汽轮机热力性能计算软件应用-上海理工大学毕业论文

汽轮机热力性能计算软件应用-上海理工大学毕业论文 目录 第一章 绪论……………………………………………….…..1 ?1.1 我国电力工业发展概况………………………….….1 ?1.1.1 我国电力工业的成就及前景………………….1 ?1.1.2 燃煤发电在我国电力工业发展中的地位…….2 ?1.2 热经济性计算与机组优化调度系统的重要性……..3 第二章 热力性能与机组优化调度系统的简单介绍…………6 ?2.1 热力性能检测与优化调度系统的功能组成………...6 ?2.1.1 系统在电厂中所起的作用……………………..6 ?2.1.2 系统的主要功能…………………………….….7 ?2.2 性能分析与优化调度方法……………………………8 ?2.2.1 性能分析方法…………………………………...8 ?2.2.1 优化调度方法…………………………………...9 第三章 热力性能计算基本理论概述………………..…….….11 ?3.1 计算方法的选择……………….………………….….11 ?3.2 计算流程……………………….………………….….12 ?3.3 软件功能和特点……………………….………….….15 第四章 机组优化调度基本理论概述……………………….. .16 ?4.1 优化调度原理……………….…………………….….16 ?4.2 数据输入和输出…………….…………………….….19 ?4.3 关于负荷优化程序计算的说明…….…………….….20 第五章 IAPWS-IF97水和水蒸汽热力性质计算理论………..22 ?5.1 简介………………………….…………………….….22 ?5.2 IAPWS-IF97公式简介……...…………………….….23 第六章 汽轮机热力性能计算软件程序使用说明……………26 ?6.1 软件简介…………………….…………………….….26 ?6.2 系统运行平台……………….…………………….….26 ?6.3 程序功能说明……………….…………………….….26 ?6.3.1 软件主界面….……………………………….....26 ?6.3.2 菜单主要功能.……………………………….....28 第七章 机组优化调度软件程序使用说明……………………35 ?7.1 软件简介…………………….…………………….….35 ?7.2 系统运行平台……………….…………………….….35 ?7.3 程序功能说明……………….…………………….….35 ?7.3.1 软件主界面….……………………………….....35 ?7.3.2 程序主要功能.……………………………...…..36 第八章 温度标定系统及数据采集程序………………………41 ?8.1 动力工程基本量测控实验室概述………………..…41 ?8.2 实验室温度压力测试用设备…………………….….41 ?8.3 数据采集卡简介…………….…………………….….41 ?8.4 MCGS系统介绍…………….…………………….….42 ?8.5 MCGS程序 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 概述……….…………………….….44 全文总结……………………………………………………………47 参考文献……………………………………………………………48 专业英文 翻译 阿房宫赋翻译下载德汉翻译pdf阿房宫赋翻译下载阿房宫赋翻译下载翻译理论.doc 致谢 第一章 绪论 ?1.1 我国电力工业发展概况 ?1.1.1 我国电力工业的成就及前景 电力是国民经济发展的基本条件，是社会基础设施的重要组成部分。经济要发展，电力要先行。电力工业的发展，不但推动了电力设备制造业和安装业的发展，同时也推动了与之相关的科研工作的发展。 我国是世界上电力生产最早的国家之一【1】，早在19世纪80年代初(1882年)就开始生产电力。然而直到“六五”之前，我国的电力工业发展一直非常缓慢。因此在“六五”、“七五”特别是“八五” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 期间，国家将增加发电设备装机容量作为一件大事来抓，取得了明显的成绩。到1995年底，我国发电设备装机容量跃居世界第三位，发电量居世界第二位。 “九五”期间，电力工业发展的具体目标为:到2000年全国发电设备装机容量将达到300000 MW，电力年均增长率约7%。根据1996年3月八届人大四次会议批准的《国民经济和社会发展“九五”计划和2010远景目标纲要》，2010年国民生产总值比2000年翻一番，按照电力与国民经济同步发展考虑，到2010年，全国发电设备装机容量将达到50~55万MW。 尽管我国电力建设取得了巨大的成就，但我国电力供应的缺口仍然很大。按1996年的用电情况测算，全国大约缺少装机容量20000 MW，缺电约800亿度【2】。人口的增长以及现代化进程使我国对电力的需求不断增加。到1995年底，我国人均装机容量仅为0.181 kW，按照每人1kKW计(1995年美国人均为3.4 kW，俄罗斯1.1 kW ，日本1.2 kW)的目标，按2050年我国人口达到15亿计，则至2050年我国发电装机容量需达到150万MW，比1995年净增130万MW，因此，我国 电力工业仍有非常巨大的发展空间。 ?1.1.2 燃煤发电在我国电力工业发展中的地位 从全世界范围来看，火力发电在电力工业中起着主导作用，在我国所占的比例更大(70%)，我国煤炭资源丰富，故以煤电为主，燃煤发电在我国电力工业中起者决定性的作用。在今后几十年内，仍将保持在60~70%【3】。 1995年我国发电设备总装机容量217224.2 MW，其中火电装机占74%，核电占0.97%，水电占25.03%【4】。到2000年全国发电设备装机容量将达到290000 MW，其中火电218700MW，占75%;水电62900 MW，占22.0%;核电2100 MW，占0.7%。年发电量约为14000亿度，其中火力发电11740亿度，占83.86%。到2010年发电设备装机容量将达到500000~550000 MW，三峡全部建成，水电装机容量达到115000MW，但火电仍居主要地位。发电量达到25000亿度，占80%【5】。 我国的能源资源特点决定了火电要继续发展。我国的石油和天然气储量有限，探明程度低，资源宝贵，大多要作为重要的工业原材料，不能用于发电。因此，以煤为主的能源结构在相当长的时期内难以改变。我国煤炭资源在1990年末保存储量达9543亿吨，1995年原煤产量达11.98亿吨，居世界首位。据有关部门预测，2000年原煤产量可达14.5亿吨左右，2010年可达19亿吨左右。1995年全国发电供热用煤4.4亿吨，占原煤总产量的36.7%。到2000年，全国需发电供热用煤6.3亿吨，占原煤总产量的43.4%【1】。2000~2010年期间，计划新增火电机组15万MW以上，年新增用煤约4000万吨，占新增煤炭产量的90% 左右(按2010年煤产量19亿吨测算)。表1-1为我国一次能源消费结构【6】。 表1-1 我国一次能源消费结构(,) 年份 煤 石油 天然气 水电 核能及新能源 1953 94.33 3.81 0.02 1.84 1980 72.2 20.7 3.1 4.0 1993 75.8 20.3 2.1 1.8 2000 ~70 19.5 ~3 6.0 2050 60~70 5 5 6.0 15~25 从表1-1可以看出，在未来相当长一段时期内，燃煤发电仍是我国电力工业的主力军。 ?1.2 热经济性计算与机组优化调度系统的重要性 火电厂的热力系统是实现热功转换的系统。它是通过热力管道及阀门将各热力设备有机地联系起来，在各种工况下安全、经济、连续地将燃料的热能转换成电能。因而要监测电厂热经济性就要计算各种工况下热力系统的热经济指标。 火电厂热力系统计算是热能动力工程的一项重要的技术工作，通过热力系统计算可求出机组和电厂准确的热经济性，其基本原理是系统的质量守恒方程和能量守恒方程。火电厂的设计、技术改造、运行优化以及对火电厂性能监测、运行偏差的分析等均需对火电厂的热力系统作详细的热平衡计算，求出热经济性指标作为决策的依据，因此，电厂的热力系统计算是实现上述任务的重要技术基础，直接反映出全厂的经济效益，对电厂的节能具有重要意义。 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，电厂的负荷状况有了很大的变化，主要表现是昼夜负荷峰谷差值加大，对于一个电厂而言，可能需要在每天的不同时间之内对机组分配不同的负荷。对于大、中容量的机组更是如此。 随着市场经济的深入发展，竞价上网使电厂对于机组发电的经济性越来越关心;可持续发展也要求对一次的不可再生能源进行节约。火电厂每天每时都在消耗 着各种燃料，如果提高火电厂的燃料利用的效率，无疑会为国家节约大量的宝贵的一次资源。 电厂通过技术改造，提高单台机组的效率，可以使单台机组节约大量的燃料，但是，对于一个电厂而言，通常是有许多台机组并列运行;对于一个电力系统，是有许多的电厂在运行。对于电厂，给定的负荷是要在多台机组间分配的，有时一种功率的分配方式并不能完全保证所有的机组都能够在比较经济的负荷下运行。一个电厂里的机组的容量不同，经济负荷区就有可能不同，即使是同一类型的机组，各自的效率也会有差别，把负荷优先分配给效率高的大容量的机组似乎是一种经济的分配方式。但是通过分析可以知道，这样分配负荷并不一定最经济。通过对电厂的运行记录进行分析，可以知道，并不是增加高效率的机组的负荷和减少效率低的机组的负荷就会使电厂总的供电煤耗最少。通常，提高高效率机组的负荷能节约燃料的话，降低低效率的机组的负荷可能会浪费更多的燃料，如果分配不当的话有可能使浪费的燃料反而多于节约的燃料。 随着当前计算机技术、控制技术、系统软件等高新技术的迅速发展，电厂的技术水平不断提高，国外电厂基本上已装备了DCS系统，具有在线实时机组热经济分析和优化运行监控等功能。采用这一技术的关键之一是机组热经济分析和优化软件。然而，杭州半山发电有限公司目前还没有装备DCS系统，也没有发电部、值长和生产技术部等都需要的热经济性分析和负荷调度、(热效率、热耗以及汽耗计算等)软件，以及在WINDOWS平台上运行的水和水蒸汽性质计算软件。为了提高机组运行水平和经济效益，配合4号机的改造和上脱硫设备，在半山发电有限公司的支持下，我们开发了125MW机组热经济性分析和负荷优化调度软件。该软件包括基于最新的国际水和水蒸汽热力性质公式IAPWS,IF97的水和水蒸汽热力性质计算软件、在此基础上发展的根据ASME PTC,6汽轮机热力性能试验 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 的125MW汽轮机热力性能计算软件和能用于2台125MW机组间最佳负荷分配的软件。目前此软件已交付杭州半山发电厂使用，且反映良好。 第二章 热力性能与机组优化调度系统的简单介绍 ?2.1热力性能检测与优化调度系统的功能组成 ?2.1.1 系统在电厂中所起的作用 杭州半山发电厂一期工程安装建造的两台125MW汽轮发电机组，经过几十年运行调整，随着管理方式和机组运行技术的日趋完善，机组的可靠性越来越高，在保证电网的负荷要求和稳定电网运行方面发挥了非常重要作用。但是，随着机组投运时间的增加，机组的设备也不可避免地会发生老化，从而会导致机组性能的改变。因此，如何设法监视机组的运行性能，改进机组的运行方式，进一步提高机组的安全性和经济性，充分发挥在役机组的作用，就成为在解决机组运行可靠性问题后亟待解决的另一个重要问题。与此同时，在我国电力工业中，电网中高参数大容量发电机组越来越多，促使对网中机组经济性要求也越来越高，特别是与经济性密切相关的“竟价上网”已越来越引起国家电力管理部门和企业单位的高度重视。面对电力工业的这种发展趋势，大型汽轮发电机组如何监视机组的运行性能，提高机组的运行经济性，延长机组的运行寿命亦已成为我国电力工业中必须抓紧研究和解决的重要问题。 125MW汽轮发电机组性能监测与调度系统是针对杭州半山发电厂3，4号机组研制开发的，该系统通过离线计算机组各组成设备的性能指标，把数量庞大的原始采集数据分析和处理成为直观的为数较少的性能结果，实时指导运行人员及时调整机组运行工况，从而取得最好的经济效益。 ?2.1.2 系统的主要功能 125MW汽轮发电机组性能与调度系统为汽轮机安全与有效运行提 供了性能计算、优化调度、数据输出和保存功能。 , 性能计算 与汽轮机热力性能有关的性能计算主要有机组总热耗率 偏差和总负荷偏差计算、各影响因素产生的热耗率偏差和负 荷偏差计算、汽轮机效率计算、不可测参数计算、回热系统 有关性能特性计算。对热耗率偏差和负荷偏差的影响因素各 有十多项. , 优化调度 由于目前杭州半山发电厂机组都没有能够实现数据的实 时采集，所以无法精确的根据实时数据计算得到机组优化所 需的目标函数。而且在运行中，机组的工况随时可能有小范 围的波动，利用实时数据采集的结果也难以保证真正的实时 优化分配负荷。所以不采用实时的分配负荷，而是根据机组 在相邻近的不同日期同时间段的工况特性具有相似的特点， 根据前一段时间的运行记录数据拟合出机组的煤耗与机组负 荷的函数，利用两台机组的煤耗关于负荷的函数得到负荷优 化分配目标函数。用户可以根据实际需要刷新数据，以适应 机组的工况特征随季节的变化。 , 数据输出和保存 所有计算结果和原始数据均以EXCEL的表格形式输出，图1、图2分别给出了汽轮机热力性能和负荷优化分配的输出表格。运行人员根据少量的输出数据就可方便地了解机组当前的运行 状态，从而正确指导机组运行。 图1 图2 ?2.2 性能分析与优化调度方法 ?2.2.1 性能分析方法 性能分析方法是指在性能计算中如何正确处理各种测量数据从而获得有用信息的方法，这是在性能检测系统研制开发过程中的一个关键问题。性能计算的最终目的是指导运行人员选用合适的运行或调整方 式，使机组处于最佳或接近最佳运行状态。这意味着性能计算应能为运行人员提供两类重要性能数据，一类是能用来定量地评价机组实际运行状态的优劣，另一类是能定量地确定各种运行条件变化对实际运行性能的影响。 在一般性能试验或新机组性能考核试验中，通常采用绝对量来衡量机组的性能优劣。如采用热耗率来确定机组的经济性，热耗率高低表明了机组经济性的好坏。在这些试验中对运行工况、过程稳定性、数采测点的精确性以及有关阀门的隔离情况都必须严格服从试验规范要求，因而采集得到的或计算得到的数据均具有较高的可信度和较强的可比较性，以此确定机组性能优劣不存在太大偏差。 125MW汽轮发电机组性能计算系统根据当前工况下的各种真实测量值计算机组的性能指标，为了便于进行比较，可同时与当前工况的初终参数为值来计算性能指标的应达值。显然，由于测点问题这两种热耗率都存在误差，但两者差值的误差通常比绝对值的误差要小。运行人员依据热耗率的偏差值可以确定当前机组运行经济性的好坏，或了解当前工况偏离理想工况的程度，明确机组运行的改进方向。另外，理想热耗率与当前的运行参数密切相关，即理想热耗率随工况的改变而改变，故由此得到的热耗偏差有较好的可比较性。 ?2.2.2 优化调度方法 根据电厂的实际情况，电厂的负荷在某一段时间内是不变的，总的说来是阶梯状变化。所以，优化分配的任务主要是在某个时段内合理分配负荷，令投入运行的机组总的燃料消耗是最少的。进行优化的方法使用最多的是基于拉格朗日乘数法的“等微增率法”，其目标函数是参与分配的机组总燃料(煤)消耗量对总负荷的函数，约束条件为各机组的负荷之和等于总负荷。 举个例子来说，如电力系统分配给电厂负荷小于100MW，电厂只要开一台机组，当然由热经济性较好的机组来承担。如果系统分配的负荷介于100~200MW之间，则有如何在两台机组间进行分配才经济的问题。似乎是让经济性好的机组带满负荷，余下的负荷由另外一台机组承担，其实这样分配却是不经济的。设系统给定的负荷为120MW，有甲乙两种不同的负荷分配方案，假设经济性好的机组为1号机组，另外一台为2号机组。前者先让1号机组带满100MW，余下20MW由2号机承担;后者与之相反。根据有关的能量特性曲线上的有关数据，甲、乙两方案的总汽耗为: 甲方案:P1d1+P2d2=10*4.28+2*9.2=61.2 t/h 乙方案:P2d2+P1d1=10*4.38+2*6.8=57.4 t/h 两者相差标准汽3.8 t/h，可见按能耗率分配负荷是不经济的。发电厂内热力设备间或电厂之间的负荷经济分配，起主导作用的是微增能耗率，不是能耗率。 第三章 热力性能计算基本理论概述 ?3.1计算方法的选择 电厂热力系统计算的目的是为了确定热力系统各部分的汽水流 量和电厂的热经济性指标。其计算的方法有多种，如热平衡法、等 效热降法、循环函数法和组合结构法等。本软件根据ASME PTC, 6汽轮机热力性能试验规程，结合热平衡法和组合结构法编制。热 平衡法即常规计算方法，它主要是利用热力系统的物质平衡和热平 衡关系计算热力系统的热经济性。计算的核心，实际上是对Z个加热器的热平衡式和一个功率方程式或一个求凝水流量的物质平衡所组成的(Z+1)个线性方程的方程组求解，最终求得Z个加热器的抽汽量和凝水流量。 采用热平衡为基础的热力系统计算可分为串联算法和近年来发展的并联矩阵算法(或称同时算法)，传统算法都遵循串联方法，严格遵守系统中汽水流动的实际物理过程分步计算，比较直观。但若系统构成有变化时，要重新建立方程。并联矩阵算法，就是以系统的热平衡原理为基础列出热平衡和质量平衡方程组组成矩阵进行求解。当热力系统发生改变时，只需调整矩阵的维数或相应的系数矩阵即可，使计算变得更加简明、层次明晰。因此本软件采用了并联矩阵算法。 求热经济性指标(汽耗、热耗、汽轮机内效率及高中低压缸效率)的计算采用了正平衡法。 ?3.2 计算流程 ,#半山发电有限公司4和5 机组是125MW，二高加、四低加一除氧器的凝汽式机组。其原则性热力系统图如图所示。 计算步骤如下: (1)整理原始资料 对热力性能试验得到的有关原始数据进行整理、分类，按已确定的格式写入Excel表格中，并按ASME PTC,6规程确定某些辅助设备的汽水流量和效率。 (2)建立各个加热器的热平衡方程和物质平衡方程组 根据得到的数据建立能量平衡和质量平衡方程组如下: (h-hd)D+ (hw-hw) Dfw = (hd-h) Dgj 1112111 (h-hd)D + (hd-hd) D+ (hw-hw) Dfw = (hd-hd) Dgj 2221213221 (h-hwp)D + (hd- hwp) D+ (hd- hwp) D = (hwp-hw)Gc 33323223134 +(hwp-h)Dcy+ 33 (hwp-hd)Dgj-hwpDjy+hjy323 Djy (h-hd)D= (hw-hw)Gc 44445 (h-hd)D+ (hd-hd) D= (hw-hw)Gc 55545556 (h-hw)D+ (hd-hw) D +(hd-hw) D= (hw-hw)Gc- (hw-hw)Djd 6765755746767 (h-hd)D+ (hw–hw) D +(hw–hw) D + (hw–hw) D= (hw-hw)Gc+ 7777 867 857 8478(hw-hw)Djd 87 D+D+D-Dfw=Djy+Grh-Dgj-Dcy-Gc-(Gbfp-Gboo) 123 (3)将以上线性方程组整理成矩阵的形式，进行回热系统计算，得 到各个加热器的抽汽量和给水流量Dfw: aaaaaaaa Db 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1 aaaaaa Db aa21 22 23 24 25 26 27 28 2 2 aaaaaaaaDb 31 32 33 34 35 36 37 38 3 3 aaaaaaaaD= b 41 42 43 44 45 46 47 48 4 4 aaaaaaaaDb 51 52 53 54 55 56 57 58 5 5 aaaaaaaaDb 61 62 63 64 65 66 67 68 6 6 aaaaaaaaDb71 72 73 74 75 76 77 78 7 7 aaaaaaaaDb 81 82 83 84 85 86 87 88 fw 8 说明:第六抽汽点已进入湿蒸汽区，此时压力和温度不再是独立的 参数，在蒸汽湿度事先未知的情况下，软件采用整个机组 ,,的热平衡方程式不断迭代的方法得到6和7低加的汽水 焓值和抽汽量 (4)热经济指标的计算 为了定量评价凝汽式电厂的热经济性，世界各国目前均用热量法制定了全厂和汽轮机组的热经济指标。这些指标一般可以分为三类:直接说明热经济性的热效率和能耗率(单位发电量的能耗)，以及说明与产量(Pe 或Wi)和热经济性有关的单位时间能耗。它们之间可通过反映能量生产关系的功率方程式相联系。 凝汽式电厂最重要的热经济性指标是:全厂热效率、煤耗率;汽轮发电机组的绝对电效率和热耗率。 这里给出的是: a.汽轮机的绝对内效率Wηi W=Wi / Qηi0 Wi---汽轮机汽耗为D时，以热量计的实际内功率 0 Q---汽轮机汽耗为D时的热耗 00 b. 汽轮发电机组的热耗率q 、汽耗率d q =Q/ Pe 0 d =q*D/ Q0 0 Q---汽轮机汽耗为D时的热耗 00 D---汽耗量 0 Pe---汽轮机的功率 c. 汽轮机高、中、低压缸的效率 (5)计算结果的修正 由于汽轮机热力系统的主汽参数、再热蒸汽参数、背压、发电机功率因素等在运行时与制造厂给定的额定参数不尽相同，得到的热耗率、效率等也不相同。为能对结果进行比较，必须对计算结果进行修正。按ASME PTC6标准，我们将制造厂给出的各种修正曲线拟合成函数，编入程序。软件会根据输入的参数自动对计算结构进行修正，并给出修正前和修正后的热耗值等参数。 ?3.3 软件功能和特点 (1)由于目前半山发电有限公司的热力性能试验或各测点的测量结果还不能直接进入计算机数据采集系统进行处理，软件只能采取离线处理的方式。热力性能试验得到的数据先按一定的格式输入到Excel表格中，该表格在软件中已设定好，使用时只要按表格上的提示输入试验数据即可，软件会自动计算试验数据的平均值。 (2) 计算结果不仅直接标注在软件显示的系统图相应位置上，还输出到Excel表格中，图和表格均能打印出来。 (3) 参数的热力性质计算采用了IAPWS,IF97公式。 (4) 压力输入可以是表压，减轻了试验人员的工作强度。 第四章 机组优化调度基本理论概述 ?4(1 优化调度原理 电厂负荷优化分配是要使电厂里投入运行的机组总燃料消耗量最少。目前在数学上有许多对目标函数进行优化的方法，许多都可以有效的用于电厂的负荷优化分配。对于电厂的负荷优化而言，更多的是使用基于拉格朗日乘数法的“等微增率法”，其目标函数是参与分配的机组总的燃料(煤)消耗量对总负荷的函数。约束条件为各机组的负荷之和等于总负荷。 电厂机组总的燃料消耗量是各机组燃料消耗量之和 B=B1+B2+„+Bn —电厂机组总的煤耗 B Bi—第I个机组的煤耗 每台机组的煤耗可以认为是该机组负荷的单值函数 Bi=F(Pi) Pi — 第I个机组的负荷 等微增率方程: P=P1+P2+„+Pn B=B1+B2+„+Bn 负荷分配的目标是min(B),而P=P1+P2+„+Pn为约束条件。根据拉格朗日乘数法，将条件极值化为无条件极值处理，引入不定乘数λ，目标函数化为W=B1+B2+„+Bn+λ( P1+P2+„+Pn) 条件极值的必要条件是目标函数的一阶导数为零，充分条件是二阶导数大于零。电厂的机组之间的煤耗是独立变化的，所以有 dW/d(Pi)=d(Bi)/d(Pi)+ λ*d(P1+P2+„+Pn)/d(Pi) = d(Bi)/d(Pi)+ λ*d(Pi)/d(Pi) = d(Bi)/d(Pi)+ λ=0 定义bi= d(Bi)/d(Pi)，bi称为机组对于功率(负荷)的微增煤耗率，有 b1+λ=b2+λ=„=bn+λ=0 即 b1=b2=„=bn=-λ----------(*) 同样，由于机组各自的煤耗为独立变化的，且λ为常数，所以，W对P1,P2,Pn的二阶导数为 d[dW/d(Pi)]/ d(Pi)= d[d(Bi)/d(Pi)]/ d(Pi) 通常机组的煤耗对于负荷的函数为二次的下凹函数，由高等数学的知识可知下凹二次函数的二次导数大于零。 由(*)式可以看出，在满足拉格朗日乘数法的条件时，各机组的微增煤耗率相等，“等微增率”即体现于此。在实践中上还有电厂采用“内点法”，“单纯型法”，以及人工智能的“遗传算法”等对机组负荷进行优化。 以前，对电厂进行负荷的优化分配是通过人工计算，再根据结果编制表格或绘出线算图，分配时查取表格或图得到负荷，这样进行负荷优化分配需要要大量的时间来编制表格和图，而且不易保证准确。当机组的情况发生变化后，要重新计算并编制表格和画图，对于机组的变化的适应性很差。在计算机软件和硬件技术高速发展的今天，许多的繁杂而又需精度的工作可以通过软件编程来完成。计算机的计算速度是人工计算速度不能比拟的，一些人工计算难于实现的方法用计算机可以很容易的解决。而且当程序编好并调试正确后，一般不会再出现人为的误差。当资料较为完备时，还可以进行更为准确的计算，使结果更加接近实际。 程序可以将大量的需要用到的数据存储到数据库中，当机组的情况发生变化时，只需修改程序中相关的参数即可，工作量很小。用户需要进行计算时只须输入必要的参数就可以很快而且很直观的得到结果,十分方便。 目前杭州半山发电有限公司为两台50MW机组和两台125MW机组。由于50MW机组计划在不久后将淘汰，本项目暂不对它们不进行负荷优化分配。 , 2台125MW机组中的4机组的汽机通流部分进行改造，在基本相同流量时最大负荷可达135MW，经济性有了很大提高，所以两台机组的性能有很大的不同，可以考虑如何在它们之间进行合理的分配负荷来降低煤耗。 根据实际情况，电厂的负荷随在一天内是变化的但是在某一段时间是基本不变。由于目前半山发电有限公司尚不能对机组的参数进行在内 线实时采集，所以无法根据实时数据计算得到机组优化所需的目标函数。所以本软件不采用实时的优化分配负荷，而是根据机组在相邻近的不同日期的同时间的工况特性具有相似的特点，根据长时间运行记录的数据拟合出机组的煤耗与机组负荷的函数，利用两台机组的煤耗关于负荷的函数得到负荷优化分配的目标函数。用户可以根据实际需要刷新数据，以适应机组的工况特征随季节的变化。 由于条件的限制，对机组的能耗的目标函数还不能够实时、精确地给出，负荷的优化分配算法还是采用较为简便易行的“等微增率法”。 机组的负荷优化分配考虑的是“供电煤耗”最少，对于一般的火电厂，厂用电率在6%-10%之间变化，对于大容量的机组而言，厂用电的量以及净功率同总功率的差别间是很大的。所以计算中要考虑厂用电对煤耗的修正。一般的做法是先计算煤耗同总功率的关系，待求出微增煤耗 率同总功率的关系后再对其修正。本程序采用这种方法。 在电厂中的厂用电主要设备是风机、磨煤机、给水泵、循环水泵、及其他设备电机的电耗。根据我们对电厂运行日志的分析发现，锅炉引风机和送风机的用电随功率的变化有明显的变化，而该2台125MW机组是中间仓储式制粉系统，磨煤机电耗的变化同负荷的变化没有明显关系，给水泵、循环水泵和发电机冷却水泵的用电随负荷没有明显的变化，电厂没有明显的随负荷变化的厂用汽的特征。考虑到这些因素，我们对,,4和5机组长时间的运行记录以及煤的发热量等参数进行了回归，并按前述方法对数据进行处理，得到2台机组的负荷最优调度结果。如对于9月3日0 时的运行资料分析，当时2台机组的总负荷为253MW，当时实际的分配方法是4号机组的负荷为133MW，5号机组的负荷为120MW。采用负荷优化分配之后，相应的4号机组的负荷应为 135MW，5号机组负荷为118MW。 的 ?4(2 数据输入和输出 图3 是软件的输入参数界面。数据的输入分2部分，一部分是2台机组共同的参数，包括总负荷、煤的发热量等。进行负荷分配时认为2台机组燃用的煤是同样的煤。另一部分输入参数是各台机组自己的特性参数，包括锅炉的不同负荷时的效率、锅炉的出口蒸汽的额定参数、给水参数、再热器参数、引风机和送风机在不同负荷时的电流等。 根据对运行日志的分析，我们得到一组参数作为软件的默认值。 设定以上参数后就可运行软件对2台机组的负荷进行优化调度，优化结果显示在另一窗口中，并能打印或输出到文件中。 图3 优化运行软件的输入参数界面 ?4(3 关于负荷优化程序计算的说明 (1) 因为中间仓储式制粉系统难以准确的测量燃料消耗量，所以本程序用锅炉提供的热量、锅炉的效率和煤的发热量求燃料消耗量。程序中须输入每个机组在五个负荷下的一些汽水参数以便计算机组消耗的热量。这些数据短期内基本无太大变化，所以不必在调用程序时实时输入。在第一次输入以后程序会存储这些数据，以后的计算将采用以前输入的数据，以后用户可以在需要时对其刷新。 (2) 电厂的运行记录看，难以根据其中的数据来准确求得锅炉的再热蒸汽的流量，所以，程序中提供了再热流量的默认值，此值是根据汽机的性能试验数据用三次曲线拟合的机组负荷的函数。如能实现参数的实时采集或用户如果能提供准确的再热蒸汽的流量，只需改写输入框内的数值即可。 (3) 序对数据的拟合采用的是最小二乘法。对燃料消耗的曲线是用二次曲线拟合的。汽轮机的能耗特性曲线采用的是分段一 次曲线(直线)。最后求得的机组供电微增煤耗率是机组总负荷 的一次函数。 (4) 因为5号机组没有可用的锅炉效率的实验数据，所以， 目前两台机组采用的效率曲线都是用的4号机组在2000年4月 的《#4炉大修后效率实验报告》中的数据。如果以后用户有了5 号机组的锅炉效率曲线后可输入新的值。 (5) 根据电厂的运行记录分析，本程序没有考虑厂用汽对供 电煤耗的修正，厂用电部分则主要考虑随负荷变化较大的锅炉的 风机耗电量。 (6) 程序采用Visual Basic语言编写。 第五章 IAPWS-IF97水和水蒸汽热力性质计算理论 ?5(1 简介 1967 年国际公式化委员会通过IFC—67水和水蒸汽热力性质计算公式后，该公式迅速得到了国际电力界的认可和广泛使用。在我国该公式已广泛用于汽轮机锅炉设计，电厂热力系统循环计算，性能试验等涉及到水和水蒸汽热力性质的各种场合，并随着计算机技术的飞速发展而得到迅速推广。但经过20多年的实际使用，IFC—67公式的一些缺点，如公式极其繁复，计算速度慢，在各个计算子区域间各公式的一致性不好，仅有由压力和比容计算其它热力参数的正则公式，使用不够方便等。这些问题在其得到广泛使用的同时也日益显现。这些事实的存在，以及近20多年来对水和水蒸汽性质研究的进展和发展精确状态方程方面数学方法所取得的巨大进展，使得国际水和水蒸汽性质学会(IAPWS)从1990年开始研究新的水和水蒸汽热力性质计算公式，并于1995年通 过了“通用和科学用水和水蒸汽性质计算公式”，简称IAPWS—95，作为水与水蒸汽热力性质的基准。在此基础上，IAPWS于1995年开始研究工业用公式，1997年新的工业用公式获IAPWS通过。这个新公式称为“IAPWS水和水蒸汽热力性质1997工业用公式”，简称为IAPWS—IF97。该公式于1998年6月正式发表，IAPWS建议从1999年开始取代原有的IFC—67公式以作为新的水和水蒸汽热力性质工业用标准应用于国际商务活动中。 由于IAPWS—IF97与IFC—67之间在焓、熵等热力参数的值上存在差异，IAPWS建议用户，特别是锅炉、汽轮机制造厂商，电厂和相应的工程技术人员修改原有的程序和设计规程，采用新的标准。 ?5(2 IAPWS—IF97公式简介 在IAPWS-IF97的制定中为提高新标准的整体质量，考虑了3个关键的因素，精度、沿子区域边界的一致性和计算速度。IAPWS—IF97的整个计算范围为: 273.15 K ? T ? 1073.15 K , P ? 100 MPa 1073.15K ? T ? 2273.15K , P ? 10 MPa 与IFC—67公式不同，IAPWS—IF97公式简化了计算子区域，将原有的6个计算子区域简化为4个子区域，同时增加了一个高温区。计算子区域的划分见图1: 图1 IAPWS—IF97公式的计算子区域 子区域1称为单相液态区，子区域2称为单相汽态区，它们由吉布斯比自由能g ( P ,T )基本方程涵盖;子区域3称为临界点区，由霍尔姆兹比自由能 f (ρ,T )基本方程涵盖;子区域4是两相区(湿蒸汽区)，由饱和压力方程P(T)涵盖;高温区5则由一个g ( P ,T )方程涵盖。 S 从理论上讲可以由这些基本公式通过叠代运算，根据任意2个输入参数得到其它热力参数，如在IFC,67公式中采用的那样。但在实际应用中这样做并不太方便，为此IAPWS—IF97在常用的子区域1和子区域2分别提供了以压力—焓，压力—熵为输入参数来求解温度值的导入方程T(P，h)和T(P，S)。导入方程的引入使得在这两个子区域的计算更为方便、快捷。 考虑到IFC—67公式在各子区域边界上一致性不好，IAPWS—IF97在这方面有了很大的改善。现在各相邻子区域的基本方程在边界上的计算结果基本吻合，根据文献的介绍，IAPWS—IF97在这方面的精度比 IFC—67高一个数量级，在整个计算范围内IAPWS—IF97的精度也有较大提高。表1给出了部分热力参数值分别按IAPWS—IF97和IFC—67公式计算的比较。从表中可以见，在子区域中按新公式计算的热力参数值与按老公式所计算的热力参数值有所不同，而这对汽轮机性能保证热耗试验等会带来较大影响。同时，与IFC—67公式比较，在各个子区域内IAPWS—IF97的计算速度可以提高5~12倍不等。这使得由于原IFC—67公式计算速度慢而进行的简化近似公式研究不再必要。 原IFC—67公式计算速度慢而进行的简化近似公式研究不再必要。 表1 IAPWS—IF97公式与IFC—67公式部分参数值比较 3-1-1-1-1P(Mpa) v(mkg ) h(kJkg) s(kJkgK) t(?) 所属子区域 IAPWS—IF97 20 350 0.001665 1645.95 3.7288 子区域1 IFC—67 20 350 0.001662 1647.2 3.7308 子区域1 IAPWS—IF97 20 550 0.0166 3396.24 6.3390 子区域2 IFC—67 20 550 0.01655 3394.1 6.3374 子区域2 IAPWS—IF97 1 179.89 0.001127 762.68 2.1384 饱和水 IFC—67 1 179.88 0.001127 762.61 2.1382 饱和水 IAPWS—IF97 1 179.89 0.1943 2777.12 6.585 饱和汽 IFC—67 1 179.88 0.1943 2776.2 6.5828 饱和汽 第六章 汽轮机热力性能计算软件程序使用说明 ?6.1软件简介 本软件针对杭州半山发电有限公司4号机与5号机进行开发,同时适用于其它相同类型的机组。本软件通过对机组的设备状况、运行参数的计算,分析机组的运行经济性,为运行人员和运行管理人员及其他人员提供有价值的技术数据。 ?6.2系统运行平台 开发平台为Windows98,同时适用于Windows95/97及WindowsNT/Windows2000平台。采用面向对象的程序设计思想,选用面向对象的具有高度集成环境的Microsoft Visual Basic 6.0 作为编程语言。 软件显示方式:800*600、真彩色。 ?6.3程序功能说明 ?6.3.1软件主界面 为了简单有效的实现汽轮机热力性能的计算，我们的性能检测软件设计遵循了两个 基本原则 信息分类和编码的基本原则与方法民事诉讼法的基本原则无菌技术的基本原则建筑设计的基本原则临床抗菌药物合理应用的基本原则 :一是使系统尽可能的简单、便于操作;二是性能计算的结果要使运行人员一目了然。基于此，我们设计了软件主要完成的功能如图(6-1)所示。 性能计算 性能分析 图形分析 主手工输入 界 面 数据输入 从Excel调入 图形方式 报表打印 表格方式 退出系统 (6-1) 软件主界面(如图(6-2)所示)由三个区域组成:顶部是主菜单栏区，显示的是可供选择的操作菜单，右上角显示的是系统计算中所采用的单位。顶部菜单下面的左边，是数据输入区域，系统计算中所需要的数据都由此输入进去。顶部菜单下面的右边，是计算用图和结果显示区域。 图6-8 软件主界面 ?6.3.2 菜单主要功能 图6-3 工具栏 工具栏按钮从左往右依次为: , 打开 , 保存 , 计算 , 图形分析 , 手工输入 , 自动导入 , 用图打印 , 打印报表 , 关于 , 帮助 , 退出 一( 数据输入 软件数据录入缺省界面为: 输入数据时先选择参数点,再输入该参数点下的压力或温度或流量或焓值。为了方便用户,软件计算前自动会检验数据,如发现遗漏数据,则 给出提示。如用户遗漏输再热蒸汽压力值,则软件给出如下提示: 另外当地大气压值 , 如其它参数采用的是表压值,则输入当地大气压的具体值 。 如其它参数采用的是绝压值,则在当地大气压一栏输入零。 否则给出如下提示: 另外数据输入分为两种方式:一种是手工输入，另一种是从外部的Excel文件中导入数据到程序中，这样就便于数据的修改与保存。 , 手工输入 程序中数据输入方式的一种。当点击该按扭时，程序自动调用EXCEL工作簿，选择要输入的参数项， 进行手工输入，输入和修改的数据能自动反映到本程序中。 注意事项:1:当启用本项功能以后，在程序运行期间，不得关闭 EXCEL 工作簿，否则将发生链接错误，在EXCEL中输入的数 据不能正确反映到程序中。 2:在EXCEL输入数据，应首先确保字段名下的第一个单元 格有数值，否则 本程序视该字段名为空值，即使 EXCEL表字段名第二个单元格下面有数值。 3:不能改动本程序在EXCEL中设置好的字段名，否则程序 将因为找不到相应的字段名，而发生错误。 , 自动导入 一般情况是启动手工输入功能以后，把数据输入EXCEL表，退出保存。下次要是再用到这些数据时，你就可以启动该功能，直接把数据导入到本程序。或者先在EXCEL中输入数据，再启用本程序，调用这些数据。但必须保证EXCEL工作薄的结构跟启用手工输入功能时本程序设置的EXCEL工作薄的结构相同(即所有的表名与字段名要相同)。这种情况应该尽量避免，因为自己来输入表名与字段名很难保证不输错。 二(经济性计算 , 计算 当必要的参数都设置好后，可按此按钮进行计算，计算的最后结果包括热耗率、汽耗以及高、中、低压缸效率等。 计算结果显示如下: ] , 图形分析 计算完成后，可按此按钮查看当前工况的热力性能过程线。 三(打印 , 用图打印 该功能主要是以图形的方式生成汇总表。在打印窗口的附加说明栏下，可以添加自己的说明。 , 报表打印 该功能主要是把本程序中原始数据与计算结果加以整理，然后在EXCEL表中进行汇总。要打印与编辑可以使用EXCEL本身的功能。 四(其它 , 打开 打开一个扩展名为QLJ的数据文件，此文件内保存了一套曾经输入 和计算得到的完整的参数值。 , 保存 保存扩展名为QLJ的数据文件。该功能将保存当前程序中的参数值，以供下次直接调用。 , 关于 与本程序相关的一些内容。 , 帮助 程序在线帮助 , 退出 退出本程序，但不关闭EXCEL程序。 第七章 机组优化调度软件程序使用说明 ?7.1软件简介 本软件依据机组的煤耗特性，以全厂运行供电煤耗率最低为目标, 通过对机组的设备状况、运行参数的分析、计算、进行机组负荷的 优化分配。 ?7.2系统运行平台 开发平台为Windows98,同时适用于Windows95/97及WindowsNT/Windows2000平台。采用面向对象的程序设计思想,选用面向对象的具有高度集成环境的Microsoft Visual Basic 6.0 作为编程语言。软件显示方式:800*600、真彩色。 ?7.3程序功能说明 ?7.3.1软件主界面 为了简单有效的实现机组优化调度，我们的调度软件设计遵循了两个基本原则:一是使系统尽可能的简单、便于操作;二是调度的结果要使运行人员一目了然。基于此，我们设计了软件主要完成的功能如图(7-1)所示。 图 7-1 主界面 优历报退 化史 表出 调记打系 度 录 印 统 软件主界面(如图(7-2)所示)由四页组成:第一页是4号机的参数设置页，第二页是5号机的参数设置页，第三页是机组的一些共同参数设置页，第四页是程序的一些简单说明。页周边是一些功能按扭。 图 7-2 ?7.3.2 程序主要功能 一(数据录入: 软件原则上要求录入五个工况的数据，进行煤耗特性曲线方程拟合。为保证煤耗特性的合理性，应注意五个工况点的选择。 , 4号机组数据录入界面对应如下: 4号机组与5号机组数据输入界面相似。进行调度之前应该设置好这些参数。这些参数包括相应负荷下的锅炉效率(4个) 、相应负荷下的主给水参数、锅炉出口蒸汽参数、再热器入口参数、再热器出口参数(5个) 。 , 4号机组与5号机组共同参数输入界面对应如下: 在该输入页中, 应该设置好待分配的总负荷以及煤的低位发热量、4号机组与5号机组的背压。 , 参数总览表: 设计此一界面的目的是为了运行人员更方便设置与查阅参数。软件需要用户给出值的参数全部汇总此窗口。用户可在此窗口修改与查阅数据。 为了方便用户的使用,软件运行时给出一套缺省数据。这套数据是根据杭州半山发电厂4号机组与5号机组平时运行数据而设置的，具有一定的针对性。当然考虑到实际运行数据的复杂性，用户可通过按 此钮，清除所有数据，然后自行设置工况点数据。建议根据平时运行经验设置。软件也允许随时恢复到缺省状态，按 钮。 , 历史记录管理: 界面如下 软件使用过一段时期以后，用户历次输入的所有数据都将存入数据库，这样经过用户若干次使用以后，每台机组都会有不同时间的若干组煤耗特性数据。在优化分析之前，用户应从这些特性数据中，选择一组和当前机组实际运行特性最吻合的煤耗特性，作为优化分配的依据。用户在记录时间组合框中选好欲加载历史数据的时间后,再按 钮即可加载数据到程序中。 二(调度计算 优化分配时应提供当前总负荷及各台机组的当前运行状态等数据。然后即可按 按钮进行计算。软件就将给出优化分配的结果，供运行人员参考。 , 输出结果如下: 软件也允许随时查看计算结果。按 钮可弹出输出窗口。 三(表打印 单击 按钮即可进行报表打印。所有结果均输出到EXCEL电子表格,方便使用。 结果显示如下: 结论 火电厂热力系统计算是热能动力工程的一项重要技术工作，例如火电厂的设计、技术改造、运行管理及运行优化等等均需对火电厂的热力系统作详细的质变平衡计算，求出热经济指标作为决策或技术标准的依据，因此，电厂的热力系统计算是实现上述任务的重要基础，直接反映出全厂的经济效益，对电厂的节能具有重要的意义。 本软件热力性能计算采用了基于热平衡法的并联算法，即矩阵解法，该方法更适于用计算机求解，矩阵系数与热力系统的结构相对应，当热力系统的结构和工况变化时，只需改变矩阵系数即可。在软件计算结构上，采用主、辅矩阵叠加方法来体现辅助系统对主系统(回热系统)的影响。这种矩阵解法的计算结构不 仅求解速度快，而且适应性是合理的。 优化调度由于目标函数采用了软件自己拟合的函数，而且数据是在不同日期的运行记录中选取的，所以可能有一定的误差。计算结果与实际的误差的其它原因可能是由如下因素引起: 1. 所用算法的原因，如拟合的函数因数据量不够多而不够精确; 2. 所引用的数据质量不高，为了提高准确度，应该在锅炉从低负 荷到高负荷的过程中准确地记录机组的相关参数，以此作为拟合 的依据。 参考文献 1. 曹祖庆 汽轮机变工况特性 水利电力出版社 2. 骆济寿，张川 电力系统优化运行 华中理工大学出版社 3. 袁慰平主编 数值分析 东南大学出版社 4. 用网络规划法计算电力系统的机组最优化问题 中国电机工程学 报 5. 火电厂动力设备经济运行 东南大学动力系热能工程教研组 6. 郑体宽等 热力发电厂 中国电力出版社. 1997 7. 李朝安 发电厂及电力系统经济运行 新疆人民出版社. 1985 朱达 125MW机组低负荷调峰运行工况分析 浙江电力， 8. 专业英文翻译: HARRIS 和KALDERON深入研究了在50HZ系统中饱和水蒸汽轮机应选择的速度。他们指出1500r/min的机器对于最低优化排放压力会更经济～比如～在那些冷水温度最低的国家。相反～3600r/min的机器可能对于60Hz的系统会是种较佳的方案～它们的优化排放压力大约90mba。这么高的压强值即便在最暖和的天气也很少是最优的。 2(效率和输出 2(1 输出限制 当水蒸汽通过狭窄管道或气嘴时，它需要额外的焓。蒸汽在气嘴处的膨胀引起部分动能转化为摩擦热。结果是焓的降低，压强下降并且熵会增加。 2(1(1 蒸汽阀压降 这个现象的一个例子发生在气轮机的主控阀～这里蒸汽通过阀门迅速膨胀～将所有产生的动能转化为摩擦热。这有将焓值维持在阀门进口值的效果～但代价是引起熵的大量增加和压力下降。这被称为节流并用于卸载。要卸去更多的载荷～要减小阀门区～这样是为了允许通过更小的流量并使压降增加。 2(1(2 临界流量 压降作用在节流阀用于减小负载是有用的同时～透平有本身的限制。在透平进口管嘴及叶片处的压降限制了流量和输出功率。通过透平的流量和压降的关系最早由Stodala于1927年得到。 221/2qm=K,p1-p2, qm代表流量～p1～p2是进气口和出气口压力～K是常量。这个关系又称为椭圆定律。 这个关系后来修正包括了进口温度的影响。 1k222 qm,(p,p)12T1 T1是进口绝对温度。 进一步的分析由Traupel指出: 1/21/2 qm,k(p/v)[1,(p/p)n，1/n]1121 V是特定体积～n是多变指数～与效率η和等熵过程指数k 的关系是: k,1n,1 ,，,kn 椭圆定律在描述透平上部分载荷效果时是有用的工具。一般情况下～工作流是蒸汽时用1.2公式有足够的精度。椭圆定律中的常量K可以从透平的设计或实验数据得到。如果知道要求的流量～从排气端起机组每一级的压力可以正确计算～排气端情况保持恒定。 2(2 动叶栅 水蒸气通过管嘴和静叶栅加速～被每级动叶栅接收～在轴上将动能转化为机械能。叶片受水蒸汽的冲击～改变水蒸汽的运动方向～从而引起动量改变并产生力。理想情况下～水蒸汽通过改变的角度应尽可能是180度。图1.8表明了典型的与动叶栅外形相关的速度矢量图。 动叶栅处能量转化的方式决定于透平是冲动式还是反动式。 2.2.1 冲动式透平 由Rateau教授发明～冲动式透平将水蒸汽中一部分热转化为在定叶栅处的速度。通过动叶栅的蒸汽没有热降和压降。动叶栅处产生的机械功仅仅是由于损失了一部分在定叶栅处获得的速度。 图1.9画出了典型的冲动式透平的一级的速度图。水蒸汽离开动叶栅的相对速度,W2,小于水蒸汽进入动叶栅的相对速度,W1,。这就强调了我们以前强调过的动能转化为机械能发生在动叶栅上。 2.2.2 反动式透平 严格地讲～这种透平应该称为50%反动度的透平。说50%反动度是因为每级一半的热降发生在静叶栅～另外一半发生在动叶栅。这导致了动叶栅处的蒸汽速度增加～产生冲击气流或者对离开叶栅的气流的反方向产生反作用。由于气流方向的改变会对动叶栅造成一些冲击～但它不足以引起速度下降。当冲动式透平固叶栅将热降转化为速度时～固叶栅也会有同样的效果。 图1.10描述了典型的反动级速度矢量图。蒸汽离开动叶栅的相对速度比蒸汽进入时的相对速度要大:这是因为通过动叶栅速度的增加～在动叶栅处产生了热降。 2.2.3 透平设计的影响 冲动式和反动式叶片的不同特征意味着在透平设计上有显著不同。冲动式透平动叶栅安装在盘上～和小半径轴要么是一体～要么连在一起。由于通过叶片没有压降～通过盘片也没有压力～转子轴向气流较小。通过反动式透平的动叶栅有压降～使得盘片～ 替代地～使用中空的成为鼓形转子代替盘片。 2.2.4 叶片效率 发生在动叶栅的能量转换效率很大程度上决定于动叶栅速度和蒸汽绝对速度。正如所料，速度对效率的影响在冲动级和反动级有点不同。理想的冲动级叶片效率 叶片效率,动叶栅作的功/有效能量, 最简单的例子假设w2=w1且β,θ,代表无摩擦, 对所作功WD=mUΔV～这里m是总流量ΔV,W1cosθ+W2cosβ, 2W1cosθ,并且 W1cosθ,C1cosα—U。所以WD,mUΔV,2mU( C1cosα—U)。 2固定叶片传给转动叶片的有效能量为(mC1)/2.所以η,22mU( C1cosα—U)/[ (mC1)/2]=4ξ,cosα—ξ,; 这是图1.11描述的抛物线。 效率的最大值由上式对U微分为零得到～dη/Du=(4/c1)(cosα-2ξ),0 2这里 ηmax=cosα ～当ξ=cosα/2. 观察图1.11,这发生在出口速度为轴向时。 理想反动级叶片效率 对理想50%反动级速度矢量图如图1.11. 由于固定和移动叶栅有同样的形状～β,θ～且θ,φ～ΔV,(2C cosα—U)～所以～mUΔV1 ,mU( 2Ccosα—U) 1 在反动级～和静叶栅一样通过动叶栅时也有焓降,有效能量为222m(c)/2+(W-W)/2 12122由于对称性W2=C1 有效能量为m(c- W)/2～ 又有有效能量为 11222m(C/-U+ 2C1Ucosα)/2～由此η,2ξ(2cosα—ξ)/,1-ξ+2ξcos1 α, 22且ηmax,(2cosα)/,1+cosα, 图1.11显示了冲动级和反动级相比的效率。 实际上有许多影响叶片效率的因素～他们将在本章2.3中进行讨论。为了两种设计获得最佳效率～反动式透平要求的级数是冲动式透平的两倍。这是由于对反动式透平高的速度意味着每级只能提供小的热降。 2.2.5 现代叶片设计 现代透平不是纯的冲动或反动式～而是二者混合～有以下原因。冲动式透平为了平衡由于0甚至负反动度引起的低下效率～在动叶栅根部采用高达20%的反动度。反动式透平为了减少需要级数在根部反动度降到30-40%～在中部使用50%反动度。现在更准确地描述两种设计可能是: 盘片式透平～使用低反动度叶片。 转鼓式透平～使用高反动度叶片。 2.2.6 低压透平叶片 蒸汽通过低压透平的各级时会快速膨胀并加速。通常达到超音速。 气缸出口处蒸汽湿度超过10%。气流情况复杂～低压叶片设计反映了这点。为了在各种叶片高度的入口和出口角处和三维流动特征相符～叶片长而且有高度扭曲的外形。当50年代晚期～60年代早期设计大型电厂时～没有有效的分析工具可靠地预计低压缸内的三维流动特征。今天～在这些机器上横截面测试暴露了在高度扩散流体中～速度有显著的发散部分。对整个流体分析的技术使详细计算单个叶片附近的流体成为可～使用现代计算技术～使得有效分析低压气缸内的复杂流场的计算成能 为可能。不论在制造者的模型机上还是在实际使用的各种功率的透平上～通过在测量端输入数据计算～这些方法都是完善且有效的。对流体预测的准确性已经很高～叶片可以设计得获得理想的三维流动特性。现代的末级叶片扭曲得相当严重～这是由于流体在出口平面最为复杂。顶部的横截面面积大概只有底部的截面积的15%。 为说明这一点～让我们暂时假设～最末级设计得在底部半径～接近转盘圆周处有非常低的反动度～固定叶片和动叶片的外形如图1.13所示。 然后考虑动叶片的往上部分～比如到某级的平均半径处。典型的现代透平叶片顶部的半径平均大约是底部的2倍～叶片斜度大约是底部半径处斜度的1.5倍。叶片圆周速度也大约是底部速度的1.5倍。如果动叶栅在平均半径和底部采用同样的截面～通过动叶栅的流体流动将 随着斜度增加变得不正确,同时叶片速度增加的效果将改变相对于动叶栅附加速度的方向～所以叶片入口角不会随着来流方向线性增加。而且离开速度将会偏离轴向～即是说增加离速损失～降低效率。这可以通过改变动叶栅截面来加以克服。为了通过动叶栅的产生压降～出口角减小限制流体区域～并且蒸汽以高速离开动叶栅来平衡更高的圆周速度且得到离开时的轴向速度。这引起通过静叶栅的压降下降以保持通过整级时有同样压降。因此在平均半径处有相当的反动度。图1.13画出从根部到顶部增加反动度对叶形和根截面～平均截面～顶部截面处速度矢量的影响。 这些改变的结果导致流线有序，及低压透平效率有效增加。最后一级动叶栅后的压力损失(与速度平方成比例)也减小了。这是通过在最末级环形区域获得减小的和单一的速度实现的。另外一个在叶片顶部减小气流拥挤的优点是减小动叶栅蒸汽泄漏，这种泄漏会作无用的功。