用等效热降法分析机组热力系统的经济性

1、用等效热降法分析机组热力系统的经济性绪论等效热降是一种新的热工理论。在60年代后期,他首先由库兹湟佐夫提出，并在70年代逐步完善、成熟，形成了完整的理论体系。等效热降是基于热力学的热工转换原理，考虑到设备质量、热力系统结构和参数的特点，经过严密的理论推演,导出几个热力分析参量和等，用以研究热工转换及能量利用程度的一种方法。各种实际热力系统，在系统和参数确定后，这些参量也就随之确定，并可通过一定公式计算，成为一次性参数给出。对热力设备和系统进行分析时就是用这些参数直接分析和计算。等效热降既可用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统的局部分析定量。它基本上属于能量转化热平衡法。但是，它摒弃了常规计

2、算的缺点，不需要全盘重新计算就能查明系统变化的经济性，即用见解的局部运算代替整个系统的繁杂计算。具体讲，它只研究与系统改变的那些部分，并用给出的一次性参量进行局部定量，缺点变化德望经济效果。这种方法实践应用颇为简便。等效热降法主要用来分析蒸汽动力装置和热力系统。在火电厂的设计中，用以论方案的技术经济性，探讨热力系统和设备中各种因素的影响以及局部变动后的经济效益，是热力工程和热系统优化设计的有力工具。对于运行电厂，可用等效热降法分析技术改造，分析热系统节能技术改造，可为改造提供确切的技术依据。在热耗查定中，等效热降法对于诊断电厂能量损耗的场所和设备，查明能量损耗的大小，发现机组存在的缺陷和问题，

3、指出节能改造的途径与措施，以及评定机组的完善程度和挖掘节能潜力等，都将发挥重要作用。除此以外，等效热降法还是管理电厂运行经济性的好办法，它为小指标的定量计算提供了简捷方法，为制订指标定额和管理措施，以及改进运行操作提供了依据。同时，以此对电厂实施顶事热经济管理，也是提高运行管理水平和向管理要能源的重要途径。等效热降法不仅适用于凝汽式机组，同时也适用于供热机组，用以制定供热机组的工况图，分析供热方案和供热系统变化等方面的技术经济问题。等效热降法的特点是：局部计算的热工概念清晰，与一般的热力学分析完全一致，因此，容易掌握应用；其次，计算简捷而又准确，与真实热力系统相符，且无论用手工计算或电算都很方

4、便。分析问题时，这种方法能充分剖析事物的本质和矛盾，分清问题的主次，从而促进问题的正确解决。本文是通过对国产300MW火电机组和引进优化型300MW火电机组的技术特点的对比，然后应用等效热降法对两种机组的热力系统分别进行经济性分析，并做对比，提出优化建议。等效热降法的概念一、等效热降的含义对于纯凝汽式机组，1kg新蒸汽进入汽轮机后，其热降为 H = h- h (1)式中 h-新蒸汽焓， ; h-汽轮机排汽焓，。 对于回热抽汽式汽轮机，1kg新蒸汽进入汽轮机，其热降为H=（h- h）(h - h)-(h-h)-(h-h) =（h- h）(1-) (2) 式中 y= ； -抽汽份额 ； y-抽汽做

5、功不足系数； r-任意抽汽级的编号； z-抽汽级数。 比较式(1)和式(2)可知，HH 。但是，H和H又相类似，都是1kg蒸汽的实际作功。为了使H和H区别，称H为等效热降。等效的数量含义是回热抽汽式汽轮机1kg新蒸汽所做的功，等效于（1-）kg蒸汽直接到达凝汽器的热降，故称之为等效热降。二、抽汽等效热降 在某回热系统图中，假设有一个纯热量q进入No3加热器，使No3加热器抽汽刚好少抽1kg蒸汽，由于No3到No2加热器的疏水少了1kg，疏水在No2加热器中少放的热量为式中 -No3加热器疏水焓， -No2加热器疏水焓， 这个减少的热量由No2加热器多抽汽来进行补偿。多抽汽的份额为式中 q-1k

6、g抽汽在No2加热器中的放热量，。被排挤的1kg抽汽除No2加热器多抽汽外，还有（1-）kg蒸汽。这部分蒸汽凝结成水，通过No1加热器时，No1加热器要多抽汽，多抽汽份额为式中 q-1kg抽汽在No1加热器中的放热量，； -No1加热器中1kg凝结水的焓升，； -No3加热器排挤1kg抽汽被分配到No2加热器中的份额； -No3加热器排挤1kg抽汽被分配到No1加热器中的份额；No3加热器排挤1kg抽汽在No1、No2有抽汽份额，产生了汽轮机做功不足。所以，No3加热器排挤1kg抽汽在汽轮机中的做功为H （3） 式中 、- No3、No2、No1加热器的抽汽焓，。 就是等效热降，其符号为。 为

7、了计算方便，把Noj加热器排挤1kg抽汽在汽轮机中所做的功与抽汽在该加热器中放热量之比，称为该加热器的抽汽效率，其计算式为 （4）等效热降的计算通式 等效热降的计算从凝汽器开始,以图1为例进行分析。图1 No1加热器获得热量q后，恰好使其抽汽减少1kg，被排挤的这1kg蒸汽返回汽轮机继续做功到凝汽器，其等效热降等于实际焓降，等效热降为 （5）No2加热器获得热量后，恰好排挤了1kg抽汽，由于进入No1加热器的疏水少了1kg，疏水在No1加热器中好放热量，因而No1加热器要多抽汽，以便进行补偿。No1加热器多抽汽份额为 （6） No2加热器被排挤的1kg除分配一部分给No1加热器外，其余被排挤的

8、抽汽（）继续做功到凝汽器。其等效热降为 （7） No3加热器获得热量后恰好使其抽汽减少1kg其中一部分做功到凝汽器，另一部分分别做功到No2和No1加热器的抽汽口被抽出，用以加热增加的1kg凝结水。 No3汇集式加热器被排挤1kg抽汽，经过不同途径最终到达凝汽器，主凝结水增加了1kg，故No2加热器抽汽将增加，增加的抽汽份额为 同理，通过No1加热器的凝结水也增加1kg，No2加热器增加的抽汽份额，其疏水在No1加热器中放的热量为。这样，No1加热器的抽汽将增加，增加的抽汽份额为 第三段抽汽的等效热降为 将和代入上式，得 = = 如果No4加热器得到q的热量，也恰恰排挤了1kg抽汽，由于No4

9、加热器疏水在No3加热器中少放了热量，No3加热器就要增加抽汽，增加的抽汽份额为 剩余的抽汽经过不同的途径将到达No2加热器，使No2加热器增加抽汽，增加的抽汽份额为增加的kg凝结水，也将流经No1加热器。No2加热器中增加的抽汽份额，疏水在No1加热器中放热量。No1加热器的抽汽将增加，增加的抽汽份额为第四段抽汽的等效热降为 于是得 （8） 由式（8）可得出计算抽汽等效热降的通式： （9） 式中 r-加热器Noj后更低压力抽汽口脚码； -取或者，如果Noj加热器为汇集式加热器，则用代替；如果Noj加热器为疏水自流式加热器，则从Noj加热器以下直到（包括）汇集式加热器，用代替。各抽汽口等效热降

10、算出后，对应的加热器抽汽效率可由下式求得热经济学分析的目的、内容和功能以及理论甚础随着国民经济的不断发展，对于能源的需求也日益增长。统计数据表明:能源消耗量的增长率与国民生产总值的增长率接近正比的关系。能源的不足将会严重制约着国民经济的发展。针对我国能源紧张的问题国家制定了“坚持开发与节能并重，把节约放在突出的位置”的方针政策。而电力工业是耗能的大户，因此提高电厂设备的热经济性为当前节能工作的一项重要内容。对于电厂机组的各项性能和热经济指标进行分析和计算是分析电厂热经济性和节能程度的一项最为主要的措施。 在原有的热经济分析多数是以热力学第一、第二定律为主要核心开展的，主要是提高能源的利用效率上

11、进行研究与考虑。但是随着我国改革的进一步的深入，企业的自负盈亏、自主经营渗透到各个企业部门，电力工业企业也不例外。这样企业关心的就不仅仅是如何节约能源，而主要把重点放在了与企业发展密切相关的经济效益上来。这样对于热经济性的分析又提出了新的任务，既如何充分考虑节能与节钱的并重.“节能但不节钱”的现象是任何企业都不能接受的现象。于是考虑到经济因素的热经济学的研究就由此发挥了它的自身的特点来解决其它分析方法很难解决甚至不能解决的问题，尤其是不同质量能的定价问题。总体 上 讲 对于热力系统的经济性分析，迄今己经存在了三种基本的工具和方法:1. 能量分析法2. 佣分析法3. 热经济学分析法。为了便于以后

12、的分析研究现对如上的各种方法进行比较。分析方法：能量分析法、佣分析法、热经济学分析法理论基础：热力学第一定律能量平衡综合运用热力学第一定律和第二定律佣平衡综合运用热力学分析原理与经济学理论和方法评价能量过程的准则能量利用率：有效的能量输出与输入系统的能量的比值佣效率有效利用的佣与系统消耗的总佣的比值给出的结果为经济量纲的量可直接用于方案的比较与决策涉及的环境：无环境问题，只涉及参数计算的基准，只涉及一个物理环境除物理环境外还涉及经济环境分析方法的实质能量在数量上的平衡既考虑能的量又考虑能的质。追求能盘品位的最佳匹配综合运用热力学原理和经济学准则，追求经济效益的最佳效果欠缺和目前存在的问题，只注

13、重能量的数量而忽视能量的质量，因而不能确定不同品位的价值，不能正确地指导合理地利用能，也不能正确地指出系统内节能潜力的所在合理地解决了质与量并重地分析能且系统的问题，但只能给出佣损的原因分布和量而不能给出确切的佣价、佣成本以及成本形成的规律，未涉及经济因素因而其计算结果只能提供方案的选择解决了前两种方法的局限性，但目前还在发展出现了很多模式，这些模式都有特于进一步完善，特别有利于在工程时间中推广和应用现在我们专门来讨论一下热经济学。热经济学又叫佣经济学，是一种把热力学分析与经济因素统一考虑的交叉学科。它是在佣分析的基础 上发展起来的，又为佣方法进一步实用化开辟出一条新途径。一般来说对于一个工程

14、系统的技术方案的最终决策，除了在技术上优越还必 须在经济上合理，佣分析可以给出技术上最优化的方案，提供技术决策参考。当然佣分析主要还是侧重于技术方面的讨论，而热经济学分 析就兼而考虑技术和经济两方面的因素进行优化，提供技术经济决策的依据。长期以来随着工程技术的发展和庞大而复杂的工程系统的出 现人们就探求对这类力系统和能量系统进行分析和设计的新方法。热经济学之所以能够提供技术和经济两个方面的决策依据是由于是交叉了热力学和经济学的两个学科.其具体思路是把要分析的系统放在两个环境中去进行考察:一个是物理环境，描述这个环境的参量是热力学的物理量如温度、压力和化学势等.另外的环境则是经济环境，描述这一环

15、境的参量是一系列的经济信息如价格、成本和利润等。物理环境是自然环境，受着能量守恒等一系列自然定律的约束;经济环境虽然不受这些自然环境的约束但要遵循一切自然规律而不能违反。当然影响经济的因素是多方面的、多性质的，因而对于经济的因素就常表现出一些不确定性.这样在两个不同的环境中，进行统一分析就构成了热力学和经济学交叉的热经济学。既然 热 经 济学分析是放在两个不同的环境中，就使得其理论的基础涉及到两个不同的领域，其一就是热力学基础，主要研究热力学涉及的物理环境，相应的质量守恒定律、热力学第一定律、热力学第二定律就成为研究分析的主要理论基石。所有涉及到物理环境的影响都受到上述规律的约束。另外的研究基

16、础就是经济学基础，在这个领域里面主要以成本守恒定律为主要的分析工具，对热力系统所研究的对象进行经济因素的分析。正因 为 热 经济学是结合了热力学和经济学两门学科，同时比较其它的方法它更加侧重于从经济的角度对热力系统进行经济性的分析。于是在热经济学分析中能量的定价问题是首当其冲要解决的问题，它是把热力学的物理量转化为经济学量纲的关键，是联系热力学与经济学的桥梁。在本论文我们会对于能量定价法则的问题加以讨论。在确定好能量的定价法则的基础上热经济学主要在两个方面的应用发挥着作用。(1) 能量的价格化、成本化。也就是对于不同品位的能在热力系统的生产流程的不同的部位进行合理的定价，再根据相应的能量成本的

17、比较分析而得出运行与设计情况下达到最佳经济效益的条件。同时也可以比较设计状况下与运行状况下的能量成本而进行相应的故障的诊断。(2) 热力系统的优化。我们说热经济学是处理能量系统求取最大效益的系统工程学，主要指热经济学的优化方面的运用而言.因为系统是十分复杂的，由一些设备和子系统组合在一起来完成一定的功能，故系统是一个有机的整体，系统的任何部位变化的影响都是全局的，即有牵一发而动全身之势.如何恰当地选定设计或运行时的各自的物理参数使热力系统的经济效益最高便是热经济学另外要解决的问题。热经济学分析在国内外的发展现状和趋势热经济学从其诞生(50年代末)迄今己经有50年的历史，50年的理论开拓和工程应

18、用验证了它是一门全新的学科，是热力学分析与经济因素的巧妙结合而创造出的求解能量系统中复杂问题的强有力的工具，这不仅是减少计算步骤而省时，更重要的是它能求解常规方法很难甚至是无法解决的问题。以1986年为界可以把热经济学近50年的发展分成两个阶段:1986年前的35年为其前期发展，而1986年以后则可以称为近期发展。(1) 热经济学的前期发展与其它的学科一样，在其开始出现分歧而不统一而呈现出不同的学派、不同的模式以及不同的方法论。例如MJCribu:学派的孤立化模式热经济学Dl:R-Gaggioli学派的代数模式热经济学;Bayers花了10年(1970-1979)开发了结构法，Kotas把它应

19、用到热力系统的分析并创造了结构键、外部键(CSB,CEB)两个系数，因而出现了结构系数模式热经济学n,雅典大学的C.Frangpolous在英国乔治亚大学由Evans指导论文时开发了热经济学功能分析法而形成了功能模式热经济学317;波兰的M-Von-Spakouvsky开发的工程功能模式与C.Frangpolous的相差无几。前苏联的V M.Brodysky的佣技术一经济模式是在前苏联通用的技术一经济比较法的基础上以佣平衡代替能平衡而形成的;波兰的Szargut开发了累积佣方法用于热经济学也形成了自己的模式，加上A.Valero等人开发的佣成本理论0又在此基础上开发了符号佣经济学以及扰动理论等

20、总计不下10种模式.因此前期的发展是分散的、多中心、多模式的.(2) 热经济学的近期发展在前期的多模式多方法论的发展基础上，热经济学开始了由各行其是走向了集中统一的发展道路上来，以下的几件事情可以说明热经济学的统一的发展.1. 1986年Valero等人发表一批论文后，接着发表了一篇强调通用性的文章，典型的有“AG eneralTh eoryo fEx ergyS aving"。在此标题下连续发表了三篇文章:" On The Exergy Cost", " On TheThermoeconomics", "Energy Sav吨and

21、 ThermoEconomics"1Zle2.1987年Tribus学派与Gaggioli学派之间也感到有些问题需要协调，El-sayed和Gaggioli合作发表论文两篇，题为“AC riticalR eviewofSe condLa wC ostingM ethods"3't，在若干的问题上达成一致，为集中统一作出贡献，3到了1989年，Valero等发表文章直接号召统一，论文题目是，"OnT heU nificationo fT hermoEconomicsT heories"130.4.Valero与 Tsatsaronis合作，特别是在

22、佣成本和佣定价法则的方面取得了进展，如共同发表的“LIFO法则”。Lazzaretto与Tsatsaronis合写的论文”OnT heQ uestfo rO bjectiveE quationsin E xergyC osting"文中又提出”AVCO法则”1181，这些都是统一化和规范化所做的必要准备. 5.更近一步，他们团结合作选定一较复杂的系统以4个人第一名字的首字母命名为CGAM 问题.命名后4人分别用各自的方法论求解此共同的问题.1994年他们同时在ASME的Energy增刊上发表所计算的结果，相互间的误差未超出工程上允许的范围.这样做的目的是考察4种理论所代表的方法论的差

23、异，并取长补短为统一化做准备.6. Tsatsaronis和Valero还有多种合作的方式，如互派访问学者，交互培养研究生等.1998年发表的“Comparisonof Th ermoEconomicsMethodologies"就是在上述工作的基础上由.Tsatsaronis派往那里去的Erlach撰写的.7. 1999年Erlach又与LuisS erra和Valero共同发表题目为"StructuralTh eorya sSt andardfo rTh ermoEconomics"的论文，提出共同使用结构理论的建议.(3 ) 国内在佣经济学倾城的研究王清照等

24、将、'slew提出的结构分析法应用于发电厂的用能分析中阵，华责和陈清林等提出的反向佣计价方法来解决回收佣计价的难题l:，王加漩等开展了网络热经济学的研究，华责等将热经济学应用于过程系统的分析和优化，并在其提出的过程系统的能量结构三环节模型基础上建立了严格的佣经济分析模型181。当前热经济学分析存在的主要问题当前热经济学分析存在的主要的问题如下:1.正如前面所讲热经济学正处于发展的过程中，因而新的模式和方法将不断地涌现出来，这样就会出现令使用者眼花缭乱的模式和方法以及相应的概念。使得应用起来应用者不能进行恰当的选择模式和方法论。2.另外对于热力系统的不同方面的经济性的统一进行分析与建模的

25、研究很少提及，使得不同的分析彼此之间相互独立.3.对于具有通用和灵活的建模的研究很少. 我国30万千瓦火电机组运行情况我国国产（上海产）第一台30万千瓦机组于1972年在望亭电厂投入运行。以后不久，引进的国外30万千瓦机组（法国、配苏尔寿锅炉）元宝山电厂投产。1987引进美国技术由我国制造的30万千瓦机组于石横厂投入运行。到1987年底为止，全国已有17台30万千瓦机组在运行。望亭电厂两台国产30万千瓦机组最长连续运行天数达到210天，年运行小时数和发电量接近进口机组。但国产机组的检修间隔较长，另外在运行经济性、调峰性能、自动化水平等方面，国产机组与国外同类型机组相比，仍有较大的差距。几种30

26、万千瓦机组热耗、煤耗对比如表电厂名称蒸汽参数（兆帕/）燃料供电煤耗（克/千瓦小时）厂用电（%）热耗（大卡/时）予检修期（年） 望亭 165 550/550油3391993元宝山177 540/540煤3471899邹县165 535/535煤3631962（设计）5石横170 538/538煤325（设计）51930（设计）国产30万千瓦机组平均360（设计）7.751970（设计）1一 机组设备情况 石横、邹县和石洞口电故的机炉设备分别为引进美国CE公司技术制造的设备。东锅自然环炉与上汽的N300165/550/550型汽轮机匹配的设备、上锅直流与上汽相匹配的设备。这3种锅炉的主要设计参数如

27、表2所示。表2 锅炉主要设计参数参数名称单位一锅直流炉东锅自然循环炉引进美国CE技术控制循环炉额定蒸发量t/h10001000922.3过热蒸汽出口压力Kg/cm2170170186.4过热蒸汽出口温度5555555406再热蒸汽流量t/h 8308548284再热蒸汽流温度325/555335/555324/5406排烟温度130不大于145143锅炉设计效率%905291278701锅炉型式型单炉膛中间再热、强制循环燃煤炉单炉膛、中间再热、自然循环燃煤炉单炉膛、中间再热、炉前布置3台炉水循环泵、控制循环炉石横电厂是我国首次引进大型火电设备制造技术的发电厂工程。电厂设计是引进美国的WBASC

28、O公司技术，锅炉、汽机、发电设备分别从美国燃烧工程公司和西屋公司引进制造技术，并购置部分零部件，由上海锅炉厂、上海汽轮机厂、上海电机厂制造。辅机设备采用国外购置、引进技术后在国内制造、引进样机仿制、国内产品改型等4种。与该工程配套的FOX1/A监控计算机系统是从美国FOXBORO公司引进的，用于生产过程监控的计算机系统。石洞口电厂的机炉是上海锅炉厂、上海汽轮机厂在原国营企业产30万千瓦机组的基础上进行完善改造的第一代产品。该锅炉的主要改进有由双炉膛改为单炉膛；采用并联烟道档板式代烟气再循环来调节再热器温度；配备了FSSS炉膛灭火保护系统；汽水系统的设计。除满足启、停及正常运行外，还能满足实现F

29、SB和RB及MFT等工况产要求；在受热面的设计上采用了降低炉膛热负荷，对流受热面全部采用顺列，采用大口径管子并放大横向净空尺寸等措施，提高了受热面的安全性；改善膨胀不畅通和漏烟、漏灰方面问题；空气预热器改用两台转子直径为10。33米的三分仓容克式旋转预热器；钢架有原来的混泥土结构改为用高强螺栓连接的全钢结构。汽轮机的主要改进有增加现场调节系统仪表盘；主汽门的油动机启动油路改进；磁力断路油门改进；危急遮熠及复位装置改进；增加辅助油门控制器。二 机组设备的运行的情况 从全国已投运的30万千瓦的情况看，主要有三种类型（其主要运行特性见表3） 表3运行厂项目上炉直流炉（石洞口）东锅自然循环炉（邹县电厂

30、）引进美国CE技术控制循环炉（石横电厂）年运行小时数（小时/年）49335（1988年2月13日移交生产至10月底）1号炉68002号炉72671号炉80001号机7700投运以来启停次数（次）301号炉5次、2号炉3次（均为1988年1月至10月底计数）116最长连续运行天数（天）>5513684供电煤耗（克煤/度电）353<359340锅炉运行效率（%）9288不投油最低出力24万千瓦左右时水冷壁管发生横裂18万千瓦时能稳定运行14万千瓦时能稳定运蒸汽参数主汽温、再热汽温都只能维持525左右主汽温能维持540主汽温能维持540炉膛密封结构炉膛密封较差炉膛密封较差炉膛密封性能好运

31、行维护比自然循环炉复杂基本上是同国产20万千瓦锅炉类似运行维护要求高，特别是自动控制部分成本造价（元/千瓦）100012502500注：该效率是按美国ASEMPTC4.1锅炉机组性能试验规程和其他有关的部分标准试验计算得出，若用国内现行的锅炉热效率计算方法得到的锅炉效率为92.5893.42%.第一类型是上海产直流炉机组。如：姚孟电厂1号机的935t/h亚临界压力中间再热式燃煤直流炉，望亭发电厂12、13号机的1000t/h亚临界压力中间再热式燃油直流炉，姚孟电厂2号炉、谏壁电厂7、8号炉的1000t/h亚临界压力中间再热式燃煤直流炉，石洞口发电厂的1025t/h改进型单炉膛亚临界直流炉。第二

32、类型是东方产自然循环炉机组。如：皱县电厂1、2号炉的1000t/h亚临界自然循环汽包炉。第三类型是引进美国CE公司技术的机组。如石横电厂1、2号炉的1025t/h亚临界控制循环炉。对等效热降法的深入讨论基 本 概 念为了便于论文的讨论，先在此处对一些概念进行分类归纳：主循环系统与辅助循环系统主循环系统: 理想的抽汽回热加热系统，它没有诸如泄漏、抽汽压损、端差此类的影响热经济性的因素。辅助循环系统:实辅助系统：在主循环系统之上附加了实物结构，从而影响主循环系统的循环功和抽汽量，比如利用轴封漏汽的回收系统。虚辅助系统：由实际热力系统的结构造成对主循环系统的循环功和抽汽量的影响，比如端差、抽汽管道的

33、压损等。标准上况与实际工况标准上况将制造厂方提供的设计工况做为标准工况，在此工况下的各段抽汽等效焙降和抽汽效率作为己知的热力参数，这些参数在计算中取不变的值实际工况实际过程中的每一时刻的真实工况。每一工况对应相应的汽态线，不同的汽态线对应不同的参数，也就是说真实的抽汽等效焙降和抽汽效率时刻都在变化局部算法与整体算法局部算法整体算法先选定标准工况，运用该标准工况下的热力参数计算出各段的等效焙降和抽汽效率作为己知的热力参数，然后根据它们来确定运行工况(不一定是额定负荷)偏离标准工况时对机组热经济性的影响夕在计算热经济性指标的变化时，只需对引起变化的局部进行核算，而不必对整机进行全面热平衡计算。不选

34、定标准工况，热力系统(汽轮机相对内效率)每变化一次都要对其进行一次重新的等效热降和抽汽效率的计算。燃料产品的概念在热力系统计算中的应用热力系统是电厂的一个核心部分，伴随着单机组容量的增大也带来了当代热力系统(原则性热力系统而言)变的越来越复杂与多样，因此不论是电厂的设计还是运行，掌握热力系统分析的计算方法和研究热力系统的分析计算是至关重要的。现在比较普遍的电厂热力系统分析主要是依据第一定律分析的方法，因为这种方法简单易行因而通常的热经济分析主要是针对此方法，但是由于第一定律的分析通常只着眼于能量的数量而不能反映能量的质量因素，因而其分析结果不能全面反映问题的实质，因而以第二定律为核心的佣分析得

35、以发展来综合考虑质、量两方面的因素.但在以经济为主导的生产实践中却使得以上两种方法又同时显示出“节能而不节钱”的企业所不能接受的局面，于是以经济为核心的热经济学分析将热力学与经济学结合起来使得热力系统的分析更具有实际的价值。显然以上的热经济性分析都有着各自的着眼点，正是由于着眼点的不同而导致各自的研究都有所偏重。但对于能够将以上三种情况综合分析而给出三者均实用的模型却没有论及.本章就是引A.Valero提出的燃料，产品的概念而建立一个通用的模型使热力系统的分析能够成为一个统一的整体。第一节 热力系统计算的三个层面一 .以能量数量为核心的第一定律分析是在卡诺和克劳修斯所奠定的理论基础上经过长期的

36、运用而形成的利用系统能平衡概念进行分析的方法。它可以进行各种技术经济指标计算，从而评估其完善程度。其方法论是把所分析的系统与卡诺理想循环进行比较，看它能接近的程度来评价其优劣.对于全厂原则热力系统的热经济性指标关键在于汽轮机的热经济性，回热系统又是全厂热力系统的基础，为此全厂的热力系统计算的核心是求得汽轮机各级抽汽量、凝汽量、总体功率。而求解各级抽汽则是问题的关键。因为求解出各个抽汽份额后只要利用汽轮机的功率方程式便把总体效率计算出来，因而所有的问题转移到求解抽汽份额的问题上来。其计算原理就是利用能量平衡方程、质量平衡方程构造方程组进行联立求解。整个计算过程可以是相对量也可以是绝对量，传统的计

37、算方式是采取定功率法、定供热量法以及定汽耗量法。二 .以吉布斯的理论为基础，利用热力学势的概念而形成的第二定律分析法。吉布斯所推导出的自由拾和亥姆赫兹推导出的自由能分别成为开口系与闭口系的计算基础，进而演化成为第二定律分析中的“佣 ”，就是以工质的实际作功能力来对系统进行评价。而这里的评价主要是对系统的形成组元来评价，所有的过程是基于第一定律分析后求解出抽汽份额而进行的，并且对于系统的每一股能量流的佣值给以列出。对于不同的组元如锅炉、汽轮机、加热器等将采用不同的分析细节来进行。其最终的分析结果将以佣效率而体现出来。在热力学分析中，我们使用热效率，该指标因受理论基础的限制，将输入输出的能量等同起

38、来因此它是不完善的，随着热力学第二定律的发展产生了新的性能指标即热力学第二种效率，佣效率。但是佣效率的定义是很复杂的，因为不同性质的系统和设备以及不同的使用目的等都对佣效率的定义有着不同的要求，因此出现了不同的佣效率.Ill传递佣效率;系统或设备输出佣的总和和输入佣的比值就定义为传递佣效率。其特点是I:普遍适用于一切过程。11:只表征系统或设备的内部热力学完善性.m:不反映系统或设备中过程的性质与目的.因为它把有用的输出和无用的输出都笼统地看成系统的输出，因而不能区别不同的情况真实地反映系统或设备的热力学完善程度。从本质上它所表征的只是系统或设备中过程的不可逆性对于热力学完善程度的单一影响。实

39、际上它使用于传热，流体传输以及轴功传递等过程。2l目的佣效率:达到目的所得到的佣与付出代价所消耗的佣的比值定义为目的佣效率，本论文中所涉及的佣效率便为此类佣效率。效率=%vorpoee/Eexpen，其中+gnpoeaE VnrveeaaltE gvpoeafnf E eavenssEexpenseinE exveneawt由佣效率的定义我们可知热力系统组元的佣效率应是目的佣效率。三 .结合热力学与经济学的热经济学分析.热经济学相对以上的方法则更注重于经济学的成分，其最终结果将用经济学概念体现出来.另外热经济学也是解决常规方法所不能解决的工具。其基本思路是把要分析的系统放到两个环境中去进行考察

40、，一个是物理环境，描述这个环境的参量是热力学的物理量，如压力、温度、化学势，另一个则是经济环境，描述这个环境的是一系列经济信息，价格、成本和利润。物理环境是自然环境，受着能量守恒等自然定律的约束;经济环境虽不受自然环境的约束，但却要遵循经济规律。正因为如此，使得成本平衡方程的引进是热经济学分析区别于以上两种分析的关键点。于是寻求封闭的成本平衡方程组是首要的问题。当然这里谈到的不包括热经济学优化的问题。各种热经济学模式中以会计模式最能体现该思想。其数学模型为AxC=Cn其中A是以事件矩阵以及补充方程构造的矩阵，对于事件矩阵的规则为au=+1:代表第J股佣流输入第i个子系统，-1:代表第J股佣流输

41、出第i个子系统，0:代表第J股佣流既不输入也不输出第i个子系统。补充方程建立的原则为:1子系统的任何非产品性的输出佣单价与输入佣单价相等。【幻子系统内所有的产品佣流的单位佣价相等。C为佣流成本向量C-C,C2 ,C9 .C . ,C,=CJXEJ* C_为子系统n的非能量成本向量。该方法的目的是求解出成本向量C,ci =m(元/KJ)。而对于A.Va ler。的佣成本理论的引进实际上是最终的体现形式单位佣成本。=m (KJ/KJ)既每生产一单位的产品需要付出的佣量，或以佣成本体现。，=m (KJ)(生产第i股流所付出的佣量).其数学模型为AxB*+Y*=0.A= A ,a T, Y '

42、 =0 ,-w TB*为佣成本向量Bi=m(KJ)，而对于单位佣成本则为K*=B*B即可。同样可知求解的关键在于构造矩阵A。同样对于热经济学成本的模型为Ax11 +Z=0,Z= Z ,-C :w。总之如何构造事件矩阵使之封闭是求解热经济学各种成本的关键。第二 节 傲料、产品概念在三个层面的运用以及各自建棋原理我们在前面提到了热经济性分析的三个层面，并且提出了燃料产品的概念，现在我们就要研究燃料、产品的概念是如何在这三个层面中的运用的。第一 层面的应用.前面提及第一层面的分析主要是针对求解抽汽份额的问题，因而准确地构造出封闭的热力系统方程组是很重要的。如论提高国产30万千瓦汽轮机的经济性第一节

43、与进口汽轮机的经济性比较1热耗表1列出了国内外30万千瓦级汽轮机的热耗数据。从中可以看到，进口30万千瓦级汽轮机较先进的热耗约为19201930kcal/Kw.h.由于影响汽轮机热耗的因素甚多，为了便于比较，通过热平衡计算将国产30万千瓦汽轮机组的蒸汽参数、给水温度，厂用汽量、给水泵组效率和加热器端差等条件下的热耗修正到石横电厂30万千瓦机组的状态（表2）。结果表明，国产30万千瓦汽轮机比进口同级机组的热耗差3%或更多。表1 国内外30万千瓦级机组的热耗电厂石横宝钢大港陡河元宝山谏壁制造厂上汽日本三菱意大利日本日立法国CEM上汽许可证美国威斯汀豪斯美国威斯汀豪斯美国GE美国GE法国CEM上汽容

44、量（万千瓦）303532.52531.330主蒸汽压力（ata）169.8170170170181165主蒸汽温度（）537538538535540550再热蒸汽温度（）537538538535540550给水温度（）272.4274.7290.6272262263背压（ata）0.0550.050.050.040.060.052保证热耗（kcal/kW·h）193019171880.7193118961990实测热耗（kcal/kW·h）#1:19351889.17#3:1910.21899.331976*#2:1907#4:1914折算到汽泵的保证热耗（kcal/kW&

45、#183;h）193019171918.3193119341990折算到汽泵的实测热耗（kcal/kW·h）#1:1935#3:1910.2#2:19071927#4:19141937.71976*排汽口数×末级叶高（mm）2×8692×8512×8512×8512×8674×700*考虑老化修正和有厂用汽时的实测热耗（老化修正按IEC文件B）表2 国产与石横电厂30万千瓦机组热耗的比较石横30万千瓦机（威斯汀豪斯许可证）国产30万千瓦机*修正系数初压Ata170165-0.0025初温538550+0.0034再

46、热蒸汽温度538550+0.0024背压Ata0.0550.052+0.0017给水温度272.4263-0.0015过热器减温水kg/h285700+0.0005给水泵汽轮机汽耗焓降kg/h/kcal/kg34988/185.253400/181.2-0.01204给水泵焓升kcal/kg6.18.64+0.003厂用汽量kg/h020000+0.1256抽汽管道压损6% 6% 6% 6%6% 4% 6% 8%06% 6% 6.7% 7%6% 4% 6% 6%加热器端差3,3,3,23,3,3,0+0.00010,0,0,-20,-1,0,-1疏水端差5.5,5.5,5.5,5.522,40

47、,39,22-0.0020,5.5,5.5,5.50,8,8,8总修正系数+0.00542热耗（保证/实测）kcal/kW.h1930/-1990/1976(2020)#折算热耗（保证/实测）kcal/kW.h1930/-2001/1987*不考虑老化修正和无厂用汽时的实测热耗*所有国产机的参数都以设计为准2. 通流部分效率表2中热耗的比较已经过了参数和系统的修正，因此，国产机组热耗差的原因是由于通流部分效率偏低所引起。通流部分包括进汽管道（包括主汽门与调节阀）、中间再热管道（包括中联门）和排汽通道；高压缸、中压缸和低压缸的叶片通流部分。前者的衡量指标是压降，后者的衡量指标是效率。各管道压力

48、进汽管道 国外大型汽轮机的主汽门和调节阀的设计总节流损失一般为34%，并且在多数阀门全开时实测小于设计值。国产30万千瓦汽轮机这项设计总节流损失为4%，但谏壁电厂8号机即使在30万千瓦负荷下的实测值（表3）也大大超过设计值。其中主汽门的压损为1%左右，是合理的。由于调节阀压损大,使进汽阀门的总压降接近6%，大大超过设计值。这将使高压缸效率下降1%左右，机组热耗相应提高0.2%左右。 中间再热管道 中间再热管道从高压缸排汽至中联门进汽的压降为11.56%，而设计值为10%，国外一般设计值为810%，但这部分损失不属于汽轮机通流部分。中联门的压降设计值为2%，但电厂实测值约8.1%，这将使中压缸效

49、率下降2%左右，机组热耗相应提高0.67%左右。 排汽缸或排汽通道 国产30万千瓦汽轮机排汽缸的总损失系数略小于1.0。而从威斯汀豪斯公司引进30万千瓦汽轮机的排汽缸，其总损失系数根据不同容积流量为0.70.9，如果以总损失系数0.98与0.75（设计流量下）相比，影响机组热耗约0.2%。叶片通流部分内效率到目前为止，国内已有6台进口30万千瓦级机组做过验收试验。表4列出了部分机组的计算与实测内效率。由于进口机组的验收试验均为总体试验，因此未能推算出低压缸内效率。但就表中数据可以看出进口机组各缸通流部分的效率水平（包括进汽阀门压损）大致如下。高压缸效率：81% 中压缸效率：92% 低压缸效率：

50、87% （中低压缸效率90%）表3 国产30万千瓦汽轮机进汽阀门的压损主汽门前主汽门后调节阀后（共四只）#1#2#3#4（未开）压力ata158.2156.7146.7151.3149.4118.2压损ata1.5105.47.325.9%0.95平均4.8表4 国内外30万千瓦级汽轮机通流部分的内效率高压缸中压缸低压缸中-低压缸计算值实测值计算值实测值计算值实测值计算值实测值威斯汀豪斯（石横）85.291.887.790日立（陡河）#38480.492.391.4#481.393.9三菱（宝刚）#183.4*79.592.890.486.790#279.392.5上汽（谏壁）#882.379

51、.5988.986.283.7578.488.485.2*调节级为双列级而国产30万千瓦机组通流部分的实测内效率（包括进汽阀门损失）为：高压缸效率：79%（80%）*中压缸效率：86%（88%）*低压缸效率：78%（中-低压缸效率85%）从内效率的比较来看，国产机的低压缸内效率的差距较大。各缸内效率与机组热耗的关系热耗可用下式表示：其中：-锅炉吸热量；、-分别为高、中、低压缸的折算理想热降（考虑重热）；、-分别为高、中、低压缸的内效率。假定锅炉吸热量不变，对（！）式进行对数微分，得: （2）其中：、-分别为高、中、低压缸的出力。上式仅适用于非再热式机组，且未考虑前缸对后缸的影响，为此作以下修正

52、。高压缸内效率的变化对热耗的影响要比再热后内效率的影响小。这是因为高压部分内效率提高后，高压部分出力增加，但同时再热器的入焓口（或高压缸排汽焓）下降。在不影响再热器出口状态下，再热器吸热量必须等量增加860×。换言之，高压部分效率提高后，实际收益仅为：其中：-汽轮机装置效率，即（2）式的第一项应乘以因子提高中压缸效率同样能增加出力，降低热耗。但中压缸效率提高后，会降低低压缸进汽温度，增加排汽湿度从而使低压部分内效率恶化；并且使低压部分的抽汽量有不同程度的增加。因此，中压缸内效率提高所带来的好处，并不能全部转移到机组的热耗上去。故在（2）式的第二项上，应乘以小于1的因子，对再热凝汽式机

53、组，可取=0.700.75。低压部分效率的变化对机组热耗的影响最大、最直接，而且越接近排汽口越大。所以在改善汽轮机通流部分内效率时，如果高、中、低部分各级有相似潜力的话，则低压部分对热耗的影响最大。综上所述，再热凝汽式汽轮机组的热耗与各部分内效率的关系可以写成： （3）对国产30万千瓦汽轮机，（3）式还可以写成 （4）根据国内外机组各缸通流部分内效率水平的差异，加上阀门压损大的影响，代入（4）式可以得出国产机热耗比进口机的热耗高5.5%左右。该值与表2中热耗相差5.0%（2020-1925/19255.0%），较为接近。 二. 改进方向1. 进排汽管道气动性能的改进从以上比较可以看到，虽然国产30万千瓦机组各管道设计压降都与进口机组相近，但实测值却大大超过设计值。所有这些超值总共影响热耗值达0.9%。因此在这方面应该充分引起重视，但各管道的情况又不完全相同。进汽管道 进汽管道主要压损大，发生在调节阀。其主要原因是由于各阀的重叠度大所造成。因此除了要改进气动性能设计外，调节阀应采取单独油动机，以减少重叠度。此外，还应注意减少重叠后对调节级叶片强度的影响。改善中联门压损主要应从改善气动性能着手。排汽缸的改进 国产30万千瓦汽轮机配700毫米长末叶片的后汽缸装有两片悬浮式导流环的径-轴流扩压管和前斜壁式蜗壳结构。有关试验结果指出，由于末级动叶出口平面至后侧壁的轴向尺