電廠熱力系統計算分析之模塊化方法

摘要：將電廠熱力系統之組成設備模塊化，用這些模塊可構成任一復雜之熱力系統，并且設計出通用之模塊以適應任何熱力系統問題之計算分析。陽光電子學校維修專家分析認為： 關鍵詞：熱力系統；模塊化；計算分析 設計更完善之熱力系統和提高已投運之熱力系統之經濟性，一直是國內外動力行業努力之目標。陽光電子學校維修專家分析認為：由于電廠熱力系統之日益龐大化和復雜化，出現了熱力系統分析計算之模塊化方法。陽光電子學校維修專家分析認為：將熱力系統中之設備處理為模塊，用一組數學方程描述，以搭積木之方式，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之熱力系統穩態分析計算方法。陽光電子學校維修專家分析認為：目前已有多個外國公司推出基于模塊化方法之商業軟件，其中德國SofBid公司之Ebsilon　Professional軟件是比較成熟和使用方便之，已有括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。陽光電子學校維修專家分析認為： 1　熱力系統計算分析模塊化之概念 現代電廠之熱力系統已相當復雜，但任何復雜之熱力系統不外乎是由若干個設備和管道連接構成。陽光電子學校維修專家分析認為：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。陽光電子學校維修專家分析認為：根據熱力系統這一特點，可以建立這樣之模塊化概念：用不同之模塊代表不同之設備，用線段代表管道；于是，以搭積木之方式，用有限個模塊和線段可靈活地構成任一復雜之熱力系統圖。陽光電子學校維修專家分析認為：如圖1所示，用7種模塊構成了一個典型之汽輪發電機組熱力系統。陽光電子學校維修專家分析認為：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。陽光電子學校維修專家分析認為： 2）用模塊構成待計算之熱力系統。陽光電子學校維修專家分析認為： 3）研究系統之數學求解方法。陽光電子學校維修專家分析認為： 2　模塊設計方法不同模塊之設計思路是相同之，都是用數學方程描述模塊之能量守恒、質量守恒、傳熱特性、流體力學特性，以及模塊之熱力學特性和幾何條件。陽光電子學校維修專家分析認為：這里，以分流三通為例，介紹模塊之設計過程。陽光電子學校維修專家分析認為：

圖1　模塊和模塊化熱力系統

圖2　分流三通 在分流三通（圖2）中，有如下關系： f(m1,m2,m3)=0 此關系有幾種表達式，其中一種為： m1=m2+m3(2-1) 當已知m1，m2，求m3時，令m1=m1*，m2=m2*，m3=m3′，帶入式（2－1）：則m1′=m2*+m3′（2－2） △m=m1*-m1′（2－3）式中：*—給定值；　　　′—任意假定值（待定變量）。陽光電子學校維修專家分析認為：如果△m＝0，則m3′成為真實解。陽光電子學校維修專家分析認為：如果△m≠0，則修正m3′，反復上面之過程，一步步逼近 終解。陽光電子學校維修專家分析認為：當已知m1,m3，求m2時， 令 m1=m1，m3=m3*，m2=m2′，帶入式（2－1）,仍可得式（2－2）、（2－3）： m1′=m2′+m3* △m=m1*-m1′ 當△m＝0，則m2′成為真實解。陽光電子學校維修專家分析認為：這樣就提供了求解這兩個問題之途徑，即 Min△m2 s.t△m＝0 采用一個合適之優化技術，可讓△m一步步逼近于0，上述問題之假定值就一步步逼近于 終解。陽光電子學校維修專家分析認為：這樣，對于同一數學模型，求解不同之問題采用了相同之模式。陽光電子學校維修專家分析認為：求解分流三通之流量問題可用圖3表示。陽光電子學校維修專家分析認為：

圖3　分流三通流量問題示意圖 將這一概念加以擴展，可得到熱力設備模塊之一般模式，用圖4表示：

圖4　一般模塊之示意圖 圖注：j－第j種設備；Zj－未知矢量；Kj－表征設備特征之常數矢量；Uj*－表征設備當前特征之矢量；Yj*－已知矢量；Σ△Fj2－等式差值之平方和；△Fj－等式差值矢量。陽光電子學校維修專家分析認為： 3　模塊構成熱力系統之方法 模塊構成熱力系統之實質，是確定熱力系統中各模塊間之質量和能量傳遞關系，為實施計算提供必要之信息（計算規模，待定變量，常數量，輸入量，輸出量）。陽光電子學校維修專家分析認為：模塊構成熱力系統之 佳形式，應是模塊圖形化，由圖符和連線構成系統，這樣構造之圖形與機組實際之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之信息。陽光電子學校維修專家分析認為： 4　熱力系統模塊化之數學計算方法 通過模塊之建立和系統之構成，可得到描述熱力系統之一套方程，求解這套方程即分析計算熱力系統。陽光電子學校維修專家分析認為：目前比較成熟之熱力系統數學計算方法是：將所有模塊之未知量作為待定變量，從一組初始值開始，用非線性規劃之技術求解，所有待定變量同時逼近 終解，直至滿足要求之精度。陽光電子學校維修專家分析認為：它之優點是：提供了計算之靈活性，不需要人工確定計算過程，計算速度快。陽光電子學校維修專家分析認為： 5　熱力系統計算分析模塊化方法之應用實例 使用模塊化方法對熱力系統進行分析是很方便和快捷之，目前已有多個外國公司推出基于模塊化方法之商業軟件，德國SofBid公司之Ebsilon Professional軟件是其中比較成熟和使用方便之。陽光電子學校維修專家分析認為： Ebsilon Professional是德國sofbid公司推出之基于熱力系統計算分析模塊化方法之商業軟件，目前已經開發出87個模塊，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之電廠系統圖； 并采用圖形化界面，所有對象圖形化：模塊 、管道、標注數據之十字和文本框，用戶可以根據模塊之外形就知道該模塊代表之設備，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。陽光電子學校維修專家分析認為：使用Ebsilon Professional軟件計算分析一個100 MW機組之熱力系統。陽光電子學校維修專家分析認為： 1） 選擇適當之模塊和管道，構建出一個100 MW機組之熱力系統圖（見圖5）。陽光電子學校維修專家分析認為： 2） 根據試驗結果給定各個設備模塊之特性參數，模擬出一個真實之系統。陽光電子學校維修專家分析認為： 3） 根據研究需要，改變系統中之某些參數（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），重新計算出機組之 終出力，進而計算分析出對機組經濟性之影響。陽光電子學校維修專家分析認為： ① 循環水進水溫度改變對機組經濟性之影響。陽光電子學校維修專家分析認為：

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