汽轮机及其热力系统性能分析与优化_王乾

第42卷增刊（II ）2012年11月

东南大学学报（

自然科学版）

JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （Natural Science Edition ）

Vol．42Sup （II ）Nov．2012

doi ：10．3969/j．issn．1001－0505．2012．S2．010

汽轮机及其热力系统性能分析与优化

王

乾

王培红

苏志刚

（东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096）

（东南大学能源与环境学院，南京210096）

摘要：从火电机组供电标煤耗指标入手，分析了主辅机设备性能指标对机组供电标准煤耗率的锅炉效率、汽机热耗率及厂用电率所造成的煤耗变化分别占煤耗变化不同影响．计算结果表明，

48．48%和25．29%，总量的26．23%，因此汽机热耗率偏差的对机组性能影响最大．进而分析了

影响汽轮机热耗率指标的外部因素、能效因素和运行因素，并从汽轮机组运行优化调度、精细化检修和运行优化管理等3个方面提出了汽轮机及其热力系统的性能分析与优化的原则和方法．基于某300MW 汽轮机实时运行数据的耗差分析结果表明：该机组的运行与检修可控耗差分别可见实施汽轮机及其热力系统性能分析与优化具有良好的节为11．915和11．230g /（kW ·h ），

能效果．

关键词：火电机组；供电标煤耗；性能分析；运行优化

0276-05中图分类号：TK262文献标志码：A 文章编号：1001－0505（2012）S2-

Performance analysis and optimization of turbine and thermal system

Wang Qian

Wang Peihong

Su Zhigang

（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ）

（School of Energy and Environment ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ）

Abstract ：Based on the standard coal consumption of power supply in the coal fired power plant ，the

influence of the performance index of the major and auxiliary equipments on the standard coal con-sumption rate of power supply was analyzed．The calculation results show that the coal consumption caused by boiler efficiency ，the heat rate of the turbine and the auxiliary rate were 26．23%，48．48%and 25．29%of the total changes of coal consumption．Therefore ，the heat rate of the tur-efficiency factor and oper-bine was the key factor on the unit performance．Then the external factor ，

ating factor related to the heat rate of the turbine were analyzed．The performance analysis and the optimization principle and method on the turbine and its thermal system were proposed in the consid-fine repair and operation optimization manage-eration of the optimization dispatcher of the turbo-set ，

ment．The results of consumption analyses on a 300MW power plant show that the consumptions of the turbine under the controllable operation and overhaul were 11．915and 11．230g /（kW ·h ），re-spectively．So the effect of energy saving was ideal through implementing performance analysis and optimization on the turbine and its thermal system．

Key words ：coal fired power plant ；coal consumption rate of power supply ；performance analysis ；

operation optimization 由于我国以煤为主的能源消费格局在短时期内难以转变，因此燃煤火力发电在我国的电力供应

中仍占主导地位．燃煤火力发电为我国经济发展提

供了规模化电力保障的同时，不仅消耗了大量的煤

09-10．作者简介：王乾（1982—），phwang@seu．edu．cn．收稿日期：2012-男，博士生；王培红（联系人），男，博士，教授，博士生导师，

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（51036002）．

2012，42（S2）：276-280．［doi ：10．引文格式：王乾，王培红，苏志刚．汽轮机及其热力系统性能分析与优化［J ］．东南大学学报：自然科学版，

3969/j．issn．1001－0505．2012．S2．010］

炭资源．而且在其燃烧过程中产生大量的SO 2，CO 2等气态污染物和飞灰颗粒等固态污染物［1］，因此燃煤对环境的污染将制约我国国民经济的可

持续发展．

燃煤火电机组的清洁高效运行，不仅可以节约

提高能源转换与利用效率，降低宝贵的煤炭资源，

火电厂的能源成本，还可以改善环境质量，减少因

污染排放造成的经济损失，具有显著的社会效益．然而，节能减排与企业的经济利益往往不一致．例如，燃煤火电厂的脱硫及脱销装置，虽然可以有效地降低了烟气中的污染物含量，但却要增加大量的初始建设资金，增加了日常运行成本（如增加了厂用电消耗）．从节能的角度来说，循环水泵的优化应以发电功率的增加与循环水泵功率增加的差值最大为目标，从而降低发电及供电标煤耗，降低排放污染；但从企业经济利益角度来说，减少循环水泵耗功，降低厂用电，可以增加上网电量，因此，如果单纯从经济效益出发，则必然出现机组真空恶化的运行方式，必然导致增加了发电及供电标煤耗率增加了燃料消耗并加剧了环境污染，影响火指标，

电行业的可持续发展能力．

可见，燃煤火电机组的高效清洁运行，不仅是电力企业应尽的社会责任，是我国工业领域节能减更是我国燃煤火电行业可持续发展排的主要举措，的必然选择．

其经济性指标用供电标煤耗来表式汽轮发电机组，

示．我国火电机组的供电标煤耗不仅与国际上的先进指标相比较存在较大差距，即便是同地区同类型火电机组，其供电标煤耗指标也存在较大的差距，表明火电机组还存在一定的节能潜力．

火电机组的供电标煤耗为

3600

b s =

29270ηb ηp ηi ηm ηg （1－K cp ）

HR t

b s =

29270ηb ηp （1－K cp ）

（1）（2）

K cp 为机组厂用电率（%），式中，主要与辅机的运行单耗有关；ηb 为锅炉效率（%），主要与锅炉的燃烧状况和传热状况有关；ηi 为汽轮机内效率（%），主要与循环形式与参数、通流效率及回热状况有关；ηp 为管道效率（%），主要与蒸汽管道的流动压损和散热温降有关；ηm 为机械效率（%），主要与轴承支撑系统及其润滑效果有关；ηg 为发电机效率（%），主要与发电机的铜损和铁损以及冷却效果有关；HR t 为汽轮发电机组热耗率（kJ /（kW ·h ））主要与汽轮发电机组的点效率有关，即

36003600

HR t ==（3）

ηi ηm ηg ηe

由表1分析可见，提高锅炉效率、降低汽轮发电机组热耗率以及降低厂用电率是火电机组实现节能减排的主要手段．

由式（1）或（2）可以看出，主机设备（锅炉、汽轮机）和辅机设备（送风机、引风机、磨煤机、给水泵、循环水泵以及凝汽器和回热加热器等）的性能指标是影响机组运行经济性的主要因素．

厂用电率/%55588

供电标准煤耗率/（g ·（kW ·h ）－1）

320．0331．2340．7330．8362．7

供电标煤耗变化/（g ·（k ·Wh ）－1）

011．220．710．842．7

各工况变化占比/%

026．2348．4825．29100．0

1火电机组运行经济性的指标评价

现代高参数大容量的火电机组主要采用凝汽

表1

工况

锅炉效率/%9289929289

管道效率/%98．3598．3598．3598．3598．35

汽机热耗率/（kJ ·（kW ·h ）－1）

[***********]50

影响火电机组供电标煤耗的定量分析

假设基准工况

工况1（锅炉效率变化）工况2（汽机热耗率变化）工况3（厂用电率变化）工况4（组合变化）

由表1的各工况变化占比可见，汽轮机汽耗率

而锅炉效率和厂用电率则分别为变化为48．48%，

26．23%和25．29%．因此汽轮发电机组热耗率的

降低对燃煤火电机组供电标煤耗的影响最为显著．

地影响火电机组的供电标煤耗．

汽轮机及其热力系统的性能受多方面因素的影响，主要可以归纳为以下3类：①外部因素，如机组负荷和环境温度等；②设备能效因素，如汽轮机缸效率、换热设备的传热端差、水泵效率等；③运行因素，如不合理的滑压曲线、大量使用再热器减温喷水等．

汽轮机及其热力系统性能优化的基本原则如下：

1）针对外部因素的影响，应采用主辅设备的

2

汽轮机性能退化的主要原因及其

优化原则

汽轮机及其热力系统是燃煤火电机组的重要组成部分，也是能量转换效率相对较低的环节．汽轮机及其热力系统的性能及性能的改变会大幅度

优化调度节能降耗．机组负荷是影响机组性能的首要因素，保证机组处于较高的负荷率是取得节能效果的关键因素．在机组负荷一定的情况下，利用信

可以实现厂内机组间负荷息化技术与最优化方法，

的优化调度，并取得经济效益．当环境温度一定时，

通过确定不同循环水泵的运行组合，可以降低循环水泵的单耗，降低厂用电率，并取得经济效益．

2）针对能效因素的影响，应改善检修质量挖掘节能潜力．主辅设备的运行能效是降低燃煤火电机组供电标煤耗的基本前提．例如，汽轮机轴封间隙大会导致漏气增加，作功能力下降；凝汽器真空系统严密性差，真空泵运行效果差，都会影响燃煤火电机组的排汽真空，并显著影响汽轮发电机组的热耗率．因此，需要根据各个设备的运行状态，提前制定合理的检修计划并确保检修的质量．

3）针对运行因素的影响，应采取优化运行的措施提高能源利用率．运行是在役机组最主要的工作状态，在全寿命周期中占有最大的比重，运行优化是取得节能效果的最主要的手段之一．

运行优化包括机组最佳运行参数的确定以及最佳运行参数的控制实现2个部分．

在一定负荷、环境温度以及确定的主辅机设备能效，运用最优化原理，结合热力试验以及运行数据样本，可以获得汽轮机及其热力系统性能指标最优的运行参数期望值．

当实际运行参数偏离其运行参数期望值时会

引起能量损失．产生能耗的偏差，

处理、粗差检验、数据修补和机组能量平衡校验．数

据预处理的方法包括惯性滤波处理算法，目的是消除动态滞后造成的误差．粗差检验主要是根据上下游以及邻近参量的变化趋势，判断数据的趋势正确性与检测精度．

数据修补是指对于不能满足完整性要求（缺失数据）以及精确性要求（失真数据）的过程参量所采用的校正处理方法，主要采用经过基准热力试验样本标定的机理模型，重建缺失及失真的过程参量．机组能量平衡校验是指对机组性能指标产生重大影响的主汽流量参量在数据修补的基础上，进一步做能量平衡校验，以便基于主汽流量的性能指标与机组负荷有良好的一致性．

机组的能量平衡方程为

D 0=

3600P el K m

w i /ηmg

（4）

P el 为机组电功率（kW ），式中，是机组运行参量中的主导过程参量；D 0为汽轮机进汽流量（t /h），是机组运行参量中的关键过程参量；w i 为汽轮机单位进汽

主要与循环参量、通流效率及回所做内功（kJ /kg），

主要与汽热状况有关；ηmg 为机械与电机效率（%），轮机轴系和发电机的效率有关；K m 为轴封系统修正

系数，主要与轴封系统工作状况有关．

2）火电机组性能指标的实时分析

机组及设备性能指标（见图1）包括机组级指标（如机组供电标准煤耗率等）和设备级指标（如锅炉效率、汽轮发电机组热耗率、厂用电率）等

．

3

3．1

火电机组的性能及耗差分析

火电机组性能与耗差实时分析

1）实时数据的校正处理

源于分散控制系统（DCS ）的实时数据是火电机组性能分析的基础，为满足性能分析对实时数据的要求，需要对实时数据进行校正处理．

性能分析对数据的要求主要集中在以下几个方面：①数据完整性的要求不仅包含主辐机设备的常规过程参量，还包含一些难于检测的特殊参量，如汽轮机排汽焓等；②数据精确性的要求不仅更要求过程参量要求过程参量变化趋势的正确性，的数值准确性，如主汽流量的检测精度要求；③数据一致性要求，即关键过程参量与主导过程参量之间存在合乎逻辑的一致性关系，例如，主汽流量与机组负荷之间的一致性关系等．

当来自DCS 的实时数据不能满足上述要求时，需要进行数据校正处理．校正处理包括数据预

图1机组及设备主要性能指标

为了满足在线应用的需求，锅炉效率采用了基

于燃煤工业分析成分的改进反平衡效率计算模型；而汽轮发电机组热耗率计算则采用包含参数一致性校验后的实时数据及相关的模型修正算法并开发了相应的软件模块．

3）火电机组耗差指标的在线分析

耗差是指火电机组实际运行工况偏离其期望运行工况所引起的标准煤耗率或热耗率的偏差．通常情况下，火电机组的运行工况需要用各个不同的运行参数在同一时刻的取值来表征，为了简化分析并突出重点，选择若干具有代表性的监控参

［2-7］

，

增刊（II ）数表征运行工况．

王乾，等：汽轮机及其热力系统性能分析与优化279

监控参数是指能够主导运行工况以及运行性

能，同时便于操作和调整的运行参数．实际工况与期望工况的偏差用监控参数的实际值与其期望值之间的偏差来表征．耗差分析过程是将实际运行工况与期望运行工况的耗差（即实际标煤耗与期望标煤耗的差）分解至各监控参数与其期望值的偏差的分析过程．

耗差分析包括监控参数的选择、监控参数期望值模型的建立、性能指标期望值模型的建立以及监控参数耗差分配等4个部分．图2和图3分别说明了锅炉与汽机耗差指标分配情况．在模型研究用软件．3．2

［8-15］

图2

锅炉耗差指标

的基础上，开发了耗差分析应

图3汽机耗差指标

火电机组耗差分析算例

根据西柏坡#3（引进技术生产的300MW 机组）机组的实时运行数据，对机组某一运行工况（

负

表2

影响因素排烟温度氧量飞灰含碳燃料热值灰分炉渣含碳实时蒸发量环境温度水分合计

锅炉总煤耗偏差

偏差因子

－0．053－0．284－0．3690．000－0．048－0．0420．0010．0538．718ˑ 10

－5

荷247MW ）进行了耗差分析．

1）锅炉的耗差分配锅炉侧耗差分配计算，计算结果如表2所示．

g /（kW ·h ）

煤耗偏差计算值

4．818

0．610－1．3630．7830．3620．025－0．143－0．944

－8

锅炉耗差分解

偏差相对变化量

0．218

0．135－0．375－0．0560．0890．0450．0790．2450．0129

锅炉效率的相对变化

－0．016

－0．0020．005－0．003－0．0010．0000．0000．0038．526ˑ 10

标煤耗分配

4．874

0．617－1．3800．7920．3660．025－0．145－0．955

－2．546ˑ 10

4．148

－5

－2．576ˑ 10－5

4．196

4．196

注：锅炉效率的相对变化=偏差因子ˑ 偏差相对变化量/当前运行条件应达工况下的标准煤耗率．

2）汽轮机机组的耗差分配

对机组运行可控损失和检修可控损失的能耗偏差分解，计算结果如表3和表4所示．

影响因素加热器端差汽轮机各缸效率凝结水过冷度再热压损合计

检修可控损失

表4检修可控损失的分配

煤耗偏差计

算值标准煤0．5938．291

g /（kW ·h ）

标煤耗分配标准煤0．6679．3130．0841．16611．23011．230

等效焓降偏差因子

4结论

1）燃煤火电机组的高效清洁运行是工业节能

表3

影响因素

0．03259．803

0．0751．0389．998

运行可控损失的分配

煤耗偏差计算值标准煤－0．3790．4960．29510．0901．1191．01012．631

g /（kW ·h ）

标煤耗分配标准煤－0．3580．4680．2789．5191．0550．95311．91511．915

主汽压力主汽温度再热温度汽轮机背压再热减温喷水流量过热减温喷水流量合计

运行可控损失

等效焓降偏差因子－1．042－0．097－0．0622268．0030．1930．030

的主要环节，也是火电企业自身可持续发展的必然选择．

2）燃煤火电机组的节能应当从汽轮机、锅炉和辅机的节能着手，特别应当关注汽轮机及其热力系统的性能分析与优化．应当针对外部因素、能效因素和运行因素，分别从优化调度、检修管理和运行管理等几个方面开展工作．

3）耗差分析结果表明，机组运行性能与机组的运行方式以及检修水平等诸多因素有关，通过耗

注：煤耗偏差计算值=等效焓降偏差因子ˑ 参数的偏差量．

280东南大学学报（自然科学版）第42卷

差分析，可以寻找影响机组性能的主要因素，并通过考核等管理手段获得低成本的节能效果．

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