大型火电机组性能的静态建模方法

李 祎，杨海生

(1.河北华电石家庄热电有限公司，石家庄 050046；2.河北省电力研究院，石家庄 050021)

火电厂运行优化中，存在着各种多变的技术因素，单独采用试验的技术手段，存在着较大局限性。现场工作中，缺少一种对火电厂各系统流程及设备的非设计工况和特定运行方式的性能进行计算的有效工具。在大型火电机组性能分析方面，静态建模方法在国内应用较少，而国外火电厂性能的建模研究，无论是理论还是实践，都起步较早，在建模用工具软件方面很早就实现了商用化。

1 国内大型火电机组性能分析现状

国内火电机组性能分析计算方面，主要研究工作体现在大型发电机组的节能定量分析方面，即分析系统中某一设备的性能变化对机组整体性能的影响。主要以等效热降法[1]为代表，与这种分析方法类似的还有循环函数法等。近年来，结合计算机技术的发展，还出现了能量等效矩阵分析方法。所有分析方法基本上与等效热降法相似，属于对某一火电机组系统经济性定量分析方法，以等效热降法为例，其应用限制包括以下几个方面。

a. 等效热降等分析方法是以机组的新蒸汽流量保持不变为前提条件，因此所有分析均基于某一基准工况。在建立等效热降概念和利用推导公式计算等效热降值时，认为新蒸汽参数、再热参数、终参数及各抽汽参数均为已知，且保持不变，即汽轮机膨胀过程线的变化暂时不予考虑。

b. 定量分析的方法仅在偏离基准工况的小范围内有效。工况偏离较大时，运行参数，尤其是汽轮机低压缸排汽焓值变化较大，会导致汽轮机膨胀过程线的显著变化，影响到机组不同位置蒸汽的等效热降计算值。

c. 无法对偏离机组设计工况较大的其它基准工况进行有效的计算。对偏离设计工况较大的基准工况进行比较准确的计算时，涉及到机组的变工况计算，包括汽轮机、给水加热器、凝汽器、水泵等设备的变工况计算，这已超出了某一种具体分析方法的范围。尤其是国内的汽轮机变工况计算，多以详细的变工况计算为主，这种变工况计算需要输入汽轮机逐级的叶型参数，除汽轮机制造厂外，其它用户一般很难实现，较大程度限制了变工况计算的应用范围。在预测机组在不同运行工况、不同设备运行状态下的性能(如机组出力、热耗、效率等)方面也受到很大限制。

2 静态建模方法分析

在火电机组性能分析中，预期性能的计算占有重要位置。只有获得与变化的运行条件和工况相对应的预期性能，才能对设备或系统的劣化程度进行定量的评价和分析。为了获取机组的预期性能，一般可以采取2种方法。一种是基于性能曲线的方法，另一种是静态建模方法(基于模型的计算方法)[2]。

基于性能曲线的方法，是一种预测设备性能变化比较简单和可靠的方法。这种假设只有运行参数偏离额定参数小范围内成立。静态建模方法，是近年来得到较多应用的研究方法。这种计算方法，其计算过程是根据热力系统设备的实际数学物理模型进行，在确定输入运行参数的条件下，可以准确预测出设备的性能。

2.1 技术难点

火电机组系统的建模，重点解决热力系统在各种静态及稳定条件下(设计工况及非设计工况)，热力系统各部件之间的能量及质量平衡关系。其技术难点在于。

a. 热力系统各种设备及部件的类型相对复杂。热力系统中涉及的设备类型包括汽轮机、水泵、给水加热器、管道等，都需要在建模中统一考虑。

b. 需要实现和计算各种静态及稳态条件下的系统特性计算。计算量较大，需要找到适应现场工程计算的简捷方法。

c. 热力系统配置的灵活性较强，即对任意热力系统的模型组态。

d. 对已组态热力系统计算时的控制技术较复杂。实际运行参数之间的相互关联/耦合关系，需要在建立的模型中体现；另外，迭代计算中为保证计算结果的收敛，也需要进行适当的计算控制。

2.2 优点

a. 不同运行参数之间的相互影响在计算中可以考虑，尤其是运行参数偏离额定设计参数较多时，可以允许运行参数大范围的变动。

b. 建立在实际设备物理模型的基础上，可以计算任意参数变化对性能的影响。即使制造厂未提供这些参数的性能修正曲线，也可以计算出预期性能变化的详细数据。

c. 采用基于物理模型的方法，具有模块化的特点。不同的设备模型可以任意组合，建立任意热力系统的模型，如常规火力发电机组、联合循环发电机组、热电联产机组、先进的燃气汽轮机循环系统等。

d. 采用基于物理模型的方法，不同设备的变工况包括在模型计算中，因此可以实现设计工况与非设计工况的计算和数据的共享。

e. 便于进行编程和程序化。结合现代的编程技术，可以将某一设备的模型集成在一个模型图标中，便于修改和继承。程序的重点可以放在搭建的热力系统模型的计算控制上。

2.3 工作流程

a. 在设备模型基础上建立或搭建机组热力系统的模型；

b. 测试建立的系统模型，保证数据或机组初始测量数据的吻合程度，这些测试应在尽量多的工况下进行，如有必要，对建立的系统模型进行修正；

c. 将系统运行参数等数据输入系统模型；

d. 运行系统模型，得到火电机组预期性能；

e. 将得到的预期性能与实测性能作比较，确定机组性能劣化的状况或状态。

3 静态建模方法与经济性定量方法的对比

静态建模方法，不仅能够进行机组某一工况下的经济性定量分析，还能提供其它多种分析计算功能。静态建模方法与经济性定量方法(如等效热降法)的对比，如表1所示。

表1 静态建模方法与经济性定量方法的对比

项 目经济性定量方法静态建模方法主要内容及功能差别主要侧重内容是机组热力系统的经济性分析。尽管形式上有不同方式,如等效热降、循环函数法等,但实质上仍侧重于热力系统的定量分析热力系统建模方法可以进行灵活“搭模型”建模工作,并在此基础上进行性能分析,具有广泛的适应性;可以分析热力系统在不同运行方式、不同设计方案下的预期性能;变工况计算可以覆盖火电厂热力系统的所有设备,包括锅炉、汽轮机、加热器、冷却塔、空冷设备、燃汽轮机等对新技术的适应性对新的技术,如热电联产、空冷、联合循环等,有许多研究空白建模分析方法中,部件模型中覆盖了新技术的设备部件,如燃汽轮机、空冷凝汽器等,可以进行相关分析可参与性及接口经济性分析软件的可组态性较差,应用受到一定限制建模分析工具软件已商用化,比较成熟。另外,可以开发基于软件的计算项目,如在Excel中调用其软件强大的计算功能适用性仅限于机组的经济性定量分析,应用覆盖面较窄可广泛应用于各种热力系统的性能分析计算场合,并不仅仅限于定量分析

4 结论

通过静态建模方法与经济性定量方法的比较，结果表明，火电机组性能静态建模方法的功能远远超出经济性定量方法的范围，可以分析热力系统在不同运行方式、不同设计方案下的预期性能，可以满足现场多种分析应用的需要，值得进一步推广应用。

参考文献:

[1] 林万超.火电厂热系统节能理论[M].西安：西安交通大学出版社，1994.

[2] Rodney R.Gay.Power Plant Performance Monitoring[M].USA：R-Squared Publishing，2004.