基于MATLAB程序設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析

基于MATLAB程序設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析

王強(qiáng)

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

摘要：對(duì)火電廠汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析理論進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立熱力學(xué)分析計(jì)算模型、編寫MATLAB語(yǔ)言程序，運(yùn)用等效焓降法對(duì)N200-12.75/535/535凝汽式汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)各加熱器凝汽系數(shù)、循環(huán)效率、汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率等機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。最后，結(jié)合對(duì)汽輪機(jī)組加熱器效率、補(bǔ)水方式、排污及其利用系統(tǒng)的局部定量分析比較，提出了相應(yīng)的節(jié)能降耗措施，指導(dǎo)機(jī)組熱力系統(tǒng)的優(yōu)化，從而為尋求機(jī)組最佳運(yùn)行提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等效焓降法MATLAB程序設(shè)計(jì)節(jié)能降耗

中圖分類號(hào)：TK83文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王強(qiáng)(1988-)，男，碩士研究生，現(xiàn)在主要從事系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性用來(lái)說(shuō)明火電廠燃料能量利用程度,以及熱力過(guò)程中各部分的能量利用情況,這些均直接影響火電廠的發(fā)電成本、利潤(rùn)和燃料節(jié)約量。所以對(duì)大型機(jī)組如何提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的研究顯得日益重要[1]。

一般來(lái)說(shuō)，影響熱經(jīng)濟(jì)性的因素主要包括:機(jī)組真空、機(jī)組負(fù)荷、機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行情況、機(jī)組主再熱蒸汽參數(shù)、機(jī)組泄漏情況、機(jī)組通流部分效率等。

近年來(lái)隨著具有高科技含量的機(jī)組故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，各種診斷、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在火力發(fā)電廠得到了廣泛的應(yīng)用，既增加了機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，又減少了維修費(fèi)用，提高了維修質(zhì)量，從而提高了設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[2]。

早在70年代初，美國(guó)、加拿大等國(guó)學(xué)者對(duì)火電廠經(jīng)濟(jì)性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究與實(shí)施，重點(diǎn)利用熱偏差分析法對(duì)機(jī)組的熱耗率進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[3]。通過(guò)對(duì)一些可控參數(shù)的調(diào)整，使機(jī)組的運(yùn)行能耗減至最小[4]。

國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)林萬(wàn)超[5]教授研究的“等效熱降法”為能損分析的發(fā)展，奠定了理論基礎(chǔ)[6]。

本文通過(guò)建立熱力學(xué)分析計(jì)算模型、編寫MATLAB語(yǔ)言程序，運(yùn)用等效焓降法對(duì)N200-12.75/535/535凝汽式汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并提出相應(yīng)的節(jié)能降耗措施，為系統(tǒng)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1N200-12.75/535/535機(jī)組參數(shù)

擬對(duì)額定功率為200 MW凝汽式再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

1.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1) 國(guó)產(chǎn)某汽輪機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)N200-12.75/535/535再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的熱力參數(shù)如下：

型號(hào)：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(jī)；

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(zhuǎn)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?zé)嵯到y(tǒng)：3高加+1除氧+4低加(除氧器采用滑壓運(yùn)行)。

2) 鍋爐的設(shè)計(jì)工況下的熱力參數(shù)：

鍋爐型號(hào)：DG 650/13.7-8；

額定蒸發(fā)量：Db=650 t/h；

再熱進(jìn)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(shí)可發(fā)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(jī)其他參數(shù)在額定值，保證耗熱量為：Q0=8 374 kJ/kW·g。

1.2汽輪機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

國(guó)產(chǎn)某汽輪機(jī)生產(chǎn)廠生產(chǎn)再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)(N200-12.75/535/535)圖[7]，如圖1所示。

0.向軸封送汽；1-4.來(lái)自再熱冷段以前；9-11.來(lái)自除氧器 圖1　N200-12.75/535/535機(jī)組熱力系統(tǒng)

2熱力學(xué)分析計(jì)算模型

2.1水及水蒸氣的熱力學(xué)計(jì)算模型

采用的水和水蒸氣計(jì)算模型是根據(jù)水和水蒸氣性質(zhì)國(guó)際協(xié)會(huì)(IAPWS)于1997年制定的工業(yè)用公式(簡(jiǎn)稱為IAPWS IF97)編制而成[8]。可以在溫度和壓力(或任意兩個(gè)蒸汽的物理參數(shù))己知的情況下，求得蒸汽的焓值等熱力性質(zhì)參數(shù)，和在已知干度的情況下可求得某壓力下蒸汽的熱力學(xué)參數(shù)。

2.2熱力系統(tǒng)計(jì)算模型

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

3程序設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1程序設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

本文在通用并聯(lián)算法的基礎(chǔ)上編制了通用的火電廠熱力系統(tǒng)計(jì)算程序[9]。首先，輸入熱力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)；然后進(jìn)行程序運(yùn)行，即熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算[10,11]。其中壓力p的單位是MPa，溫度單位為K，其他參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)單位。計(jì)算分為5個(gè)步驟：

1)計(jì)算各抽汽點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)：根據(jù)已知機(jī)組熱力系統(tǒng)8個(gè)抽汽加熱器的壓力、溫度，調(diào)用函數(shù)[vsteam, hsteam, ssteam] =ptsteam(p,t)，計(jì)算出各個(gè)加熱器的抽汽點(diǎn)的v、h、s；

2)繪制機(jī)組熱力膨脹過(guò)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(shè)定點(diǎn)線類型、顏色、坐標(biāo)范圍；使用xlabel、ylabel設(shè)定坐標(biāo)單位；使用title設(shè)定圖的標(biāo)題；應(yīng)用for語(yǔ)句完成圖線繪制。

3)鍋爐排污利用系統(tǒng)計(jì)算：根據(jù)已知鍋爐的參數(shù)，結(jié)合計(jì)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(jì)算出相應(yīng)排污系數(shù)；然后依次調(diào)用函數(shù)ts=tsaturation(p),[t,v,h,s]=px(p,x),[v,h,s]=pt(p,t)，結(jié)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(jì)算排污焓降。

4)各級(jí)回?zé)峒訜崞鞒槠禂?shù)計(jì)算：由(1)計(jì)算出各抽汽點(diǎn)的比焓，使用if-else、for語(yǔ)句計(jì)算匯集式加熱器、疏放式加熱器的q、r、tao；分別計(jì)算A、B、T，利用aexh=A/(T-B)計(jì)算出各抽汽點(diǎn)抽汽系數(shù)。

5)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)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(jié)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(jì)算出全廠熱效率、汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率、機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

3.2程序設(shè)計(jì)計(jì)算框圖

圖2　程序設(shè)計(jì)計(jì)算框圖

根據(jù)機(jī)組熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析和指標(biāo)計(jì)算的需求，擬定程序設(shè)計(jì)計(jì)算的流程如圖2所示。

圖3　機(jī)組蒸汽熱力膨脹過(guò)程線

3.3計(jì)算結(jié)果

3.3.1機(jī)組蒸汽熱力膨脹過(guò)程線

程序繪制的機(jī)組蒸汽熱力膨脹過(guò)程線如圖3所示。

3.3.2程序計(jì)算結(jié)果

程序計(jì)算結(jié)果如下：

----計(jì)算各抽汽點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)----

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(tǒng)計(jì)算----

-----計(jì)算各項(xiàng)抽汽系數(shù)-----

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(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算-----

汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率eff_i=0.4336

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗eff_cp=0.3806

b0=323.1798

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，應(yīng)用MATLAB程序的計(jì)算結(jié)果與典型凝汽計(jì)算法[12]的計(jì)算結(jié)果相差無(wú)幾。

4機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析

4.1考慮換熱效率及輔助成分影響與否的對(duì)比分析

利用MATLAB程序?qū)Σ豢紤]加熱器熱效率及輔助成分等影響因素的工況也進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)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(dāng)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(duì)給水泵效率不同引起的比焓降不同)影響時(shí)，機(jī)組熱力系統(tǒng)中7個(gè)加熱器(除了除氧器之外)的抽汽系數(shù)明顯低于不考慮該情況時(shí)的抽汽系數(shù)，特別對(duì)除氧器抽氣系數(shù)影響最大；后者機(jī)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(jī)組高效節(jié)能的重要途徑。

4.2 補(bǔ)水方式不同的對(duì)比分析

對(duì)N200-12.75/535/535再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)補(bǔ)水由除氧器及凝汽器進(jìn)入的計(jì)算，其對(duì)比結(jié)果如表2所示。

從表2結(jié)果可以看出，補(bǔ)水由除氧器進(jìn)入及由凝汽器進(jìn)入對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。補(bǔ)水由除氧器進(jìn)入時(shí)的循環(huán)熱效率明顯低于補(bǔ)水由凝汽器進(jìn)入時(shí)的循環(huán)熱效率，且其標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為補(bǔ)水由除氧器進(jìn)入時(shí)的96.12%。

表2　補(bǔ)水方式不同對(duì)比結(jié)果

明顯看出：由凝汽器補(bǔ)水循環(huán)的熱效率提高了0.0052%、標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低12.547 g/(kW·h)。由此可見，補(bǔ)充水進(jìn)除氧器改為補(bǔ)入凝汽器，不僅提高了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)節(jié)省能源消耗。

4.3增設(shè)排污擴(kuò)容系統(tǒng)與否的對(duì)比分析

對(duì)N200-12.75/535/535再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)排污及其利用系統(tǒng)局部定量計(jì)算，對(duì)于增設(shè)排污擴(kuò)容系統(tǒng)與否其相關(guān)指標(biāo)有所變化，對(duì)比結(jié)果如表3所示?？煽闯觯瑑H采用連續(xù)排污機(jī)組的循環(huán)熱經(jīng)濟(jì)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(huán)吸熱量的增加而引起的；而當(dāng)采用排污擴(kuò)容系統(tǒng)以后，機(jī)組的循環(huán)熱經(jīng)濟(jì)性增大0.40%；與僅為連續(xù)排污系統(tǒng)相比，增設(shè)排污擴(kuò)容系統(tǒng)可降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為2.684 g/(kW·h)。

表3　增設(shè)排污擴(kuò)容系統(tǒng)與否的對(duì)比結(jié)果

5結(jié)論

通過(guò)建立熱力學(xué)分析計(jì)算模型、編寫MATLAB語(yǔ)言程序，運(yùn)用等效焓降法對(duì)N200-12.75/535/535凝汽式汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，分析并得到以下結(jié)論：

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

2)補(bǔ)水由除氧器進(jìn)入時(shí)的循環(huán)熱效率明顯低于補(bǔ)水由凝汽器進(jìn)入時(shí)的循環(huán)熱效率，且補(bǔ)水由凝汽器進(jìn)入機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性較好，其標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為補(bǔ)水由除氧器進(jìn)入時(shí)的96.12%。

3)僅采用連續(xù)排污熱力系統(tǒng)機(jī)組的循環(huán)熱經(jīng)濟(jì)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(huán)吸熱量的增加而引起的；而當(dāng)采用排污擴(kuò)容系統(tǒng)以后，機(jī)組的循環(huán)熱經(jīng)濟(jì)性將增0.40%。

通過(guò)以上分析可以看出，機(jī)組節(jié)能降耗可以從以下幾個(gè)方面著手：

1)補(bǔ)充水進(jìn)入除氧器改為補(bǔ)入凝汽器；

2)連續(xù)排污系統(tǒng)增設(shè)排污擴(kuò)容系統(tǒng)，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(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的措施有很多，綜合以上各節(jié)能降耗技術(shù)，不斷完善熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析方法，就可以使電廠實(shí)際運(yùn)行更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠[12]。

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