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电厂热力系统分析方法的研究现状及发展趋势


第 24 卷, 总第 140 期 2006 年 11 月, 第 6 期

节 能 技 术 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY

Vol. 24, Sum. No. 140 Nov. 2006, No. 6

电厂热力系统分析方法的研究现状及发展趋势
于淑梅, 张文宝 ( 华北电力大学, 河北 保定 071003)

摘 要 : 本文系统介绍了当前国内热力系统热经济性分析方法的研究现状 , 回顾了国内在该领 域的发展过程。 根据掌握的文献资料客观地评价了几种目前较典型的热经济性分析方法的优点与 不足 , 最后在总结已分析的基础上提出了对于热力系统分析方法研究趋势的新观点 。 关键词 : 热力系统; 热经济性分析方法; 研究; 发展方向 中图分类号 : TK212 文献标识码: A 文章编号 : 1002- 6339 ( 2006) 06- 0534- 04

The Art of State and Development on Thermo- economic Analysis Methods for Power Plants
YV Shu- mei, ZHANG Wen- bao ( North China Electric Power University, Baoding 071003, China) Abstract: The art of state on thermo - ecnomic analysis methods for power plants is reviewed. Several typical methods are investigated in order to determine their performances. Finally, based on the summary, the develop mental tendency in this field is discussed. Key words: thermal system; thermo- ecnomic analysis method; research; development tendency

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引言

热量品位系统法 法
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6

、 质量单元矩阵分析法
11

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、 火 用 分析

及人工神经网络

等 , 国外该领域的代表

电厂热力系统热经济性分析是电厂节能降耗的 理论分析基础, 它既是热力系统设计、 改造的理论依 据, 又是热力设备经济运行在线分析、 监测的实用技 术, 其分析和研究具有十分重要的理论和现实意义。 我国科学技术人员在这方面做了大量工作, 也取得 了很大的成果。

文献主要有 12 、 13 。其中前三种分析方法较为 成熟 , 广泛的应用于实际生产领域。大体上述各分 析方法可以分为以下两类: 第一类分析方法是以手工计算为主, 主要包括 常规热平衡法、 等效热降法、 循环函数法等。其中常 规热平衡法计算精度最高 , 评价其他分析方法的精 确性通常以此方法作为校验基准 ; 等效热降法、 循环 函数法和组合结构法特别关心于分析计算过程中工 作量的大小。经常为减少繁重的计算而对实际热力 系统做近似处理, 工作量小了, 但却以牺牲一定的精 确性为代价。循环函数法和等效热降法在我国应用 较广。 第二类分析方法以计算机计算为主, 大多采用 矩阵形式 , 属于并联解法。主要包括常规热平衡简 洁算法、 质量单元矩阵分析法以及 火用 分析法等。目

2

热力系统热经济性分析方法的概况
电厂热力系统热经济性分析方法大都建立在热

力学第一和第二定律的基础上 , 种类较多, 见诸文献 的有 : 常 规热 平衡法 1 、 循环 函数 法 2 、 等 效热 降 法3 、 常规热平衡简捷算法 4 、 热耗变换系数法 5 、

收稿日期

2006- 05- 11

修订稿日期 2006- 06- 11

作者简介 : 于淑梅 ( 1955~ ) , 女 , 副教授。

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前这类方法的研究较为活跃, 但还有许多工作要做 , 如热力设备局部变化对系统热经济性指标的影响 , 以及供热机组热力系统的定量分析计算, 在上述分 析方法中所设计的矩阵方程的表达形式等还存在不 足, 需要做大量的工作予以完善。

逆性来定性分析、 用循环函数式来定量计算蒸汽循 环的经济性 , 既简化了热力系统整体计算 , 又解决了 辅助用汽水的单项热经济指标。 该方法能较好的适应计算复杂的热力系统 , 也 适用于局部的定量分析。它用串联解法先对整个热 力系统进行计算, 得到回热抽汽量和循环效率, 然后 把热力系统分为回热循环和辅助循环的相互叠加。 在作不同热力系统方案选择时, 如果不同的方案仅 是某一加热单元的变化 , 只需要对该单元进行重新 计算 , 方案中没有变化的其他加热单元不必再重新 计算 , 与常规热平衡法相比, 在手工计算的条件下, 计算工作量大为减少。但是该方法对概念的理解要 求较高 , 推导比较繁琐 , 并且该方法在计算端差等设 备缺陷的影响还不是很方 便。因此造 成对方法理 解、 掌握方面的困难, 以及应用的广泛性受限。 该方法采用 单元 为基本模块计算 , 非常符合 计算机模块化计算的要求, 因此得到了一定的发展, 并且文献 14 将矩阵思想引入单元的计算 , 简化了 使用者对概念的理解。但是循环函数法在推导中认 为不可逆损失只有汽轮机末级的排汽, 忽略了末级 单元内加热器疏水入冷凝器所带来冷源损失等, 故 该方法具有一定的近似性。迄今为止这一点还没有 引起更多关注。 因此 , 尽管循环 函数法计算简 捷, 通用 性也较 好 , 但模型的近似性以及对使用者专业知识要求较 多的缺陷还是其广泛应用受到制约的重要因素。 3 3 等效热降法 等效热降法由前苏联学者首先提出 , 在上世纪 70 年代由林万超教授加以引进完善并推广应用。 它 是基于热力学的热功转换原理, 考虑到设备的质量、 热力系统结构和参数的特点 , 经过严密的数学推导, 求出几个热力分析参量 Hj 和 j 等, 以新蒸汽流量不 变 , 循环的初终参数不变和汽态线不变为前提, 以等 效热降 Hj 来分析热力系统的热经济性。 该方法既可 以用于整体的热力系统计算, 也可以用于热力系统 局部定量分析。 它摒弃了常规计算的缺点 , 用简捷的 局部代替整个系统的繁杂计算。 具体讲, 它只研究与 系统改变有关的部分 , 并通过给出一次性参量进行 局部定量 , 确定变化的经济效果。 另外 , 在考虑了附 加成分后该方法可以单独求出这些附加成分对整个 系统热经济性的影响。 这样应用等效热降提出的小 指标耗差分析计算模型可以节省大量的繁杂计算, 同时该方法局部运算的热工概念清晰 , 与一般热力 学分析完全一致, 易于理解 , 基本满足了现场分析需 要 , 对电厂节能降耗具有重要的现实意义。 由于其简 捷性和通用性, 等效热降在上世纪 90 年代以来常被 535

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3 1

对现有主要热经济性分析方法的认识和 分析
常规热平衡法 常规热平衡法是随着热力发电工程的出现而采

用的最基本的热力系统分析方法 , 是一种单纯的汽 水流量平衡和能量平衡方法, 是发电厂设计、 热力系 统分析、 汽轮机设计最基本的方法 , 它以单个的加热 器为研究对象计算出各级加热器抽汽系数, 并利用 系统的功率方程和吸热量方程最终求得系统的热经 济指标。理论 上各种分析方法 都可以由它推 导出 来。 该方法概念清 晰, 上 世纪 50 年代 从前苏联 引 入, 应用广泛。但由于其在定量分析计算中工作量 很大 , 在以手工计算为主要计算形式的时代, 该方法 存在着先天的不足。特别是当热系统较复杂或者是 进行热力系统不同方案比较时 , 直接应用该方法会 非常繁琐。故在 70 年代后逐渐受到等效热降法和 循环函数法的挑战 , 但该方法一直广泛用于各高校 热力发电厂 的课堂教学。 随着计算机技术的发展 , 对于任何复杂的热力 系统只要编制合适的计算程序 , 计算机都可以很快 得到计算结果。但是计算机程序化对计算方法的通 用性要求较高, 对于不同的热力系统或者同一热力 系统的局部定量分析, 主体的计算程序都需要重编 或者做大量改动 , 这样虽然计算工作量减少了但程 序设计的工作量却大大增加了。因此通用性不足这 一缺陷是常规热平衡方法在计算机计算形势下新的 不足。 近来 , 国家对环保和节能越来越重视, 客观上对 火电机组热力系统热经济性分析方法的计算精度也 有更高要求。特别是随着机组单机和总体装机容量 的不断增大 , 由于热经济分析方法误差带来的煤耗 计算偏差不容忽视 , 因此常规热平衡方法计算精确 度最高的特点成为一种适时的优势 , 以常规热平衡 法为基础 , 结合矩阵思想逐渐成为研究的新热点。 3 2 循环函数法 循环函数法是由马芳礼高级工程师在美国 Sal isbury 提出的 加热单元 的概念基础上结合数十年 实际工程设计和理论教学经验所创立的, 一种新型 的热力系统简化计算方法。该方法首次用循环不可

选为火电机组能耗在线分析的计算模型。 但是等效 热降法也存在着一些不足 , 主要体现在两个方面: 一 是对于再热机组来说, 等效热降法以汽轮机装置的 效率来代替再热器吸热的做功率, 由其他热力系统 计算方法计算获得, 亦即在该方法中用到的重要数 据要通过其他的分析方法来获得, 这样在某种程度 上就动摇了等效热降作为一种独立的热经济性分析 方法的基础, 文献 15 对此做了较 深入的探讨; 二 是在局部定量分析中, 等效热降法的部分分析模型 不像我们一般认为的那样精确 , 而是具有一定的近 似性, 文献 16 对其相关模型的精确度都做了一定 的客观分析。 3 4 矩阵分析法 矩阵分析法泛指一切用矩阵形式来表达的分析

这些方法都有他们各自的可取之处, 但是研究还很 不完善 , 不能够形成一种完整的分析方法 , 在此不再 赘述。另外涉及热经济学 20 范畴的火用分析法还处 于发展阶段 , 文献 21 对 该方法做了一定 的研究。 在此亦不再赘述。 3 6 实例分析 总体来看 , 文献 19 中所提出的能效分布矩阵 方程不失为一种较好的计算方法。文献 19 中以文 献 3 所给 出 N200- 130/ 535/ 535 机组 热力系统为 例 , 详细介绍了该矩阵的使用方法。其计算结果与 常规热平衡相比可以精确到小数点以后五位数, 证 明了该方法的精确性。同时该矩阵方程中的元素数 值分别与实际热力系统结构及热力参数具有一一对 应的映射关系, 并且这种映射关系具有简单、 明晰的 特点 , 使该方法能够适应于火电厂各种凝汽机组的 热经济性分析, 具有一定的通用性。还有 , 该方法在 用于热经济指标整体计算时 , 使用者只要按照球儿 顶的填写规则填写矩阵 , 通过矩阵运算, 热经济指标 循环效率自动在某特定矩阵的特定元素中直接体 现出来 ; 在局部定量分析中 , 矩阵方程主体不用做任 何改动, 只需简单将所分析辅助系统所涉及的汽水 份额改为 0, 通过矩阵运算即可, 降低了使用者对概 念的理解, 具备了智能化的特点。在计算形式上 , 该 方法采用矩阵形式, 且方程中所涉及的每个矩阵填 写规则简单明晰, 因此不但适于采用矩阵语言表达, 而且也适于采用常规计算机语言来表达。在采用常 规计算机语言编程时 , 可以利用动态数组中数组维 数的可变性, 描述热力系统加热器数目不确定性所 带来的矩阵维数差异 ; 利用数组中各元素数值来描 述热力系统中加热器之间联接方式和相关热力学参 数 , 以充分保证程序代码的可复用性 ; 局部分析中, 程序主体不需要任何改动 , 且不需要额外补充方程 来计算 , 有利于程序的模块化, 极大的减少了程序代 码的冗余。 以该方程为核心, 在 MATLAB 环境下开发的内 蒙古丰镇电厂汽轮机组耗差分析及优化运行在线检 测系统已投入使用。该系统一定程度上实现了全厂 的信息共享, 能为全厂不同层次人员提供实时的运 行数据, 并且其所使用的主要数学模型有效的解决 了热电厂热力系统热经济性在线监测的几个难题, 保证了各项经济指标在线计算的精确性和机组能耗 偏差的找出率 ; 根据耗差分析结果确定当前能损的 关键部位 , 及时调整机组相关 参数, 能 有效降低煤 耗。实际运行表明该系统计算精确、 使用方便、 界面 简洁美观 , 能有效的为电厂节能降耗提供理论支持 和实际支持 , 具有推广价值。

方法。 该方法在上世纪 90 年代开始见于文献 17 。 随着计算机技术的发展 , 此类方法成为当前热力系 统热经济性分析计算方法研究的热点。 目前在各学 术期刊上公开发表的有常规热平衡简捷算法 ( q - 方程 ) 、 热力单元矩阵分析法等。 无论是定流量和还是定功率的矩阵分析法其模 型都采用矩阵这一数学表达形式, 将 数 和 形 很 好的结合在一起。 矩阵结构与热力系统结构、 矩阵中 矩阵元素与热力系统中相关参数都具有一一对应的 映射关系。 当热力系统结构或者热力参数发生改变 时, 只需要对矩阵结构或者矩阵元素数值做出调整 便可 , 使热力系统热经济性分析方法更通用、 简捷和 适于计算机编程。 目前, 大部分矩阵形式的热经济性分析方法都 还有待于改进。 以应用较广泛的常规热平衡法为例 , 通过其核心 q - - 的矩阵方程仅能够计算加热 器各级的抽汽系数, 要求解最终的热经济指标还需 要联立其他吸热量方程、 功率方程来实现。 因此 , 还 只是一种热力系统热经济分析计算中局部环节的矩 阵方法。 如何将吸热量方程和功率方程融入同一的 矩阵方程, 使改进后的方程形成一个完整的矩阵计 算模型还有不少工作要做。 文献 18 、 19 虽然将 q - - 方程和等效热降理论相结合, 将功率方程和 吸热量方程融入矩阵方程 , 使矩阵方程直接包含热 经济指标 ( 循环效率 0) , 使对于凝汽式电厂热力系 统的热经济性分析更加的通用和简捷。 但是在用于 供热机组时尚存在一定的不足。 另外热力设备局部 变化对热经济性的影响在矩阵方程中的合理表达也 要进一步研究。 3 5 其他分析方法 近来相关学科的一些理论 , 如人工神经网络等 在电厂热力系统热经济性分析计算中也有所应用。 536

目前淄博电厂正在开发的能损在线监测系统也 是以该方程为基础进行的。

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热力系统热经济性分析方法的发展趋势

在手工计算时期 , 衡量热经济性计算方法的优 劣的一个标准就是计算量的大小。这样为了减少计 算工作量往往对复杂的热力系统进行一定程度的假 设或简化 , 使之尽量简单 , 便于手工计算。计算简单 了但却以牺牲一定的精确性为代价。在当前重视节 能工作的大环境下 , 特别是随着火电机组单机容量 和总装机容量的日益增大, 常规分析方法的通用性 不足和精确度低的不足表现得也日益明显。并且随 着计算数学特别是计算机技术的飞速发展, 机组热 力系统分析计算方法中计算工作量的大小已不能再 作为衡量某一种方法优劣的尺度。相反, 在计算机 计算时, 我们使热力系统尽量的复杂, 以保证计算的 精确性。因此通用性、 智能化 ( 傻瓜化 ) 、 精确度高 , 适于计算机编程计算成为热力系统分析计算方法发 展的新趋势: ( 1) 通用性: 通用性主要体现在两个方面, 一是 要求分析方法能够适应火电机组各种类型的热力系 统定量分析 ; 一是要求分析方法的计算形式具有普 适性 , 以利于开发计算机通用程序。 ( 2) 智能化: 智能化主要体现在热力系统的定量 分析上, 使用者不需要具有很深的专业理论知识, 只 需要根据分析方法所确定的规则 , 对计算形式做简 单修改即可完成热经济性的定量分析, 即傻瓜化。 ( 3) 精确度: 火电机组单机容量和总装机容量的 日益增大客观上要求提高分析方法的精确性, 而计 算数学和计算机技术的发展使这种要求成为可能。 ( 4) 适于计算机编程计算: 分析方法中计算手段 可以复杂, 但是要适合于计算机编程。近年来适于 计算机计算和编程的热力系统分析方法 ( 主要是矩 阵分析法 ) 研究较为活跃 , 也取得了一定的成果。

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结语

综上所述, 随着计算数学和计算机技术的发展 , 在广大科研技术人员的不断努力下 , 电厂热力系统 热经济性分析方法一定会朝着通用性更广、 智能化 和精确度更高、 更易于计算机编程计算的方向发展 , 并臻于完善。这在指导电厂节能降耗方面势必将发 挥更大作用。 参考文献
1 王家旋 . 热 力发 电厂 系统 设计 与运 行 M . 北京 : 中

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