CN201705397U - 火电厂在线汽轮机热耗率监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，它包括有输出功率和热量损失测量系统(1)、数据处理子系统(2)、热耗率计算子系统(3)、修正计算子系统(4)、结果工程师站(5)，输出功率和热量损失测量系统(1)连接数据处理子系统(2)，数据处理子系统(2)连接用于将测量信号转换为工程值后计算出汽轮机热耗率的热耗率计算子系统(3)，热耗率计算子系统(3)连接修正计算子系统(4)，修正计算子系统(4)连接用于显示、分析、比较和储存计算结果的结果工程师站(5)。本实用新型简单可靠、仪表少，结果不确定度小；成本低，测量结果不受汽轮机运行条件影响，结果稳定可靠，精度满足实时监测要求。

Description

火电厂在线汽轮机热耗率监测装置

技术领域

本实用新型涉及火电厂发电技术领域，尤其涉及一种火电厂在线汽轮机热耗率监测装置。

背景技术

汽轮机热耗率是发电厂的重要性能指标，准确实时在线监测汽轮机热耗率对发电厂运行煤耗统计和电网负荷实时优化调度具有非常重要的意义(施永红，魏铁铮，火电厂在线负荷优化分配系统的研究[J]，热力发电，2007(8)，40～43)。随着我国节能降耗政策的进一步深入，电网负荷实时调度具有很大的节能潜力，最近国家正在积极进一步推动节能发电调度的试点工作，并出台了一系列的政策。电网负荷实时调度主要是依据网内各电厂实时供电煤耗率曲线进行各电厂运行负荷的实时分配，使全网的供电煤耗率最低，然而，不准确的实时供电煤耗率曲线可能减少电网内节能效果，甚至产生相反的效果。由于实时的锅炉入口煤量和热值很难满足要求测量准确，目前实时供电煤耗率曲线获得均采用通过测量锅炉热效率、汽轮机热耗率和厂用电率三部分，通过计算得到，不过计算结果存在较大的不确定度，其中汽轮机热耗率测量计算的不确定度为最大(王智微等.贵州节能发电调度煤耗在线监测系统-研究与应用技术开发报告[R].TPRI/TU-RB-003-2008，西安热工研究院有限公司，2008.)，因此，如何降低汽轮机热耗率测量的不确定度是电厂实时供电煤耗率曲线的关键问题。

目前对汽轮机热耗率的实时在线监测系统均采用汽轮机热耗率性能试验标准的方法(也称汽轮机热耗率计算正平衡法)，如ASME PTC 6标准和GB/T 8117.1-2008等标准进行，主蒸汽流量和再热蒸汽流量均需要通过主凝结水流量测量间接计算得到，而且大部分电厂均无主凝结水流量ASME标准喷嘴流量测量装置，即使安装了主凝结水流量ASME标准喷嘴，主蒸汽流量和再热蒸汽流量计算值还会受到其它测点测量精度及系统泄漏的影响(云曦，阎维平，火电厂汽轮机组热耗率计算影响因素的分析，电力设备，2007年3月，第8卷第3期，50-53)。因此，在实际运行时，现场条件往往不能满足试验标准的测量和计算要求，如参数波动大、热力系统泄漏、其结果往往很不准确，而且监测仪表多、测量系统复杂、增加测量准确性需要费用很大(姚万业，李剑波，焦嵩鸣，韩璞，徐大平，煤耗率的在线计算及误差分析，中国电力，第37卷第9期，34-37)。由于现场测量参数很高，如主蒸汽和再热蒸汽温度高达540℃～600℃，这些测量仪表随着时间测量精度会大大下降，ASME标准喷嘴内部表面也会出现结垢现象等，因此需要经常地对测量仪表进行校验，维护费用很大。

现有技术方案全部根据试验标准进行，汽轮机热耗率公式采用正平衡方法计算得到，

$\mathrm{HR}=3600\×\frac{Q_{\mathrm{LS}}+Q_{\mathrm{HRH}}-Q_{\mathrm{FFW}}-Q_{\mathrm{CRH}}-Q_{\mathrm{SHS}}-Q_{\mathrm{RHS}}}{P_m}$ 式中，

Q_LS     主蒸汽输入热量，kW

Q_HRH    热再热蒸汽输入热量，kW

Q_FFW    最终给水输出热量，kW

Q_CRH    冷再热输出热量，kW

Q_SHS    过热减温水输出热量，kW

Q_RHS    再热减温水输出热量，kW

P_m      汽轮机输出端功率，kW

上述热量计算时，其中的流量计算均采用间接方法测量计算得出，即：

主蒸汽流量＝凝结水流量+各高压加热器抽汽流量(包括除氧器抽汽)-减温水流量±除氧器水位变化当量流量±系统泄漏1；

热再热蒸汽流量＝主蒸汽流量-高压缸抽汽流量+再热减温水流量±系统泄漏2。

现有技术中的实时监测系统采用上述计算存在问题如下：

为了降低热耗率不确定度，凝结水流量需采用高精度ASME喷嘴，目前许多电厂均无此装置，一般安装标准节流孔板，其流量测量的不确定度约为±0.75％。

各高压加热器抽汽流量采用加热器热平衡方法计算得出，结果受各种影响因素太多，如凝结水流量测量、加热器各流体进出口参数测量和加热器泄漏。特别注意的是加热器疏水泄漏至凝汽器在电厂较为普遍，因此，抽汽量计算结果误差较大。

系统泄漏是上述计算最难解决的问题，在实际运行时，不可能想按照标准要求进行的正式性能试验，将系统外漏不大于主蒸汽流量的0.1％，系统内漏通过现场阀门认真隔离。因为泄漏点很难及时发现，泄漏量也无法确定准确估计，如影响较大的给水泵密封水进水和回水流量测量，一般电厂均没有安装，即使安装测量也不能保证准确，因为密封水回水测量存在较大的测量问题；又如汽轮机本体疏水泄漏和系统内大量的管道疏水阀门泄漏问题，均影响主蒸汽流量和再热蒸汽流量的计算结果。

因此，现有技术方案在实时汽轮机热耗率计算时存在测量不确定度很大的问题，其不确定度一般为±1.5％，如果系统内漏严重，不确定度将更大。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，该装置测量系统简单可靠、仪表很少，给出结果不确定度小；并且，整套装置成本低，测量结果不受汽轮机运行条件影响，特别是系统内漏的影响，结果稳定可靠，精度满足实时监测要求。

本实用新型的技术方案是：一种火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，它包括有输出功率和热量损失测量系统、数据处理子系统、热耗率计算子系统、结果工程师站；所述输出功率和热量损失测量系统连接用于处理测量数据的平均值和仪表校验修正的数据处理子系统，数据处理子系统连接用于将测量信号转换为工程值后计算出汽轮机热耗率的热耗率计算子系统，热耗率计算子系统连接用于显示、分析、比较和储存计算结果的结果工程师站。

以下是对上述技术方案的进一步解释：

所述热耗率计算子系统和结果工程师站之间还包括有一个用以实现对汽轮机终端参数的修正，给出修正后的汽轮机热耗率的修正计算子系统；热耗率计算子系统连接修正计算子系统，修正计算子系统连接结果工程师站。

所述结果工程师站反馈连接热耗率计算子系统。

所述修正计算子系统连接火电厂DCS系统。

所述输出功率和热量损失测量系统包括用于测量循环水流量的水流量测量装置、用于测量循环水进出口温差的温差测量变送器。

所述水流量测量装置为电磁式流量计。

所述温差测量变送器的仪表精度为±0.05℃。

所述结果工程师站包括有用汽轮机性能试验结果校核输入结果工程师站的汽轮机热耗率结果的计算结果校正试验模块。

所述结果工程师站包括有将不同时间段的输出功率与汽轮机热耗率的关系曲线进行分析比较，分析汽轮机热力性能变化趋势的历史结果分析、性能趋势分析模块。

本实用新型依据汽轮机整体能量平衡推导出一种新的汽轮机热耗率计算方法(也称汽轮机热耗率计算反平衡法)。

根据汽轮机系统能量平衡方程为：

Q_LS+Q_HRH+Q_MK＝Q_FFW+Q_CRH+Q_SHS+Q_RHS+Q_Htloss+Q_LK+Q_CCW+P_m+P_el+P_ml

式中，

Q_LS    主蒸汽输入热量，kW

Q_HRH   热再热蒸汽输入热量，kW

Q_MK    补水输入热量，kW

Q_FFW   最终给水输出热量，kW

Q_CRH   冷再热输出热量，kW

Q_SHS   过热减温水输出热量，kW

Q_RHS   再热减温水输出热量，kW

Q_HTloss汽轮机系统散热损失，kW

Q_LK    系统外漏输出热量，kW

Q_CCW   循环水输出热量，kW

P_m     汽轮机输出功率，kW

P_el    汽轮机电气损失，查制造厂曲线，kW

P_ml    汽轮机机械损失，为常数，kW

对上式变型为汽轮机反平衡方法公式，

$\mathrm{HR}=3600\×\frac{Q_{\mathrm{CCW}}+P_m+P_{\mathrm{el}}+P_{\mathrm{ml}}+Q_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{LK}}-Q_{\mathrm{MK}}}{P_m}$

上式可通过下列方法进行简化，并且简化对结果影响不大：

1)目前汽轮机系统各部件保温性能都很好，汽轮机系统散热损失很小，同时也可通过标准试验进行测量；

2)目前火电厂系统外漏主要由锅炉排污、吹灰用汽引起的，汽轮机系统本身外漏量不大，且多数外漏均发生在低热焓值管道，如凝结水泵和给水泵密封水，因此系统外漏热量很小，可通过标准试验进行测量；

3)目前火电厂的补水率很小且焓值小，因此补水输入热量可忽略不计。

因此，上式简化为，

$\mathrm{HR}=3600\×\frac{Q_{\mathrm{CCW}}+P_m+P_{\mathrm{el}}+C}{P_m}$

式中，

Q_CCW＝c_p×m_cw×Δt_cw

c_p    循环水定压比热，kJ/(kg·K)

m_cw   循环水流量，kg/s

Δt_cw 循环水进出口温差，K

C     汽轮机系统散热损失、系统外漏、汽轮机机械损失和补水热量之和，kW，即：C＝P_ml+Q_Hloss+Q_LK-Q_MK，kW，可设为常数。

本实用新型通过测量汽轮机输出的功率和损失的能量来计算输入汽轮机的能量，从而计算出汽轮机热耗率。由于采用反平衡法，因此，测量的参数大大减少，主要测量参数只有6个，即汽轮机输出功率N、循环水流量m、循环水进出水温差⊿T、发电机输出功率因数PF、循环水进水压力P和温度T，而且这些主要测量参数对计算结果的敏感度也有下降，上述前3个测量参数的敏感度约为0.54左右，其它参数对结果影响很小。对比现有技术方案主蒸汽流量和汽轮机功率的敏感度约为1.0左右。在相同的仪表测量精度条件下，测量参数的敏感度减少使汽轮机热耗率计算不确定度大为减少。

根据该方法研制出一套实时在线监测汽轮机热耗率装置，该装置采用测量发电机输出功率和循环冷却水带走的热量损失可以获得满足现场实时的汽轮机热耗率值和变化趋势。该装置具有测量系统简单可靠、仪表很少，给出结果不确定度小。整套装置成本低，测量结果不受汽轮机运行条件影响(特别是系统内漏)，结果稳定可靠，精度满足实时监测要求。

本实用新型增加的测量点安装在发电厂凝汽器循环水进出口管上，循环水出口管流场经过特殊处理，选用6～8组高精度温差变送器测量循环水进出口管水的温升，对循环水的流量测量也采用高精度的电磁式流量计，因为采用反平衡方法，各参数对测量结果的敏感度大大降低，因此，测量的总不确定度也降低，其不确定度±1％。完全满足发电厂运行煤耗统计和电网负荷实时调度的要求。

本实用新型和现有技术的热耗率测量不确定度计算对比：

测量参数	敏感度	测量不确定度	现有技术不确定度	本实用新型不确定度
						％/％	％	％	％
主蒸汽压力	0.001	0.42	0.0006	/
					主蒸汽温度	0.676	0.42	0.2870	/
冷再热蒸汽压力	0.041	0.32	0.0129	/

冷再热蒸汽温度	0.305	0.32	0.0964	/
					热再热蒸汽压力	0.067	0.42	0.0283	/
热再热蒸汽温度	0.536	0.42	0.2276	/
					最终给水温度	0.250	0.42	0.1061	/
主凝水流量	1.000	1.24	1.2369	/
					再热减温水流量	0.026	1.24	0.0327	/
电功率	1.000	0.54	0.5385	/
					系统隔离	1.000	0.25	0.2500	/
					电功率	-0.543	0.25	/	-0.1358
循环水流量	0.539	0.40	/	0.2156
					循环水进出口温升	0.539	1.70	/	0.9163
					热耗率不确定度			1.43	0.95

本实用新型的优点是：

1.测量系统简单可靠、有利于监测系统长期稳定运行；

2.整套装置仪表少成本低，维护方便；

3.测量结果不受汽轮机运行条件影响，特别是不受系统内漏影响；

4.运行参数波动对结果影响小，稳定可靠，精度满足实时监测要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述：

图1为本实用新型的结构示意图。

其中：1输出功率和热量损失测量系统；2数据处理子系统；3热耗率计算子系统；4修正计算子系统；5结果工程师站；6电厂DCS系统。

具体实施方式

实施例：如图1所示，一种汽轮机热耗率在线监测装置，包括有输出功率和热量损失测量系统1、数据处理子系统2，处理后数据送至热耗率计算子系统3，热耗率计算子系统3计算结果送至修正计算子系统4并在结果工程师站5进行显示、分析、比较和储存，结果工程师站5同时对计算结果进行校正试验、历史结果分析、性能趋势分析等。

输出功率和热量损失测量系统1连接用于处理测量数据的单个测量值平均值、多重测量值的平均值和仪表校验修正的数据处理子系统2；数据处理子系统2连接热耗率计算子系统3将测量信号转换为工程值后计算出汽轮机热耗率；热耗率计算子系统3连接修正计算子系统4用以实现对汽轮机终端参数的修正，给出修正后的汽轮机热耗率；修正计算子系统4连接结果工程师站5用于显示、分析、比较和储存计算结果。

输出功率和热量损失测量系统1测量的参数有6个，即汽轮机输出功率N、循环水流量m、循环水进出水温差⊿T、发电机输出功率因数PF、循环水进水压力P和温度T。

输出功率和热量损失测量系统1包括用于测量大管径的水流量测量装置，其测量不确定度为±0.4％，测量循环水进出口温差的小温差测量变送器，仪表精度为±0.05℃，总循环水进出口温差不确定度为±0.17℃，输出功率测量不确定度为±0.3％，因此，汽轮机热耗率测量的不确定度小于±1％。具体实施时，测量点安装在发电厂凝汽器循环水进出口管上，循环水出口管流场经过特殊处理，选用6～8组高精度温差变送器测量循环水进出口管水的温升，对循环水的流量测量也采用高精度的电磁式流量计。

本实施例的汽轮机热耗率在线监测装置包括一条线程，其数据逻辑关系如图1所示，线程每5秒从输出功率和热量损失测量系统1采集数据一次，每5分钟在数据处理子系统2对所采集的“前5分钟内的原始测量数据”进行平均值计算，并进行数据的稳定性和可靠性判定及处理；平均数据送至热耗率计算子系统3进行计算，如果需要计算结果送至修正计算子系统4进行修正计算，否则直接送至工程师站5。修正计算采用该机组的一组修正曲线进行，主要包括主蒸汽压力修正、主蒸汽温度修正、再热准确温度修正、再热压降修正和低压缸排汽压力修正等，这些数据均从电厂DCS系统6接入；修正后的结果送至工程师站5进行显示、分析、比较和储存。结果工程师站5同时可对计算结果进行校正试验、历史结果分析、性能趋势分析等。

结果校正试验实施，通过在采用高精度的汽轮机性能试验(测量不确定度为±0.33％)的同时，记录该实用新型汽轮机热耗率在线监测装置的数据，并对两种结果进行比较，用高精度的汽轮机性能试验结果校核该实用新型汽轮机热耗率在线监测装置结果，确定热耗率公式中的C值(即汽轮机系统散热损失、系统外漏、汽轮机机械损失和补水热量之和)。

结果工程师站5可将每5分钟的计算结果进行在线显示；并可对机组的主要运行参数进行小指标损失分析。

结果工程师站5定期(1小时一次)分析上述每5分钟的数据和结果，如果每5分钟的数据满足稳定性判定条件连续4次合格，结果工程师站5可将上述全部合格的原始数据重新进行处理和计算，得到一个稳定工况的20分钟的平均汽轮机热耗率。否则，等待下一个稳定合格时间段。结果工程师站5可将上述稳定的计算结果进行在线显示并储存，并通过输出功率与汽轮机热耗率的关系曲线进行显示，曲线的拟合曲线可供电网负荷优化调度和运行管理用。

结果工程师站5可将各时间段(如不同年、月、周和天)的输出功率与汽轮机热耗率的关系曲线进行分析比较，分析汽轮机热力性能的变化趋势。

应当指出，对于经充分说明的本实用新型来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本实用新型的说明，而不是限制。总之，本实用新型的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (9)

1.一种火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：它包括有输出功率和热量损失测量系统(1)、数据处理子系统(2)、热耗率计算子系统(3)、结果工程师站(5)；所述输出功率和热量损失测量系统(1)连接用于处理测量数据的平均值和仪表校验修正的数据处理子系统(2)，数据处理子系统(2)连接用于将测量信号转换为工程值后计算出汽轮机热耗率的热耗率计算子系统(3)，热耗率计算子系统(3)连接用于显示、分析、比较和储存计算结果的结果工程师站(5)。

2.根据权利要求1所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述热耗率计算子系统(3)和结果工程师站(5)之间还包括有一个用以实现对汽轮机终端参数的修正，给出修正后的汽轮机热耗率的修正计算子系统(4)；所述热耗率计算子系统(3)连接修正计算子系统(4)，修正计算子系统(4)连接结果工程师站(5)。

3.根据权利要求1所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述结果工程师站(5)反馈连接热耗率计算子系统(3)。

4.根据权利要求2所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述修正计算子系统(4)连接火电厂DCS系统(6)。

5.根据权利要求1所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述输出功率和热量损失测量系统(1)包括用于测量循环水流量的水流量测量装置、用于测量循环水进出口温差的温差测量变送器。

6.根据权利要求5所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述水流量测量装置为电磁式流量计。

7.根据权利要求5所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述温差测量变送器的仪表精度为±0.05℃。

8.根据权利要求1所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述结果工程师站(5)包括有用汽轮机性能试验结果校核输入结果工程师站(5)的汽轮机热耗率结果的计算结果校正试验模块。

9.根据权利要求1所述的火电厂在线汽轮机热耗率监测装置，其特征在于：所述结果工程师站(5)包括有将不同时间段的输出功率与汽轮机热耗率的关系曲线进行分析比较，分析汽轮机热力性能变化趋势的历史结果分析、性能趋势分析模块。

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