徐銀文, 石奇光, 董宸禹, 王 瑤, 孫浩祖

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090)

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燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)能流可視化研究

徐銀文, 石奇光, 董宸禹, 王 瑤, 孫浩祖

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090)

基于某電廠F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組SIS系統(tǒng)中獲取的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),使用C#通過AutoCAD Active X和AutoCAD2015進(jìn)行通信，自動(dòng)按比例繪制符合燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工藝流程的能流圖，得出各熱力過程能量的流向及其損失，為現(xiàn)役燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能耗在線分析提供指導(dǎo)。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)； 能流圖； 能耗分析； 可視化

能流圖作為用能對(duì)象統(tǒng)計(jì)資料的整理和分析工具，目前已在眾多能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；但在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行中的應(yīng)用尚少，未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。目前,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站都有廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)對(duì)電廠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入熱平衡計(jì)算模型，運(yùn)用能流圖技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)各系統(tǒng)及其設(shè)備熱力過程的能流狀態(tài)進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組可視化監(jiān)控具有重要的工程意義。

筆者利用成熟的繪圖軟件AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，研究符合燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工藝流程的能流圖繪制方法，主要體現(xiàn)在該裝置能流載能工質(zhì)的能量大小、流向、熱力過程的損失，運(yùn)行小指標(biāo)的可視化以及聯(lián)合循環(huán)工藝流程中燃?xì)廨啓C(jī)(包括壓氣機(jī)、燃燒室和透平)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)等能量轉(zhuǎn)化特性的圖形表達(dá)，可實(shí)現(xiàn)電廠能耗在線監(jiān)測(cè)，可視化地適時(shí)為電廠節(jié)能管理人員提供決策的輔助依據(jù)。

1 能流圖及其作用

能流圖，也稱為桑基能量平衡圖[1]?；鹆Πl(fā)電廠的能流圖[2]是以輸入能量為基準(zhǔn)，用百分比形式表示火力發(fā)電廠的能源輸入、儲(chǔ)存、輸送、轉(zhuǎn)換和利用的物理過程的熱經(jīng)濟(jì)性，并依據(jù)火力發(fā)電廠生產(chǎn)工藝流程按比例繪制成的能量流向圖。作為能流可視化的一種數(shù)據(jù)分析方法，最明顯特征就是依據(jù)用能對(duì)象生產(chǎn)工藝流程按比例所繪制的全部主、支能流寬度的總和，應(yīng)與所有分流的分支寬度的總和相等，即始終保持能量平衡。能流圖也是一種表示載能工質(zhì)流向的圖形，能夠簡(jiǎn)單地將企業(yè)能源系統(tǒng)的全貌、總體能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)直觀形象地概括和表達(dá)，反映企業(yè)在能源輸入、加工轉(zhuǎn)換、分配輸出、使用等方面的平衡關(guān)系[3]。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的自動(dòng)化程度高，硬件上配置的能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、軟件具有的能源計(jì)量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等管理功能，都為能流圖的在線實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)能流圖表示了聯(lián)合循環(huán)能源系統(tǒng)內(nèi)能量流在各個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)，以及能量轉(zhuǎn)化過程中工藝技術(shù)的完善程度。其路徑是表示燃料(燃?xì)?進(jìn)入電廠到最終輸出電功率的能量流動(dòng)的全過程；交叉與分路反映了各種能源與工藝流程相互間的能量轉(zhuǎn)換性,將通過各個(gè)環(huán)節(jié)或過程的能流量的大小或相對(duì)大小標(biāo)在該項(xiàng)活動(dòng)區(qū)域的旁邊，表示工藝過程的效率或相對(duì)效能[4]。

在管理方面，能流圖有效地串接了能源計(jì)量、能源統(tǒng)計(jì)和能源分析，成為能源管理中一項(xiàng)重要而有益的工作，同時(shí)能流圖還能夠有效地解決下述問題[5]：(1)滿足管理層對(duì)能源數(shù)據(jù)解讀的需求；(2)解決統(tǒng)計(jì)報(bào)表表達(dá)上的局限性；(3)為建立能源信息系統(tǒng)提供支撐，讓能源過程監(jiān)控成為可能；(4)提供有效驗(yàn)證能源供需平衡關(guān)系計(jì)量準(zhǔn)確性的有力手段。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站能流圖還有利于開展同類型號(hào)機(jī)組的對(duì)標(biāo)管理，幫助企業(yè)快速找到機(jī)組的不足。

2 熱平衡計(jì)算

研究對(duì)象是一套F級(jí)單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，包括一臺(tái)型號(hào)為V94.3A的燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)型號(hào)為TCF1D、發(fā)電機(jī)型號(hào)為THDF108/5、余熱鍋爐為無補(bǔ)燃三壓一次再熱型，其熱力系統(tǒng)見圖1。

1—余熱鍋爐；2—燃?xì)馔钙剑?—燃燒室；4—壓氣機(jī)；5—發(fā)電機(jī)；6—3S聯(lián)軸器；7—高壓蒸汽透平；8—中壓蒸汽透平；9—低壓蒸汽透平；10—凝汽器；11—凝結(jié)水泵；12—高壓給水泵(有中壓抽頭)；13—低壓給水泵；14—除氧器；15—再循環(huán)泵。

圖1 無補(bǔ)燃式余熱鍋爐燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)

通過SIS系統(tǒng)提取機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括大氣溫度、大氣壓力、大氣相對(duì)濕度、燃料氣成分、燃料氣流量、壓氣機(jī)濾網(wǎng)壓差、燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度、余熱鍋爐入口煙氣溫度、余熱鍋爐出口煙氣溫度、爐側(cè)和機(jī)側(cè)蒸汽的流量溫度壓力、汽輪機(jī)背壓、燃?xì)廨啓C(jī)軸功率、發(fā)電機(jī)總功率等參數(shù)。表1、表2為燃料氣成分、熱平衡計(jì)算用的部分原始數(shù)據(jù)。

表1 燃料氣成分表 %

表2 熱平衡計(jì)算用的部分原始數(shù)據(jù)

圖2為圖1所示的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的能量平衡框圖，按此框圖建立系統(tǒng)的熱平衡模型[6-7]。

1—燃?xì)廨啓C(jī)；2—余熱鍋爐；3—蒸汽輪機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)的能量平衡：

(1)

無補(bǔ)燃余熱鍋爐的能量平衡：

Qc1+Qw1+Qstr1=Qst1+Qst2+Qst3+Qa2

(2)

式中：Qw1為從蒸汽輪機(jī)的給水回?zé)嵯到y(tǒng)供入余熱鍋爐的給水所攜帶的熱能；Qstr1為冷再熱蒸汽所攜帶的熱能；Qst1為主蒸汽所攜帶的熱能；Qst2為熱再蒸汽所攜帶的熱能；Qst3為低壓蒸汽所攜帶的熱能；Qa2為從余熱鍋爐排向大氣的燃?xì)馑鶖y帶的熱能。

蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的能量平衡：

(3)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)部分的能流，比如壓氣機(jī)耗功、燃?xì)馔钙阶龉Φ榷夹枰廊細(xì)廨啓C(jī)排氣流量才能計(jì)算，而在實(shí)際工程中電廠只有燃料氣流量的測(cè)量，而沒有燃?xì)廨啓C(jī)排氣流量或者壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量的測(cè)量，筆者通過燃?xì)廨啓C(jī)熱平衡計(jì)算出燃?xì)馔钙脚艢饬髁?。根?jù)燃料氣流量、燃料氣成分、燃料氣溫度計(jì)算出燃料氣進(jìn)入燃燒室的能量，然后通過假定空氣流量，根據(jù)燃料氣成分，燃料氣流量和燃?xì)馔钙脚艢鉁囟扔?jì)算得到燃?xì)馔钙脚艢獗褥?，由燃?xì)廨啓C(jī)熱平衡方程迭代計(jì)算求出燃?xì)馔钙脚艢饬髁?。?duì)于余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)可直接進(jìn)行能量平衡計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。

以燃料氣輸入能量為基準(zhǔn)，各個(gè)用能對(duì)象的能流百分比的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱平衡能流計(jì)算結(jié)果

表3(續(xù))

3 能流圖繪制及分析

3.1 能流圖的機(jī)器繪制

能流圖遵循的最基本原則是能量守恒定律，根據(jù)能流的可視化的路徑，設(shè)計(jì)出能流的走向。筆者使用成熟的CAD繪圖軟件AutoCAD，進(jìn)行二次開發(fā)[8-9]，實(shí)現(xiàn)能流圖形簡(jiǎn)單、快速、穩(wěn)定、高效繪制，實(shí)現(xiàn)能流的可視化和用能對(duì)象能源的精細(xì)化管理。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能流可視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)可視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 能流圖的分析

根據(jù)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)能流圖分析機(jī)組性能優(yōu)劣以及分設(shè)備燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)的工作狀況(通過效率來體現(xiàn))，擬定符合其工藝過程的主要流程，繪制燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)能流圖。

圖4為設(shè)計(jì)繪制的能流圖。

1—燃?xì)廨啓C(jī)；2—余熱鍋爐；3—蒸汽輪機(jī)。

在圖4中，每部分能流的寬度表示該部分能流的實(shí)際數(shù)值與總輸入能量的比值。能流結(jié)點(diǎn)處表示的是設(shè)備或工藝過程，主要設(shè)備如燃?xì)馔钙?、余熱鍋爐、壓氣機(jī)、凝汽器、發(fā)電機(jī)，在每個(gè)設(shè)備處的能量平衡，每個(gè)設(shè)備的效率可表達(dá)在能流圖中。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠整體能量平衡是燃料氣輸入能量和空氣能量之和等于輸出能量與總損失的和，效率則是輸出能量和燃料輸入能量的比值。

每股能量的數(shù)值表示各能量的占比，并且可由輸出能量得占比，直接讀出該燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的總效率為57.43%，燃?xì)廨啓C(jī)效率為39.93%，余熱鍋爐效率為87.8%，汽輪機(jī)組效率為35%。各項(xiàng)損失從大到小的排序是冷源損失、余熱鍋爐損失、管道損失、燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)電損失、汽輪機(jī)機(jī)電損失、燃燒室損失；其中管道損失比燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)電損失和汽輪機(jī)機(jī)電損失之和還大，可見該廠管道系統(tǒng)散熱、工質(zhì)泄漏嚴(yán)重，應(yīng)盡快采取措施加強(qiáng)管道的保溫以及進(jìn)行閥門滴漏檢修。在實(shí)際運(yùn)行中還應(yīng)密切關(guān)注這些損失值的變化，根據(jù)需要在線繪制其變化曲線幫助做出運(yùn)行決策。

在燃?xì)廨啓C(jī)中，燃?xì)馔钙捷敵瞿芰空伎偰芰康?9.36%，但由于壓氣機(jī)耗功很大，占總能量的39.02%，燃?xì)馔钙阶罱K輸出能量占總輸入能量的40.34%，可見提高壓氣機(jī)的效率，對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的重要性。燃?xì)廨啓C(jī)做功輸出能量比蒸汽循環(huán)輸出能量大得多，比值大約為2.27。

4 結(jié)語

(1) 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)能流可視化系統(tǒng)能直觀地表達(dá)出該系統(tǒng)中各能流的載能工質(zhì)、大小、方向，以及系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系，方便進(jìn)行系統(tǒng)的能耗分析及節(jié)能指導(dǎo)工作。

(2) 基于DCS或SIS系統(tǒng)建立的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)能流可視化系統(tǒng)是數(shù)字化電廠建設(shè)的組成內(nèi)容，不僅可以提升電廠信息化管理水平，也可用于機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和進(jìn)行同類機(jī)組能效對(duì)標(biāo)。

(3) C#計(jì)算機(jī)語言可通過AutoCAD ActiveX和AutoCAD2015進(jìn)行通訊，簡(jiǎn)單、快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)在線繪制燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的能流圖。

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Visualization Study of Energy Flow in Gas-Steam Combined Cycle Units

Xu Yinwen, Shi Qiguang, Dong Chenyu, Wang Yao, Sun Haozu

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Based on actual operation data obtained in SIS system of a power plant for F-class gas-steam combined cycle unit, automatic communications were realized through AutoCAD ActiveX and AutoCAD2015 by C#, and simultaneously, an energy flow chart was drawn proportionally for the flow process, thus obtaining the energy flow and loss in various thermodynamic processes, which may serve as a reference for online analysis on energy consumption of in-service gas-steam combined cycle units.

gas-steam combined cycle; energy flow chart; analysis of energy consumption; visualization

2016-05-31；

2016-09-14

徐銀文(1990—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠節(jié)能改造及能源審計(jì)。E-mail: 875186593@qq.com

TK477

A

1671-086X(2017)03-0150-04