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1、电厂热力系统分析方法的研究与发展现状郭民臣(华北电力大学,北京 102206)摘 要 总结了几种发电厂热力系统分析方法,回顾了国内在该领域的发展过程。热力系统分析分别经历了代数运算、矩阵计算、矩阵微分等阶段。并在不同的方法上实现了定流量分析向定功率分析的拓展,逐步完善了各种分析方法。关键词 热力系统;热经济分析;矩阵法;热耗变换系数法;等效焓降法中图分类号TK212文献标识码A文章编号1002-3364(2001)06-0007-031 热力系统分析的代数运算热力系统分析的“代数运算”是指传统的热力系统串联解法、循环函数法和等效焓降法。它们都属于热力学第一定律的分析范畴,中心是求解回热循环的各
2、级抽汽量并对其进行简化处理。循环函数法和等效焓降法就属于简化处理的方法,具备局部定量的特性。1.1 热力系统串联解法热力系统串联解法是伴随热力发电工程的出现而采用的最原始方法,基于加热器的热平衡计算汽轮机的各级抽汽量,是发电厂设计、热力系统分析、汽轮机设计最基本的方法,也是热力系统的基础,至今还在广泛应用。由于电厂热力系统的特殊性,该方法应用时必须从高压加热器(高加)开始逐级求解,因此也必须已知通过高加的给水流量或将其假设为1 kg,因此属于定流量的计算。热力系统串联解法广泛用于高校“热力发电厂”的课堂教学中1。1.2 循环函数法循环函数法是简化分析方法,是马芳礼先生1980年左右提出的。该方
3、法要用串联法先对整个热力系统进行计算,算出回热抽汽量和循环效率,然后把热力系统分解成回热循环和辅助循环的互相叠加。当对热力系统的更改进行分析时,只限定在局部循环的变化对系统热经济性的影响,计算端差等设备缺陷的影响还不是很方便。1.3 等效焓降法等效焓降法属于定流量的方法2,由前苏联专家提出,20世纪70年代末传入我国,80年代在国内得到广泛的应用3。1.4 等效抽汽法等效抽汽法是把回热循环的Z级抽汽设想成一个抽象的抽汽,该抽汽的抽汽量等于Z级抽汽量之和,该抽汽的焓值he等于各级抽汽焓的加权平均值。等效抽汽法以1 kg的凝汽为计算基准,he越小,越大,循环的热耗率也越低。因此等效抽汽的焓值he能
4、够反映循环的热经济性,当蒸汽的初终参数和给水参数一定时,等效抽汽是Z级抽汽的“重心”。等效抽汽法是20世纪50年代末由美国的Salis2bury,J.Kenneth提出4,当时等效抽汽的焓值用He表示。国内出版的文献5对等效抽汽法有较详细的论述。技术经济综述热力发电2001(6)1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2 热力系统的矩阵分析法2.1 定流量矩阵方程式电厂热力系统的矩阵分析是联立各级回热加热器的热平衡方程式,通过求解一组包含各级抽汽量的线性方程组完
5、成对热力系统的计算。矩阵分析也属于传统的分析方法,其特点是一次能计算几个或几十个未知的参数,同时求出各级抽汽。相对于“串联解法”,称其为“并联解法”。矩阵法最早见于文献6、7(1990年前后),当时提出的矩阵形式只包含对回热循环部分的详细分析,对辅助流量的考虑是通过对方程右侧进行补充完善,最后解出各级抽汽量。方程形式如下:q-I=(1)方程的系数当时被称为q-矩阵,与热力系统的结构有关。文献8在式(1)的基础上,以矩阵的形式增补了对辅助蒸汽和辅助水流系统以及外热量(包括散热)的考虑。改进后的方程形式如下:AD+AfDf+ADw+Q=Dfw(2)该方程统一了热平衡的表达形式,无论任何形式的热力系
6、统都能够用式(2)求解抽汽量。该方程的另一特点就是“叠加”特性,回热抽汽、辅助蒸汽、辅助水流以及散热损失(或外热量)在方程中对应了各自的项,各项相加就构成了实际热力系统。各项的系数反映了回热系统和辅助系统的结构,称之为“结构矩阵”,A矩阵反映回热系统的结构,实质上是“矩阵法”初期时的q-矩阵。另外文献8还根据式(2)对热力系统内部汽水流量进行了虚拟流动方向的假设,以便热力系统的分析。文献9对带复杂外置蒸汽冷却器的热力系统的通用热平衡式进行了推导。2.2 定功率的矩阵方程式上述矩阵方程,必须已知主汽流量D0或把主汽量假设为1 kg,因此属于定流量的算法,要实现定功率的分析必须进行多次叠代运算,逐
7、步逼近某一功率。文献1011把汽轮机的功率方程(也是能量平衡式)与加热器的方程共同联立,在某已知功率时可一次性求出汽轮机进汽量和各加热器抽汽量的矩阵方程式,避免了逐步叠代的运算,实现了直接“定功率”分析。方程的形式如下:BD=BfBf+BfBf+BD+Q+N(3)3 偏微分理论的应用3.1 等效焓降法的证明偏微分理论在发电厂热力系统分析中的应用,最初是由张春发先生等提出的,用来对等效焓降和抽汽效率进行定义和推导。这一方法刚提出时称为“小扰动理论”12,1994年又专门对再热-回热机组的偏微分分析方法进行了论述13。至此偏微分的方法已经建立,应用于热力系统分析的2个重要参量“等效焓降”和“抽汽效
8、率”也用偏微分方法定义和导出,使得这2个概念建立在更严谨的数学推导上。抽汽效率的定义式:i=-9f9 Qi(Q0+Qrh)D0(4)抽汽效率的计算式:AT=h-(5)抽汽效率是等效焓降法的核心,抽汽效率概念的作用比等效焓降概念的作用更大,因此等效焓降法也可以称之为“抽汽效率法”。偏微分方法的应用,是对电厂热力系统参数变化的线性化处理,使发电厂热力系统简化分析的概念更加清晰,易于接受,给等效焓降法赋予了新的生命力。3.2 热(汽)耗变换系数法热(汽)耗变换系数法14是定功率条件下分析发电厂热力系统的新方法,在矩阵热平衡方程式和应用偏微分理论的基础上导出了2个新的参数:热耗变换系数i和汽耗变换系数
9、ki。借助这2个参数可以简化电厂热力系统的分析,进行局部定量计算,对热电厂的热电成本进行分摊15。热耗变换系数和汽耗变换系数的定义如下:i=-9(Q0+Qrh)9 QiN(6)ki=-9D09DiN(7)式(4)、(6)、(7)中的D0、N为常数。热耗变换系数的计算式:AT-YT=(q0+)Y-(8)式(8)是一组线性方程,很容易求解。有几级抽汽就有几个热耗变换系数,并且随着抽汽压力从高压到技术经济综述热力发电2001(6)1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:
10、/低压i逐步减小(介于01之间),i反映了抽汽在热力系统中的品位。热耗变换系数法最大的特点就是以定功率为条件,这在简化分析中尚属首次。另外,该方法还可直接对汽轮机热耗率进行分析,与其它方法相比不用得知热力系统效率。3.32种方法的比较热耗变换系数和抽汽效率是在不同条件下反映抽汽品位的参数,2者之间存在如下关系:M=i/i,M为不包括任何辅助流量和辅助热量的主循环效率。汽耗变换系数和抽汽的等效焓降是从另一个角度对抽汽品位的描述,2者存在如下关系:dM=3 600ki/H0i。dM为不包括任何辅助流量和辅助热量的主循环汽耗率。通过以上2种关系以及主循环的概念,把热(汽)耗变换系数法和等效焓降法中反
11、映抽汽品位的参数有机统一起来,说明热耗变换系数法和等效焓降法是不同条件下的2种方法,深刻揭示了电厂热力系统的变化规律,得出了许多有用的计算公式。4 定流量和定功率条件上面所有的分析方法都以定功率或定流量为条件,这是热力系统分析所必须的。定流量分析包括:热力系统分析的“串联解法”和“并联解法”、循环函数法、等效焓降法等。定功率分析包括:热力系统分析的“定功率方程”、热(汽)耗变换系数法。用串联解法多次计算逐步逼近某功率也属于定功率法,但不是直接的定功率分析。由此可见,定功率方程是定功率法求解热力系统的代表方法,而热(汽)耗变换系数法是简化分析中定功率分析的代表方法。如果在热力学第一定律范畴内分析
12、热力系统而不用“定功率”或“定流量”为条件,那么该分析是不可能得出结果的,就好像一个没有支点的杠杆,不能正常工作,该特性可用图1描述。图1 电厂热力系统分析中定功率或定流量条件的应用图示如果不限定热力系统分析的条件,如图1(a)杠杆变化之前和变化之后的位置是不可比较的,因此也不可能得出结果。图1(b)可表示定流量的分析方法。当热力系统内部存在任何扰动因素时,将影响从扰动位置开始更低压力的各级抽汽量的变化,汽轮机的进汽量始终不变,好比一个支点。图1(c)表示定凝汽流量的情况,例如等效抽汽法是以1 kg的排汽量为计算基准,热力系统内的任何变化都会引起进汽量和抽汽量的变化,从而影响循环的经济性。图1
13、(d)形容了定功率分析的情况。在定功率条件下如果热力系统内存在任何扰动因素,将影响从扰动位置开始更低压力和更高压力的各级抽汽量的变化,2边的变化趋势正好相反,而中间某一位置的广延量(水或水蒸汽的质量)保持不变,类似杠杆的一个支点。该支点不一定恰好在某一级抽汽上,常常是在2级抽汽之间,而且功率取不同的定值,支点就左右移动。由此,定功率分析具有更好的动态特性,更接近实际,获得的信息也更多。5 结 语热力学第一定律范畴内的分析方法还有循环组合法等14,在此不赘述。综上所述,随着发电厂热力系统分析方法的不断完善,其在指导电厂经济运行方面的作用也越来越重要。参 考 文 献1 郑体宽等.热力发电厂M.电力
14、工业出版社,1995.2 张春发,郭民臣.电厂热力系统分析的两个重要参量J.工程热物理学报,1993,(4):365-368.3 林万超.火电厂热系统定量分析M.西安交通大学出版社,1985.4Salisbury,J.Kenneth.Steam turbine and their cyclesM,RobertE.Publishing Co.,1974.601-613.5汪孟乐.火电厂热力系统分析M.水利电力出版社,1992.30-41.6 郭丙然.火电厂计算机分析M.水利电力出版社,1991.7 陈国年等.电厂热力系统分析的新方法 矩阵法J.电力技术,1991,(8).8 郭民臣等.电厂热力系
15、统矩阵分析方法的改进J.热能动力工程,1997,(2):103-106.9 魏楠等.带蒸汽冷却器热力系统的方程分析J.江西电力,1997,(4):1-5.10 郭民臣等.电厂热力系统的定功率方程与热效率J.现代电力,1997,(2):11-16.11 郭民臣等.再热机组热力系统的定功率矩阵解法C.300600 MW汽轮机学术研讨会论文集.331-336.(下转第12页)技术经济综述热力发电2001(6)1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/进性结焦,此时床温和
16、观察到的流化质量都正常,焦块是缓慢生长的,其主要原因有布风系统制造和安装质量不好、给煤中存在大块、运行参数控制不当等。要避免结焦现象的发生,最好的方法是保证易发区域流化良好,颗粒混合迅速,点火过程中注意布风均匀,保证流化质量达到规定的要求,并注意在点火后期适时放渣。及时发现结焦并予以清除是运行人员必须掌握的原则,因灼热的焦块相对容易打破,故一旦严重结焦,应立即停炉实施打焦和消除小焦块的操作,否则,残留的小焦块对重新启动后的运行极为不利。4 结 语循环流化床锅炉的热工自动化和计算机监控系统是一个非常复杂的系统,现在基本上还停留在以实践经验为主、理论为辅的模式上,因此,要进一步加强流化床锅炉动态数
17、学模型的完善化和定量化,深入进行流化床锅炉整体控制规律和控制策略的研究,以开发循环流化床锅炉故障诊断和优化运行专家系统。参 考 文 献1 党黎军.循环流化床锅炉的监视仪表和运行控制J.电站系统工程,1999,(1).2 牛培峰,孙健,柴天佑.循环流化床锅炉热工自动控制系统与展望J.动力工程,1998,(12).3 凌澄,李寿成.PC总线工业控制系统精粹M.清华大学出版社,1998.作者简介:李 辉,男,1976年生。现为华中理工大学煤燃烧国家重点实验室硕士研究生,研究方向为流化床锅炉故障诊断及优化运行技术的开发。(上接第9页)12 张春发,郭民臣,张恒良.小扰动理论在电厂热力系统分析中的应用C
18、.中国工程热物理学会第八届年会论文集.1992.13 张春发等.再热机组热经济性分析的两个重要参数J.中国电力,1993,(12):54-58.14 郭民臣等.热(汽)耗变换系数法 分析电厂热力系统的新方法J.中国电机工程学报,1997,(4):227-229.15 郭民臣.热电厂供热成本分摊的新方法 热耗变换系数法J ,中国电机工程学报,2000,(11):85-88.16 胡华进,徐治皋.电站热力系统循环组合法及其矩阵模型J.中国电机工程学报,1998,(1).作者简介:郭民臣(1963-),男,河北乐亭人,副教授,硕士,现在华北电力大学(北京)动力系任教,主要从事工程热力学教学和发电厂节
19、能方面的研究工作。技术经济综述?热力发电2001(6)1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/THERMAL POWER GENERATION2001.No.6ContentsA STUDYON THE DESIG N OF DOMESTIC 300MW CFB BOILERSSUN Xian-bin et al(2)Based on summarizing a vast amount of test and research,design and manufa
20、cture,operating experience and technical renovation,a technical scheme having self-ownedintellectual property right for designing domestic 300MW CFB boilers has been developed.The design ideas,technical features of furnace type,the design of importantparts and auxiliary equipments on boiler island h
21、ave been analyzed and discussed in detail,it is expected to provide an all-round technical support for the developmentand engineering application of large-scale CFB boiler technology in domestic power plants.STATUS QUO OF RESEARCH AND DEVELOPMENT IN THE AREA OF ANALYSIS METHODS FOR POWER PLANTSTHERM
22、ODY NAMIC SUSTEMSG UO Min-chen(7)Several analysis methods of thermodynamic systemsfor coal fired power plants have been summarized,the domestic development process in this area reviewed.It has beenpointed out that the thermodynamic system analysis has gone through phases such as algebraic,matrix,and
23、 matrix differential calculations etc.And extension of variousmethods fromflow-fixed analysis to power-fixed analysis has been achieved during this period.In addition,every method of said system analysis for coal fired powerplants has progressively been perfected.THERMOTECHNICAL AUTOMATION AND COMPU
24、TER-BASED MONITORINGOF INDUSTRIAL CFB BOILERSLI Hui et al(10)Based on the features of operation and the principle of regulation,the design and development course of thermotechnical automatic systemfor industrial CFB boilers aredescribed.From practice of engineering projects,many design principles,na
25、mely bed temperature control of material layer,water-level control of boiler drum,steamtemperature control of super heater,load control of unit,negative-pressure control,oxygen content control of flue gas,quantity control of feed-back material,etc.have been given.AN APPROACH TO FURNACE CHARACTERISTI
26、C PARAMETERS OF LARGE PULVERIXED-COAL FIRED BOILERSY UAN Ying et al(13)Through statistical analysis,an approach to combustion efficiencyof 300-600MW boilers existing nowinoperation and their furnace thermal characteristic parameters un2der different combustion modes has been made,putting forward som
27、e reference parameters for design and mode-selection of furnace hearth in the future.It is felt thatthe furnace volume heat release rate used in present designs is commonlyon the higher side,especiallyfor boilers burning low volatile coal sorts,making the combustionefficiency for quite a number of l
28、arge capacity units could not reach to a due level.This problem had occurred under corner tangential firing and wall opposed firing,andit became even more serious under W-shaped flame double-arch firing.QUANTITATIVE CALCULATION METHOD FOR THE EFFECT OF NON-UNIFORM WATER DISTRIBUTION ON THEPERFORMANC
29、E OF A COOLING TOWERLI Qin-dao et al(19)The concept of water distribution uniformity coefficient has been put forward for the non-uniform water distribution in the wet cooling towers water distribution system.The title quantitative calculation was carriedout by using numerical computation,providing
30、a quantitative methodfor diagnosing economic aspectsof a cooling tower inop2eration.LOW-CYCLE FATIG UE PROPERTYOF SA299 STEEL PLATES USED FOR BOILER DRUMSLI Yi-min et al(23)Tests for chemical composition,micro-structure,tensile behavior and impact toughnessof SA299 steel plate matrix and its weld-se
31、am material possessing different car2bon contents have been carried out,the fragility appearance transform temperature(FATT)of said steel plates has been measured,the investigation of low-cycle fatigueproperty having been emphasized.The obtained results indicate that the microstructure,grain-size an
32、d inclusion level of said steel plates were normal,hardened struc2ture induced from quench had not been found;longitudinal and horizontal tensile strength as well as plasticity indexof the said steel plates had no remarkable difference;their impact toughness could meet the requirementsof related sta
33、ndards;the FATTof steel plates possessing higher carbon content was lower than that of steel plates pos2sessing normal carbon content;their low-cycle fatigue lifes at room temperature were approximately the same,but the low-cycle fatigue life of weld-seam material at370was higher than that at room t
34、emperature.STUDYON ABRASION PROPERTIES OF COLD SOLIDIFIED POLY MERIC COATINGSHE Da-chun et al(27)The abrasion properties of wear-resistant adhesive coatings have been studied on self-created abrasion test facility.The results show that the abrasion of coatings wasinfluenced by many factors,such as a
35、ttack angle,impact speed,and abradant dosage etc.The maximum abrasion rate was appeared at attack angle to be 75.When theattack angle was small,the abrasion was mainly appeared as delamination of sliceson the order of organic matters in the coating;while the attack angle was large,exceptthe abrasion
36、 appeared as delaminationof sliceson the saidorder,there are also fillersserious breaking and peelingoff due to elastically collapsing and crackingof organ2ic matters in the coating.EXPERIMENTAL STUDYOF FILTRATION-PRECIPITATION TECHNOLOGYVIA MOVING GRANULAR LAYER UNDERHIGH PRESSUREXIA Jun-cang et al
37、(30)A pilot precipitation system via moving granular layer under high temperature and high pressure has been newly developed.Through cold state simulation test,the regularoperation pattern and design basis have been accumulated and grasped,laying a foundationfor further experimental studyof high tem
38、perature gas and realization in practi2cal engineering.The result of study shows it is suitable for precise filtration-precipitation for dust-carryingflue gas after realization of the said system in large-scale.TECHNICAL RETROFIT OF A 410t/h CFB BOILER AT G AOBA POWER PLANT OF NEIJIANG CITY,SICHUANPROVINCEZHANG Wen-qing et al(34)1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/