汽轮机启动过程中安全经济优化的研究

论文摘要

电力是中国经济的命脉,保证电网和电站运行的安全对我国可持续发展是十分必要的。随着我国电网已进入到了以“高参数、大容量、自动化”为标志的新阶段,电网的稳定运行对自动发电控制(简称AGC)技术的发展提出了更高的要求。AGC是现代电网控制的一项基本和重要技术,是建立在电网调度自动化系统与发电机组协调控制系统间闭环控制的一种先进的技术手段。实施AGC可获得以高质量电能为前提的电力供需实时平衡,提高电网运行的经济性,减少调度运行人员的劳动强度。火力发电厂实施AGC的关键是要对主要发电设备的安全经济性和运行状况有十分清楚地了解,并有准确和客观的定量数学模型对其状态进行评价、对其工况变化过程进行控制。在参考了国际上几大著名汽轮机制造公司,如GE,Siemens等,机组自启动概念模型的基础上,提出了以汽轮机安全性为约束、经济性为目标的实施系统构架。在上述构架中,本文在圆筒壁非稳态导热理论的基础上,首次推导出在外壁绝热、内部介质温度变化时圆筒壁温度分布的解析模型,该模型具有求解精度高、可以直接应用于实时分析系统的特点。论文提出了一种有限子结构计算方法,用于解决汽缸等复杂结构的温度场解析求解问题。针对有限子结构中不稳态温度分布,定义了反映不同形状下各段汽缸膨胀的特征值――膨胀特征温度,用来表征不规则物体的变形和膨胀能力,由膨胀特征温度计算各段的膨胀量。以上提出的一些创新方法使得在线监测汽轮机各级轴向膨胀差成为可能。在满足汽轮机安全性约束条件的前提下,对影响机组启动经济性的各种因素进行了分析,提出了一种综合考虑燃料消耗、设备损耗、人员费用等因素的归一化评价方法,采用该方法可以对机组在启动过程中的安全性和经济性的进行综合评价,对国产300MW机组的实际启动过程优化计算和分析表明,本文提出的方法全面考虑了汽轮机组安全性和经济性因素,可以使以自动发电控制(AGC)为目的的汽轮机自启动过程更加合理。开发了启动综合评价系统,具有汽缸温度场和变形实时分析、汽轮机各级轴向膨胀差实时监测、启动过程优化等功能,并成功应用于电站实际运行之中,取得了明显的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 汽轮机运行全过程研究现状
• 1.2.1 汽轮机主要部件瞬态热应力和材料损耗的研究
• 1.2.2 汽轮机组变工况发电煤耗的研究
• 1.2.3 汽轮机变工况下轴系稳定的研究
• 1.3 汽轮机变工况下全过程经济性优化的研究
• 1.4 基于全过程最优条件下机组的协调控制研究
• 1.5 本文主要的工作内容和创新点
• 第二章 影响汽轮机安全性及经济性主要因素的分析
• 2.1 引言
• 2.2 影响汽轮机安全性主要因素的动态过程分析
• 2.2.1 汽轮机暂态工况下主要部件的材料损耗分析
• 2.2.2 汽轮机在启停工况下轴系振动分析
• 2.2.3 汽轮机通流部分胀差分析
• 2.3 影响汽轮机发电煤耗主要因素的分析
• 2.4 小结
• 第三章 汽轮机通流部分胀差监测及计算模型的研究
• 3.1 汽缸三维子结构有限元温度及轴向膨胀计算模型
• 3.1.1 圆筒壁非稳态导热理论
• 3.1.2 特征函数R（ r） 的表达式
• n, r ） 、范数 N（ β_n ） 和特征值β_n 的确定'>3.1.3 特征函数R（β_n, r ） 、范数 N（ β_n ） 和特征值β_n的确定
• 3.1.4 一维非稳态圆筒壁温度场的分布
• 3.1.5 数学模型的建立
• 3.1.6 汽缸热膨胀的计算
• 3.1.7 模型的验证
• 3.1.8 程序说明
• 3.2 汽轮机转子温度场及轴向膨胀量计算
• 3.2.1 汽轮机转子几何模型的建立
• 3.2.2 汽轮机转子模型的计算
• 3.2.3 汽轮机各级转子膨胀量的计算
• 3.3 三维子结构模型在电厂中的应用实例
• 3.3.1 系统结构
• 3.3.2 数据采集/实时通讯
• 3.3.3 网络发布架构
• 3.4.4 软件性能
• 3.3.5 软件平台
• 3.4 小结
• 第四章 寿命损耗计算
• 4.1 转子寿命计算方法
• 4.1.1 Langer 公式
• 4.1.2 Manson-Coffin 公式
• 4.1.3 Coffin 频率修正式
• 4.1.4 疲劳特性曲线
• 4.2 全应变计算
• 4.3 局部应变
• 4.4 载荷谱分析
• 4.5 转子温度、热应力分布计算模型
• 4.5.1 温度线性变化条件下转子温度热应力分布计算
• 4.5.2 非线性条件下转子应力计算模型
• 4.5.3 冲转时的热冲击应力
• 4.6 转子的合成应力
• 4.7 实际应力计算
• 4.8 转子结构与应力集中系数
• 4.9 等应力启动研究
• 4.10 应力计算程序
• 4.11 小结
• 第五章 调峰机组启动过程的综合评价与优化分析
• 5.1 火电调峰机组启动经济性分析
• 5.1.1 直接燃料消耗
• 5.1.2 辅助消耗
• 5.1.3 设备损耗
• 5.1.4 人力资源费用
• 5.1.5 其他因素
• 5.2 启动过程损失计算模型
• 5.3 综合评价
• 5.4 启动过程优化模型
• 5.4.1 冷态启动方式的优化模型
• 5.4.2 热态启动方式的优化模型
• 5.5 求解
• 5.6 火电调峰机组间最优负荷分配
• 5.7 小结
• 第六章 实例计算与分析
• 6.1 预测分析
• 6.1.1 案例分析1
• 6.1.2 案例分析2
• 6.1.3 案例分析3
• 6.2 优化分析
• 6.2.1 案例分析4
• 6.2.2 案例分析5
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 7.1 本文的主要工作和取得的主要成果
• 7.2 有待进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作