MW机组热力系统热经济性分析及优化李岩 ().docx

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1、 国内图书分类号： TK261 国际图书分类 6 2 1 .1 学校代码： 10079 密级：公开 工学硕士学位论文 1000MW机组热力系统热经济性分析及优化 硕 士 研 究 生 李岩 导 师 田松峰副教授 申 请 学 位 工学硕士 学 科 动力工程及工程热物理 专 业 热能工程 所 在 学 院 能源动力与机械工程学院 答辩日期 ： 2011年 3 月 授予学位单位：华北电力大学 Classified Index:TK261 U.D.C:621.1 Thesis for the Master Degree in Engineering Thermal Economy Analysis and

2、 System Optimization for 1000MW Power Plant Candidate： Li Yan Supervisor： Prof.Tian Songfeng School： Date of Defence： School of Energy Power and Mechanical Engineering March, 2011 Degree-Conferring-Institution ： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 1000MW机组热力系统

3、热经 济性分析及优化，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作 者 签 名 ： 曰 期 ： 年 I月 1/ 曰 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 lOOOMW机组热力系统热经济性分析及优化系本人在华北电力大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北 电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 华北电力大学关于保存、使用

4、学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，允许论文波査阅和借阅。本人授权华北电力大学， 可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框 内打 “ V”) ： 保密 ，在 年解密后适用本授权书 不保密口 作者签名： 泰 t 日 期 ： 年 月 V日 导 师 签 名 曰 期 ： 丨 年 T 月、 日 火电机组热力系统热经济性分析是火电厂节能降耗工作的基础环节，也是机组 进行热力试验、热力系统结构优化以及降低发电企业生产成本的重要环节。因此， 本

5、文从火电厂热力系统节能角度出发，以某引进型 1000MW机组的热力系统为研究 对象，进行热力系统热经济性分析及优化是十分有必要的。 本文以基于热力学第一定律的矩阵分析法和等效热降法为理论依据，定量计算 了该机组典型工况下的各项热经济指标，与传统热平衡法相比，本文方法较为简洁 , 且误差在允许的范围内，满足工程实际的需要。主要研究了以回热系统为核心的热 力系统受到外界扰动因素影响时，机组热经济性产生的变化。建立了加热器端差变 化、抽汽压损变化、喷水减温水量、加热器散热、高加解列、凝结水过冷度等扰动 因素对机组热经济性影响的通用矩阵计算模型，简化了局部热力系统的定量计算过 程。并以额定工况为例，定

6、量分析计算了实际运行中各扰动因素变化对机组热经 济 性影响的大小。 借鉴国内同类型机组的改进经验，从热力系统的参数、结构、设备等方面着手。 以额定工况为例，定量分析了加热器疏水系统不同连接方式、蒸汽冷却器不同布置 方式、高压加热器不同布置形式、给水泵不同配置方案、轴封溢汽不同回收利用位 置等对机组热经济性的影响。在以保证机组安全可靠运行为前提的基础上，对上述 局部热力系统进行结构优化，提出了优化改造方案，进一步完善该机组热力系统， 充分挖掘机组的节能潜力，提高企业竞争力，同时也为同类型机组的热力系统优化 设计、节能改造和故障诊断提供了依据。 采用喷嘴调节 的凝汽式汽轮机在变工况条件下运行时，调

7、节级焓降、速度比以 及级效率等参数均会随之发生变化。本文在对汽轮机调节级变工况理论深入研究的 基础上，简化计算了汽轮机变工况下不同负荷时调节级效率，并绘制了调节级效率 随机组负荷变化的效率曲线，指导机组变工况下经济运行。 关键字：热力系统；矩阵模型；热经济性；结构优化 Abstract Thennal power plant economic analysis is tlie basis of energy-saving and is also a imit for tliennal testing, tliermal system optimization and reduce tlie c

8、ost of generating ail important part of production. Therefore, tliis energy from Hie power plant system point of view, taking tliermal system of 1000MW unit plant as tlie reseaich object and Hie analysis of heat economy and optimization is very necessary. On tlie basis of tlie first tliermodynamic l

9、aw and tlie matiix equivalent heat drop metliod,compared with tiaditional tliermal equilibrium, tliis metliod is more concise, and tlie error in Hie allowable range, fiilly meet tlie engineering requirements. The paper study the influence of the external factors of various disturbances in heat syste

10、m as the core of tlie tliennal system on tiirbosefs tliermo-economy.Matiix matliematical models were established in tliis paper?wliich can calculate tlie influence of tenninal temperature difference of heater, pressure loss,tlie heater splitting and condensate under cooling, which greatly simplifies

11、 tlie quantitative calculation of Hie tliermal system process.For operating conditions example, quantitative analysis tlie disturbance factors change impact on tlie imit size of tliennal economy of tlie actual operation.On tliis basis, stiengtlien tlie sense of economic operation and improvetion tli

12、e level of actual operation. On tlie basis of tlieoretical analysis of changing conditions, from tlie tliennodynamic pai ameters of tlie system, stiuctiu e, equipment and otlier aspects, quantitative analysis of tlie different connections of heater, Hie different layout of tlie steam cooler and diff

13、erent configuration options to tlie pump?tlie influence of tlie economy. Based on tlie premise of ensrne safe and reliable operation unit, stmctiiral optimization tlie local tliennal system?iii order to fiiitlier improve tlie tliennal system of tlie unit and fully tap tlie potential of saving energy

14、 to improve the competitiveness of enterprises. Nozzle adjustment by condensing steam turbine working conditions in the variable，when running under control stage entlialpy chop, tlie speed ratio and efficiency levels will also lead to changes in parameters.The change of the steam turbine-depth study

15、 of working conditions on the basis of tlieoiy, simplified calculate tlie variable turbine under various contiol stage efficiency, and adjust tlie level to diaw a random set of changes tlie efficiency of tlie efficiency crn-ve to guide tlie unit variable operating conditions under tlie economic oper

16、ation. Keywords: tliennal system； matiix model； heat economy； stmctiire optimization 目 录 m . I Abstract . II 物理量名称及符号表 . VI m 1胃雜 . 1 1.1选题的背景和意义 . 1 1.2本课题研究的现状 . 2 1.2.1基于第一定律的计算方法 . 2 1.2.2基于第二定律的计算方法 . 3 1.3论文的主要研究内容 . 3 第 2章火电厂热力系统热经济性计算理论 . 5 2.1火电厂热力系统热经济性状态方程 . 5 2.1.1基本概 . 5 2.1.2实际系统通用汽水分布

17、方程 . 6 2.1.3实际系统汽轮机功率方程 . 8 2.1.4实际系统循环吸热量方程 . 9 2.2热经济性指标 . 9 2.2.1全厂热经济性指标 . 9 2.2.2汽轮机热经济性指标 . 10 2.2.3热经济性指标之间的相互关系 . 10 2.3应用实例 . 10 2.3.1机组概况 . 10 2.3.2额定工况热力参数简介 . 11 2.3.3额定工况热经济性指标计算 . 12 2.3.4典型工况热经济性指标计算 . 13 第 3章基于状态方程的热力系统局部定量分析 . 14 3.1加热器端差对机组热经济性影响的计算模型 . 14 3丄 1基于热力系统状态方程的加热器端差计算模型

18、. 14 III 3.1.2应用实例 . 19 3.2加热器抽汽压损对机组热经济性影响的计算模型 . 20 3.2.1基于热力系统状态方程的加热器抽汽压损计算模型 . 20 3.2.2应用实例 . 22 3.3喷水减温系统对机组热经济性影响的计算模型 . 23 3.3.1基于热力系统状态方程的喷水减温系统计算模型 . 24 3.3.2应用实例 . 25 3.4加热器散热对机组热经济性影响的计算模型 . 26 3.4.1基于热力系统状态方程的加热器散热损失计算模型 . 26 3.4.2应用实例 . 27 3.5高压加热器解列对机组热经济性影响的计算模型 . 28 3.5.1基于热力系统状态方程的

19、高加解列计算模型 . 28 3.5.2应用实例 . 29 3.6凝结水过冷对机组热经济性影响的计算模型 . 29 3.6.1基于热力系统状态方程的凝结水过冷计算模型 . 30 3.6.2应用实例 . 31 3.7本章小结 . 31 第 4章局部热力系统的结构优化 . 32 4.1低加疏水系统的定量分析和结构优 化 . 32 4.1.1低加疏水系统定量分析计算模型 . 32 4.1.2低加疏水系统结构优化可行性分析 . 34 4.1.3低加疏水系统结构优化方案 . 34 4.1.4各优化方案经济性对比 . 37 4.2蒸汽冷却器系统定量分析和结构优化 . 37 4.2.1蒸汽冷却器的定量分析计算

20、模型 . 37 4.2.2蒸汽冷却器系统优化可行性分析 . 40 4.2.3蒸汽冷却器系统结构优化方案 . 41 4.2.4各优化方案的经济性对比 . 41 4.3轴封溢汽系统定量分析和优化方案 . 42 4.3.1轴封溢汽系统定量分析 . 42 4.3.2轴封溢汽优化可行性分析 . 43 4.3.3轴封溢汽回收利用优化方案 . 43 4.3.4各优化方案对机组热经济性的影响 . 43 IV 4.4给水泵选型和优化配置 . 44 4.4.1给水泵配置方案 . 44 4.4.2各优化方案经济性比较 . 44 4.5高压加热器的选型和布置优化 . 45 4.5.1高压加热器选型及布置方案 . 46

21、 4.5.2各优化方案经济性比较 . 46 4.6本章小结 . 47 第 5章调节级变工况计算实例 . 48 5.1调节级变工况计算原理 . 48 5.2计算结果和调节级效率曲线 . 49 5.3本章小结 . 50 第 6章结论与展望 . 52 6.1 . 52 6.2展望 . 53 #考 &南犬 . 54 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 . 57 W m . 58 物理量名称及符号表 英文字母表 D 主蒸汽流量 kg/h h 主蒸汽焓值 kJ/kg hc 低压缸排汽焓值 kJ/kg h, /级加热器抽汽焓值 kJ/kg D, /级加热器抽汽流量 kg/h hfi /级加热器辅助抽汽

22、焓值 kJ/kg Dfi /级加热器辅助抽汽流量 kg/h hti /级加热器出口给水焓值 kJ/kg Dw /级加热器辅助水流流量 kg/h (it z_级加热器抽汽放热量 kJ/kg /级加热器辅助抽汽放热量 kJ/kg %, /级加热器辅助水流放热量 kJ/kg K 通流部分漏气少做的功 kJ/kg K /级加热器抽汽在通流部分少做的功 kJ/kg K 过热器减温水焓值 kJ/kg As 过热器减温水流量 kg/h K 再热器减温水焓值 kJ/kg A 锅炉侧工质损失流量 kg/h h / 锅炉侧工质损失焓值 kJ/kg /级加热器抽汽系数 无因次 % 厂用电率 无因次 afi z_级加

23、热器辅助蒸汽抽汽系数 无因次 aM 汽轮机通流部分漏气系数 无因次 a 单位质量工质再热器内吸热量 kJ/kg m 锅炉效率 无因次 n? 管道效率 无因次 VI rh 发电机效率 无因次 qi 希腊字母 燃煤低位发热量 kJ/kg r， /级加热器给水焓升 kJ/kg Yi /级加热器疏水焓升 kJ/kg Arb 给水流经给水泵焓升 kJ/kg VII 第 1 章绪论 1.1选题的背景和意义 据统计显示到 2007年和 2008年，我国电力总装机容量己分别突破 7.13亿千瓦 和 7.92亿千瓦。截止到 2010年 1月我国电力总装机容量己达到 8.74亿千瓦，其中， 火电装机约占74.6%

24、。按照我国电力工业发展的总目标： 2020年我国发电装机容量 将达到 16亿千瓦，其中火力发电机组仍将占总装机容量的 60%以上。因此，火力发 电机组仍将是我国电力行业的主力机组。 大容量超超临界火电机组经过近几十年来的发展，由于其显著的经济效益和节 能减排等特点，在发达国家己大量投入商业运行。我国 “ 十一五 ” 规划强调建设能 源节约型、环境友好型的社会。目前， “ 节能减排 ” 己成为电力企业发展的主旋律。 因此，发展高参数、大容量发电机组是解决我国能源紧张最有效途径，符合我国能 源产业结构政策和国民经济快速发展的需要，具有良好的社会经济价值 1。为迅速扭 转我国火电机组煤耗长期居高不下

25、的局面，优化火电结构，超超临界机组将成为 21 世纪我国主力发电机组 2。 超超临界机组参数实际上是在超临界参数的基础上向更高压力和温度提高的过 程。国内外生产超超临界机组的国家主要有德国、法国、日本、等国家。主要采取 两种途径实现了超临界机组向超超临界机组的转型。 种途径是将主蒸汽参数提高 到 28MPa和 580C ;另一种途径是将主蒸汽和再热蒸汽的温度提高到 593 C或 600 C。 我国研制超超 临界汽轮机，主蒸汽压力取为 25MPa 28MPa,主蒸汽温度和再热蒸汽 温度均为 600 C，机组功率为 700MW 1000MW3。 近年来超超临界火电机组在我国己得到快速发展。但由于起

26、步较晚，再加上各 地的实施条件不同所获得的实践经验和实际效益不尽相同，以至于发展水平呈现参 差不齐的局面 4。截至到 2008年，我国共有华能玉环电厂、华电邹县电厂、国电泰州 电厂等 7台百万千瓦超超临界机组的相继投运，为我国火电结构的优化和技术升级发 挥了重耍的指导作用。 常规亚临界机组的典型参数为 16.7MPa/537 C/537 C，发电效率约为 38% 39%。 超临界机组的典型参数为 24.1 MPa/538/566 C，对应的发电效率约为 41 % 42%。有 统计资料表明，火电机组参数从亚临界提高到超超临界，机组发电热耗提高 3.2%， 供电煤耗率降低 22.57g/(kwh)

27、56。 由此可见，超超临界机组的节能潜力是非常巨大 1 的，己成为目前我国火力发电机组发展的主导方向，在我国有着广阔的发展前景。 1.2本课题研究的现状 火电厂热力系统热经济性分析是进行热力试验和热力系统改造中一项最为常见 的工作。对机组热力系统进行分析和计算的目的在于确定机组的各项热经济性指标 , 以方便指导实际生产和进行热力系统结构优化。因此，选择适当的方法是进行热力 系统热经济性分析的重要前提。热力学是评价热力系统性能优劣的理论基础，热力 学方法又分为基于热力学第一定律的分析方法和基于热力学第二定律的分析方法。 1.2.1基于第一定律的计算方法 在目前电厂热力系统热经济性分析中，基于热力

28、学第 -定律的分析方法主要有 常规热平衡法、等效热降法、循环函数法、 矩阵分析法。 (1) 常规热平衡法 常规热平衡法是 50年代由前苏联引入我国后，应用较为广泛。它是基于质量平 衡和能量平衡的最基本的热力系统分析计算方法。但由于对实际的热力系统进行计 算时，工作量大而繁，且通用性较差，应用受到限制 7，即使采用计算机求解，有时 仍需要反复迭代逼近，也只是得到近似解。因此，在 70年代以后逐渐被等效热降法 或循环函数法等方法所取代，一般仅用来验证其它热力计算方法的计算精度 8 94()。 (2) 等效热降法 等效热降法是 20世纪 60年代由苏联学者库兹浬佐夫提出的 种较新的热力系统 分析方法

29、 。 70年代后期被引入我国后，经林万超教授的研究与拓展，己成为一种较 为完善和简洁的热力系统节能分析理论 11。其理论是以保持蒸汽流量不变，且己知 新蒸汽参数、再热参数以及各抽汽参数等为前提，且不考虑汽轮机膨胀过程线的变 化 12。因此，其计算结果存在 -定误差，但其优点在于可用于整体热力系统的计算 , 也适用于局部热力系统定量计算。等效热降法可单独求出附加扰动对整个系统热效 率的影响，不必像常规热平衡法那样，对整个热力系统重新进行分析计算，简化了 实际运算 13 1445。实现了小指标热经济性分析计算模型 ，且基本满足现场热经济性分 析的要求，对火电厂进行热经济性分析和节能降耗工作具有实用

30、价值。 (3) 循环函数法 循环函数法是由马芳礼教授根据美国 Salnsbury提出的 “ 加热单元 ” 概念所提出 的 种新型的热力系统计算分析方法 16。循环函数法将整个热力系统分解为主循环 2 与若干个相互独立的辅助循环。外界扰动对整个热力系统的影响可看作是对主循环 与辅助循环影响的线性叠加。由反平衡方法计算出循环作功量，与此同时，在定功 率前提下与主循环比较求出辅助循环引起的热耗率增量 17 18_21。进入 90年代后，该方 法由于采用以 “ 单元 ” 为基本模块计算，符合计算机模块化计算的要求，因此得到 得到了广泛应用。 (4) 矩阵分析法 随着研究的深入，文献 22中首次提出了热

31、力系统热经济性状态方程（汽水分布 方程、功率方程及锅炉吸热量方程）的概念。该矩阵分析法从最基本的质量平衡、 能量平衡等角度出发，结合数学矩阵的思想，推导出了反映热力系统结构的矩阵方 程。该方法是利用矩阵计算抽汽系数，然后结合功率方程和吸热量方程计算机组的 热经济指标。矩阵分析法只是一个泛称，它是将数学矩阵思想引入热力计算中。因 此，矩阵分析法有多种变形，包括常规热平衡简捷算法、火电厂热力系统热平衡的 拓扑算法、热力系统广义数学模型等。该矩阵分析法形式简单，通用性较强。因此， 可针对不同热力系统建立通用的计算模块，结合计算机可大大简化计算过程 23。 1.2.2基于第二定律的计算方法 近年来，基

32、于热力学第二定律的热力系统分析方法主耍包括火用分析法和熵分 析法。 熵分析法是通过对机组热力系统进行熵平衡分析，计算由于外界不可逆因素千 扰，系统熵产增加的大小及其熵产的分布，分析熵产与不可逆损失的关系。然而熵 分析法仍然是以系统基本热力参数为计算基础，计算过程繁琐、复杂 24。 西班牙学者 Valeo在论文 A general Theory f Therm odynamic中首次应用第二 定律分析方法研究 600MW机组主系统。作者用复杂的矩阵理论，首次导出了系统的 火用效率。以第二定律方法为基础的火用分析法是从能量转换的角度表示设备或热 力过程完善性的科学指标 25。它兼顾了能量的量和质两

33、方面属性，既反映了能量的 数量又反映了能量的 质量，更加具有科学性。目前，正从理论阶段走向实践，在火 电厂热力计算中将逐步被推广 26。 1.3论文的主要研究内容 本课题在分析相关资料的基础上，以引进型 1000MW机组的热力系统为研究对 象。定量分析计算了外界扰动因素对机组热经济性的影响。在变工况理论分析的基 3 础上，从热力系统的参数、结构、设备等方面着手，对机组的局部热力系统进行结 构优化。具体研究内容如下 ： (1) 以热力学第 定律为理论依据，建立热力系统热经济性分析的通用矩阵分 析模型。并以 1000MW机组典型工况为例，进行实例计算。 (2) 基于热力系统状态方程定量计算局部热力

34、系统受到外界扰动因素 （ 加热器 端差变化、加热器抽汽压损变化、喷水减温水量变化、高加解列等 ） 影响时，机组 热经济性产生的变化。实际运行中对影响较大的扰动因素应加强监视力度，提高经 济运行意识。 (3) 借鉴国内同类型机组的改进经验，对局部热力系统（低压加热器疏水系统、 高压加热器布置方式等）进行优化改造，并对各优化方案的可行性和经济性进行分 析与比较。 (4) 对机组调节级变工况进行实例计算，分析变工况时汽轮机调节级效率随负 荷的变化规律，绘制调节级效率随 负荷变化曲线，指导机组变工况下经济运行。 4 第 2章火电厂热力系统热经济性计算理论 2.1火电厂热力系统热经济性状态方程 火电厂热

35、力系统是由许多子系统相互连接而成的一个复杂的有机整体。国内科 研小组推导出了以矩阵形式表示的火电厂热经济性指标与热力系统拓扑结构之间相 互关系的方程。随着进 -步的深入研究，在引入系统工程、信息工程的观点之后， 结合现代矩阵理论，针对电厂热力系统建立了反映火电厂热力系统拓扑结构的热经 济性状态方程（通用汽水分布方程、汽轮机功率方程、锅炉循环吸热量方程） 27。 2.1.1基本概念 (1) 回热加热器划分 按结构划分加热器可分为两大类：面式加热器和汇集式加热器。 面式加热器是指本级加热器疏水依靠压差流入相邻较低抽汽压力的加热器，如 图 2-1中的 1_3号、5_7号加热器均为面式加热器；汇集式加

36、热器是指本级无疏水 或疏水依靠疏水泵汇入本级，如图 2-1中的4号加热器。 对于末级加热器，如果疏水流入凝汽器热井，则属于汇集式加热器，如图 2-1 中的 8号加热器；如果疏水自流入凝汽器则属于面式加热器。 (2) 状态方程中 g、 ，、 T定义 根据文献 28可知，对于疏水自流式加热器 r定义如下： & = 心， (kJ/kg) Qfi = hfi /.(kJ/kg) =-Ap(/+iv(kJ/kg), 对于汇集式加热器， e h h h h r7 h A h h h h 7i h (l.n Dn rs rs h T2 h h h (h_ A 3 T2 h h r% h h 8. ri DM 5.n 0 0 h TJ2 Djwl Qr - 0 0 h h h T/3 0 P3 QJ Tss Trs h & 4 r,4 JwA Q4 r4 r4 T/5 Djw5 + Qn -Dss h D， s h 鳴 h T6 T6 T6 Djw6 Qje h h h h h h h XJ1 D7 ev h h h & h r8 TJZ DjwS e,s. rs Ts rs (2-8) 汽水分布方程中各结构矩阵的填写规则如下： (1) 为各级加热器抽汽流量列向量； 7