专利名称：汽机表面式加热器的出水及疏水温度测算方法
技术领域：
本发明涉及一种汽机表面式加热器参数的测算方法，尤其涉及一种汽机表面式加热器出水及疏水温度测算方法。
背景技术：
随着火电机组参数和容量的不断提升，通过改善回热系统的性能以提高机组运行经济性日益受到关注。回热加热器出水与疏水温度的测量对于回热系统热平衡的计算、机组性能监测和优化具有重要的作用，因此有必要对其进行在线监测。至今未见回热系统中表面式加热器出水及疏水温度测算方法的报道。
目前，在火电厂厂级监控信息系统SIS(Supervisory Information System)或者系统分散控制系统DCS(Distribution Control System)中，对于表面式回热加热器，虽然设有出水与疏水温度测点，但因其运行条件恶劣和检修维护薄弱等原因，普遍存在测量可靠性差的状况，此外，加热器水侧温度的常规测量方法还存在以下不足首先，在火电机组热工测量系统中，常采用热电阻式传感器来监测回热加热器的出水温度，与之相应的数据采集系统需要采用有源平衡电桥测量传感器的电阻值，测量成本高；其次，水温变化热惯性大，在工况变动较大时，水温响应表现出较大的热惯性，因而影响测量精度；第三，由于现场安装位置复杂，不便于检修和维护。一旦传感器故障或失效，往往导致测量数据的错误或缺失。
而根据传统的传热方程计算加热器出水与疏水温度，需要计算换热过程的传热系数。传热系数的计算中需了解加热器众多结构参数，例如加热器各传热段的面积、流程数、管侧及壳侧结构、管道内外直径、管道材料等等。任意一项加热器资料的缺失都会造成传热系数无法计算，所以传统的传热方程适用于设计和校核计算，而不便于用于机组运行或试验时出水与疏水温度计算与监测。
电厂回热系统中表面式加热器的纯凝结段属于凝结换热，壳侧抽汽加热管侧给水并凝结，其特点是壳侧传热系数很大，汽体在凝结放热的过程中保持壳侧压力对应的饱和温度不变。本发明基于上述传热机理，定义了纯凝结段传热特征系数，发现了纯凝结段传热特征系数的变工况响应规律，提出了基于传热特征系数的纯凝结段回热加热器出水与疏水温度的测算方法，该方法具有不需了解结构参数，测量成本低、被测参量响应快、测量数据可靠性高等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种测算模型简单、计算精度高、测量成本低且动态响应速度快的汽机表面式加热器出水及疏水温度测算方法。
本发明通过如下技术方案来实现 一种汽机表面式加热器的出水及疏水温度测算方法，其特征在于， 步骤1计算基准工况下加热器纯凝结段的传热特征系数
选取机组额定功率设计工况或性能考核试验工况作为基准工况，加热器按其抽汽压力从高到低编号为1～n级，n为大于1的正整数，符号加上标字母“o”的参数表示其为基准工况下的参数，选取基准工况下第j级加热器的热力参数壳侧压力pnjo、疏水温度tdjo、出水温度twjo、进水温度tw(j+1)o和机组功率Peo，并根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算壳侧压力pnjo下对应的饱和温度tsjo， 由基准工况下加热器的纯凝结段传热方程 其中下标“N”表示纯凝结段，(KF)No为基准工况下纯凝结段传热系数K与传热面积F的乘积，(KF)No单位为kJ/(m2·℃·h)·m2； (DwCp)No为给水流量Dw与给水的定压比热容Cp的乘积，单位为kg/h·kJ/(kg·℃)，其中Cp取为定值4.1868kJ/(kg·℃)； 基准工况下加热器的纯凝结段传热温差为 得到基准工况下加热器的纯凝结段的传热特征系数 步骤2计算实际工况下加热器的出水温度twj和疏水温度tdj 步骤2.1在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj、第j级加热器进水温度tw(j+1)和机组功率Pe，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj，则通过计算得到实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj，再根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算出实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj对应的实际工况下的饱和温度tsj，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，则通过计算得到实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)， 所述的计算实际工况下的壳侧压力pnj的方法是 在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j级加热器抽汽压力pj，计算实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj＝pj·(1-δpj)，δpj为实际工况下的第j级加热器管道压损率，δpj＝3％～5％； 所述的计算实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)的方法是 在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)，则在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j+1级加热器抽汽压力pj+1，计算实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)＝pj+1·(1-δpj+1)，δpj+1为实际工况下的第j+1级加热器的管道压损率，δpj+1＝3％～5％；然后根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)对应的饱和温度ts(j+1)，并用饱和温度减去第j+1级加热器在设计工况下的端差θj+1，并以此差值为实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，即tw(j+1)＝ts(j+1)-θj+1， 步骤2.2出水温度的计算 根据加热器纯凝结段传热特征系数、数值试验和基于样本的模型参数辨识算法以及实际工况的机组功率Pe计算得到实际工况下的加热器纯凝结段传热特征系数
最终根据此传热特征系数计算实际工况下的出水温度 步骤2.3疏水温度的计算 疏水温度tdj等于加热器壳侧压力下对应的饱和温度tsj，即得到表面式加热器的疏水温度tdj＝tsj。
本发明的优点在于 本发明基于传热机理和运行可测参量，利用新发现的表面式加热器纯凝结段传热特征系数随机组功率变化的规律，定义了纯凝结段的传热特征系数，提出一种基于传热特征系数测算火电机组回热系统中表面式加热器出水与疏水温度的间接、简捷、高精度测算的方法。该方法只需要设计(或者试验)基准工况数据，而不需了解结构参数，模型简捷；只需要依据运行可测参量，测算出水及疏水温度，能够降低测量成本；由于模型使用动态响应快(如压力)和高精度水和水蒸汽性质模型，可以显著提高被测参量响应速度和测量可靠性。
1、测算模型简单，计算精度高 本发明所建立的测算模型，只需要少量的基准工况(设计工况或者热力试验工况)的参量和抽汽压力和机组负荷等少量可测参量，无需加热器的结构参数和流量参数(回热抽汽流量和给水或凝水流量)，模型简单、计算简捷。
相比于传统的加热器变工况模型，其计算精度高表现在两个方面，一是传热特征系数能够反映负荷变化的影响，提高响应精度；二是出水、疏水温度计算模型精度的关键在于传热特征系数的和水蒸气计算模型的精度，而传热特征系数的和水蒸气计算模型的精度都较高，所以保证了本发明的计算模型精度。
2、可以充分利用相关可测参量的测量结果，测量成本低 本发明利用汽轮机抽汽压力(汽轮机系统的重要测量参量)的测量结果，通过模型实现加热器出水与疏水温度的测算，只需要DCS或SIS系统中相关的压力测点，而无需专门的温度测点，通过测量信息的共享降低测量成本。
3、使用测算模型，可以显著改善被测参量的动态响应速度 利用回热加热器纯凝结段的传热特征系数随功率变化的规律以及高精度的水和水蒸汽性质模型，将加热器出水及疏水温度的测量结果的动态响应等效于抽汽压力和机组负荷的动态响应速度，从而提高了加热器出水和疏水温度测算结果的动态响应速度。
4、改善了被测参量的测量可靠性 模型中使用的抽汽压力和机组负荷是汽轮机的重要监测参数，往往采取测点的冗余布置和方便检修维护等措施提高其可靠性，采用测算模型可以将加热器出水和疏水温度的测量可靠性等效于抽汽压力和机组负荷测量的可靠性，从而改善了加热器出水及疏水温度测量的可靠性。
图1为表面式加热器的原则性热力系统图 图2为加热器换热过程T-F(温度-流程)图 图3为本发明的计算流程图
具体实施例方式 一种汽机表面式加热器的出水及疏水温度测算方法，其特征在于， 步骤1计算基准工况下加热器纯凝结段的传热特征系数
选取机组额定功率设计工况或性能考核试验工况作为基准工况，加热器按其抽汽压力从高到低编号为1～n级，n为大于1的正整数，符号加上标字母“o”的参数表示其为基准工况下的参数，选取基准工况下第j级加热器的热力参数壳侧压力pnjo、疏水温度tdjo、出水温度twjo、进水温度tw(j+1)o和机组功率Peo，并根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算壳侧压力pnjo下对应的饱和温度tsjo， 由基准工况下加热器的纯凝结段传热方程 其中下标“N”表示纯凝结段，(KF)No为基准工况下纯凝结段传热系数K与传热面积F的乘积，(KF)No单位为kJ/(m2·℃·h)·m2； (DwCp)No为给水流量Dw与给水的定压比热容Cp的乘积，单位为kg/h·kJ/(kg·℃)，其中Cp取为定值4.1868kJ/(kg·℃)； 基准工况下加热器的纯凝结段传热温差为 得到基准工况下加热器的纯凝结段的传热特征系数 步骤2计算实际工况下加热器的出水温度twj和疏水温度tdj 步骤2.1在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj、第j级加热器进水温度tw(j+1)和机组功率Pe，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj，则通过计算得到实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj，再根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算出实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj对应的实际工况下的饱和温度tsj，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，则通过计算得到实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)， 所述的计算实际工况下的壳侧压力pnj的方法是 在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j级加热器抽汽压力pj，计算实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj＝pj·(1-δpj)，δpj为实际工况下的第j级加热器管道压损率，δpj＝3％～5％； 所述的计算实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)的方法是 在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)，则在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j+1级加热器抽汽压力pj+1，计算实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)＝pj+1·(1-δpj+1)，δpj+1为实际工况下的第j+1级加热器的管道压损率，δpj+1＝3％～5％；然后根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)对应的饱和温度ts(j+1)，并用饱和温度减去第j+1级加热器在设计工况下的端差θj+1，并以此差值为实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，即tw(j+1)＝ts(j+1)-θj+1， 步骤2.2出水温度的计算 根据加热器纯凝结段传热特征系数、数值试验和基于样本的模型参数辨识算法以及实际工况的机组功率Pe计算得到实际工况下的加热器纯凝结段传热特征系数
最终根据此传热特征系数计算实际工况下的出水温度 步骤2.3疏水温度的计算 由加热器凝结换热的机理，抽汽在凝结放热过程中保持其温度在壳侧压力对应下的饱和温度，因此，疏水温度tdj等于加热器壳侧压力下对应的饱和温度tsj，即得到表面式加热器的疏水温度tdj＝tsj。
以330MW机组为例，实现汽轮机回热系统中表面式加热器的出水与疏水温度的测算。该机组的#7加热器为表面式低压加热器。
详细计算步骤如下 (1)、计算基准工况下加热器纯凝结段的传热特征系数
选取额定功率的设计工况为基准工况，根据设计参数有#7加热器的壳侧压力Pn7为0.0231MPa，出水温度tw7为60.27℃，进水温度twc为33.63℃。根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算壳侧压力对应的饱和温度ts7为63.2℃。
(2)、计算实际工况下加热器的出水温度tw7和疏水温度td7 选取实际工况为定压75％负荷工况，从火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取壳侧压力P70.0174MPa，进水温度twc33.86℃。根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算出壳侧压力对应的饱和温度ts7为57.1℃。
根据加热器纯凝结段传热特征系数以及实际工况的功率计算得到实际工况下的加热器传热特征系数，最终根据此传热特征系数计算实际工况下的出水温度 由加热器传热的机理，疏水温度td7等于加热器壳侧压力下对应的饱和温度ts7，即td7＝ts7＝57.1℃，与测量值57.1℃的相对误差为0.000％。
最终计算得到加热器的出水温度tw5为55.07℃，与测量值54.12相对误差为1.722％。
权利要求
1.一种汽机表面式加热器的出水及疏水温度测算方法，其特征在于，
步骤1计算基准工况下加热器纯凝结段的传热特征系数
选取机组额定功率设计工况或性能考核试验工况作为基准工况，加热器按其抽汽压力从高到低编号为1～n级，n为大于1的正整数，符号加上标字母“o”的参数表示其为基准工况下的参数，选取基准工况下第j级加热器的热力参数壳侧压力pnjo、疏水温度tdjo、出水温度twjo、进水温度tw(j+1)o和机组功率Peo，并根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算壳侧压力Pnjo下对应的饱和温度tsjo，
由基准工况下加热器的纯凝结段传热方程
其中下标“N”表示纯凝结段，(KF)No为基准工况下纯凝结段传热系数K与传热面积F的乘积，(KF)No单位为kJ/(m2·℃·h)·m2；
(DwCp)No为给水流量Dw与给水的定压比热容Cp的乘积，单位为kg/h·kJ/(kg·℃)，其中Cp取为定值4.1868kJ/(kg·℃)；
基准工况下加热器的纯凝结段传热温差为
得到基准工况下加热器的纯凝结段的传热特征系数
步骤2计算实际工况下加热器的出水温度twj和疏水温度tdj
步骤2.1在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj、第j级加热器进水温度tw(j+1)和机组功率Pe，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj，则通过计算得到实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj，再根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算出实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj对应的实际工况下的饱和温度tsj，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，则通过计算得到实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，
所述的计算实际工况下的壳侧压力pnj的方法是
在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j级加热器抽汽压力pj，计算实际工况下的第j级加热器壳侧压力pnj＝pj·(1-δpj)，δpj为实际工况下的第j级加热器管道压损率，δpj＝3％～5％；
所述的计算实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)的方法是
在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)，若在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中没有读取到实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)，则在火电厂厂级监控信息系统SIS或分散控制系统DCS的数据库中读取实际工况下的第j+1级加热器抽汽压力pj+1，计算实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)＝pj+1·(1-δpj+1)，δpj+1为实际工况下的第j+1级加热器的管道压损率，δpj+1＝3％～5％；然后根据IAPWS-IF97工业用水和水蒸汽热力性质模型计算实际工况下的第j+1级加热器壳侧压力pn(j+1)对应的饱和温度ts(j+1)，并用饱和温度减去第j+1级加热器在设计工况下的端差θj+1，并以此差值为实际工况下的第j级加热器进水温度tw(j+1)，即tw(j+1)＝ts(j+1)-θj+1，
步骤2.2出水温度的计算
根据加热器纯凝结段传热特征系数、数值试验和基于样本的模型参数辨识算法以及实际工况的机组功率Pe计算得到实际工况下的加热器纯凝结段传热特征系数
最终根据此传热特征系数计算实际工况下的出水温度
步骤2.3疏水温度的计算
由加热器凝结换热的机理，抽汽在凝结放热过程中保持其温度在壳侧压力对应下的饱和温度，因此，疏水温度tdj等于加热器壳侧压力下对应的饱和温度tsj，即得到表面式加热器的疏水温度tdj＝tsj。
全文摘要
一种汽机表面式加热器的出水及疏水温度测算方法。选取机组额定功率设计工况或性能考核试验工况作为基准工况，并选取基准工况下的第j级加热器的热力参数并通过纯凝结段传热方程，计算得到基准工况下加热器纯凝结段的传热特征系数。根据基准工况下加热器纯凝结段传热特征系数、数值试验和基于样本的模型参数辨识算法以及实际工况的机组功率Pe计算得到实际工况下的加热器传热特征系数，最终根据实际工况下的传热特征系数计算实际工况下的出水温度，实际工况下的疏水温度等于实际工况下的加热器壳侧压力下对应的饱和温度。
文档编号G01K13/02GK101825503SQ20101015026
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者王培红, 王泉, 唐菲菲, 胡恩俊 申请人:东南大学