火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化研究.pdf

收稿日期 2009206205 基金项目国家973计划项目2009CB219803。 作者简介马立恒19832 , 男,硕士研究生,研究方向为电厂热力系统优化运行。 火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化研究 马立恒,王运民 长沙理工大学 能源与动力工程学院,长沙410004 摘要针对目前国内凝汽式汽轮机冷端系统运行优化存在的问题,从电厂汽轮机冷端系统实际出发,在确定凝汽器 的最佳真空和最佳冷却水量时,除考虑了传统的因素外,还考虑水资源使用费用和冷却水热污染的环保费用,使冷 端系统运行优化更加贴合实际。研究过程中,并以国产600MW凝汽式机组为例,对汽轮机冷端系统进行了运行优 化分析和计算,收到了满意的效果。 关键词汽轮机;冷端系统;凝汽器;运行优化 分类号 TK264. 1 文献标识码A 文章编号 1001258842010 0220137204 Study on the RunningOptimization for Condensing Steam Turbine Cold End in Thermal Power Plant MA Li2heng,WANG Yun2min College of Energy and Power Engineering Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004,China AbstractAccording to the problems of condensing steam turbine cold end system at home, this article takes the steam turbine cold end system in power plant from actual conditions, in determining the optimized vacuum and circulation water flow, the traditional factors, hot pollution cost and expenditure cost of the coolingwater have been considered. So it ismore fit to reality .In the course of study, taking the domestic 600MW condensing unit as an example, the runningopti mization of steam turbine cold end system is analyzed and calculated, and the satisfactory results have been reached. Key words steam turbine; cold end system; condenser; runn ing opti m ization 0 前 言 目前国内对凝汽器最佳真空的研究,通常是在给定的汽 轮机负荷和冷却水进水温度下,通过改变冷却水量,使汽轮 机功率的增量与循环水泵耗功增量之间的差值达到最大时 来确定的 [1 - 3]。这种研究方法只考虑了汽轮机功率的变化 和循环水泵耗功的变化,并没有考虑在利用冷却水的同时, 对水资源的消耗以及对河流或大气所造成的热污染问题。 随着人们对水资源及环境保护意识的提高,凝汽器所消耗的 冷却水量以及向河流或大气所排放的热水汽量对水资源 和环境的影响已经开始受到有关部门的高度重视。另外,电 厂机组实际运行中,凝汽器真空的调整主要是通过改变冷却 水量来实现的在夏季或高负荷时,对定速不可调循环水泵, 往往投入多台循环水泵运行,对于可调循环水泵,是通过调 整动叶安装角或提高泵的转速,达到增加冷却水量的目的; 在冬季或低负荷时,冷却水量的调整方法则相反。这样的调 整方法看似合理,实际上并不能保证各种负荷下汽轮机凝汽 器均在最佳真空下运行。所以在当今我国电力行业实施“ 厂 网分开 ” 、 “ 竞价上网 ” 的机制下,如何实现汽轮机冷端运行 优化,提高机组运行的经济性,对电厂来说具有十分重要的 意义。 1 汽轮机冷端运行优化方法 1. 1 基于多因素的凝汽器最佳真空和最佳冷却水量的概念 虽然提高凝汽器的真空可以使蒸汽在汽轮机内理想比 焓降增大,使汽轮机多发功率,但无论从设计角度还是从运 行角度来看,并不是真空越高越好。在冷却水入口温度、 蒸 汽负荷一定的条件下,要提高凝汽器的真空只有靠增加冷却 水流量,即要提高凝汽器的真空必须以增加循环水泵耗功费 用、 冷却水水资源使用费用和冷却水热污染环保费用的支出 为代价。因此,它存在着降低背压使汽轮机功率增量收益的 数值ΔCt,能否补偿增加冷却水量使循环水泵耗功的支出 ΔCp、 冷却水水资源使用费用和冷却水热污染环保费用的支 出ΔCw的问题,从而有了凝汽器最佳真空和最佳冷却水量的 新概念。即ΔwnetΔCt-ΔCp-ΔCw达到最大值时所对应的 真空和冷却水量分别为最佳真空和最佳冷却水量。 最佳真空与冷却水流量之间的关系可以从图1表示出 来。汽轮机运行中,在排汽量Dc不变,冷却水入口温度tw1一 定时,当选取一个初始冷却水量,就有一个初始的凝汽器压 力,增加冷却水量,同样条件下凝汽器压力降低了,汽轮机功 第52卷 第2期 汽 轮 机 技 术 Vol . 52 No. 2 2010年4月 TURB I NE TECHNOLOGY Apr . 2010 图1 汽轮机最佳真空与冷却水流量之间的关系 率增加使收益增加了 ΔCt,拖动循环水泵耗功的支出也增加 了ΔCp,同时水资源使用费及冷却水热污染的环保费用也增 加了ΔCw,则增加冷却水量的净收益为 Δw netΔCt-ΔCp- ΔCw。如图1所示,Δwnet开始随冷却水量Dw的增加而增加, 到a点时为最大,以后又开始下降。则a点对应的冷却水量 就是最佳冷却水量Dwop。相应的b点所对应的凝汽器真空 就是最佳真空pcop。 1. 2 凝汽器最佳真空和最佳冷却水量的确定方法 凝汽器压力的计算 1凝汽器饱和温度 凝汽式汽轮机正常运行时,汽轮机的排汽压力与排汽温 度的关系是饱和蒸汽的压力与温度的关系。因此,实际凝汽 器内的蒸汽压力可由与其相对应的饱和温度来确定,而饱和 温度tc用下式计算 [4] tc tw1Δt δt1 式中,tw1为冷却水进水温度,℃;Δt为冷却水温升,℃,Δttw2 -tw1;δt为凝汽器传热端差,℃,δttc-tw2。 冷却水进水温度tw1与环境温度有关,对直流供水系统, 它直接等于环境中冷却水的温度;对循环供水系统,它等于 冷却塔的出口水温。 由凝汽器热平衡,得到冷却水在凝汽器内的温升 Δt 525 m 2 式中,m为凝汽器的冷却倍率,m Dw Dc ;Dw为冷却水流量, t/h;Dc为排汽量, t/h。 凝汽器传热端差δ t δ t Δt e KAc 4 187Dw -1 3 式中,Ac为凝汽器的冷却面积,m2;K为凝汽器总平均传热系 数,W / m2 K 。 凝汽器总平均传热系数按下述别尔曼公式确定 [5] K 4 070β 1.1vw 4 d1 x 1- 0.52-0.007 2dkβ 103 35- tw1 2 1 z -2 15 1- tw1 45 β d 4 式中,β为考虑冷却表面清洁状况和冷凝管材料及壁厚的系 数;vw为冷却水在冷凝管内流速, m /s;d1为冷凝管内径, mm;dk为蒸汽负荷率, g/ m2s ;x、z 、 β d为系数、 冷却水的 流程、 考虑蒸汽负荷率影响的修正系数。 以上是对单压凝汽器饱和温度的计算。但对双压凝汽 器,需要对汽轮机双背压运行的凝汽器进行分析。依据参考 文献[4],双压凝汽器低压侧和高压侧的饱和温度的平均值 tc为 tc tw1 1 4Δt Δt 2 1 1- R 1 2 1 1- R 1 2 -1 5 式中,R Δt Δt δ t 。 2凝汽器压力 凝汽器压力可由对应的饱和蒸汽温度来确定,查水蒸汽 表或用其经验公式 [6] pc0.009 81 tc100 57.66 7.46 kPa6 3汽轮机功率与凝汽器压力的关系 目前,确定汽轮机背压变化对其功率增量的影响通常采 用以下几种方法热力学方法,常规热平衡法,汽轮机原理方 法,等效热降法和特性曲线拟合方法。鉴于特性曲线拟合方 法简捷、 方便、 准确和实用性强等特征,因此,通常根据制造 厂提供的汽轮机特性曲线,通过特性曲线拟合的方法得出在 不同蒸汽负荷下,汽轮机功率与排汽压力的关系式 Pt fpc7 4循环水泵耗功增量 循环水泵的耗功由下式计算 [7] Pp ρgDwH 3 6001 000ηpηm 8 式中,ρ 为冷却水的密度, t/m3;H为循环水泵总扬程,m;ηp、 η m分别为水泵效率和电动机效率。 5水资源使用费及冷却水热污染的环保收费 水资源使用费及冷却水热污染的环保收费 ΔCw直接与 冷却水量的多少有关,此费用可根据当地政府有关部门的规 定来计算。 6凝汽器的最佳真空和最佳冷却水量的确定 首先在给定的冷却水进水温度tw1和汽轮机排汽量Dc条 件下,改变冷却水量Dw,分别求出汽轮机功率增量 ΔPt、 循环 水泵耗功增量ΔPp和水资源使用费及冷却水热污染的环保 收费ΔCw。知道汽轮机功率增量 ΔP t和循环水泵耗功增量 ΔPp后,就能计算出汽轮机功率增量的收益 ΔCt和拖动循环 水泵的电动机耗功增量的支出ΔCp,然后再确定净收益 ΔwnetΔCt-ΔCp-ΔCw9 对应上式净收益最大时所对应的真空和冷却水量即为 最佳真空和最佳冷却水量。这样,选取不同的冷却水进水温 度和汽轮机的排汽量,就能得到各种对应工况下的凝汽器最 佳真空和最佳冷却水量。 对于变速可调或可动叶片调节的循环水泵,可通过改变 转速或改变动叶安装角来改变循环水量;对于冷却水量不能 831汽 轮 机 技 术 第52卷 w w w . b z f x w . c o m 连续调节的定速不可调循环水泵,当改变循环水泵的运行台 数后,并不能保证所得的冷却水量是最佳值,只能是接近最 佳值。因此,判别循环水泵的运行方式是否属于最优运行方 式,应该根据Δwnet值的大小来判断,当Δwnet0时,即当循环 水泵的运行台数改变后,净收益大于零时,可以采用多泵运 行,否则应采用单泵运行 [8]。 2 汽轮机冷端运行优化的实例 以某电厂600MW机组汽轮机冷端系统为例进行研究。 汽轮机是N600 - 24. 2/566/566型,凝汽器是N - 36800 - 1 型,循环水泵采用2台80LKXA - 31型定速不可调循环水 泵,冷却水供水方式为开式供水 [9]。 2. 1 汽轮机背压与机组电功率的关系 图2为汽轮机制造厂提供的真空-功率修正曲线,曲线 由上至下,背压分别为 1. 7kPa、3. 3kPa、4. 9kPa、5. 4kPa、6. 8 kPa, 8. 4kPa, 10. 2kPa、11. 9kPa、13. 5kPa、15. 2kPa、17. 2kPa、 18. 9kPa。通过一系列的计算拟合得到在不同负荷下,汽轮 机功率PtkW与排汽压力pckPa的关系PtAp4cBp3c Cp2cDpcE的形式,具体拟合结果如表1所示。 图2 真空-功率修正曲线 表1不同负荷下,汽轮机功率与排汽压力的关系方程 负荷排汽量, t/h汽轮机功率与排汽压力的关系 100961. 992Pt2.499p4c115.94p3c- 1 720.7p2c 3 353.5pc 611 101 90865.793Pt- 2.304 7p4c105.18p3c- 1 506.2p2c1 891.1pc554 472 80769.594Pt- 1.987 5p4c88.016p3c- 1 177.4p2c- 320.17pc499 429 75721.494Pt- 1.828 9p4c79.07p3c- 1 001.9p2c- 1 500.2pc472 021 70673.394Pt- 1.394 7p4c57.465p3c- 624.96p2c- 3 958.3pc447 355 60577.195Pt- 1.245 6p4c47.744p3c- 419.68p2c- 5 148.2pc389 512 50480.996Pt- 0.855p4c27.298p3c- 54.746p2c- 7 186.8pc333 062 40384.797Pt- 0.493 7p4c9.212 4p3c247.05p2c- 8 524.7pc274 439 2. 2 循环水泵耗功的确定 循环水泵采用并联运行方式。由于该泵不能连续调节冷 却水量,所以改变冷却水量只能靠增减循环水泵的台数来实 现。对于双泵并联运行情况,根据扬程不变、 流量叠加,并联 后的功率由多台水泵对应流量的功率叠加的原则,得到循环 水泵不同运行方式下耗功与冷却水流量的关系,如表2所示。 2. 3 汽轮机冷端运行优化结果 该电厂的上网电价为0. 403 5元/ kW h 。当地政府有 关部门为了便于管理,水资源使用费和冷却水热污染的环保 收费按0. 003元/t计算。则冷却水量改变使汽轮机的净收益 为 表2 循环水泵不同运行方式下耗功与冷却水流量的关系 运行方式流量, t/h耗功, kW两种运行方式耗功之差, kW 单泵39 3123 004. 9 双泵65 5206 355. 63 350. 7 Δwnet RdΔPt-ΔPp - ΔDwRw10 式中,Rd为上网电价,元/ kWh ;Rw为水资源使用费和冷 却水热污染的环保收费,元/t。 根据上述优化方法,可以得到汽轮机冷端的运行优化结 果,如表3所示。 表3汽轮机冷端最优运行方式的优化结果 冷却水进水温度 ℃ 机组负荷,MW 600. 323540. 290 7480. 258 4450. 242 3420. 226 1360. 193 8300. 161 5240. 129 2 5 - 1 014. 02 2. 403 3 /1 - 1 041. 17 2. 181 5/1 - 1 020. 80 1. 977 7/1 - 1 010. 91 1. 882 2/1 - 943. 45 1. 793 6 /1 - 1 005. 91 1. 641 3 /1 - 1 043. 15 1. 513 3/1 - 1 115. 42 1. 403 4/1 10 - 704. 25 3. 021 4 /1 - 790. 16 2. 771 6/1 - 817. 03 2. 539 9/1 - 826. 47 2. 430 4/1 - 774. 70 2. 325 1 /1 - 871. 62 2. 138 0 /1 - 937. 03 1. 981 1/1 - 1 037. 02 1. 846 1/1 15 - 219. 08 3. 877 2 /1 - 401. 38 3. 583 0/1 - 512. 55 3. 308 4/1 - 557. 58 3. 178 0/1 - 541. 76 3. 052 2 /1 - 691. 90 2. 817 0 /1 - 803. 43 2. 618 2/1 - 943. 32 2. 447 6/1 20 456. 30 4. 246 0 /2 140. 27 4. 006 2/2 - 96. 74 4. 324 6/1 - 196. 73 4. 166 2/1 - 243. 94 4. 012 7 /1 - 467. 88 3. 720 5 /1 - 647. 36 3. 462 9/1 - 840. 59 3. 244 0/1 931第2期马立恒等火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化研究 w w w . b z f x w . c o m 续表3汽轮机冷端最优运行方式的优化结果 冷却水进水温度 ℃ 机组负荷,MW 600. 323540. 290 7480. 258 4450. 242 3420. 226 1360. 193 8300. 161 5240. 129 2 25 1 268. 78 5. 522 9 /2 800. 84 5. 231 3/2 407. 59 4. 953 1/2 236. 19 4. 818 9/2 100. 09 4. 687 8 /2 - 215. 81 4. 901 7 /1 - 483. 13 4. 567 5/1 - 740. 97 4. 283 3/1 30 2 029. 87 7. 168 3 /2 1 443. 54 6. 810 1/2 906. 08 6. 467 4/2 662. 61 6. 301 8/2 430. 43 6. 139 8 /2 19. 67 5. 826 7 /2 - 341. 99 5. 996 4/1 - 665. 43 5. 622 9/1 33 2 322. 89 8. 369 8 /2 1 713. 72 7. 962 9/2 1 126. 51 7. 573 2/2 852. 17 7. 384 7/2 552. 81 7. 200 2 /2 119. 90 6. 843 2 /2 - 289. 41 7. 041 9/1 - 644. 09 6. 601 0/1 注每个冷却水进水温度对应的第一行是两台循环水泵运行相对一台循环水泵运行时汽轮机的净收益元/h ,对应的第二行是最佳真空 kPa /应运行的循环水泵台数。 2. 4 循环水泵最优运行方式工况图 根据在不同冷却水进水温度和不同排汽量下,汽轮机功 率增量的收益、 循环水泵耗功和水资源及冷却水热污染增量 的支出计算数据,绘制Δwf tw1, Dc工况曲线图,如图3所 示。图中水平直线为循环水泵耗功和水资源及冷却水热污 染增量的总支出,除水平直线之外的其余7条曲线从上到下 所代表的含义依次为冷却水进水温度为33℃、30℃、25℃、 20℃、15℃、10℃、5℃下的排汽量与汽轮机功率增量收益的 关系。找到水平直线与该图中的曲线相交。这些交点表示 当循环水泵台数由单台变成双台时,汽轮机功率的增量收益 等于循环水泵耗功和水资源及冷却水热污染增量支出的工 况。把这些交点描在Dcf tw1坐标上。就可得到单泵过渡 到双泵工作时的分界线。为了应用方便,根据凝汽式汽轮机 排汽量与负荷近似成正比的关系,把汽轮机的排汽量换成相 应的汽轮机的主蒸汽流量D0,得到图4结果。单泵在分界线 左下侧区域工作,双泵在分界线右上侧区域工作。若工况点 落在曲线界面上时,说明可以开一台泵运行,也可以开双台 泵运行,但在保证安全的前提下,从经济方面考虑,应开一台 循环水泵运行。 图3 不同冷却水进水温度下各种费用的 变化与排汽量的关系曲线 3 结 论 1本文在确定凝汽器的最佳真空和最佳冷却水流量 时,除考虑了传统的因素外,还考虑水资源使用费和冷却水 图4 循环水泵的最佳运行方式 的热污染费用,使汽轮机冷端运行达到真正意义上的经济收 益最大化。这不仅有利于电厂降低发电成本、 提高机组运行 的经济性,而且为实现汽轮机冷端的低污染、 低耗水量运行 奠定了一定的基础。 2电厂采用图4所提供的循环水泵最佳运行方式,可 以从根本上克服循环水泵启停的随意性和盲目性的缺点,只 要根据当时的主蒸汽量D0和冷却水进水温度tw1之值,就能 确定工况点落在哪一区域,从而开启相应的循环水泵台数, 保证任何工况下机组的凝汽器运行真空接近最佳值。 参 考 文 献 [1] 王运民.电厂凝汽器冷却水最佳供水方式的确定[ J ].节能, 1998, 288 11 39 - 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