火電廠凝汽式汽輪機(jī)冷端運行優(yōu)化分析

霍光明 徐 楠 陳 娟 侯站民 曹 丹（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

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火電廠凝汽式汽輪機(jī)冷端運行優(yōu)化分析

霍光明 徐 楠 陳 娟 侯站民 曹 丹
（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

摘 要：隨著電力市場引入競爭機(jī)制并不斷發(fā)展，對于企業(yè)來說，要想提高市場競爭力，就要充分挖掘電廠的發(fā)電潛力，增強(qiáng)節(jié)能性能，最大限度降低發(fā)電成本。在提高機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性的工作中，最突出的問題就是機(jī)組運行中冷端系統(tǒng)的性能優(yōu)化，目前我國國內(nèi)的凝汽式汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的運行優(yōu)化問題依然存在。本文通過對凝汽式汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運行影響因素的研究，分析對其進(jìn)行優(yōu)化的方法和措施。

關(guān)鍵詞：火電廠；凝汽式汽輪機(jī)；冷端運行；優(yōu)化分析

我國以煤電為主的能源格局還將持續(xù)較長的一段時間，燃煤發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能對我國總體能源利用效率影響巨大，節(jié)約能源是我國一項基本國策，要建設(shè)好資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，就要從原理、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高運行效率，減少能源損耗?；痣姀S是煤炭資源的消耗大戶，在當(dāng)今的電力行業(yè)競爭機(jī)制下，注重節(jié)能環(huán)保，降低能源消耗，優(yōu)化電廠設(shè)備運行狀況，對于火電廠提高經(jīng)濟(jì)效益來說具有重要意義?；痣姀S作為由多個設(shè)備和系統(tǒng)聯(lián)合完成電能生產(chǎn)的基地，涉及到多種能量形式的轉(zhuǎn)換、多個操作環(huán)節(jié)，其中任何的一個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率都會影響火電廠最終的經(jīng)濟(jì)效益。

1 凝汽式汽輪機(jī)冷端運行概況、作用及意義

在現(xiàn)代化的火電站大型凝汽式汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中，凝汽設(shè)備主要作為冷源參與整個機(jī)組的熱力循環(huán)，其主要功能是將汽輪機(jī)進(jìn)行排汽并凝結(jié)成水的形式，同時在汽輪機(jī)的排汽口處建立并維持一定的真空度。由汽輪機(jī)的工作原理可知，其效率和功率會受到凝汽器真空度因素的影響，凝汽器為冷端系統(tǒng)的核心，因此凝汽器的真空度會影響到冷端系統(tǒng)的運行效率，進(jìn)而影響整個汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。我國對于冷端系統(tǒng)運行的研究不斷深入，但目前我國的相關(guān)企業(yè)和設(shè)備中，冷端耗能的問題仍然需要進(jìn)一步解決。

在機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性方面，冷端參數(shù)相比較于機(jī)組初參數(shù)的變化對經(jīng)濟(jì)性會產(chǎn)生更明顯的變化，尤其是凝汽器的真空度，是一個對機(jī)組運行和燃煤消耗產(chǎn)生很大影響的參數(shù)，也是對其經(jīng)濟(jì)性和安全性的實現(xiàn)有很大影響的參數(shù)。通過計算和分析得出凝汽器的最佳真空，并且最大程度的保證機(jī)組處在最佳的真空環(huán)境中，以實現(xiàn)冷端節(jié)能。

冷端系統(tǒng)是火電廠的不可缺少的系統(tǒng)之一，其內(nèi)部的各種設(shè)備的工況會通過背壓影響機(jī)組功率，也會通過輔機(jī)電耗影響電廠的用電情況。機(jī)組冷端的問題越多，問題越嚴(yán)重，機(jī)組效率就降低，燃煤消耗也就越多。因此對機(jī)組的冷端設(shè)備進(jìn)行全面的檢測、分析、評價、優(yōu)化，進(jìn)行定期維護(hù)、設(shè)備更新、技術(shù)引進(jìn)，是電廠節(jié)約資源、減少耗能，實現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益的投入少、見效快的一種途徑。在電力市場競爭局面基本形成的今天，進(jìn)行全面而高效的冷端優(yōu)化對電廠有著重要的意義。

2 凝汽式汽輪機(jī)冷端運行優(yōu)化

2.1 凝汽器最佳真空與最佳冷卻水量的關(guān)系分析

實際上，凝汽器的真空狀態(tài)并不是越高越好，無論是設(shè)計上還是實際的運行，都會對最佳真空度進(jìn)行分析和控制。在冷卻水的入口溫度、蒸汽負(fù)荷的相應(yīng)條件下，只有對冷卻水的流量進(jìn)行增加，相應(yīng)的凝汽器的真空度才會增加。也就是說，對于凝汽器真空度的提高，要付出更高的循環(huán)水泵的功耗費用，同時還有冷卻水的水資源使用費和熱污染環(huán)保處理費。其實最佳的真空度和對應(yīng)的冷卻水流量，是有相互聯(lián)系的，通過分析可以找到最佳設(shè)計位置。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)汽輪機(jī)最佳真空與冷卻水量關(guān)系曲線分析可知，在排氣量DC不變而且冷卻水入口溫度也在一個固定的數(shù)值基礎(chǔ)上，選擇一個初冷卻水量，對應(yīng)得到初始凝汽器壓力，這個壓力又可以使冷卻水的進(jìn)水量繼續(xù)增加。相同條件下，凝汽器里邊的壓力降低，汽輪機(jī)的功率就會增加，從而增加收益。

同樣的，如果對于循環(huán)水泵的消耗功率支出進(jìn)行拖動處理，會增加$CP，同時，也會造成水資源的使用費和冷卻水處理費增加，通過相關(guān)的分析驗證，得出了他們之間的公式表達(dá)關(guān)系式，通過進(jìn)一步的計算，得出增加冷水量的凈收益值$wnet，$wnet會隨著Dw的增加而增加，但會達(dá)到一個最大值，此后又會逐漸下降。

圖1 汽輪機(jī)最佳真空與冷卻水流量之間的關(guān)系

2.2 凝汽器最佳冷卻水量的確定

經(jīng)過對凝汽器最佳真空與最佳冷卻水量的關(guān)系分析，可以得知他們的相關(guān)變化特性，而如果熬試圖確定其真正的最合適值，就要進(jìn)行壓力計算。首先就是分析凝汽器的飽和溫度，因為汽輪機(jī)在正常的使用過程中其排氣壓力和排汽溫度存在著一定的關(guān)系，其凝汽器的內(nèi)部蒸汽壓力可以由其對應(yīng)的飽和溫度確定下來，飽和溫度的計算有相關(guān)的公式依據(jù)，即tc=tw1+$t+Dt（1），在該式中tw1是冷卻水在進(jìn)入后的實際溫度，也就是進(jìn)水端的溫度，$t是冷卻水的溫度增量，$t=tw2-tw1（2），Dt是凝汽器傳熱過程中的端差值。將式子（2）帶入到式子（1）中，移項整理即可得到Dt=tc-tw2 （3）。在（1）式中，tw1和環(huán)境溫度有關(guān)，對于直流的供水系統(tǒng)，該數(shù)值就是環(huán)境中冷卻水的溫度。對于循環(huán)供水的系統(tǒng)，tw1的值也就是冷卻塔位置的出口水的溫度的值，通過凝汽器的熱平衡原理列出對應(yīng)的方程，就可得到冷卻水在凝汽器內(nèi)所升高的溫度值。

循環(huán)冷卻水作為熱循環(huán)的載體，其用量對冷端系統(tǒng)的運行效率有很大的關(guān)系，在凝汽式汽輪機(jī)的正常運行狀態(tài)下，負(fù)荷一旦確定，其排汽的量也隨之確定。但當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境因素，如氣溫、環(huán)境具體條件等會影響循環(huán)冷卻水的入口端溫度，因此其具體的循環(huán)水量的確定要考慮這些因素，最好是使用動態(tài)的調(diào)節(jié)方法。最佳循環(huán)水量的計算是改變凝汽式汽輪機(jī)的排氣量，其使用的循環(huán)冷卻水的溫度也改變，通過記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）計算飽和溫度，再計算出凝氣壓力，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水量讓最大值出現(xiàn)，此時的循環(huán)水量就是最佳循環(huán)水量。

2.3 凝汽器最佳真空的確定

通過理論分析之后，凝汽器的最佳真空狀態(tài)的確定需要進(jìn)行一系列的實驗和計算，簡單來說，其方法是在循環(huán)水與水蒸氣在凝汽器里邊相遇，循環(huán)水量會達(dá)到一個臨界值，此時機(jī)組出力和循環(huán)水泵的功率相同，在達(dá)到該臨界之前找到差值最大的時刻，此時的真空就是最大真空，接下來就通過啟停設(shè)備的方法維持即可。

2.4 汽輪機(jī)功率、凝汽器壓力之間的關(guān)系分析

想要確定汽輪機(jī)背壓變化，就要對其功率增加過程中的影響進(jìn)行分析，分析方法可以用熱力學(xué)中的熱平衡法、汽輪機(jī)原理分析方法、效熱降法、曲線擬合法等。一般情況下采用特性曲線進(jìn)行擬合，其操作簡便、準(zhǔn)確性高而且實用性強(qiáng)。根據(jù)汽輪機(jī)制造商提供的汽輪機(jī)特性曲線，使用曲線擬合，得到不同蒸汽負(fù)荷下的功率—排氣壓力關(guān)系。

2.5 確定循環(huán)水泵消耗功率的增量

對于循環(huán)水泵的消耗功率進(jìn)行計算，通過Pp=QgDwH/3600×1000GpGm這個式子的計算來實現(xiàn)，在該式中，Q為冷卻水密度，單位是噸每立方米t/m3，H代表了循環(huán)水泵的總揚(yáng)程，單位是米m，Gp代表了水泵的實際效率，Gm代表電動機(jī)的效率值。水資源使用費用、冷卻水熱污染環(huán)保處理費$Cw，直接和冷卻水量的用量有關(guān)，具體費用需要根據(jù)當(dāng)?shù)卣南嚓P(guān)規(guī)定確定，確定之后可以通過一定的方法進(jìn)行計算。

結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，電力事業(yè)也取得很大進(jìn)步，在我國目前的火力發(fā)電企業(yè)運行過程中，冷端優(yōu)化問題仍然比較突出，冷端性能的不達(dá)標(biāo)會影響火電廠的發(fā)電效率，增加不必要的功耗，降低其經(jīng)濟(jì)性，因此機(jī)組冷端系統(tǒng)對于整個電力市場的安全和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的作用。根據(jù)相應(yīng)的分析，火電機(jī)組要重點從真空度和循環(huán)最佳水量這兩個方面入手進(jìn)行重點優(yōu)化，同時兼顧整體的功率特性，對循環(huán)水量實行動態(tài)精細(xì)化調(diào)節(jié)，建立相關(guān)優(yōu)化模型，使冷端優(yōu)化工作更加有效。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TM621

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