（工程热物理专业论文）电厂热力系统热经济性分析软件的设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着火电厂计算机控制系统、实时数据处理系统和管理信息系统的不断改进 和完善，发电企业不仅重视机组的安全性，也在不断追求提高机组的经济性。特 别是随着电力改革的深入，电力生产企业为了最大限度地发挥机组的经济性，提 高电厂的效益，迫切需要对电厂机组生产运行过程中各项机组指标进行实时监测 分析，以便运行人员进行调整，实现电厂的最优化生产。因此，电厂热力系统热 经济性在线分析软件的设计开发工作有着重要的现实意义。本文就研究热力系统 热经济性在线分析软件的研究，主要作了以下工作： 首先，对电厂热力系统经济性分析软件设计的意义和国内外发展状况进行了 阐述，对电厂热力系统的分类以及系统的主要部件作了分析，并对目前几种流行 的热力系统分析理论和方法加以分析比较，为热力系统热经济性在线分析软件的 设计确立了方向和工作重点。 其次，通过对一般的回热系统进行研究分析，依据严密的质量和能量平衡方 程推导出一种回热系统的通用模型，从而建立起火电机组回热系统通用矩阵方程。 与其他类似模型相比，该矩阵方程较全面地考虑了回热系统以及各种辅助汽水系 统的影响。 再次，讨论局部因素的影响，就回热加热器各参数对热力系统热经济性的影 响作了分析研究，具体讨论了一些局部因素如加热器端差、抽汽压损等对整个机 组热经济性的影响。这些局部因素的分析是本文所设计的电厂热力系统热经济性 在线分析软件的重要组成部分。 最后，提出电厂热力系统热经济性在线分析软件的主要设计目标，根据电厂 的运行状况，讨论了热力系统热经济性在线分析软件的主要结构和功能，并以加热 器端差对机组热耗率指标的影响为例，说明了如何在软件中实现对局部因素的分 析。 关键词：热力系统，回热系统，通用矩阵模型，在线分析，局部因素分析 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t hq u i c ki m p r o v e m e n to fp r o c e s sc o n t r o l ，r e a l t i m ed a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dm a n a g e m e n to f t h ep o w e rp l a n t ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dn o to n l yt ot h es a f e t y o fp o w e rp l a n t , b u ta l s ot ot h ee c o n o m yo ft h ew h o l es y s t e m r e a l - t i m ee c o n o m i c a n a l y s i sf o rt h e r m a ls y s t e mh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ne c o n o m i co p e r a t i o na n d e n e r g ys a v i n go ft h ep o w e rp l a n t e s p e c i a l l yw i t ht h er e f o r mo ft h ee l e c t r i cp o w e r , t h e p o w e rp l a n tn e e d s t ob em o n i t o r e da n da n a l y z e da l le c o n o m i ci n d i c e so f t h ep o w e rp l a n t r e a l t i m e l yw h i l et h ep o w e rp l a n tu n i ti sr u n n i n g t h e ni tc a nb eu s e df o rw o r k e r st o m o d u l a t et h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n do p t i m i z et h eo p e r a t i o no f t h eu n i t s ot h ed e s i g n o ft h ep o w e rp l a n tt h e r m a ls y s t e mo n l i n et h e r m a le c o n o m i cs o f t w a r ei sv e r yi m p o r t a n t f o rt h eo p e r a t i o no ft h ep o w e rp l a n t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g no ft h es o r w a r e a n dm a i nc o n t e n t sa r ea sf o n o w s f i r s t l y , t h ei m p o r t a n c eo ft h ep o w e rp l a n tt h e r m a ls y s t e mo n l i n et h e r m a le c o n o m i c s o f t w a r ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft h i ss o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d 1 1 1 em a i ns t e a ms y s t e m t h ea u x i l i a r ye q u i p m e n ta n dt h eo t h e rs u b e q u i p m e n t so ft h ec o m p l e xt h e r m a ls y s t e m a r ei n t r o d u c e d t h e ns o m et h e o r i e sa n dw a y so fc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h et h e r m a l s y s t e ma r ep r e s e n t e d ，w h i c hi sg o o dt of i n dt h ea i mo f t h er e s e a r c ha n de m p h a s e sf o rt h e d e s i g no f t h es o f t w a r e s e c o n d l y , b yr e s e a r c h i n gt h eg e n e r a lp o w e rp l a n tr e g e n e r a t i o ns y s t e m ，b a s e do n c o n s e r v a t i o no fm a s sa n dc o n s e r v a t i o no fe n e r g y , t h e nt h r o u g hs t r i c td e d u c t i o na n d d e m o n s t r a t i o n ，t h eg e n e r a lm o d e lo f t h er e g e n e r a t i o ns y s t e mi sf o u n d e da n dt h eg e n e r a l m a t r i xe q u a t i o no ft h ec o a l - f i r e dp o w e ru n i tt h e r m a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d t h i sm a t r i x e q u a t i o nr e f l e c t st h ei n f l u e n c e so ft h em a i ns y s t e ma n dt h ew h o l ea u x i l i a r ys y s t e m r o u n d l ya n di t i ss u i tt oc a l c u l a t et h es t e a me x t r a c t i o nc o e f f i c i e n to fa n yc o a l f i r e d p o w e ru n i tr e g e n e r a t i o ns y s t e m t h i r d l y , t h et h e r m o - e c o n o m i ci n f l u e n c eo ft h eh e a t e rt ot h et h e r m a ls y s t e m i s q u a n t i t a t i v ea n a l y z e da n dt h et h e r m o e c o n o m i ci n f l u e n c eo f s o m et h e r m a ls y s t e mp a r t s ， s u c ha st h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，s t e a me x t r a c t i o np r e s s u r el o s sa n ds oo n , i s i n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h e s ea r ei m p o r t a n tp a r t so ft h ep o w e rp l a n tt h e r m a ls y s t e m o n l i n et h e r m a le c o n o m i ca n a l y s i ss o t t w a r ew h i c hi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r l a s t l y , t h em a i nd e i g n i n ga i mo ft h ep o w e rp l a n tt h e r m a ls y s t e mo n l i n et h e r m a l e c o n o m i cs o f t w a r ei si n t r o d u c e d t h em a i ns t r u c t u r ea n dt h em a i nf u n c t i o n so ft h i s 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s o f t w a r ea t ea n a l y z e db a s e d0 1 1o p e r a t i o no ft h ep o w e rp l a n t h o wt oa n a l y z et h ep a r t i a l f a c t o rw h a ta f f e c t st h eh e a te f f i c i e n c yo ft h eu n i ti sv e r yi m p o r t a n ta n dt h ed e t a i l e d p r o c e s st a k i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e f o re x a m p l ei si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：t h e r m a ls y s t e m ，r e g e n e r a t i o ns y s t e m ，g e n e r a lm o d e l ，d e s i g no fs o f t - w a r e ， o n l i n e a n a l y s i s ，p a r t i a lf a c t o ra n a l y s i s i i l 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 唧 d h i h n p g q f t 乞 乙 定压比热容 流量 蒸汽焓 第i 级抽汽焓 汽轮机排汽焓 压力 l k g 抽汽的放热量 热量 水焓 温度 凝结水焓 凝结水泵焓生 主要符号表 k j ( k g 1 k g h k j k g k j k g k j k g 【p a k j k g k j h k j k g k j k g k j 俺 希腊字母 口 抽汽系数 yl k g 疏水的放热量k j k g 玎效率 枷 循环热效率 ，矗为，级加热器的抽汽效率， 汽轮机机械效率 发电机效率 叩一 锅炉效率 ，7 鲥 管道效率 f l k g 给水的吸热量k j k g 缈 回水份额 下标 c f w 琥 厂用汽 给水 第f 级加热器第l 类辅助汽水 v i 重庆大学硕士学位论文主要符号表 第i 级加热器第2 类辅助汽水 加热器序号数 抽汽级数 第3 类辅助汽水 第i 级加热器的辅助总能量 第i 级加热器出口水 再热 v i l 咖，咖玎m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庆太堂 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谢意。 学位论文作者签名：生童 签字日期： z 0 7 年妇岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：互童 导师签名： 签字日期：卅年妫引日签字日期：岬年 月) 1 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 电力关系着国家的经济命脉，我国的电力生产在较长时间内曾一直处于计划 经济的管理体制和运营模式之下。虽然在这种体制和模式下，电力工业的确得到 了较为长足且稳定的发展，然而由于长期缺乏竞争机制，形成了许多弊端，如电 力企业效率低下、人浮于事、电价不合理等，这些现象造成了资金和能源的浪费， 以至于阻碍了我国电力工业的健康发展。 为了适应社会主义市场经济的发展，我国的电力生产和管理体制进行了全面 改革，实行了厂网分离，取而代之的是华能、大唐、国电、华电以及中电投等五 大发电集团公司和国家电网、南方电网两大电网公司。各地的电力企业围绕着“公 司化改组，商业化运行，法制化管理”这一改革目标，对企业的体制、经营机制、 内部管理等方面进行改革。发电企业逐渐成为独立的法人实体，面临着走向市场 竞价上网的新形势。虽然随着国民经济的快速发展，部分地方的电力在某些时候 缺口仍然很大，但依然阻挡不了电力市场逐渐由卖方市场转为买方市场。为此， 作为独立的发电企业，它的主要任务已经不再是简单的完成季度或者年度的发电 量指标，而是要致力于提供优质、高效、低耗的电能，来满足社会的需要。这就 给电力企业的发展提出了崭新的课题，即加强企业管理，努力实施降低成本的运 营策略，提高发电企业的经济效益，使得企业在竞争中处于有利地位【l 】。 在我国电源结构中，火电设备容量占总装机的3 4 左右( 2 0 0 6 年底为7 7 8 ) ， 在2 0 1 0 年全国总装机容量将达到8 4 0 g w ，火电装机容量约为6 1 0 g w ，需要煤炭 约1 5 亿吨，而到2 0 2 0 年预计火电装机容量在9 0 0 g w 左右，约需煤炭1 9 亿吨【”， 这将对我国煤炭开发生产造成巨大的压力，因此深入研究火电机组的安全经济运 行，提高火电站运行效率，大力开展节能降耗工作对我国国民经济和社会可持续 发展具有重要的战略意义。所以根据上述情况，对机组运行性能进行全面的了解 和发电成本的准确核算，是各大发电公司科学化管理的必由之路。这就需要对全 厂热力系统进行经济性监测和分析，来获得电厂设备的运行状态和机组的运行经 济性指标，并以此为依据，深入研究分析热力系统的节能降耗，正确的指导机组 运行和系统的优化工作p 1 1 4 1 。 为了控制好电力工业的生产成本，发电厂应对机组的运行性能有全面的了解 并对发电成本有准确的估算，这就需要对热力系统进行热经济性监测和分析，以 便获得电厂设备的运行状态和机组的运行经济性指标，并由此指导优化运行。我 国从八十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，由于设 重庆大学硕士学位论文1 绪论 备昂贵以及运行水平的限制，运行人员主要关心设备的安全性而较少考虑机组的 整体性能。直到九十年代初，随着运行水平的不断提高，热力系统设备的安全性 有了足够的保障，运行以及管理人员的注意力才逐渐转向了提高热力系统热经济 性能的追求上，电厂热力系统热经济性的在线监测也就越来越引起专业人员的重 视。 根据最新资料表明，我国火力发电厂平均供电煤耗率为4 0 8 9 ( k w _ h ) ，比世 界发达国家同类指标高出5 0 9 ( k w h ) 。美国e p i l i 的研究表明，机组运行的实际热 耗率比可能达到的最佳热耗率高出近1 0 0 k j ( k w h ) ，其中大约5 0 是可以通过各 种途径得到控制的【卯。作为发电厂单位，它的主要任务已不再是简单的完成季度或 年度的发电量指标，而是要致力于提供优质低耗的电能，以满足社会的需要。这 就给发电企业提出崭新的课题，加强企业管理，努力实施降低成本的运营策略， 提高经济效益。为了在竞争中处于有利地位，发电厂为了对机组的运行性能有全 面的了解和发电的成本有准确的估算，需要对热力系统进行热经济性监测和分析， 以便获得电厂设备的运行状态和机组的运行经济性指标，并由此指导优化运行。 采用计算机对单元机组进行在线热经济性计算、性能分析与优化，仿真以及诊断， 从而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，优化机组的 运行，具有十分重要的经济意义。因此迫切需要广泛采用能对单元机组进行在线 热经济性分析的系统，进一步加强这一领域的研究是非常必要的。 近几年来，随着计算机技术和网络技术的发展，以及其它相关学科诸如仪器 仪表科学、信息技术、管理科学、系统科学、人工智能、软件技术等的发展，电 力生产越来越不能满足于发电量等一些硬指标，发电企业的决策正在透明化和信 息化，这也就在要求电站的发展越来越信息化。电力信息化是国民经济信息化的 一个组成部分，电力信息化工程是电力工业五项跨世纪的科技导向型工程之一。 在我国电站自动化和信息化的发展过程中，集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 、管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 和厂级监 控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，s i s ) 先后应运而生，使电站生产自 动化和管理信息化水平得到了空前的提高。电站s i s 是主要为火电厂全厂实时生 产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统。它是一个融电厂热 能动力工程、计算机与信息工程、管理与决策科学、热工控制技术、人工智能技 术等学科与技术于一体的集成信息系统。它的主要功能可以包括全厂综合性能计 算、运行优化及其操作指导、全厂负荷优化调度、机组寿命管理与状态监视、故 障诊断及其操作指导等【6 1 1 7 1 【扪。 当前，电厂性能监测和运行优化正随s i s 的发展而成为其系统架构的一部分， 它们以提高电站机组运行安全性、经济性为目的，依托d c s 、m i s 或s i s 软件、 2 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 硬件环境和数据平台，为运行管理人员提供机组安全、经济运行决策支持。应用 计算机对实际的热力系统进行性能分析与优化、诊断以及仿真已经成为解决电力 生产过程中的实际问题的重要手段。而在计算机应用技术得以普遍应用之前，火 电厂常采用小指标分析法，即通过对主要运行参数( 俗称小指标) 进行考核掌握 机组运行状况，并评价考核运行人员的操作水平。因此，实时性的运行过程的节 能降耗与管理决策工作都是依靠经验来进行的。这样，由于各个电厂的技术管理 人员的业务素质差异，各电厂运行过程中的节能情况相差很大。在生产和管理决 策工作中也往往由于缺少实时分析数据而带有一定的盲目性和经验性【9 】。正是由于 这些原因，电厂迫切需要对机组进行在线实时的性能监测。机组的性能在线监测 主要建立在电厂现有的数据采集系统( d a s ) 之上，在线监测热力系统和热力设 备的相关参数，并根据测得的参数进行实时分析，判断热力系统和热力设备的性 能状态，显示当前工况的热经济性指标，指示出当前工况下的节能潜力，能损分 布和诊断结果，为运行人员的操作提供指导和预知性维护提供了依据【l “。 对电厂热经济性的在线监测和分析，可以做到实时的、在线的计算和分析电 站机组运行的热经济性，可以做到随时掌握机组的各项热经济指标，找出指标下 降的原因及改进措施。因此节能增效中很关键的一部分就是火电厂性能监测和在 线热经济性分析系统的应用。这将为电厂和整个社会带来极大的经济效益，火电 机组热力系统性能监测与热经济性实时分析为电厂提供了技术保障，管理人员可 以随时地了解热力系统的运行状况和热经济性指标，从而为电厂参与竞价上网提 供了决策性的技术支持。 1 2 国内外相关课题研究具体现状及发展趋势 近年来，随着我国电厂自动化水平以及计算机技术的提高，d c s 分散控制系 统己经得到大规模的普及，电力系统信息化水平明显提升。在此基础上的s i s 系 统即厂级监控系统( s u p e r v i s o ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，将逐渐成为下一步火电厂投 资的热点。电厂运行发电时，s l s 系统将用来整合全厂各机组、辅助车间的实时生 产信息，为运行管理提供基于优化分析的实时生产指导。2 0 0 0 年国家经贸委颁发 的火力发电厂设计技术规范( d l 5 0 0 0 2 0 0 0 ) 明确规定：“当电厂规划容量为 1 2 0 0 m w 及以上、单机容量为3 0 0 m w 及以上时，可设置厂级监控信息系统。”s i s 的数据实时化处理平台为热力系统热经济性的在线监测提供了所必须的原始数据 处理，从而为开发热力系统热经济性参数的在线监测和分析软件奠定了基石出【“】。 随着电力工业的不断发展，热力系统的热经济性在线监测在提高现代化电厂 运行水平以及提高整体经济效益方面将起着越来越重要的作用。国内外的一些大 公司、科研机构以及高等院校，一直在进行这方面的研究，并且各自都取得了一 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 定的成果。 国外，自2 0 世纪7 0 年代起，美国、加拿大等国就开始致力于电厂热力系统 性能监测和诊断的商用软件的开发。但是由于仪表和自动化水平的限制，当时主 要工作只是限于定期的离线状态评估。到了8 0 年代，随着计算机技术与控制技术 的发展，涌现了一大批机组性能监测与诊断系统。8 0 年代末，人工智能在电站性 能监测中得到应用，故障诊断专家系统应运而生，可以为电厂设备的运行维修提 供全方位的信息咨询，对电厂主要设备的故障原因进行在线分析，并给出相应的 解决措施。9 0 年代以来，d c s 系统得到越来越广泛的应用，数据采集速度与仪 表性能得到了空前的提高，已经不再是制约性能监测系统发展的主要瓶颈，各个 大型d c s 厂家和科研院所相继提出了自己的机组性能监测与诊断软件和产品，如 美国西屋电气公司研制了汽轮发电机组a i d 状态监测与诊断系统。 1 9 8 2 年8 月美国电力研究所e r p i 开始了火电厂设备早期故障监测的工作，这 是电厂热力系统诊断和预测性监测的一个重大转折。自此以后，经过十多年的努 力，美国e r p i 取得了许多成果，如运行能源管理系统( o p e r a t i o ne n e r g y m a n a g e m e n t ，简称o e m ) ，它是电厂在线性能监测和诊断的有效应用。o e m 通过 在线优化设备调度使电厂以最小的费用满足当前的负荷要求，它以设备能量转换 特性和电厂运行负荷为基础，通过计算快速而准确地确定单元机组优化配置和电 厂运行轮廓【2 】【13 1 。o e m 主要包括以下六个部分： 电厂监测站( p l a n t m o n i t o r i n g w o r k s t a t i o n ，简称p m w ) ：p m w 是一个数据 处理和、存档和计算平台，能进行有效化数据、数据时均、光滑计算、频率计算、 数据存档、数据基础管理等工作； i o 特性函数：优化设备配置依赖于当前的输入、输出能量关系，i o 特性 函数使用实时测量数据计算各设备特性，并送到p m w 作为调度依据； 增长特性表：此表描述当前配置结构中每一个电机的电力增长投资特性； 优化算法：通过误差计算，用最小的能量投资满足当前系统电力和蒸汽负 荷需求； 人机界面：通过菜单系统显示当前信息，并可查询其它模型和系统的任何 信息； 经济模型：以比率方式( 元，j 、时) 计算既定配置的运行费用并对费用进行 累计。 同时，e r p i 在热力系统热效率研究软件方面也取得了不错的成果【1 4 】。随着燃 煤电厂的老化和单元机组热效率的降低，提高机组性能成为多数电厂的主要目标。 为了提高单元机组热效率，e r p i 一方面在p o t o m a c 电力公司的m o r g a n t o w n 电厂 # l 机组上建立了一个性能监测和测量软件系统，用以证明应用现代性能监测和测 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 量设备后电厂性能和系统配置能力的提高；另一方面，美国e r p i 制定了一套准则 来帮助电厂分析热效率降低的原因，这套准则的实用性在哂i l i a 电力公司的m t s t o r m 电厂# 1 机组上得到了证明。 纽约州电力和燃气公司开发了一个计算机化性能试验软件( c o m p u t e r i z e d p e r f o r m a n c et e s tp r o g r a m ，简称c p t p ) 【l5 1 ，此软件为优化设备试验，执行正确的 试验步骤提供准则，同时正确解释试验结果，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。此 系统安装于g o u d e y 电站# 8 机组上。 总而言之，在电厂热力系统性能监测和诊断方面，美国、加拿大等国家在此 方面已远远走在前面，他们分别开发研制出一系列许多电厂性能监测和诊断的软 件【1 6 】【1 7 】【1 8 】。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厂的实际需要。这些软件既能对整个电厂性 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、 加热器、冷凝器、冷却塔等，用户可以根据自己的需要进行组装 1 9 】 2 0 】。目前已进 入商业性应用的软件大多具有以下功能： 有效化测量数据； 实施分析电厂性能； 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利益。 但是，这些国外软件也存在着一些不足，比如对测点的要求过严，影响其正 常使用，还有软件汉化，统计考核指标不同等，也会带来应用上的不便。 国内自8 0 年代中期，高校及研究机构也开始了电站性能在线监测问题的研究， 虽然经过一段时间的研究开发，但是国内火电厂优化分析系统及其相应的软件的 开发和应用都还处于初级阶段。目前国内进行此项研究的主要还有如上海交通大 学的“可组态汽轮机组在线热经济性分析系统啦”，武汉水利电力大学的“电厂热力 系统静态特性计算软件”【2 2 】，东南大学的“全图形化热力发电厂通用计算软件”【2 3 】 等等。除了这些，很多电力科学研究院和中试所等科研单位也先后开始了这方面 的工作，开发了许多应用软件和产品，并在此基础上发展了电站运行优化系统。 近几年来，国内外对于电站性能监测和运行优化的研究与应用相当活跃，理 论及工程上的成果不断涌现，特别在性能监测在线计算模型，在线预测模型，离 重庆大学硕士学位论文1 绪论 线分析等的研究方面成果斐然。国内的各相关研究机构也结合我国火电厂的实际 情况，自主开发了各具特色的在线性能监测和故障诊断系统，并在火电机组安全， 经济运行中发挥了巨大作用。但是和国外同类软件相比仍有一定的差距，因此应 面向国内电厂的实际情况，大力发展有知识产权的优化运行软件。还有，国内研 发的很多热力系统实时分析软件系统中，大部分是针对具体热力系统结构设计的， 数学计算模型不通用，而且针对电厂热力系统的中的一些局部因素，软件没有做 出其对机组性能的影响评价。 国外以及国内的发展表明：热力系统的热经济性在线监测和分析是提高电厂 整体热经济性的有效手段。在线性能监测和故障诊断系统在节能挖潜方面具有不 可替代的优势。近几年来，随着计算机技术在电厂的广泛应用，d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 和s i s ( s u p e r v i s o ri n f o r m a t i o ns y s t o n ) 系统为电厂热力系统热经 济性在线计算监测系统提供了必要的技术支持。但要达到国际的发展水平，我国 的科研工作者在这方面还需要进行大量、深入的研究。 1 3 本文主要研究的内容 本文所要研究的主要工作可以分为四个部分： 对电厂热力系统进行分析 电厂热力系统是由主蒸汽系统和众多的辅助设备及其予设备组成的复杂系 统，这其中包含有许多独立和相互依赖的参数，运行中任何一个部件或者子系统 的经济性降低，都将导致整个系统的经济性的下降。研究分析了电厂热力系统的 分类以及各主要部件，分析常使用的热经济指标，还有热力实验的方法以及对开 发软件的指导作用。 分析建立软件所需的计算模型 通过对电厂热力系统进行研究分析，利用严密的质量和能量平衡方程推导论 证，得出回热系统的通用矩阵模型，从而建立起火电机组回热系统通用矩阵方程。 该方程全面反映了回热系统以及各种辅助系统的影响，适合于任意火电机组回热 系统抽汽系数的计算。 分析热力系统局部因素对机组经济性的影响 针对影响电厂热力系统热经济性的各种局部因素，分别研究分析了电厂加热 器端差、抽汽压损、凝汽器过冷度等因素对整个电厂机组效率的影响。 对软件进行介绍和设计分析 提出电厂热力系统热经济性在线分析软件的主要设计目标，根据电厂的运行 状况，分析了热力系统热经济性在线分析软件的主要结构和功能。在软件设计过 程中，如何在软件中实现局部因素对机组整个热耗率影响的分析，论文以加热器 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 端差为例来说明局部因素的整个分析过程。 1 4 本章小结 本章结合电力行业发展的趋势，电厂提高经济效益的重要性来说明电厂熟力 系统经济性分析软件的重要性，详细介绍了课题的背景和意义。通过了解分析国 内外相关课题的研究内容以及研究趋势，结合本课题研究的实际情况，确定本文 需要的主要研究内容以及工作重点。 重庆大学硕士学位论文 2 电厂热力系统及其分析方法 2 电厂热力系统及其分析方法 2 1 电厂热力系统的分类 热力系统是电厂实现热功转换热力部分的工艺系统，是电厂的核心部分，它 通过热力管道及阀门将各热力设备有机地联系起来，以在各种工况下能安全、经 济、连续地将燃料的能量转化成机械能。由于电厂的热力系统是由许多不同功能 的局部系统有机的结合在一起的，复杂而又庞大，故常将热力系统进行不同用途 的分类，以方便管理和研究。以范围划分，热力系统可分为全厂和局部两类：局 部的系统又可分为主要热力设备( 如汽轮机本体、锅炉本体等) 和各种局部功能 系统( 如主蒸汽系统、给水系统、主凝结水系统、回热系统、供热系统、抽空气 系统和冷却水系统等) 。全厂热力系统则是以回热系统为中心，将汽轮机、锅炉和 其它所有局部热力系统有机组合而成。 以用途划分，热力系统又可分为原则性和全面性两类：对机组和全厂而言， 原则性热力系统主要用来反映在某一工况下系统的热经济性，对不同功能的各种 热力系统，如主蒸汽、给水、主凝结水等系统，其原则性热力系统则是用来反映 该系统的主要特征、所采用的主辅热力设备、主要阀门的配置等。全面性热力系 统是实际热力系统的反映，包括不同运行工况下的所有系统。 以组成内容划分，热力系统又可分为给水回热加热系统、给水除氧系统、供 热系统、主蒸汽系统、旁路系统、主给水系统等。因回热系统既是汽轮机热力系 统的基础，又是电厂热力系统的核心，它对机组和电厂的热经济性起着决定性的 作用【2 4 】。 2 2 回热系统及其设备 2 2 1 回热系统的一般概念 从汽轮机某些中间级后抽出一部分蒸汽对锅炉给水加热称之为给水回热加 热，相应的蒸汽循环称之为给水回热循环。可以从两个方面来理解采用回热减少 冷源热损失，提高火电厂热经济性的作用( 2 5 1 。 做功能力法的观点，即是回热使给水温度提高，增加了工质在锅炉内吸热过 程的平均温度，降低了换热温差引起的损失。 热量法的观点，既是汽轮机回热抽汽量做功没有冷源热损失，该热量被利用 来加热给水，凝汽量减少，从而减少了整机的冷源热损失。 总之，回热作为一个最普遍、对提高机组和全厂热经济性最有效的手段，为 当今所有火电厂的热力系统所采用。 重庆大学硕士学位论文2 电厂热力系统及其分析方法 2 2 2 回热系统的设备 现代汽轮机发电厂都采用回热循环，回热系统是火电厂重要的组成部分，其 主要的设备有： 回热加热器：回热加热器作为回热系统最主要的设备，其型式和运行情况 对回热系统的经济性和安全可靠性均有较大的影响。给水回热加热器按布置形式 来分，有立式和卧式两种；按加热器中汽水介质的传热方式来分，有混合式和表 面式两种。在混合式加热器中，汽水两种介质直接混合并进行传热。在表面式加 热器中，汽水两种介质通过金属受热面来实现热量传递。表面式加热器按水侧压 力的不同，又分为低压加热器和高压加热器两种。 回热加热器的运行，从安全角度来看，加热器的停运，会使给水温度降低， 造成锅炉水冷壁超温，汽包炉过热，汽温升高。同时，从经济角度来看，加热器 的停运，还会影响机组的出力，若要维持机组的出力不变，则汽轮机监视段压力 提高，停用的抽汽口后的各级叶片、隔板的轴向推力增加，为了机组的安全，就 必须降低或限制汽轮机功率。 疏水装置：它的作用是将加热器中的蒸汽凝结水及时排走，同时又不让加 热器蒸汽随疏水一起流出，以维持加热器内汽侧压力和凝结水水位。为减少工质 损失，面式加热器汽侧疏水应收集并汇于系统的主水流( 主凝结水或给水中) 。收 集方式有两种：一是利用相邻加热器汽侧压差，使疏水逐级自流，高压加热器疏 水逐级自流，最后入除氧器而汇于给水；低压加热器疏水逐级自流，最后入凝汽 器或热井而汇于主凝结水。二是采用疏水泵，将疏水打入该加热器出口水流中。 所有疏水收集方式中，疏水逐级自流的热经济性最差，但可以加装外置式疏水冷 却器来加以改善。采用疏水泵方式热经济性仅次于没有疏水的混合式加热器。 高压旁路装置：在高压加热器出故障时，为了不使锅炉给水中断或避免高 压给水从抽汽管倒流入汽轮机，在高压加热器给水系统中设有自动旁路保护装置。 其作用是：当高压加热器发生故障或管子破裂时，能迅速切断高压加热器绐水， 同时开启旁路向锅炉供水。 排汽系统装置：排汽系统设在高压加热器后，用于启动时排汽和正常运行 排汽，该排汽系统能排除蒸汽停滞区内的不凝结气体，使加热器不被腐蚀。 蒸汽冷却器装置：它的设置可以利用抽汽过热度。由于再热提高了中、低 压缸部分抽汽过热度，当与之对应的出口水温不变时，该加热器的换热温差，和 相应的回热过程不可逆损失就会增加。装设蒸汽冷却器来提高该级加热器出口水 温或整个回热系统出口水温，则会大大改善这种不利状况。 除氧器装置：电厂运行过程中，给水会不断地溶解入气体，主要是由补充 水带入空气，从系统中处于真空下工作得设备和管道附件不严密处露入空气。溶 9 重庆大学硕士学位论文2 电厂热力系统及其分析方法 于水中的氧对钢铁构成的热力设备以及管道会产生强烈的腐蚀作用，二氧化碳将 加剧氧的腐蚀。而所有不凝结气体在换热设备中均会使热阻增加、传热效果恶化， 从而导致机组热经济性下降。给水除氧器应是混合式加热器，只有混合式加热器 才能满足热除氧要求，将给水加热到饱和温度。除氧器的运行原则是，首先保证 除氧器和给水泵的安全可靠运行，同时兼顾热经济性2 6 】【拥。 2 3 热力系统分析方法 目前热力系统的分析方法种类很多，根据热力学定律可分为第一定律分析法和 第二定律分析法。第一定律分析法主要有常规热平衡法、等效焓降法、循环函数 法等；第二定律分析法主要有熵分析法，火盼析法。 热平衡分析法是最早发展的热力学分析法。它是在对实际热力系统进行一定 的简化和假定，结合质量平衡和能量平衡基础上进行的，对于具体的复杂的热力 系统难以进行准确的计算，更加难以达到通用性。即使使用计算机来求解，有时 还需要预设假定条件，采用反复迭代逼近得到近似解。该计算工作量大而繁，不 适宜作为热力系统分析和优化的计算方法。 随着计算机在热力系统计算中的应用，设计和开发电厂热力系统热经济性在 线监测软件要注意计算程序的通用性，数学模型的拟定和分析计算方法的选择。 不同机组的热力系统各不相同，即使是同容量同型号机组的实际热力系统也不尽 相同。因此确定热力系统的通用分析方法是编制通用性程序的关键问题。目前针 对热力系统通用性计算的研究很多，这里对国内外热力系统分析理论的发展状况 作一简介： 热力系统分析的代数运算 热力系统分析的“代数运算”是指传统的热力系统串联解法、循环函数法和等效 焓降法。它们都属于热力学第一定律的分析范畴，中心是求解回热循环的各级抽 汽量并对其进行简化处理。循环函数法和等效热降法就属于简化处理的方法，具 备局部定量的特性。 1 ) 热力系统串联解法 热力系统串联解法是伴随热力发电厂工程的出现而采用的最原始方法，基于 加热器的热平衡，计算汽轮机的各级抽汽量，是发电厂设计、热力系统分析、汽 轮机设计的最基本的方法，也是热力系统求解的基础，至今还在广泛应用。为避 免繁复的热平衡方程组联立求解，该采用相对量的方法，假定通过第一级高压加 热器的给水流量为l k g ，列出第一级加热器的质量平衡和能量平衡式求解第一级抽 汽系数以及往下级去的疏水系数，再对第二级加热器列出质量和能量平衡方程， 并将前级所求出的往该级的疏水系数代入，求解出第二级的抽汽系数以及其他未 i o 重庆大学硕士学位论文2 电厂热力系统及其分析方法 知量，逐级往下算，直到最后一级为止【2 引。 随着计算机的速度、容量等性能的大幅度提高，在串联算法基础上发展出序 惯模块求解方法。序惯模块法是过程系统工程学( p r o c e s ss y s t e m se n g i n e e r i n g ) 的 过程系统模拟方法之一。这种方法原理如下：系统数学模型由单元过程的数学模 型和系统结构的数学模型组成，简称单元模块和结构模块。依据结构模块提供的 信息，顺次计算各单元的模块，从而得出各输入输出流的热力学状态变量和流量 变量值的流程模拟计算方法。这种求解方法因具有与实际过程直观联系强、模型 库的建立与维护方便、出错易于诊断等特点而逐步被重视。 2 ) 循环函数法 循环函数法是简化分析方法，由马芳礼提出的【2 9 】。该方法用串联法先对整个 热力系统进行计算，算出回热抽汽量和循环效率，然后把热力系统分解成回热循 环和辅助循环的互相叠加。一个电厂热力系统可看作一个由许多不同作用的汽、 水流混合组成的综合热力循环，它可以被分解为由主凝结水组成的主凝结水循环 与工业抽汽、厂用抽汽、电厂补充水、汽轮机汽封或阀杆漏汽、锅炉排污水等组 成的辅助汽水循环。这些汽水循环的共同点是，它们的凝结水都经过有关的各级 回热抽汽在给水加热器中加热后由主给水泵送进锅炉。这些汽、水循环所作的功 包括它本身和向它加热的各级回热抽汽在汽轮机内流动所作的功。整个电厂或机 组循环所作的总功，等于上述主、辅助汽水循环作功的总和。故把热力系统分解 成回热循环和辅助循环的互相叠加。当对热力系统的更改进行分析时，只限定在 局部循环的变化对系统热经济性的影响，在计算端差等设备缺陷的影响时还不是 很方便。 闫水保等人将循环函数法进行改进，利用矩阵理论通过演绎方法从热力系统 的广义数学模型出发，导出了循环函数法的主要流量关系，提出了不仅热力系统 可以看作是由主循环与若干辅助循环的叠加，而且加热单元也存在着重叠现象。 加热单元还可以看作是混合式加热器的推广。引入了逆向加热单元和加热单元重 叠的概念。在热力系统中，主循环中所出现的单元是热力系统的基本单元；每一 个辅助循环都有一个特殊单元，该特殊单元表征了该辅助循环。特殊单元均为逆 向单元。描述热力系统的总加热单元数等于主循环的单元数加上辅助循环的个数。 这种改进方法使流量计算规范、简剁3 0 】【3 l 】。 3 ) 等效焓降法 等效焓降法属于定流量的方法，由前苏联学者库兹涅佐夫在2 0 世纪6 0 年代 后期提出，并在7 0 年代逐步完善、成熟，形成了完整的理论体系，在2 0 世纪8 0 年代在我国得到广泛的应用【3 ”。 等效焓降法先要计算每段抽汽的等效焓降，进而计算出新蒸汽的等效焓降， 重庆大学硕士学位论文2 电厂热力系统及其分析方法 而将任何不属于回热系统本身的辅助汽水流动均归结为对新蒸汽等效焓降的