660MW超临界直接空冷燃煤电厂性能分析-热能与动力工程专业毕业论文.docx

单位代码：11414
学 号：2012011050

题目
660MW超临界直接空冷燃煤电厂性

能分析
学院名称
机械与储运工程学院
专业名称
热能与动力工程
学生姓名

学号

指导教师
赵洪滨教授

起止时间： 2015年 3月 1 日 至 2016 年 6 月19日

摘 要
摘 要
火力发电是我国主要的供电模式，我国是一个富煤的国家，丰富的煤资源决定了火力发电以燃煤为主的格局。但常规燃煤电站存在着较多的问题，如能源利用率低、能耗高等问题。因此深入了解火电系统的能耗分布规律，准确量化热能利用过程中能量损失大小，对火电系统的节能降耗与优化运行具有重要意义。
本文以660MW燃煤机组为研究对象，利用能量分析法和热力学第二定律中的熵增理论进行分析，通过建立整个热力系统的工作流程图和性能计算模型，并结合相关数据处理及可靠性分析方法，获得了不同工况下火电系统热力性能的变化规律与经济指标数值范围。通过分析可知，汽轮机中压缸效率最高，效率约为97%，高压缸和低压缸效率随着负荷的增加而增加。锅炉效率约为93%，其随着负荷的增大而增大。发电煤耗在高负荷下约为292.67g·kW-1·h-1，机组热效率在高负荷下为41%左右。通过火电系统的整体热力性能计算及可靠性分析，为火电机组热力系统的高效运行与节能优化提供了一定的指导依据。

关键词：火力发电；节能降耗；熵增理论；可靠性分析；热力性能

- I -
ABSTRACT
Performance Analysis of 660MW Supercritical Direct Air Cooled Power Plant

ABSTRACT
Thermal power generation is the main power supply mode in China, there is prolific coal in china, abundant coal resources determine the pattern of thermal power generation with coal based. But there are many problems in conventional coal-fired power station. Such as low energy utilization, high energy consumption and so on. So, deeply understand the energy consumption distribution of thermal power system and accurate quantification energy loss during heat energy utilization, which has important significance for saving energy and reducing consumption and optimizing operation of thermal power system. 
This paper takes the 660MW coal fired unit as the research object, it was analyzed by using the method of energy analysis and the second law of thermodynamics in the theory of entropy, the working flow chart and performance calculation model of the whole thermodynamic system are established, and then, combined with relevant data processing and reliability analysis method, from that, we obtained the variation law of the thermal performance of thermal power system under different working conditions and the numerical range of economic index. Through analysis, turbine cylinder efficiency is the highest, the efficiency is about 97%, the efficiency of high pressure cylinder and low pressure cylinder increases with the increase of load. Boiler efficiency is about 93%, it increases with the increase of load. The coal consumption of power generation under high load is about 292.67g·kW-1·h-1, unit thermal efficiency under high load is about 41%, through calculation and reliability analysis of thermal performance of thermal power system, It provides some guidance for the efficient operation and energy saving optimization of the thermal system of the thermal power plant. 

Key Words: Thermal Power; Energy Consumption; Entropy Theory; Reliability Analysis; Thermal Performance
- III -

目 录
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
引 言 1
第1章 绪 论 2
1.1 课题研究背景、目的和意义 2
1.2 空冷系统概述 3
1.2.1 概念 3
1.2.2 直接空冷系统简介 3
1.2.3 直接空冷凝汽器结构简介 4
1.2.4 传统水冷系统简介 6
1.2.5 直接空冷机组系统与传统水冷机组系统对比 6
1.3 直接空冷机组国内外发展现状 8
1.3.1 国外空冷技术发展概况 8
1.3.2 我国直接空冷机组的发展历程 9
1.4 本文研究的主要内容 10
第2章 超临界燃煤电厂系统模型建立 12
2.1 电站热力系统流程 12
2.2 建立数学模型 13
2.2.1 汽轮机系统性能计算模型 13
2.2.2 锅炉系统性能计算模型 19
2.2.3 电站热力系统性能指标计算模型 27
2.3 本章小结 29
第3章 数据处理与可靠性分析 30
3.1 基于最小二乘法的输入数据预处理 30
3.1.1 上下限修正 31
3.1.2 最小二乘法线性拟合 32
3.2 基于熵增理论的中间过程参数修正 36
3.3 火电系统热力计算书对输出数据可靠性的验证 39
3.4 本章小结 41
第4章 超临界燃煤电厂热力性能计算结果分析 43
4.1 汽轮机系统计算结果分析 43
4.1.1 回热系统各加热器端差分析 43
4.1.2 各蒸汽流量及各级抽汽量分析 44
4.1.3 汽轮机各缸效率结果分析 46
4.2 锅炉系统计算结果分析 47
4.2.1 气体排放特性分析 47
4.2.2 排污率和补水率结果分析 48
4.2.3 锅炉各项热损失及热效率变化分析 49
4.3 电站热力系统经济指标结果分析 53
4.3.1 机组汽耗分析 53
4.3.2 煤消耗量和发电煤耗分析 53
4.3.3 电厂热耗分析 55
4.3.4 机组热效率分析 55
4.4 本章小结 56
第5章 结 论 57
参 考 文 献 58
致 谢 59

中国石油大学（北京）学士学位论文
引 言
本文主要研究660MW超临界直接空冷燃煤电厂锅炉和汽轮机的性能，根据现场采集的数据进行运算分析并得出相应的结果，然后提出合理的优化建议以提高电厂的发电效率和降低电厂的投入成本。主要研究方法以能量分析法和热力学第二定律中的熵增理论为基础。文中对具有不同额定功率的发电机组进行对比分析，对不同电厂的经济运行提供理论方面的指导。
当前对于电厂性能方面的研究文献较多，其中有不少提高性能的方法和总结说明，在本文中主要利用FORTRAN编程语言对机组的各个性能进行数值模拟计算并提出合理的建议，在大多数相关文献中只是针对影响其性能的因素而做出的理论方面的说明，本文主要对发电机组的性能做出优化，并现场进行指导。

- 11 -
中国石油大学（北京）学士学位论文
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景、目的和意义
能源和世界的发展密不可分，能源是一切动力的来源，然而随着社会的发展，能源紧缺问题越来越得到社会的关注，节能已然成为迫在眉睫的问题。在我国煤碳资源在一次性能源中占有比例接近77%，在一次能源消费中占有70%左右的比例成分，发电消耗原煤占我国能源消费量的50%左右[1]。改革开放以来，我国电力行业得到了快速发展，发电量和装机容量逐年增多。我国发电形式多样，有火电、核电、风电、太阳能发电等，火电是我国主要的发电模式，虽然近些年其他发电形式的比重在增加，但火电无论是发电量还是总装机容量都占有很大的比例，其中火力发电量占总发电量的比例超过80%，装机容量占总装机总容量的73%左右，由此可见火电消耗能源较多，是使用能源的大户。
本文中主要研究火力发电厂机组的各项性能，通过大量的数据分析，找到其效率低下的问题所在，然后通过更改机组参数，设定理想的运行参数，从而达到提高机组效率的目的。电厂主要有锅炉、蒸汽轮机（燃气轮机）、发电机这三大设备。因此，研究这三大设备的性能将对提高火力发电厂的整体效率有较大的帮助。另一方面讲，提高电厂的效率的方法还有整体煤气化联合循环（LGCC）、增压流化床联合循环（PFBC）及超超临界技术（USC）这三种方式。从技术难度和现实性看，超超临界技术较易实现[2]。
火电目前在我国并将在未来很长一段时间内处于主流发电形式，其主要受制于我国的能源分布状况，众所周知，我国能源的特点是“富煤、贫油、少气”[1]。煤炭是主要的一次能源，因此，丰富的煤炭资源为火力发电提供了能源基础。但火力发电也存在着较多的弊端，如环境污染、浪费水资源、投资成本高等。最大的问题是对大气环境的污染，这将会加重大气温室效应。这些问题的根源在于火力发电效率低下，设备能耗严重，相关技术还不够成熟。因此，对于火电厂的性能分析研究是很有必要的。火电厂的效率高低直接影响能源的使用效率，提高机组效率可以减少煤炭资源的浪费，进而间接的节约能源，也减少了二氧化碳等温室气体的排放。这也符合世界能源发展观，在一定程度上延缓了能源的消耗，对开发其他可再生能源的技术提供了时间。火电厂的投资成本往往比较高，这在经济上产生了一定的压力，不利于火电厂的发展。而研究燃煤电厂的性能恰恰可以节约投资成本，减少不必要的经济损失。如锅炉的效率变高可以降低废渣和烟气的排放，在一定程度上减少了为处理废弃物而花费的成本，这只是冰山一角，还有很多可以节约成本的地方。因此，性能研究对电厂节约能源和经济运行具有十分
重要的意义。
1.2 空冷系统概述
1.2.1 概念
空冷系统是指将汽轮机排出的蒸汽通过散热器直接与空气接触而凝结成液态水的过程。其所需的冷却空气由机械通风来提供，其系统图见图1-1，这种冷却技术适应于水资源短缺的北方地区，它有效的缓解了水资源匮乏地区的用水紧张问题。空冷系统又分为直接空冷系统和间接空冷系统，直接空冷是指汽轮机排出的乏汽直接冷凝成凝结水，而间接空冷是指乏汽通过冷却剂间接冷凝为凝结水。它们的冷却方式不同，但最终的而结果是一样的。

1—锅炉;2—汽轮机;3—空冷凝汽器;4—凝结水泵;5—低压加热器;6—除氧器;7—给水泵;
8 —高压加热器;9—轴流冷却风机;10—凝结水箱;11—发电机
图1-1 直接空冷机组原则性汽水系统图
Fig. 1-1 The principled water system diagram of direct air cooling unit
1.2.2 直接空冷系统简介
直接空冷系统也称空气冷却凝汽器(英文缩写ACC)系统，运用有关的技术把相关的设备连接在一起，构成火力发电厂的冷却系统[7]。该系统是由空冷散热器、电动真空隔离蝶阀、空气抽气器、粗大排汽管道及其热补偿器、冲洗设备、特殊的凝结水精处理、螺旋桨式轴流冷却风机及其驱动电动机(简称空冷风机)、调速变频器、空冷汽轮机、空冷热力控制系统等组成[8]。火电空冷技术近些年在全球得到了巨大的发展，其已经步入第四个发展阶段（2001-2010），主要是以大机组直接空冷为主。我国水资源分布不均，南方水资源丰富而北方水资源严重紧缺，这导致北方的经济发展受到水资源的制约。据国务院下发的《节能发电调度办法（试行）》文件，“按照节能、经济的原则，可再全发电资源可优先调度，按由低到
高的污染物和能耗排放水平，化石类发电资源依次调用，尽可能的减少资源、能源消耗以及污染物的排放。”这项政策将有利于直接空冷机组的投产和运行。自2003年以来，我国在北方地区陆续建设直接空冷机组，到目前为止，在建和已投
产的直接空冷机组装机容量约为6000万KW[9]。
1.2.3 直接空冷凝汽器结构简介

图1-2直接空冷凝汽器结构简图
Figure. 1-2 The structure diagram of the direct air-cooled system

直接空冷凝汽器结构如图1-2所示，由低压缸排出的水蒸汽与风机输出的大量空气流进行换热，大约百分之七十至百分之八十的排汽会在顺流单元的基管中冷却凝结为水，随后流入凝结水箱。余下的未凝结的蒸汽和不凝结的气体进入到逆流单元中，再一次与空气换热，然后大部分气体会冷凝，当然还有一些少量的不凝结气体通过真空泵排到大气环境中。最后，凝结水通过凝结水泵加压被送回机组回热系统预热进行下次循环。
通常空冷机组的凝汽器是由多个空冷岛单元构成的系统，这些单元以一定比例配置的顺流冷却单元和逆流冷却单元，以顺流为主、逆流为辅，顺逆流单元的换热面积保持一定的比例，顺流冷却单元和逆流冷却单元式构成凝汽器最基本的单元设备。目前国内300MW级直接空冷机组凝汽器由5-6个逆流单元和20-24个顺流单元组成；600MW级机组的空冷凝汽器通常由8个冷却单元组构成，每个冷却单元组由6个顺流冷却单元和1个或2个逆流冷却单元组成，冷却单元总数为
54到56个。通常一个顺流或逆流冷却单元有以下几个基本构件组成：
①管束：包括管箱、换热管束、侧梁、支持梁；
②风机：包括风筒、轮毅、叶片、支架、传动机构和附件；
③其他：部分配汽管等。
顺流和逆流冷却单元的横截面如图1-3所示，整体呈现为一个近似的等边三角形结构。顺流冷却单元上面为蒸汽分配管的一部分，两侧分别为几个翅片管束及管束底端单元组凝结水收集管的一部分，底部为空气供给系统。汽轮机排汽沿配气管由上而下进入顺流单元的翅片管束中进行冷凝，冷凝后的凝结水的流动方向与蒸汽流动方向相同，这是称之为顺流单元的原因。逆流冷却单元顶部为不凝结性气体联箱，两侧分别为若干个长度略短的翅片管束及管束底端单元组凝结水收集管的一部分，底部为空气供给系统。在顺流冷却单元中未冷凝的蒸汽由下而上进入逆流冷却单元管束中继续冷却，由于蒸汽的流动方向和凝结水的流动方向相反，固被称之为逆流单元。

图1-3 冷却单元横剖面示意图
Figure. 1-3 The Schematic diagram of cooling unit cross section

1.2.4 传统水冷系统简介
与直接空冷系统不同的是，水冷系统通过冷水介质来冷却汽轮机排出的乏汽，主要适用于水资源丰富的南方地区，其循环过程见图1-2。
凝汽器中的冷却水由冷却水泵送入，冷却水在凝汽器中流动。与此同时汽轮
机排出的乏汽被冷却为凝结水，冷却水流动过程中，其自身也会被汽轮机排出的
蒸汽加热，其温度不断升高。冷却水继续流动，进入冷却塔中冷却，其中少量被加热后的冷却水经处理后作为污水排出系统。还有一部分水在整个冷却过程中产生了蒸发损失和渗漏损失，因此此过程中需要不断的补充水。随后，冷却后的水连同补充水一起被送入凝汽器中。

图1-3 水冷式机组系统图
Fig. 1-3 The system diagram of water cooled unit

水冷机组主要有以下几个特点：
(1) 耗水量大，厂址选择受水源等条件的限制；
(2) 热经济性较高；
(3) 投资少；
(4) 水冷系统工作时对当地的气候条件的波动不敏感。
1.2.5 直接空冷机组系统与传统水冷机组系统对比[10-11]
首先，直接空冷相比于传统水冷，其主要有以下优点：
(1) 节约水量大
在传统的水冷系统中，大部分的水会在冷却塔中蒸发掉，非常耗费水资源。但直接空冷系统就不存在这样的问题，只需要空气就可以做到冷却的目的，而且结构简单，对选址没有苛刻的要求，容易投入运行。直接空冷系统很适合在我国富煤贫水的西北地区使用。
(2) 直接空冷凝汽器占地面积少
传统水冷需要把冷却塔系统和循环水泵系统分开建设，这需要很大的场地。但直接空冷凝汽器可以直接建设在汽机房上面，可以高效的节约利用土地资源。
(3) 直接空冷凝汽器管内蒸汽与管外空气直接换热，换热效率高
(4) 直接空冷凝汽器具有很高的经济效益
近年来，水源日益缺乏，水的价格随之上涨，这势必会造成电厂投入成本升高，电厂效益就会下降。直接空冷凝汽器直接和空气接触进行热交换，从而避免了冷却水的成本。我国西北是富煤缺水的地方，直接空冷凝汽器得到了很大的应用。水冷凝汽器需消耗大量的水，对选址要求比较高，而我国水源丰富的地区煤炭资源相对不足，这一矛盾会造成水冷机组的经济性下降。相较前者，直接空冷凝汽器则不存在这一矛盾，适宜建设在富煤缺水的西北地区，会极大的降低发电的成本。
(5) 运行可靠方便
直接空冷凝汽器含有若干个空冷单元，各个单元之间配备有隔离阀，当空冷机组出现故障时，可以立马隔离出现问题的单元，以保障空冷机组有效安全的运行。尤其是到了冬季温度低的工况下，通过调节各个单元中轴流风机的转速，可以阻止空冷机组发生结冰现象。
同时，直接空冷凝汽器也存在着一些问题，主要有以下几个方面：
(1) 直接空冷凝汽器背压比较高、变化比较大
直接空冷凝汽器通过空气与管内蒸汽进行换热，而水冷凝汽器的换热工质为水，由于水的传热系数大于直接空冷凝汽器冷却介质空气的传热系数，因此，直接空冷凝汽器的换热效率会低于水冷凝汽器，所以会出现机组运行背压比较高的现象。还有一个原因是直接空冷凝汽器露天布置受环境影响较大，因此背压的变化比较大。
(2) 直接空冷凝汽器泄露很严重
直接空冷系统中有很多粗大的管道，这些管道缝隙大，很容易泄露。或者当
翅片管束受力不均衡出现变形也会出现泄露问题。当空气进入到蒸汽中时，一方面会影响换热的效率，另一方面空气中的氧气腐蚀机组设备，其经济性会大大降低。
(3) 直接空冷凝汽器管外积灰很严重
直接空冷机组多位于我国西北地区，而这些地区多风沙。直接空冷凝汽器由许多翅片管束组成，管束之间缝隙较小，随着时间的推移，沙子会集聚在管束之间，这严重影响了直接空冷凝汽器的有效换热。因此，应定期对空冷机组进行清理。
(4) 直接空冷凝汽器受环境风影响很大
直接空冷凝汽器建在室外环境中，通过轴流风机输出的空气流进行换热。室
外环境中的风向变化不定，时而在风机入口形成负压，降低风机风量，从而使得直接空冷凝汽器换热量下降。另外，风机附近有时出现热风回流的现象，直接影响着机组的正常运行。
(5) 直接空冷风机耗费大量的功
在直接空冷凝汽器各个单元的下方有一个大直径轴流风机，功率比较大，耗电量占到厂用电量的10%左右。
(6) 直接空冷凝汽器冬季容易结冰
直接空冷凝汽器暴露在大气环境中，当到了严寒的冬季时，空冷机组会出现结冰的现象。
(7) 直接空冷凝汽器夏季运行背压高
在夏季中，直接空冷机组的背压会变高，其主要原因是夏季温度高导致风机入口的温度升高，这就降低了直接空冷凝汽器的换热效率，其冷却能力大大下降。
1.3 直接空冷机组国内外发展现状[3-4]
1.3.1 国外空冷技术发展概况
直接空冷技术到目前为止已经有60年的发展历史，早在20世纪30年代末，把空气作为冷却介质的凝气设备就已经陆续出现。后来由于两次世界大战的缘故，其发展极为缓慢，甚至进入停滞状态。再到后来80年代该技术才在电厂中得到应用和推广并日趋完善。纵观直接空冷发展史，比较典型的电站有：1938年，第一台凝汽式汽轮机的直接空冷凝汽器安装于德国的一个大型的工业电站；50 年代, 卢森堡的杜德兰格钢厂自备电站13MW机组和意大利的罗马电厂36MW机组分别投运了直接空冷系统；1958年，意大利建成了世界上第一座装有直接空冷凝汽器的2×36MW公用电站，已经可靠运行了50余年；1968年，尖屋顶式布置的机械通风型直接空冷系统首次应用在西班牙的乌特里拉坑口电厂。自此形成了直接空冷系统与间接空冷系统两种系统并存的局面。1978年美国怀俄明州Wodok电站365 MW直接空冷机组投入运行；
1938年，世界上第一台直接空冷发电机组由德国电气公司建成，其容量仅仅只有1.5MW，由此直接空冷机组开始发展。但应用在发电中还是比较少，最主要的原因是直接空冷机组造价昂贵，投资成本高，再者当时的欧洲冷却水资源充足，许多电厂直接冷却系统，将废热排入江河湖海中。用空冷系统冷却的汽轮机也因
排汽压力高，消耗量大而遭到冷落。
六七十年代，社会发展进入一个新的阶层，但随之而来的是水资源紧缺，环境受到严重污染的问题。由此直接空冷技术才逐渐应用在欧洲火力发电厂的冷却
系统。以后由于世界其他地方电力工业的发展受到水资源短缺的制约，故在欧洲以外的地区直接空冷技术也迅速得到发展，单机的容量也在逐步增大。
进入到80年代，直接空冷技术有了巨大的发展，其中典型的例子是南非，因为南非地区有着丰富的煤炭资源，但水资源十分匮乏，由此开始研究空冷电站。世界上单机容量最大的Matimba电站（6×665 MW）的投入运行标志着直接空冷技术在大型火力发电厂、大容量单机中的应用步入新的阶段。随后南非的Majuba电站3×657 MW直接空冷机组也开始投产。直接空冷机组在其他国家也相继投产，比如英国的科比电厂，装机容量350MW，伊朗的吉兰热电厂和美国林登电厂，装机容量分别为1170MW和850MW，而目前GEA计划在德国建设单机容量为800MW的直接空冷机组。
1.3.2 我国直接空冷机组的发展历程
我国空冷技术的起步并不是很晚。1996年直接空冷系统首次在哈尔滨工业大学试验电站的50KW机组上试验。1967年山西侯马电厂1.5MW又进行工业性直接空冷系统的试验。80年代以后，庆阳石化总厂附属电厂3MW机组投运了直接空冷系统。1987年和1988年，山西大同第二发电厂2×200MW机组首次应用国外匈牙利的海勒式间接空冷系统，我国火电空冷技术发展迈入一个崭新的阶段。
进入20世纪90年代，我国北方地区水资源短缺问题越来越严重，为解决这一问题，我国非常重视空冷项目的建设。其中山西、内蒙古的大部分地区的电厂采用了空冷系统，并逐渐实现设计制造完全国产化，这直接促进了空冷技术的发展和推广使用。2001年9月山西交城义望铁合金厂自备电厂使用了我国自主研发设计的国内首台空冷机组，并已建成投产。
2003年，我国首台大容量空冷机组由山西大唐云冈热电有限公司建成。云冈热电机组的建成标志着我国大型空冷机组技术的成熟同时也意味着跟上了世界的脚步。
2005年4月和5月我国第一台600MW直接空冷机组在大同第二发电厂投产并发电。
近几年来我国直接空冷机组得到日新月异的发展，很多大容量机组相继投产运行，相关的设备和技术也渐渐成熟。由于国家“十五”863 计划的支持，国内
的三大汽轮机制造公司已形成了具有自己鲜明特色的超超临界百万千瓦湿冷汽轮机技术，600 MW 超临界机组空冷技术也相对比较成熟，两者都具有了成功运行的经验。截至2005 年，直接空冷机组装机容量达到5.8 GW，全部空冷装机容量更是达到了7.6 GW。在2008 年就有20余个空冷项目相继投产。灵武一期2×600
MW 亚临界直接空冷机组成为我国西北地区第一座600 MW 级空冷电站。同时灵武发电公司的二期工程2×1 000 MW 超超临界空冷机组可行性研究报告也已经通过了中国国际工程咨询公司组织的审查，并在2008 年开工，2011 年全部建成运行投产。同时国家规划到2016 年将在我国华北、西北、东北“三北”地区建设单机容量为600MW 级燃煤直接空冷机组群和直接空冷装置群，总计有34 台，装机容量为20.4 GW。这些大型燃煤直接空冷机组投入运行后，将会进一步提高我国大机组的比例和空冷机组占比。据不完全估计，我国空冷机组的总装机容量接近40 GW，届时我国将成为全球的空冷大国。
1.4 本文研究的主要内容
本文主要针对660MW火电厂热电机组的热力系统进行性能指标计算和可靠性分析并建立热力系统性能指标计算模型，主要的内容有以下几个方面：
(1) 以大型火电660MW热电机组热力系统为基础，把整个热力系统分别进行模块化的分解，利用热力学第一、第二定律和能量、质量平衡方程，分别建立起锅炉性能指标计算模型、汽轮机性能指标计算模型、和电站系统性能指标计算模型，为后续的实际计算提供可靠的方法与指导。
(2) 根据从现场采集的数据，然后在热力模型的指导下，进行不同工况下的热
力性能计算和分析。
(3) 对性能计算进行必要的可靠性分析，包括初始数据、计算方法、计算结果的可靠性分析。
(4) 对最后的性能计算结果进行分析，量化能量损失的大小，找出火电机组系统中能量损失最多的地方和能量利用率低的薄弱环节，研究机组的节能方法，为机组的改进及优化提供理论指导。

中国石油大学（北京）学士学位论文
第2章 超临界燃煤电厂系统模型建立
2.1 电站热力系统流程
以我国北方某660MW超临界直接空冷燃煤电厂作为研究系统，建立热力系统工作流程。热力系统由锅炉系统、汽轮机系统、回热系统三部分组成。其中锅炉为亚临界一次再热煤粉炉；汽轮机为三缸单轴的布置，由于轴向力的存在，高压缸和中压缸对称布置以平衡轴向力，低压缸为双流形式；回热系统由高压加热器、低压加热器及除氧器组成，其中，高压加热器和低压加热器为表面式加热器，除氧器为混合式加热器。整个系统的工作流程图如下图2-1所示。
图2-1 电厂热力系统流程图
Figure 2-1 The chart diagram of plant thermal system flow

电厂的热力系统流程如下：主给水泵将预热过的水送入锅炉，水在锅炉的汽包中进一步加热升温形成高温高压的蒸汽，然后蒸汽进入过热器再次加热形成高温高压的过热蒸汽，接着过热蒸汽被送入汽轮机的高、中、低压缸分别做功。高压缸和中压缸进行1#抽汽、2#抽汽、3#抽汽、4#抽汽。抽出的蒸汽进入高压加热器和除氧器，其中2#抽汽分为两股，一股进入高压加热器，另一股进入锅炉再热器二次加热并和高压缸流出的蒸汽一起流入中压缸继续做功。蒸汽从中压缸流出后进入低压缸做功，最后从低压缸排出形成乏汽。中压缸要进行5#抽汽、6#抽汽、7#抽汽，抽出的蒸汽进入低压加热器。蒸汽推动汽轮机做功，汽轮机带动发电机转动，从而实现发电。高压加热器各级抽汽放热后形成的输水逐级流入到除氧器中进行回收，低压加热器各级抽汽放热后形成的输水逐级流入到冷凝器中进行回收。乏汽最后进入冷凝器，由凝结水泵将凝结水送入回热系统，经过各级加热器的加热升温及给水泵的加压后送入锅炉系统，整个循环过程结束。
2.2 建立数学模型
燃煤电厂的整个热力系统主要由锅炉和汽轮机两大系统组成，回热系统放入汽轮机系统一起考虑。要建立数学模型，首先把整个系统模块化处理，即分别建立锅炉模型和汽轮机模型，然后在总结并利用上述两模型计算结果的条件下求出整个系统热力性能指标模型，为后续的模型程序化和计算结果的输出提供理论基础与方法指导。
另外，为了保证最后的结果最大化的符合工程实际，同时增加研究的可行性，需将建立的数学模型加以适当简化、假设和修正。主要有以下几个方面：
(1) 管道中工质的扩散损失和设备连接处工质的少量泄露损失忽略。
(2) 固体与液体工质的流量以电厂内测量值为计算初始数值，气体工质的流量取系统内部的质量平衡计算值。
(3) 假设热力系统内所有工质稳定流动同时稳定做功时混合均匀。
(4) 为保证测点测量值的可靠性，同时考虑测点出现异常时的坏值，因此将计算初始数值进行一定的优化处理，去除部分坏值。
(5) 基于各加热器实际端差的考虑，假设各加热器的传热效率均为98%。
2.2.1 汽轮机系统性能计算模型
汽轮机的热力系统由三大部分构成，它们分别为汽轮机部分、冷凝系统和回热系统。求解各汽、水流量可以利用热平衡法[12]。汽水流量是汽轮机系统热力计算的关键，通过汽水流量可以计算出各个缸的效率，从而为热力系统的优化及降低成本预算提供参考意见。
(1) 加热器端差
电厂加热器较多，主要分为表面加热器和混合式加热器两种。在本章第一节中的燃煤电站系统流程图可知，回热系统中的1#、2#、3#高压加热器和5#、6#、7#低压加热器均为表面式加热器，而4#加热器（除氧器）和空冷凝汽器为混合式加热器。
对于表面式加热器而言，端差又可以分为加热器上端差和加热器下端差，上端差是指汽侧抽汽压力下的饱和温度与水侧出口温度之差，下端差为汽侧疏水温度与水侧进口温度之差。
① 下端差
(2-1)
式中：tdib为第i#加热器下端差，℃ (i = 1,2,3,5,6,7)；
tdi为第i#加热器汽侧疏水温度，℃；
twi为第i#加热器水侧进口温度，℃。
对于混合式加热器，端差只有一个，定义为水侧出口温度与进口输水温度之差，4#加热器的端差：
(2-2)
式中：td4为4#加热器端差，℃；
tfwp为给水泵进口母管温度，℃。
② 上端差
(2-3)
(2-4)
式中：tdit为第i#加热器上端差，℃ (i = 1,2,3,5,6,7)；
tsei为第i#加热器汽侧抽汽压力下的饱和温度，℃ (i = 1,2,3,5,6,7)；
tfw为主给水温度，℃；
tw(i-1)为第(i-1)#加热器水侧进口温度，即第i#加热器水侧出口温度，℃ (i = 1,2,3,5,6,7)。
(2) 汽水焓熵值的求解
可以利用H2O的物性计算子程序查得蒸汽与水的比熵值和比焓值。首先查水的三相图判断相区，然后通过温度与压力的值进行一定的数值计算。七级抽汽的后三级抽汽需要计算干度，干度的算法较多，本文利用相邻级等熵差值的算法进行计算。对于疏水、给水分别以饱和液和过冷水计算。后续效率的计算均需要计算出汽轮机三缸排汽的等熵焓。
(3) 系统各蒸汽流量及各级抽汽量的计算
汽轮机系统的热力过程满足质量平衡方程和能量平衡方程，由于加热器端差的存在，计算的结果会偏离理论值，所以在此假设加热器的传热效率为98%，用质量辅汽流量概括热力过程中所有的漏气量和轴封加热器蒸汽量。在计算之前，先引入锅炉能质平衡流程图，如图2-2：

图2-2 锅炉能质平衡流程图
Figure. 2-2 The energy transfer equilibrium flow chart of boiler

① 主蒸汽流量
在锅炉内部，主给水在过热器中与过热器减温水和再热器减温水混合产生主蒸汽（忽略汽水损失量），然后经过气包排污，根据质量守恒可计算主蒸汽流量：
(2-5)
式中：Gfw为主给水流量，t/h。
对每一个加热器都进行热平衡分析，然后计算各级抽气量，最后逐级求出抽汽量和各缸进出口蒸汽流量。
对1#高压加热器：
(2-6)
② 1级抽汽量
(2-7)
式中：Ge1为第1级抽汽量，t/h；
hw1为1#加热器进口水比焓，kJ/kg；
he1为第1级抽汽的比焓，kJ/kg；
hd1为1#加热器疏水比焓，kJ/kg。
同理，对其他加热器进行热平衡分析，可得其余级的抽汽量。
③ 2级抽汽量
(2-8)
式中：Ge2为2级抽汽量，t/h。
④ 冷再热蒸汽流量
(2-9)
式中：Gcrhs为冷再热蒸汽流量，t/h。
⑤ 再热蒸汽（中压缸进汽）流量
冷再热蒸汽不进行质量交换，它只是经过锅炉再热器的再热过程与再热减温水交换热量，所以再热蒸汽的流量并未发生改变，所以再热蒸汽流量：
(2-10)
式中：Grhs为再热蒸汽流量，t/h。
⑥ 3级抽汽量
(2-11)
式中：Ge3为3级抽汽量，t/h。
⑦ 4级抽汽量
(2-12)
式中：Ge4为4级抽汽量，t/h；
hfwp为给水泵进口水比焓，kJ/kg。
⑧ 中压缸排汽（低压缸进汽）流量
根据质量守恒及上述部分抽汽量和蒸汽流量的计算，可求出中压缸的排汽流量为：
(2-13)
式中：Gzp为中压缸排汽流量，t/h。
⑨ 低压加热器输送的凝结水流量
(2-14)
式中：Gcw为通过低压加热器的凝结水流量，t/h。
⑩ 5级抽汽量
对5#低压加热器进行热平衡分析，可以得出5级抽汽量的表达式：
(2-15)
式中：Ge5为5级抽汽量，t/h。
⑪ 6级抽汽量
对6#低压加热器进行热平衡分析，得出6级抽汽量的计算结果：
(2-16)
式中：Ge6为6级抽汽量，t/h。
⑫ 7级抽汽量
对7#低压加热器进行热平衡分析，得出7级抽汽量的计算结果：
(2-17)
式中：Ge7为7级抽汽量，t/h。
⑬ 汽轮机排汽（低压缸排汽）流量
根据系统蒸汽质量平衡，可求出汽轮机排汽流量：
(2-18)
式中：Gds为汽轮机排汽流量，t/h。
（4）汽轮机各缸的效率
① 高压缸效率
蒸汽在高压缸中的实际焓降与理想焓降之比即为高压缸的效率，即：

(2-19)
式中：ηh为高压缸效率，%；
hsei为高压缸第i级抽汽的等熵（以主蒸汽比熵为准）比焓，kJ/kg， (i = 1,2)；
hscrhs为高压缸冷再热蒸汽的等熵（以主蒸汽比熵为准）比焓，kJ/kg。
下面三个效率的计算方