（动力机械及工程专业论文）火电厂汽轮机真空系统性能分析与优化的研究及应用.pdf

摘要 题名：火电厂汽轮机真空系统性能分析与优化的研究及应用 姓名：兰立君 导师：王培红( 教授) 学校：东南大学 正文： 当前我国在发电侧引入竞争机制，各电网实行竞价上网。这需要电力生产厂家提高机组经济性，降 低发电成本，也对火电机组经济效益和机组调峰运行以及状态检修提出更高的要求。汽轮机真空系统对 整个火力电厂的安全，经济运行和状态检修都有着重要影响，真空系统的恶化将直接引起机组经济性降 低，甚至危及机组安全，因此必须进行汽轮机真空系统的运行状态监测和优化以保障其运行的安全性和 经济性。论文以国家自然科学基金项目“热力设备实时数据中知识学习与挖掘算法研究”( 编号5 0 3 7 6 0 1 1 ) 和“永安电厂电站凝汽器经济运行状态监测智能决策系统”项目为背景，围绕着电厂汽轮机真空系统的 性能分析与优化展开的。论文主要内容和研究成果包括： 1 、结合永安电厂项目，改进了传热系数计算模型。实例比较发现苏联别尔曼公式( b t h ) 和美国传热学 会公式( i - i e i ) 计算结果与传热系数实际运行值存在一定误差；改进了传热系数计算模型中循环水流 量和蒸汽负荷的修正；在求解管束布置修正系数模型基础上实例计算，以及水侧脏污对传热系数的 影响。改进后的传热系数计算模型，结果与实际传热系数误差很小，而且利于进行在线准确计算。 2 、凝汽器水侧污垢长期存在，对凝汽器运行有重要影响，因此重点研究了凝汽器水侧污垢的生成机理， 总结提出了污垢热阻理论预测模型；结合电厂实际情况建立了污垢热阻预测模型，用以分析凝汽器 水侧清洁情况，并进行了实例验证。 3 、通过微增出力试验、凝汽器变工况计算和循环水泵耗功试验，结合实际循环水泵的运行组合方式以 及电厂实际运行数据，建立了循环水优化调度算法模型，实现了电厂机组循环水优化调度；在循环 水优化的基础上，建立了机组实时运行时的最佳真空模型。 4 、在凝汽器运行最佳真空模型的基础上，利用热力学方法，建立了凝汽器真空单参数变化的能损分析 模型；建立真空系统变化( 考虑循环水量、水侧污垢和汽侧空气量、凝汽器特性和汽轮机特性变化) 的凝汽器能损分析模型，用以指导凝汽器运行的经济性分析。 5 、开发了基于故障树分析法的凝汽器故障诊断专家系统。针对凝汽器故障样本的缺乏和征兆阈值难以 确定，利用故障树分析法并结合专家系统，以凝汽器真空变化作为凝汽器故障的根节点，把凝汽器 故障分为两类异常和故障，建立了故障树。结合电厂历史运行数据和故障机理，研究确定了故 障征兆和表达方式，开发了凝汽器故障诊断专家系统。 关键词：真空系统；传热系数；污垢热阻；循环水优化；经济运行；故障诊断 a b s t r a c t a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nf o rs t e a mt u r b i n ev a c u u m s y s t e mi np o w e rp l a n t n a m e ：l a nl i j u n s u p e r v i s o r ：p r o lw a n gp e i h o n g s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： a l o n gw i t hd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yf r o mp l a n n e dm a n a g e m e n tt om a r k e t i n go p e r a t i o n ， b i d d i n gg e n e r a t i o n ”r e f o r mh a sb e e ni m p l e m e n t e di nc h i n a j n t r o d u c i n gt h em a r k e tm e c h a n i s mt op o w e r s u p p l i e rw h i c hm o s ti n f l u e n c eg e n e r a t i n gc o s ta n dp o w e rp l a n t si n d e p e n d e n t l ym a n a g i n ga n dp a r t i c i p a t i n gi n m a r k e tc o m p e t i t i o ni st h em a i nf e a t u r eo ft h en e wo p e r a t i o nm o d e s p o w e rp l a n tm u s ti n c r e a s et h eu n i t s e c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dr e d u c et h eg e n e r a t i n gc o s tt ow i nt h ec o m p e t i t i o n s ot h ee c o n o m i co p e r a t i o no f t h e r m a lg e n e r a t o ru n i t si sf u r t h e rn e e d e d t h et u r b i n ev a c u u ms y s t e me n o r m o u s l yi n f l u e n c e so nt h es a f e t y a n de c o n o m i co p r a t i o na n ds t a t em a i n t e n a n c e d e t e r i o r a t i o no ft h ev a c u u ms y s t e mo p e r a t i o nw i l ll e a dt o r e d u c t i o no ft h eu n i te c o n o m i c a le f f i c i e n c y , a n de v e ue n d a n g e rt h eu n i ts a f e t y w em u s ti m p l e m e n tt h e o p e r a t i o nm o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o ns h o u l db ei m p l e m e n t e d t om a i n t a i nt h eu n i ts a f e t ya n de c o n o m y o u r w o r ki sj o i n t l ys u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 3 7 6 0 1 1 ) a n dy o n g a n p o w e rp l a n tc o n d e n s e ro p e r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mp r o j e c t ，a n dt h em a i nc o n t e n sa n da c h i e v e m e n t so ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w ： 1 、t h ec o r e o fo p e r a t i o nm o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o no fv a c u u ms y s t e mi st h ec a l c u l a t i o no f h e a t t r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t w es t u d i e dt h eb t ha n dh e if o r m u l a ，a n da c c o m p l i s h e dt h ec o m p a r ea n d a n a l y s i st h er e s u l t sw i t ha c t u a lo p e r a t i o nv a l u e s w es t u d i e da n di m p r o v e dt h em o d e lo ft h et u b eb u n d l e a r r a n g e m e n tc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dc l e a nr a t i om o d e l 2 、b a s e do nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o n d e n s e rw a t e rs i d ef o u l i n g ，w eb u i l tt h ef o u l i n gt h e r m a l r e s i s t a n c em o d e l ，c o m p a r e dt h ef o u l i n gt h e r m a lr e s i s t a n c ew i t hc l e a nr a t i ob yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so f a c t u a le x a m p l e s 3 、w es t u d i e dt h ec o n d e n s e re c o n o m i co p e r a t i o nm o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o n t h ec y c l i n g - w a t e rs y s t e m o p t i m i z a t i o nm i a n l ya p p l i e st h ee n e r g yp r i n c i p l et oc a l c u l a t et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fc y c l i n g - w a t e r p u m p sa n dt u r b i n eu n i tp o w e rt o g e t h e ra n di n s t r u c t e dt h eo p e r a t i o ns t y l eo f c y c l i n g 。w a t e rp u m p s 4 、w es t u d i e dc y c l i n g - w a t e rp u m p se n e r g yc o n s u m p t i o n ，t u r b i n ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o n d e n s e rc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n g d e n s e ro p e r a t i o ne c o n o m i c s ，i m p l e m e n t e dc y c l i n g w a t e ro p t i m i z a t i o na n db u i l tt h eo p t i m u m v a c u u mm o d e lb a s e do nt h ec y c l i n g w a t e ro p t i m i z a t i o n t h e nw eb u i l ta n a l y s i se n e r g yl o s sm o d e lo f c o n d e n s e rv a c u n n lv a r i a t i o nb a s e do nh e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o nm o d e lb yt h e r m o d y n a m i c sm o t h e d , d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so nh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t 。t e m p e r a t u r e ，d e v i a t i o na n db a c kp r e s s u r eb y t h ec y c l i n g - w a t e rf l u x ，a n db u i l tc o n d e n s e re n e r g yl o s sa n a l y s i sm o d e li nd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s a b s t r a c t ( s u c ha s d i f f e r e n tc y c l i n g w a t e rf l u x ，v a r i o u sw a t e rs i d e f o u l i n ga n d s t e a ms i d ea i r , c o n d e n s e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dt u r b i n ec h a r a c t e r i s t i c s ) t h ea c t u a lc a l c u l a t i o na c h i e v e dp e r f e c tr e s u l t s 5 、w em a i n l ys t u d i e st h ec o n d e n s e rf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mb a s e do nf a u l tt r e ea n a l y t i cm e t h o d b e c a u s et h el a c ko ff a u l ts a m p l e sa n dh a n d i c a po fs y m p t o mt h r e s h o l dv a l u e s 。w ea p p l i e df a u l tn a n a l y t i cm e t h o dw i t he x p e r ts y s t e m ，a n dt o o kt h ev a c u u mv a r i a t i o na st h er o o tn o d eo fc o n d e n s e rf a u l t , b u i l tt h ei n f e r e n c ee n g i n eo fc o n d e n s e rv a c u n n la b n o r m a l i t ya n a l y s i sb ye x p e r tm e t h o dw i t hc o n d e n s e r f a u l t sb e i n gd i v i d e di n t oa b n o r m a l i t ya n df a u l t ，a n dd e v e l o p e dt h ec o n d e n s e rf a u l td i a g n o s i ss y s t e m k e y w o r d s ：v a c u u ms y s t e m ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；f o u l i n gh e a tr e s i s t a n c u ；o p a m a lo p e r a t i o no f c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m ；e c o n o m i co p e r a t i o n ；f a u l td i a g n o s i s i 塾l 符号说明 a 凝汽器传热总面积( m ) i 巳汽侧空气量修正系数： 凝汽器水侧污垢修正系数； d w ，z k 一循环水量运行值和优化值( 妇) ： g ，一凝汽器额定比蒸汽负荷( m 2 s ) ； j i l 。一凝结水焓( 1 c l 取g ) ； k 幸h 充水焓( k j 悔) 一冷却管根数； 矗，一凝汽器污垢热阻( ( m k ) w ) 7 “一循环水进水温度( ) ： k 管间蒸汽流速( m ，s ) ； 汽侧蒸汽凝放熟系数( w ( m 2 k ) ) ： 啦一第i 级回热抽汽份额： 末级加热器疏水份额； n k 一补充水份额； 彭一污垢层厚度； f 一凝汽器温升( ： v l c ，一管束布置修正系数 。，清洁率； d l ，也凝汽器冷却管的内、外径： 吐凝汽器单位传热面积蒸汽负荷( k 咖z ) ； 吃低压缸排汽焓( 1 【j 蚝) ； k 耒级加热器疏水焓( 廿瓜g ) ； 置一传热系数( w ( m 2 k ) ) ： 以凝汽器背( k p a ) ： z 一凝汽器流程数： 一凝汽器背压对应饱和温度( ) ： 循环水流速( m ，s ) ； 6 0 水侧对流换热系数( w ，( m 2 k ) ) ： 第i 级理想回热抽汽份额； 凝汽份额； a t e , 对数平均传热温差( ) ： 毋凝汽器端差( ) ： 以一机组微增出力( m w ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 上翌日期：乒生 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一魏互孕一名：如期：型 0 1 课题研究背景及意义 绪论 论文选题是结合国家自然科学基金项目“热力设备实时数据中知识学习与挖掘算法研究”( 编号 5 0 3 7 6 0 1 1 ) 和“永安电厂电站凝汽器经济运行状态监测智能决策系统”项目而进行的。 随着我国电力工业逐渐由计划管理向商业运行过渡，发电厂作为发电单位，其任务已不再是简单的 完成年度发电指标，而是致力于提供优质、低耗的电能，满足社会的需要。电力生产厂家要在激烈的竞 争中立于不败之地，必须提高机组的经济性，降低发电成本。同时机组调峰运行和状态检修的实际需要。 也对火电机组经济运行，机组调峰运行以及状态检修提出更高的要求。 我国能源结构决定了现今的发电格局，电力的发展以火电为主，特别是以建设大容量、高参数的坑 口燃煤电厂为主。目前国内电厂机组的自动控制水平已达到或接近世界发达国家水平，而电厂的管理水 平和经济运行指标与世界先进国家相比还存在明显差距。根据最新统计资料表明，我国火力机组平均供 电标煤耗为3 8 1 9 ( k w h ) “1 ，比世界发达国家高出近6 0 9 ( k w h ) ，具有很大的节能潜力。同时火电厂排 放物是主要的污染源，燃煤发电产生的灰渣约占全国灰渣的7 0 ，烟尘排放占工业排放3 3 ，二氧化硫 排放占工业排放5 6 。因此进行电厂设备状态监测和优化，提高火电厂运行经济性，具有重要的意义。 典型的运行监测数据研究分析，可以获得设备使用规律和设备运行状况信息，据此完成设备状态 的性能分析与优化，进行诊断评价，实现运行机组的在线监测与优化和故障诊断，确保机组安全、经济 运行，达到节能降耗和提高机组在市场的竞争力的目的。火电机组运行经济性是发电厂日常运行管理的 一项重要内容。早在二十世纪六十年代，国外电力公司已经根据重要运行参数的实际值与基准值( 或称 应达值) 的偏差，采用偏差分析法计算对机组热耗率的影响因素及其能耗损失，指导运行人员调整机组 运行，降低运行损失、挖掘设备潜能、提高经济效益u j 。 发电厂性能分析与优化，就是要解决火电机组运行中的经济性参数计算，确定各种操作和部件性能 对机组经济性影响的问题，揭示发电机组运行的经济状况并指出导致经济性降低的各种因素，为发电厂 的安全、经济运行提供参考数据和决策依据。 汽轮机真空系统在火电厂占有重要地位“”。真空系统中凝汽器是汽轮机组的重要辅机之一，是汽 轮机真空系统的核心设备，其运行性能对汽轮机组循环热效率有很大的影响，对火电机组的安全、经 济运行有着决定性影响。首先，从循环效率看，真空系统性能的优劣直接决定凝汽器真空的好坏，对 循环效率有着很大的影响。例如国产超高压2 0 0 m w 机组，若凝汽器真空下降i k p a ，机组的热耗上升 约6 3 l 【j ( k w h ) ，而机组初压下降4 9 0 k p a ，机组的热耗才上升2 0 9 3i c j ，( k w h ) 。其次，从设备的耗水 量看，凝汽器的耗水量约占电厂总耗水量的4 2 8 一7 9 5 。这对电厂来说，是一个令人注目的设备。 循环水泵的耗电量在厂用电中占有较大的份额。从运行安全性看，仅凝汽设备各组件本身直接引起的 故障可使整个机组可用率降低3 8 。这些事实表明，凝汽设备对于火电机组的运行维护是一个至关 重要的设备。因此汽轮机真空系统的性能优化和状态监测有着重要的意义。 真空系统不严密一方面会造成真空降低，影响机组理想焓降，另一方面会造成凝结水含氧量升高， 导致机组金属材料的疲劳强度的降低，腐蚀加速。凝汽器水侧污垢普遍存在，增大了凝汽器传热热阻和 冷却水流动阻力，凝汽器端差高于设计值，使得机组长期在低真空或增加循环水量和循环水泵耗功的情 况下运行，降低了电厂的整体经济效益。 汽轮机真空系统性能分析与优化主要包括热力计算、汽轮机变工况计算、凝汽器变工况计算，确定 不同循环水量和进水温度时的凝汽器最佳经济真空，得到凝汽器主要参数温升、端差和真空的能损偏差， 指导凝汽器和循环水泵运行，进行真空系统异常诊断，从而有效地对真空系统进行状态监测和故障诊断。 汽轮机真空系统的性能分析与优化的核心是凝汽器变工况特性，这其中的关键就是凝汽器传热系数 东南大学硕士学位论文 模型。由于凝汽器热力系统的复杂性，难以用统一的理论公式来计算凝汽器传热系数，一般应用苏联的 别尔曼经验公式( b t h ) 或美国的传热学会经验公式( h e i ) 。但是由于凝汽器运行工况复杂多变，特别是 经验公式没有考虑凝汽器管束布置和漏入空气的影响，使得在应用过程中存在较大的偏差。虽然李勇、 周兰欣等 6 7 1 人在管束布置影响的研究取得一些成果，但有主要是应用在工程实际中，还需要进一步研 究管束布置影响。此外水侧污垢的长期存在是降低机组经济效益的一个主要因素，因此有必要研究凝汽 器污垢的生成机制及其影响，指导凝汽器优化运行。 现在对凝汽器运行状况的监测一般针对其主要的参数真空，温升和端差来监测凝汽器运行状 况。由于这些主要参数与凝汽器运行状况紧密联系，受到诸多因素影响，难以根据已有的修正曲线准确 确定这些主要参数的应达值，评估凝汽器运行经济性。需要根据凝汽器变工况计算和汽轮机特性结合试 验结果建立凝汽器主要参数应达值模型，计算凝汽器运行参数的能耗偏差，评估凝汽器运行的经济性， 指导机组运行。 凝汽器故障诊断是根据凝汽器运行状态监测所获得信息、设备的结构信息和参数以及故障历史记录 对设备可能要发生或已发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的部位、性质、类别、程度和原因 等，结合设备的历史和现状，考虑实际情况，对设备运行状态进行评估，判定其所处的状态，进行显示 和记录，对异常状态进行警报，进行及时的处理或给出适当的建议，确保机组的安全经济运行。凝汽器 是一个故障频发，故障复杂多变的设备。随着火电机组向着高参数、大容量方向的发展，机组发生故障 的危害程度将进一步增加。因此需要加强电站设备的状态监测、故障诊断，保证其安全可靠运行，消除 事故。此外，有时运行中没有出现故障状态，但是其运行经济性指标比较低，呈现劣化的趋势，这些也 是需要进一步优化的内容。凝汽器事故的原因主要有两个：首先是设备制造方面，其次是运行方面。开 展对凝汽器系统性能诊断的研究，对提高机组运行经济性、预测凝汽器的早期故障具有重要意义。目前 应片j 较广的是神经嘲络和遗传算法，但是都存在故障样本缺乏和知识表示困难的问题，使得凝汽器故障 诊断的应用受到很大的制约”j 。 本文正是在此背景下，研究汽轮机真空系统运行状态的性能分析与优化，确保机组运行的安全性 和经济性。 2 凝汽器传热系数研究现状 凝汽器又称冷凝器，它是一种热交换器，是汽轮机凝汽设备的主要设备，它使得蒸汽在凝汽器中 不断凝结成水，供锅炉使用。凝汽器在汽轮机的排汽口建立并保持高度真空，使进入汽轮机的蒸汽能 膨胀到尽可能低的压力，增大机组的理想比焓降，提高汽轮机组热经济性；同时当凝结水被加热时， 还能除掉一部分溶解氧，所以凝汽器还起到真空式除氧器的作用。 国内先后对凝汽器传热系数模型进行了研究，主要集中在已有的传统计算公式苏联b n i 和美国h 基础上，进行修正和改进，进一步研究和探讨了影响传热系数的诸多因素，取得了一定的成果“9 - 1 3 j o 在凝汽器热力计算中，凝汽器传热系数一般采用传统的美国h e 喊前苏联b t h 的经验公式。经验公 式根据运行经验对进水温度、循环水流速、水侧污垢影响等进行修正。但是由于凝汽器传热系数不仅与 运行参数和负荷有关，而且还与凝汽器管束布置、水侧管壁清洁程度和汽侧漏入的空气量有关。而b t h 传统经验公式未考虑凝汽器管束布置和汽侧漏入空气的影响，h e i 经验公式对管束布置、蒸汽负荷和汽 侧漏入空气的影响也均未考虑，使得在应用中存在较大的误差。由于水侧污垢受到生成机理、冷却水水 质、水速以及管束结构等因素的影响，而汽侧漏入空气量受到真空严密性和抽汽设备性能以及凝汽器运 行工况等因素的影响，使得实际计算中，水侧污垢和汽侧漏入空气的影响很难确定。近年来，凝汽器传 热系数模型的研究主要是管束布置和水侧污垢影响，取得了一定的成果。对汽侧漏入空气的影响研究相 对较少，一方面是汽侧漏入空气量难以准确确定以及其的影响与水侧污垢的影响难以区分开；另一方面 是当汽侧漏入空气影响较大时，表现为端差迅速增大、真空剧降，不仅降低机组经济效益，而且会危及 机组安全，把它作为故障处理，而汽侧漏入空气影响较小时，又忽略它对传热系数的影响。 2 此外一些研究利用传热理论，将凝汽器传热过程分解成四部分：蒸汽凝结放热、管束导热、污垢热 阻导热和水侧对流传热，分别求解得到凝汽器总传热系数。但是由于凝汽器管束数晕巨大，蒸汽在庞大 的冷却管束中凝结放热和水侧对流传热，受到一系列流体动力因素、丁况变化因素的影响，凝汽器的每 一根冷却管甚至同一根冷却管的各段上的传热情况各异，所以难以用理论公式来描述如此多数量管束的 传热变化规律，使得这种计算凝汽器传热系数的方法应用比较少。 近十几年来，国内外先后开展了凝汽器数值模拟方面的研究，并发展了一些实用的数值方法和相应 的计算机程序f 1 4 - 2 0 1 。计算机数学模拟方法对汽轮机凝汽器进行了深入细致的研究，取得了一些成果。但 是这些研究主要是根据流体流场的参数( 如压力、温度等) 的分布情况模拟凝汽器传热传热情况，主要用 于评估凝汽器设计情况，难以简捷地运用在真空系统的性能计算上，利用计算机数值模拟进行凝汽器性 能计算模型和经济运行优化的研究比较欠缺。 一般评价凝汽器管束的传热效果是在冷却水温、冷却水流速、负荷相同及管材相同或相近的条件下 根据其总体传热系数的大小来评价。但当以机组的实际运行参数计算得到凝汽器实际传热系数来评估管 束传热效果时，很难有两台机组的凝汽器的运行参数及负荷完全相同，从而无法比较两台凝汽器管束布 置对传热效果的影响。当采用b t h 或h e i 公式计算凝汽器的总体传热系数时，虽然可对不同的运行参数 及负荷进行修正，又由于缺乏汽侧条件的修正项，难以确定凝汽器管束的影响”。因此利用管束布置 修正系数来体现凝汽器管束传热的效果，它定义为凝汽器在真空严密性良好( 由真空严密性试验确定) 和水侧清洁情况( 大修后) ，水侧污垢影响和汽侧漏入空气的影响取设计值时，实际运行参数计算得到的 传热系数与经验公式计算得到的传热系数之比。它体现了管束布置单独对传热系数的影响。研究主要集 中在管束布置修正系数的概念和求解方法上，一些研究”4 1 认为管束布置修正系数是不变的，主要由凝 汽器管束布置情况决定；而另一些研究f t 表明，管束布置修正系数不仅与管束布置有关，还受到蒸汽负 荷的影响。 凝汽器水侧水质对传热系数的影响用清洁率来评估。国内李勇”22 2 - 2 3 ，对此进行了大量的研究，凝 汽器实际运行中，需要考虑管束布置系数的修正和汽侧漏入空气量的修正。 o 3 凝汽器运行经济性研究现状 真空系统优化主要是围绕凝汽器的最佳真空进行的。其主要目标是在确保系统的最经济情况下，求 解维持凝汽器可达到的安全真空，即求解最佳真空。循环水量变化直接影响机组的出力和全厂的经济性， 循环水优化目的是根据机组负荷及循环水初温，确定最经济的循环水量，而此时循环水量对应的真空即 为凝汽器的最佳真空。 循环水优化现在主张的主要有两种观点：能耗量观点和运行费用的观点o j 。能耗量的观点认为： 在凝汽器其他热力参数不变的条件下，循环水量增加，凝汽器压力下降，汽轮机功率增加，热耗率减少； 另一方面，增加循环水量，循环泵耗功增加，厂用电增加。当背压降低所增加的汽轮机电功率与循环水 泵多消耗的功率的差值最大时的循环水量才是最佳循环水量。运行费用的观点认为：能耗量的方法只考 虑到循环水泵所消耗的电功率，还需考虑到循环水消耗量本身所引起的费用。而实际情况上循环水量的 不连续性和循环水泵的启停安全都需要优先考虑，因此循环水优化不仅是在循环水量不连续的情况下求 解的，而且运行方式优化指导还受到循环水泵启停顺序安全的约束。 对比汽轮机经济性研究，例如机组的主汽参数、再热参数和背压等参数的应达值和热耗率偏差，凝 汽器运行工况影响因素，诸如进水温度、清洁率等或是温升、端差偏差等对机组运行的经济性研究很少。 但是这些经济性指标比一些实际运行参数更能体现凝汽器运行状况，因此有必要讨论这些影响凝汽器真 空的参数的能损模型。 3 东南大学硕士学位论文 4 凝汽器故障诊断研究现状 火电厂凝汽器的故障诊断是整个火电厂设备故障诊断的一个子系统，具有重要的研究意义。2 0 世纪 8 0 年代，美国e p r i ( 电力科学研究院) 研究、开发的汽轮机故障早期诊断在发电厂投入运行，其中包含有 凝汽器的状态监测与故障诊断。多年来，美国e p r i 不断地致力于凝汽器状态监测与故障诊断的研究与开 发，已经有多方面的研究成果报道；国内长沙电力学院的李录平，东北电力学院的李勇和叶荣学，清华 大学的汪健等，在这方面做了不少工作，做了一些有益的尝试，其理论方法和研究思路有很大借鉴作用 的，但是，经过研究发现，他们所作的工作有些在诊断方法上与电厂实际结合不太紧密，其结论对运行 人员的实际指导作用不强，因此有必要做更加深入细致的研究。 故障诊断技术虽然已经经历很多年的发展，但作为一门综合性新学科一故障诊断学还是近些年发 展起来的。随着人工智能、神经网络、模糊数学和专家系统等技术的发展，出现了各种故障诊断方法， 这些方法有其各自的优点和不足，实践表明单一的方法很难完成故障诊断的最终目标，必须利用多种方 法才能获得用户满意的结果。目前，故障诊断有多种分类方法，这些方法各有特点o “。从学科整体上 可归纳为以下几种诊断方法： 1 模糊诊断方法 模糊诊断方法是根据模糊集合论征兆空间与故障状态空间的某种映射关系，有征兆来诊断故障。由 于模糊集合论尚未成熟，诸如模糊集合论中元素隶属度的确定和两模糊集合之间的映射关系规律的确定 都还没有统一的方法可循，通常只能凭借经验和大量试验来确定。另外因系统本身存在很多不确定的和 模糊的信息，以及要对每一个征兆和特征参数确定其上下限和合适的隶属度函数，而使其应用有局限性， 但随着模糊集合论的完善，相信该方法有较光明的前景。 2 故障树分析诊断方法 该方法是一种图形演绎法，把系统故障与导致该故障的各种因素形象地绘成故障图表，能较直观地 反映故障、元部件、系统及因素、原因之间的相互关系，也能定量计算故障程度、概率、原因等。今后 研究应注重与多值逻辑、神经元网络及专家系统相结合。 3 故障诊断灰色系统理论和方法 该方法是从系统的角度来研究信息的关系，m p n 用已知的诊断信息去揭示未知的诊断信息。它有自 学习和预测功能。由于灰色系统理论本身还不完善，如何利用己知信息更有效地推断未知信息仍是一个 难题。 4 故障诊断神经网络理论和方法 人工神经网络简称为神经网络( n e u r a ln e t w o r k ) ，是用大量简单的处理单元广泛连接而成的复杂网 络，是在现代生物学研究人脑组织所取得的成果基础上提出的，用以模拟人类在语言和文字及图像识别 等许多方面的行为。人工神经网络具有原则上容错、结构拓扑鲁棒、联想、推测、记忆、白适应、自学 习、并行和处理复杂模式的功能，使其在工程实际存在着大量的多故障、多过程、突发性故障、庞大复 杂机器和系统的监测及诊断中发挥较大作用。在众多的神经网络中，尤其以基于b p 算法的多层感知器 神经网络理论最坚实，应用最广泛且最成功。但是神经网络理论的解释能力较差，其诊断结果取决于训 练样本的准确性和充分性，对于电厂的热力系统而言，具体的机组、设备很难获得足够的样本，而同类 机组和设备之间即使参数相同也会因制造、安装和改造等因素而有所差别，此外人工神经网络忽略了领 域专家的经验知识，其网络权值形式的表达方式也难以理解，这些缺点使得神经网络在实际应用中受到 很大的限制。 5 故障诊断专家系统理论和方法 该方法是近年来故障诊断领域最显著的成就之一。它的内容包括诊断知识的表达、诊断推理方法、 不确定性推理以及诊断知识的获取等。在专家系统中比较常用的方法是：基于规则和基于模型的故障诊 断方法。基于规则的诊断方法是根据被诊断系统的专家以往诊断的经验，将其归纳成规则，并运用经验 4 规则通过规则推理来进行的故障诊断。该方法具有诊断过程简便、快速等优点。基丁规则的方法属于反 演推理，因而表示一种确保唯一性的推理形式。该方法存在着知识获取瓶颈。对于一个复杂系统所观测 到的症状与对应故障之间联系是相当复杂，专家系统”i 纳成规则不是唯一的并且有相当难度，因此该方 法不适于复杂系统或新的及未有经验的系统故障诊断。基于模型的诊断方法是运用被诊断系统的运行模 型和故障模型，根据由模型获得的预测形式和所测量观察的形态之间的差异计算出被诊断系统的结论。 基于模型的诊断方法具有不依赖关于被诊断系统的诊断训练例子和诊断经验，因而适用于新的及未有经 验的系统故障，能够诊断多藿故障并能对诊断结论进行解释。但基于模型的诊断方法也存在着局限性， 对于大型被诊断系统计算量过大，推理判断需给出多种假设，经过多次循环计算出诊断结果。 综观国内外已有的研究，主要表现为故障诊断模型、故障模式识别、实用系统开发等三个方面。美 国电力科学研究院已将人工智能技术应用于电站设备的监测与诊断中，研制成功了电厂性能监测与故障 诊断专家系统。我国在这方面也取得了一些成果，如汽轮机寿命管理和故障诊断专家系统阱o “。另 外，红外线技术、超声波技术、微波技术等也己应用于电站设备性能诊断和故障监测中”日。 本课题就是在详细分析影响凝汽器真空的各种因素及征兆的基础上，借助于计算机，利用专家系统 结合故障树分析诊断凝汽器安全经济运行的方法，开发出更完善，更符合现场要求的凝汽器故障诊断系 统。这项课题的研究，对于火电厂凝汽系统的安全经济运行将有重要的指导作用。 0 5 本课题研究的主要内容和创新 论文完成了永安电厂电站凝汽器经济运行状态监测智能决策系统项目中凝汽器的性能与能损在线 监测与循环水优化指导模块和凝汽器故障诊断专家系统模块的开发，并在此基础上研究了火电厂凝汽器 传热系数模型，基于传热系数模型建立的凝汽器最佳真空模型和循环水优化与指导模型，由此利用专家 系统结合故障树分析法，建立凝汽器真空异常分析的推理机，开发凝汽器故障诊断专家系统。 论文总体包括四部分：一是关于凝汽器传热系数计算模犁的研究和水侧污垢热阻预测模型的研究： 二是循环水优化指导和凝汽器最佳真空模型研究；三是凝汽器运行经济性分析模犁的研究：四是基于故 障树分析法的凝汽器故障诊断专家模型的研究。第一部分是真空系统性能分析与优化的基础，第二、第 三和第四部分构成真空系统性能分析和优化的一个完整体系。 本文完成的主要工作： 1 、结合永安电厂项目，改进了传热系数计算模型。实例比较表明bth 和| i e i 公式的计算结果与传热 系数实际运行值存在一定误差，在此基础上，改进了传热系数的计算模型；在改进的传热系数模型 基础上实例计算清洁率。改进后的传热系数计算模型，结果与实际传热系数误差很小，而且利于进 行在线准确计算。 2 、凝汽器水侧污垢长期存在，对凝汽器运行有重要影响，因此重点研究了凝汽器水侧污垢的生成机理， 结合电厂实际情况建立了污垢热阻预测模型，用以分析凝汽器水侧清洁情况。 3 ，通过微增出力试验、凝汽器变工况计算和循环水泵耗功试验，结合实际循环水泵的运行组合方式以 及电厂实际运行数据，实现了电厂机组的循环水优化指导；在循环水优化的基础上，确定了机组实 时运行时的最佳真空模型。 4 、在凝汽器运行最佳真空模型的基础上，利用热力学方法，建立凝汽器真空单参数变化的能损分析模 型；建立真空系统变化( 考虑循环水量、水侧污垢和汽侧空气量、凝汽器特性和汽轮机特性变化) 的凝汽器能损分析模型，用以指导凝汽器运行的经济性分析。 5 、开发了基于故障树分析法的凝汽器故障诊断专家系统。针对凝汽器故障样本的缺乏和征兆阈值难以 确定，利用故障树分析法并结合专家系统，以凝汽器真空变化作为凝汽器故障的根节点，把凝汽器 故障分为两类异常和故障，建立了故障树。结合电厂历史运行数据和故障机理，研究确定了故 障征兆和表达方式，开发了凝汽器故障诊断专家系统。 本论文结合实际研究了汽轮机真空系统性能分析与优化及其应用，有如下创新点： 5 东南大学硕士学位论文 1 、改进了已有的传热系数计算模型，特别是重点分析了循环水量和凝汽器蒸汽负荷对传热系数的修正 情况。 2 、建立了污垢热阻预测模掣，研究凝汽器水侧脏污对凝汽器传热性能的影响。 3 、将凝汽器运行状态的变化( 冷却水进水温度、循环水量、清洁率) 纳入经济性考核体系，分别计算出 上述因素对经济性的影响。 4 、在经济性诊断中，综合考虑到汽轮机经济性和凝汽器变工况特性的双重非线性影响，为今后考虑多 参数同时扰动提供了比较平台。 6 第一章凝汽器传热系数计算模型研究 第一章凝汽器传热系数计算模型研究 凝汽器传热系数是用来评估凝汽器传热效果的，它是真空系统性能分析与优化的基础。凝汽器实 际传热系数是通过复杂的热平衡计算得到，不利于进行在线计算。而常用的前苏联别尔曼( b t r l ) 公式 和美国传热学会( h e i ) 公式均属于经验公式，它们只适用于汽轮机真空系统严密性正常即凝汽器汽侧无 空气积聚的情况，同时也未体现凝汽器的管束布置情况。此外这两个经验公式对水侧脏污的修正清洁 率一般取设计值或经验值，没有体现水侧脏污情况变化对传热系数的影响。而我国目前运行的大中型 机组普遍存真空系统不严密，管束布置不相同等情况。因此有必要讨论和完善凝汽器管束布置、水侧 脏污和汽侧空气积聚情况对传热系数的影响，建立准确简捷的传热系数计算模型。本章正是针对这些 问题，利用理论分析结合试验情况，讨论三者对传热系数的修正，建立凝汽器传热系数计算模型。 1 1 凝汽器传热系数概述 1 1 1 凝汽器传热系数的定义 在凝汽器中，蒸汽凝结时将释放出的热量传递给冷却水，得到凝汽器传热量q ： a = k a a t m ( 1 1 ) 当传热量给定，并已知传热面积和传热平均温差，则凝汽器的传热系数可由式( 1 1 ) 求得”】： 置：旦 ( 1 1 a ) a a t 。 凝汽器传热系数是体现凝汽器传熟性能和反映凝汽器整体的传热效果的。它表示凝汽器传热过程 中热量的传递能力的大小，传热系数在数值上等于冷热流体间的温差为1 。c 时，单位传热面积在单位 时间内所传递的热量，单位为w ( m 2 1 0 。 1 1 2 凝汽器实际传热系数的计算 实际传热系数是在求出实际的传热量和对数平均传热温差后，再根据式( 1 1 a ) 得到凝汽器实际传 热系数的。凝汽器内总放热量q ，或循环水总吸热量q 。和对数平均温差0 的求解求解由下面公式确 定： q ，= d 0 【吼( h e h 。) + 吼。( k 一_ l 。) + ( k k ) 】 ( 1 2 ) 或 q = d w c 。f ( 1 2 a ) 式中； c p 循环水比热，u ( k g k ) ： k = a t ，l i i 警 ( 1 3 ) 则实际传热系数置即可由下式求解： 7 东南大学硕士学位论文 或 k = a ，t 。 k = a 。t 。 1 2 凝汽器传热系数计算公式的比较研究 ( 1 4 ) ( l4 a ) 由于凝汽器实际传热系数计算比较复杂，涉及到较多