利用EBSILON软件为某700 MW热电站建模

丁敬芝

(武汉纺织大学 环境工程学院，武汉 430073)

0 引言

按照目前能源利用的速度，地球上的主要化石能源探明储量的使用时间将不会超过200年[1]，因此，研究发电设备系统的优化设计和优化运行显得尤为重要。这项工作是加强生态文明建设的一部分，因为有效地开发利用能源本身就是在减少污染排放。

早在2002年，德国的Klaus Wendelberger等[2]就谈到：从20世纪80年代至21世纪初,由于计算机的飞速发展和先进数学计算方法(Algorithm)的出现，自动控制技术已经能够使电力生产在不投入额外设备的情况下获得更可观的经济效益。人们要做的是：第1步采集设备的参数，弄清设备的运行特性；第2步利用设备的运行特性，通过调节技术来改善系统的总体性能。

我国的火电站在20世纪80年代末开始从国外引进分散控制系统 (DCS)以提高自动化水平[3]。与此同时，国内学者也在进行自主性的研究：如部分研究着重于电站系统中某些关键设备或者局部过程的建模和优化[4-9]；部分研究着重于仿真软件的逻辑组成、功能与实现方法[10]；还有一些研究是根据实际运行经验推出的局部改造和优化措施(如机组在变工况下滑压运行；风机和水泵的变频改造；用小汽轮机代替电动机驱动给水泵；冷却水余热回收；加强汽封减少水蒸气泄漏等[11-14])。关于电站系统总体的建模和优化计算的研究还没有见到报道。

电站建模可将1座电站或多台机组的各个部件包含在一个总体模型中，通过模拟计算，预测任何局部的改变对整体性能的改善。它与根据经验进行的实际改造相比，电站建模更具有快速、灵活、经济和科学的特点。当然，通过模拟得出的优化结论是否适用，关键要看电站模型的建立是否切合实际。本文先分析德国软件EBSILON的结构和功能，然后以德国某700 MW燃煤热电站为例说明其水-水蒸气动力循环系统的建模过程。

1 EBSILON软件的结构及功能

EBSILON Professional(以下简称EBSILON)软件用于计算热力过程的热量、功量、循环效率、热力状态参数等物理量。它可以用于太阳能发电、核电、火电等热力电站系统的性能计算，是电站设计、规划和优化运行的现代化工具。

EBSILON元件库里有单个的设备模型，可根据电站系统的复杂程度或研究问题的精度需要建立热力系统。如图1所示，一个最简单的热力循环系统包括锅炉1、汽轮机2、冷凝器3、给水泵4、发电机5和监察元件6。图中十字交叉符显示的是各点处工质的压力、温度、比焓和质量流量，发电机5上方显示计算出的机组功率。软件每次计算遵循以下原则：流动时质量守恒；热功转换时能量守恒；水或水蒸气变化状态时状态参数之间有其自身规律；设备中发生的过程有其自身的过程特点(如锅炉内发生定压过程，汽轮机里发生定熵过程等)。当然，实际过程要在理想过程的基础上进行修正。

图1中设备之间的连接线与实际的管道是有差别的，连接线没有尺寸大小，只起传递数据的作用。每根连接线上的所有参数只有1个值，代表的是一台设备的出口参数和下一台设备的进口参数。实际管道内的流体流动阻力要用专门的阻力元件来模拟。

图1 EBSILON模拟最简单的热力循环系统

发电设备经常偏离额定工况，会在50%～100%的额定负荷内运行，其性能参数会发生变化。如果用图2a表示性能参数y随自变量x变化，其中N点对应额定工况，那么它也可以表示成图2b所示的无量纲形式。EBSILON软件选用图2b所示类型的性能曲线表示法。

图2 性能曲线的2种表达形式

EBSILON软件有2种计算模式：对应于额定负荷的设计计算模式(Design)和对应于部分负荷的变工况计算模式(Partial load)。2种计算模式用到的设备连接是完全相同的。设计计算确定设备的额定参数，变工况计算提供部分负荷参数。每组部分负荷参数与相应的额定参数的比值构成图2b所示的性能曲线的1个点。

综上所述，可根据实际的运行数据制作各个设备的连续性能曲线，这是建立模型的基本过程。反过来，又可以利用制作出来的各个设备的性能曲线，预测工况改变时各设备的性能参数的变化，这是利用所建立的模型作模拟计算，以找出最优运行工况的过程。最优目标的选取则是根据实际需要，如电站运行的最低成本或机组运行的最高效率或机组的最大出力等。

EBSILON软件给设备元件设置有配套的标准性能曲线，它们是从德国电站实际运行数据中统计出来的。在为特定电站建模时，可根据实际情况对标准性能曲线加以修正。

2 德国某700 MW热电厂的建模

2.1 电站概况

德国某热电站输出额定电功率为700 MW时，不向外供热；当输出电功率为额定功率的75%时，向外输出最大热负荷344.36 MW。额定电功率下新蒸汽的压力为18.100 MPa，温度为535 ℃，质量流量为578.519 kg/s。再热蒸汽的压力为4.075 MPa，温度为535 ℃，质量流量为541.330 kg/s。它在额定电负荷时的参数情况如图3所示。该电站有1个高压缸、1个中压缸、2个低压缸。高压缸有部分抽汽接去给水加热器、至除氧器、和至供热换热器，至驱动给水泵的小汽轮机。中压缸一级抽汽去最高温给水预热器、供热换热器；二级抽汽去除氧器、脱硫机(REA)、驱动给水泵的小汽轮机、供热换热器；三级抽汽去给水预热器、供热换热器，；排气进入低压缸。低压缸三级抽汽分别去给水预热器，，，其排汽则进入冷凝器。给水预热包括除氧器在内一共分为10级。建立该模型的数据依据是电站100%与75%电负荷的热力系统图。

2.2 设计计算模式

选择最简单的锅炉模型，如图4所示。接口分别是：1锅炉给水、2新蒸汽出口、3再热器入口、4再热器出口、5热量输入口、6高压喷水口、7再热器喷水口、8排污口。水在锅炉中变成蒸汽的理想过程是定压过程，实际上由于黏性的存在，流动过程会有压力损失Δp12和Δp34。锅炉滑压运行的标准性能曲线如图5所示，新蒸汽出口压力p2随着锅炉给水质量流量qm1的变化而变化。用下标N代表相应的额定工况，写成无量纲的函数形式

p2/p2N=f(qm1/qm1N) 。

(1)

式中：p为压力；qm为质量流量。

Δp12随负荷的变化采用相同的性能曲线Δp12/Δp12N=f(qm1/qm1N)；而Δp34则采用

(2)

式中：Δp为进、出口的压力差；qm为质量流量；υ为比体积(密度的倒数，即1 kg物质的体积)，x为参变量。当考虑再热蒸汽的比体积υ的影响时，x=1，否则取x=0。

图3 模型输出的额定电负荷时的参数

图4 最简易锅炉模型

图5 锅炉滑压运行性能曲线

在锅炉的特性窗口，输入锅炉在额定工况下的参数p2N，t2，t4，qm1N，Δp12N，Δp34N，然后进行设计计算，使模型上显示的数据与给定的热力系统图上的数据相一致。

选取汽轮机单片模型，如图6所示，接口1进汽，2，3，4是出汽。将入口连接到锅炉新蒸汽出口上，参数传递过来；将出口3连接再热器；将出口4分别接去给水预热器、至除氧器、和至供热换热器、去小汽轮机等，如图3所示。将额定工况时的参数分别输入至出口压力p2N、再热蒸汽流量qm4N和高压缸汽机的效率ηN。注意接口2，3，4具有相同的状态参数和不同的流量。在热力系统图上，通常已知p2N，h2N，但未知ηN。可利用EBSILON的“识别”(identify)功能，先根据h2N算出ηN后，再回到设计计算模式，输入ηN，设计计算得到h2N(使模型参数符合热力系统图上的数据)。标准效率性能曲线有3种形式可供选择：效率随质量流量、进出口压力比和体积流量变化，即

(3)

式中：η为汽轮机效率；F为影响因子；qm为质量流量；qV为体积流量；下标N对应额定工况。

低压缸汽机的建模方法类同。利用如前所述的单片模型前后彼此连接的方式模拟整个汽轮机，并将它们的轴连接起来接上发电机，可以读出机组的输出功率(如图3所示)。由于篇幅的限制，其他设备的设计计算不再赘述。总之，各设备的设计计算确定了设备的额定参数，并选定了标准性能曲线的类型。

图6 汽轮机模型

需要注意的是，该热电站中绝大多数发电设备处在额定工况时，供热用的换热器却在停运状态；反过来，当供热换热器处在额定工况时，绝大多数发电设备却处在75%的变工况运行状态。该模型采用5个分离元件将供热换热器的来路，，，及其总回路与发电部分隔离开来。EBSILON就能在同一个工作页面上分别将2部分设备做设计计算。

2.3 变工况计算模式

在变工况计算模式里，EBSILON沿用了与设计计算模式完全相同的设备连接图，只是在不同的工况时设备的参数不同。设计计算模式页面称为父母页面，变工况计算模式页面为子女页面。父母页面能采纳子女页面的数据进入设备的总体性能曲线。

首先，设置一个100%的额定电负荷工况子女页面。这个页面不仅沿用父母页面的设备连接，而且发电部分的所有设备还沿用它的计算数据。设备的性能曲线获取一个额定点：图2b上的N点(1.0，1.0)。而前面提到的5个分离器要设置为“通行”状态，且质量流量为0：表示电功率处在额定负荷时供热设备处在停运状态。

然后，再创建一个75%的额定电负荷工况子女页面。根据系统此工况的运行数据，做一次总体计算，方法与设计计算相同。数据结果传递给父母页面的性能曲线，得到第2个点。比如，将锅炉当前的参数p2，t2，t4，qm1分别输入，做一次计算，锅炉的实际性能曲线得到第2个点。如图5所示，与额定点连接起来的连线与标准曲线相比有些许的改变。接下来，再输入汽轮机的高压缸的参数p2，h2，qm4，利用p2，h2做“识别”计算，算出η，EBSILON将此组参数纳入汽轮机的性能曲线，得到合乎实际的模型。其他设备如冷凝器、给水预热器、除氧器等的建模及认证计算方法雷同，因文章的篇幅限制不再赘述。

如上所述，可根据已有的实际运行数据修改标准性能曲线建立该电站的实际性能曲线，工况参数越多，得到的性能曲线就越准确。图3是EBSILON输出的该700 MW热电站整体模型中额定电负荷工况页面。

3 结束语

利用先进的测量技术可以获取很多的工况参数。利用这些运行数据，在EBSILON里可以建立符合实际的总体模型。在模型页面上可一眼看到电站的总貌，而且鼠标点击何处，何处就能显示参数(如图3上的十字交叉数据显示)，可根据显示的数据判断系统各环节设计的好坏及研究改进的可能性。可以利用模型作模拟计算，预测局部的变化(如设备改造)如何改变总体性能。最重要的一点是模型能为优化运行服务。EBSILON软件包中有优化软件EbsOptimize，是用遗传算法编写的。用户选定一个目标函数(如生产电力的成本最少或发电效率最高等)，利用建立的模型，列出所有的影响因素，用EbsOptimize软件可以计算怎样的参数组合能实现目标。当软件包用于电站在线运行控制时，它能在线采集运行数据，快速建立模型，随时为优化运行提供指导。

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