统模型[31]。模块化建模中模块应有这些特点：1.模块有准确的物理概念2.有统一划分方法及准则规范但可以分别地独立开发及拓展。3.模型具通用性。2.3.2模块化建模方法模块化建模的方法如图2-6所示，图2-5模块化建模方法将一个复杂系统分解成若干基本单元，分别建立起数学模型后形成模块，而后连接成子系统模型，并最终得到系统模型。建立模型时应遵循以下原则。第一，每个模块应具有完成独立物理功能的能力。第二，模块应有数学独立性。第三，不同动态特性应分离。第四，划分模块时应考虑连接时易于连接。2.3.3火电机组建模模块划分将火电机组划分为锅炉、汽机两个大系统，锅炉分为本体、风烟系统、制粉系统。锅炉本体再分成炉膛、蒸发系统、过热器、再热器、省煤器，风烟系统分成一次风系统、送风系统、引风系统，制粉系统分为中储式和直吹式，汽机系统分为汽机本体、凝结水系统、给水系统，本体分为高、中、低压缸、凝汽器和循环水系统，凝结水系统分为低压加热器、除氧器和凝结泵，给水系统包括给水泵及高低压加热器，分别建立各设备或过程的数学模型，然后简化为子系统并确定具体参数得到各自模块并连接在一起形成子系统仿真模型[32]。最后将各子系统模型连接在一起得到整体动态模型。2.3.4建模基本假设建模时为简化过程以达到实时仿真的要求，作出如下假设：1.假定空气和烟气为理想气体，满足气体状态定律。2.引入“集总参数法”，即当物体内温差相差不大,可近似认为在这种非稳态导热过程中物体内的温度分布与坐标无关,仅随时间变化[33]。3.建立烟气侧数学模型时，可忽略烟气的蓄热能力，只考虑平衡状态的关系，系统各过程满足基本方程和热力学定律[34]。2.4本章小结本章概述了热平衡法和火用分析法理论，简述了其基本概念及火用损、火用值的计算方法。并简要介绍了模块化建模理论，介绍了火电机组建模模块划分，介绍了模块化建模理论的的思想和其基本假设。第3章燃煤发电机组数学模型的建立3.1锅炉能效数学模型的建立3.1.1正平衡法建立锅炉数学模型正平衡法也叫做输入—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[35]。即(3-1)式中：为锅炉效率，％；为每千克燃料的锅炉输出热量，kJ/kg；为锅炉输入热量，kJ/kg。锅炉输入热等于煤收到基低位发热量：(3-2)式中：是入炉煤收到基低位发热量，kJ/kg。锅炉输出热量从锅炉省煤器入口至末级过热器出口、锅炉再热器入口至再热器出口，分别确立流量、温度及压力，并求出相应焓值：(3-3)式中：Di为工质离开热平衡界限时质量流量，kg/h；hi焓值，kJ/kg；Dj为工质进入热平衡界限时质量流量，kg/h；hj焓值，kJ/kg；B锅炉燃料消耗量，kg/h。锅炉输出热量按式(3-4)计算：(3-4)式中：D锅炉主蒸汽流量，kg/h；hgq锅炉主蒸汽焓值，kJ/kg；Dzr锅炉再热器出口蒸汽流量，kg/h；hzrc锅炉再热器出口蒸汽焓值，kJ/kg；Dml锅炉明漏量，kg/h；hml锅炉明漏焓值，kJ/kg；Dgs主给水流量，kg/h；hgsgl锅炉给水焓值，kJ/kg.3.1.2反平衡法建立锅炉数学模型反平衡法建立锅炉能效数学模型的思路是通过计算出各类热量的损失，去除后在总输入热量占比即为锅炉效率。根据热平衡理论，锅炉的能量进出如图3-1所示：图3-1锅炉能量收支图其热效率为其中为锅炉热效率，为排烟热损失，为可燃气体未完全燃烧热损失，是固体未完全燃烧热损失，为散热损失，是灰渣散热损失，是灰渣物理热损失。其中各参数计算如下：排烟热损失/，（3-5）式中是干烟气带走的热量，是烟气所含水蒸气的显热，是入炉煤收到基低位发热量。2.干烟气带走热量，（3-6）为燃烧1kg燃料产生的干烟气体积，是送风温度，是干烟气平均定压比热容，是排烟温度。3.每千克燃料燃烧产生的实际干烟气体积。（3-7）其中为每燃烧1kg燃料所需理论干烟气量，为末级受热面出口过量空气系数，其计算为（3-8）.取值为0.98.是每燃烧1kg燃料所需理论干空气量。其计算为（3-9）.取值为2.62.排烟热损失（3-10）.其中是排烟温度，是送风温度。烟气中水蒸气显热。其中为烟气所含水蒸气显热，为水蒸气，为烟气中所含水蒸气容积。固体未完全燃烧热失如下（3-11）其中为固体未完全燃烧热损失，为燃料收到的基灰分含量，为炉渣占燃煤总灰量的质量百分比，炉渣中碳的质量百分比，为飞灰量占燃煤总灰量的质量百分比，是每千克燃料的锅炉输入热量。3.2热平衡法建立汽轮机数学模型用热平衡法建立汽轮机计算数学模型：1.汽耗率汽耗率是指每产生１千瓦时的功所耗的蒸汽量，即(3-12)d：汽耗率，kg/(kW·h)；Dzq：主蒸汽流量，t/h；N：机组负荷，kW。2.热耗量热耗量指汽轮机组从外部得到的热量。①再热机组热耗量：(3-13)式中：Qzr为热耗量，kJ/h；Dzq为汽轮机主蒸汽流量，kg/h；hzq为汽轮机主蒸汽焓，kJ/kg；Dgs为最终给水流量，kg/h；hgs为最终给水焓，kJ/kg；Dzr为汽轮机再热蒸汽流量，kg/h。②非再热机组热耗量：(3-14)汽轮机最终给水流量的计算公式为(3-15)式中：Dbl：炉侧不明泄漏量，kg/h；Dml：锅炉明漏量，kg/h；Dsl：汽包水位变化当量，kg/h。再热蒸汽流量(Dzr)：(3-16)式中：Dgl为高压门杆漏汽量，kg/h；Dgn为高压缸前后轴封漏汽量，kg/h；Dhe为高压缸抽汽至高压加热器汽量，kg/h；Dx为高压缸漏至中压缸漏汽量，kg/h；Dzqt为冷段再热蒸汽供厂用抽汽等其他用汽量，kg/h。3.热耗率热耗率是汽轮发电机组热耗量与其出线端电功率比值，对于再热机组，有(3-17)q：热耗率，kJ/(kW·h)。4.汽轮发电机组热效率汽轮发电机组每千瓦时发电量相当的热量占发电热耗百分比，即(3-18)环热效率(3-19)其中ηjg为机组管道热效率,η是锅炉效率，Sjrl是机组的热耗量，Wj是机组功率。热耗率。机组热耗量如下：(3-20)其中：Srl为机组热耗量，Lz为主蒸汽流量，hRvz为主蒸汽焓，Lrrd为再热热端蒸汽流量，hRvrrd为再热热端蒸汽焓，Lgj过热减温水流量，hRVgj为过热器减温水焓，Lj为给水流量。其中再热热端蒸汽流量计算为Lrrd=Llz+Lrpj。再热热端蒸汽流量等于冷再流量与再热器喷水减温流量之和。再热蒸汽绝对压力及其温度可查焓熵表，再热蒸汽压力加上大气压力等于再热蒸汽绝对压力，7.低压缸排气流量如下：(3-21)Lz：主蒸汽流量，LrH2O：再热减温水流量，Lcn：第n段抽气流量，n=1,2,3,4,5,6,7。L1：各个漏气量，Llcx：冷再抽汽至小机，Llcx4：四段抽汽至小机流量。据此建立了一至七段抽气量的计算等式，以及低压缸排气能量Qdp=Qzl-Qlx1n-Qql-Wd*3600。其中Qzl为蒸汽获得的总能量，Qlx1n代表各段抽汽携带的总能量，Qql代表汽轮机漏汽能量，Wd代表发电机轴功率。下面具体计算其中参数：蒸汽获得总能量为：。(3-22)Qzl是蒸汽获得的总能量，Lz是主蒸汽流量，Lrz为再热蒸汽流量，Lrz为再热蒸汽流量。各段抽汽携带的总能量为：Qlx1n=Lcn*hRVcn。其中Lcn为各段抽气量，hRVcn为各段抽汽对应的焓。汽轮机漏汽能量：Qql=ln*hRVl其中ln为各个漏汽量。高压缸相对内效率：(3-23)中压缸相对内效率：(3-24)低压缸相对内效率：(3-25)热平衡法建立汽轮机数学模型完毕。3.3机组/全厂性能计算模型机组/全厂综合经济技术指标包括厂用电率、功率因数、电厂效率等。具体计算模型如下：1、厂用电率(3-26)Ηcy：厂用电率，%；Ngc：高压厂变功率，kW。2、功率因数(3-27)cosϕ：功率因数；Nu：发电机无功功率，kW。3、电厂供/发电效率⑴管道效率汽轮机从锅炉得到与输出热量百分比，即：(3-28)式中：ηgd为管道效率，%；hgro为过热器出口焓，kJ/kg；hzri为再热器进口焓，kJ/kg；hzji为汽轮机中压缸进汽焓，kJ/kg；hzro为再热器出口焓，kJ/kg；hpq为汽轮机低压缸排汽焓，kJ/kg。⑵电厂发电效率锅炉、汽轮机、发电机系统发电中热能利用率，即(3-29)ηcp为电厂效率，%；ηg为锅炉热效率，%；ηq为汽轮发电机组热效率，％；ηgd为管道效率，%。⑶电厂供电效率(3-30)式中：ηacp为电厂供电效率，%；ηcp为厂用电率，%。4、电厂供/发电热耗率⑴发电热耗率(3-31)式中：qcp为发电热耗率，kJ/(kW·h)；ηcp为电厂发电效率，%。⑵供电热耗率(3-32)式中：qcpa为供电热耗率，kJ/(kW·h)；ηcpa为电厂供电效率，%。5、供/发电标准煤耗⑴发电标准煤耗(3-33)式中：bcp为发电标准煤耗，g/(kW·h)；ηcp为电厂发电效率，%。⑵供电标准煤耗(3-35)式中：bcpa为供电标准煤耗，g/(kW·h)；ηacp为电厂供电效率，%3.4本章小结本章建立了火电能效监测模型包括锅炉、汽轮机、全厂机组功率计算模型。用正、反平衡法计算锅炉热效率。汽轮机计算模型中具体建立了汽耗率、热耗量、热耗率、汽轮发电机组热效率、环热效率、机组热耗量、低中高压缸相对内效率等指标的数学模型。电厂整体性能计算建立了经济指标模型，如厂用电和功率因数、电厂效率、供电/生产、蒸汽消耗、热量消耗、标准煤消耗等。在后面将以此计算模型来确定目标值和偏差分析并编制软件。第4章火电机组运行优化目标值的确定4.1概述本章将对发电厂经济指标的主要操作参数和指标进行量化和偏差分析，这样就可以针对偏差进行优化及指导。优化的关键问题是目标值的确定，它为运行优化提供了指导依据和依据。本章将侧重于量化机组运行的主要参数和指标如煤耗、热耗等，以优化目标值。4.2运行优化目标值理论优化目标值包括机组运行参数、运行优化控制指标两种优化。对运行优化目标值的偏差进行分析可为对机组的运行参数优化作出重要的指导。目前对机组运行重要的参数优化控制指标和运行优化目标值的主要量化研究重点主要是在于机组的经济指标和技术目标的值。机组的经济损耗可以大致分为三个基本方面:①由于设备运行不当等其他客观因素引起的但必要时可通过停止或改变其运行的方式来加以改善的"运行可控损失";②由于设备维护缺陷故障引起的"维护可控损失";③由于负荷的变化、设备的老化等其他客观因素造成的"不可控损失"。运行蒸气优化总体参数系统分析常用的锅炉运行蒸气优化系统参数主要有:主泵水蒸汽蒸气压力、主泵水蒸汽蒸气温度、再热泵水蒸汽蒸气温度、汽轮机蒸气背压、给料机水蒸汽蒸气温度、锅炉室内排烟蒸汽温度、炉膛和进出口室内烟气的平均含氧量、厂房的用电、减少的温水量等。运行时间参数的目标值优化问题可以被视为状态空间中的多维约束优化的问题。状态空间由可控、不可控机组的参数由约束集组成。在状态可控空间中,约束集由机组对负荷的要求和对设备、环境等不确定的可控因素相结合构成的。其优化的目标为最高温度的热效率或最佳温度为单位的热耗率两个指标。其基本的描述结构如图4-1所示。图4-1运行优化目标值多维约束优化问题示意图图中将一个可验证的参数和其他的参数(包括不可验证的控制参数)分离为一个坐标约束集的矢量,单位荷载为第三个约束集的坐标矢量,约束集的区域A为设备、环境等三个坐标因素组成的坐标矢量约束集,等荷载板B的边界点为一个规定的荷载,对于指定的负荷,优化目标的问题A和载荷板B的临界点求解范围分别是三个临界点,Lo、Lo1、Lp,这是优化目标载荷状态的曲线、设计基态的曲线和实际载荷状态的曲线。各载荷状态的曲线和临界点规定载荷板B的边界点为O、O1、P，O和P在规定的求解面内,这个临界点是优化目标规定载荷下的一个优化临界点,其相应的临界点可验证操作参数目标值是各载荷的操作参数在目标所规定的条件下优化目标值的最优解。其等效载荷和效率求解面与A和C对应的热单位载荷效率求解是在一个特定条件下对于最优化载荷目标值的最优解,即对于一个给定的单位载荷,最优点O在理论上应该是唯一的,不同载荷下的最优点可以构成一个Lo曲线。该过程中的约束和优化的问题可以进一步以数学表达式进行描述，例如式(4-1)所示：(4-1)其中X为操作系统性能状态空间上的一个性能状态约束点,f(X)是计算机操作系统性能优化的一个目标约束函数,min代表了寻求一个机组热耗率的最小化,gi(X)<=0和hj(X)=0为寻求性能约束的条件。但是需要特别注意的一点是,此问题在计算机理论上并不能完全可以求解的,仅仅可以作为一个理论指导作用。在实际的运行中,经济指标的设计目标和参考值一般可分为以下几个基本层次:①"设计基准值"是根据机组设计的煤种,通过设计拟合的模型计算得出的设计参考值;②"检修可达参考值",机组定期进行检修后可达的参考值;③"计算应达值",基于先进的机组热力系统计算原理模型,热力系统最优性能计算和机组应变工况分析所计算的机组理想应达值;④"最佳运行值",通过对机组历史数据使用情况进行大量的统计和分析得出的反映机组最优性能和运行状态的最优值。总结目标值确定方法：①设计值；②最佳运行试验法；③理论计算结果；④最佳历史数据。4.3机组重要运行参数和经济性指标目标值的确定下面介绍机组运行参数和经济性指标目标值确定方法。4.3.1采用制造厂提供的设计值机组定压温度运行时,主蒸汽给水温度、主再热蒸汽给水压力、再热蒸汽给水温度、燃料特性等各种参数的给水温度目标值同样可以采用厂家设计参数值。机组滑压主再热蒸汽给水压力则按照根据机组实际的滑压温度运行的曲线确定。机组主汽缸的流量、给水蒸汽温度、各级抽汽压力的补水率等目标参数值同样可以使用厂家设计参数值。机组给水蒸汽温度的目标值可以随机组的负荷而有所改变。其中高压加热器的端差、凝结水过冷蒸汽温度、再热器端差的压损、补水率等的目标参数值根据机组厂家实际设计的参数值进行确定。加热器端差的补水率目标值也同样可由变工况热力端差的计算方法确定。4.3.2最佳运行试验方法优化锅炉运行温度试验主要包括锅炉发动机热力优化试验、汽轮机锅炉热力优化试验和各种锅炉优化运行调整温度试验，例如最佳氧气温度曲线、最佳真空温度曲线等。最佳的操作测试方法可确定这些目标值的参数:含氧量、减少高温水流量、抽汽管压力损失、循环水温度上升等;热工试验方法中可确定的这些目标值的经济指标主要包括锅炉各种热损失、锅炉效率等。最佳的真空曲线计算公式PV=f（n，t）（其中PV：涡轮机背压，n：发电机功率，t：环境温度）。根据当前循环工况的负荷和涡轮机环境温度,利用最佳的真空曲线可以得到当前工况下的最佳负荷和真空度,通过涡轮机的改变负荷和工况温度计算当前循环工况下的水温升,作为当前循环工况水温度上升的最佳目标真空值。锅炉汽轮机性能目标值计算的模型可以通过汽轮机应变工况目标值计算的方法进行分析得到。同样,汽轮机的热耗和负荷汽轮机高、中压锅炉汽缸轮机热效率的性能目标值也是可以用最新的锅炉汽轮机热试验数据进行拟合随机组负荷的热耗和变化计算曲线。这里我们给出了高、中压锅炉汽缸轮机热效率的目标值与汽轮机负荷的热耗值关系计算曲线,如图4-2、4-3所示。图4-2高压缸效率目标值和负荷的关系图4-3中压缸效率目标值和负荷关系4.3.3变工况热力计算方法加热器端差、冷凝器传热端差、传热系数、汽轮机背压、废气温度等参数一般可用于用于确定目标值。加热器端差是加热器运行状态的指标。根据加热器的传热方程和热平衡方程有(4-2)式中:A为流经加热器的传热面积;mtw为流经加热器的进出口给水流量;Δt为加热器给水进出口和流经加热器的进出口给水温度差;θ为加热器变工况下流经加热器的给水传热端差;K为变工况下流经加热器的给水传热系数;Cp:加热器给水定压比热,tns:流经加热器给水抽汽凝结水饱和的温度,由流经加热器的给水定压平衡关系可知(4-3)则有：(4-4)(4-5)式(4-5)经过整理可得：(4-6)式(4-6)为θ的隐函数式，其中传热系数可视为常数。端差目标值的计算需要反复修正，通过改变工况，计算出冷凝器传热端差和传热系数的目标值。而且汽轮机背压和排烟温度受多种因素的影响。4.3.4采用历史数据的统计值用历史数据统计值来确定目标值，这是一种数据挖掘的方法。基于对历史数据的分析和统计汽轮机的进水量和各种性能参数,结合热力学变量计算条件下,发现各种受单位负载,冷却水入口温度、进水水位、循环水量、密封和其他条件等因素直接影响的汽轮机背压式目标价值汽轮机。一般来说,造成低压式汽轮机的背压和冷凝器升高的目标价值原因可能有很多,如背压和冷凝汽器蒸汽真空传热温度差、"虹吸"部件损坏等。汽轮机性能计算的模型主要是考虑了循环水量对入口温度的热力学影响和单位负载温度两个单元,并在模型中确定了低压式汽轮机排气对温度的影响和目标价值,然后结合对历史数据的统计和结合热力学计算的变量获得了低压式的排气对温度的影响和目标排气价值,汽轮机的背压和冷凝器的传热端差。影响燃煤锅炉供热废气净化换热系统温度的主要影响作用因素很多。其中一些例如,锅炉的废气受热面积及结渣、积灰等都会直接影响使得其在锅炉中对废气进行换热的处理效果随之不断变差,废气进行换热后的温度随之不断升高。此外,磨粉机的启动和排气机停止的状态对于锅炉的烟气排放温度也对统计值有很大的直接影响。排气锅炉温度目标的统计值由锅炉历史数据的统计值与变工况下的热力锅炉温度计算分析结果相结合计算确定。辅助磨煤机耗电率的目标值主要有:基本耗电率目标值、循环磨煤水泵的耗电率、制粉磨煤系统的耗电率,主要考虑的因素就是磨煤机的辅助耗电率。数据分析挖掘中主要使用了自动优化的技术。自动目标值优化的方法目标值是指计算系统自动确定计算机组的最佳系统运行边界状态,在不同的运行边界条件下,每个机组根据工况有不同的最佳目标值优化曲线。确定机组的排气温度和涡轮机的背压温度目标值时采用的方法是自动确定和优化目标值方法。通过对机组的排气温度历史运行和数据分析来确定和拟合目标值曲线以更好地确定自动优化目标值。在已经确定了锅炉排水效率、管道排水效率、汽轮机用电热耗和厂房设备用电煤耗目标值的基础情况下,还可以通过利用在线的监测模型方便地监测和获得相应的电厂汽轮机热耗和电厂煤耗的自动优化目标值。4.3.5人工神经网络法"人工神经网络"一词指的也就是一个各种类似于大脑的人工神经网络,它指的是一种通过模仿了以前人类和各类动物大脑的人工神经元网络结构而重新建立的网络模型,按不同的方式以连接起来。不管什么信息对象的神经网络,都可以具有三个主要信息类型:包括输入信息单元、输出信息单元、隐藏信息单元。且神经网络具有实时自动学习、记忆、计算等多种功能。神经网络具有实时自适应、自组织和进行实时自动学习的功能和特点。用bp神经网络可以建立烟气的含碳量、烟气预测燃烧期间温度、烟气气体排放率和烟气含氧量等主要参数的烟气预测模型。用固体反平衡效应方法进行计算热效率损失可以反平衡利用方法计算锅炉固体燃烧时的热效率损失ηg(4-7),固体不完全燃烧热效率损失q4(4-8)。(4-7)(4-8)根据式(4-7)进行计算时,需进一步计算知道包括锅炉内部排烟热热的损失、可燃烧的气体不完全燃烧热热的损失、固体不完全燃烧热热的损失、锅炉内部散热热的损失等。在精确计算加热锅炉这5热量的损失中,最大且有可能持续增加或间接降低的总热损失系数就是式(q4,其中锅炉飞灰的含碳量阈值影响巨大。因此,确定锅炉粉煤灰中有机碳化物含量的训练目标和阈值H很重要。本文通过采用三层的bp神经网络对训练后的锅炉粉煤灰进行了建模:将锅炉黑箱神经网络模型作为训练后的锅炉神经网络模型。以二次风总压、燃烧器的摆动倾角等锅炉运行条件的参数阈值作为三层神经网络的输入,锅炉飞灰的含碳量阈值作为三层神经网络的隐藏输出。本文选择了包含n个隐藏输入节点、1个隐藏输出节点和m个隐藏输出节点的三层bp神经网络结构。用反向信息传播机器学习的算法对三层神经网络模型进行了训练,确定了权值和含碳量阈值,得到了训练后的三层神经网络的模型。然后我们利用模型测得的飞灰含碳量目标值来验证模型的计算正确性,并对不同的工况下飞灰含碳量的目标值和正确性进行了评估和测试。4.4火电机组运行优化的偏差分析研究和应用供热一次设备的网络化性能监测模型的主要目的是更准确、实时地计算和分析供热一次设备的热经济性条件指标和供热性能参数,以确定一、二次设备的热经济性条件和网络化供热的方式;并通过分析相关设备热力学经济性参数的变化和实时供热偏差,量化对机组热耗或煤耗的影响,方便企业和电厂的使用,管理层必须及时地了解发电机组设备的有效性和运行状况,现场负责设备操作的人员和设备可在合理的工作时间内正确考虑任何与其设备有效性运行水平相适应的因素和措施,使其设备能够在适应更好的电厂工作环境条件下达到企业降低成本减少煤耗、提高效率的主要目的。发电机组模型耗差分析建模方法的研究耗差分析是企业优化发电机组模型设计和创建的重要组成部分。具体了分析基于电厂偏差修正系数和发电机组偏差系数的发电机组偏差分析方法。4.4.1基于校正系数的偏差分析方法校正系数用于修正热耗率和确定监控参数中偏差因素对热耗率的影响。利用其进行热耗修正和偏差分析如下。蒸汽参数变化引起循环平均吸热温度TH或放热温度TL改变；并引起汽轮机内效率ηoi变化。机组热耗相对变化值：(4-9)式中：ΔTL=TL−TL'，ΔTH=TH−TH'，Δηoi=ηoi−ηoi'。TL、TH、ηoi分别是参数变化后的相应数值。循环的平均吸热温度(4-10)对中间再热机组(4-11)(4-12)式中：h0为新蒸汽焓；hf为给水焓；rh为再热前蒸汽焓；hr0为再热后蒸汽焓；αr=Gr/G是再加热的份额。对于非再热机组，式（4-11）和式（4-12）中的第二项为零。参数变化后TH=Q/ΔS，计算方法同上。TL和TH按排汽压力由水蒸汽表查得。根据式（4-9）依次改变各参数，得到热耗修正值Δqi和修正系数Ci，拟合性能修正曲线，由厂家提供给用户进行热耗修正和偏差分析。4.4.2基于校正系数的偏差分析方法修正后热耗率q’：(4-13)式中：Δqi/q为单偏差因素pi变化后的热耗修正值；Δqi为单偏差因素pi的实际值与目标值的偏差引起的热耗偏差。热耗偏差：(4-14)4.5基于偏差因子的偏差分析方法如前所述,修正偏差系数与单位偏差修正系数实际上两者之间具有一种线性的对应关系,因此基于单位偏差修正系数的非线性偏差分析方法也是一种可以将其称为基于"单位偏差系数"的非线性偏差分析方法。各种偏差参数及其性能对热耗或凝汽器煤耗的主要影响偏差系数与火电机组设备的性能及其热力处理系统的特性密切有关。下面介绍基于"单位偏差系数"的在线偏差系数分析方法。本文研究的在线偏差分析参数主要的内容包括:①火电机组加热器运行基本系统参数②火电机组加热器的基本运行压力参数。4.5.1“单位偏差系数”的模型建立单因素偏差：假定机组运行时,某热力学优化参数n在一定负荷条件d下相对于其优化的目标值n0发生相应的单位热耗率变化δn后,引起机组热耗率的相对目标值变化为δq=K(N,D)*δN(4-15)转化为δq/δN=K(N,D)(4-16)热耗率相对于特定的热参数δq/δN的相对变化率是热参数N和与相应的负荷热参数D的有限幂函数,对于相同的热参数n,存在一个与相应负荷热参数d连续相关的最小二次系数N=K(N,D),定义这个系数为与相应热参数的"单位偏差系数"。这样,在几种非常典型的工况下,可以通过离线的方法计算与相应热参数的"单位偏差系数"的离散值,然后用最小二次函数的乘法将与相应热参数的连续关系拟数组合成一个函数KN=f(D)。其中f(D)的离散值可以看作是根据实际应用需要的计算相应负载D的有限幂函数,一般的情况下(4-17)在实时偏差分析中，当某一负荷DX下任一热力参数N的运行值偏离目标值Δn时，可由下式快速得出其对机组热耗率或煤耗率的影响:Δq=(δq/δN)ΔN*q=KN*ΔN*q=f(Dx)ΔN*q(4-18)或者：Δq=(δb/δN)ΔN*b=KN*ΔN*b=f(Dx)ΔN*b(4-19)因为函数f(D)由离线数据生成,不会过分占用信息系统实时的计算工作量,所以我们可以大大提高现有的信息系统偏差分析模块的离线实时计算性能。4.5.2“单位偏差系数”的理论推导当主蒸汽再热器压力P0、主蒸汽温度T0、再热器的压损给水温度ΔPr、再热蒸汽给水温度Tr、排汽给水压力Pc、给水温度Tf中任一参数发生变化而其它不变时,可推导出参数引起的δq变化值。根据等效焓降局部热力学分析理论,推出其它参数变化引起的加热器δq参数变化值。则"单位偏差系数"KN=δq/δN可被给出。⑴当P0相对于给水再热器的热量目标值温度发生两个单位值的温度较大偏差时即再热器参数δP0时,假使给水再热器参数前T0不变,给料进水排气再热器前热量参数不变,即给水再热器参数Tf、hf、Sf不变,再热器前热量参数不变,即给水再热器参数ΔPr、Tr、Tr0、Sr、Sr0、hr、hr0不变。则是在再热器中的h0，S0因P0变化的频率发生而有所变化,变化后的一个函数值为h0’=fh(P0’,T0),S0’=fs(P0’,T0),P0’=P0+δP(注意假定其中p和p0为函数循环的一个目标值)。循环的物质工况使其熵在发生变动前,循环中工质的熵可能会同时发生以下改变:ΔS=(S0-Sf)-αr(Sr-Sr0)(4-20)式中:S0为中间再热后的新汽体积熵的总量数值;Sf为中间再温受热给予加水的物质蒸汽体积熵的总量和量的数值;Sr为中间再温加热前的液体蒸汽质量熵的数值;Sr0为中间再热后的液体蒸汽质量熵的数值;ar=Gr/G0为中间再热的蒸汽份额。循环中工质总吸热量Q=(h0-hf)-αr(hr-hr0)(4-21)式中:h0为中间给定的新的蒸汽给水焓的数值;hf为中间吸热后的指定给水蒸汽焓的数值;hr为中间再次吸热前的给定蒸汽给水焓的数值;hr0为中间再热后的给定蒸汽给水焓的数值。则平均吸热气体温度可用公式定义为TH=Q/ΔS(4-22)而平均的蒸汽放热饱和温度中的TL为其在Pc(排汽饱和压力)下的平均加热饱和蒸汽水放热温度(x=0)。所以在实际工况发生变动后(仅P0变化时),将上述两个公式重新定义是因为其中的值是S0与整个h0用S0’与H0’通过代入可直接计算出新的ΔS0与Q’进而代入可得出新的TH’。其中S0’,H0’由P0、T0利用水蒸汽的性质通过热熵查询软件中的熵函数求得。于是,可直接得出P0变动一个单位引起的热耗相对变化δq,即(4-23)当Δη0i/η0i变化很小时可忽略。这一部分的理论分析和前面基于校正系数的偏差分析原理用到的理论是相通的，都是利用工程热力学的方法进行分析和计算。⑵对于#2高加，加热器端差增大一个单位δ1τ引起的热经济效果为：新蒸汽等效热降增加：(4-24)式中：为2号高加的变热量抽汽效率。循环吸收的热量逐渐增大(其中包括过热器和循环再热器):：(4-25)式中：ΔQzr−1为2号高加单位抽汽量的变化而引起再热器吸热量变化的量；q1为2号高加的抽汽放热量。汽轮机装置效率相对降低：(4-26)式中:ηi为某一承载负荷情况下新新建蒸汽轮机的燃气驱动辅助装置焓的效率;H为同一承载负荷的某种情况下新建的蒸汽等效装置的效率升降。于是,可以直接计算得出一个加热器的温度端差值而相对于一个加热器的温度目标值是热发生时的单位值而加热器的温度偏差等于δ1τ所引起与热耗对应变化δq=−δηi(4-27)依据上述原理编制软件。4.6本章小结本章简要介绍了面向对象的方法,包括它的基本设计思想、模型、组件及相应的模块类库,阐述了软件体系结构和其计算的过程。同时,确定了各功能参数、指标的目标值和之间的偏差系数,便于及时准确了解其运行的情况和正确指导机组的运行。第5章程序开发及应用实例分析本章简要介绍了面向对象方法，包括它的思想、模型、组件及模块类库，阐述了软件体系结构和计算过程。同时，确定了各参数、指标的目标值和偏差系数，便于及时了解运行情况和指导机组运行。5.1面向对象方法和模型特点5.1.1面向对象的方法面向对象方法和特性面向对象的方法是一种运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传递和多态性等概念来构造系统的软件开发方法[36]。将实际的系统或组件收集到具有特定属性和方法的类中，即将数据和方法组合到对象中的机制是：提交给对象每种面向对象的编程方法对象是独立的，改变一个对象的属性不影响其他部分，便于开发通用的可扩展软件。理论和软件开发实践的经验表明,当一般的开发过程结构化软件程序设计和软件开发过程模块化的程序设计正在向环境模块化软件开发模式的过渡时,传统的环境模块化软件开发模式也难以很好地满足未来开发软件的实际需求。系统结构、软件具有良好的集成和扩展软件开发能力的传统环境软件开发模式主要依赖于采用一种新的环境软件开发的模式。其步骤如下:(1)对象访问分析阶段:完成对象访问的分析研究并确定操作对象、静态的属性和执行操作的对象,与操作对象的访问形成关系和对对象的操作行为形成约束。(2)系统的设计阶段:a.软件程序总体设计系统结构。b.操作对象的设计(3)编程语言实现项目目标阶段:用先进的编程语言、数据库及其他硬件技术实现程序设计项目的目标。5.1.2建模过程和模型特点火电机子系统组分包括锅炉、汽轮机和火力发电机组级的子系统。火电机子系统的划分方式如下:图5-1火电机组各系统体系的划分图建模过程中所使用的模块化设计方法其主要的思想是把一个复杂多变的热力系统看作是一个由许多复杂的设备和多个子系统共同组成的大规模系统,由一些典型的热力学部件或模块来用于描述如何解决热力系统建模的问题。热力学子系统一般可以划分为蒸汽的回收和加热系统,给水及蒸汽凝结水加热系统、辅助蒸汽、水加热系统、主辅助蒸汽及注汽加热系统。在热力学子系统的基础下依次被热力系统划分为一个特定的物体系统如图5-1,主要由两级热力学的子系统部分组成,具有代表性的热力学子系统的分级模型。热力系统主要类的定义和划分方法主要如下:⑴抽气及蒸汽回热系统:抽汽加热器类;⑵抽气给水及蒸汽凝结水回热系统:凝汽器和给水类;⑶辅助蒸汽、水密封系统:门杆类、汽封类;⑷主蒸汽及再热蒸汽高压缸系统:辅助高压缸类、中压蒸汽缸类、低压蒸汽缸类。热力系统各输入对象之间通过对输入输出参数的转换和传递确定自身热力系统数据的属性和状态后进行输入和相应的热力系统计算。在库中生成实际的部件、设对象并按流程连接起来，模块、部件的接口即为实际工质的出入口。锅炉和机组系统同理。5.2软件体系结构和计算流程5.2.1软件体系结构根据不同类型火力发电厂的基本软件运行管理条件构造情况以及不同火力发电机组各自的软件发电系统的基本软件构造情况作为主要分析研究对象,提出了各种经济性火力分析发电系统的软件体系结构图并如图5-2所示图5-2软件体系结构图软件通过数据输入模块完成数据赋值。选测点后进行曲线设计数据的筛选,先根据曲线的设计值确定选测范围,超出范围视为坏数据用曲线的设计值进行代替或者根据可用实际运行的数据进行曲线拟合;同时若设计曲线的现场值和设计测点值之间的偏差范围过大也超出范围视为坏数据,用一个神经网络的物理预测值值来取代。经济使用性能指标计算处理模块主要能够提供以下的主要功能:可控锅炉参数测量目标值的确定、电厂专用锅炉总体经济使用性能指标的分析计算及电厂锅炉使用能耗差的测量统计数据分析。经济指标由水力电厂发展到电力锅炉、汽轮机和电动机组组成,根据前面的模型和计算结果确定了目标值输出参数,在"单位偏差系数"的计算基础上,采用单位偏差系数分析法进行目标值分析。输出模块用文本、曲线及其图形综合显示的方式输出。5.2.2实时经济性分析计算流程软件计算流程如图5-3所示。图5-3计算流程图每个测点机组都配备有:⑴测点偏差位号组态系数表;⑵测点组态系数表;⑶目标值偏差组态系数表;⑷测点偏差组态系数表;⑸测点配置组态表。若程序进入实时数据库分段数据实时读取,连接的数据库读取一段时间内偏差组态数据,并使用测点组态系数信息表中的符号配置组态数据处理实时的数据对于计时器间隔的配置目标值显示在计时器表的间隔配置中,可以认为是基于选择实时的数据库处理负载的能力,5s计时器间隔配置原则上也可以是对应实时的计算分段"可验证参数的目标值计算"应该是使用数据库的目标值偏差组态系数信息表中的符号和目标值偏差组态系数信息表进行实时计算。同样基于数据库的偏差组态系数对表中测点公差的时间消耗差异进行分析。5.3125MW机组应用实例分析5.3.1机组重要运行参数和经济性能指标页面机组运行参数和实时经济性能指标显示页面如下。机组总貌图5-4机组总貌锅炉图5-5锅炉汽轮机组图5-6汽轮机组①锅炉机组主要参数总貌:页面左侧可以显示主要的散热器参数，例如:锅炉机组负荷、锅炉热效率、炉膛负压等。②打开送气器风机舱和锅炉设计页面,显示了风机锅炉的反平衡和散热效率、空预器舱和送气箱风机舱和出口锅炉空气排烟含氧量、送气器风机舱和出口锅炉空气含氧温度、排烟含氧量和出口空气含氧损失程度系数、主蒸发和汽效的目标包括值和目标偏差值、实时偏差值和时间偏差值及目标等等值;③汽轮发电机组设计页面,参数主要显示内容包括有:涡轮汽机组的基本汽耗和热耗、发电机的煤耗和热耗、高中压和低压汽汽缸的热效率等各种机械性能指标的基本设计值和目标测量值、实时测量值和设计偏差测量值。5.3.2经济性能指标分析性能计算的结果也可以用曲线的形式给出，包括历史曲线和实时演变。在形式上。根据特定分析的需要，可以选择检查某个期间或某个期间内参数的测量值和计算值。分析了燃料特性、废气温度、废气过量空气系数、锅炉蒸发量、飞灰含碳量等对锅炉热效率和水蒸汽对主给水的影响：1、锅炉热效率利用分析锅炉历史的趋势参数曲线可以分析一个某时间段内锅炉燃料的发热值、收到的煤基灰分、炉膛出口过量空气系数、飞灰的含碳量、排烟温度等历史趋势参数对于锅炉燃料发热效率的直接影响,如图5-7。图5-7锅炉热效率历史趋势曲线图图5-7中各参数曲线所代表的锅炉排烟参数从上到下依次分别为:基灰位排烟锅炉温度、飞灰位排烟含碳量、收到基灰位排烟成分、收到基低位排烟发热量、炉膛出口过量空气排烟散热系数、锅炉反平衡排烟热效率、排烟灰渣散热损失q5、未完全燃烧热损失q4和排烟热损失q2。从图5-7中我们可以发现,q2和q4对锅炉热损影响较大。影响q2的因素是排烟气温度、燃料性质、炉膛出口过量空气系数及影响锅炉各部位的受热面清洁程度。炉膛出口排烟气的温度越高,则锅炉的损失越大。炉膛出口过量的空气和烟气在锅炉中的漏风也可能会直接影响q2,漏风不仅极大地增加了锅炉废气的排放量和体积,但也可能会大大增加锅炉燃烧废气的温度。在锅炉运行的过程中,在某些锅炉加热部件表面有大量的沉淀或堆积结垢,烟气与部件受热面之间的摩擦使传热效率降低,锅炉的排气温度也随之升高,排烟机的损失明显有所增加。在机械锅炉中大多未完全燃烧的热损由粉煤飞灰中的可燃物引起的。锅炉中粉煤灰的含碳量系数越高,q4越大。同时,煤的挥发分和有机灰分的含量系数高低对q4都具很大影响。锅炉中挥发分含量越高,灰分就越低,不完全燃烧热损失越小。而在锅炉运行中燃烧过量的空气湿度系数的大大降低一般会直接导致锅炉中机械q4不完全燃烧的热损失系数增加。图5-8锅炉热效率和机组负荷的关系图图5-8中各曲线所代表的参数从上到下依次为：主蒸汽流量、机组计算功率和锅炉反平衡效率。从图5-8中可看出，锅炉热损q5主要受到工作负荷影响。热损失与锅炉负荷成反比，但由于热损失占锅炉热能的一小部分，工作负荷的变化对热能热损失的影响不大，而受锅炉表面积、水冷壁的敷设程度、管道保温和清洁程度影响。图8-8显示，灰分q6的物理热损失占锅炉热损失的比例很小，主要受燃料灰分含量、燃料加热量和除渣方式的影响，也可以看到很小的一部分。因此提高锅炉热效率，应从减小q2和q4入手。从q2和q4的影响来分析，为了降低未完全燃烧热损失，最重要的是以粉煤灰燃烧的形式降低燃烧损失，应考虑以下几个方面：燃烧器应尽可能水平，四个角的角度应尽可能一致。要降低排气热损失q2，降低排气温度。加大锅炉受热面，并确定合理的排烟温度。排烟热损失q2和未完全燃烧热损失q4受炉膛出口过量空气系数影响。在一定程度上降低了炉膛出口过量空气系数q2，但这样有使得q4在增加，因此应当使q2+q4最小，需要通过燃烧调整试验来确定最佳的炉膛出口氧量。2、汽机热耗分析一时间段内蒸汽流量、计算给水流量、再热蒸汽流量、过热喷水流量、给水温度等参数对汽机热耗的影响。某一时刻汽机被切除，汽机热耗最小值出现在高加切除前。如图5-9。图5-9汽机热耗最小值图5-10汽机热耗最大值图5-9和10在图5-10中各机组参数数据曲线所表示代表的主要参数是该曲线数据从上到下依次表示分别为:计算中压缸排气进口再冷蒸汽计算焓、高压缸排气进口排汽焓、高压蒸汽缸进口过热器喷雾进口再冷蒸汽计算焓、给水进气功率计算焓、机组参数计算控制给水进气功率、过热器汽机喷雾进水再冷蒸汽排气流量、再热汽机喷水再冷蒸汽排气流量、计算给油排水流量、主机喷水再热蒸汽排气流量、汽机喷水毛热耗。从图5-9和图5-10中我们可以清楚地看出,12机组水用汽轮机的最小效率和热耗值分别出现在高加拆除前;高加汽轮机拆除后,第一段的抽汽流量和第二段的抽汽流量均基本为零,因此高加给水系统的水温因此大大降低,水轮机的效率也因此大大降低,水轮机的效率和热耗也大大显著增加。在一般工况2时,汽轮机再热蒸汽的流量比一般工况1高约30t/h,汽轮机效率和热耗的最大值也同时出现。5.4本章小结本章主要介绍了火电机组在线系统性能以及计算系统软件中面向对象的系统模块化设计和建模的思想、模型结构特点、各系统模块化中典型的组件和各系统的模块类库。在此软件的基础上,分析了软件体系结构和性能计算的过程。然后,编写了热力机组性能计算系统管理软件,并对其进行了系统调试。该软件被广泛应用于热力电厂4×125MW机组主要参数的分析。在计算过程中,对各类型热力机组参数和实时的性能指标进行在线分析和监测。同时通过计算各热力机组主要参数的实时和目标值,并对热力机组实时目标值与热力机组目标值的性能偏差关系进行了能耗差计算分析。该软件主要向发电厂用户提供实时在图纸上显示的发电机组、锅炉、空气预热器、汽轮机组、高中压缸、低压缸、凝汽器等的经济性能指标页。同时,四台发电机组的经济性能主要参数可以集中在一页的图纸上,以便于发电厂的工作人员对四台电力机组的经济运行性能情况及时进行分析和比较。最后,利用图纸计算主蒸汽流量、计算给水流量、再热蒸汽流量、过热燃料锅炉喷淋水流量的变化趋势曲线,分析了锅炉燃料的特性、排烟量和加热温度、炉膛出口过剩空气的系数、锅炉蒸发燃料含碳量和锅炉飞灰燃料含碳量对于锅炉各种热性能损失的直接影响,给水压力和温度等因素影响汽轮机锅炉热耗的决定性因素主要有:①可用来提高汽轮机锅炉的供热效率来直接降低锅炉热损失,考虑汽轮机燃料的特性、废气含碳排放量受温度、炉膛废气出口量和废气排放过量等环境因素对锅炉空气含碳系数的直接波动影响,综合数据分析需要考虑的是锅炉燃烧飞灰的废气含碳量等主要直接影响空气因素;②一定程度要注意保持锅炉汽轮机的工作高加和大投入率,不轻易手动切断那些高加和大投入率的工作切断因为这样子所做的工作机会很小可以起到大大降低锅炉汽轮机的锅炉给水量和温度,提高了锅炉汽轮机的燃油热耗,降低了锅炉汽轮机的正常工作效率。结论本课题首先研究了火电机组节能减排的必要性。然后研究了燃煤发电厂的工艺流程，并对火用分析法和热平衡法进行了理论学习和研究。接着学习了模块化建模理论。随后用正、反平衡法建立锅炉数学模型，用热平衡法建立汽轮机数学模型，并建立了机组/全厂性能计算模型。随后确定了火电机组运行优化目标值，简介了神经网络法理论、变工况热力计算方法，而后进行了火电机组运行优化的偏差分析，建立了“单位偏差系数”模型并对其进行了计算推导。最后进行了程序开发及应用实例分析，研究学习了面向对象的方法，确立了建模过程和模型特点，而后对125MW机组应用实例分析，重点分析了经济性能指标如锅炉热效率、汽机消耗，通过分析找出热损最大的时间及部位，分析了其影响的因素，给出其优化的措施。在以后的研究中，如何将火电站数据资源开采与数据仓库等基础知识的运用推广到现场,对火电站的大量管理数据实时与火电站的历史数据相关信息进行深层次的综合整合加工与分析集成