火电大机组热力系统_设备及运行节能在线监测及指导系统

　收稿日期:2001-01-04

　作者简介:张春发(1945-),男,教授。1970年毕业于清华大学,1981年毕业于华北电力学院北京研究生部。长期从事工程热力学、汽轮机原

理、热力发电厂的教学工作。

火电大机组热力系统、设备及运行节能

在线监测及指导系统

张春发,张德成,张　宝,孙　伟

(华北电力大学动力系,保定071003)

摘要:针对国家电力公司重大科技项目“电厂热力系统、设备及运行在线监测及指导系统”,阐述了该系统的有关技术问题,介绍了系统的结构与功能,并对系统指标的完成情况及存在的问题进行了说明。关键词:热力系统;运行;在线监测;指导系统

分类号:T M621 文献标识码:A 文章编号:1001-5884(2001)03-0129-04

On -line M onitoring and Instructing System for Thermal System ,Equipments and

Operation of High Capacity Unit in C oal -Fired P ower Plant

ZHANG Chun 2fa ,ZHANG De 2cheng ,ZHANG Bao ,S UN Wei

(Dept of P ower Engineering ,NCEPU ,Baoding 071003China )

Abstract :Based on the major scientific and technical project —online m onitoring and instructing system for thermal system ,equip 2ments and operation of coal -fired power plant ,we expound s ome technical problems and introduce the function and the structure of the system in the paper ,then the completion result of the system index and problems existed are pointed out.K ey w ords :therm al system;operation online monitoring;instructing system

0　前　言

电能是最洁净最便于使用的二次能源。生产电能要消耗大量的一次能源,我国生产电力用煤接近全国煤产量的三分之一,西方国家进口的煤绝大部分用于生产电能。据美国电力研究所(EPRI )90年代初的一份跟踪调查报告表明,电厂平均实际供电煤耗高出设计值1000k J/(kW ?h )(34g/(kW ?h ))以上,当时就把电厂节能降耗列为重大科技项目。我国政府充分认识到走可持续发展道路的重要性后,由粗放型经济向集约型经济转轨,电厂节能问题越来越受到国家和电力行业的普遍重视。原电力部出台的“创一流”、现国家电力公司出台的竟价上网进一步促进了节能降耗工作的展开。

1997年我们承揽了国家电力公司重大科技项

目“电厂热力系统、设备及运行节能在线监测及指导系统”的研究任务。该系统在电厂现有的数据采集

系统(DAS )之上,针对机组整个热力系统,在线监测热力系统和热力设备的相关参数,并根据测得的参

数进行实时分析,判断热力系统和热力设备的性能

状态,显示当前工况的热经济性指标,指出当前工况下的节能潜力、能损分布和诊断结果,为运行人员的操作提供指导和依据。目前该系统已经在国内多台300MW 机组上安装应用并取得了良好的效果。本

文对该项目的有关技术问题进行分析阐述。

1　电厂热力系统、设备及运行在线监

测及指导系统的发展动态

90年代以前确定电厂热经济指标的方法几乎

毫无例外的是对机组进行“热力考核实验”,实验按

电力工业部标准(AS ME 标准)进行。实验目的主要是确定额定工况(或接近额定工况)下机组的能耗。考核机组性能在额定工况下是否达到制造厂家给定的热经济指标或机组大修前后热经济性能方面的改进。当时由于技术条件的限制,不能同时记录与热经济性有关的众多热力参数,热力实验考核所用数据不多,主要数据是发电机功率、主汽温、主汽压、再热汽温、再热汽压、排汽压力、除氧器及以前各加热

第43卷第3期

汽　轮　机　技　术V ol.43N o.32001年6月

T URBI NE TECH NO LOGY

Jun.2001

器抽汽给水参数、除氧器给水流量。

用“热力考核实验”模型进行在线监测,存在以下问题:

1.流量测量不准确。刚校正过的流量表误差1%,实验时给水流量温度与校正时的基准温度每相差5℃,表计误差增加1%。长期使用,表计通流部分结垢、冲刷变形引起误差2%～3%。若以表计流量误差为2%计,由于能耗率计算公式中能耗率与流量成正比,能耗误差可达6g标准煤/(kW?h)。若用热力考核实验模型在线,能耗误差更大,可达12g 标准煤/(kW?h)。

2.系统分析功能不完善。除主再热蒸汽参数、排汽参数引起能耗偏差可用修正曲线确定外,其他原因不能分析。

3.修正曲线不准确。国内修正曲线是基于王乃宁教授的“用热力学方法近似计算热耗率和功率的修正曲线”方法,该方法未考虑负荷变化、运行方式变化(定压或滑压)、给水温度变化、抽汽回热等因素引起的缸效率变化。国外(美国)的修正曲线考虑了缸效率的变化,认为缸效率只与容积流量有关,这也是不准确的。

4.不适于较低负荷工况。在较低负荷工况下,流量表误差、汽轮机内效率变化较大,以此为基准的计算结果误差也大。

90年代以后,林万超教授完善了前苏联学者库兹涅佐夫的等效焓降法,该方法在汽轮机参数不变的情况下可以对系统结构及辅助设备进行定量能损分析,在电厂热力系统节能理论方面做出了贡献。负荷变化必然引起通流参数的变化,当负荷变化较大时不能或只能近似使用等效焓降法。以等效焓降法为模型开发的能损分析系统在90年代初问世,在线监测的负荷范围仍是在额定负荷附近,在负荷变化较大时不予监测。当时由于国内装机容量不足,用电紧张,大型机组基本在额定工况下运行。随着电力事业的发展,装机容量不断增加,大型机组参加调峰成为必然,因此对热力系统节能在线监测系统提出了更高的要求。等效焓降法属于静态系统分析法,对于初温、初压、负荷、运行方式、背压改变时能耗的改变用等效焓降法无法处理。在以等效焓降法为基础开发的能损分析系统中,早期产品仍采用汽轮机厂家提供的修正曲线,近期研究采用系统变工况计算方法。但采用的系统变工况计算方法非常近似,例如汽轮机末级效率的变化只考虑了湿气损失,而未计余速损失等。2　开发模型的研究

为满足在使用工况范围内进行高精度监测,新开发了3个数学模型,即:电厂热力系统热经济性状态方程、斯陀托拉流量实验部分结论的证明和弗留格尔公式的改进、热经济分析中的扰动顺序解除法。

2.1　电厂热力系统热经济性状态方程

该方程准确反映了系统连接结构、系统的热力学状态参数以及辅助系统汽水份额对热经济性的影响。该方程有以下几个特点:

(1)便于查找使热经济性定解的系统参数及参数个数。

(2)对于影响热耗较小但又不易测量的小汽水流量系数可取设计值。

(3)系统热耗的确定不依赖于测量误差较大主蒸汽流量或主凝结水流量,从而提高了系统热耗的计算精度。

(4)该方程是准确方程,推导过程无近似假设。在设计工况下计算的能耗和厂家给出的能耗完全一样。用该方程计算运行能耗时的误差仅依赖于测量误差。

(5)该方程有较强的系统分析功能和自生成功能。

2.2　斯陀托拉流量实验部分结论的证明和弗留格

尔公式的改进

无论是确定系统能耗还是进行能耗分析都必须随时确定汽轮机末级的热力学状态。在通常工况下,汽轮机从末一段抽汽到汽轮机排汽均处于湿蒸汽状态。在湿蒸汽区,压力和温度不再是独立变量,需有另一参数———干度才能确定湿蒸汽的状态。目前使用低压干度测量装置无论从测量精度、在线速度以及成本投资上考虑还有很多问题值得研究。因此为了再现汽轮机尾部蒸汽的热力学状态,必需对汽轮机做变工况计算。汽轮机变工况计算所需设备、几何参数及必要的设计参数太多,而且由于循环迭代次数太多,常使计算不能收敛。即使收敛其计算速度也远不能满足机组在线监测的需要。用我们课题组研究的“斯陀托拉流量实验部分结论的证明和弗留格尔公式的改进”可迅速判别末级所处的流动状态。从处于过热蒸汽状态的末二段抽汽开始对汽轮机末级进行顺序核算,无需迭代可一次算出末级排汽干度。经验证表明,用这种方法计算的末级排汽焓,当工况由100%负荷变化到50%负荷时误

031

汽　轮　机　技　术第43卷

差仅为4k J/kg。以汽轮机有效焓降为1200k J/kg计,由此引起的误差仅为0.3%。

2.3　热经济分析中的顺序扰动解除法

当前工况可以认为是由设计工况经一系列扰动而成的,这些扰动相互交叉互相影响,使系统的热力学参数,更精确地说使系统的热经济状态方程发生变化。若从负荷运行工况开始按一定的顺序逐一解除这些扰动,并计算每一个解除扰动后引起的能耗偏差,当扰动全部解除后则系统处于设计工况。解除每一个扰动计算出的能耗偏差就是这个原因引起的能耗偏差。所有原因引起能耗偏差之和等于系统当前运行工况能耗与设计工况能耗之差。用这种方法能保证能耗偏差的找出率。顺序解除过程见文献[1]。

3　系统的功能及实现

3.1　系统的功能

系统按功能可分为:

(1)系统维护。系统维护主要包括:值班表初始化、数据删除、恢复和备份、打印预览及打印。

(2)各项经济性实时分析与指导。本功能实时

,其包括总经济性指标计算,主汽温、主汽压和再热汽温分析与指导,凝汽器真空分析与指导,再热器压损分析与指导,加热器分析与指导,高、中、低压缸效率分析与指导,喷水减温分析与指导和厂用汽分析与指导。在各单项能损分析中均分为测点参数显示、分析计算结果和指导3个部分。

(3)主要经济性指标趋势图。趋势图主要描述了发电煤耗率、供电煤耗率、发电煤耗率偏差、主蒸汽流量、发电机功率和时间的关系曲线(包括实时和历史曲线)以及发电煤耗率、机组净煤耗率、供电煤耗率和负荷的关系曲线。

(4)各项能损棒图。显示各项能损棒图,形象地显示各项能损之间的比例关系。其包括实时能损棒图、月各值能损棒图和年各值能损棒图。

(5)主要参数和经济性指标统计报表。报表统计可分别按时间或值对发电煤耗率、供电煤耗率、发电煤耗率偏差、机组热耗、主蒸汽流量、发电机功率、汽轮机内效率、供电热效率等主要热经济性指标进行统计。

(6)测点参数一览和分布。显示一次性测点参数一览表和分布图。

(7)热力试验

。该模块用于机组通流部分热力性能的试验,可利用本模块进行通流部分热力性能试验,掌握其健康水平和性能水平。

(8)在线帮助与打印报表。对软件功能作必要的介绍,并对软件的使用方法提供Windows风格的在线帮助。同时提供机组经济指标及主要参数的打印报表。

主要系统功能框图如图1所示。

图1　系统功能组成简图

3.2　系统的实现

(1)系统的结构与配置

本系统是以电厂现有的数据采集系统(DAS)为基础,从数据服务器取得实时数据进入计算分析模块,将分析结果重新送回到数据库中,同时通过用户界面程序实时显示分析及诊断结果。客户机操作系统为Windows95或Windows98,采用了客户机/服务器编程模式,系统总体结构框图如图2所示。

(2)软件模块的组成软件采用了可视化开发平台Delphi,它是一种完全面向对象的编程语言,具有完全编译、数据库访问容易等特点。

131

第3期张春发等:火电大机组热力系统、设备及运行节能在线监测及指导系统

图2　系统总体结构框图

4　系统应达技术指标

1.监测工况范围:100%～50%使用工况范围。

2.监测内容:引起能耗变化的所有原因。

3.在线能耗模型准确率:小于设计值1%,即3g 标准煤/(kW?h)。

4.总能耗偏差找出率:各项原因引起的能耗偏差大于总能耗偏差的95%。

5.单项原因能耗偏差准确率:误差小于准确值的5%。

6.对引起能耗偏差的原因在定量分析的基础上,给与定性分析,提供运行、维护指导。

7.人机界面友好。

8.系统运行方便、可靠。

5　系统指标完成情况及存在的问题

该系统已先后在国内几台300MW机组上安装并投入运行,目前来看技术指标均已超过预期结果。系统在现场运行后,一方面能使管理人员随时掌握机组的运行状况及存在的问题,有的放矢地指导运行及设备维护。同时,也使运行值班人员进一步明确了本岗位的效益和责任,促使其改进运行方式,优化操作调整。从现场情况看,单从运行调整上就可以降低煤耗5g/(kW?h)左右。在现场应用的实践表明,该系统投资少,实用性强,可与各种类型的DAS 或DCS相连,满足了当前各电厂对节能降耗的迫切要求。但就其进一步发展应用来说,还存在以下问题:

1.部分测点数值不准确,影响经济指标计算的准确性。

2.指导系统还需进一步完善,以便更好地指导运行人员优化操作,提高机组的运行水平。

6　结束语

1.火电大机组热力系统、设备及运行在线监测及指导系统把机组热力系统结构、设备运行性能以及现场的运行经验与计算机技术结合起来,对火电大机组实时全面的经济性分析和运行指导,提高了机组的运行水平,为机组的节能降耗提供了理论指导。

2.电厂热力系统热经济性状态方程和斯陀托拉流量实验部分结论的证明和弗留格尔公式的改进两个模型的开发不仅丰富节能理论和汽轮机的变工况理论,而且为节能在线监测提供了可靠的理论指导。

3.热经济分析中的扰动顺序解除法模型的开发保证了机组能耗偏差的找出率。

4.火电大机组热力系统、设备及运行在线监测及指导系统是多学科知识和技术的综合,作为火电厂节能降耗、提高设备可用率的一条极有潜力的途径,其发展前景是非常广阔的。今后将在故障诊断方面做更深入细致的工作,以促进该项技术的进一步发展。

参考文献

[1]　曹先常.火电机组热力系统能损分析与在线监测及指导系统

[D].华北电力大学硕士学位论文,2000

231

汽　轮　机　技　术第43卷