汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化初探

【摘要】電力行業(yè)是國(guó)家工業(yè)發(fā)展最為重要的產(chǎn)業(yè)之一，而就目前而言，國(guó)內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組仍占有最為重要的份額。汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)作為火力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成部分，對(duì)于機(jī)組的發(fā)電生產(chǎn)效率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，如何不斷實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)化、提升，是目前電力生產(chǎn)行業(yè)十分重要的一項(xiàng)研究課題。本文即針對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)，及其性的能改進(jìn)與完善方法做出簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；冷端系統(tǒng)；凝汽器；運(yùn)行優(yōu)化

一、引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，各行各業(yè)對(duì)于能源的消耗量亦隨之逐步增長(zhǎng)，目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上對(duì)于能源依賴量最高的國(guó)家之一。而電力作為工業(yè)生產(chǎn)的支撐產(chǎn)業(yè)，目前在國(guó)內(nèi)各產(chǎn)業(yè)能耗比重中占有很大的份額。在此種狀況之下，如何更好的提高電力生產(chǎn)效率，節(jié)約能源消耗量則成為電力產(chǎn)業(yè)優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)。汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的運(yùn)行狀況對(duì)于整個(gè)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)是有著十分重要的意義的。以冷端水循環(huán)模式為例，一方面，當(dāng)系統(tǒng)選擇使用汽輪機(jī)作為驅(qū)動(dòng)促進(jìn)水循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，汽輪機(jī)勢(shì)必消耗較多的電能，如何優(yōu)化冷卻塔的設(shè)備設(shè)計(jì)，提高冷卻水的利用率，提高冷卻效率，保證其發(fā)揮的勢(shì)能可以最大的轉(zhuǎn)換為循環(huán)水動(dòng)能則成為冷端系統(tǒng)的一個(gè)主要改進(jìn)點(diǎn)；其次，循環(huán)水在流動(dòng)過程中勢(shì)必會(huì)由于蒸發(fā)、排污等原因造成水量的損耗，而此時(shí)往往需要用地下水進(jìn)行補(bǔ)給，從而又一次造成一筆較大的經(jīng)費(fèi)支出；并且循環(huán)水含污染物較多，對(duì)環(huán)境的破壞性較強(qiáng)，過多的排放會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利的影響；由此可知，為降低冷凝水循環(huán)系統(tǒng)成本支出，必須減少水量損耗，依據(jù)循環(huán)水的不同溫度、水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力循環(huán)，并盡量保證水循環(huán)在封閉、真空的環(huán)境下進(jìn)行，從而提高冷卻倍率，優(yōu)化冷卻效果。

二、汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

對(duì)于凝汽器真空的各影響因素是目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化所研究的一個(gè)重點(diǎn)。就如何對(duì)各類因素進(jìn)行深入可靠的分析，并提出怎樣的改進(jìn)措施等問題，國(guó)內(nèi)外專家展開了深入的探討。一方面，針對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)、循環(huán)水泵及凝汽器等環(huán)節(jié)的設(shè)備構(gòu)成，國(guó)內(nèi)外提出了一系列優(yōu)化理念。例如SanDigeo公司設(shè)計(jì)了一套凝汽器運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備，技術(shù)人員通過該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)對(duì)凝汽器的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，一旦出現(xiàn)問題可以及時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，從而確保儀器的平穩(wěn)運(yùn)行。又如俄羅斯開發(fā)出了一套可應(yīng)用于凝汽器一端的故障診斷及檢修系統(tǒng)，對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的性能檢測(cè)及改進(jìn)起到了很好的促進(jìn)作用。在我國(guó)，對(duì)于汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)同樣開展了較為深入的研究，例如由王乃寧所研發(fā)的“汽輪機(jī)濕蒸汽的光學(xué)測(cè)量”方法，能夠通過更加科學(xué)、合理的測(cè)量手段對(duì)汽輪機(jī)冷端末端的排汽狀況進(jìn)行測(cè)定。又如美國(guó)加州技術(shù)人員通過對(duì)循環(huán)設(shè)備的改進(jìn)，提高了冷卻水的利用率，使冷卻效率得到了進(jìn)一步提高。一系列研究的開展，使得目前業(yè)內(nèi)對(duì)于汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)水循環(huán)系統(tǒng)的各項(xiàng)真空狀態(tài)指標(biāo)均有了更準(zhǔn)備的確定方法，從而更好的對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

三、汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)概述

汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)是電廠設(shè)備十分重要的一個(gè)組成環(huán)節(jié)，它是由一系列子設(shè)備共同組成的，包括汽輪機(jī)低壓缸的末級(jí)組，促進(jìn)冷凝水在系統(tǒng)內(nèi)往復(fù)流動(dòng)的整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，為冷凝水流動(dòng)提供動(dòng)力來源的水泵，為冷凝水降溫的冷卻塔，將高溫形成的水蒸氣進(jìn)行冷凝并重新進(jìn)入循環(huán)的凝汽器等等。通過上述各設(shè)備的基本功能可知，整個(gè)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)整體可劃分為兩大部分，首先為凝結(jié)水系統(tǒng)，以凝汽器設(shè)備為主；其次為水循環(huán)系統(tǒng)，由循環(huán)水泵、冷卻塔等設(shè)備組成。

當(dāng)汽輪機(jī)有熱氣排入凝汽器時(shí)，凝汽器內(nèi)部的低溫循環(huán)水會(huì)迅速對(duì)熱蒸汽進(jìn)行冷卻，并凝結(jié)成為液體水，此種狀況下，氣壓突然降低，凝汽器內(nèi)部形成一個(gè)近于真空的環(huán)境，以利于循環(huán)水的作用。為充分保證系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的真空性，需通過其他措施將凝汽器中殘余的空氣及未凝結(jié)氣體抽出。在此種環(huán)境下，冷端水循環(huán)系統(tǒng)方能更加高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

四、汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法

目前，國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究人員針對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化課題提出了兩種主流的研究思路。第一種方法是以汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)水溫度以及系統(tǒng)運(yùn)行過程中的負(fù)荷量作為固定常數(shù)，通過不斷改變進(jìn)水量、真空指標(biāo)、水泵安裝方式等參數(shù)，嘗試調(diào)整得出各設(shè)備的最佳運(yùn)行狀態(tài)，該種優(yōu)化方式屬于對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行完善的優(yōu)化理念。第二種方法則是針對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)熱力參數(shù)確定系統(tǒng)最優(yōu)冷凝指標(biāo)，具體來說，是當(dāng)設(shè)備達(dá)到某一熱力階段時(shí)，綜合參考技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各項(xiàng)因素，確定出最有利于冷端系統(tǒng)工作的循環(huán)水進(jìn)水量以及最佳真空參數(shù)。

4.1凝汽器壓力確定方法

通常來講，我們說到的凝汽器壓力指的是汽輪機(jī)在向凝汽器內(nèi)排進(jìn)高溫氣體時(shí)，該氣體所具有的壓力。凝汽器壓力亦可稱為背壓。然而，若從嚴(yán)格意義上進(jìn)行分析，汽輪機(jī)的排汽壓力與凝汽器壓力兩者有很大的差別。這是因?yàn)槟鲏毫κ侨斯y(cè)得的一個(gè)壓力參數(shù)，是通過在距冷凝管束上端排氣管30cm左右處，當(dāng)氣體處于穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)壓力的數(shù)值，通常用p來表示凝汽器壓力。而汽輪機(jī)排汽壓力（即背壓）則指的是在動(dòng)葉片的排汽口處，當(dāng)氣壓處于較為穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，人工測(cè)得的壓力，通常用pk代指。

由于規(guī)模較大的凝汽器通常與低壓排汽缸的動(dòng)葉片之間距離較大，僅僅在凝汽器的過渡段便有約3m的長(zhǎng)度距離，因此，當(dāng)排除的氣體經(jīng)過凝汽器的過渡段時(shí)，定會(huì)在流動(dòng)過程中遇到阻力形成壓力損失，由此可知，通過長(zhǎng)距離流動(dòng)后的氣體在低壓缸排氣口處所測(cè)得的氣壓與凝汽器氣壓將產(chǎn)生較大的誤差，這便是凝汽器氣壓與背壓的差異所在。在施工過程中開展壓力確定時(shí)，只有在氣體流動(dòng)過程中由于阻力所造成的氣壓損失剛好等于氣體的速度能頭的情況下，此時(shí)的損失系數(shù)為1，凝汽器壓力與背壓才能剛好相等，可以將凝汽器壓力理解為背壓。然而此種情況在實(shí)際生產(chǎn)中十分罕見。由于排出的氣體并非完全均一，因此凝汽器壓力通常會(huì)受多種因素的共同影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致低壓缸排氣口處的壓力比凝汽器壓力稍大。若要得到二者差異的定量值，則需要通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)凝汽器過渡段的阻力值進(jìn)行確定，從而得出pk與p的差值，確定出準(zhǔn)確的凝汽器壓力。由于實(shí)際生產(chǎn)之中，對(duì)于凝汽器壓力的確定并非是一個(gè)極為嚴(yán)格的過程，故為了提高工作效率、降低實(shí)驗(yàn)成本，通常會(huì)將低壓缸排氣口處氣壓pk等值于凝汽器氣壓p進(jìn)行測(cè)量。由此可見，準(zhǔn)確理解凝汽器壓力概念，合理確定壓力值，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中提高效率、降低成本，同時(shí)提升各參數(shù)把握的準(zhǔn)確性。

4.2汽輪機(jī)功率與凝汽器壓力的關(guān)系分析

在將凝汽器壓力約等為背壓后，又對(duì)凝汽器氣壓與汽輪機(jī)的功率展開的進(jìn)一步的研究。研究發(fā)現(xiàn)，凝汽器壓力對(duì)于汽輪機(jī)的生產(chǎn)功率有著較為明顯的影響，該影響也就是我們通常所說的汽輪機(jī)微增功率。為了更好的了解凝汽器壓力對(duì)汽輪機(jī)功率的影響作用，通常通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及計(jì)算得數(shù)兩種方法進(jìn)行，通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算得數(shù)，綜合認(rèn)為凝汽器背壓對(duì)汽輪機(jī)功率的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，當(dāng)汽輪機(jī)的進(jìn)氣量恒定時(shí)，由于凝汽器中氣流流動(dòng)過程中受到阻力、溫度變化等因素的影響，導(dǎo)致氣壓發(fā)生壓力的變化，這一變化將會(huì)導(dǎo)致低壓缸末級(jí)發(fā)生焓參數(shù)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，從而使得汽輪機(jī)工作狀況出現(xiàn)不穩(wěn)定性變化，進(jìn)而影響到汽輪機(jī)的工作效率。另一方面，當(dāng)凝汽器內(nèi)的氣體氣壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將要進(jìn)入到水循環(huán)系統(tǒng)中的凝結(jié)水溫度亦會(huì)隨之發(fā)生變化。溫度的變化必然會(huì)導(dǎo)致凝汽器凝結(jié)水的水量較之前有所不同，水溫較高時(shí)，需要消耗更多得低溫循環(huán)水進(jìn)行降溫冷凝，而水溫較低時(shí)，同樣體積的低溫循環(huán)水則可凝結(jié)更多得水汽，由此可見，溫度的變化定將對(duì)凝汽器的工作效率產(chǎn)生較大的影響。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，則希望能夠通過盡量減少排氣口處氣體的溫度，從而提升固定水量冷凝水的凝結(jié)量，從而提高凝汽器的工作效率。

4.3循環(huán)水泵耗功增量分析

循環(huán)水泵是整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力部分，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，循壞水泵能夠?qū)⒌蜏乩淠斔腿胝麄€(gè)循環(huán)系統(tǒng)之中，通過水體的低溫對(duì)排汽進(jìn)行降溫、凝結(jié)，最終進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)。由此可知，在凝汽器所要冷凝的氣體不同的情況下，可以通過選擇不同容量的循環(huán)水泵來滿足不同設(shè)備的需要。若水泵容量過大，則不能夠充分利用，導(dǎo)致水泵使用效率的下降；若水泵容量不足，則難以為凝汽器提供充足的低溫水進(jìn)行排汽凝結(jié)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)氣壓過高，影響汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的工作效率。除此之外，為確保汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行過程中的不斷優(yōu)化，還應(yīng)特別注重循環(huán)水泵的安裝位置及其與水體的配合特性。例如不同水質(zhì)在不同設(shè)備中流動(dòng)時(shí)，其遇到的阻力、流動(dòng)的距離等存在差異，因而形成的凝汽器氣壓特性亦不盡相同，故在選擇循環(huán)水泵類型及安裝方位時(shí)，需充分考慮多重因素。

在對(duì)循環(huán)水泵耗功增量進(jìn)行分析時(shí)，不僅僅要參考賣家所提供的各類參數(shù)，還可依據(jù)實(shí)際情況對(duì)水泵工作狀況進(jìn)行測(cè)試，通過實(shí)驗(yàn)的方法確定循環(huán)水泵的耗功增量分析曲線。通過曲線特征即可得出水泵在受到不同參數(shù)差異影響的情況下，其運(yùn)行特征的變化情況。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，即可很好的對(duì)循環(huán)水泵特征進(jìn)行把握，從而切實(shí)優(yōu)化其生產(chǎn)性能。

4.4水資源使用費(fèi)用及環(huán)保費(fèi)用確定

目前，各電廠在生產(chǎn)中通常是利用循環(huán)水中的低溫冷凝水對(duì)熱排氣進(jìn)行凝結(jié)，所得的水在溫度較低的情況下繼續(xù)加入到水循環(huán)的過程中去發(fā)揮作用。然而，當(dāng)循環(huán)水的水溫達(dá)到一定高度時(shí)，其對(duì)于熱排氣的冷凝已不起作用，故電廠通常會(huì)選擇將其排放至附近水流之中，而排放出的水通常溫度較高，且可能帶有一定的污染物，從而對(duì)周邊環(huán)境造成惡性的影響。例如，當(dāng)溫度較高的熱排水進(jìn)入到普通水體之中后，會(huì)對(duì)水體原有的溫度系統(tǒng)造成突發(fā)性的破壞，使得其中大量水生生物由于不能夠適應(yīng)突變的水溫而出現(xiàn)病變、死亡等現(xiàn)象。隨著近年來人們關(guān)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不斷增強(qiáng)，相關(guān)部門對(duì)于電廠冷端系統(tǒng)排水的監(jiān)控力度隨之加大，故電廠需對(duì)其所排放的熱排水及含有高溫水蒸汽的熱排氣繳納較高的費(fèi)用，而這些費(fèi)用是在綜合考評(píng)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行成本時(shí)所不可忽略的。若電廠仍固守舊有的思維模式，不對(duì)熱排環(huán)保費(fèi)用加以重視，則會(huì)導(dǎo)致成本過高、生產(chǎn)效益降低等后果。反之，只有對(duì)水資源的使用費(fèi)用及環(huán)保費(fèi)用均進(jìn)行科學(xué)、細(xì)致的計(jì)算，方能將其轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的一大動(dòng)力，從而更好的提高循環(huán)水使用效率。

4.5改變汽輪機(jī)排汽濕度，提升冷卻效率

優(yōu)化冷卻效果主要途徑為以下幾個(gè)方面：增大循環(huán)水量、凝汽器換熱面積和冷卻塔淋水面積。然而，在規(guī)模較大的電廠設(shè)備中，汽輪機(jī)的最后幾個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備的工均處于濕度較大的環(huán)境之中，實(shí)際生產(chǎn)中難免出現(xiàn)濕氣凝結(jié)形成水珠的現(xiàn)象。小水珠的形成對(duì)于汽輪機(jī)的生產(chǎn)是十分不利的，一方面，會(huì)對(duì)汽輪機(jī)金屬材質(zhì)的設(shè)備造成日積月累的腐蝕作用；此外，濕氣損失還會(huì)導(dǎo)致蒸汽散失，使得熱排氣的氣體量小于干氣情況下的排汽量，從而導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)的水量損失，所以冷卻效率難免低下。

為提升冷卻效率，避免冷卻水的散失，必須對(duì)生產(chǎn)過程中的汽輪機(jī)濕度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，例如加入必要的濕氣干燥步驟等。只有將生產(chǎn)中設(shè)備內(nèi)部的氣體濕度控制在13%左右，方能確保生產(chǎn)環(huán)境的安全、高效。因此，控制汽輪機(jī)排汽濕度也是汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。

4.6凝汽器的最佳真空和最佳冷卻水量確定

所謂凝汽器的最佳真空和最佳冷卻水量值得是當(dāng)汽輪機(jī)生產(chǎn)達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)凝汽器的真空參數(shù)及冷卻水體積。在實(shí)際計(jì)算過程中，首先應(yīng)確定恒定的排氣量及冷凝水水溫。通過調(diào)整冷卻水的體積，一次求取汽輪機(jī)實(shí)際功率的改變量、冷卻水水泵的耗功量，并綜合考慮用水成本、環(huán)保成本等多重因素，最終得出汽輪機(jī)的綜合收益。通過對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)綜合收益達(dá)到最大值時(shí)，確定出的真空參數(shù)以及冷凝水的水量及為優(yōu)化汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)所需要的最佳真空和最佳冷卻水量。當(dāng)循環(huán)水泵可以連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，則可通過對(duì)水泵的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)冷卻水水量的控制，進(jìn)而使冷卻水達(dá)到最佳水量。若循環(huán)水泵無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，則可將冷卻水水量調(diào)整到一個(gè)最接近最佳水量的值，從而實(shí)現(xiàn)該狀況下汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的最優(yōu)化。

五、結(jié)語

總之，汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)作為火力發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，對(duì)于電機(jī)的生產(chǎn)效率、平穩(wěn)性、安全性等均有著十分重要的影響。加強(qiáng)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)各項(xiàng)性能及運(yùn)行特征的研究，從工作原理、能耗、排放量等多個(gè)角度出發(fā)，全面提升系統(tǒng)運(yùn)行效能，這對(duì)于電力生產(chǎn)行業(yè)而言發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。因此，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)于汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方面的研究，不斷提升國(guó)內(nèi)電力生產(chǎn)效率，并最終促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

邢勤華，女（1982-12-4），北京，國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，水工工藝，本科，工程師.