电厂热力系统计算分析之模块化方法

摘要：将电厂热力系统之组成设备模块化，用这些模块可构成任一复杂之热力系统，并且设计出通用之模块以适应任何热力系统问题之计算分析。阳光电子学校维修专家分析认为： 关键词：热力系统；模块化；计算分析 设计更完善之热力系统和提高已投运之热力系统之经济性，一直是国内外动力行业努力之目标。阳光电子学校维修专家分析认为：由于电厂热力系统之日益庞大化和复杂化，出现了热力系统分析计算之模块化方法。阳光电子学校维修专家分析认为：将热力系统中之设备处理为模块，用一组数学方程描述，以搭积木之方式，由模块构成任一热力系统，从而得到一种适用范围广、应用简单灵活能在计算机上实现之热力系统稳态分析计算方法。阳光电子学校维修专家分析认为：目前已有多个外国公司推出基于模块化方法之商业软件包，其中德国SofBid公司之Ebsilon　Professional软件是比较成熟和使用方便之，已有包括ABB、ALSTOM、CEE、SIEMENS等超过100个国际知名制造商和电力集团公司在使用，主要用于电厂设计、性能评估以及运行优化。阳光电子学校维修专家分析认为： 1　热力系统计算分析模块化之概念 现代电厂之热力系统已相当复杂，但任何复杂之热力系统不外乎是由若干个设备和管道连接构成。阳光电子学校维修专家分析认为：如锅炉、汽轮机组、凝汽器、换热器、水泵、风机、阀门、三通管道等等。阳光电子学校维修专家分析认为：根据热力系统这一特点，可以建立这样之模块化概念：用不同之模块代表不同之设备，用线段代表管道；于是，以搭积木之方式，用有限个模块和线段可灵活地构成任一复杂之热力系统图。阳光电子学校维修专家分析认为：如图1所示，用7种模块构成了一个典型之汽轮发电机组热力系统。阳光电子学校维修专家分析认为：热力系统计算模块化有三个任务： 1）建立模块，用数学模型真实描述其物理对象。阳光电子学校维修专家分析认为： 2）用模块构成待计算之热力系统。阳光电子学校维修专家分析认为： 3）研究系统之数学求解方法。阳光电子学校维修专家分析认为： 2　模块设计方法不同模块之设计思路是相同之，都是用数学方程描述模块之能量守恒、质量守恒、传热特性、流体力学特性，以及模块之热力学特性和几何条件。阳光电子学校维修专家分析认为：这里，以分流三通为例，介绍模块之设计过程。阳光电子学校维修专家分析认为：

图1　模块和模块化热力系统

图2　分流三通 在分流三通（图2）中，有如下关系： f(m1,m2,m3)=0 此关系有几种表达式，其中一种为： m1=m2+m3(2-1) 当已知m1，m2，求m3时，令m1=m1*，m2=m2*，m3=m3′，带入式（2－1）：则m1′=m2*+m3′（2－2） △m=m1*-m1′（2－3）式中：*—给定值；　　　′—任意假定值（待定变量）。阳光电子学校维修专家分析认为：如果△m＝0，则m3′成为真实解。阳光电子学校维修专家分析认为：如果△m≠0，则修正m3′，反复上面之过程，一步步逼近最终解。阳光电子学校维修专家分析认为：当已知m1,m3，求m2时， 令 m1=m1，m3=m3*，m2=m2′，带入式（2－1）,仍可得式（2－2）、（2－3）： m1′=m2′+m3* △m=m1*-m1′ 当△m＝0，则m2′成为真实解。阳光电子学校维修专家分析认为：这样就提供了求解这两个问题之途径，即 Min△m2 s.t△m＝0 采用一个合适之优化技术，可让△m一步步逼近于0，上述问题之假定值就一步步逼近于最终解。阳光电子学校维修专家分析认为：这样，对于同一数学模型，求解不同之问题采用了相同之模式。阳光电子学校维修专家分析认为：求解分流三通之流量问题可用图3表示。阳光电子学校维修专家分析认为：

图3　分流三通流量问题示意图 将这一概念加以扩展，可得到热力设备模块之一般模式，用图4表示：

图4　一般模块之示意图 图注：j－第j种设备；Zj－未知矢量；Kj－表征设备特征之常数矢量；Uj*－表征设备当前特征之矢量；Yj*－已知矢量；Σ△Fj2－等式差值之平方和；△Fj－等式差值矢量。阳光电子学校维修专家分析认为： 3　模块构成热力系统之方法 模块构成热力系统之实质，是确定热力系统中各模块间之质量和能量传递关系，为实施计算提供必要之信息（计算规模，待定变量，常数量，输入量，输出量）。阳光电子学校维修专家分析认为：模块构成热力系统之最佳形式，应是模块图形化，由图符和连线构成系统，这样构造之图形与机组实际之热力系统图非常相似，在系统图上面向模块可准确地输入有关之信息。阳光电子学校维修专家分析认为： 4　热力系统模块化之数学计算方法 通过模块之建立和系统之构成，可得到描述热力系统之一套方程，求解这套方程即分析计算热力系统。阳光电子学校维修专家分析认为：目前比较成熟之热力系统数学计算方法是：将所有模块之未知量作为待定变量，从一组初始值开始，用非线性规划之技术求解，所有待定变量同时逼近最终解，直至满足要求之精度。阳光电子学校维修专家分析认为：它之优点是：提供了计算之灵活性，不需要人工确定计算过程，计算速度快。阳光电子学校维修专家分析认为： 5　热力系统计算分析模块化方法之应用实例 使用模块化方法对热力系统进行分析是很方便和快捷之，目前已有多个外国公司推出基于模块化方法之商业软件包，德国SofBid公司之Ebsilon Professional软件是其中比较成熟和使用方便之。阳光电子学校维修专家分析认为： Ebsilon Professional是德国sofbid公司推出之基于热力系统计算分析模块化方法之商业软件包，目前已经开发出87个模块，包括锅炉、汽轮机级组、燃气轮机级组、凝汽器、加热器、水泵、除氧器、发电机、冷却塔、三通管道...等等，并且平均每年新开发2～3个模块，使用这些模块可以构建任一类型之电厂系统图； 并采用图形化界面，所有对象图形化：模块 、管道、标注数据之十字和文本框，用户可以根据模块之外形就知道该模块代表之设备，系统构成一目了然，并且可根据需要在图上标注出数据和备注文字。阳光电子学校维修专家分析认为：使用Ebsilon Professional软件计算分析一个100 MW机组之热力系统。阳光电子学校维修专家分析认为： 1） 选择适当之模块和管道，构建出一个100 MW机组之热力系统图（见图5）。阳光电子学校维修专家分析认为： 2） 根据试验结果给定各个设备模块之特性参数，模拟出一个真实之系统。阳光电子学校维修专家分析认为： 3） 根据研究需要，改变系统中之某些参数（如初参数，背压，循环水进水温度，加热器温升，轴封漏汽量等等），重新计算出机组之最终出力，进而计算分析出对机组经济性之影响。阳光电子学校维修专家分析认为： ① 循环水进水温度改变对机组经济性之影响。阳光电子学校维修专家分析认为：

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