火电厂热力系统动态特性及运行优化

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3.0 牛悦 2024-11-19 6 4 1.69MB 70 页 15积分
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摘 要
目前，我国电力行业仍然以火力发电为主，能源紧缺的问题又日益突出，国
家大力提倡建立节约型社会。火电厂的节能工作一方面要进行落后设备的淘汰，
另一方面又需在实际运行工作中，做好整个系统的参数调整，使机组在安全经济
的状态下运行，再者，需要科研者不断地努力，研究提高火电厂经济性的可行性
方法。
火电厂优化运行是在几乎不增加投入的情况下,通过调整运行参数、运行方式
以及减少泄漏,达到降低煤耗率的目的。本文主要做了两方面的工作，一是进行火
电厂热力系统的动态特性方面研究；二是将广义换热器理论应用在火电厂热力系
统上，实现对其进行模拟，并对汽轮机各级抽汽量分配进行了优化。
本文首先建立了火电厂热力系统稳态模型和动态模型，研究系统的稳态特性
和动态特性，指出热力系统对机组性能优化和控制优化的影响。
火电厂热力系统结构复杂，其主要设备汽轮机和锅炉等，因结构也很复杂，
通常不易对这些设备进行机理建模仿真，本文基于广义换热器及其换热网络超结
构理论，对火电厂热力系统的设备进行等效转化，最后将火电厂热力系统等效转
化为换热网络超结构模型。
针对火电厂热力系统等效的广义换热网络超结构，建立相应的模拟程序，实
现对热力系统的准确模拟。建立优化目标函数，同时建立适合该广义换热网络超
结构的求解策略。
最后，本文建立了火电厂热力系统的广义换热网络超结构模型回归方法，将
优化后的换热网络进行等效逆变换，实现优化结构与实际系统结构的等效回归，
获得最佳的汽轮机各级抽汽量分配比。
综上，本文建立了火电厂热力系统的稳态和动态模型，分析了火电厂热力系
统动态特性对机组控制优化的影响；其次，根据广义换热器理论，将火电厂热力
系统实现了等效为广义换热网络的转化，并运用成熟的换热网络优化方法，对汽
轮机各级抽汽量分配比进行了优化，最后，实现了优化系统到实际系统的回归。
该方法避开复杂的数学建模过程，为研究火电厂热力系统，提供了新的方法和思
路。
关键词：火电厂 热力系统 动态特性 广义换热器理论 优化
ABSTRACT
Nowadays, thermal power plant is the dominant industry in our country. As the
energy shortage is souring, our country has strongly advocated the establishment of
saving-energy society. Thermal power plant is for energy conservation, on one hand, it
is an elimination of outdated equipment, on the other hand, we need to work in practical
operation, make the whole system parameter adjust with the safety of unit to run
economically. In addition, the continuous efforts are needed to study the thermal power
plant to improve the economical feasibility of the method.
To reduce coal consumption rate, optimal operation of thermal power plant is to cut
the cost of investment in almost every case, by adjusting the operation parameters,
operation methods and reducing the leakage. This thesis is focused on two aspects: first,
to optimize power plant operational system; second, method of generalized heat
exchanger used in power plant system, the realization of its simulation, and the
optimization of steam turbine at all levels extraction volume of distribution.
This thesis has established a power plant system of steady and dynamic models to
study its steady and dynamic characteristics and optimized the performance of the unit
operation parameters.
The power plant is a complex system which turbine and boiler are its main
equipments. Due to its structural complexity, these devices are not easy to model and
simulate. This thesis is based on the method of generalized heat exchanger and
super-structure theory of heat exchanger network. And it has built the equivalent
transformation of the power plant system. Thus, the power plant system can be
transformed into a heat exchanger networks.
Focusing on the equivalent for the power plant system of generalized
super-structure of heat exchanger networks, this thesis has established the
corresponding simulation program and achieved an accurate simulation. Establishment
of objective function and comparison to the different optimization methods are
searching for the classification of heat exchanger network superstructure generalized
solution strategy.
Finally, this thesis has established a generalized system of power plant heat
exchanger network superstructure model of regression analysis. The optimized heat
exchanger network is equivalent to inverse transform, the optimal structure of the actual
system structure and the equivalent return, got the best excellent levels of extraction
steam turbine volume of distribution.
In summary, firstly, this thesis has built models of the power plant system of steady
and dynamic which is to study the power plant system optimization of operation
parameters. Secondly, to achieve the equivalent the transformation of the generalized
heat exchanger networks which the generalized theory is necessary. Then grounded on
proven the allocation of the amount of steam, the optimized heat exchanger at all levels
of extraction have been got. And finally, the regression of the system has achieved. This
method has avoided the complex mathematical modeling for the study of power plant
system, and provided a new idea.
Key Words: Thermal power plant, Thermal System, dynamic
characteristics, method of generalize heat exchanger, optimization
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论………………………………………………………………………
1
§1.1 课题研究的意义…………………………………………………………
1
§1.2 国内外研究现状………………………………………………………
2
§1.2.1 火电厂优化技术…………………………………………………
2
§1.2.2 火电厂系统节能概述……………………………………………
4
§1.3 本文主要研究内容………………………………………………………
7
第二章火电厂热力系统动态特性研究……………………………………………
8
§2.1 火电厂热力系统的工作原理……………………………………………
8
§2.2 稳态模型建立…………………………………………………………
9
§2.2.1 汽轮机的数学模型………………………………………………
9
§2.2.2 回热器…………………………………………………………
10
§2.2.3 凝汽器…………………………………………………………
12
§2.2.4 锅炉………………………………………………………………
12
§2.2. 5 实例计算…………………………………………………………
14
§2.3 热力系统动态模型………………………………………………………
14
§2.3.1 蒸汽容积效应模型………………………………………………
15
§2.3.2 确定回热系统的动态传递函数
( )
j
G s
…………………………
16
§2.3.3 回热器的性能变化对汽轮机动态特性的影响…………………
17
§2.3.4 积分时间常数对汽轮机动态性能的影响………………………
18
§2.4 本章小结……………………………………………………………
19
第三章 热力系统等效转化为广义换热网络 ……………………………………
20
§3.1 换热器及其数学模型…………………………………………………
20
§3.2 广义换热器理论及其性能转化……………………………………
22
§3.3 热力系统主要设备的等效转化………………………………………
24
§3.3.1 锅炉的等效转化………………………………………………
24
§3.3.2 汽轮机的等效转化……………………………………………
26
§3.3.3 凝汽器的等效转化……………………………………………
27
§3.4 等效转化的广义换热网络的超结构模型……………………………
28
§3.4.1 换热网络的超结构模型………………………………………
28
§3.4.2 广义换热网络超结构模型……………………………………
28
§3.4.3 等效换热网络中压力传递过程…………………………………
31
§3.5 火电厂热力系统等效为广义换热网络转化实例……………………
31
§3.5.1 锅炉的等效转化实例………………………………………
31
§3.5.2 汽轮机等效转化实例…………………………………………
32
§3.3 本章小结………………………………………………………………
34
第四章 基于广义换热网络的火电厂热力系统优化……………………………
35
§4.1 过程系统模拟…………………………………………………………
35
§4.2 广义换热网络的模拟方法与求解策略………………………………
36
§4.2.1 火电厂热力系统广义换热网络模型结构的信息化……………
37
§4.2.2 火电热力系统广义换热网络中单体换热器的求解模型………
40
§4.2.3 火电厂热力系统广义换热网络的整体模拟策略………………
41
§4.2.4 火电厂热力系统模拟中发散的处理…………………………
41
§4.3 火电厂热力系统广义换热网络模拟的计算实例……………………
43
§4.4 火电厂热力系统各级抽汽量分配比例优化…………………………
44
§4.4.1 优化的目标函数…………………………………………………
44
§4.4.2 坐标轮换法在换热网络上的应用………………………………
44
§4.4.3 蒙特卡罗随机技术………………………………………………
46
§4.5 优化算例………………………………………………………………
47
§4.6 本章小结………………………………………………………………
49
第五章 火电厂热力系统广义换热网络的回归…………………………………
51
§5.1 广义换热网络回归为实际系统的思路…………………………………
51
§5.2 单体广义换热器的回归…………………………………………………
52
§5.2.1 设备种类回归……………………………………………………
52
§5.2.2 设备运行工况的回归模型………………………………………
54
§5.3 广义换热网络结构的回归………………………………………………
55
§5.4 回归实例…………………………………………………………………
55
§5.5 本章小结…………………………………………………………………
56
第六章 结论和建议……………………………………………………………. 56
57
§6.1 主要结论…………………………………………………………………
57
§6.2 建议………………………………………………………………………
58
主要符号表…………………………………………………………………………
59
参考文献……………………………………………………………………………
60
附录……………………………………………………………………………
64
在读期间公开发表的论文和承担科技项目及取得成果…………………………
65
致谢…………………………………………………………………………………
66
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的意义
能源与经济的发展密切相关，经济的发展离不开能源，能源的紧缺又制约着
经济的发展。建设节约型社会，实现可持续发展，已经被明确为我国的基本国策。
我国拥有五分之一的世界人口，目前，每年的能源消费量约为 13 亿吨标准煤，
占世界的十分之一，人均能源消费水平仅相当于世界平均水平的一半。我国的能
源储量是非常有限的，从中国能源统计资料[1]中可以看出，国内己经探明的煤炭储
量占世界煤炭储量的 1l％，原油的储量是世界储量的 3％，天然气的储量是世界储
量的 1％，但是因为我国人口基数大，造成能源资源相对匮乏，人均资源占有量相
当于世界平均水平的 50％。
人均能源资源的相对不足和人均能源消费量过低，是严重制约我国经济和社
会可持续发展的重要因素。我国人均的能源资源相对匮乏，加上系统的能源利用
效率相对低下。发达国家的能源利用效率可达 42％以上，相对来说，我国能源利
用率仅有 32％，比发达国家低 10%，若再乘以 32.1％的能源开采效率的话，我国
能源系统得总效率仅有 10.3％，以至于达不到发达国家的一半。众所周知，我国
的煤炭资源在地域上分布极为不均，需要进行北煤南运，西煤东运，不但消耗了
大量的人力物力，中间环节的能源利用效率还要更低。主要的用能产品的单位能
源消耗，我国比发达国家高达 25％~90％，经过加权平均后高约 40％。特别是我
国产值的能耗水平和国际水平相比的差距更大，是先进国家水平的几倍以至几十
倍。也就是说，我国每生产 1万元的国内生成总值就比发达国家多花上几倍甚至
于几十倍的能源成本，按照这样高的产值能耗水平去和发达国家进行竞争结果是
无法想象的。
由此可见，节能是提升我国未来经济总体竞争力中的地位是十分重要的工作。
为此，我国政府非常重视能源的开发与利用，提出了资源开发和节约并举，力把
节能工作放在首位，努力合理提高资源的利用效率，并于 1997 年开始实施“节能
法"。
我国是一个以火力发电为主的国家，火力发电量约占发电总量的百分之八十
左右，它所消耗的煤炭占我国每年原煤产量的五分之一，占整个工业用煤的百分
之三十。我国煤炭丰富、电力偏紧的资源特征决定了在今后相当长一段时间内，
火力发电仍将在电力工业中占据重要地位。
随着电力工业体制改革的不断开展和深入，发电厂将成为自主经营、自负亏
盈的主体。在竞价上网及能源价格持续走高等市场机制的刺激下，企业从自身发
摘要：

摘要目前，我国电力行业仍然以火力发电为主，能源紧缺的问题又日益突出，国家大力提倡建立节约型社会。火电厂的节能工作一方面要进行落后设备的淘汰，另一方面又需在实际运行工作中，做好整个系统的参数调整，使机组在安全经济的状态下运行，再者，需要科研者不断地努力，研究提高火电厂经济性的可行性方法。火电厂优化运行是在几乎不增加投入的情况下,通过调整运行参数、运行方式以及减少泄漏,达到降低煤耗率的目的。本文主要做了两方面的工作，一是进行火电厂热力系统的动态特性方面研究；二是将广义换热器理论应用在火电厂热力系统上，实现对其进行模拟，并对汽轮机各级抽汽量分配进行了优化。本文首先建立了火电厂热力系统稳态模型和动态模...

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