可靠性特征重構(gòu)下的發(fā)電機(jī)組變工況熱力性能動(dòng)態(tài)仿真分析

張波濤，劉豐，王鳳祥，韋怡，陳龍駒

（龍灘水電開發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠，南寧 530000）

引言

在技術(shù)限制下，發(fā)電量仍無法滿足用戶需求[1]，在全球能源短缺和環(huán)境壓力下，提高能源利用效率已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略問題之一，因此，研究人員們進(jìn)行了深入的研究，旨在改善發(fā)電效率。

姜錦濤等[2]為了提高機(jī)組負(fù)荷和工質(zhì)的初參數(shù)，確立了一新型太陽能輔助燃煤碳捕集發(fā)電系統(tǒng)。該方法將太陽能與燃煤碳捕集發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。王凱琳等[3]采用燃?xì)廨啓C(jī)準(zhǔn)一維透平冷卻模型和底循環(huán)簡明計(jì)算模型，分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)透平冷卻空氣、效率的影響特性。該方法引入和應(yīng)用新型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)成本較高。張祖賢等[4]分析了四個(gè)典型日不同負(fù)荷下的熱力特性，說明頂循環(huán)任一工況的性能與環(huán)境溫度相關(guān)。在不同的環(huán)境溫度會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，該方法會(huì)受到環(huán)境條件的限制。

總結(jié)以往研究經(jīng)驗(yàn)，在電力系統(tǒng)熱力性能角度深入研究發(fā)電機(jī)組變工況下的運(yùn)行特性，捕獲其中的能耗規(guī)律，挖掘發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行過程中的節(jié)能潛力，進(jìn)一步優(yōu)化電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組性能[3]。提出可靠性特征重構(gòu)下的發(fā)電機(jī)組變工況熱力性能動(dòng)態(tài)仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過調(diào)節(jié)煤氣含量和其他參數(shù)以及優(yōu)化壓縮比，發(fā)電機(jī)組的熱效率得到了明顯提高。

1 熱力性能影響指標(biāo)與變工況樣本分析

為了對(duì)發(fā)電機(jī)組深入了解，所提方法通過熱力學(xué)特征動(dòng)態(tài)分析目前最為常用的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組熱力性能影響指標(biāo)[5]，并模擬發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征。

1.1 發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征模擬

為了深入理解發(fā)電機(jī)組的熱力學(xué)運(yùn)行機(jī)理，綜合考慮各個(gè)部件的相互作用和對(duì)整體熱力學(xué)特性的影響，分析和優(yōu)化變工況能量在發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的傳遞和轉(zhuǎn)化過程，準(zhǔn)確獲取其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件。

1.1.1 熱效率

在忽略發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中摩擦損失和管道壓力的情況下，分別構(gòu)建發(fā)電機(jī)組頂端和低端循環(huán)數(shù)學(xué)模型：

1）頂端循環(huán)模型

發(fā)電機(jī)組頂端的關(guān)鍵部分為燃燒室、壓氣機(jī)、燃?xì)馔钙浇M成的燃?xì)廨啓C(jī)[6,7]，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)建模如下所示：

式中：

wnet—燃?xì)廨啓C(jī)出力；

wgt—透平比功；

wac—壓氣機(jī)比功；

Cpg—燃?xì)舛▔罕葻幔?/p>

mg—煙氣質(zhì)量流量；

Cpa—空氣定壓比熱；

ma—空氣質(zhì)量流量；

T1、T3—進(jìn)口溫度；

T2、T4—出口溫度。

由此得到燃?xì)廨啓C(jī)效率ηgt如下所示：

式中：

Qin,top—燃?xì)廨啓C(jī)頂端輸入熱量。

2）低端循環(huán)模型

發(fā)電機(jī)組低端主要部分為余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)[8]，對(duì)兩部分分別建模，如下所示：

①余熱鍋爐

用mh、ml為高、低壓蒸汽質(zhì)量流量，h1,H、h2,H為高壓加熱器進(jìn)、出口焓值，h1,L、h2,L為低壓加熱器進(jìn)、出口焓值，mr為煙氣質(zhì)量流量，T5、T6為進(jìn)、出口溫度，得到余熱鍋爐效率ηh計(jì)算公式如下所示：

②蒸汽輪機(jī)

用wst表示蒸汽輪機(jī)輸出凈功，Qin,bot表示燃?xì)廨啓C(jī)輸入熱量，wm為給水質(zhì)量流量，8h、7h為進(jìn)、出口溫度，得到蒸汽輪機(jī)效率stη計(jì)算公式如下所示：

進(jìn)而得到燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)效率ccη如下所示：

1.1.2 ?效率

發(fā)電機(jī)組熱力過程溫度-熵圖如圖1 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組熱力過程溫度-熵圖

依據(jù)熱力學(xué)第二定律和圖1 對(duì)發(fā)電機(jī)組各部分?效率建模[9,10]，x為任意狀態(tài)點(diǎn)，Dx為蒸汽流量，xh為焓值，0h為初始焓值，0T為環(huán)境溫度，sx為熵值，s0為初始熵值，ρ為廢氣密度，G為廢氣流量，T表示增量（溫度），則各狀態(tài)點(diǎn)水和水蒸氣?值Ex和廢氣?值Ef,x如下所示：

用Ein,i熱力系統(tǒng)第i個(gè)輸入?值，Eout,j表示熱力系統(tǒng)第j個(gè)輸出?值，?El,i表示熱力系統(tǒng)第i個(gè)輸入?值對(duì)應(yīng)?損，則?平衡公式如下所示：

進(jìn)而可得到?效率eη計(jì)算公式如下所示：

2.2 發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征重構(gòu)

由于大氣溫度、負(fù)荷、相對(duì)濕度等不同因素影響，發(fā)電機(jī)組性能會(huì)存在一定差異，致使發(fā)電機(jī)組處于變工況狀態(tài)運(yùn)行，造成各項(xiàng)熱力性能偏離設(shè)計(jì)值，因此，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征重構(gòu)，使發(fā)電機(jī)組在變工況狀態(tài)下更好地適應(yīng)并優(yōu)化其熱力學(xué)性能。

選中熱效率、低端循環(huán)模型、?效率中的任意樣本，然后分別選取該樣本同類和異類樣本中的k個(gè)最近鄰樣本，依據(jù)下式計(jì)算每個(gè)特征的權(quán)重W(F)：

式中：

El a(S)—特征子集S所屬類別；

Gi—第i個(gè)最近鄰樣本；

Di f(F,S,Gi)—差異度；

p(E)—類別E的分布概率；

p[E la(S)]—分布概率；

H i(E)—最近鄰樣本；

m—迭代次數(shù)。

最后，經(jīng)過m次迭代，可得到每個(gè)特征的權(quán)重均值，去除其中特征權(quán)重小于既定權(quán)值的特征，生成一個(gè)新的特征子集，具體步驟如下所示：

1）設(shè)定最大迭代次數(shù)為m，特征權(quán)重閾值為ξ，設(shè)置一個(gè)特征子集R，此時(shí)R為空集，將全部權(quán)重置0，即W(F) = 0，F(xiàn)=1,2, … ,n，n為特征總數(shù)；

2）令迭代次數(shù)j= 1，執(zhí)行以下步驟：

①在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集U中隨機(jī)選取樣本S；

②選取k個(gè)最近鄰樣本；

③自F= 1執(zhí)行上述操作，直到F=n，若W(F)>ξ，則將對(duì)應(yīng)特征加入R；

④重復(fù)以上步驟直到j(luò)=m。

ReliefF 算法是一種特征選擇方法，通過對(duì)特征屬性和類別屬性之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，為相關(guān)性較高的特征賦予較高的權(quán)重，并篩選出冗余或分類能力較弱的特征[11]。相關(guān)度r計(jì)算方式如下所示：

式中：

xi和yi—特征值；

依據(jù)既定相關(guān)度閾值，分析每兩個(gè)參數(shù)的相關(guān)性，去除其中權(quán)重較小的特征，保留相關(guān)度較高的發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征樣本。

2 基于熱力學(xué)特征樣本的變工況能量平衡計(jì)算

對(duì)重構(gòu)后的發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和分析，基于變工況實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和反饋信息，持續(xù)改進(jìn)發(fā)電機(jī)組的熱力學(xué)特征，獲得包括熱平衡、?平衡等相關(guān)內(nèi)容的變工況能量平衡計(jì)算結(jié)果，分析其熱力性能動(dòng)態(tài)性。

2.1 熱平衡

發(fā)電機(jī)組中燃料產(chǎn)生的全部熱量經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)換作用，并將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終向環(huán)境中放熱，發(fā)電機(jī)組中全部熱量全部均來自燃?xì)鈾C(jī)輪，忽略顯熱構(gòu)建燃?xì)鈾C(jī)輪變工況能量平衡公式，如下所示：

式中：

Q1—單位質(zhì)量流量的燃料在燃機(jī)壓氣機(jī)吸入時(shí)攜帶的熱能；

ηr1—燃燒效率；

Qar,ner,p—燃料完全燃燒釋放的熱能；

Qc1—燃?xì)馑鶖y帶熱能；

Qc2—對(duì)外散失熱能；

PGT為軸端功率。

同時(shí)構(gòu)建余熱鍋爐和汽輪機(jī)變工況能量平衡公式如下所示：

式中：

QW1—余熱鍋爐給水?dāng)y帶熱能；

QA2—排出煙氣攜帶熱能；

Qst1—主蒸汽攜帶熱能；

Qst2—低壓蒸汽攜帶熱能；

QA3—平軸端做功功率。

2.2 ?平衡

?平衡分析是對(duì)變工況能量數(shù)量和質(zhì)量屬性的分析，過程中需要全面考慮各項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的?損失才能達(dá)到?平衡。在變工況的情況下，由于內(nèi)部不可逆過程的存在，額外的能量損失會(huì)發(fā)生，這些損失在熱平衡分析中是無法體現(xiàn)的。因此，對(duì)于能量平衡和熱平衡的分析方法有一定的差異，但兩者存在聯(lián)系，熱平衡是建立能量平衡的基礎(chǔ)[12]，發(fā)電機(jī)組各部分?損失和?效率計(jì)算公式如下所示：

①壓氣機(jī)變工況損失

式中：

ExD,ac—壓氣機(jī)?損失；

WAC—壓氣機(jī)總功；

ηex,AC—壓氣機(jī)?效率。

②燃燒室

式中：

ExD,cc—燃燒室?損失；

Ef,cc—燃燒室廢氣?值；

ηex CC—燃燒室?效率。

③冷凝器

式中：

ExD,Cond—冷凝器?損失；

ηex,Cond—冷凝器?效率。

④燃?xì)馔钙?/p>

式中：

ExD,GT—燃?xì)馔钙?損失；

WGT—燃?xì)馔钙娇偣Γ?/p>

ηex,GT—燃?xì)馔钙?效率。

⑤余熱鍋爐

式中：

Ex D,HRST—余熱鍋爐?損失；

ηex,HRST—余熱鍋爐?效率。

⑥汽輪機(jī)

式中：

Ex D,ST—汽輪機(jī)?損失；

Ex i,ST—其中第i個(gè)輸入?值；

Ex o,ST—其中第i個(gè)輸出?值；

ηex,ST—汽輪機(jī)?效率；

WST—汽輪機(jī)總功。

根據(jù)重構(gòu)后的熱力學(xué)特征，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行策略，包括負(fù)荷控制、燃料供給調(diào)整、優(yōu)化熱回收等方面，以提高效率和性能穩(wěn)定性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證z 方法，選擇150MW 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)為GE LM2500，蒸汽輪機(jī)型號(hào)為西門子SST-400 型。模擬實(shí)際運(yùn)行中不同負(fù)荷下的條件，設(shè)置為5 個(gè)變工況為：環(huán)境溫度為40 ℃，負(fù)荷為30 %額定功率；環(huán)境溫度為-10 ℃，負(fù)荷為100 %額定功率；環(huán)境初始溫度為20 ℃，每小時(shí)增加2 ℃，負(fù)荷逐漸從20 %增加到80 %額定功率；環(huán)境溫度在25 ℃上下波動(dòng)，負(fù)荷恒定為50 %額定功率；環(huán)境溫度為30 ℃，負(fù)荷從30 %逐漸增加到70 %額定功率。逐次標(biāo)記為工況1-5。

記錄燃料消耗量和發(fā)電產(chǎn)出，測量和分析不同部位的溫度分布監(jiān)測并分析不同部位的壓力變化，使用ASPEN Plus 熱力學(xué)仿真軟件進(jìn)行變工況熱力性能動(dòng)態(tài)仿真分析。

高爐煤氣熱值較低，僅為相同體積天然氣熱值的1/10 左右，且高爐煤氣熱值不穩(wěn)定，將其作為主燃料時(shí)，需要混入一定量的焦?fàn)t煤氣以滿足燃?xì)鈾C(jī)輪燃燒所需。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，可調(diào)節(jié)控制閥達(dá)到改變混合比例的目的，混合比例對(duì)發(fā)電機(jī)組熱效率的影響如圖2 所示。

圖2 兩種類型煤氣混合比例對(duì)發(fā)電機(jī)組熱效率的影響

圖2，通過控制混合比例使熱值滿足要求。依據(jù)上一部分建立的熱力性能相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算不同負(fù)荷下發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)值，如表1 所示。

表1 不同負(fù)荷下發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

為了分析發(fā)電機(jī)組負(fù)荷與發(fā)電機(jī)組熱效率和電機(jī)組負(fù)荷與燃?xì)獬鯗刂g的關(guān)系，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率與發(fā)電機(jī)組熱效率、燃?xì)獬鯗仃P(guān)系

由圖3 可以看出，在發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率不斷增加的情況下，發(fā)電機(jī)組整體熱效率呈現(xiàn)出先平穩(wěn)上升后快速上升的趨勢，聯(lián)合燃?xì)獬鯗厍€共同分析，二者無直接的正比例關(guān)系。隨著燃?xì)獬鯗氐纳?，發(fā)電機(jī)組熱效率無明顯變化，與發(fā)電機(jī)組隨燃?xì)獬鯗厣叨叩囊话阋?guī)律不符。在燃?xì)廨啓C(jī)初溫不斷升高下，燃燒室和燃?xì)馔钙綖榱死鋮s需要從壓氣機(jī)中吸入大量空氣，進(jìn)而減少燃料工質(zhì)流量，大量冷空氣混入高溫氣體中，必然無法對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率產(chǎn)生積極影響。因此，雖然發(fā)電機(jī)組整體熱效率與燃?xì)獬鯗卮嬖谝欢ǖ年P(guān)聯(lián)，但在實(shí)際運(yùn)行中，除了燃?xì)獬鯗赝猓€有其他因素限制了發(fā)電機(jī)組的熱效率。例如，壓氣機(jī)進(jìn)口溫度、壓縮比等也會(huì)對(duì)熱效率產(chǎn)生影響。因此，需要綜合考慮多個(gè)因素來對(duì)發(fā)電機(jī)組的熱效率進(jìn)行分析和優(yōu)化，以確保其在實(shí)際運(yùn)行中能夠達(dá)到最佳性能和效率。

構(gòu)建變工況下壓氣機(jī)壓縮比與燃?xì)廨啓C(jī)效率和發(fā)電機(jī)組熱效率關(guān)系曲線，如圖4 所示。

圖4 壓縮比與燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)組熱效率關(guān)系

由圖4 可以看出，壓縮比與燃?xì)廨啓C(jī)效率和發(fā)電機(jī)組熱效率之間的關(guān)系。在壓氣機(jī)壓縮比達(dá)到一定數(shù)值后，燃?xì)廨啓C(jī)效率和發(fā)電機(jī)組熱效率呈現(xiàn)出明顯上升趨勢。壓氣機(jī)壓縮比是指進(jìn)出口總壓比，它反映了壓氣機(jī)工作時(shí)壓縮空氣的程度。隨著壓縮比增加，燃?xì)廨啓C(jī)的效率提高，因?yàn)楦叩膲嚎s比可以增加功率和熱效率。同時(shí)，發(fā)電機(jī)組的熱效率也呈現(xiàn)出類似的提高趨勢。通過調(diào)節(jié)壓縮比，可以使發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。根據(jù)圖4 所示的曲線，可以確定適當(dāng)?shù)膲嚎s比，以實(shí)現(xiàn)最佳的燃?xì)廨啓C(jī)效率和發(fā)電機(jī)組熱效率。這有助于提高發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率和整體性能，并確保發(fā)電過程的高效運(yùn)行。

分別討論不同工況下發(fā)電機(jī)組和部分?損失情況，結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)圖5 所示的結(jié)果，在不同工況下，發(fā)電機(jī)組各部分的能量損失情況如下：

1）燃燒室、燃?xì)馔钙疆a(chǎn)生的?損失較高：在不同工況下，燃燒室和燃?xì)馔钙酵ǔ?huì)產(chǎn)生較高的能量損失。這主要是由于燃燒室中的燃料燃燒和燃?xì)馔钙竭^程中的內(nèi)部不可逆過程導(dǎo)致能量損失。因此，燃燒室和燃?xì)馔钙绞前l(fā)電機(jī)組中主要的不可逆損失部分。

2）余熱鍋爐產(chǎn)生的?損失：在圖中，余熱鍋爐的能量損失較高。余熱鍋爐作為功率裝置后的一個(gè)環(huán)節(jié)，用于回收燃?xì)馀欧胖械挠酂帷?/p>

3）汽輪機(jī)產(chǎn)生的?損失：雖然總體上低于燃燒室、燃?xì)馔钙胶陀酂徨仩t，但汽輪機(jī)仍然產(chǎn)生一定的能量損失，汽輪機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件。

4）壓氣機(jī)和凝氣機(jī)產(chǎn)生的?損失較低：在圖中，壓氣機(jī)和凝氣機(jī)的能量損失接近于零。這是因?yàn)閴簹鈾C(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，而凝氣機(jī)則用于冷卻廢氣。相對(duì)而言，它們所產(chǎn)生的能量損失較低，并可以忽略不計(jì)。

綜上所述，根據(jù)圖5 的結(jié)果，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮從燃燒室、燃?xì)馔钙?、余熱鍋爐和汽輪機(jī)等方面著手。通過改善這些關(guān)鍵部分的效率和減少能量損失，可以提高發(fā)電機(jī)組的整體熱效率和能量利用率。

3 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)組是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能直接關(guān)乎電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能，發(fā)電機(jī)組變工況熱力性能動(dòng)態(tài)分析在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)中發(fā)揮出越來越重要的作用。通過分析燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)效率影響指標(biāo)，模擬發(fā)電機(jī)組的熱力學(xué)特征。在這個(gè)過程中，選取了熱效率、低端循環(huán)模型和?效率作為樣本集，在同類和異類樣本集中計(jì)算其相關(guān)度。保留了相關(guān)度較高的發(fā)電機(jī)組熱力學(xué)特征樣本，并持續(xù)改進(jìn)發(fā)電機(jī)組的熱力學(xué)特征。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣含量、燃?xì)獬鯗匾约皦簹鈾C(jī)壓縮比等條件，可以發(fā)現(xiàn)燃燒室和余熱鍋爐是產(chǎn)生較多?損失的部分。發(fā)電機(jī)組的熱效率受到燃?xì)獬鯗亍簹鈾C(jī)進(jìn)口溫度和壓縮比等多個(gè)因素的限制。為了使發(fā)電機(jī)組達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際工況來調(diào)節(jié)壓縮比。這些研究成果對(duì)于優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的熱力性能具有重要的參考價(jià)值。