电厂热力系统计算管理论文

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摘要：将电厂热力系统的组成设备模块化，用这些模块可构成任一复杂的热力系统，并且设计出通用的模块以适应任何热力系统问题的计算分析。关键词：热力系统；模块化；计算分析设计更完善的热力系统和提高已投运的热力系统的经济性，一直是国内外动力行业努力的目标。由于电厂热力系统的日益庞大化和复杂化，出现了热力系统分析计算的模块化方法。将热力系统中的设备处理为模块，用一组数学方程描述，以搭积木的方式，由模块构成任一热力系统，从而得到一种适用范围广、应用简单灵活能在计算机上实现的热力系统稳态分析计算方法。目前已有多个外国公司推出基于模块化方法的商业软件包，其中德国SofBid公司的EbsilonProfessional软件是比较成熟和使用方便的，已有包括ABB、ALSTOM、CEE、SIEMENS等超过100个国际知名制造商和电力集团公司在使用，主要用于电厂设计、性能评估以及运行优化。1热力系统计算分析模块化的概念现代电厂的热力系统已相当复杂，但任何复杂的热力系统不外乎是由若干个设备和管道连接构成。如锅炉、汽轮机组、凝汽器、换热器、水泵、风机、阀门、三通管道等等。根据热力系统这一特点，可以建立这样的模块化概念：用不同的模块代表不同的设备，用线段代表管道；于是，以搭积木的方式，用有限个模块和线段可灵活地构成任一复杂的热力系统图。如图1所示，用7种模块构成了一个典型的汽轮发电机组热力系统。热力系统计算模块化有三个任务：1）建立模块，用数学模型真实描述其物理对象。2）用模块构成待计算的热力系统。3）研究系统的数学求解方法。2模块设计方法不同模块的设计思路是相同的，都是用数学方程描述模块的能量守恒、质量守恒、传热特性、流体力学特性，以及模块的热力学特性和几何条件。这里，以分流三通为例，介绍模块的设计过程。

图2分流三通在分流三通（图2）中，有如下关系：f(m1,m2,m3)=0此关系有几种表达式，其中一种为：m1=m2+m3(2-1)当已知m1，m2，求m3时，令m1=m1*，m2=m2*，m3=m3′，带入式（2－1）：则m1′=m2*+m3′（2－2）△m=m1*-m1′（2－3）式中：*—给定值；′—任意假定值（待定变量）。如果△m＝0，则m3′成为真实解。如果△m≠0，则修正m3′，反复上面的过程，一步步逼近最终解。当已知m1,m3，求m2时，令m1=m1，m3=m3*，m2=m2′，带入式（2－1）,仍可得式（2－2）、（2－3）：m1′=m2′+m3*△m=m1*-m1′当△m＝0，则m2′成为真实解。这样就提供了求解这两个问题的途径，即Min△m2s.t△m＝0采用一个合适的优化技术，可让△m一步步逼近于0，上述问题的假定值就一步步逼近于最终解。这样，对于同一数学模型，求解不同的问题采用了相同的模式。求解分流三通的流量问题可用图3表示。

图3分流三通流量问题示意图将这一概念加以扩展，可得到热力设备模块的一般模式，用图4表示：

图4一般模块的示意图图注：j－第j种设备；Zj－未知矢量；Kj－表征设备特征的常数矢量；Uj*－表征设备当前特征的矢量；Yj*－已知矢量；Σ△Fj2－等式差值的平方和；△Fj－等式差值矢量。3模块构成热力系统的方法模块构成热力系统的实质，是确定热力系统中各模块间的质量和能量传递关系，为实施计算提供必要的信息（计算规模，待定变量，常数量，输入量，输出量）。模块构成热力系统的最佳形式，应是模块图形化，由图符和连线构成系统，这样构造的图形与机组实际的热力系统图非常相似，在系统图上面向模块可准确地输入有关的信息。4热力系统模块化的数学计算方法通过模块的建立和系统的构成，可得到描述热力系统的一套方程，求解这套方程即分析计算热力系统。目前比较成熟的热力系统数学计算方法是：将所有模块的未知量作为待定变量，从一组初始值开始，用非线性规划的技术求解，所有待定变量同时逼近最终解，直至满足要求的精度。它的优点是：提供了计算的灵活性，不需要人工确定计算过程，计算速度快。5热力系统计算分析模块化方法的应用实例使用模块化方法对热力系统进行分析是很方便和快捷的，目前已有多个外国公司推出基于模块化方法的商业软件包，德国SofBid公司的EbsilonProfessional软件是其中比较成熟和使用方便的。EbsilonProfessional是德国sofbid公司推出的基于热力系统计算分析模块化方法的商业软件包，目前已经开发出87个模块，包括锅炉、汽轮机级组、燃气轮机级组、凝汽器、加热器、水泵、除氧器、发电机、冷却塔、三通管道...等等，并且平均每年新开发2～3个模块，使用这些模块可以构建任一类型的电厂系统图；并采用图形化界面，所有对象图形化：模块、管道、标注数据的十字和文本框，用户可以根据模块的外形就知道该模块代表的设备，系统构成一目了然，并且可根据需要在图上标注出数据和备注文字。使用EbsilonProfessional软件计算分析一个100MW机组的热力系统。1）选择适当的模块和管道，构建出一个100MW机组的热力系统图（见图5）。2）根据试验结果给定各个设备模块的特性参数，模拟出一个真实的系统。3）根据研究需要，改变系统中的某些参数（如初参数，背压，循环水进水温度，加热器温升，轴封漏汽量等等），重新计算出机组的最终出力，进而计算分析出对机组经济性的影响。①循环水进水温度改变对机组经济性的影响。

循环水进水温度设计值为20℃，热耗为8841.4286kJ/kg（见图5）。如果闭式循环系统的冷却水塔运行恶化，改变循环水进水温度输入值为25℃，在其他参数不变的情况下，计算出机组热耗为9009.6845kJ/kg（见图6）。②加热器温升不足对机组经济性的影响。1号高加的设计温升为38℃，出水温度为198.6℃，热耗为8841.4286kJ/kg（见图5）。如果1号高加的温升不足，只有30℃，改变1号高加出水温度输入值为190℃，在其他参数不变的情况下，计算出相应的热耗为8870.7386kJ/kg。③机组初参数改变对机组经济性的影响。在额定负荷下，机组的初参数设计值为8.826MPa/535℃，设计热耗为8841.4286kJ/kg。改变主汽压力输入值为9.2MPa，主汽温度输入值为530℃，在其他参数不变的情况下，计算出相应的热耗为8834.7857kJ/kg。由以上可以看出，运用热力系统计算分析的模块化方法，可以很方便、直观地对热力系统进行计算分析和运行优化。6结束语热力系统计算分析的模块化方法的正确性是无疑的，目前已有基于这种模块化方法的商业软件包推出，用户运用该软件进行热力系统的各种计算分析和运行优化，并根据结果完善系统，取得了较好的经济性。