300MW机组初参数变动对机组热经济性影响的研究

李星

【摘 要】本文首先总结和分析了现在存在的一些热力系统分析方法存在的一些问题和缺点，然后利用矩阵分析法基于弗留格尔公式建立了热力系统变工况运行的数学模型。基于变工况运行数学模型，分析了国产超临界300MW機组初参数对机组运行经济性的影响。结果表明，随着机组主蒸汽压力的提升，机组的经济性不断提升，但是变化趋势逐渐放缓。再热蒸汽温度对机组经济性的影响要大于主蒸汽温度的影响。

【关键词】热力系统;变工况;出参数;热经济性

0 热力系统性能分析方法简介

热力系统分析方法发展迅速，不断有新的理论涌现，这不仅丰富了热力系统分析理论，同时为更加完善的分析热力系统的性能提供了新的工具[1]。在能量分析法之后，逐渐出现火用分析法[2]以及热经济学分析法[3]。本文侧重介绍基于热力学第一定律的能量分析法。

在所有热力系统分析方法中，热平衡法是所有分析方法中最基础的分析方法，该方法以热平衡计算为基础，其余的分析方法均是在该方法的基础上发展起来的[1]。

等效热降法是在20世纪60年代后期，由库滋湟佐夫提出，西安交通大学博士生导师林万超教授改进并引进到国内电厂热力系统分析当中的一种力系统局部定量分析方法，具有简捷、方便和准确的明显特点。但是，它也有其致命的弊端。等效焓降法的计算具有一定的近似性，在变工况分析过程中认为各段抽汽的抽气参数不随工况变动，汽轮机热力过程线保持不变，这使得热力系统各个变工况过程在变化过程中都是线性的。小扰动问题时该方法具有一定的计算精度，但是当工况变化较大时其计算误差在所难免。

循环函数法是马芳礼教授根据20世纪50年代美国Salisbury提出的加热单元概念创立的。循环函数法也适合变工况的分析计算，在工况变动时只要计算有工况变动的加热单元就可以分析整个热力系统的变化，大大简化了变工况分析的计算时间。但是该方法在变工况分析时仍未考虑抽气压力变动对机组热经济性的影响。

矩阵模型法是在计算机上实现热力系统分析的快速计算法，它是对热平衡分析法的改进，该方法通过求解矩阵方程实现抽气系数的并联计算。并且每个矩阵方程与热力系统结构一一对应，应用十分方便。由于该方法的准确和简洁性，该方法已大量应用与热力系统性能分析当中。如果将汽轮机变工况的弗留格尔公式与矩阵分析法相结合并且假设汽轮机等熵效率保持不变，就可以建立热力系统变工况的简化模型。本文即以此为基础建立了电厂变工况运行模型。

1 热力系统变工况计算模型的建立

在热力系统变工况计算过程中，维持机组出力不变的计算模型就是热力系统变工况运行的定功率模型。本文在计算过程中就是采用该模型来进行计算的，研究对象采用一个国产的300MW机组。该机组的相关抽气口的压力和温度作为本文变工况热力计算的基础。

1.1 抽汽压力的确定

抽汽压力在变工况前后符合弗留格尔公式，弗留格尔公式是汽轮机设计和改造过程中常用到的一个公式，其具体内容是一个汽轮机机组的级前压力与这个机组蒸汽通流量近似成正比，这是本文变工况计算的基础，在计算中采用弗留格尔公式中一个更加精确的形式，如下所示。

其中：D，D为级组变工况前后的通流量，t/h;p，p为机组变工况前后的级组前的压力，MPa;p，p为机组变工况前后的级组后的压力，MPa;T，T为机组变工况前后的级组前的温度，K。

1.2 抽汽比焓的确定

假定机组变工况过程中级组的相对内效率不发生变化，则各抽汽口的抽汽比焓通过设定变工况前后机组的等熵效率不变来求取。

1.3 再热器压损的确定

近似认为再热压损与再热蒸汽量成正比，则变工况后的再热压损近似可通过原始工况的相关数据来确定。

当二段抽汽的压力一定时，可通过此式求取再热器出口压力。

忽略其他各处管道的压损，认为变工况前后各回热换热器端差不变，保持凝汽器真空。

1.4 矩阵模型法求解各段抽气系数

在热力系统分析过程中忽略各个辅助蒸汽的影响，可以得到该热力系统的简化矩阵模型：

Aα=T（2）

通过抽气系数可以确定主蒸汽的做功不足系数，从而根据定功率的假设确定主蒸汽流量，进而可以确定各个级组通流部分的蒸汽流量。然后可以通过弗留格尔公式计算各段抽气的抽气压力。该过程具有一定的近似性，计算会造成一定的误差，下文对该近似引起的计算误差进行了分析。分析显示利用本文所建立的变工况模型，可以很好的反应机组在变工况过程中反映出来的特性，各个工况下的计算误差在2%以内。所以，这个模型可以用于热力系统的变工况计算。

1.5 整体求解方案

采用弗留格尔公式进行热力系统变工况计算一般均采用迭代的方法来求解热力系统各个参数，实现起来比较复杂，本文根据所建模型的特点不断减少了计算等式中不确定的变量，将迭代问题转化成为方程的求解，使问题得到简化。具体过程如下文所示：

由于机组共有8个抽汽口，通过式（1）可以确定8个方程。水蒸气的性质使用上海发电设备成套设计研究院开发的IFC97公式包求取。当各个抽气口压力确定后，通过相关的计算式可以确定各个抽汽口的焓值，进而可以确定各个抽气口的温度。而各级组的蒸汽流量则可以通过（2）式求取，所以以上8个方程中只有8个抽汽口的压力需要求取。8个方程，8个未知量，方程组是可解的。本文使用matlab函数fsolve成功求解了该方程组。

本文选取一个国产300MW机组作为研究对象。这个机组在THA工况下的相关参数作为机组变工况计算的起点，通过不断改变机组运行中的相关参数来实现热力系统的变工况热力计算，从而得到机组变工况运行中所表现出来的特性。

2 初参数变动对机组热经济性的影响

基于以上建立的热力系统变工况模型分析了机组新蒸汽压力温度和再热蒸汽温度对机组热经济性的影响。

计算结果显示了不同主蒸汽压力时机组煤耗和效率的变化，从计算结果可以看出，保持主蒸汽温度，逐渐提高主蒸汽压力时机组全厂煤耗会降低，全厂效率增加，主蒸汽流量跟着减小，这些趋势随着主蒸汽压力的增加变得不明显。从实际情况来看，随着主蒸汽压力的提升机组的热经济性会先减少后提升，虽然本文所建立的模型只是一个简化的模型，但是从结果上来看还是与实际运行状况比较符合的。

然后计算了不同主蒸汽温度时机组煤耗和效率的变化，从计算结果可以看出，保持主蒸汽压力，增大主蒸汽温度时机组全厂煤耗会降低，全厂效率增加，主蒸汽流量跟着减小，而且还可以看出这个变化基本上是线性的。

最后计算了不同主蒸汽压力时机组煤耗和效率的变化，由计算结果可以看出再热蒸汽温度的变动对机组经济性的影响要大于主蒸汽温度对机组经济性的影响。

3 结论与分析

（1）总结了热力系统各种分析方法，分析了现在应用的各种分析方法所存在的问题。

（2）基于弗留格尔公式和汽轮机级组等熵效率不变的假设利用热力系统矩阵模型建立了一个300MW国产机组的变工况运行模型。

（3）当机组主蒸汽压力升高时机组煤耗会降低，随着压力的提升煤耗的增长变得越来越不明显。主蒸汽温度和再热蒸汽温度的增加与机组煤耗的增长基本都是线性的，再热气温的变动对机组经济性的影响更加明显。

【参考文献】

[1]郑体宽.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2001.

[2]朱明善.能量系统的分析[M].北京：清华大学出版社.1988.

[3]王加璇.动力工程热经济学[M].北京：中国电力出版社，1995.

[责任编辑：杨玉洁]