CN107201921B - 一种汽轮机热耗率在线监测系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽轮机热耗率在线监测系统及测量方法，该系统包括在线数据收集模块、数据预处理模块、性能试验标定模块和数据计算分析模块，使用该系统计算热耗率时，主蒸汽流量和再热蒸汽流量分别依据阀位相同，体积流量基本相同的原理和弗留戈尔公式获得，不受系统隔离影响，适合在线计算。除性能试验标定模块中的相关数据是通过高精度ASME试验提前获取外，本方法采用的其余在线计算相关数据均由在线监测获得，精确度较高，实时性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽轮机热耗率在线监测系统及测量方法，属于火力发电技术领域。
背景技术
随着国家对火电机组节能减排工作的重视，准确的实时在线监测汽轮机热耗率对火力发电企业具有重要的意义。
目前精确获得汽轮机热耗率的途径是按照美国机电工程协会制定的汽轮机性能试验规程ASME PTC6来进行严格的试验测试，并通过标准规定的计算方法来获得。按照试验标准规定，试验前需安装高精度的ASME流量喷嘴来测量除氧器入口的凝结水流量，并以凝结水流量为基准通过迭代计算主给水流量，进而计算主蒸汽流量及再热蒸汽流量，从而获得汽轮机热耗率。该计算方法复杂，且需要严格的系统隔离和其他额外的辅助试验，如流量平衡试验和变汽温试验。因此利用该方法不适合汽轮机热耗率的实时在线监测。
各个电厂为了实时在线监测汽轮机热耗率，在SIS系统中添加了汽轮机热耗率计算模块，该模块在计算汽轮机热耗率时是以给水流量为基准，并参照DCS系统中的减温水流量，且未考虑高压加热器事故疏水泄漏等问题。一般情况下，随着机组运行时间的增加，给水流量孔板和减温水流量孔板的测量误差会逐渐增大，从而导致汽轮机热耗率与实际值偏差较大，不利于精确监测汽轮机热耗率。
专利201110278504.6公开了一种基于电厂冷端热量损失的汽轮机组热耗率在线监测装置，该装置存在2个问题：第一个是由于循环水管道直径大，因此无法采用孔板或者喷嘴测量循环水流量，而用超声波流量计测量的循环水流量误差一般在4％左右，测量误差较大；第二个是循环水进出凝汽器的温差一般在10℃左右，因此进出口温度的测量误差对计算结果影响较大。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种准确的实时在线监测汽轮机热耗率的方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种汽轮机热耗率在线监测系统，用于在线监测火力发电机组中汽轮机的热耗率，该系统包括在线数据收集模块、数据预处理模块、性能试验标定模块和数据计算分析模块，所述在线数据收集模块与数据预处理模块连接，数据预处理模块连接与性能试验标定模块连接，性能试验标定模块与数据计算分析模块连接，所述在线数据收集模块包括若干个压力温度传感器、机组自带的发电机电功率计和抽汽流量传感器，若干个所述压力温度传感器分别设置于主蒸汽管路、再热蒸汽管路、供热抽汽管路、供热抽汽回水管路、最终给水管路、冷再蒸汽管路、再热减温水管路、再热减温器的入口与出口和三段抽汽管路处，所述在线数据收集模块用于收集在线数据，所述数据预处理模块用于对在线数据进行预处理，所述性能试验标定模块用于存储通过高精度ASME试验标定过的基准数据，并接收预处理后的数据，且根据预处理后的数据得到主蒸汽体积流量和再热蒸汽质量流量等基准数据，所述数据计算分析模块用于对在线数据与基准数据进行计算分析得到汽轮机热耗率。
对上述技术方案的改进为：所述数据计算分析模块包括数据转换模块和数据计算模块，所述数据转换模块用于通过水和蒸汽性质计算软件包将压力和温度数据转换为密度和焓值等数据。
对上述技术方案的改进为：还包括终端显示模块，所述终端显示模块与数据计算分析模块连接，用于接收汽轮机热耗率数据并进行显示。
一种采用上述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、通过压力温度传感器收集火力发电机组中各个管道内蒸汽与水的压力和温度等在线数据，并收集火力发电机组DCS系统中的发电机功率和供热抽汽量等在线数据；
步骤2、通过ASME试验标定计算所需的基准数据；
步骤3、根据步骤1收集的压力和温度数据利用水和蒸汽性质计算软件包计算出蒸汽与水的密度和焓值数据；
步骤4、利用步骤1、2和3中得到的数据计算火力发电机组中的各管道中蒸汽与水的质量流量；
步骤6、计算汽轮机热耗率HR；
式中：HR为汽轮机热耗率，Fm为主蒸汽流量，hm为主蒸汽焓值，Fr为再热蒸汽流量，hr为再热蒸汽焓值，Fw为最终给水流量，hw为最终给水焓值，Fcr为冷再蒸汽流量，hcr为冷再蒸汽焓值，Frhs为再热减温水流量，hrhs为再热减温水焓值，Fcq为供热抽汽流量， hcq为供热抽汽焓值，hhs为供热抽汽回水焓值，Wc为发电机有功功率。
对上述技术方案的改进为：所述步骤2中ASME试验的内容为：
①通过高精度的热力性能试验测试若干组不同汽轮机综合阀位对应的主蒸汽体积流量；
②通过高精度热力性能试验测试若干组不同综合阀位对应的再热蒸汽质量流量、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度和三段抽汽压力等参数；
③通过变汽温试验测试高中压缸合缸处的过桥漏汽量Dg。
对上述技术方案的改进为：所述步骤4中计算的质量流量包括主蒸汽质量流量、最终给水流量、冷再蒸汽流量、再热减温水量和再热蒸汽流量。
对上述技术方案的改进为：所述主蒸汽质量流量的计算方法为：
①采集汽轮机综合阀位值ψi，根据步骤2的基准数据获取当前综合阀位值ψi对应的主蒸汽体积流量Qi；
②采集主蒸汽压力值Pm和主蒸汽温度值tm，通过水和蒸汽性质计算软件包计算出主蒸汽密度ρm；
③利用主蒸汽体积流量Qi和主蒸汽密度ρm计算主蒸汽质量流量Fm；
所述主给水流量的计算方法为：
Fw＝Fm+D0
式中：Fw为最终给水流量，D0为炉侧汽水工质排出量。
对上述技术方案的改进为：所述再热蒸汽流量的计算方法为：
①采集汽轮机综合阀位值，根据步骤2的基准数据获得相对应的再热蒸汽压力Pr、再热蒸汽温度tr和三段抽汽压力P3作为计算基准值；
②采集汽轮机再热蒸汽压力Pri、再热蒸汽温度Tri和三段抽汽压力P3i；
③利用弗留戈尔公式计算再热蒸汽流量Fri，
式中：Fr0为再热蒸汽流量基准值，Pr0为再热蒸汽压力基准值，P30为三段抽汽压力基准值，Tr0为再热蒸汽温度基准值。
对上述技术方案的改进为：所述冷再蒸汽流量的计算方法为：
①采集再热减温器前的压力Pzq和温度tzq、再热减温器后的压力Pzh和温度tzh、再热减温水的压力Prhs和温度trhs，分别通过水和蒸汽性质计算软件包计算出再热减温器前的蒸汽焓值 hzq、再热减温器后的蒸汽焓值hzh、再热减温水的焓值hrhs；
②计算冷再蒸汽流量Fcr；
式中：Fr为再热蒸汽流量。
对上述技术方案的改进为：所述再热减温水流量的计算方法为：
Frhs＝Fr-Fcr
式中：Frhs为再热减温水流量。
本发明的有益效果为：
(1)主蒸汽流量及再热蒸汽流量是利用在线监测的数据和基准数据间接计算获得，因此不受系统隔离的影响，适合在线计算；(2)本发明中所需参数，如综合阀位、发电机功率、压力、温度等，这些参数均为直接测量参数，因此参数容易获取且数据可靠；(3)由于汽轮机组每次大修前后都需要进行热力性能试验，因此有利于本发明标定主蒸汽及再热蒸汽流量系数。
附图说明
图1为本发明实施例系统的结构示意图。
图2为本发明实施例数据采集元件布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，本实施例的一种汽轮机热耗率在线监测系统用于在线监测火力发电机组中汽轮机的热耗率，该系统包括在线数据收集模块、数据预处理模块、性能试验标定模块、数据计算分析模块和终端显示模块，在线数据收集模块与数据预处理模块连接，数据预处理模块连接与性能试验标定模块连接，性能试验标定模块与数据计算分析模块连接，在线数据收集模块包括若干个压力温度传感器、机组自带的发电机电功率计和抽汽流量传感器，若干个所述压力温度传感器分别设置于主蒸汽管路、再热蒸汽管路、供热抽汽管路、供热抽汽回水管路、最终给水管路、冷再蒸汽管路、再热减温水管路、再热减温器的入口与出口和三段抽汽管路处，其中汽轮机综合阀位值直接从电厂DCS控制系统获取，压力温度传感器用于收集根位置处的压力与温度值，发电机电功率计用于收集发电机的电功率，抽汽流量传感器用于收集供热抽汽的质量流量；数据预处理模块用于对在线数据进行预处理，性能试验标定模块用于存储高精度ASME试验标定过的基准数据，并接收预处理后的数据，然后根据该数据得到主蒸汽体积流量和再热蒸汽质量流量等关键基准数据，数据计算分析模块用于对在线数据与基准数据进行计算分析得到热耗率，终端显示模块用于接收热耗率数据并进行显示。
本实施例中，性能试验标定模块通过ASME性能试验标定汽轮机综合阀位与主蒸汽体积流量、再热蒸汽质量流量、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度和三段抽汽压力等数据的对应关系，通过汽轮机综合阀位可直接获得主蒸汽体积流量等数据，并将获得的数据作为计算基准值。
数据计算分析模块包括数据转换模块和数据计算模块，数据转换模块用于通过水和蒸汽性质计算软件包将压力和温度数据转换为密度和焓值等数据。
如图2所示，应用本实施例的监测系统的火力发电机组包括锅炉1、主蒸汽管路、再热蒸汽管路、冷再蒸汽管路、高压缸2、中压缸3、低压缸4、发电机5、凝汽器6、凝泵7、低压加热器8、除氧器9、给水泵10、高压加热器11、给水管路12、过热减温器13、再热减温器14、再减水管路15、三段抽汽管路16、供热抽汽管路17和供热抽汽回水管路18、过热减温器13和再热减温器14设置于锅炉1内，过热减温器13的出口通过主蒸汽管路与高压缸 2的入口连接，高压缸2出口通过冷再蒸汽管路与再热减温器14的入口连接，再热减温器14 的出口通过再热蒸汽管路与中压缸3的入口连接，中压缸3的出口与低压缸4入口连接，低压缸4出口与凝汽器6连接，凝泵7、低压加热器8、除氧器9和给水泵10沿水流方向依次设置于凝汽器6与高压加热器11之间，高压加热器11通过给水管路12与过热减温器13的入口连接，供热抽汽回水管路18连接于低压加热器8和除氧器9之间，供热抽汽管路17连接于中压缸3出口处，三段抽汽管路16连接于中压缸3上，再减水管路15位于给水泵10和再热减温器14之间，并与给水泵10和再热减温器14连接，主蒸汽管路、再热蒸汽管路、冷再蒸汽管路、三段抽汽管路、供热抽汽管路、供热抽汽回水管路和再热减温器的入口与出口处均设有压力温度传感器，发电机5连接在高压缸2、中压缸3与低压缸4的输出轴上。
利用上述检测系统的汽轮机热耗率在线测量方法，包括如下步骤：
步骤1、通过试验标定计算所需的基准数据；
①通过高精度的热力性能试验测试若干组不同汽轮机综合阀位对应的主蒸汽体积流量，
其中：ψ为综合阀位值，Q为主蒸汽体积流量；
②通过高精度热力性能试验测试若干组不同综合阀位对应的再热蒸汽质量流量、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度和三段抽汽压力等参数；
式中：Fr为再热蒸汽质量流量，Pr为再热蒸汽压力单位为，tr为再热蒸汽温度，P3为三段抽汽压力；
③通过变汽温试验测试高中压缸合缸处的过桥漏汽量Dg，对于高中压分缸机组，不需要测试该项，此时默认该项数值为0；
步骤2、计算主蒸汽质量流量；
①采集汽轮机综合阀位值ψi，根据步骤1的基准数据获取当前综合阀位值ψi对应的主蒸汽体积流量Qi；
②采集主蒸汽压力值Pm和主蒸汽温度值tm，通过水和蒸汽性质计算软件包计算出主蒸汽密度ρm；
③利用主蒸汽体积流量Qi和主蒸汽密度ρm计算主蒸汽质量流量Fm；
步骤3、计算主给水流量；
①采集炉侧汽水工质排出量D0；
②利用主蒸汽质量流量Fm和炉侧汽水工质排出量D0计算主给水流量Fw，
Fw＝Fm+D0 公式(3)
步骤4、计算再热蒸汽流量；
①采集汽轮机综合阀位值，根据步骤1的基准数据获得相对应的再热蒸汽压力Pr、再热蒸汽温度tr和三段抽汽压力P3作为计算基准值；
②采集汽轮机再热蒸汽压力Pri、再热蒸汽温度Tri和三段抽汽压力P3i；
③利用弗留戈尔公式计算再热蒸汽流量Fri，如公式(4)所示：
式中：Fr0为再热蒸汽流量基准值，Pr0为再热蒸汽压力基准值，P30为三段抽汽压力基准值，Tr0为再热蒸汽温度基准值；
步骤5、计算再热减温水的流量；
①采集再热减温器前的压力Pzq和温度tzq、再热减温器后的压力Pzh和温度tzh、再热减温水的压力Prhs和温度trhs，分别通过水和蒸汽性质计算软件包计算出再热减温器前的蒸汽焓值 hzq、再热减温器后的蒸汽焓值hzh、再热减温水的焓值hrhs；
②计算冷再蒸汽流量Fcr；
③计算再热减温水的流量；
Frhs＝Fr-Fcr 公式(6)
步骤6、计算汽轮机热耗率；
①采集主蒸汽压力Pm、主蒸汽温度tm、再热蒸汽压力Pr、再热蒸汽温度tr、最终给水压力Pw、最终给水温度tw、冷再蒸汽压力Pcr、冷再蒸汽温度tcr、再热减温水压力Prhs、再热减温水温度trhs、供热抽汽压力Pcq、供热抽汽温度tcq、供热抽汽回水压力Phs、供热抽汽回水温ths度等参数输入到水和水蒸汽性质计算软件包，分别计算出主蒸汽焓值hm、再热蒸汽焓值hr、最终给水焓值hfw、冷再蒸汽焓值hcr、再热减温水焓值hrhs、供热抽汽焓值hcq和供热抽汽回水焓值hhs；
②计算汽轮机热耗率HR；
式中：Fcq为供热抽汽流量，Wc为发电机有功功率。
上述计算方法依据阀位相同，体积流量基本相同的原理来获取主蒸汽体积流量，同时依据弗留戈尔公式获得再热蒸汽质量流量。综合阀位与主蒸汽体积流量的对应关系是基于 ASME喷嘴测量的凝结水流量为基准计算得到的，再热蒸汽流量也以性能试验计算的再热蒸汽流量作为基准值，从而使最终得到的热耗率数据精确度高，实时性好，切不受系统隔离影响。
本发明的一种汽轮机热耗率在线检测系统及测量方法不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种汽轮机热耗率在线监测系统，用于在线监测火力发电机组中汽轮机的热耗率，其特征在于：包括在线数据收集模块、数据预处理模块、性能试验标定模块和数据计算分析模块，所述在线数据收集模块与数据预处理模块连接，数据预处理模块与性能试验标定模块连接，性能试验标定模块与数据计算分析模块连接，所述在线数据收集模块包括若干个压力温度传感器、机组自带的发电机电功率计和抽汽流量传感器，若干个所述压力温度传感器分别设置于主蒸汽管路、再热蒸汽管路、供热抽汽管路、供热抽汽回水管路、最终给水管路、冷再蒸汽管路、再热减温水管路、再热减温器的入口与出口和三段抽汽管路处，所述在线数据收集模块用于收集在线数据，所述数据预处理模块用于对在线数据进行预处理，所述性能试验标定模块用于存储通过高精度ASME试验标定过的基准数据，并接收预处理后的数据，且根据预处理后的数据得到主蒸汽体积流量和再热蒸汽质量流量基准数据，所述数据计算分析模块用于对在线数据与基准数据进行计算分析得到汽轮机热耗率。
2.根据权利要求1所述汽轮机热耗率在线监测系统，其特征在于：所述数据计算分析模块包括数据转换模块和数据计算模块，所述数据转换模块用于通过水和蒸汽性质计算软件包将压力和温度数据转换为密度和焓值数据。
3.根据权利要求2所述汽轮机热耗率在线监测系统，其特征在于：还包括终端显示模块，所述终端显示模块与数据计算分析模块连接，用于接收汽轮机热耗率数据并进行显示。
4.一种采用权利要求3所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、通过压力温度传感器收集火力发电机组中各个管道内蒸汽与水的压力和温度在线数据，并收集火力发电机组DCS系统中的发电机功率和供热抽汽量在线数据；
步骤2、通过ASME试验标定计算所需的基准数据；
步骤3、根据步骤1收集的压力和温度数据利用水和蒸汽性质计算软件包计算出蒸汽与水的密度和焓值数据；
步骤4、利用步骤1、2和3中得到的数据计算火力发电机组中的各管道中蒸汽与水的质量流量；
步骤6、计算汽轮机热耗率HR；
式中：HR为汽轮机热耗率，Fm为主蒸汽流量，hm为主蒸汽焓值，Fr为再热蒸汽流量，hr为再热蒸汽焓值，Fw为最终给水流量，hw为最终给水焓值，Fcr为冷再蒸汽流量，hcr为冷再蒸汽焓值，Frhs为再热减温水流量，hrhs为再热减温水焓值，Fcq为供热抽汽流量，hcq为供热抽汽焓值，hhs为供热抽汽回水焓值，Wc为发电机有功功率。
5.根据权利要求4所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于：所述步骤2中ASME试验的内容为：
①通过高精度的热力性能试验测试若干组不同汽轮机综合阀位对应的主蒸汽体积流量；
②通过高精度热力性能试验测试若干组不同综合阀位对应的再热蒸汽质量流量、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度和三段抽汽压力参数；
③通过变汽温试验测试高中压缸合缸处的过桥漏汽量Dg。
6.根据权利要求5所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于：所述步骤4中计算的质量流量包括主蒸汽质量流量、最终给水流量、冷再蒸汽流量、再热减温水量和再热蒸汽流量。
7.根据权利要求6所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于：所述主蒸汽质量流量的计算方法为：
①采集汽轮机综合阀位值ψi，根据步骤2的基准数据获取当前综合阀位值ψi对应的主蒸汽体积流量Qi；
②采集主蒸汽压力值Pm和主蒸汽温度值tm，通过水和蒸汽性质计算软件包计算出主蒸汽密度ρm；
③利用主蒸汽体积流量Qi和主蒸汽密度ρm计算主蒸汽质量流量Fm；
所述最终给水流量的计算方法为：
Fw＝Fm+D0
式中：Fw为最终给水流量，D0为炉侧汽水工质排出量。
8.根据权利要求7所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于：所述再热蒸汽流量的计算方法为：
①采集汽轮机综合阀位值，根据步骤2的基准数据获得相对应的再热蒸汽压力Pr、再热蒸汽温度tr和三段抽汽压力P3作为计算基准值；
②采集汽轮机再热蒸汽压力Pri、再热蒸汽温度Tri和三段抽汽压力P3i；
③利用弗留戈尔公式计算再热蒸汽流量Fri，
式中：Fr0为再热蒸汽流量基准值，Pr0为再热蒸汽压力基准值，P30为三段抽汽压力基准值，Tr0为再热蒸汽温度基准值。
9.根据权利要求8所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于：所述冷再蒸汽流量的计算方法为：
①采集再热减温器前的压力Pzq和温度tzq、再热减温器后的压力Pzh和温度tzh、再热减温水的压力Prhs和温度trhs，分别通过水和蒸汽性质计算软件包计算出再热减温器前的蒸汽焓值hzq、再热减温器后的蒸汽焓值hzh、再热减温水的焓值hrhs；
②计算冷再蒸汽流量Fcr；
式中：Fr为再热蒸汽流量。
10.根据权利要求9所述汽轮机热耗率在线监测系统的测量方法，其特征在于：所述再热减温水流量的计算方法为：
Frhs＝Fr-Fcr
式中：Frhs为再热减温水流量。
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