畢業(yè)論文：汽輪機(jī)的運(yùn)行及設(shè)計(jì)（終稿）

1、畢業(yè)論文：汽輪機(jī)的運(yùn)行及設(shè)計(jì)終稿 汽輪機(jī)的運(yùn)行及設(shè)計(jì) 目前，我國(guó)大型火電機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷工況運(yùn)行，在此狀況下機(jī)組的能耗特性和控制特性發(fā)生顯著變化，原有的運(yùn)行方式及控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間在較低負(fù)荷下的變工況平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。針對(duì)這種情況，建立高精確度機(jī)組耗差分析模型，有效地解決火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析中的主要難題，保證各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在線計(jì)算的準(zhǔn)確性和機(jī)組能耗偏差的找出率。開(kāi)發(fā)出汽輪機(jī)最優(yōu)運(yùn)行初壓計(jì)算模型和鍋爐經(jīng)濟(jì)性分析模型，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定理論根底。在機(jī)組耗差分析的根底上，針對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)不確定性模型研究魯棒整定問(wèn)題，提出魯棒性指標(biāo)應(yīng)介于35之間以取得較好的魯棒性，實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷范圍

2、內(nèi)控制的穩(wěn)定性與快速性 【摘要】：在能源短缺、廠網(wǎng)分家的大環(huán)境下,提高鍋爐和汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平,越來(lái)越受到電廠的重視。良好的燃燒狀態(tài)和熱傳導(dǎo)性能,都能減少鍋爐的各種熱損失,使其保持高效率的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;同時(shí)采取保溫措施,也可有效降低燃油鍋爐的運(yùn)行本錢。而汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是與諸多方面有關(guān)的綜合性問(wèn)題。本文從多個(gè)方面探討了鍋爐和汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響因素。汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,就是要做到節(jié)省燃料、減少電力消耗、提高發(fā)電廠的凈效率,即每發(fā)1千瓦時(shí)電所消耗的蒸汽量為最少,這對(duì)節(jié)約能源、降低發(fā)電本錢、完成燃料消耗指標(biāo)都具有重要意義。 關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 熱力計(jì)算 熱力系統(tǒng) 1 引言 隨著我國(guó)電力工業(yè)裝機(jī)容量的增加

3、和用電側(cè)負(fù)荷峰谷差的增大，大型火電機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷工況下運(yùn)行。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：變負(fù)荷工況下機(jī)組的能耗特性和控制特性發(fā)生了顯著變化，以機(jī)組額定工況條件為主設(shè)計(jì)的運(yùn)行及控制系統(tǒng)不能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間在較低負(fù)荷下的變工況平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。當(dāng)前火電機(jī)組的自動(dòng)控制一般是基于給定的參數(shù)定值和跟蹤負(fù)荷指令運(yùn)行的，因此機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)不一定處于最優(yōu)狀態(tài)。研究機(jī)組在當(dāng)前較寬變工況范圍(100%40%額定負(fù)荷)內(nèi)的能耗特性與節(jié)能優(yōu)化控制方法，設(shè)計(jì)機(jī)組在更寬負(fù)荷范圍內(nèi)的在線性能分析系統(tǒng)和節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 為此，我們承當(dāng)了國(guó)家電力公司的重大科技工程“火電機(jī)組變負(fù)荷特性及優(yōu)化控制系統(tǒng)研究的研

4、究任務(wù)，工程的意義在于深入揭示火電機(jī)組變負(fù)荷工況下的內(nèi)在特性變化規(guī)律，并以此為依據(jù)，監(jiān)測(cè)其能耗經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)和選擇最正確運(yùn)行方式，確定相應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，以到達(dá)機(jī)組能夠在更寬負(fù)荷范圍內(nèi)平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。 2 當(dāng)前研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 隨著國(guó)內(nèi)用電市場(chǎng)的變化，各研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始重視火電機(jī)組節(jié)能耗差及優(yōu)化控制的研究，但這個(gè)領(lǐng)域中仍存在一些問(wèn)題或需要做進(jìn)一步的工作： 1)研究都是定性的，還不能定量描述。在實(shí)用負(fù)荷范圍內(nèi)，運(yùn)行方式對(duì)能耗影響的規(guī)律尚無(wú)準(zhǔn)確的方法確定。 2)機(jī)組額定初壓不同，運(yùn)行方式對(duì)能耗影響的規(guī)律就不同。一般來(lái)說(shuō)超臨界機(jī)組滑壓運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)較明顯。機(jī)組初壓越低，定壓運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)越明顯。不同設(shè)

5、計(jì)參數(shù)的機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)能耗的影響需要定量研究1。 3)滑壓運(yùn)行優(yōu)勢(shì)的另一方面在于汽輪機(jī)的內(nèi)效率能保持較高的數(shù)值，但不同的機(jī)組、不同負(fù)荷其內(nèi)效率也不同，這不僅需要理論分析，而且需要實(shí)驗(yàn)才能測(cè)定。 4)運(yùn)行方式不同，還會(huì)影響再熱汽溫。再熱器欠溫、再熱器噴水減溫對(duì)能耗的影響較大。此項(xiàng)能耗偏差仍屬運(yùn)行方式對(duì)能耗影響，但是再熱汽溫特性是鍋爐設(shè)備的固有特性，理論分析非常困難，只能對(duì)具體機(jī)組用實(shí)驗(yàn)方法解決，在目前的一些分析中該項(xiàng)能耗偏差未計(jì)入運(yùn)行方式對(duì)能耗率影響的因素，因此，得出的結(jié)論是不全面的。 5)當(dāng)前機(jī)組控制設(shè)備性能已經(jīng)大大提高，廣泛使用集散控制系統(tǒng)(DCS)，為機(jī)組優(yōu)化控制提供了物質(zhì)根底1。如何將機(jī)

6、組能耗分析結(jié)果與控制相結(jié)合，如提供合理的控制定值等，是節(jié)能優(yōu)化控制的目的之一。 6)當(dāng)前控制系統(tǒng)還廣泛采用PID控制方式，但研究說(shuō)明，很多控制回路都處于非優(yōu)化整定狀態(tài)。如何準(zhǔn)確辨識(shí)被控對(duì)象特性，并進(jìn)行控制器參數(shù)優(yōu)化整定，是提高控制系統(tǒng)性能的有效途徑 2。 3 關(guān)鍵問(wèn)題的研究及處理 3.1 蒸汽初壓對(duì)熱經(jīng)濟(jì)影響的原因 在同一負(fù)荷下，以較低初壓運(yùn)行方式對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性影響為例3： 1)選用較低初壓，使理論循環(huán)熱效率降低，熱耗率增大。 2)選用較低的初壓，調(diào)節(jié)級(jí)壓比變化較小，使調(diào)節(jié)級(jí)能保持較高的內(nèi)效率，使熱經(jīng)濟(jì)性提高。 3)選用較低的初壓，使高壓缸排汽溫度降低不多，再熱器不容易欠溫，可使中低壓缸保持較高的

7、效率。并由此使汽輪機(jī)排汽干度增加，使汽輪機(jī)尾部?jī)?nèi)效率提高。 4)選用較低的初壓，使給水泵壓升減小，節(jié)省泵功。 3.2 高準(zhǔn)確度機(jī)組耗差分析模型建立 由于傳統(tǒng)火電機(jī)組節(jié)能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在流量參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)、修正曲線準(zhǔn)確性差、以靜態(tài)系統(tǒng)為根底的火電機(jī)組節(jié)能在線監(jiān)測(cè)不適用寬負(fù)荷調(diào)峰等缺乏4 5 6，我們新開(kāi)發(fā)了如下三個(gè)數(shù)學(xué)模型： 1)電廠熱經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)方程包括三個(gè)根本方程7：電廠熱力系統(tǒng)汽水分布標(biāo)準(zhǔn)方程、系統(tǒng)內(nèi)部功率輸出方程和鍋爐吸熱量方程，能耗指標(biāo)是這三個(gè)方程聯(lián)合求解的結(jié)果。系統(tǒng)的能耗率只與當(dāng)前的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)下的熱力學(xué)參數(shù)和輔助系統(tǒng)的小汽水流量份額有關(guān)，與主蒸汽流量的絕對(duì)值并無(wú)直接關(guān)系。由于

8、熱經(jīng)濟(jì)狀態(tài)方程是解析的，它為系統(tǒng)節(jié)能分析提供了新的有力工具。 2)凝汽式汽輪機(jī)末級(jí)流動(dòng)狀態(tài)判別定理及弗留格爾公式的改良8。用我們課題組研究的“斯陀托拉流量實(shí)驗(yàn)局部結(jié)論的證明和弗留格爾公式的改良，可迅速判別末級(jí)所處的流動(dòng)狀態(tài)，在變工況理論根底上對(duì)處于濕蒸汽區(qū)末一、末二級(jí)進(jìn)行變工況計(jì)算，無(wú)需迭代可一次算出處于濕蒸汽區(qū)的抽汽焓和排汽焓值(保證誤差在0.5%以內(nèi))。 3)耗差分析中的順序擾動(dòng)解除法9。當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)可以看作是系統(tǒng)由設(shè)計(jì)工況經(jīng)一系列擾動(dòng)得到的，因而可以按一定順序逐漸解除擾動(dòng)。每解除一個(gè)擾動(dòng)重新進(jìn)行變工況計(jì)算，擾動(dòng)解除后，計(jì)算其能耗率。解除前后能耗率之差即為該項(xiàng)擾動(dòng)造成的能耗差。該方法保證了

9、能損原因查找率和單項(xiàng)能損偏差準(zhǔn)確度。 3.3 汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型建立 在任意負(fù)荷下總存在著某一蒸汽初壓和調(diào)節(jié)汽門開(kāi)度滿足當(dāng)前負(fù)荷，即。假設(shè)機(jī)組到達(dá)設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)工況下，kF)(0kFPfN?=)(0kdddFPfN?=，假設(shè)機(jī)組沒(méi)有到達(dá)設(shè)計(jì)要求或運(yùn)行時(shí)其它參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值，那么有。當(dāng)負(fù)荷從額定出力逐漸降低時(shí)：假設(shè)保持蒸汽初壓不變，僅改變(減小)調(diào)節(jié)汽門開(kāi)度，稱為純定壓運(yùn)行;假設(shè)保持調(diào)節(jié)門開(kāi)度不變，即，稱為純滑壓運(yùn)行。當(dāng)純定壓運(yùn)行降低到某一負(fù)荷時(shí)，設(shè)其對(duì)應(yīng)的初壓為，從此狀態(tài)開(kāi)始，當(dāng)負(fù)荷再降低時(shí)，維持初壓)(''0kdddFPfN?=dPP00=''k

10、dF''''kdkFF=sP0sPP00=不變，僅改變調(diào)節(jié)門開(kāi)度，這種運(yùn)行方式稱為定滑方式運(yùn)行。定滑方式運(yùn)行還存在從什么負(fù)荷開(kāi)始滑和什么時(shí)候又開(kāi)始定的問(wèn)題。總之，對(duì)應(yīng)某一負(fù)荷，可選擇的蒸汽初壓在很大范圍內(nèi)可供選擇。根據(jù)以上的原那么，汽輪機(jī)的負(fù)荷與新蒸汽壓力的最優(yōu)值的關(guān)系應(yīng)該由(1)式來(lái)dPP00確定，從而動(dòng)態(tài)地確定汽輪機(jī)的最優(yōu)初壓與負(fù)荷的關(guān)系曲線。 3.4 鍋爐局部經(jīng)濟(jì)性分析模型建立 傳統(tǒng)計(jì)算鍋爐效率的反平衡方法是從運(yùn)行結(jié)果值出發(fā)，測(cè)定一系列運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)而計(jì)算得出各項(xiàng)損失，最終得出鍋爐熱效率。通過(guò)傳統(tǒng)方法計(jì)算得出的最終結(jié)果不能定量反映造成各項(xiàng)損失的原因，不利于

11、在線耗差分析與優(yōu)化控制。我們通過(guò)對(duì)燃燒理論及鍋爐運(yùn)行原理的認(rèn)真研究推理，綜合考慮煤質(zhì)特性及運(yùn)行工況變化對(duì)鍋爐效率的影響，推導(dǎo)出以下解析評(píng)估模型： 1)鍋爐機(jī)械不完全燃燒損失解析評(píng)估模型; 4q 2)鍋爐排煙溫度應(yīng)達(dá)值解析評(píng)估模型; 3)運(yùn)用規(guī)劃數(shù)學(xué)原理確定最正確爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù); 4)結(jié)合正、反平衡計(jì)算原理，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)驗(yàn)證，提出一套新的計(jì)算鍋爐效率的計(jì)算方法，該方法只需根據(jù)DAS所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了鍋爐效率在線計(jì)算。 3.5 300MW機(jī)組控制用數(shù)學(xué)模型建立 我們采用機(jī)理法建立了常用熱力設(shè)備及系統(tǒng)的通用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，編制相應(yīng)的Matlab自定義函數(shù)，在Simulink中建立了

12、一套通用的熱工過(guò)程動(dòng)態(tài)模型算法庫(kù)，包括汽機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型、汽機(jī)本體數(shù)學(xué)模型、除氧器數(shù)學(xué)模型、給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型、鍋爐系統(tǒng)蒸發(fā)區(qū)模型、爐膛換熱模型等。由于模型是采用機(jī)理法建立的，從本質(zhì)上反映了機(jī)組的非線性，較當(dāng)前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的傳遞函數(shù)模型更接近機(jī)組實(shí)際，為先進(jìn)控制算法的設(shè)計(jì)仿真提供了一個(gè)通用平臺(tái)。為了使模型適用于特定機(jī)組，我們研究開(kāi)發(fā)了通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的方法。模型建好后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算各熱力設(shè)備及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的系數(shù)，逐步組態(tài)出各子系統(tǒng)的模型，并進(jìn)一步連接成更大的模型，最終形成火電機(jī)組整體動(dòng)態(tài)模型。 3.6 控制系統(tǒng)魯棒性分析和參數(shù)整定 由于模型的不精確性，所以要求所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的魯棒性10。為此，我們定義了一個(gè)表示魯棒性的指標(biāo)，它能夠反映串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的相互作用并清楚地說(shuō)明每個(gè)環(huán)路的魯棒性。與常規(guī)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的整定方法不同，這里每個(gè)回路可以分別整定，因此更加靈活10。 在串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或整定中，給