摘要：将电厂热力系统的组成设备模块化，用这些模块可构成任一复杂的热力系统，并且设计出通用的模块以适应任何热力系统方法。将热力系统中的设备处理为模块，用一组数学方程描述，以搭积木的方式，由模块构成任一热力系统，从而得到一种适用范围广、目前已有多个外国公司推出基于模块化方法的商业软件包，其中德国SofBid公司的Ebsilon　Professional软件是比较成熟和使用方便的，已有包括ABB、ALSTOM、CEE、SIEMENS等超过100个国际知名制造商和电力集团公司在使用，主要用于电厂设计、性能评估以及运行优化。1　热力系统计算分析模块化的概念现代电厂的热力系统已相当复杂，但任何复杂的热力系统不外乎是由若干个设备和管道连接构成。如锅炉、汽轮机组、凝汽器、换热器、水泵、风机、阀门、三通管道等等。根据热力系统这一特点，可以建立这样的模块化概念：用不同的模块代表不同的设备，用线段代表管道；于是，以搭积木的方式，用有限个模块和线段可灵活地构成任一复杂的热力系统图。如图1所示，用7种模块构成了一个典型的汽轮发电机组热力系统。热力系统计算模块化有三个任务：1）建立模块，用数学模型真实描述其物理对象。2）用模块构成待计算的热力系统。3）研究系统的数学求解方法。2　模块设计方法不同模块的设计思路是相同的，都是用数学方程描述模块的能量守恒、质量守恒、传热特性、流体力学特性，以及模块的热力学特性和几何条件。这里，以分流三通为例，介绍模块的设计过程。图1　模块和模块化热力系统图2　分流三通在分流三通（图2）中，有如下关系：f(m1,m2,m3)=0此关系有几种表达式，其中一种为：m1=m2 m3(2-1)当已知m1，m2，求m3时，令m1=m1*，m2=m2*，m3=m3′，带入式（2－1）：则m1′=m2* m3′（2－2）△m=m1*-m1′（2－3）式中：*—给定值；　　　′—任意假定值（待定变量）。假如△m＝0，则m3′成为真实解。假如△m≠0，则修正m3′，反复上面的过程，一步步逼近最终解。当已知m1,m3，求m2时，令m1=m1，m3=m3*，m2=m2′，带入式（2－1）,仍可得式（2－2）、（2－3）：m1′=m2′ m3*△m=m1*-m1′当△m＝0，则m2′成为真实解。这样就提供了求解这两个问题的途径，即Min△m2s.t△m＝0采用一个合适的优化技术，可让△m一步步逼近于0，上述问题的假定值就一步步逼近于最终解。这样，对于同一数学模型，求解不同的问题采用了相同的模式。求解分流三通的流量问题可用图3表示。图3　分流三通流量问题示意图将这一概念加以扩展，可得到热力设备模块的一般模式，用图4表示：图4　一般模块的示意图图注：j－第j种设备；Zj－未知矢量；Kj－表征设备特征的常数矢量；Uj*－表征设备当前特征的矢量；Yj*－已知矢量；Σ△Fj2－等式差值的平方和；△Fj－等式差值矢量。3　模块构成热力系统的方法模块构成热力系统的实质，是确定热力系统中各模块间的质量和能量传递关系，为实施计算提供必要的信息（计算规模，待定变量，常数量，输入量，输出量）。模块构成热力系统的最佳形式，应是模块图形化，由图符和连线构成系统，这样构造的图形与机组实际的热力系统图非常相似，在系统图上面向模块可准确地输入有关的信息。4　热力系统模块化的数学计算方法通过模块的建立和系统的构成，可得到描述热力系统的一套方程，求解这套方程即目前比较成熟的热力系统数学计算方法是：将所有模块的未知量作为待定变量，从一组初始值开始，用非线性规划的技术求解，所有待定变量同时逼近最终解，直至满足要求的精度。它的优点是：提供了计算的灵活性，不需要人工确定计算过程，计算速度快。5　热力系统计算分析模块化方法的研究需要，改变系统中的某些参数（如初参数，背压，循环水进水温度，加热器温升，轴封漏汽量等等），重新计算出机组的最终出力，进而计算分析出对机组经济性的影响。①循环水进水温度改变对机组经济性的影响。图5构建好的100MW机组热力系统图图6循环水进水温度由20℃变为25℃循环水进水温度设计值为20℃，热耗为8841.4286kJ/kg（见图5）。假如闭式循环系统的冷却水塔运行恶化，改变循环水进水温度输入值为25℃，在其他参数不变的情况下，计算出机组热耗为9009.6845kJ/kg（见图6）。②加热器温升不足对机组经济性的影响。1号高加的设计温升为38℃，出水温度为198.6℃，热耗为8841.4286kJ/kg（见图5）。假如1号高加的温升不足，只有30℃，改变1号高加出水温度输入值为190℃，在其他参数不变的情况下，计算出相应的热耗为8870.7386kJ/kg。③机组初参数改变对机组经济性的影响。在额定负荷下，机组的初参数设计值为8.826MPa/535℃，设计热耗为8841.4286kJ/kg。改变主汽压力输入值为9.2MPa，主汽温度输入值为530℃，在其他参数不变的情况下，计算出相应的热耗为8834.7857kJ/kg。由以上可以看出，运用热力系统计算分析的模块化方法，可以很方便、直观地对热力系统进行计算分析和运行优化。6　结束语热力系统计算分析的模块化方法的正确性是无疑的，目前已有基于这种模块化方法的商业软件包推出，用户运用该软件进行热力系统的各种计算分析和运行优化，并根据结果完善系统，取得了较好的经济性。