發(fā)電廠熱力系統(tǒng)分析方法綜述

發(fā)電廠熱力系統(tǒng)分析方法綜述

1環(huán)函數(shù)法和等效降法加熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“迭代操作”是指傳統(tǒng)的加熱系統(tǒng)串聯(lián)語法、循環(huán)函數(shù)法和等效法的方法。它們都屬于熱力學(xué)第一定律的分析范疇,中心是求解回?zé)嵫h(huán)的各級抽汽量并對其進(jìn)行簡化處理。循環(huán)函數(shù)法和等效焓降法就屬于簡化處理的方法,具備局部定量的特性。1.1高壓加熱器計算熱力系統(tǒng)串聯(lián)解法是伴隨熱力發(fā)電工程的出現(xiàn)而采用的最原始方法,基于加熱器的熱平衡計算汽輪機(jī)的各級抽汽量,是發(fā)電廠設(shè)計、熱力系統(tǒng)分析、汽輪機(jī)設(shè)計最基本的方法,也是熱力系統(tǒng)的基礎(chǔ),至今還在廣泛應(yīng)用。由于電廠熱力系統(tǒng)的特殊性,該方法應(yīng)用時必須從高壓加熱器(高加)開始逐級求解,因此也必須已知通過高加的給水流量或?qū)⑵浼僭O(shè)為1kg,因此屬于定流量的計算。熱力系統(tǒng)串聯(lián)解法廣泛用于高?！盁崃Πl(fā)電廠”的課堂教學(xué)中。1.2聯(lián)法的計算步驟循環(huán)函數(shù)法是簡化分析方法,是馬芳禮先生1980年左右提出的。該方法要用串聯(lián)法先對整個熱力系統(tǒng)進(jìn)行計算,算出回?zé)岢槠亢脱h(huán)效率,然后把熱力系統(tǒng)分解成回?zé)嵫h(huán)和輔助循環(huán)的互相疊加。當(dāng)對熱力系統(tǒng)的更改進(jìn)行分析時,只限定在局部循環(huán)的變化對系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的影響,計算端差等設(shè)備缺陷的影響還不是很方便。1.3等式降法等效焓降法屬于定流量的方法,由前蘇聯(lián)專家提出,20世紀(jì)70年代末傳入我國,80年代在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。1.4凝汽固液he等效抽汽法是把回?zé)嵫h(huán)的Z級抽汽設(shè)想成一個抽象的抽汽,該抽汽的抽汽量α等于Z級抽汽量之和,該抽汽的焓值he等于各級抽汽焓的加權(quán)平均值。等效抽汽法以1kg的凝汽為計算基準(zhǔn),he越小,α越大,循環(huán)的熱耗率也越低。因此等效抽汽的焓值he能夠反映循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性,當(dāng)蒸汽的初終參數(shù)和給水參數(shù)一定時,等效抽汽是Z級抽汽的“重心”。等效抽汽法是20世紀(jì)50年代末由美國的Salisbury,J.Kenneth提出,當(dāng)時等效抽汽的焓值用He表示。國內(nèi)出版的文獻(xiàn)對等效抽汽法有較詳細(xì)的論述。2矩陣法對加熱系統(tǒng)的影響2.1回?zé)嵯到y(tǒng)輔助流量計算的方程電廠熱力系統(tǒng)的矩陣分析是聯(lián)立各級回?zé)峒訜崞鞯臒崞胶夥匠淌?通過求解一組包含各級抽汽量的線性方程組完成對熱力系統(tǒng)的計算。矩陣分析也屬于傳統(tǒng)的分析方法,其特點是一次能計算幾個或幾十個未知的參數(shù),同時求出各級抽汽。相對于“串聯(lián)解法”,稱其為“并聯(lián)解法”。矩陣法最早見于文獻(xiàn)(1990年前后),當(dāng)時提出的矩陣形式只包含對回?zé)嵫h(huán)部分的詳細(xì)分析,對輔助流量的考慮是通過對方程右側(cè)進(jìn)行補(bǔ)充完善,最后解出各級抽汽量。方程形式如下:方程的系數(shù)當(dāng)時被稱為q-γ-τ矩陣,與熱力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。文獻(xiàn)在式(1)的基礎(chǔ)上,以矩陣的形式增補(bǔ)了對輔助蒸汽和輔助水流系統(tǒng)以及外熱量(包括散熱)的考慮。改進(jìn)后的方程形式如下:[A][D]+[Af][Df]+[Aτ][Dw]+[ΔQ]=Dfw[τ](2)該方程統(tǒng)一了熱平衡的表達(dá)形式,無論任何形式的熱力系統(tǒng)都能夠用式(2)求解抽汽量。該方程的另一特點就是“疊加”特性,回?zé)岢槠?、輔助蒸汽、輔助水流以及散熱損失(或外熱量)在方程中對應(yīng)了各自的項,各項相加就構(gòu)成了實際熱力系統(tǒng)。各項的系數(shù)反映了回?zé)嵯到y(tǒng)和輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),稱之為“結(jié)構(gòu)矩陣”,[A]矩陣反映回?zé)嵯到y(tǒng)的結(jié)構(gòu),實質(zhì)上是“矩陣法”初期時的q-γ-τ矩陣。另外文獻(xiàn)還根據(jù)式(2)對熱力系統(tǒng)內(nèi)部汽水流量進(jìn)行了虛擬流動方向的假設(shè),以便熱力系統(tǒng)的分析。文獻(xiàn)對帶復(fù)雜外置蒸汽冷卻器的熱力系統(tǒng)的通用熱平衡式進(jìn)行了推導(dǎo)。2.2避免了逐步的疊代運算上述矩陣方程,必須已知主汽流量D0或把主汽量假設(shè)為1kg,因此屬于定流量的算法,要實現(xiàn)定功率的分析必須進(jìn)行多次疊代運算,逐步逼近某一功率。文獻(xiàn)把汽輪機(jī)的功率方程(也是能量平衡式)與加熱器的方程共同聯(lián)立,在某已知功率時可一次性求出汽輪機(jī)進(jìn)汽量和各加熱器抽汽量的矩陣方程式,避免了逐步疊代的運算,實現(xiàn)了直接“定功率”分析。方程的形式如下:3偏斷理論的應(yīng)用3.1熱力系統(tǒng)的重要參量“等效降”和“抽汽效率”的概念偏微分理論在發(fā)電廠熱力系統(tǒng)分析中的應(yīng)用,最初是由張春發(fā)先生等提出的,用來對等效焓降和抽汽效率進(jìn)行定義和推導(dǎo)。這一方法剛提出時稱為“小擾動理論”,1994年又專門對再熱-回?zé)釞C(jī)組的偏微分分析方法進(jìn)行了論述。至此偏微分的方法已經(jīng)建立,應(yīng)用于熱力系統(tǒng)分析的2個重要參量“等效焓降”和“抽汽效率”也用偏微分方法定義和導(dǎo)出,使得這2個概念建立在更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)上。抽汽效率的定義式:ηi=?(?ηf?ΔQi(Q0+Qrh))D0(4)ηi=-(?ηf?ΔQi(Q0+Qrh))D0(4)抽汽效率的計算式: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稱之為“抽汽效率法”。偏微分方法的應(yīng)用,是對電廠熱力系統(tǒng)參數(shù)變化的線性化處理,使發(fā)電廠熱力系統(tǒng)簡化分析的概念更加清晰,易于接受,給等效焓降法賦予了新的生命力。3.2熱耗變換系數(shù)法熱(汽)耗變換系數(shù)法是定功率條件下分析發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的新方法,在矩陣熱平衡方程式和應(yīng)用偏微分理論的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了2個新的參數(shù):熱耗變換系數(shù)ξi和汽耗變換系數(shù)ki。借助這2個參數(shù)可以簡化電廠熱力系統(tǒng)的分析,進(jìn)行局部定量計算,對熱電廠的熱電成本進(jìn)行分?jǐn)?。熱耗變換系數(shù)和汽耗變換系數(shù)的定義如下:ξi=?(?(Q0+Qrh)?ΔQi)N(6)ξi=-(?(Q0+Qrh)?ΔQi)Ν(6)ki=?(?D0?Di)N(7)ki=-(?D0?Di)Ν(7)式(4)、(6)、(7)中的D0、N為常數(shù)。熱耗變換系數(shù)的計算式:{[A]T?[Y][τ]T}[ξ]=(q0+σ)[Y]?[σ](8){[A]Τ-[Y][τ]Τ}[ξ]=(q0+σ)[Y]-[σ](8)式(8)是一組線性方程,很容易求解。有幾級抽汽就有幾個熱耗變換系數(shù),并且隨著抽汽壓力從高壓到低壓ξi逐步減小(介于0～1之間),ξi反映了抽汽在熱力系統(tǒng)中的品位。熱耗變換系數(shù)法最大的特點就是以定功率為條件,這在簡化分析中尚屬首次。另外,該方法還可直接對汽輪機(jī)熱耗率進(jìn)行分析,與其它方法相比不用得知熱力系統(tǒng)效率。3.32主循環(huán)汽耗率dm和抽汽待考熱耗變換系數(shù)和抽汽效率是在不同條件下反映抽汽品位的參數(shù),2者之間存在如下關(guān)系:ηM=ηi/ξi,ηM為不包括任何輔助流量和輔助熱量的主循環(huán)效率。汽耗變換系數(shù)和抽汽的等效焓降是從另一個角度對抽汽品位的描述,2者存在如下關(guān)系:dM=3600ki/H0ii0。dM為不包括任何輔助流量和輔助熱量的主循環(huán)汽耗率。通過以上2種關(guān)系以及主循環(huán)的概念,把熱(汽)耗變換系數(shù)法和等效焓降法中反映抽汽品位的參數(shù)有機(jī)統(tǒng)一起來,說明熱耗變換系數(shù)法和等效焓降法是不同條件下的2種方法,深刻揭示了電廠熱力系統(tǒng)的變化規(guī)律,得出了許多有用的計算公式。4定功率分析的基本方法上面所有的分析方法都以定功率或定流量為條件,這是熱力系統(tǒng)分析所必須的。定流量分析包括:熱力系統(tǒng)分析的“串聯(lián)解法”和“并聯(lián)解法”、循環(huán)函數(shù)法、等效焓降法等。定功率分析包括:熱力系統(tǒng)分析的“定功率方程”、熱(汽)耗變換系數(shù)法。用串聯(lián)解法多次計算逐步逼近某功率也屬于定功率法,但不是直接的定功率分析。由此可見,定功率方程是定功率法求解熱力系統(tǒng)的代表方法,而熱(汽)耗變換系數(shù)法是簡化分析中定功率分析的代表方法。如果在熱力學(xué)第一定律范疇內(nèi)分析熱力系統(tǒng)而不用“定功率”或“定流量”為條件,那么該分析是不可能得出結(jié)果的,就好像一個沒有支點的杠桿,不能正常工作,該特性可用圖1描述。如果不限定熱力系統(tǒng)分析的條件,如圖1(a)杠桿變化之前和變化之后的位置是不可比較的,因此也不可能得出結(jié)果。圖1(b)可表示定流量的分析方法。當(dāng)熱力系統(tǒng)內(nèi)部存在任何擾動因素時,將影響從擾動位置開始更低壓力的各級抽汽量的變化,汽輪機(jī)的進(jìn)汽量始終不變,好比一個支點。圖1(c)表示定凝汽流量的情況,例如等效抽汽法是以1kg的排汽量為計算基準(zhǔn),熱力系統(tǒng)內(nèi)的任何變化都會引起進(jìn)汽量和抽汽量的變化,從而影響循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。圖1(d)形容了定功率分析的情況。在定功率條件下如果熱力系統(tǒng)內(nèi)存在任何擾動因素,將影響從擾動位置開始更低壓力和更高壓力的各級抽汽量的變化,2邊的變化趨勢正好相反,而中間某一位置的廣延量(水或水蒸汽的質(zhì)量)保持不