電廠熱力系統(tǒng)計算分析之模塊化方法

摘要：將電廠熱力系統(tǒng)之組成設(shè)備模塊化，用這些模塊可構(gòu)成任一復(fù)雜之熱力系統(tǒng)，并且設(shè)計出通用之模塊以適應(yīng)任何熱力系統(tǒng)問題之計算分析。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 關(guān)鍵詞：熱力系統(tǒng)；模塊化；計算分析 設(shè)計更完善之熱力系統(tǒng)和提高已投運之熱力系統(tǒng)之經(jīng)濟性，一直是國內(nèi)外動力行業(yè)努力之目標。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：由于電廠熱力系統(tǒng)之日益龐大化和復(fù)雜化，出現(xiàn)了熱力系統(tǒng)分析計算之模塊化方法。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：將熱力系統(tǒng)中之設(shè)備處理為模塊，用一組數(shù)學(xué)方程描述，以搭積木之方式，由模塊構(gòu)成任一熱力系統(tǒng)，從而得到一種適用范圍廣、應(yīng)用簡單靈活能在計算機上實現(xiàn)之熱力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析計算方法。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：目前已有多個外國公司推出基于模塊化方法之商業(yè)軟件，其中德國SofBid公司之Ebsilon　Professional軟件是比較成熟和使用方便之，已有括ABB、ALSTOM、CEE、SIEMENS等超過100個國際知名制造商和電力集團公司在使用，主要用于電廠設(shè)計、性能評估以及運行優(yōu)化。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 1　熱力系統(tǒng)計算分析模塊化之概念 現(xiàn)代電廠之熱力系統(tǒng)已相當復(fù)雜，但任何復(fù)雜之熱力系統(tǒng)不外乎是由若干個設(shè)備和管道連接構(gòu)成。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：如鍋爐、汽輪機組、凝汽器、換熱器、水泵、風(fēng)機、閥門、三通管道等等。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：根據(jù)熱力系統(tǒng)這一特點，可以建立這樣之模塊化概念：用不同之模塊代表不同之設(shè)備，用線段代表管道；于是，以搭積木之方式，用有限個模塊和線段可靈活地構(gòu)成任一復(fù)雜之熱力系統(tǒng)圖。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：如圖1所示，用7種模塊構(gòu)成了一個典型之汽輪發(fā)電機組熱力系統(tǒng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：熱力系統(tǒng)計算模塊化有三個任務(wù)： 1）建立模塊，用數(shù)學(xué)模型真實描述其物理對象。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 2）用模塊構(gòu)成待計算之熱力系統(tǒng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 3）研究系統(tǒng)之數(shù)學(xué)求解方法。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 2　模塊設(shè)計方法不同模塊之設(shè)計思路是相同之，都是用數(shù)學(xué)方程描述模塊之能量守恒、質(zhì)量守恒、傳熱特性、流體力學(xué)特性，以及模塊之熱力學(xué)特性和幾何條件。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：這里，以分流三通為例，介紹模塊之設(shè)計過程。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：

圖1　模塊和模塊化熱力系統(tǒng)

圖2　分流三通 在分流三通（圖2）中，有如下關(guān)系： f(m1,m2,m3)=0 此關(guān)系有幾種表達式，其中一種為： m1=m2+m3(2-1) 當已知m1，m2，求m3時，令m1=m1*，m2=m2*，m3=m3′，帶入式（2－1）：則m1′=m2*+m3′（2－2） △m=m1*-m1′（2－3）式中：*—給定值；　　　′—任意假定值（待定變量）。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：如果△m＝0，則m3′成為真實解。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：如果△m≠0，則修正m3′，反復(fù)上面之過程，一步步逼近 終解。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：當已知m1,m3，求m2時， 令 m1=m1，m3=m3*，m2=m2′，帶入式（2－1）,仍可得式（2－2）、（2－3）： m1′=m2′+m3* △m=m1*-m1′ 當△m＝0，則m2′成為真實解。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：這樣就提供了求解這兩個問題之途徑，即 Min△m2 s.t△m＝0 采用一個合適之優(yōu)化技術(shù)，可讓△m一步步逼近于0，上述問題之假定值就一步步逼近于 終解。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：這樣，對于同一數(shù)學(xué)模型，求解不同之問題采用了相同之模式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：求解分流三通之流量問題可用圖3表示。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：

圖3　分流三通流量問題示意圖 將這一概念加以擴展，可得到熱力設(shè)備模塊之一般模式，用圖4表示：

圖4　一般模塊之示意圖 圖注：j－第j種設(shè)備；Zj－未知矢量；Kj－表征設(shè)備特征之常數(shù)矢量；Uj*－表征設(shè)備當前特征之矢量；Yj*－已知矢量；Σ△Fj2－等式差值之平方和；△Fj－等式差值矢量。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 3　模塊構(gòu)成熱力系統(tǒng)之方法 模塊構(gòu)成熱力系統(tǒng)之實質(zhì)，是確定熱力系統(tǒng)中各模塊間之質(zhì)量和能量傳遞關(guān)系，為實施計算提供必要之信息（計算規(guī)模，待定變量，常數(shù)量，輸入量，輸出量）。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：模塊構(gòu)成熱力系統(tǒng)之 佳形式，應(yīng)是模塊圖形化，由圖符和連線構(gòu)成系統(tǒng)，這樣構(gòu)造之圖形與機組實際之熱力系統(tǒng)圖非常相似，在系統(tǒng)圖上面向模塊可準確地輸入有關(guān)之信息。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 4　熱力系統(tǒng)模塊化之數(shù)學(xué)計算方法 通過模塊之建立和系統(tǒng)之構(gòu)成，可得到描述熱力系統(tǒng)之一套方程，求解這套方程即分析計算熱力系統(tǒng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：目前比較成熟之熱力系統(tǒng)數(shù)學(xué)計算方法是：將所有模塊之未知量作為待定變量，從一組初始值開始，用非線性規(guī)劃之技術(shù)求解，所有待定變量同時逼近 終解，直至滿足要求之精度。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：它之優(yōu)點是：提供了計算之靈活性，不需要人工確定計算過程，計算速度快。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 5　熱力系統(tǒng)計算分析模塊化方法之應(yīng)用實例 使用模塊化方法對熱力系統(tǒng)進行分析是很方便和快捷之，目前已有多個外國公司推出基于模塊化方法之商業(yè)軟件，德國SofBid公司之Ebsilon Professional軟件是其中比較成熟和使用方便之。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： Ebsilon Professional是德國sofbid公司推出之基于熱力系統(tǒng)計算分析模塊化方法之商業(yè)軟件，目前已經(jīng)開發(fā)出87個模塊，括鍋爐、汽輪機級組、燃氣輪機級組、凝汽器、加熱器、水泵、除氧器、發(fā)電機、冷卻塔、三通管道...等等，并且平均每年新開發(fā)2～3個模塊，使用這些模塊可以構(gòu)建任一類型之電廠系統(tǒng)圖； 并采用圖形化界面，所有對象圖形化：模塊 、管道、標注數(shù)據(jù)之十字和文本框，用戶可以根據(jù)模塊之外形就知道該模塊代表之設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成一目了然，并且可根據(jù)需要在圖上標注出數(shù)據(jù)和備注文字。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：使用Ebsilon Professional軟件計算分析一個100 MW機組之熱力系統(tǒng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 1） 選擇適當之模塊和管道，構(gòu)建出一個100 MW機組之熱力系統(tǒng)圖（見圖5）。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 2） 根據(jù)試驗結(jié)果給定各個設(shè)備模塊之特性參數(shù)，模擬出一個真實之系統(tǒng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： 3） 根據(jù)研究需要，改變系統(tǒng)中之某些參數(shù)（如初參數(shù)，背壓，循環(huán)水進水溫度，加熱器溫升，軸封漏汽量等等），重新計算出機組之 終出力，進而計算分析出對機組經(jīng)濟性之影響。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為： ① 循環(huán)水進水溫度改變對機組經(jīng)濟性之影響。陽光電子學(xué)校維修專家分析認為：

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