火电机组热经济性分析的MATLAB实现指南

MATLAB凭借其强大的数值计算和矩阵处理能力，非常适合进行火电机组热经济性的建模、分析和优化。进行热经济性分析，核心在于准确计算各项热经济性指标，并建立合适的模型来分析和优化机组的性能。

1. 理论基础与分析方法

进行火电机组热经济性分析，通常涉及以下方法和指标：

• 常规热平衡法：基于热力学第一定律，通过计算机组能量平衡，求得机组热耗率、煤耗量等指标。
• 等效焓降法：基于热力学第二定律，通过分析蒸汽在汽轮机中的做功能力，计算汽轮机的内效率、循环效率等指标。
• （火用）分析法：同时考虑能量的数量和质量，计算（火用）效率和（火用）损失分布，更深入地揭示能量损失的部位和大小。

主要的热经济性指标包括：机组热耗率、汽轮机绝对内效率、锅炉效率、管道效率、全厂热效率和发电标准煤耗率。

2. MATLAB程序结构与模块设计

一个完整的热经济性分析程序，通常包含以下模块：

1. 数据输入模块：用于输入机组在不同负荷下的主蒸汽参数、再热蒸汽参数、给水温度、排烟温度等运行数据。
2. 热力性质计算模块：计算水和水蒸气在不同压力和温度下的比焓、比熵等。
3. 热经济性指标计算模块：这是核心模块，根据选择的分析方法（如等效焓降法）计算各项指标。
4. 结果输出与可视化模块：将计算结果以表格或图形的形式展示。

模块1：水和水蒸气热力性质计算

精确计算水和水蒸气的热力性质是基础。你可以借助MATLAB编写函数，根据工业标准公式（如IAPWS-IF97）进行计算。

% 示例：一个简化的焓值计算函数（示意）
function h = waterSteamEnthalpy(T, P, phase)
    % 简单的线性插值示例，实际应用需用准确的物性公式或查表
    % T: 温度 (C), P: 压力 (MPa), phase: 标识相态 ('water' or 'steam')
    % 此处应为复杂的实际水蒸气性质计算，例如查表或调用IAPWS-IF97公式
    % 这里只是一个占位符
    if strcmp(phase, 'water')
        % 简化计算水的比焓
        h = 4.18 * T + 0.001 * P; 
    elseif strcmp(phase, 'steam')
        % 简化计算蒸汽的比焓
        h = 2500 + 1.8 * T + 0.001 * P;
    else
        error('Invalid phase.');
    end
end

模块2：基于等效焓降法的热经济性计算

等效焓降法常用于定量分析热力系统变化对经济性的影响。

% 示例：计算汽轮机某级组的等效焓降和效率
function [H_equiv, eta_i] = equivalentEnthalpyDrop(h_in, h_out, h_extraction, m_main, m_extraction)
    % h_in: 进入级组蒸汽的比焓 (kJ/kg)
    % h_out: 离开级组蒸汽的比焓 (kJ/kg)
    % h_extraction: 抽汽的比焓 (kJ/kg)
    % m_main: 主蒸汽流量 (kg/s)
    % m_extraction: 抽汽流量 (kg/s)
    
    % 实际焓降
    actual_drop = (h_in - h_out) * m_main;
    
    % 抽汽引起的做功减少（等效焓降）
    H_equiv = actual_drop - m_extraction * (h_in - h_extraction);
    
    % 计算该级组的绝对内效率 (示意)
    % 理想焓降需要根据等熵过程计算
    % h_out_ideal = ... (通过熵计算理想出口焓)
    % ideal_drop = h_in - h_out_ideal;
    % eta_i = actual_drop / (ideal_drop * m_main); 
    
    eta_i = actual_drop / (H_equiv + actual_drop); % 此处为简化示意
end

模块3：机组煤耗特性拟合与负荷优化分配

利用MATLAB的曲线拟合工具箱，可以拟合出机组的煤耗特性曲线，进而进行多台机组的负荷优化分配。

% 示例：使用多项式拟合机组煤耗特性曲线，并进行负荷分配
% 假设有3台机组
load_data = [100, 150, 200]; % 三台机组的当前负荷 (MW)
% 假设已有各机组在不同负荷下的煤耗量数据

% 使用polyfit拟合二次煤耗特性曲线 F = a*P^2 + b*P + c
% 例如对机组1：
P1 = [80, 100, 120, 150, 180]; % 机组1的负荷点 (MW)
F1 = [25.0, 26.5, 28.5, 32.0, 36.0]; % 机组1对应的煤耗量 (t/h)
p1 = polyfit(P1, F1, 2); % 二次拟合

% 总负荷需求
P_total = 450; % MW

% 优化分配负荷，使总煤耗最小
options = optimset('Display', 'iter');
P_optimal = fmincon(@(P) costFunction(P, p1, p2, p3), ...
                    [150, 150, 150], ... % 初始猜测
                    [], [], [], ...
                    [80, 80, 80], ... % 下限
                    [200, 200, 200], ... % 上限
                    [], options);

function total_cost = costFunction(P, p1, p2, p3)
    % P是一个包含三台机组负荷的向量
    cost1 = polyval(p1, P(1));
    cost2 = polyval(p2, P(2));
    cost3 = polyval(p3, P(3));
    total_cost = cost1 + cost2 + cost3;
end

模块4：（火用）分析计算

（火用）分析可以帮助识别系统中能量损耗最大的环节。

% 示例：计算锅炉的（火用）效率
function eta_ex = boilerExergyEfficiency(Q_fuel, H_steam_out, H_feedwater, T0, ...
                                         chemical_ex_fuel, physical_ex_steam, physical_ex_feedwater)
    % Q_fuel: 燃料输入热量 (kJ/kg fuel)
    % H_steam_out: 出口蒸汽焓 (kJ/kg)
    % H_feedwater: 给水焓 (kJ/kg)
    % T0: 环境温度 (K)
    
    % 燃料的（火用）（此处需根据燃料类型详细计算，这里示意）
    E_fuel = chemical_ex_fuel; 
    
    % 蒸汽获得的（火用）
    E_steam_gain = physical_ex_steam - physical_ex_feedwater;
    
    % 锅炉（火用）效率
    eta_ex = E_steam_gain / E_fuel;
end

3. 应用案例与结果分析

参考相关研究，对某N200-12.75/535/535型汽轮机组的热力系统进行定量分析。通过MATLAB程序，计算了不同工况下的热经济性指标，并分析了加热器端差、抽汽管道压损、锅炉排烟温度等因素对机组热耗率的影响。

• 主要发现：
  • 加热器效率：高压加热器端差每增加1℃，机组热耗率约上升0.1%。
  • 补水方式：采用不同的补水引入方式（如进入除氧器或凝汽器），对机组热经济性有显著影响，优化补水方式可有效降低煤耗。
  • 给水回热分配优化：基于（火用）分析矩阵模型，对典型机组的给水回热分配方案进行优化，可使机组（火用）效率相对设计值提高2.28%。

参考代码 火电机组热经济性分析MATLAB程序 www.3dddown.com/cna/81776.html

4. 优化与拓展方向

基于上述模型，可以进一步开展以下工作：

• 集成优化算法：结合遗传算法等优化算法，对机组运行参数（如主蒸汽温度、再热蒸汽温度、给水温度）进行优化，进一步降低煤耗。
• 耦合其他仿真软件：可以参考IPSEpro与MATLAB协同仿真的方法，进行更复杂的系统分析和优化。
• 开发图形用户界面（GUI）：利用MATLAB的GUIDE或App Designer工具，开发热经济性分析的可视化界面，方便非编程人员使用。
• 动态特性分析：借鉴动态仿真模型的方法，研究机组在变工况下的动态热经济性。

总结

利用MATLAB进行火电机组热经济性分析，核心在于准确建模和高效计算。从基本的等效焓降法到更先进的（火用）分析，MATLAB都能提供有力的支持。通过拟合机组煤耗特性并利用优化算法进行负荷分配，可以有效降低全厂煤耗。