火力发电厂性能计算与能损分析的研究与实现

2001年8月

汽　轮　机　技　术TURBINETECHNOLOGY

Vol.43No.4Aug.2001

火力发电厂性能计算与能损分析的研究与实现

杨宝勇,江　宁,刘炳刚,裴胜利,李　政

(清华大学热能工程系,北京100084)

摘要:对火力发电厂能损分析中的一些重要问题进行了探讨,包括能损分析比较原则、应达值及基准工况的选取、求解湿蒸汽焓值的改进方法以及母管制机组中的义务分配等。提出的以实际运行工况为基准的偏差分析方法,避免了对变工况模型的依赖以及由于模型不完善可能导致的误差,具有真实反映机组性能的优点。最后介绍了一种简便易行的能损分析系统的实现方案,并展示了某100MW机组的能损分析计算结果。关键词:能损;偏差分析;火电厂

分类号:TM621　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-5884(2001)04-0222-04

ResearchandRealizationofPerformanceEvaluationSystemofThermalPowerPlant

YANGBao2yong,JIANGNing,LIUBing2gang,PEISheng2li,LIZheng

(DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084China)

Abstract:Someimportantissuesinthedevelopmentofperformanceevaluationofthermalpowerplantsarediscussed,includingthecriteriaforperformancecomparison,theselectionofidealloadcaseandcorrespondingperformancevalues,theimprovedmethodforthedeterminationofwetsteamenthalpyinthelaststagesofsteamturbineandsoon.Anewdifferenceanalysismethodisputforward.Itsideaistousetherealoperationcaseascomparisonstandardratherthanusingaconceivedidealcaseandavoidsthedependenceonsuspiciousoff-designmodel.Finally,thepaperintroducedapracticalengineeringscenariofortheimplementationofperformanceevaluationsysteminthermalpowerplantandtheanalysisresultsofa100MWunitwereshown.Keywords:energyloss;differenceanalysis;thermalpowerplant

开发中的经验和体会,探讨发电厂性能计算和能损分析中的

0　前　言

多年来,由于计划经济及技术的原因,许多电厂都比较重视安全生产和发电量,往往忽视提高经济性。随着电力工业改革的深入,电力供需矛盾的缓和,电力市场化的机制将逐渐形成,厂网分离、竞价上网已成为必然趋势。在这种形势下,降低发电成本、提高经济性已成为发电厂的迫切需要。发电煤耗是影响发电厂生产成本的最主要因素之一,对大量已有老机组而言,更是其最重要的成本因素。然而,由于缺乏必要的监测和计量手段,我国现有200MW以下机组大都不能及时、准确地计算煤耗和经济性,因此运行中存在一定的盲目性,很难根据机组的经济状况指导运行操作以及安排维护和大修。

发电厂性能计算和能损分析,就是要解决火电机组运行中的经济性参数计算,并确定各种操作和部件性能对机组经济性影响问题,从而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。在此方面,国内外研究者已经做了大量的工作。在以往研究成果基础上,本文将结合实际研究和

　收稿日期:2001-03-24　　　　　

基准值选取,湿蒸汽焓值确定等一些特殊问题,并介绍在线能损分析系统的结构和实现问题。

1　性能计算与能损分析的主要功能以及研

究现状

　　发电厂性能计算与能损分析的主要任务是确定发电厂主、辅设备以及热力系统运行的热经济状况,定性及定量分析各种运行方式、运行参数对机组经济性的影响大小,以及系统的节能潜力。总的来讲,一个理想的性能计算和能损分析系统应当实现以下主要功能:

・计算出当前电厂的机组热耗率以及全厂标准煤耗率等数据。对于正在运行的电厂,可以由运行过程中测量的数据,算出实际运行的热经济性。

・找出可控损失项,给出这种损失对电厂经济性的影响,从而为考核和改善运行水平提供指导。

・指出经济性能下降的设备,获得早期故障预报。通过将热力设备的实际运行数据与其在正常、健康条件下的应有数据进行比较和分析,可以判断出该设备的正常程度,并获得该设备性能变化导致的机组经济性能变化的方向和幅度。

　作者简介:杨宝勇(1975-),男,山东省胶州市人,清华大学热能系硕士研究生,从事电厂热经济性能计算与能损分析的研究。

第4期杨宝勇等:火力发电厂性能计算与能损分析的研究与实现　　223

・给出不同运行条件下全厂的经济效益对比,为检修决策提供依据。例如,运行中某台回热加热器发生故障时,电厂面临的选择是,是将该加热器切除后继续运行至下一次大修还是立即停机检修?在保证安全运行的前提下,此问题的实质是经济效益的对比问题,判断的依据应当是采用哪种选择最终的经济性更好。

实际上,国内现有的能损分析系统大都限于前两个功能范畴。原因在于:

对第3项功能而言,由于发电机组是一个多部件高度耦合的系统“,牵一发而动全身”,想分辨出单一的某个部件特性变化的影响是不容易的;其次,由于机组处在不断的负荷变化过程中,任意工况下当作比较基准的健康工况的参数值和选取原则需要认真研究确定。

对第4项功能而言,定性评价是可能的,但定量计算需要提供诸如煤价、电价、设备和人员费用、维修周期等详细的技术经济数据,实际进行起来需要多方面的配合,难度很大。

尽管有以上问题存在,但这更说明有很多的理论和实践研究要做。有理由相信,通过广大科研人员和电厂技术人员的共同努力,研究和开发出全面、深入的发电厂性能计算与能损分析的理论和系统是指日可待的。

端差等等,这些参数都是有一个明确的方向,越高越好,或是越低越好,但受限于机组的性能,其设计参数表示的是要求机组达到的正常性能。

2.1.2　采用变工况模型优化计算得到的优化值

包括主蒸汽压力、再热蒸汽压力、空预器温度、给水温度、排汽压力等等。这些参数的最优值是随着机组负荷状态的变化而变化的,因此需要根据当前工况,采用变工况模型进行优化计算得到应达值。当然,变工况模型需要依据大量的实际运行数据整定,以保证其真正反映机组性能。

2.1.3　参考机组热力试验结果长期运行的机组,由于性能的渐变,实际最佳工况可能严重偏离原设计数据,因此在确定应达值时,应当尽可能参考最近一次的热力试验实验结果。

2.2　以实际运行工况为基准的偏差分析方法

到目前为止,本文谈论到两个工况,一是机组的实际工况,一是实际工况对应的理想工况。对某一影响效率的运行参数而言,假若理想工况已知,则偏差分析很容易进行:只要将理想工况对应的应达值作为基准点,采用适当的方法计算在基准点基础上,该参数单位变化导致机组效率或煤耗率的变化率,并进一步乘以该参数的变化值,就可以获得此参数偏离应达值导致的效率或煤耗率的变化。本文将这种方法称为以理想工况为基准的偏差分析方法。目前,国内已有的能损分析系统大都采用这种方法,理想工况的数据是通过变工况模型计算得到的[1]。

然而,需要指出的是,上述方法可行是有前提条件的。首先,所选择的理想工况必须与实际工况具有可比性。一般来说,可以有定流量和定功率两种假定。但实际上,这两种假定都有值得争议的地方。例如,在采用定流量假定时,理想工况和实际工况的功率不相等,新汽参数和排汽参数也不相同,各抽汽口温度均不相同,二者是否具有可比性?在采用定功率假定时,由于进汽流量不相等,机组各部件的性能因流量不同是有差异的,因此也存在一定的不可比性。笔者认为,由于发电煤耗是对应负荷大小而言的,相对来说,采用定功率假定更合理一些。其次,由于机组负荷处在不断的变化过程中,任意负荷对应的理想工况只能根据有限的几个已确定的理想工况通过变工况计算获得,因此上述方法可行的另一个前提条件是在整个工作区间内,变工况模型必须准确、可信,且机组变工况特性随时间的改变可以忽略或修正。做到这一点不是完全不可能的,但无疑需要花费大量的时间,积累足够的运行数据对变工况模型进行反复检验和考核。

鉴于以理想工况为基准的分析方法的难度和不确定性,本文提出了以实际工况为基准的偏差分析方法。其基本思想是以反映机组真正性能的当前工况作为比较基准,将每个需要分析的参数由当前值单独修正到理想应达值,把由此得到的机组性能的提高作为该参数不理想而导致的效率或煤耗损失。此方法的优点至少有两个,其一是机组的性能不“失真”,机组本身就是我们的变工况模型;其二是避免了对

2　实时能损分析的原理及算法探讨

偏差分析是实时能损分析中通常采用的办法。对任何一个影响机组效率的运行参数而言,偏差分析一般包括两个步骤:首先是通过分析该参数的变化对机组效率的影响,从而确定该参数对机组经济性的影响程度;其次,根据该参数偏离理想工况参数值的幅度,确定由于该参数不理想导致机组效率变化的幅度。通常,这个用于比较的理想工况对应的该参数的数值称为“应达值”。显然,如何选择理想工况和应达值,对能损分析的结果具有至关重要的作用。下面,结合作者开发在线能损分析系统的经验和体会,对以下几个问题加以讨论。

2.1　能损分析中应达值的确定方法

实际上,机组绝对的最佳状态是很难确定的。这一方面是由于随着服役年限的增加,机组和部件的性能均处在不断的变化过程中;另一方面也由于机组的运行状态并不唯一,可能在额定负荷下运行,但更多的情况下是在变负荷状态下运行。因此各个运行参数的应达值既不唯一,也很难确定其绝对的最佳值。比较现实的解决办法是采用“实际可达最佳值”作为应达值,即现实运行中曾经达到的、或者是热力试验中经精心调整达到的机组最好性能对应的运行参数。实际应用中,通过对多个典型负荷工况进行反复实验和调整,获取不同工况下的应达值当然是最可信、最准确的方法,但在条件和经费不允许的情况下,还可采用一些替代的方法,如:

2.1.1　采用制造厂提供的设计数据

例如主蒸汽温度、锅炉排烟温度、机械不完全燃烧损失、锅炉排烟温度、排烟氧含量、再热蒸汽温度、各级回热加热器

　　　224汽　轮　机　技　术第43卷

变工况模型的依赖,也避免了由于变工况模型不准确可能带来的误差。如果说前一种方法着重于分析由于参数偏离所导致的“能损”,则后一种方法的着眼点是分析如果对参数进行优化时的“节能潜力”。

2.3　合理利用热力试验修正曲线

下进行热力系统的流量计算、热经济指标计算和能损分析,使得复杂的热力系统变得清晰明确起来。

3　在线能损分析系统的结构与实现

从目前国内外的发展方向来看,机组的在线经济性能分析已经成为支持电厂运行的必备软件。鉴于我国许多电厂的计算机监控系统只停留在监测功能上,系统的计算潜力没有充分发挥,本文提出了与电厂已有计算机监控系统结合的“外挂式”能损分析系统的结构设想,并且根据这一设想开发了实际应用于100MW机组的能损分析系统。

图1示出了能损分析系统在发电厂计算机监控系统中的位置及其联系。能损分析系统的数据输入可以采用两种方式。第一种方式是将现场实时采集的数据在送入电厂数据库的同时,直接将其中的相关部分发送给能损分析系统

(如图中虚线示);另一种方式是从电厂数据库中读取所有的

热电厂在大修后所进行的汽轮机热力性质试验中,绘制了主汽流量—主汽压力—输出功率的关系曲线以及主汽流量—主汽温度—输出功率的关系曲线。这些曲线在一定时期内很好地反映了机组的热力性质,在分析主蒸汽压力、主蒸汽温度以及排汽真空值偏差引起的损失时,可以直接利用这些曲线拟合方程,求解上述偏差值引起的整体效率变化,以及由此带来的煤耗率变化。这样既提高了计算结果的准确性,又避免了繁琐的计算机编程工作。值得指出的是,由于这些曲线是从实际中得到的,已经综合了主要参数变化后引起的其他参数变化所造成的能损,所以该方法虽然不等同于等效焓降法,但是两者计算的出发点是相同的,计算结果仍然具有可比性[2]。2.4　求解湿蒸汽焓的改进方法

输入数据。两种方式中,计算所需的非现场实时采集数据均由数据库获得。在对输入数据进行处理、计算、分析后,能损分析的计算结果送电厂数据库存贮、管理。计算结果的发布、显示以及报表生成完全基于电厂数据库统一进行,以维持规范和格式的统一性。显然,这种“外挂式”结构不影响电厂原有系统的安全运行,而且简便易行。

能损分析系统本身的程序结构如图2所示。程序采用了开放式、模块化设计,脉络清晰,可以在工作过程中不断增强和完善程序的功能,以满足电厂运行管理的需要。

新蒸汽在汽轮机中膨胀做功,当到达汽机的后面几级时,往往已经进入了湿蒸汽区。在这种情况下,抽汽口处所测得的压力和温度不再是相互的参数,也就是说,已经不能直接从这两个参数求得蒸汽的焓值来确定抽汽量的大小。而就目前的技术而言,测量湿度难度较大。为求出在湿蒸汽区的抽汽焓,目前一般的做法是假定从最后一级排汽干度为1的级后到最末级排汽之间的汽态线是一条直线,调整末级排汽干度,使汽轮机总功率与输出功率相等,从而求得末级湿度[3]。这样做简化了计算,但改变了湿蒸汽级的汽态线,会造成一定的误差。对此我们采用了曲线求解的办法:根据热力学原理,假定新蒸汽在汽轮机中各级的效率及焓降之比不变,这样就可以基本保证湿蒸汽区内的蒸汽膨胀线形状近似不变;在这个假定的前提下,先设定一个排汽湿度,通过叠代近似求出各级湿蒸汽焓值,然后再通过机组功率来修正最初设定的排汽湿度,经由叠代最后解决湿蒸汽焓的问题。通过实际应用,证明这种方法在能损分析计算中可以很好地满足工程实际所需要的精度,而且所需要的叠代次数不多,不影响实时计算的速度。

2.5　义务不变的前提

图1　能损分析软件的总体运行方式

目前国内仍然存在着许多母管制机组。采用母管制以后,热力系统相对于单元制机组变得复杂了许多:除氧器所加热的补充水来自于母管,在加热后又返回母管,然后再进行分配;供热抽汽也是先送到母管内,混合后再送出。母管制下的各台机组是相互影响的,从汽轮机中抽出的加热蒸汽,不仅仅只为自己的给水加热,也为其他机组作出了贡献。为了将加热补充水的热耗以及供热热耗合理地分配给各台汽轮机,从而最终确定每一台汽轮机的热耗,在计算热力性能并进行能损分析时,本文采用了义务不变的假定,即连接在母管上的每一台汽轮机组,各自对外所承担的义务是不变的,应该保证输出一定的功率,供给一定的热量。在此原则

前文所述能损分析方法已经成功地应用于数台单元制

图2　能损分析软件主要模块示意图

4　实时能损分析的计算实例

第4期杨宝勇等:火力发电厂性能计算与能损分析的研究与实现

分析上表,可以发现以下特点:

　　225

机组和一个包括七炉八机的母管制热力系统的能损分析系统研制。作为示例,表1～3中列出了某100MW机组性能计算和能损分析的结果。

　　表1　　　　　热经济性指标计算结果

单　位计算值

锅炉热效率　总耗煤量　　%t/h

(1)与设计工况进行比较,由于排烟温度升高、新蒸汽温

度降低以及凝汽器真空值降低等因素,都会导致煤耗升高,经济性下降;而由于烟气含氧量降低、给水温度增高以及飞

计算值

单　位

灰损失减小等因素,又都会使得煤耗降低,经济性上升。

(2)主蒸汽温度、压力和背压这几个参数的变化会引起

90.37388汽机热耗率kJ/(kW・h)10082.341.38752汽机汽耗率kg/(kW・h)4.0162

%%

35.706280.7703

整个系统的大幅度变动,因而对机组经济性的影响最大,从上面的数字中也可以看出。

(3)根据单位偏差引起的煤耗变化可以得出,端差对经

供电标准煤耗g/(kW・h)426.8069汽机效率　发电标准煤耗g/(kW・h)386.2781汽机内效率济性的影响随着抽汽压力的增加而增加。这是因为各级抽汽的能量品位随抽汽压力升高而增大。

(4)由于各级抽汽量的大小及给水焓升大小不一,因此

　　表2　　　　　　能损分析计算结果

单位偏差煤耗变化引起的单位设计值测量值偏　差煤耗变化g

g/℃

排烟温度　　℃烟气含氧量　%给水温度　　℃飞灰损失　　%主蒸汽温度　℃主蒸汽压力　MPa

1345.304215105358.82

139.52.846216.46.5529.9

5.5

1.040910.12

各级加热器的停用对系统经济性的影响并不完全随抽汽压力的变化而变化。

以上这些特点均与理论分析得出的结论一致,可见,该计算结果比较合理地反映了机组的能损分布和节能潜力。

-2.458-2.96714-1.20711.4-3.5-5.1

-1.03717-0.7408-3.985931.38831.75785-0.3447

5　结　语

总之,能损分析系统可以确定发电厂设备以及热力系统运行的热经济状况,定量分析各种运行方式、运行参数对机组经济性的影响大小,以及系统的节能潜力。采用实时能损分析系统是现代电厂提高运行水平的重要措施,而与计算机监控系统相结合的外挂式能损分析系统是电厂实现实时能损分析的方便而可靠的方法。在采用偏差分析方法分析火电厂热力系统的能损时,需要综合运用多种方法确定影响机组效率的运行参数的应达值;在计算参数偏差对经济性影响时,选择当前实际运行工况作为计算的基准,能够更好地反映机组的实际情况;在计算排汽干度时采用改进算法求解可以更精确地模拟机组的实际情况。在对母管制机组进行能损分析时应当遵循义务不变的原则。根据上述方法开发的用于100MW机组的能损分析系统能够满足生产实践的需要。

9.061480.24148-0.317371.3143

6.606

3.8408

凝汽器真空　kPa90.20888.488071.71993

7#加热器端差℃-0.009355.605595.614940.392340.069876#加热器端差℃-0.028286.007456.036570.29050.048134#加热器端差℃4.966517.628162.661650.083580.031403#加热器端差℃4.935347.672092.736750.070870.0252#加热器端差℃5.7141.45346-1.2607-0.021030.016681#加热器端差℃4.739395.930221.190830.016360.01374

　　表3　　　　　　　加热器停用的预测损失

高加停用　　g/(kW・h)6.414

4#低加停用g/(kW・h)0.840022#低加停用g/(kW・h)0.5373#低加停用g/(kW・h)0.691031#低加停用g/(kW・h)0.36331

参考文献

[1]　严俊杰.汽轮发电机组经济性诊断理论研究及应用[博士学位

　　表2中“设计值”,一栏来自于该机组的设计工况数据。本例中,由于机组负荷接近额定负荷,因此,取各参数的设计值作为应达值。“测量值”一栏来自于现场测量获得的数据,“煤耗变化”表示该参数没有达到应达值而引起的标煤耗率的变化。表3中计算加热器停用的几项,则表示在所有加热器都投运的正常工况下,如果将某级或者某几级加热器停用,会引起的标煤耗率的变化。

论文][D],西安交通大学,1998

[2]　林万超.火电厂热系统节能分析[M].西安:西安交通大学出

版社,1994

[3]　陶　岩.火力发电机组经济性能在线监测与分析[硕士学位论

文][D],清华大学热能系,1998