大型火電機(jī)組性能的靜態(tài)建模方法

李 祎，楊海生

(1.河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050046；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

火電廠運(yùn)行優(yōu)化中，存在著各種多變的技術(shù)因素，單獨(dú)采用試驗(yàn)的技術(shù)手段，存在著較大局限性。現(xiàn)場工作中，缺少一種對火電廠各系統(tǒng)流程及設(shè)備的非設(shè)計(jì)工況和特定運(yùn)行方式的性能進(jìn)行計(jì)算的有效工具。在大型火電機(jī)組性能分析方面，靜態(tài)建模方法在國內(nèi)應(yīng)用較少，而國外火電廠性能的建模研究，無論是理論還是實(shí)踐，都起步較早，在建模用工具軟件方面很早就實(shí)現(xiàn)了商用化。

1 國內(nèi)大型火電機(jī)組性能分析現(xiàn)狀

國內(nèi)火電機(jī)組性能分析計(jì)算方面，主要研究工作體現(xiàn)在大型發(fā)電機(jī)組的節(jié)能定量分析方面，即分析系統(tǒng)中某一設(shè)備的性能變化對機(jī)組整體性能的影響。主要以等效熱降法[1]為代表，與這種分析方法類似的還有循環(huán)函數(shù)法等。近年來，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了能量等效矩陣分析方法。所有分析方法基本上與等效熱降法相似，屬于對某一火電機(jī)組系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性定量分析方法，以等效熱降法為例，其應(yīng)用限制包括以下幾個方面。

a. 等效熱降等分析方法是以機(jī)組的新蒸汽流量保持不變?yōu)榍疤釛l件，因此所有分析均基于某一基準(zhǔn)工況。在建立等效熱降概念和利用推導(dǎo)公式計(jì)算等效熱降值時，認(rèn)為新蒸汽參數(shù)、再熱參數(shù)、終參數(shù)及各抽汽參數(shù)均為已知，且保持不變，即汽輪機(jī)膨脹過程線的變化暫時不予考慮。

b. 定量分析的方法僅在偏離基準(zhǔn)工況的小范圍內(nèi)有效。工況偏離較大時，運(yùn)行參數(shù)，尤其是汽輪機(jī)低壓缸排汽焓值變化較大，會導(dǎo)致汽輪機(jī)膨脹過程線的顯著變化，影響到機(jī)組不同位置蒸汽的等效熱降計(jì)算值。

c. 無法對偏離機(jī)組設(shè)計(jì)工況較大的其它基準(zhǔn)工況進(jìn)行有效的計(jì)算。對偏離設(shè)計(jì)工況較大的基準(zhǔn)工況進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計(jì)算時，涉及到機(jī)組的變工況計(jì)算，包括汽輪機(jī)、給水加熱器、凝汽器、水泵等設(shè)備的變工況計(jì)算，這已超出了某一種具體分析方法的范圍。尤其是國內(nèi)的汽輪機(jī)變工況計(jì)算，多以詳細(xì)的變工況計(jì)算為主，這種變工況計(jì)算需要輸入汽輪機(jī)逐級的葉型參數(shù)，除汽輪機(jī)制造廠外，其它用戶一般很難實(shí)現(xiàn)，較大程度限制了變工況計(jì)算的應(yīng)用范圍。在預(yù)測機(jī)組在不同運(yùn)行工況、不同設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的性能(如機(jī)組出力、熱耗、效率等)方面也受到很大限制。

2 靜態(tài)建模方法分析

在火電機(jī)組性能分析中，預(yù)期性能的計(jì)算占有重要位置。只有獲得與變化的運(yùn)行條件和工況相對應(yīng)的預(yù)期性能，才能對設(shè)備或系統(tǒng)的劣化程度進(jìn)行定量的評價(jià)和分析。為了獲取機(jī)組的預(yù)期性能，一般可以采取2種方法。一種是基于性能曲線的方法，另一種是靜態(tài)建模方法(基于模型的計(jì)算方法)[2]。

基于性能曲線的方法，是一種預(yù)測設(shè)備性能變化比較簡單和可靠的方法。這種假設(shè)只有運(yùn)行參數(shù)偏離額定參數(shù)小范圍內(nèi)成立。靜態(tài)建模方法，是近年來得到較多應(yīng)用的研究方法。這種計(jì)算方法，其計(jì)算過程是根據(jù)熱力系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行，在確定輸入運(yùn)行參數(shù)的條件下，可以準(zhǔn)確預(yù)測出設(shè)備的性能。

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

火電機(jī)組系統(tǒng)的建模，重點(diǎn)解決熱力系統(tǒng)在各種靜態(tài)及穩(wěn)定條件下(設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況)，熱力系統(tǒng)各部件之間的能量及質(zhì)量平衡關(guān)系。其技術(shù)難點(diǎn)在于。

a. 熱力系統(tǒng)各種設(shè)備及部件的類型相對復(fù)雜。熱力系統(tǒng)中涉及的設(shè)備類型包括汽輪機(jī)、水泵、給水加熱器、管道等，都需要在建模中統(tǒng)一考慮。

b. 需要實(shí)現(xiàn)和計(jì)算各種靜態(tài)及穩(wěn)態(tài)條件下的系統(tǒng)特性計(jì)算。計(jì)算量較大，需要找到適應(yīng)現(xiàn)場工程計(jì)算的簡捷方法。

c. 熱力系統(tǒng)配置的靈活性較強(qiáng)，即對任意熱力系統(tǒng)的模型組態(tài)。

d. 對已組態(tài)熱力系統(tǒng)計(jì)算時的控制技術(shù)較復(fù)雜。實(shí)際運(yùn)行參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)/耦合關(guān)系，需要在建立的模型中體現(xiàn)；另外，迭代計(jì)算中為保證計(jì)算結(jié)果的收斂，也需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算控制。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

a. 不同運(yùn)行參數(shù)之間的相互影響在計(jì)算中可以考慮，尤其是運(yùn)行參數(shù)偏離額定設(shè)計(jì)參數(shù)較多時，可以允許運(yùn)行參數(shù)大范圍的變動。

b. 建立在實(shí)際設(shè)備物理模型的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算任意參數(shù)變化對性能的影響。即使制造廠未提供這些參數(shù)的性能修正曲線，也可以計(jì)算出預(yù)期性能變化的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

c. 采用基于物理模型的方法，具有模塊化的特點(diǎn)。不同的設(shè)備模型可以任意組合，建立任意熱力系統(tǒng)的模型，如常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、先進(jìn)的燃?xì)馄啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)等。

d. 采用基于物理模型的方法，不同設(shè)備的變工況包括在模型計(jì)算中，因此可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工況與非設(shè)計(jì)工況的計(jì)算和數(shù)據(jù)的共享。

e. 便于進(jìn)行編程和程序化。結(jié)合現(xiàn)代的編程技術(shù)，可以將某一設(shè)備的模型集成在一個模型圖標(biāo)中，便于修改和繼承。程序的重點(diǎn)可以放在搭建的熱力系統(tǒng)模型的計(jì)算控制上。

2.3 工作流程

a. 在設(shè)備模型基礎(chǔ)上建立或搭建機(jī)組熱力系統(tǒng)的模型；

b. 測試建立的系統(tǒng)模型，保證數(shù)據(jù)或機(jī)組初始測量數(shù)據(jù)的吻合程度，這些測試應(yīng)在盡量多的工況下進(jìn)行，如有必要，對建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行修正；

c. 將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)模型；

d. 運(yùn)行系統(tǒng)模型，得到火電機(jī)組預(yù)期性能；

e. 將得到的預(yù)期性能與實(shí)測性能作比較，確定機(jī)組性能劣化的狀況或狀態(tài)。

3 靜態(tài)建模方法與經(jīng)濟(jì)性定量方法的對比

靜態(tài)建模方法，不僅能夠進(jìn)行機(jī)組某一工況下的經(jīng)濟(jì)性定量分析，還能提供其它多種分析計(jì)算功能。靜態(tài)建模方法與經(jīng)濟(jì)性定量方法(如等效熱降法)的對比，如表1所示。

表1 靜態(tài)建模方法與經(jīng)濟(jì)性定量方法的對比

項(xiàng) 目經(jīng)濟(jì)性定量方法靜態(tài)建模方法主要內(nèi)容及功能差別主要側(cè)重內(nèi)容是機(jī)組熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析。盡管形式上有不同方式,如等效熱降、循環(huán)函數(shù)法等,但實(shí)質(zhì)上仍側(cè)重于熱力系統(tǒng)的定量分析熱力系統(tǒng)建模方法可以進(jìn)行靈活“搭模型”建模工作,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能分析,具有廣泛的適應(yīng)性;可以分析熱力系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式、不同設(shè)計(jì)方案下的預(yù)期性能;變工況計(jì)算可以覆蓋火電廠熱力系統(tǒng)的所有設(shè)備,包括鍋爐、汽輪機(jī)、加熱器、冷卻塔、空冷設(shè)備、燃汽輪機(jī)等對新技術(shù)的適應(yīng)性對新的技術(shù),如熱電聯(lián)產(chǎn)、空冷、聯(lián)合循環(huán)等,有許多研究空白建模分析方法中,部件模型中覆蓋了新技術(shù)的設(shè)備部件,如燃汽輪機(jī)、空冷凝汽器等,可以進(jìn)行相關(guān)分析可參與性及接口經(jīng)濟(jì)性分析軟件的可組態(tài)性較差,應(yīng)用受到一定限制建模分析工具軟件已商用化,比較成熟。另外,可以開發(fā)基于軟件的計(jì)算項(xiàng)目,如在Excel中調(diào)用其軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能適用性僅限于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性定量分析,應(yīng)用覆蓋面較窄可廣泛應(yīng)用于各種熱力系統(tǒng)的性能分析計(jì)算場合,并不僅僅限于定量分析

4 結(jié)論

通過靜態(tài)建模方法與經(jīng)濟(jì)性定量方法的比較，結(jié)果表明，火電機(jī)組性能靜態(tài)建模方法的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出經(jīng)濟(jì)性定量方法的范圍，可以分析熱力系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式、不同設(shè)計(jì)方案下的預(yù)期性能，可以滿足現(xiàn)場多種分析應(yīng)用的需要，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

[2] Rodney R.Gay.Power Plant Performance Monitoring[M].USA：R-Squared Publishing，2004.