（工程热物理专业论文）电厂热力系统热经济性在线监测组态软件设计及计算模型.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 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，这就需要对电厂热力系统进行热经济性监测和分析。但 是随着电厂热力系统的同趋复杂，热力系统热经济分析计算也越来越复杂，传统的 人工计算已经不能满足工程需要，鉴于此，本文对热力系统热经济性在线监测通用 组态软件主要作了以下研究。 第一章对热力系统热经济性计算分析理论以及分析软件的国内外发展状况做了 一些阐述，从而确立了本文的研究方向和工作重点。 第二章介绍了复杂热力系统的主蒸汽系统和众多的辅助设备及其子设备，分析 了热力系统常用的热经济指标，介绍了热力实验的方法。以上分析确立了开发本软 件的基点以及重点。 第三章应用软件工程中的结构化分析( s a ) ，结构化设计( s d ) 的方法搭建了本软 件全面的框架： 首先按照软件工程中的结构化分析方法( s a ) 对电厂热力系统热经济性在线监测 通用组态软件进行了需求分析，然后按照结构化设计( s d ) 的方法，对本软件划分了 用户管理模块；组件工具箱模块；组态运行模块：系统识别模块；计算模块：缓冲 池模块；在线处理模块；技术档案以及系统维护模块等八个模块，在各个模块设计 中均提出了对于本软件的相应解决方案。这为今后系统开发的连续性、可维护性做 出了很好的铺垫。 第四章在重新定义的加热器抽汽、给水、疏水的热平衡计算式以及重新定义划 分的三种基本类型加热器基础上，讨论了主蒸汽系统的矩阵热平衡方程式以及各辅 助汽水对方程式的影响。并且在加热器基本模型以及各辅助汽水的模型基础上，推 导出适用于热力系统热经济性计算软件的通用加热器数学模型，并且建立了软件整 体适用的通用计算模型。 第五章利用等效热降法就加热器设备的各种因素对热力系统的热经济性的影响 作了定量的分析，扩展了通用加热器模型的热经济分析。最后表述出软件中可实施 的监控加热器运行的指标函数。 关键词：热力系统，软件工程，组态，加热器，辅助汽水，计算模型 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt oc o n t r o lt h ep r o d u c t i o nc o s t , t h eu n i tp e r f o r m a n c eo fa p o w e rp l a n ts h o u l d b ef o u n do u ta n dt h eg e n e r a t i o ne l e c t r i c i t yc o s ts h o u l db ek n o w n f o rt h i sr e a s o n , i ti s n e c e s s a r yt oi n s p e c ta n da n a l y z et h et h e r m a le c o n o m yo f t h ep o w e rp l a n tt h e r m a ls y s t e m w h e r e a s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et h e r m a ls y s t e m ，i tb e c a m e m o r ea n dm o l ec o m p l e x t h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nc a n n o tf i tf o rt h ee n g i n e e r i n gn e c e s s i t yb e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo ft h et h e r m a le c o n o m i cc o m p u t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h e c o n f i g u r a b l e s o f t w a r ef o ro n l i n ea n a l y s i so f p o w e rp l a n tt h e r m a ls y s t e m i si n v e s t i g a t e d i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ec a l c u l a t i o na n a l y t i c a lt h e o r yo ft h e r m a le c o n o m i ca n dt h e d e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo ft h et h e r m a ls y s t e mw e r ei n t r o d u c e da n dt h ea i mo ft h e r e s e a r c ha n dt h ee m p h a s e so f t h et h e s i sw e r ef o u n d e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h 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 t sa n dt h eo t h e r s 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 mw e r ei n t r o d u c e d t h eg e n e r a l t h e r m o e c o n o m i ci n d e xo ft h et h e r m a ls y s t e mw a sa n a l y z e da n dt h em e t h o do ft h e t h e r m a le x p e r i m e n m t i o nw a si n t r o d u c e d c o r r e s p o n d i n g l y , t h eb a s e m e n ta n de m p h a s e so f t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tw e r ef o u n d e di nt h i sc h a p t e r i nt h et h i r dc h a p t e r ，b a s e do nt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gt h e o r y , t h ef r a m e w o r ko ft h e s o f t w a r ew a sf o u n d e db yu s i n gt h es t r u c t u r e da n a l y s i s ( s a ) a n dt h es t r u c t u r e dd e s i g n ( s d ) ： f i r s t l y , u s i n gt h es l r u c t u r e da n a l y s i st h e o r y ( s a ) ，w h i c hi sb a s e do nt h es o f t w a r e e n g i n e e r i n g , t h er e q u i r e m e n to f t h e c o n f i g u r a b l es o f t w a r ef o ro n l i n ea n a l y s i so fp o w e r p l a n tt h e r m a ls y s t e m w a sa n a l y z e d s e c o n d l y , u s i n gt h es t r u c t u r e dd e s i g n ( s d ) ，t h e s o f t w a r ew a sd i v i d e di n t on i n em o d u l e s ，i n c l u d i n gt h eu s e ym a n a g e m e n tm o d u l e ，t h ek i t m o d u l e ，t h ec o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，t h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，t h ec o m p u t em o d u l e ， t h eb u f f e rs t o r a g em o d u l e ，t h eo n l i n em a n a g e m e n tm o d u l e ，t h et e c h n i c a lf i l em o d u l ea n d t h es y s t e mm a i n t e n a n c em o d u l e t h em a n a g e m e n to ft h es o f t w a r ew a sp u tf o r w a r di n e v e r ym o d u l e , b a s e do nw h i c ht h es y s t e mw a sd e v e l o p e dc o n v e n i e n t l ya n dm a i n t a i n e d e a s i l y i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h eh e a te q u i v a l e n c ee q u a t i o no ft h ee j e c t e ds t e a m ，f e e dw a t e r a n dt h ed r a i nw a t e rw e r ed e f i n e da g a i n a n dt h et h r e e t y p eh e a t e rw a sd e f i n e da f r e s h , t o o t h ei n f l u e n c e so ft h em a t r i xh e a te q u i v a l e n c ee q u a t i o na n dt h ea u x i l i a r ys t e a m - w a t e rt o t h ee q u a t i o nw a si n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ep r i m a r yh e a t e rm o d e la n dt h ea s s i s t a n tm o d e l ， i i 重庆大学硕士学位论文英文摘耍 t h eu n i v e r s a lh e a t e rm a t h e m a t i c sm o d e lo f 血es o i h v a r ew a sd e d u c e da n dt h eu n i v e r s a l c o m p u t i n gm o d e lo f t h ew h o l es o f t w a r ew a sf o u n d e d i nt h ef i f mc h a p t e r , t h et h e r m o - e c o n o m i ci n f l u e n c et ot h eh e a t e rs y s t e mw a s q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e db yu s i n gt h ee q u i v a l e n th e a t - d r o pm e t h o d n et h e r m o e c o n o m i c a n a l y s i so ft h eu n i v e r s a lh e a t e rm o d e lw a se x t e n d e d l a s t l y , t h ei n d e xf u n c t i o no ft h e i n s p e c th e a t e rw a sg i v e n k e y w o r d s ：t h e r m a ls y s t e m ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g , c o n f i g u r a b l e ，h e a t e r , a u x i l i a r y s t e a m - w a t e r , c o m p u t i n gm o d e l j i 重庆大学硕士学位论文主要符号表 c d h h o h 。 p g q f t 出口 希腊字母 口 叩 印f 叩。 呷 叩耐 下标 c 咖 f 比热 流量 蒸汽焓 蒸汽进汽轮机的初焓 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 、 k 蚰 k j k g 皿a k j k g m k j k g k j k g k j k g 抽汽系数 l k g 疏水的放热量k j k g 效率 循环热效率 为2 级加热器的抽汽效率， 汽轮机机械效率 发电机效率 锅炉效率 管道效率 l k g 给水的吸热量k j k g 回水份额 厂用汽 给水 辅助汽水 v i 重庆大学硕士学位论文主要符号表 锅炉 加热器序号数 抽汽级数 排汽 漏汽水 疏水 再热 g，七，肼 口 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景和意义 我国的电力工业长期以来一直都处于计划经济的经营模式下，这种运营模式在 当时的历史环境下促进了大型电厂的建立，有力地支持了电力工业的迅猛发展。但 由于缺乏竞争机制带来了许多弊端，如，电力企业效率和技术水平低下等造成能源 和资金的浪费，这些弊端阻碍了我国电力工业的健康发展。 1 9 9 8 年电力工业终于从机制上摆脱了过去计划经济模式的约束，由政府职能部 门脱胎成为独立的经济实体，实现和发展了电力行业“厂网分开，竞价上网”的电 力市场，成立了五大发电集团。而2 0 0 3 年是电力改革“厂网分开”实施后的第一年， 也是我国电力供需最为紧张的一个年度，全国用电量总计达到1 8 9 1 0 亿千瓦时，同 比增长1 5 4 ，是改革开放以来增长最快的一年。 电厂、电力集团成为一个独立企业，参与市场竞争。作为一个发电企业，在安 全性、可靠性约束条件下，追求利润的最大化是它的主要目标。追求发电企业的最 大化利润的方法，从宏观来看，也无非就是两条路：开源和节流。开源是指在每天 的电力市场交易竞价中，通过科学的分析本厂的发电成本，预测电网的需量，估计 同类电厂的报价，从而报出最有竞争力的价格，实现电厂售电和电价的最大化。节 流是指加强电厂的内部科学管理、深挖潜力、降低成本、节能降耗、合理安排机组 的启停和检修，将机组的启停次数、机组的检修时间尽量的缩小，实现电厂的成本 的最小化。当企业的销售收入最大化，成本最小化时，利润也就趋于最大化。 但是随着改革，电力行业经营成本大幅提高，1 9 8 5 年以后，由于推行市场经济， 生产力水平提高很快，生产资料的真实成本上涨很小。1 9 9 0 至1 9 9 7 年仅上涨3 ， 1 9 8 5 至1 9 9 0 年甚至还略有下降。这期间资金成本( 利率水平) 大概在1 0 ，同期 全社会劳动力成本上涨1 0 8 。根据全社会资金成本与劳动力成本之比约为7 ：3 的 关系估算，这个时期全社会的生产成本上涨幅度应为4 0 左右。另外，电力工业 的燃料价格在此期间上涨4 6 ，与社会生产成本相加为8 6 。这个数据意味着电力 工业生产成本应该上涨8 6 ，然而实际上涨了1 1 4 0 , 5 ，比预期高出3 0 。2 0 0 3 年电 煤价格有一定的涨幅，同时2 0 0 3 年7 月，排污费征收使用管理条例正式实行， 二氧化硫的单位排放费将由目前的每千克0 2 元于2 0 0 5 年7 月日u 提高至0 6 元，除 了电煤，环保标准的提高都使得大部分公司的单位发电成本有所上涨。因此，从整 体上看，可以说1 9 8 5 年以后整个电力工业的生产成本控制都是做得不好的。 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 重庆大学硕士学位论文1 绪论 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。 在现今大型的发电厂实际已投产的热力系统中，根据调查，在实际运行和测量 上存在着许多的问题，不能满足热力系统热经济性计算实时性的要求。许多电厂运 行以及管理方面对热经济性仅限于综合的几个大指标，即发电煤耗、供电煤耗、厂 用电率等直接从电量、煤量出发的指标，在日常运行中没有从热力系统的过程中采 集和计算出实时的指标( 比如抽汽系数、机组热耗、汽耗等) ，更不可能在现场实时 发现机组运行经济性降低的主要、次要原因，有的电厂在实际生产中总结了一些经 济指标管理办法，比如生产现场的小指标，给水指标，汽温汽压凝汽器端差、过冷 度、真空度等，这些办法也只能从局部范围内反映一定的指标状况，在实际的变工 况下，小指标和大指标产生一定的冲突，这些都是实际运行人员以及管理人员无法 掌握和控制的睇j 。 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 已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 r i 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 i 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的软件奠定了基础【3 j 。 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。 目前国内外的一些科研机构以及高等院校，正在进行这方面的研究，但还都只 是刚刚起步，为适应电力行业“厂网分开，竞价上网”的电力市场发展，进一步进 行这方面的研究是非常必要的。 1 2 国内外发展状况 1 2 1 热力系统分析方法的发展状况 2 重庆大学硕十学位论文1 绪论 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 监测软件首先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是 关键。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。 1 ) 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 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，该方法应用时通常从高压加热器开始逐级求解，即必须 己知通过高加的给水流量或将其假设为一千克，因此属于定流量的计算。热力系统 串联解法广泛用于“热力发电厂”的课堂教学中【4 。 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【5 “。 1 2 ) 循环函数法 循环函数法是简化分析方法，由马芳礼先生提出的。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。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口】。 阎水保先生等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 重庆大学硕士学位论文1 绪论 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、简捷，适合计算机处n t 8 。1 0 】。 1 3 1 等效热降法 等效热降法属于定流量的方法，由前苏联专家提出 1 ”，2 0 世纪7 0 年代术传入 我国，8 0 年代在国内得到广泛的应用。 等效热降法先要计算每段抽汽的等效热降，进而计算出新蒸汽的等效热降，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热降的影响，将 主系统以及辅助汽水流对新蒸汽等效热降的影响叠加，可最终获得热力系统热经济 性的定量结论。 等效热降法是基于热力学的热功转换原理，考虑到热力系统结构和参数的特点， 经过严密的理论推导，导出几个热力分析参量，用以研究热功转换及能量利用程度 的一种方法。等效热降法既可用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统局部分 析定量。它摒弃了常规计算的缺点，不需要全盘重新计算就能查明系统热经济性的 变化，即用简捷的局部运算代替整个系统的繁杂计算，所需前提是新蒸汽参数不变。 其特点是：局部运算的热工概念清晰，结果与一般热力学分析完全一致。计算 简捷而又准确，与真实热力系统相符【1 2 。1 4 1 。 1 4 ) 等效抽汽法 等效抽汽法于2 0 世纪5 0 年代末由美国的s a l i s b u r y k e n n e t h 提出，等效抽汽法 是把回热循环的z 级抽汽设想成一个抽象的的抽汽，该抽汽的抽汽量口等于z 级抽 汽量之和，该抽汽的焓值h 等于各级抽汽焓的加权平均值。等效抽汽以l k g 的凝汽 为计算基准，h 越小，口越大，循环的热耗率也越低。因此等效抽汽的焓值h 能够 反映循环的热经济性，当蒸汽的初终参数和给水参数一定时，等效抽汽是z 级抽汽 的“重心” 1 5 l 。 2 1 热力系统的矩阵分析法 2 1 1 定流量的矩阵方程式 电厂热力系统的矩阵分析是联立各级回热加热器的热平衡方程式，通过求解一 组包含抽汽量的线性方程组完成对热力系统的计算。矩阵分析也属于传统的分析方 法，其特点是一次能计算几个或几十个未知的参数，同时求出各级抽汽。相对于“串 联解法”，称其为“并联解法”。 矩阵法最早由陈国年、郭丙然等提出【1 6 q 8 1 ，提出的矩阵形式包含对回热循环部 分的详细分析，对辅助流量的考虑是通过对方程部分进行补充完善，最后解出各级 抽汽量。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 方程形式如下： 导出： 【刎陋 - r 瞳 _ _ l r ( 1 1 a ) ( 1 1 b ) 式中m 矩阵反映了回热系统的结构。 2 2 1 定功率的矩阵方程式 上述矩阵方程，必须已知主汽流量d n 或把主汽量假设为l k g ，因此属于定流量 的算法，要实现定功率的分析必须进行多次迭代运算，逐步逼近某一功率。 由于规划和设计电厂时一般应满足电网对输出功率的要求，因此电力规划和设 计部门在分析电厂热力系统时首选定功率法。定功率的矩阵方程式即是把汽轮机的 功率方程( 即能量平衡式) 与加热器的方程共同联立，在已知功率时可一次性求出 汽轮机进汽量和各加热器抽汽量的矩阵方程式，避免了逐步迭代的运算，实现了直 接“定功率”分析。 方程的形式： 占 d = 口r 】【d r + b j d r + q 】+ 【 ( 1 2 ) 此法可用于设计工况的热经济性核算以及热力系统机构优化以及分析 1 9 , 2 0 。 2 3 1 热耗变换系数法 热耗变换系数法是定功率条件下分析发电厂热力系统的新方法，在矩阵热平衡 方程式和应用偏微分理论的基础上导出了新参数：热耗变换系数毒。 ( 1 3 ) 式中q o ，q l 为给水加热至新蒸汽的吸热量和再热吸热量( 这2 者之和为循环的热耗 量) ；aq f 为从第i 级加热器引入的微小外热量。 热耗变换系数毒代表了从某级加入的外热量相当于从循环加入的相当的热耗 量，因此热耗变换系数毒反映了这一级抽汽在热力系统中的作用大小。一般讲热耗 变换系数善的值随抽汽级数从高压级到低压级逐渐减小，新蒸汽和再热蒸汽的热耗 变换系数眚为1 ，汽轮机排汽的热耗变换系数点为0 ，各级抽汽的热耗变换系数当介 于0 和1 之间。 借助这个参数可以简化电厂热力系统的分析，进行局部定量计算，对热电厂的 热电成本进行分摊 2 1 - 2 2 。 以上所有的分析方法都是以定功率或定流量为条件，这是热力系统分析所必须 的。“串联解法”和“并联解法”，循环函数法和等效热降法等属于定流量分析。而 “定功率方程”、热汽耗变换系数法等属于定功率分析。用串联解法多次计算逐步逼 近某一功率也归于定功率法，但不是直接的定功率分析。 总之，随着发电厂热力系统分析方法的不断完善，其在指导电厂经济运行方面 重庆入学硕士学位论文1 绪论 的分析计算作用也越来越重要。开发火电厂热力系统分析软件时应在各种分析方法 中选择适当的一种或多种方法。 1 2 2 热力系统分析软件的发展状况 国外，自八十年代起，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。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瞄】。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，其中开发研制的主要有运 行能源管理系统( o p e r a t i o ne n e r g ym a n a g e m e n t 简称o e m ) 2 4 ，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。o e m 主要包括以下部分： ( 1 ) 电厂监测站( p l a n tm o n i t o r i n gw 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： ( 2 ) 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； ( 3 ) 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； ( 4 ) 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： ( 5 ) 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； ( 6 ) 经济模型：以比率方式( 元d , 时) 计算既定配置的运行费用并对费用进行累计。 同时，美国e r p i 在热力系统热效率研究软件也取得了成果 2 5 。单元机组热效 率是衡量整个电厂效益的一个重要因素。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，美国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v t r g i n 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 ) 【2 6 】，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 6 重庆大学硕七学位论文1 绪论 g o u d e y 电站8 号机组上。 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 面己远远走在前面。他们分别开发研制许多电厂性能监测和诊断的软件2 7 珈】。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。目前已进入商业性应用的软件大多具 有以下功能： ( 1 ) 有效化测量数据； ( 2 ) 实施分析电厂性能； ( 3 ) 诊断运行中出现的问题； ( 4 ) 分辨出某一单独设备的性能下降隋况： ( 5 ) 进行不同燃料、不同运行策略仿真： ( 6 ) 计算维修以后获得的利益； 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 e m ) 系统为电厂热力系统热经济性在线监测系统 提供了必要的技术支持。 我国的电厂性能在线监测软件开发的工作起步较晚，但也取得了很大的进展， 目前国内研究的主要有武汉水利电力大学的“电厂热力系统静态特性计算软件” 3 h ， 上海交通大学的“可组态的汽轮机组在线热经济性分析系统”1 3 2 ，东南大学的“全 图形化热力发电厂通用计算软件”【3 3 。以上的经济性监测软件系统中，不足之处在 于：一般的热力系统分析软件是针对具体的热力系统结构设计的，数学计算模型不 通用，一方面当机组的局部结构发生变化，诸如发生一些频率相对较高的事故工况 ( 如高压加热器切除、加热器短路等) 或一些辅助系统( 如喷水减温系统、蒸汽冷却器 系统以及工质泄漏与加热器水位波动等) 的投停时，软件难以及时做出机组性能的正 确评价。另一方面由于热力系统结构改变的不确定性，往往同样内容的软件在两个 不同的电厂甚至机组之间移植时，需要针对其热力系统特点重新设计和重新编程， 工作量大而繁多。因此软件鲜有实际具体应用。 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。但要达到国际的发展水平，我国在这方面还需要大量深入 的研究。 为了克服开发软件质量差、可靠性难以保证、成本增长难于控制、周期长、而 且维护困难。现国际上采用“工程化”的思想作指导来解决软件研制中的困难与混 乱，从根本上解决了开发软件产生的问题【3 4 】。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 基于上述考虑，按照“软件工程”方法，研制一种通用性强，操作简便，具备 热力系统组态功能，能指导现场技术人员和运行人员操作的在线热经济性计算和分 析系统是十分必要的。 1 3 论文研究的主要内容 对于开发电厂热力系统热经济性计算在线监测软件来说有软件界面友好化、软 件计算模型通用化、软件测点处理简单化、软件在线显示实时化等要求，为达到这 些要求需要做大量的工作，鉴于笔者水平以及时间有限，因此本文讨论的重点在于 软件的设计以及整体计算模型建立的工作，论文主要研究以下内容： l 、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子设备组成的复杂系统， 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。第二章首先介绍了电厂热力系统的分类以及各 主要部件，然后分析常使用的热经济指标，最后介绍热力实验的方法以及对开发软 件的指导作用。 2 、利用“软件工程”对软件进行分析以及设计； 首先利用“软件工程”中成熟的结构化分析( s a ) 对电厂热力系统热经济性在线 监测通用组态软件进行了需求分析，详细设计顶层以及下一层的数据流图、数据字 典。对系统中的每一个数据项进行严格的定义，对系统中每一个处理过程进行详细 的说明。然后利用结构化设计方法( s d ) ，划分软件的模块，设计本软件全面的框架。 3 、通过分析建立软件所需的计算模型； 针对我国目前所采用的加热器形式，首先划分基本类型的加热器。然后充分的 考虑到热力系统实际过程中的辅助汽水、以及余热、漏流量等都存在的情况下，推 导出适用于热经济性通用计算组态软件编程的通用加热器的数学模型。 讨论主蒸汽系统的矩阵热平衡方程式的物理意义以及排列规律，对各辅助汽水 的影响作了深入分析。建立本软件整体计算的骨架。 4 、对加热器设备经济性的深入讨论。 利用等效热降法就加热器设备的各种因素对热力系统的热经济性的影响作了定 量分析，扩展通用加热器模型的热经济分析。 找出可表述的实时监控加热器设备指标。 重庆大学硕士学位论文2 电厂热力系统分析 2 电厂热力系统分析 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【4 】。 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。以下重点介绍回热系统及其设备。 2 2 回热系统及其设备 2 2 1 回热系统的一般概念o ” 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。 做功能力法的观点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埔损。 热量法的观点- 气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。如图2 1 所示。 图2 1 回热抽汽系统图 f i 9 2 1r e g e n e r a t i o n e x t r a c t i o nc y c l es y s t e m 2 2 2 回热系统的设备啪1 1 ) 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雎力的不同，义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。 2 1 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：一是利用柜邻加热器汽侧压差，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。二是采用疏水泉，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束加以改善。采 1 0 重庆大学硕士学位论文2 屯厂热力系统分析 用疏水泵方式热经济性仅次于没有疏水的混合式加热器。 2 ) 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给水，同时 开启旁路向锅炉供水。 3 1 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。 4 ) 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。 5 1 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 3 热力系统热经济指标分析口7 1 2 3 1 热经济指标 计算实际运行回热循环热经济性指标的目的，是为了表明实际热力发电厂中热 经济的优劣，特别是变工况的热经济性，以便发现影响热经济性降低的各个主要因 素，提出优化运行方式的措施，更好地达到节约能源的目标。在实际火力发电厂常 使用的热经济指标有： 1 ) 发电机组的热经济指标： 汽耗量汽轮发电机组每小时消耗的蒸汽量k g , h d o ：i ! ! 竺生 ! 上 ( 2 1 ) ( h o 一吃+ g ”( 1 - 窆a s t s ) 汽耗率：d 。= 丝( 2 2 ) 热耗量：q o = d o ( h o 一 m ) + o z r g ， ( 2 3 ) 重庆大学硕十学位论文2 电厂热力系统分析 热耗率：g 。：一q o ( 2 4 ) 式中：p 。发电机输出功率k w 幻，再热蒸汽在再热器内吸热量k j k g ，一中间再热前抽汽做功不足张乃= 篙 中间再热后抽汽做功不足系数：乃= 瓦二h i - i h i 2 1 热力系统