專利名稱：汽機表面式加熱器的出水及疏水溫度測算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種汽機表面式加熱器參數(shù)的測算方法，尤其涉及一種汽機表面式加熱器出水及疏水溫度測算方法。
背景技術：
隨著火電機組參數(shù)和容量的不斷提升，通過改善回熱系統(tǒng)的性能以提高機組運行經(jīng)濟性日益受到關注?；責峒訜崞鞒鏊c疏水溫度的測量對于回熱系統(tǒng)熱平衡的計算、機組性能監(jiān)測和優(yōu)化具有重要的作用，因此有必要對其進行在線監(jiān)測。至今未見回熱系統(tǒng)中表面式加熱器出水及疏水溫度測算方法的報道。
目前，在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(Supervisory Information System)或者系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)DCS(Distribution Control System)中，對于表面式回熱加熱器，雖然設有出水與疏水溫度測點，但因其運行條件惡劣和檢修維護薄弱等原因，普遍存在測量可靠性差的狀況，此外，加熱器水側(cè)溫度的常規(guī)測量方法還存在以下不足首先，在火電機組熱工測量系統(tǒng)中，常采用熱電阻式傳感器來監(jiān)測回熱加熱器的出水溫度，與之相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采用有源平衡電橋測量傳感器的電阻值，測量成本高；其次，水溫變化熱慣性大，在工況變動較大時，水溫響應表現(xiàn)出較大的熱慣性，因而影響測量精度；第三，由于現(xiàn)場安裝位置復雜，不便于檢修和維護。一旦傳感器故障或失效，往往導致測量數(shù)據(jù)的錯誤或缺失。
而根據(jù)傳統(tǒng)的傳熱方程計算加熱器出水與疏水溫度，需要計算換熱過程的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)的計算中需了解加熱器眾多結構參數(shù)，例如加熱器各傳熱段的面積、流程數(shù)、管側(cè)及殼側(cè)結構、管道內(nèi)外直徑、管道材料等等。任意一項加熱器資料的缺失都會造成傳熱系數(shù)無法計算，所以傳統(tǒng)的傳熱方程適用于設計和校核計算，而不便于用于機組運行或試驗時出水與疏水溫度計算與監(jiān)測。
電廠回熱系統(tǒng)中表面式加熱器的純凝結段屬于凝結換熱，殼側(cè)抽汽加熱管側(cè)給水并凝結，其特點是殼側(cè)傳熱系數(shù)很大，汽體在凝結放熱的過程中保持殼側(cè)壓力對應的飽和溫度不變。本發(fā)明基于上述傳熱機理，定義了純凝結段傳熱特征系數(shù)，發(fā)現(xiàn)了純凝結段傳熱特征系數(shù)的變工況響應規(guī)律，提出了基于傳熱特征系數(shù)的純凝結段回熱加熱器出水與疏水溫度的測算方法，該方法具有不需了解結構參數(shù)，測量成本低、被測參量響應快、測量數(shù)據(jù)可靠性高等優(yōu)點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種測算模型簡單、計算精度高、測量成本低且動態(tài)響應速度快的汽機表面式加熱器出水及疏水溫度測算方法。
本發(fā)明通過如下技術方案來實現(xiàn) 一種汽機表面式加熱器的出水及疏水溫度測算方法，其特征在于， 步驟1計算基準工況下加熱器純凝結段的傳熱特征系數(shù)
選取機組額定功率設計工況或性能考核試驗工況作為基準工況，加熱器按其抽汽壓力從高到低編號為1～n級，n為大于1的正整數(shù)，符號加上標字母“o”的參數(shù)表示其為基準工況下的參數(shù)，選取基準工況下第j級加熱器的熱力參數(shù)殼側(cè)壓力pnjo、疏水溫度tdjo、出水溫度twjo、進水溫度tw(j+1)o和機組功率Peo，并根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算殼側(cè)壓力pnjo下對應的飽和溫度tsjo， 由基準工況下加熱器的純凝結段傳熱方程 其中下標“N”表示純凝結段，(KF)No為基準工況下純凝結段傳熱系數(shù)K與傳熱面積F的乘積，(KF)No單位為kJ/(m2·℃·h)·m2； (DwCp)No為給水流量Dw與給水的定壓比熱容Cp的乘積，單位為kg/h·kJ/(kg·℃)，其中Cp取為定值4.1868kJ/(kg·℃)； 基準工況下加熱器的純凝結段傳熱溫差為 得到基準工況下加熱器的純凝結段的傳熱特征系數(shù) 步驟2計算實際工況下加熱器的出水溫度twj和疏水溫度tdj 步驟2.1在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj、第j級加熱器進水溫度tw(j+1)和機組功率Pe，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj，則通過計算得到實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj，再根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算出實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj對應的實際工況下的飽和溫度tsj，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，則通過計算得到實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)， 所述的計算實際工況下的殼側(cè)壓力pnj的方法是 在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j級加熱器抽汽壓力pj，計算實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj＝pj·(1-δpj)，δpj為實際工況下的第j級加熱器管道壓損率，δpj＝3％～5％； 所述的計算實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)的方法是 在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)，則在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j+1級加熱器抽汽壓力pj+1，計算實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)＝pj+1·(1-δpj+1)，δpj+1為實際工況下的第j+1級加熱器的管道壓損率，δpj+1＝3％～5％；然后根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)對應的飽和溫度ts(j+1)，并用飽和溫度減去第j+1級加熱器在設計工況下的端差θj+1，并以此差值為實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，即tw(j+1)＝ts(j+1)-θj+1， 步驟2.2出水溫度的計算 根據(jù)加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)、數(shù)值試驗和基于樣本的模型參數(shù)辨識算法以及實際工況的機組功率Pe計算得到實際工況下的加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)
最終根據(jù)此傳熱特征系數(shù)計算實際工況下的出水溫度 步驟2.3疏水溫度的計算 疏水溫度tdj等于加熱器殼側(cè)壓力下對應的飽和溫度tsj，即得到表面式加熱器的疏水溫度tdj＝tsj。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 本發(fā)明基于傳熱機理和運行可測參量，利用新發(fā)現(xiàn)的表面式加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)隨機組功率變化的規(guī)律，定義了純凝結段的傳熱特征系數(shù)，提出一種基于傳熱特征系數(shù)測算火電機組回熱系統(tǒng)中表面式加熱器出水與疏水溫度的間接、簡捷、高精度測算的方法。該方法只需要設計(或者試驗)基準工況數(shù)據(jù)，而不需了解結構參數(shù)，模型簡捷；只需要依據(jù)運行可測參量，測算出水及疏水溫度，能夠降低測量成本；由于模型使用動態(tài)響應快(如壓力)和高精度水和水蒸汽性質(zhì)模型，可以顯著提高被測參量響應速度和測量可靠性。
1、測算模型簡單，計算精度高 本發(fā)明所建立的測算模型，只需要少量的基準工況(設計工況或者熱力試驗工況)的參量和抽汽壓力和機組負荷等少量可測參量，無需加熱器的結構參數(shù)和流量參數(shù)(回熱抽汽流量和給水或凝水流量)，模型簡單、計算簡捷。
相比于傳統(tǒng)的加熱器變工況模型，其計算精度高表現(xiàn)在兩個方面，一是傳熱特征系數(shù)能夠反映負荷變化的影響，提高響應精度；二是出水、疏水溫度計算模型精度的關鍵在于傳熱特征系數(shù)的和水蒸氣計算模型的精度，而傳熱特征系數(shù)的和水蒸氣計算模型的精度都較高，所以保證了本發(fā)明的計算模型精度。
2、可以充分利用相關可測參量的測量結果，測量成本低 本發(fā)明利用汽輪機抽汽壓力(汽輪機系統(tǒng)的重要測量參量)的測量結果，通過模型實現(xiàn)加熱器出水與疏水溫度的測算，只需要DCS或SIS系統(tǒng)中相關的壓力測點，而無需專門的溫度測點，通過測量信息的共享降低測量成本。
3、使用測算模型，可以顯著改善被測參量的動態(tài)響應速度 利用回熱加熱器純凝結段的傳熱特征系數(shù)隨功率變化的規(guī)律以及高精度的水和水蒸汽性質(zhì)模型，將加熱器出水及疏水溫度的測量結果的動態(tài)響應等效于抽汽壓力和機組負荷的動態(tài)響應速度，從而提高了加熱器出水和疏水溫度測算結果的動態(tài)響應速度。
4、改善了被測參量的測量可靠性 模型中使用的抽汽壓力和機組負荷是汽輪機的重要監(jiān)測參數(shù)，往往采取測點的冗余布置和方便檢修維護等措施提高其可靠性，采用測算模型可以將加熱器出水和疏水溫度的測量可靠性等效于抽汽壓力和機組負荷測量的可靠性，從而改善了加熱器出水及疏水溫度測量的可靠性。
圖1為表面式加熱器的原則性熱力系統(tǒng)圖 圖2為加熱器換熱過程T-F(溫度-流程)圖 圖3為本發(fā)明的計算流程圖
具體實施例方式 一種汽機表面式加熱器的出水及疏水溫度測算方法，其特征在于， 步驟1計算基準工況下加熱器純凝結段的傳熱特征系數(shù)
選取機組額定功率設計工況或性能考核試驗工況作為基準工況，加熱器按其抽汽壓力從高到低編號為1～n級，n為大于1的正整數(shù)，符號加上標字母“o”的參數(shù)表示其為基準工況下的參數(shù)，選取基準工況下第j級加熱器的熱力參數(shù)殼側(cè)壓力pnjo、疏水溫度tdjo、出水溫度twjo、進水溫度tw(j+1)o和機組功率Peo，并根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算殼側(cè)壓力pnjo下對應的飽和溫度tsjo， 由基準工況下加熱器的純凝結段傳熱方程 其中下標“N”表示純凝結段，(KF)No為基準工況下純凝結段傳熱系數(shù)K與傳熱面積F的乘積，(KF)No單位為kJ/(m2·℃·h)·m2； (DwCp)No為給水流量Dw與給水的定壓比熱容Cp的乘積，單位為kg/h·kJ/(kg·℃)，其中Cp取為定值4.1868kJ/(kg·℃)； 基準工況下加熱器的純凝結段傳熱溫差為 得到基準工況下加熱器的純凝結段的傳熱特征系數(shù) 步驟2計算實際工況下加熱器的出水溫度twj和疏水溫度tdj 步驟2.1在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj、第j級加熱器進水溫度tw(j+1)和機組功率Pe，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj，則通過計算得到實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj，再根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算出實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj對應的實際工況下的飽和溫度tsj，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，則通過計算得到實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)， 所述的計算實際工況下的殼側(cè)壓力pnj的方法是 在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j級加熱器抽汽壓力pj，計算實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj＝pj·(1-δpj)，δpj為實際工況下的第j級加熱器管道壓損率，δpj＝3％～5％； 所述的計算實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)的方法是 在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)，則在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j+1級加熱器抽汽壓力pj+1，計算實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)＝pj+1·(1-δpj+1)，δpj+1為實際工況下的第j+1級加熱器的管道壓損率，δpj+1＝3％～5％；然后根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)對應的飽和溫度ts(j+1)，并用飽和溫度減去第j+1級加熱器在設計工況下的端差θj+1，并以此差值為實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，即tw(j+1)＝ts(j+1)-θj+1， 步驟2.2出水溫度的計算 根據(jù)加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)、數(shù)值試驗和基于樣本的模型參數(shù)辨識算法以及實際工況的機組功率Pe計算得到實際工況下的加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)
最終根據(jù)此傳熱特征系數(shù)計算實際工況下的出水溫度 步驟2.3疏水溫度的計算 由加熱器凝結換熱的機理，抽汽在凝結放熱過程中保持其溫度在殼側(cè)壓力對應下的飽和溫度，因此，疏水溫度tdj等于加熱器殼側(cè)壓力下對應的飽和溫度tsj，即得到表面式加熱器的疏水溫度tdj＝tsj。
以330MW機組為例，實現(xiàn)汽輪機回熱系統(tǒng)中表面式加熱器的出水與疏水溫度的測算。該機組的#7加熱器為表面式低壓加熱器。
詳細計算步驟如下 (1)、計算基準工況下加熱器純凝結段的傳熱特征系數(shù)
選取額定功率的設計工況為基準工況，根據(jù)設計參數(shù)有#7加熱器的殼側(cè)壓力Pn7為0.0231MPa，出水溫度tw7為60.27℃，進水溫度twc為33.63℃。根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算殼側(cè)壓力對應的飽和溫度ts7為63.2℃。
(2)、計算實際工況下加熱器的出水溫度tw7和疏水溫度td7 選取實際工況為定壓75％負荷工況，從火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取殼側(cè)壓力P70.0174MPa，進水溫度twc33.86℃。根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算出殼側(cè)壓力對應的飽和溫度ts7為57.1℃。
根據(jù)加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)以及實際工況的功率計算得到實際工況下的加熱器傳熱特征系數(shù)，最終根據(jù)此傳熱特征系數(shù)計算實際工況下的出水溫度 由加熱器傳熱的機理，疏水溫度td7等于加熱器殼側(cè)壓力下對應的飽和溫度ts7，即td7＝ts7＝57.1℃，與測量值57.1℃的相對誤差為0.000％。
最終計算得到加熱器的出水溫度tw5為55.07℃，與測量值54.12相對誤差為1.722％。
權利要求
1.一種汽機表面式加熱器的出水及疏水溫度測算方法，其特征在于，
步驟1計算基準工況下加熱器純凝結段的傳熱特征系數(shù)
選取機組額定功率設計工況或性能考核試驗工況作為基準工況，加熱器按其抽汽壓力從高到低編號為1～n級，n為大于1的正整數(shù)，符號加上標字母“o”的參數(shù)表示其為基準工況下的參數(shù)，選取基準工況下第j級加熱器的熱力參數(shù)殼側(cè)壓力pnjo、疏水溫度tdjo、出水溫度twjo、進水溫度tw(j+1)o和機組功率Peo，并根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算殼側(cè)壓力Pnjo下對應的飽和溫度tsjo，
由基準工況下加熱器的純凝結段傳熱方程
其中下標“N”表示純凝結段，(KF)No為基準工況下純凝結段傳熱系數(shù)K與傳熱面積F的乘積，(KF)No單位為kJ/(m2·℃·h)·m2；
(DwCp)No為給水流量Dw與給水的定壓比熱容Cp的乘積，單位為kg/h·kJ/(kg·℃)，其中Cp取為定值4.1868kJ/(kg·℃)；
基準工況下加熱器的純凝結段傳熱溫差為
得到基準工況下加熱器的純凝結段的傳熱特征系數(shù)
步驟2計算實際工況下加熱器的出水溫度twj和疏水溫度tdj
步驟2.1在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj、第j級加熱器進水溫度tw(j+1)和機組功率Pe，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj，則通過計算得到實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj，再根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算出實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj對應的實際工況下的飽和溫度tsj，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，則通過計算得到實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，
所述的計算實際工況下的殼側(cè)壓力pnj的方法是
在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j級加熱器抽汽壓力pj，計算實際工況下的第j級加熱器殼側(cè)壓力pnj＝pj·(1-δpj)，δpj為實際工況下的第j級加熱器管道壓損率，δpj＝3％～5％；
所述的計算實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)的方法是
在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)，若在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中沒有讀取到實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)，則在火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS或分散控制系統(tǒng)DCS的數(shù)據(jù)庫中讀取實際工況下的第j+1級加熱器抽汽壓力pj+1，計算實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)＝pj+1·(1-δpj+1)，δpj+1為實際工況下的第j+1級加熱器的管道壓損率，δpj+1＝3％～5％；然后根據(jù)IAPWS-IF97工業(yè)用水和水蒸汽熱力性質(zhì)模型計算實際工況下的第j+1級加熱器殼側(cè)壓力pn(j+1)對應的飽和溫度ts(j+1)，并用飽和溫度減去第j+1級加熱器在設計工況下的端差θj+1，并以此差值為實際工況下的第j級加熱器進水溫度tw(j+1)，即tw(j+1)＝ts(j+1)-θj+1，
步驟2.2出水溫度的計算
根據(jù)加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)、數(shù)值試驗和基于樣本的模型參數(shù)辨識算法以及實際工況的機組功率Pe計算得到實際工況下的加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)
最終根據(jù)此傳熱特征系數(shù)計算實際工況下的出水溫度
步驟2.3疏水溫度的計算
由加熱器凝結換熱的機理，抽汽在凝結放熱過程中保持其溫度在殼側(cè)壓力對應下的飽和溫度，因此，疏水溫度tdj等于加熱器殼側(cè)壓力下對應的飽和溫度tsj，即得到表面式加熱器的疏水溫度tdj＝tsj。
全文摘要
一種汽機表面式加熱器的出水及疏水溫度測算方法。選取機組額定功率設計工況或性能考核試驗工況作為基準工況，并選取基準工況下的第j級加熱器的熱力參數(shù)并通過純凝結段傳熱方程，計算得到基準工況下加熱器純凝結段的傳熱特征系數(shù)。根據(jù)基準工況下加熱器純凝結段傳熱特征系數(shù)、數(shù)值試驗和基于樣本的模型參數(shù)辨識算法以及實際工況的機組功率Pe計算得到實際工況下的加熱器傳熱特征系數(shù)，最終根據(jù)實際工況下的傳熱特征系數(shù)計算實際工況下的出水溫度，實際工況下的疏水溫度等于實際工況下的加熱器殼側(cè)壓力下對應的飽和溫度。
文檔編號G01K13/02GK101825503SQ20101015026
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者王培紅, 王泉, 唐菲菲, 胡恩俊 申請人:東南大學