CN109709911A - 一种火电机组循环工质外漏在线测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火电机组循环工质外漏在线测量方法及测量系统，从机组分散控制系统DCS和火电厂厂级监控信息系统SIS中采集数据，在机组既有汽水参数一次测点不变的技术条件下，选择必需够用的一次参数，经过数据处理和工况判稳，将特征数据存入数据库，并运用机组工质循环理论，将机组循环工质流分解为吸热工质流和做功工质流，根据热力发电厂原理，依据特征数据计算机组循环工质的泄漏量，实现火电机组循环工质外漏量及其机组主要热经济指标的在线显示。该系统对于实现机组发电厂煤耗率的正反平衡对应核查，提升电厂运行能耗在线监测的数字化水平，全面反映机组节能减排状态以及有针对性的开展火电企业内部节能工作具有显著的现实意义。

Description

一种火电机组循环工质外漏在线测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及一种蒸汽动力循环发电技术，特别涉及一种火电机组循环工质外漏在线测量方法及测量系统。

背景技术

随着我国电力体制改革的不断深化，电力行业市场化逐步完善。网络通信、大数据的存储、挖掘、分析技术的发展，加快了电厂数字化的进程。

“电力发展十三五规划”中明确提出要建立电力企业内部能源审计机制，持续开展技术节能与管理节能工作，以保持火力发电厂的深度节能减排的预定状态。国家发改委、科技部等七部门联合修订的《重点用能单位节能管理办法》指出，重点用能单位应当建立在线监测系统，提升能源管理信息化水平。因此，火电企业亟待建立在线监测基础上的数字化内部能源审计方法，提升企业内部能耗可监测、可报告、可核查的能力，以顺应数字化时代电力市场化需求。

火电机组发电厂热力系统由锅炉系统、汽轮发电机组系统以及管道系统组成。火电机组循环工质外泄漏是管道系统工质损失的重要组成部分，影响机组的经济性以及可监测性。因此在实现电厂数字化的过程中必须解决在线测量机组循环工质泄漏量的难题。

然而，火电机组主给水与主蒸汽管道上的泄漏量无法测量，导致相应的热损失计算不准确，机组发电厂煤耗率的正反平衡无法对应，电厂运行能耗特性的数字化技术不完善，影响全面客观的反映机组节能减排的状态。

发明内容

本发明是针对运行中的火电机组循环工质泄漏量难以在线测量的问题，提出了一种火电机组循环工质外漏在线测量方法及测量系统，机组汽水参数现有一次测点的技术条件下，根据火电机组热力系统工质循环理论，通过建立热力系必要的热平衡、功率平衡和质量平衡，经本发明设定的工质泄漏量计算的技术路径，实现火电机组循环工质外漏量的在线测量。核查机组主管路中工质损失的大小，从而合理的定量评价机组管道热效率和机组发电厂的煤耗率。

本发明的技术方案为：一种火电机组循环工质外漏在线测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)工况判稳及数据获取：从机组分散控制系统DCS和火电厂厂级监控信系系统SIS中读取所需的一次参数；对获得的数据进行预处理并利用可滑动拓展窗口判稳方法对机组运行工况进行判稳，提取机组稳定工况下的一次参数,筛选必须够用的汽水参数；

2)循环工质分解：

对火电机组热力系统进行循环工质流分解分析，利用步骤1)中得到的机组稳定工况汽水参数，根据火电机组热力系统工质循环理论，以凝汽器热井的凝给水泵出口为起点，由测得的一次参数，列出热平衡方程，逐级计算各级机组回热加热器的回热抽汽流量，最终计算得到循环的吸热工质流D_xr；根据汽轮发电机组工作原理，列出机组功率平衡方程，计算得到汽轮机做功工质流D_zg；

3)获取机组循环工质外漏量：

由步骤1)获取的数据库数据计算，通过步骤2)所得机组吸热工质流D_xr与做功工质流D_zg的平衡分析，计算得到机组循环工质外漏量ΔD_L，

ΔD_L＝D_xr-D_zg；

4)损失评价:

根据热力发电厂原理，进一步准确计算机组管道热力系统中带热量工质外漏的损失值Δq_L：

式中：h_L表示锅炉过热器出口新蒸汽焓的平均值，kJ/kg；h_ma为机组补充水焓，由机组补充水温度和压力查得，kJ/kg；Q_b为锅炉输出热量，kJ/h,计算公式如下：

式中：D_b为锅炉过热器出口蒸汽流量，kg/h，直流锅炉数值上等于进入锅炉的给水流量；h_b为锅炉过热器出口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉过热器出口蒸汽的温度和压力查得；h_fw(b)为进入锅炉的给水焓，kJ/kg，由省煤器入口给水温度和压力查得；D_rh(b)为锅炉出口再热蒸汽流量，kg/h，由现场数据经判稳后查得；为锅炉再热器出口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉再热器出口蒸汽的温度和压力查得；为锅炉再热器入口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉再热器入口蒸汽的温度和压力查得；5)对比校核：

计算机组管道正、反平衡热效率，并在线显示；

管道正平衡热效率：

式中：Q₀为汽轮发电机组热耗，kJ/h，可由机组热平衡方程得到；

管道反平衡热效率：

式中：ΔQ_p为机组管道系统热损失，kJ/h，主要由ΔQ_p1-ΔQ_p5构成，新蒸汽管道散热损失ΔQ_p1；冷、热再热蒸汽管道散热损失ΔQ_p2；给水管道散热损失ΔQ_p3；厂用蒸汽热损失ΔQ_p4；工质泄漏热损失组成ΔQ_p5；所有的损失均可由步骤1)～4)中的数据计算得到；

利用正反平衡校核管道热效率，即将计算出的管道正平衡热效率η_pz与管道反平衡热效率η_pf进行比对；

6)用考虑循环工质外漏的管道热效率计算机组的热经济指标：机组全厂热耗率、机组全厂热效率、机组供电标准煤耗率。

所述火电机组循环工质外漏在线测量方法的测试系统，包括数据采集模块测算校核模块、计算模块和数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块；数据采集模块采集数据并处理数据后送测算校核模块和数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块，测算校核模块对数据进行计算校核，同时与计算模块进行数据交换，计算模块计算得到数据提供给数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块。

所述测算校核模块包括计算出循环吸热工质流D_xr的加热器组子模块，计算出做功工质流D_zg的汽轮机本体子模块及校核子模块，校核子模块校核计算出的外漏量ΔD_L，以及进行管道效率正平衡η_pz、反平衡η_pf的校核。

本发明的有益效果在于：本发明火电机组循环工质外漏在线测量方法及测量系统，通过对机组循环工质流的分解分析，建立了在线测算火电机组循环工质泄漏量的方法，在机组现有一次测点的条件下，实现数字化在线测算出机组循环工质的泄漏量并计算带热量工质泄漏的热损失，进而准确计算机组管道反平衡效率，并在线显示。

附图说明

图1为本发明一种火电机组循环工质外漏在线测量的方法流程图；

图2为本发明一种火电机组循环工质外漏在线测量的系统结构图。

具体实施方式

以某超临界600MW机组额定工况为例，当主管路外漏量为20t/h时，管道效率为98.3％，供电煤耗为290.4g/kw·h，较不计算主管路泄漏，煤耗增加了2g/kw·h，管道效率下降了0.7％。可见主管路外漏的忽略以及管道效率设为定值，对全厂进行热经济性评价时会引起差错，应当引起重视。

如图1所示为一种火电机组循环工质外漏在线测量的方法流程图，具体包括如下步骤：

1)工况判稳及数据获取：

从机组分散控制系统DCS和火电厂厂级监控信系系统SIS中读取所需的一次参数，所需的一次参数主要包括机输出功率P_e、凝结水流量D_njs、机组累计补充水流量D_ma、小汽轮机用汽量D_xj、机组回热抽汽的温度T_i和压力P_i、各加热器进出口水温度和压力、各级抽汽的疏水温度和压力、机组补充水温度和压力、锅炉高温过热器出口温度以及压力、锅炉再热器进出口蒸汽温度以及压力；对获得的数据进行预处理并利用可滑动拓展窗口判稳方法对机组运行工况进行判稳，提取机组稳定工况下的一次参数,筛选必须够用的汽水参数；

2)循环工质分解：

对火电机组热力系统进行循环工质流分解分析，利用步骤1)中得到的机组稳定工况汽水参数，根据热力发电厂原理，计算机组回热系统各级的回热抽汽量，并计算机组各级回热做功抽汽流、做功凝汽流的做功量；

循环工质流分解为吸热工质流D_xr和做功工质流D_zg。根据火电机组热力系统工质循环理论，以凝汽器热井的凝给水泵出口为起点，由测得的一次参数，列出热平衡方程，逐级计算各级机组回热加热器的回热抽汽流量，分别记为D_n，D_n-1，……，D₁，计算得到循环的吸热工质流D_xr。根据汽轮发电机组工作原理，列出机组功率平衡方程，计算得到汽轮机做功工质流D_zg。

具体计算步骤如下：

工质流过低压加热器组可得到如下热平衡方程组：

D_xr1＝f(q_i,τ_i,γ_i,…,D_njs),i＝(m+1)～n (1)

工质流过高压加热器组及除氧器可得到如下热平衡方程组：

D_xr2＝f(q_i,τ_i,γ_i,…,D_njs,D_xh1),i＝1～m (2)

D_xr＝D_xr1+D_xr2 (3)

式(1)、(2)中，m为除氧器编号,n为加热器台数号，q_i表示1kg蒸汽在第i级加热器中的放热量，kJ/kg，q_i＝h_i-h_si，h_i为第i级抽汽焓，由第i级抽汽温度和压力查得，h_si为第i级疏水焓，由第i级疏水温度和压力查得；γ_i表示1kg疏水在第i级加热器中的放热量，kJ/kg，γ_i＝h_si-h_s(i-1)，h_s(i-1)为第i-1级疏水焓，由第i-1级抽汽温度和压力查得；τ_i表示1kg水在第i级加热器中的吸热量，kJ/kg，τ_i＝h_w(i+1)-h_wi，h_w(j+1)为第i+1级加热器出口水焓，由第i+1级加热器出口水温度压力查得；h_wj为第i级加热器进口水焓，由第i级加热器进口水温度压力查得；

由上面2个方程组成的方程组，在凝结水流量D_njs一定的时计算得到循环吸热工质流D_xr。

根据汽轮发电机组功率平衡方程：

D_zg＝f(Pe,h₀,D_i,h_i,…,D_c,h_c) (4)

可计算得到D_zg。

式中：D_i表示机组第i级回热抽汽流，i＝1～n，kg/h；h_i表示第i级抽汽焓，kJ/kg，由所得第i级抽汽温度和压力查得；D_c表示低压缸排汽流，kg/h；h_c表示低压缸排汽焓，kJ/kg，由低压缸排汽干度和温度查得；Pe为汽轮发电机组输出电功率，h₀是进入汽轮机的蒸汽焓。

3)获取机组循环工质外漏量：

由步骤1)获取的数据库数据计算，通过机组吸热工质流D_xr与做功工质流D_zg的平衡分析，计算得到机组循环工质外漏量ΔD_L。

ΔD_L＝D_xr-D_zg (5)

4)损失评价:

根据热力发电厂原理，进一步准确计算机组管道热力系统中带热量工质外漏的损失值Δq_L：

式中：h_L表示锅炉过热器出口新蒸汽焓的平均值，kJ/kg；h_ma为机组补充水焓，由机组补充水温度和压力查得，kJ/kg；Q_b为锅炉输出热量，kJ/h,计算公式如下：

式中：D_b为锅炉过热器出口蒸汽流量，kg/h，直流锅炉数值上等于进入锅炉的给水流量；h_b为锅炉过热器出口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉过热器出口蒸汽的温度和压力查得；h_fw(b)为进入锅炉的给水焓，kJ/kg，由省煤器入口给水温度和压力查得；D_rh(b)为锅炉出口再热蒸汽流量，kg/h，由现场数据经判稳后查得；为锅炉再热器出口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉再热器出口蒸汽的温度和压力查得；为锅炉再热器入口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉再热器入口蒸汽的温度和压力查得；

5)对比校核：

计算机组管道正、反平衡热效率，并在线显示；

管道正平衡热效率：

式中：Q₀为汽轮发电机组热耗，kJ/h，可由机组热平衡方程得到；

管道反平衡热效率：

式中：ΔQ_p为机组管道系统热损失，kJ/h，主要由ΔQ_p1-ΔQ_p5构成，新蒸汽管道散热损失ΔQ_p1；冷、热再热蒸汽管道散热损失ΔQ_p2；给水管道散热损失ΔQ_p3；厂用蒸汽热损失ΔQ_p4；工质泄漏热损失组成ΔQ_p5；所有的损失均可由步骤1)～4)中的数据计算得到；

利用正反平衡校核管道热效率，即将计算出的管道正平衡热效率η_pz与管道反平衡热效率η_pf进行比对。

6)结论综合：

用考虑循环工质外漏的管道热效率计算机组的热经济指标：机组全厂热耗率、机组全厂热效率、机组供电标准煤耗率。

以某600MW机组额定负荷为例，计算出主管路泄漏量为33t/h，管道效率为97.8％，供电煤耗为291.8g/kw·h，较不计算主管路泄漏，煤耗增加了3.35g/kw·h，管道效率下降了1.1％。

图2为一种火电机组循环工质外漏在线测量的系统结构图。系统有如下四大模块：数据采集模块1；测算校核模块2；计算模块3；数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块4。模块的拓扑是指本发明所使用的计算机设备的连接关系，表达了4个模块间通信线路的连接和结点间的工作排序，反映了各个模块之间的结构关系。模块1的数据来自机组分散控制系统DCS和火电厂厂级监控信系系统SIS存储在服务器中的数据，通过计算机从电厂数据库中调取。

模块与模块之间通过数据线连接，上一个模块的输出作为下一个模块的输入，各个子模块之间的连接也通过数据线进行数据的交换。

4个模块的具体组成、功能如下：

数据采集模块1：DCS、SIS数据采集子模块1.1，从DCS和SIS中采集所需的一次参数：汽轮发电机组输出功率P_e、凝结水流量D_njs、机组累计补充水流量D_ma、小汽轮机用汽量D_xj、机组回热抽汽的温度T_i和压力P_i等数据；数据筛选与处理、工况判稳子模块1.2，运用机组工况稳定运行条件，与子模块1.1进行数据交换，选取数据；

测算校核模块2：加热器组子模块2.1，凝汽器出口流量D_njs为定值，计算出循环吸热工质流D_xr；汽轮机本体子模块2.2，定功率计算出做功工质流D_zg；校核子模块2.3，通过已知的外漏量，如厂用汽量ΔD_cy、除氧器排汽量ΔD_pq等校核计算出的外漏量ΔD_L，以及进行管道效率正平衡η_pz、反平衡η_pf的校核；

计算模块3：锅炉热力系统子模块3.1，汽轮发电机组子模块3.2，管道热力系统子模块3.3。根据循环工质流动分析建立模型，运用模块与1、2交换的数据，完成模块3计算功能，为模块4提供数据；

数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块4：数据管理服务器4.1、现场监控指示机4.2、主管路泄露ΔD_L子模块4.2.1、管道效率子模块η_p4.2.2、其他应用子模块4.2.n。通过计算机语言在线显示主管路的泄漏量以及管道效率，还可以拓展显示机组发电厂状态特征的其它信息。

Claims (3)

1.一种火电机组循环工质外漏在线测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)工况判稳及数据获取：从机组分散控制系统DCS和火电厂厂级监控信系系统SIS中读取所需的一次参数；对获得的数据进行预处理并利用可滑动拓展窗口判稳方法对机组运行工况进行判稳，提取机组稳定工况下的一次参数,筛选必须够用的汽水参数；

2)循环工质分解：

对火电机组热力系统进行循环工质流分解分析，利用步骤1)中得到的机组稳定工况汽水参数，根据火电机组热力系统工质循环理论，以凝汽器热井的凝给水泵出口为起点，由测得的一次参数，列出热平衡方程，逐级计算各级机组回热加热器的回热抽汽流量，最终计算得到循环的吸热工质流D_xr；根据汽轮发电机组工作原理，列出机组功率平衡方程，计算得到汽轮机做功工质流D_zg；

3)获取机组循环工质外漏量：

由步骤1)获取的数据库数据计算，通过步骤2)所得机组吸热工质流D_xr与做功工质流D_zg的平衡分析，计算得到机组循环工质外漏量ΔD_L，

ΔD_L＝D_xr-D_zg；

4)损失评价:

根据热力发电厂原理，进一步准确计算机组管道热力系统中带热量工质外漏的损失值Δq_L：

式中：h_L表示锅炉过热器出口新蒸汽焓的平均值，kJ/kg；h_ma为机组补充水焓，由机组补充水温度和压力查得，kJ/kg；Q_b为锅炉输出热量，kJ/h,计算公式如下：

式中：D_b为锅炉过热器出口蒸汽流量，kg/h，直流锅炉数值上等于进入锅炉的给水流量；h_b为锅炉过热器出口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉过热器出口蒸汽的温度和压力查得；h_fw(b)为进入锅炉的给水焓，kJ/kg，由省煤器入口给水温度和压力查得；D_rh(b)为锅炉出口再热蒸汽流量，kg/h，由现场数据经判稳后查得；为锅炉再热器出口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉再热器出口蒸汽的温度和压力查得；为锅炉再热器入口蒸汽焓，kJ/kg，由锅炉再热器入口蒸汽的温度和压力查得；

5)对比校核：

计算机组管道正、反平衡热效率，并在线显示；

管道正平衡热效率：

式中：Q₀为汽轮发电机组热耗，kJ/h，可由机组热平衡方程得到；

管道反平衡热效率：

式中：ΔQ_p为机组管道系统热损失，kJ/h，主要由ΔQ_p1-ΔQ_p5构成，新蒸汽管道散热损失ΔQ_p1；冷、热再热蒸汽管道散热损失ΔQ_p2；给水管道散热损失ΔQ_p3；厂用蒸汽热损失ΔQ_p4；工质泄漏热损失组成ΔQ_p5；所有的损失均可由步骤1)～4)中的数据计算得到；

利用正反平衡校核管道热效率，即将计算出的管道正平衡热效率η_pz与管道反平衡热效率η_pf进行比对；

6)用考虑循环工质外漏的管道热效率计算机组的热经济指标：机组全厂热耗率、机组全厂热效率、机组供电标准煤耗率。

2.根据权利要求1所述火电机组循环工质外漏在线测量方法的测试系统，其特征在于，包括数据采集模块(1)、测算校核模块(2)、计算模块(3)和数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块(4)；数据采集模块(1)采集数据并处理数据后送测算校核模块(2)和数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块(4)，测算校核模块(2)对数据进行计算校核，同时与计算模块(3)进行数据交换，计算模块(3)计算得到数据提供给数据管理、现场监控外漏量及技经指标模块(4)。

3.根据权利要求2所述火电机组循环工质外漏在线测量方法的测试系统，其特征在于，所述测算校核模块包括计算出循环吸热工质流D_xr的加热器组子模块，计算出做功工质流D_zg的汽轮机本体子模块及校核子模块，校核子模块校核计算出的外漏量ΔD_L，以及进行管道效率正平衡η_pz、反平衡η_pf的校核。