汽轮机热力计算设计

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1620812008

目录

第一章绪论 (1)

§1.1 我国电力工业发展概况 (1)

§1.1.1 我国电力工业的成就及前景 (1)

§1.1.2 燃煤发电在我国电力工业发展中的地位 (2)

§1.2 热经济性计算与机组优化调度系统的重要性 (3)

第二章热力性能与机组优化调度系统的简单介绍 (6)

§2.1 热力性能检测与优化调度系统的功能组成 (6)

§2.1.1 系统在电厂中所起的作用 (6)

§2.1.2 系统的主要功能 (7)

§2.2 性能分析与优化调度方法 (8)

§2.2.1 性能分析方法 (8)

§2.2.1 优化调度方法 (9)

第三章热力性能计算基本理论概述 (11)

§3.1 计算方法的选择 (11)

§3.2 计算流程 (12)

§3.3 软件功能和特点 (15)

第四章机组优化调度基本理论概述............................. .16§4.1 优化调度原理 (16)

§4.2 数据输入和输出 (19)

§4.3 关于负荷优化程序计算的说明 (20)

第五章IAPWS-IF97水和水蒸汽热力性质计算理论 (22)

§5.1 简介 (22)

§5.2 IAPWS-IF97公式简介 (23)

第六章汽轮机热力性能计算软件程序使用说明 (26)

§6.1 软件简介 (26)

§6.2 系统运行平台 (26)

§6.3 程序功能说明 (26)

§6.3.1 软件主界面 (26)

§6.3.2 菜单主要功能 (28)

第七章机组优化调度软件程序使用说明 (35)

§7.1 软件简介 (35)

§7.2 系统运行平台 (35)

§7.3 程序功能说明 (35)

§7.3.1 软件主界面 (35)

§7.3.2 程序主要功能 (36)

第八章温度标定系统及数据采集程序 (41)

§8.1 动力工程基本量测控实验室概述 (41)

§8.2 实验室温度压力测试用设备 (41)

§8.3 数据采集卡简介 (41)

§8.4 MCGS系统介绍 (42)

§8.5 MCGS程序设计概述 (44)

全文总结 (47)

参考文献 (48)

专业英文翻译

第一章绪论

§1.1 我国电力工业发展概况

§1.1.1 我国电力工业的成就及前景

电力是国民经济发展的基本条件，是社会基础设施的重要组成部分。经济要发展，电力要先行。电力工业的发展，不但推动了电力设备制造业和安装业的发展，同时也推动了与之相关的科研工作的发展。

我国是世界上电力生产最早的国家之一【1】，早在19世纪80年代初（1882年）就开始生产电力。然而直到“六五”之前，我国的电力工业发展一直非常缓慢。因此在“六五”、“七五”特别是“八五”计划期间，国家将增加发电设备装机容量作为一件大事来抓，取得了明显的成绩。到1995年底，我国发电设备装机容量跃居世界第三位，发电量居世界第二位。

“九五”期间，电力工业发展的具体目标为：到2000年全国发电设备装机容量将达到300000 MW，电力年均增长率约7%。根据1996年3月八届人大四次会议批准的《国民经济和社会发展“九五”计划和2010远景目标纲要》，2010年国民生产总值比2000年翻一番，按照电力与国民经济同步发展考虑，到2010年，全国发电设备装机容量将达到50~55万MW。

尽管我国电力建设取得了巨大的成就，但我国电力供应的缺口仍然很大。按1996年的用电情况测算，全国大约缺少装机容量20000 MW，缺电约800亿度【2】。人口的增长以及现代化进程使我国对电力的需求不断增加。到1995年底，我国人均装机容量仅为0.181 kW，按照每人1kKW计（1995年美国人均为3.4 kW，俄罗

斯1.1 kW ，日本1.2 kW）的目标，按2050年我国人口达到15亿计，则至2050年我国发电装机容量需达到150万MW，比1995年净增130万MW，因此，我国电力工业仍有非常巨大的发展空间。

§1.1.2 燃煤发电在我国电力工业发展中的地位

从全世界范围来看，火力发电在电力工业中起着主导作用，在我国所占的比例更大（70%)，我国煤炭资源丰富，故以煤电为主，燃煤发电在我国电力工业中起者决定性的作用。在今后几十年内，仍将保持在60~70%【3】。

1995年我国发电设备总装机容量217224.2 MW，其中火电装机占74%，核电占0.97%，水电占25.03%【4】。到2000年全国发电设备装机容量将达到290000 MW，其中火电218700MW，占75%；水电62900 MW，占22.0%；核电2100 MW，占0.7%。年发电量约为14000亿度，其中火力发电11740亿度，占83.86%。到2010年发电设备装机容量将达到500000~550000 MW，三峡全部建成，水电装机容量达到115000MW，但火电仍居主要地位。发电量达到25000亿度，占80%【5】。

我国的能源资源特点决定了火电要继续发展。我国的石油和天然气储量有限，探明程度低，资源宝贵，大多要作为重要的工业原材料，不能用于发电。因此，以煤为主的能源结构在相当长的时期内难以改变。我国煤炭资源在1990年末保存储量达9543亿吨，1995年原煤产量达11.98亿吨，居世界首位。据有关部门预测，2000年原煤产量可达14.5亿吨左右，2010年可达19亿吨左右。1995年全国发电供热用煤4.4亿吨，占原煤总产量的36.7%。到2000年，全国需发电供热用煤6.3亿吨，占原煤总产量的43.4%【1】。2000~2010年期间，计划新增火电机组15万MW以上，年新增用煤约4000万吨，占新增煤炭产量的90% 左右（按2010年煤产量19亿吨测算）。表1-1为我国一次能源消费结构【6】。

表1-1 我国一次能源消费结构（％）

从表1-1可以看出，在未来相当长一段时期内，燃煤发电仍是我国电力工业的主力军。

§1.2 热经济性计算与机组优化调度系统的重要性

火电厂的热力系统是实现热功转换的系统。它是通过热力管道及阀门将各热力设备有机地联系起来，在各种工况下安全、经济、连续地将燃料的热能转换成电能。因而要监测电厂热经济性就要计算各种工况下热力系统的热经济指标。

火电厂热力系统计算是热能动力工程的一项重要的技术工作，通过热力系统计算可求出机组和电厂准确的热经济性，其基本原理是系统的质量守恒方程和能量守恒方程。火电厂的设计、技术改造、运行优化以及对火电厂性能监测、运行偏差的分析等均需对火电厂的热力系统作详细的热平衡计算，求出热经济性指标作为决策的依据，因此，电厂的热力系统计算是实现上述任务的重要技术基础，直接反映出全厂的经济效益，对电厂的节能具有重要意义。

随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，电厂的负荷状况有了很大的变化，主要表现是昼夜负荷峰谷差值加大，对于一个电厂而言，可能需要在每天的不同时间之内对机组分配不同的负荷。对于大、中容量的机组更是如此。

随着市场经济的深入发展，竞价上网使电厂对于机组发电的经济性越来越关心；可持续发展也要求对一次的不可再生能源进行节约。火电厂每天每时都在消耗着各种燃料，如果提高火电厂的燃料利用的效率，无疑会为国家节约大量的宝贵的一次资源。

电厂通过技术改造，提高单台机组的效率，可以使单台机组节约大量的燃料，但是，对于一个电厂而言，通常是有许多台机组并列运行；对于一个电力系统，是有许多的电厂在运行。对于电厂，给定的负荷是要在多台机组间分配的，有时一种功率的分配方式并不能完全保证所有的机组都能够在比较经济的负荷下运行。一个电厂里的机组的容量不同，经济负荷区就有可能不同，即使是同一类型的机组，各自的效率也会有差别，把负荷优先分配给效率高的大容量的机组似乎是一种经济的分配方式。但是通过分析可以知道，这样分配负荷并不一定最经济。通过对电厂的运行记录进行分析，可以知道，并不是增加高效率的机组的负荷和减少效率低的机组的负荷就会使电厂总的供电煤耗最少。通常，提高高效率机组的负荷能节约燃料的话，降低低效率的机组的负荷可能会浪费更多的燃料，如果分配不当的话有可能使浪费的燃料反而多于节约的燃料。

随着当前计算机技术、控制技术、系统软件等高新技术的迅速发展，电厂的技术水平不断提高，国外电厂基本上已装备了DCS系统，具有在线实时机组热经济分析和优化运行监控等功能。采用这一技术的关键之一是机组热经济分析和优化软件。然而，杭州半山发电有限公司目前还没有装备DCS系统，也没有发电部、值长和生产技术部等都需要的热经济性分析和负荷调度、（热效率、热耗以及汽耗计算等）软件，以及在WINDOWS平台上运行的水和水蒸汽性质计算软件。为了提高机组运行水平和经济效益，配合4号机的改造和上脱硫设备，在半山发电有限公司的支持下，我们开发了125MW机组热经济性分析和负荷优化调度软件。该软件包括基于最新的国际水和水蒸汽热力性质公式IAPWS－IF97的水和水蒸汽热力性质计算软件、在此基础上发展的根据ASME PTC－6汽轮机热力性能试验规程的

125MW汽轮机热力性能计算软件和能用于2台125MW机组间最佳负荷分配的软件。目前此软件已交付杭州半山发电厂使用，且反映良好。

第二章热力性能与机组优化调度系统的简单介绍§2.1热力性能检测与优化调度系统的功能组成

§2.1.1 系统在电厂中所起的作用

杭州半山发电厂一期工程安装建造的两台125MW汽轮发电机组，经过几十年运行调整，随着管理方式和机组运行技术的日趋完善，机组的

可靠性越来越高，在保证电网的负荷要求和稳定电网运行方面发挥了非

常重要作用。但是，随着机组投运时间的增加，机组的设备也不可避免

地会发生老化，从而会导致机组性能的改变。因此，如何设法监视机组

的运行性能，改进机组的运行方式，进一步提高机组的安全性和经济性，

充分发挥在役机组的作用，就成为在解决机组运行可靠性问题后亟待解

决的另一个重要问题。与此同时，在我国电力工业中，电网中高参数大

容量发电机组越来越多，促使对网中机组经济性要求也越来越高，特别

是与经济性密切相关的“竟价上网”已越来越引起国家电力管理部门

和企业单位的高度重视。面对电力工业的这种发展趋势，大型汽轮发电

机组如何监视机组的运行性能，提高机组的运行经济性，延长机组的运

行寿命亦已成为我国电力工业中必须抓紧研究和解决的重要问题。

125MW汽轮发电机组性能监测与调度系统是针对杭州半山发电厂3，4号机组研制开发的，该系统通过离线计算机组各组成设备的性能指标，

把数量庞大的原始采集数据分析和处理成为直观的为数较少的性能结

果，实时指导运行人员及时调整机组运行工况，从而取得最好的经济效

益。

§2.1.2 系统的主要功能

125MW汽轮发电机组性能与调度系统为汽轮机安全与有效运行提供了性能计算、优化调度、数据输出和保存功能。

●性能计算

与汽轮机热力性能有关的性能计算主要有机组总热耗率偏差和总负荷偏差计算、各影响因素产生的热耗率偏差和负

荷偏差计算、汽轮机效率计算、不可测参数计算、回热系统

有关性能特性计算。对热耗率偏差和负荷偏差的影响因素各

有十多项.

●优化调度

由于目前杭州半山发电厂机组都没有能够实现数据的实时采集，所以无法精确的根据实时数据计算得到机组优化所

需的目标函数。而且在运行中，机组的工况随时可能有小范

围的波动，利用实时数据采集的结果也难以保证真正的实时

优化分配负荷。所以不采用实时的分配负荷，而是根据机组

在相邻近的不同日期同时间段的工况特性具有相似的特点，

根据前一段时间的运行记录数据拟合出机组的煤耗与机组负

荷的函数，利用两台机组的煤耗关于负荷的函数得到负荷优

化分配目标函数。用户可以根据实际需要刷新数据，以适应

机组的工况特征随季节的变化。

●数据输出和保存

所有计算结果和原始数据均以EXCEL的表格形式输出，图

1、图2分别给出了汽轮机热力性能和负荷优化分配的输出表格。

运行人员根据少量的输出数据就可方便地了解机组当前的运行状态，从而正确指导机组运行。

图1

图2

§2.2 性能分析与优化调度方法

§2.2.1 性能分析方法

性能分析方法是指在性能计算中如何正确处理各种测量数据从而获得有用信息的方法，这是在性能检测系统研制开发过程中的一个关键

问题。性能计算的最终目的是指导运行人员选用合适的运行或调整方式，使机组处于最佳或接近最佳运行状态。这意味着性能计算应能为运行人员提供两类重要性能数据，一类是能用来定量地评价机组实际运行状态的优劣，另一类是能定量地确定各种运行条件变化对实际运行性能的影响。

在一般性能试验或新机组性能考核试验中，通常采用绝对量来衡量机组的性能优劣。如采用热耗率来确定机组的经济性，热耗率高低表明了机组经济性的好坏。在这些试验中对运行工况、过程稳定性、数采测点的精确性以及有关阀门的隔离情况都必须严格服从试验规范要求，因而采集得到的或计算得到的数据均具有较高的可信度和较强的可比较性，以此确定机组性能优劣不存在太大偏差。

125MW汽轮发电机组性能计算系统根据当前工况下的各种真实测量值计算机组的性能指标，为了便于进行比较，可同时与当前工况的初终参数为值来计算性能指标的应达值。显然，由于测点问题这两种热耗率都存在误差，但两者差值的误差通常比绝对值的误差要小。运行人员依据热耗率的偏差值可以确定当前机组运行经济性的好坏，或了解当前工况偏离理想工况的程度，明确机组运行的改进方向。另外，理想热耗率与当前的运行参数密切相关，即理想热耗率随工况的改变而改变，故由此得到的热耗偏差有较好的可比较性。

§2.2.2 优化调度方法

根据电厂的实际情况，电厂的负荷在某一段时间内是不变的，总的说来是阶梯状变化。所以，优化分配的任务主要是在某个时段内合理分配负荷，令投入运行的机组总的燃料消耗是最少的。进行优化的方法使用最多的是基于拉格朗日乘数法的“等微增率法”，其目标函数是参与分配的机组总燃料（煤）消耗量对总负荷的函数，约束条件为各机组的

负荷之和等于总负荷。

举个例子来说，如电力系统分配给电厂负荷小于100MW，电厂只要开一台机组，当然由热经济性较好的机组来承担。如果系统分配的负荷介于100~200MW之间，则有如何在两台机组间进行分配才经济的问题。似乎是让经济性好的机组带满负荷，余下的负荷由另外一台机组承担，其实这样分配却是不经济的。设系统给定的负荷为120MW，有甲乙两种不同的负荷分配方案，假设经济性好的机组为1号机组，另外一台为2号机组。前者先让1号机组带满100MW，余下20MW由2号机承担；后者与之相反。根据有关的能量特性曲线上的有关数据，甲、乙两方案的总汽耗为：

甲方案：P1d1+P2d2=10*4.28+2*9.2=61.2 t/h

乙方案：P2d2+P1d1=10*4.38+2*6.8=57.4 t/h

两者相差标准汽3.8 t/h，可见按能耗率分配负荷是不经济的。发电厂内热力设备间或电厂之间的负荷经济分配，起主导作用的是微增能耗率，不是能耗率。

第三章热力性能计算基本理论概述

§3.1计算方法的选择

电厂热力系统计算的目的是为了确定热力系统各部分的汽水流量和电厂的热经济性指标。其计算的方法有多种，如热平衡法、等效热降法、循环函数法和组合结构法等。本软件根据ASME PTC－

6汽轮机热力性能试验规程，结合热平衡法和组合结构法编制。热平衡法即常规计算方法，它主要是利用热力系统的物质平衡和热平衡关系计算热力系统的热经济性。计算的核心，实际上是对Z个加热器的热平衡式和一个功率方程式或一个求凝水流量的物质平衡所组成的（Z+1）个线性方程的方程组求解，最终求得Z个加热器的抽汽量和凝水流量。

采用热平衡为基础的热力系统计算可分为串联算法和近年来发展的并联矩阵算法（或称同时算法），传统算法都遵循串联方法，严格遵守系统中汽水流动的实际物理过程分步计算，比较直观。但若系统构成有变化时，要重新建立方程。并联矩阵算法，就是以系统的热平衡原理为基础列出热平衡和质量平衡方程组组成矩阵进行求解。当热力系统发生改变时，只需调整矩阵的维数或相应的系数矩阵即可，使计算变得更加简明、层次明晰。因此本软件采用了并联矩阵算法。

求热经济性指标（汽耗、热耗、汽轮机内效率及高中低压缸效率）的计算采用了正平衡法。

§3.2 计算流程

半山发电有限公司4＃和5#机组是125MW，二高加、四低加一除氧器的凝汽式机组。其原则性热力系统图如图所示。

计算步骤如下：

（1）整理原始资料

对热力性能试验得到的有关原始数据进行整理、分类，按已确定的格式写入Excel表格中，并按ASME PTC－6规程确定某些辅助设备的汽水流量和效率。

（2）建立各个加热器的热平衡方程和物质平衡方程组

根据得到的数据建立能量平衡和质量平衡方程组如下：（h1-hd1）D1+ (hw2-hw1) Dfw = (hd1-h1) Dgj

（h2-hd2）D2 + (hd1-hd2) D1+ (hw3-hw2) Dfw = (hd2-hd1) Dgj

(h3-hwp3)D3 + (hd2- hwp3) D2+ (hd2- hwp3) D1 = (hwp3-hw4)Gc

+(hwp3-h3)Dcy+

(hwp3-hd2)Dgj-hwp3Djy+hjy

Djy

(h4-hd4)D4= (hw4-hw5)Gc

(h5-hd5)D5+ (hd4-hd5) D5= (hw5-hw6)Gc

(h6-hw7)D6+ (hd5-hw7) D5 +(hd5-hw7) D4= (hw6-hw7)Gc- (hw6-hw7)Djd

(h7-hd7)D7+ (hw7 –hw8) D6 +(hw7 –hw8) D5 + (hw7 –hw8) D4= (hw7-hw8)Gc+ (hw8-hw7)Djd

D1+D2+D3-Dfw=Djy+Grh-Dgj-Dcy-Gc-(Gbfp-Gboo)

（3）将以上线性方程组整理成矩阵的形式，进行回热系统计算，得到各个加热器的抽汽量和给水流量Dfw：

a11 a12 a13 a14 a15 a16 a17 a18 D1 b1

a21 a22 a23 a24 a25 a26 a27 a28 D2 b2

a31 a32 a33 a34 a35 a36 a37 a38 D3 b3

a41 a42 a43 a44 a45 a46 a47 a48 D4 = b4

a51 a52 a53 a54 a55 a56 a57 a58 D5 b5

a61 a62 a63 a64 a65 a66 a67 a68 D6 b6

a71 a72 a73 a74 a75 a76 a77 a78 D7 b7

a81 a82 a83 a84 a85 a86 a87 a88 D fw b8

说明：第六抽汽点已进入湿蒸汽区，此时压力和温度不再是独立的参数，在蒸汽湿度事先未知的情况下，软件采用整个机组

的热平衡方程式不断迭代的方法得到6＃和7＃低加的汽水

焓值和抽汽量

（4）热经济指标的计算

为了定量评价凝汽式电厂的热经济性，世界各国目前均用热量法制定了全厂和汽轮机组的热经济指标。这些指标一般可以分为三类：直接说明热经济性的热效率和能耗率（单位发电量的能耗），以及说明与产量（Pe 或Wi）和热经济性有关的单位时间能耗。它们之间可通过反映能量生产关系的功率方程式相联系。

凝汽式电厂最重要的热经济性指标是：全厂热效率、煤耗率；汽轮发电机组的绝对电效率和热耗率。

这里给出的是：

a.汽轮机的绝对内效率Wηi

b. 汽轮发电机组的热耗率q 、汽耗率d

c. 汽轮机高、中、低压缸的效率

（5）计算结果的修正

由于汽轮机热力系统的主汽参数、再热蒸汽参数、背压、发电机功率因素等在运行时与制造厂给定的额定参数不尽相同，得到的热耗率、效率等也不相同。为能对结果进行比较，必须对计算结果进行修正。按ASME PTC6标准，我们将制造厂给出的各种修正曲线拟合成函数，编入程序。软件会根据输入的参数自动对计算结构进行修正，并给出修正前和修正后的热耗值等参数。

§3.3 软件功能和特点

（1）由于目前半山发电有限公司的热力性能试验或各测点的测量结果还不能直接进入计算机数据采集系统进行处理，软件只能采取