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將電廠熱力系統的組成設備模塊化,用這些模塊可構成任一復雜的熱力系統,并且設計出通用的模塊以適應任何熱力系統問題的計算分析。關鍵詞:熱力系統;模塊化;計算分析設計更完善的熱力系統和提高已投運的熱力系統的經濟性,一直是國內外動力行業努力的目標。由于電廠熱力系統的日益龐大化和復雜化,出現了熱力系統分析計算的模塊化方法。將熱力系統中的設備處理為模塊,用一組數學方程描述,以搭積木的方式,由模塊構成任一熱力系統,從而得到一種適用范圍廣、應用簡單靈活能在計算機上實現的熱力系統穩態分析計算方法。目前已有多個外國公司推出基于模塊化方法的商業軟件包,其中德國sofbid公司的ebsilonprofessional軟件是比較成熟和使用方便的,已有包括abb、alstom、cee、siemens等超過100個國際知名制造商和電力集團公司在使用,主要用于電廠設計、性能評估以及運行優化。1熱力系統計算分析模塊化的概念現代電廠的熱力系統已相當復雜,但任何復雜的熱力系統不外乎是由若干個設備和管道連接構成。如鍋爐、汽輪機組、凝汽器、換熱器、水泵、風機、閥門、三通管道等等。根據熱力系統這一特點,可以建立這樣的模塊化概念:用不同的模塊代表不同的設備,用線段代表管道;于是,以搭積木的方式,用有限個模塊和線段可靈活地構成任一復雜的熱力系統圖。如圖1所示,用7種模塊構成了一個典型的汽輪發電機組熱力系統。熱力系統計算模塊化有三個任務:1)建立模塊,用數學模型真實描述其物理對象。2)用模塊構成待計算的熱力系統。3)研究系統的數學求解方法。2模塊設計方法不同模塊的設計思路是相同的,都是用數學方程描述模塊的能量守恒、質量守恒、傳熱特性、流體力學特性,以及模塊的熱力學特性和幾何條件。這里,以分流三通為例,介紹模塊的設計過程。
圖4一般模塊的示意圖圖注:j-第j種設備;zj-未知矢量;kj-表征設備特征的常數矢量;uj*-表征設備當前特征的矢量;yj*-已知矢量;σ△fj2-等式差值的平方和;△fj-等式差值矢量。3模塊構成熱力系統的方法模塊構成熱力系統的實質,是確定熱力系統中各模塊間的質量和能量傳遞關系,為實施計算提供必要的信息(計算規模,待定變量,常數量,輸入量,輸出量)。模塊構成熱力系統的最佳形式,應是模塊圖形化,由圖符和連線構成系統,這樣構造的圖形與機組實際的熱力系統圖非常相似,在系統圖上面向模塊可準確地輸入有關的信息。4熱力系統模塊化的數學計算方法通過模塊的建立和系統的構成,可得到描述熱力系統的一套方程,求解這套方程即分析計算熱力系統。目前比較成熟的熱力系統數學計算方法是:將所有模塊的未知量作為待定變量,從一組初始值開始,用非線性規劃的技術求解,所有待定變量同時逼近最終解,直至滿足要求的精度。它的優點是:提供了計算的靈活性,不需要人工確定計算過程,計算速度快。5熱力系統計算分析模塊化方法的應用實例使用模塊化方法對熱力系統進行分析是很方便和快捷的,目前已有多個外國公司推出基于模塊化方法的商業軟件包,德國sofbid公司的ebsilonprofessional軟件是其中比較成熟和使用方便的。ebsilonprofessional是德國sofbid公司推出的基于熱力系統計算分析模塊化方法的商業軟件包,目前已經開發出87個模塊,包括鍋爐、汽輪機級組、燃氣輪機級組、凝汽器、加熱器、水泵、除氧器、發電機、冷卻塔、三通管道...等等,并且平均每年新開發2~3個模塊,使用這些模塊可以構建任一類型的電廠系統圖;并采用圖形化界面,所有對象圖形化:模塊、管道、標注數據的十字和文本框,用戶可以根據模塊的外形就知道該模塊代表的設備,系統構成一目了然,并且可根據需要在圖上標注出數據和備注文字。使用ebsilonprofessional軟件計算分析一個100mw機組的熱力系統。1)選擇適當的模塊和管道,構建出一個100mw機組的熱力系統圖(見圖5)。2)根據試驗結果給定各個設備模塊的特性參數,模擬出一個真實的系統。3)根據研究需要,改變系統中的某些參數(如初參數,背壓,循環水進水溫度,加熱器溫升,軸封漏汽量等等),重新計算出機組的最終出力,進而計算分析出對機組經濟性的影響。①循環水進水溫度改變對機組經濟性的影響。
循環水進水溫度由20℃變為25℃循環水進水溫度設計值為20℃,熱耗為8841.4286kj/kg(見圖5)。如果閉式循環系統的冷卻水塔運行惡化,改變循環水進水溫度輸入值為25℃,在其他參數不變的情況下,計算出機組熱耗為9009.6845kj/kg(見圖6)。②加熱器溫升不足對機組經濟性的影響。1號高加的設計溫升為38℃,出水溫度為198.6℃,熱耗為8841.4286kj/kg(見圖5)。如果1號高加的溫升不足,只有30℃,改變1號高加出水溫度輸入值為190℃,在其他參數不變的情況下,計算出相應的熱耗為8870.7386kj/kg。③機組初參數改變對機組經濟性的影響。在額定負荷下,機組的初參數設計值為8.826mpa/535℃,設計熱耗為8841.4286kj/kg。改變主汽壓力輸入值為9.2mpa,主汽溫度輸入值為530℃,在其他參數不變的情況下,計算出相應的熱耗為8834.7857kj/kg。由以上可以看出,運用熱力系統計算分析的模塊化方法,可以很方便、直觀地對熱力系統進行計算分析和運行優化。6結束語熱力系統計算分析的模塊化方法的正確性是無疑的,目前已有基于這種模塊化方法的商業軟件包推出,用戶運用該軟件進行熱力系統的各種計算分析和運行優化,并根據結果完善系統,取得了較好的經濟性。