基于MATLAB程序設計的汽輪機組熱經濟性分析

基于MATLAB程序設計的汽輪機組熱經濟性分析

王強

(內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特010051)

摘要：對火電廠汽輪機組熱力系統的熱經濟性分析理論進行闡述的基礎上，通過建立熱力學分析計算模型、編寫MATLAB語言程序，運用等效焓降法對N200-12.75/535/535凝汽式汽輪機組熱力系統各加熱器凝汽系數、循環效率、汽輪機絕對內效率等機組熱經濟性指標進行計算。最后，結合對汽輪機組加熱器效率、補水方式、排污及其利用系統的局部定量分析比較，提出了相應的節能降耗措施，指導機組熱力系統的優化，從而為尋求機組最佳運行提供依據。

關鍵詞:機組熱經濟性指標等效焓降法MATLAB程序設計節能降耗

中圖分類號：TK83文獻標識碼：A

作者簡介：王強(1988-)，男，碩士研究生，現在主要從事系統仿真模擬方面的研究。

收稿日期：2015-03-21

Calculation and analysis of steam turbine unit’s thermal efficiency based on MATLAB

WANG Qiang

Abstract:Based on a description of the analysis theory of the thermal efficiency of coal-fired power plant’s steam turbine thermodynamic system, through establishing the thermodynamics analysis calculation model, and writing MATLAB language, this paper adopts the calculation method of equivalent enthalpy drops to calculate the thermal efficiency indices of condensing coefficient, cycle efficiency and absolute internal efficiency of each heater of N200-12.75/535/535 condensing steam turbine’s thermal system. Finally, based on a local quantitative analysis of the heating efficiency, water filling method, sewage and utilizing system of the condensing steam turbine unit, the paper puts forward some measures of saving energy and reducing consumption, so as to guide optimization of thermal system, and provide basis for further research about optimal operation.

Keywords:steam turbine unit’s thermal efficiency; equivalent enthalpy drop method; MATLAB programming; energy-saving and cost-reducing

0引言

熱經濟性用來說明火電廠燃料能量利用程度,以及熱力過程中各部分的能量利用情況,這些均直接影響火電廠的發電成本、利潤和燃料節約量。所以對大型機組如何提高機組熱經濟性的研究顯得日益重要[1]。

一般來說，影響熱經濟性的因素主要包括:機組真空、機組負荷、機組回熱系統運行情況、機組主再熱蒸汽參數、機組泄漏情況、機組通流部分效率等。

近年來隨著具有高科技含量的機組故障診斷、狀態監測技術不斷發展，各種診斷、監測系統在火力發電廠得到了廣泛的應用，既增加了機組的運行時間，又減少了維修費用，提高了維修質量，從而提高了設備的可靠性和經濟性[2]。

早在70年代初，美國、加拿大等國學者對火電廠經濟性能在線監測系統進行研究與實施，重點利用熱偏差分析法對機組的熱耗率進行在線監測[3]。通過對一些可控參數的調整，使機組的運行能耗減至最小[4]。

國內西安交通大學林萬超[5]教授研究的“等效熱降法”為能損分析的發展，奠定了理論基礎[6]。

本文通過建立熱力學分析計算模型、編寫MATLAB語言程序，運用等效焓降法對N200-12.75/535/535凝汽式汽輪機組熱力系統熱經濟性指標進行計算，并提出相應的節能降耗措施，為系統優化提供理論依據。

1N200-12.75/535/535機組參數

擬對額定功率為200 MW凝汽式再熱機組熱力系統進行計算。

1.1主要設計參數

1) 國產某汽輪機生產廠生產N200-12.75/535/535再熱機組熱力系統設計工況的熱力參數如下：

型號：N200-12.75/535/535；

型式：超高壓中間再熱三缸兩排汽凝汽式汽輪機；

額定功率(出力)：P0=200 MW；

最大功率(出力)：Pm=219.9 MW；

額定新蒸汽流量：G0=598.18 t/h；

最大新蒸汽流量：Gm=670.00 t/h；

轉速：n=3 000 r/min；

工作頻率：f=50 Hz；

額定新蒸汽(高壓主汽閥前)：

p0，t0=12.75 MPa/535℃；

額定再熱蒸汽(中壓主汽閥前)：prh，trh=2.20 MPa/535℃；

排氣壓力：pc=0.0451 MPa；

冷卻水溫度：t1=20 ℃；

冷卻水流量：G1=27 500 t/h；

給水溫度：tgs=246.5 ℃；

回熱系統：3高加+1除氧+4低加(除氧器采用滑壓運行)。

2) 鍋爐的設計工況下的熱力參數：

鍋爐型號：DG 650/13.7-8；

額定蒸發量：Db=650 t/h；

再熱進口蒸汽：pb,tb=26 MPa/324℃；

鍋爐效率：ηb=0.90；

汽包壓力：pdrum=15.7 MPa。

3) 符合下列條件時可發額定功率：

新蒸汽壓力：p0=12.75±0.49 MPa；

新蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度：t0,trh=535±5 ℃；

冷卻水溫度：tl≤33 ℃,且G≥Gl；

汽輪機其他參數在額定值，保證耗熱量為：Q0=8 374 kJ/kW·g。

1.2汽輪機組原則性熱力系統圖

國產某汽輪機生產廠生產再熱機組熱力系統(N200-12.75/535/535)圖[7]，如圖1所示。

0.向軸封送汽；1-4.來自再熱冷段以前；9-11.來自除氧器 圖1　N200-12.75/535/535機組熱力系統

2熱力學分析計算模型

2.1水及水蒸氣的熱力學計算模型

采用的水和水蒸氣計算模型是根據水和水蒸氣性質國際協會(IAPWS)于1997年制定的工業用公式(簡稱為IAPWS IF97)編制而成[8]。可以在溫度和壓力(或任意兩個蒸汽的物理參數)己知的情況下，求得蒸汽的焓值等熱力性質參數，和在已知干度的情況下可求得某壓力下蒸汽的熱力學參數。

2.2熱力系統計算模型

本研究的計算模型即為原則性熱力系統，為了方便程序編寫，將圖1的熱力系統圖中加熱器重新編號，即將圖1中的8個加熱器逆序編號。

3程序設計計算

3.1程序設計計算步驟

本文在通用并聯算法的基礎上編制了通用的火電廠熱力系統計算程序[9]。首先，輸入熱力系統的結構參數和設備參數；然后進行程序運行，即熱經濟性計算[10,11]。其中壓力p的單位是MPa，溫度單位為K，其他參數為標準單位。計算分為5個步驟：

1)計算各抽汽點狀態參數：根據已知機組熱力系統8個抽汽加熱器的壓力、溫度，調用函數[vsteam, hsteam, ssteam] =ptsteam(p,t)，計算出各個加熱器的抽汽點的v、h、s；

2)繪制機組熱力膨脹過程圖：分別定義p(1)=p0、t(1)=t0、h(1)=h0、s(1)=s0、v(1)=v0；用plot、axis設定點線類型、顏色、坐標范圍；使用xlabel、ylabel設定坐標單位；使用title設定圖的標題；應用for語句完成圖線繪制。

3)鍋爐排污利用系統計算：根據已知鍋爐的參數，結合計算公式a_l=c_lost*a_b,a_0p=a_0+a_sg0+a_sg1+a_sg2+a_sg11,a_b=a_0p/(1-c_lost),a_bl=c_blow*a_b、a_fw=a_b+a_bl計算出相應排污系數；然后依次調用函數ts=tsaturation(p),[t,v,h,s]=px(p,x),[v,h,s]=pt(p,t)，結合公式a_blp=a_bl-a_f, a_f=a_bl*(eff_h*h_bp-h_blp)/(h_f-h_blp),a_ma=a_l+a_blp,h_map=a_blp*x_bl/a_ma*(h_blp-h_blp)+h_ma計算排污焓降。

4)各級回熱加熱器抽汽系數計算：由(1)計算出各抽汽點的比焓，使用if-else、for語句計算匯集式加熱器、疏放式加熱器的q、r、tao；分別計算A、B、T，利用aexh=A/(T-B)計算出各抽汽點抽汽系數。

5)熱經濟性指標計算：定義hfw=h_water(1),Q=(h0+a_rh*Q_rh-hfw)*eff_h,Q_rh=h_rh-hexh(2),q_sg11=h_sg11-h_cp,Q_2=L*Q_c+a_sg11*q_sg11,Q_c=hc-h_cp然后結合公式eff_cp= eff_h*eff_p*eff_b*eff_m*eff_g*eff_i ,eff_i=1-Q_2/Q、b0=123/eff_cp計算出全廠熱效率、汽輪機絕對內效率、機組發電標準煤耗。

3.2程序設計計算框圖

圖2　程序設計計算框圖

根據機組熱力系統熱經濟性分析和指標計算的需求，擬定程序設計計算的流程如圖2所示。

圖3　機組蒸汽熱力膨脹過程線

3.3計算結果

3.3.1機組蒸汽熱力膨脹過程線

程序繪制的機組蒸汽熱力膨脹過程線如圖3所示。

3.3.2程序計算結果

程序計算結果如下：

----計算各抽汽點狀態參數----

p= 3.7500 2.4600 1.2100 0.8290

0.5430 0.2450 0.1460 0.0451

t= 639.08 585.42 729.47 677.01

621.84 527.97 480.71 377.41

v= 0.0737 0.1034 0.2750 0.3729

0.5234 0.9864 1.5089 3.8378

h=1.0e+003*

3.1379 3.0402 3.3821 3.2753

3.1645 2.9795 2.8884 2.6914

s= 6.6826 6.7057 7.5478 7.5685

7.5911 7.6327 7.6891 7.7664

----繪制H-S圖----

p= 12.75 3.750 2.460 1.210

0.829 0.543 0.245 0.146

0.0451

t= 808.1500 639.0854 585.4200

729.4715 677.0170 621.8414

527.9665 480.7142 377.4126

s= 6.5718 6.6826 6.7057

7.5478 7.5685 7.5911

7.6327 7.6891 7.7664

h=1.0e+003*

3.4346 3.1379 3.0402

3.3821 3.2753 3.1645

2.9795 2.8884 2.6914

----鍋爐排污利用系統計算----

-----計算各項抽汽系數-----

q=1.0e+003*

2.09192.14962.59832.6392

2.52472.45802.58262.3696

r= 0 155.40 106.80 147.70

0 118.30 215.70 0

tao= 105.50 138.30 126.80 30.900

130.10 66.200 134.00 165.10

aexh= 0.0521 0.0627 0.0366

0.0007 0.0282 0.0221

0.0356 0.0450

-----熱電廠經濟性指標計算-----

汽輪機絕對內效率eff_i=0.4336

發電標準煤耗eff_cp=0.3806

b0=323.1798

從上面的計算結果可以看出，應用MATLAB程序的計算結果與典型凝汽計算法[12]的計算結果相差無幾。

4機組熱經濟性分析

4.1考慮換熱效率及輔助成分影響與否的對比分析

利用MATLAB程序對不考慮加熱器熱效率及輔助成分等影響因素的工況也進行計算，對比結果如下表1所示。

表1　考慮換熱率及輔助成分影響與否各抽汽

由上表知，當考慮換熱器換熱效率以及輔助成分(本研究輔助成分主要針對給水泵效率不同引起的比焓降不同)影響時，機組熱力系統中7個加熱器(除了除氧器之外)的抽汽系數明顯低于不考慮該情況時的抽汽系數，特別對除氧器抽氣系數影響最大；后者機組煤耗降低15.626 3 g/(kW·h), 可見提高換熱器換熱效率以及降低給水比焓降是機組高效節能的重要途徑。

4.2 補水方式不同的對比分析

對N200-12.75/535/535再熱機組熱力系統補水由除氧器及凝汽器進入的計算，其對比結果如表2所示。

從表2結果可以看出，補水由除氧器進入及由凝汽器進入對機組熱經濟性有一定的影響。補水由除氧器進入時的循環熱效率明顯低于補水由凝汽器進入時的循環熱效率，且其標準煤耗率為補水由除氧器進入時的96.12%。

表2　補水方式不同對比結果

明顯看出：由凝汽器補水循環的熱效率提高了0.0052%、標準煤耗降低12.547 g/(kW·h)。由此可見，補充水進除氧器改為補入凝汽器，不僅提高了機組的熱經濟性，同時節省能源消耗。

4.3增設排污擴容系統與否的對比分析

對N200-12.75/535/535再熱機組熱力系統排污及其利用系統局部定量計算，對于增設排污擴容系統與否其相關指標有所變化，對比結果如表3所示。可看出，僅采用連續排污機組的循環熱經濟性降低0.43%，主要由排污份額引起的非凝汽放熱量的增加大于循環吸熱量的增加而引起的；而當采用排污擴容系統以后，機組的循環熱經濟性增大0.40%；與僅為連續排污系統相比，增設排污擴容系統可降低標準煤耗量為2.684 g/(kW·h)。

表3　增設排污擴容系統與否的對比結果

5結論

通過建立熱力學分析計算模型、編寫MATLAB語言程序，運用等效焓降法對N200-12.75/535/535凝汽式汽輪機組熱力系統熱經濟性指標進行計算，分析并得到以下結論：

1)當考慮換熱器換熱效率以及輔助成分的影響時，機組熱力系統中的7個加熱器(除氧器之外)的抽汽系數明顯低于不考慮換熱器換熱效率及輔助成分影響時的抽汽系數，且后者要比前者煤耗率降低15.626 3 g/(kW·h)。

2)補水由除氧器進入時的循環熱效率明顯低于補水由凝汽器進入時的循環熱效率，且補水由凝汽器進入機組的熱經濟性較好，其標準煤耗率為補水由除氧器進入時的96.12%。

3)僅采用連續排污熱力系統機組的循環熱經濟性將降低0.43%，主要由排污份額引起的非凝汽放熱量的增加大于循環吸熱量的增加而引起的；而當采用排污擴容系統以后，機組的循環熱經濟性將增0.40%。

通過以上分析可以看出，機組節能降耗可以從以下幾個方面著手：

1)補充水進入除氧器改為補入凝汽器；

2)連續排污系統增設排污擴容系統，如此可以降低煤耗；

3)提高加熱器效率，最重要的就是降低加熱器疏水冷卻的端差。

提高200 MW凝汽式汽輪機組熱經濟性的措施有很多，綜合以上各節能降耗技術，不斷完善熱力系統熱經濟性分析方法，就可以使電廠實際運行更加安全、經濟、可靠[12]。

參考文獻

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