火電廠(chǎng)閉式循環(huán)水系統變工況運行優(yōu)化

33卷第9期動(dòng)力工程學(xué)報VoL 33 No. 92013年9月Journal of Chinese Society of Power Engineeringsep.2013文章編號:1674-7607(2013)09-071106中圖分類(lèi)號:TK文獻標志碼:A學(xué)科分類(lèi)號:470.30火電廠(chǎng)閉式循環(huán)水系統變工況運行優(yōu)化鄭姍2,張瑞山3,劉明2,種道彤2,嚴俊杰(1.廣東省電力設計研究院,廣州510663;2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗室,西安710049;3.甘肅電力科學(xué)研究院,蘭州730050)摘要:以某600MW機組閉式循環(huán)水系統為例,提出了以汽輪?wèn)i負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度為條件的優(yōu)化運行方式,將冷卻塔、凝汽器和汽輪機變工況進(jìn)行耦合,得到了閉式循環(huán)水系統冷卻塔的進(jìn)塔水溫和出塔水溫(即凝汽器循環(huán)水的岀口溫度和入口溫度)隨杋組負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度的變化規律.結果表明:在一定的環(huán)境條件和負荷下,進(jìn)塔水溫隨循環(huán)水體積流量的增大而降低,而出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的増大而升髙;進(jìn)塔水溫和岀塔水溫均隨著(zhù)環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷的升高而升高關(guān)鍵詞:閉式循環(huán)水系統;變工況;循環(huán)水溫度;優(yōu)化運行Off-design Operation Optimization for Closed CirculatingWater System of Thermal Power PlantsZHENG Shan., ZHANG Ruishan, LIU Ming, CHONG Daotong, YAN Junjie(1. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China; 2. State Key Laboratoryof Multiphase Flow in Power Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China;3. Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730050, China)Abstract: Taking the closed circulating water system of a 600 Mw power unit as an example, an optimizedoperation mode was proposed based on the load of steam turbine, the ambient temperature and the relativeenvironment humidity, while a variation law obtained about how the inlet/outlet water temperature ofcooling tower in the closed circulating water system (i. e. the outlet/inlet temperature of condenserchange with the unit load, ambient temperature and relative environment humidity by coupling variableconditions of the cooling tower, condenser and turbine. Results show that with the rise of circulating water flow, the inlet temperature of cooling tower reduces, but the outlet temperature of cooling tower in-creases, under a certain environmental condition and load; both the inlet/outlet temperature of coolingtower increase with rising ambient temperature, relative environment humidity and unit loadKey words: closed circulating water system; off-design condition; circulating water temperature; operationoptimization收稿日期:201301-09修訂日期:201303-01基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃資助項目(2009CB219803);國家自然科學(xué)基金資助項目(51125027,U126210);國家科技支撐計劃資助項目(2011BAA04B03)作者簡(jiǎn)介:鄭姍(1988-),女,湖北天門(mén)人,碩土研究生,研究方向為:電廠(chǎng)經(jīng)濟性診斷與優(yōu)化設計.電話(huà)(Te.):020-32115646;E-mail:zhengshan@gedi.com.cn712動(dòng)力工程學(xué)報第33卷火電機組的冷端系統包括凝汽器、冷卻塔、循環(huán)優(yōu)化的前提是研究其循環(huán)水人口溫度的變化規律水泵及其輔助設備,其作用是維持一定的排汽壓力.以下介紹閉式循環(huán)水系統循環(huán)水溫度變工況耦合計研究表明,現代大型火電機組排汽壓力對應的飽和算方法溫度每提高1K,機組的標準發(fā)電煤耗率約增加1電廠(chǎng)閉式循環(huán)水系統如圖1所示,其中t1為凝g/(kw·h),因此,確定各個(gè)工況下冷端系統的汽器循環(huán)水入口溫度(即冷卻塔出塔水溫),t2為凝最優(yōu)運行方式是提高電廠(chǎng)運行經(jīng)濟性的重要措施.汽器循環(huán)水出口溫度(即冷卻塔進(jìn)塔水溫).已知循電廠(chǎng)的循環(huán)水系統分為開(kāi)式和閉式2種.其中環(huán)水體積流量q、進(jìn)塔水溫t2、進(jìn)塔干空氣量G、進(jìn)開(kāi)式循環(huán)水系統以天然水源作為冷卻水源其凝汽氣溫度a1和進(jìn)氣相對濕度g,利用冷卻塔的熱力計器循環(huán)水入口溫度為環(huán)境溫度,該循環(huán)水系統的優(yōu)算方法1可得到出塔水溫化運行方式是在循環(huán)水人口溫度一定的前提下確定的2.閉式循環(huán)水系統利用冷卻塔對循環(huán)水進(jìn)行冷卻,其凝汽器循環(huán)水入口溫度為冷卻塔出塔水溫,而汽輪冷卻塔出塔水溫與循環(huán)水體積流量、環(huán)境條件及凝冷凝塔汽器和汽輪機的工況密切相關(guān),因此循環(huán)水入口溫度隨機組運行工況(負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕凝汽器□度)和循環(huán)水體積流量的變化而變化.因此,采用開(kāi)式系統的優(yōu)化方法進(jìn)行閉式系統的優(yōu)化運行是不合理的.現有確定閉式循環(huán)水系統優(yōu)化運行方式的方圖1閉式循環(huán)水系統示意圖法為:先通過(guò)冷卻塔單獨的熱力計算得到進(jìn)塔水溫Fig. 1 Schematic diagram of the closed circulating water system和出塔水溫的變化規律6,在出塔水溫確定的基冷卻塔熱力計算的基本方程為礎上得到機組經(jīng)濟性的變化規律12),進(jìn)而確定閉B,Vdt式循環(huán)水系統的優(yōu)化運行方式,忽略了汽輪機和凝he汽器等參數變化對冷卻塔的影響.王冬、宋永昶式中:B為填料散質(zhì)系數,kg/(m3·s);V為淋水填等3將凝汽器和冷卻塔作為一個(gè)整體進(jìn)行研究,料的體積,m3;p為循環(huán)水密度,kg/m3;c為水的比分析了凝汽器變工況對冷卻塔進(jìn)塔水溫和出塔水溫熱容,kJ/(kg·℃);h"為水溫t對應的飽和空氣的影響王瑋等1在將凝汽器和冷卻塔作為整體焓,kJ/kg;h。為環(huán)境溫度為θ時(shí)空氣的焓,kJ/kg研究的基礎上,通過(guò)功率修正曲線(xiàn)來(lái)考慮汽輪機工由式(1)可知,對于已投入運行的冷卻塔,在淋況變化對凝汽器和冷卻塔的影響.目前尚未有同時(shí)水面積和淋水填料特性一定的條件下,其出塔水溫考慮機組負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度的循環(huán)水與環(huán)境溫度θ、環(huán)境相對濕度g、循環(huán)水體積流量泵變工況優(yōu)化運行的研究報道.q和進(jìn)塔水溫t2有關(guān),即:筆者通過(guò)冷卻塔、凝汽器和汽輪機的變工況相t1=f(t2,6,g,q)互耦合,充分考慮環(huán)境條件、凝汽器和汽輪機工況變根據凝汽器的變工況計算1,其循環(huán)水出口溫度t2化對冷卻塔的影響,將三者作為一個(gè)整體進(jìn)行研究,可以通過(guò)循環(huán)水入口溫度t1與循環(huán)水在凝汽器中并結合實(shí)例計算獲得循環(huán)水入口溫度(即冷卻塔出的溫升△t得到(此處認為凝結水過(guò)冷度為0):塔水溫)的變化規律,進(jìn)而提出以環(huán)境溫度、環(huán)境相t2=t1+△tn=t1+ymng(3)對濕度和機組負荷為條件的閉式循環(huán)水系統的優(yōu)化運行方式式中:qmn為進(jìn)入凝汽器的汽輪機排汽質(zhì)量流量,t/h;qn為單位質(zhì)量排汽在凝汽器中的凝結放熱量,1循環(huán)水溫度變工況計算及變化規律kJ1.1循環(huán)水溫度變工況耦合計算由式(3)可得,凝汽器循環(huán)水出口溫度t2與汽采用開(kāi)式循環(huán)水系統的電廠(chǎng),其凝汽器循環(huán)水輪機排汽參數(qm、qn)凝汽器循環(huán)水人口溫度t入口溫度是環(huán)境溫度而采用閉式循環(huán)水系統的電和循環(huán)水體積流量q有關(guān),即廠(chǎng),即使在相同的負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度t2=f(qm,n;qn,t1;q。)(4)下,其凝汽器循環(huán)水入口溫度也會(huì )隨著(zhù)循環(huán)水體積其中,汽輪機的排汽參數qmn和gn由汽輪機排汽壓流量的變化而變化因此研究閉式循環(huán)水系統運行力Pn機組負荷N和汽輪機變工況特性決定筆者第9期鄭姍,等:火電廠(chǎng)閉式循環(huán)水系統變工況運行優(yōu)化采用汽輪機廠(chǎng)提供的汽輪機工況圖計算其變工況特e=20C性1,這樣就可以通過(guò)變工況計算獲得qnn、qn與HN,600 MW合N=480MWN4和p的關(guān)系,即o→N4=360MWgmn,.= f(Pn, Ns)其中,排汽壓力pn所對應的飽和溫度tn可用凝汽器循環(huán)水出口溫度t2和凝汽器的傳熱端差8t表示:tn=t2 + ot=t2+(tn-t, exp(--")(6)cqp式中:k為凝汽器傳熱系數,kW/(m2·K);Fn為凝汽器傳熱面積,m2圖2不同機組負荷下進(jìn)塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)根據式(1)、式(4)~式(6),將冷卻塔凝汽器和水體積流量的變化汽輪機的變工況相互耦合,迭代計算即可獲得不同Fg.2 Influence of circulating water flow on inlet/ outlet temperature of cooling tower at different unit loads工況下冷卻塔的進(jìn)塔水溫和出塔水溫(即循環(huán)水出口和入口溫度),循環(huán)水溫度的影響因素可表示為N=600Mw42e=16℃Ct1,t2=f(Na, 8,, qu)→日=20℃由式(7)可以看出,循環(huán)水入口和出口溫度由機0-+=24C組負荷、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和循環(huán)水體積流量34共同決定1.2循環(huán)水溫度變化規律采用上述耦合計算方法,以某600MW機組為例進(jìn)行計算.該機組額定工況下的主蒸汽質(zhì)量流量14151617181920q(m3,s-)為1663.44t/h,排汽壓力為4.9kPa,采用8500m2自然通風(fēng)冷卻塔,填料散質(zhì)系數為n=圖3不同環(huán)境溫度下進(jìn)塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化0.625gq2"kg/(m·s)(其中g(shù)為重力加速度,qrg.3 Influence of circulating water flow on inlet/outlet tempera為淋水密度),設計循環(huán)水體積流量為18.5m3/s,ture of cooling tower at different ambient temperatures凝汽器傳熱面積為38000m2,凝汽器傳熱系數為3.226kW/(m2·K).在不同機組負荷和環(huán)境條件N。600MWt1 26=20℃C下,冷卻塔進(jìn)塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化規律見(jiàn)圖2~圖4.圖2給出了不同機組負荷下冷卻塔進(jìn)塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化規律.從圖2可以看出,在一定環(huán)境條件和機組負荷下進(jìn)塔水溫隨著(zhù)循環(huán)水體積流量的增大而降低,出塔水溫隨著(zhù)循23環(huán)水體積流量的增大而升高;隨著(zhù)機組負荷增大,進(jìn)塔水溫和出塔水溫均會(huì )升高,但進(jìn)塔水溫升高的幅圖4不同環(huán)境相對濕度下進(jìn)塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)度大于出塔水溫升高的幅度水體積流量的變化圖3和圖4給出了不同環(huán)境條件下冷卻塔進(jìn)塔Fig.4 Influence of circulating water flow on inlet/outlet tempera-水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化規律.從ture of cooling tower at different relative humidities圖3可知,隨著(zhù)環(huán)境溫度的升高,進(jìn)塔水溫和出塔水明顯的區別傳統的循環(huán)水系統優(yōu)化運行方式是通過(guò)溫均升高,兩者升高的幅度基本相同從圖4可知,給定循環(huán)水入口溫度來(lái)確定的,因此采用傳統方法確隨著(zhù)相對濕度的增大,進(jìn)塔水溫和出塔水溫都升高,定閉式循環(huán)水系統的運行優(yōu)化方式是不合理的兩者升高的幅度也基本相同綜上所述,在閉式循環(huán)水系統中,冷卻塔出塔水2閉式循環(huán)水系統的運行優(yōu)化溫(即凝汽器循環(huán)水入口溫度)受機組負荷、循環(huán)水對于火電機組而言,在機組負荷(或新蒸汽質(zhì)量體積流量和環(huán)境溫度的影響,與開(kāi)式循環(huán)水系統有流量)一定的條件下,增大循環(huán)水體積流量會(huì )降低凝71動(dòng)力工程學(xué)報第33卷汽器壓力,從而增加汽輪機的輸出功率,但同時(shí)循環(huán)水泵的耗功也增加,當增加的輸出功率ΔN與循環(huán)水泵多消耗的功率△NP的差值△N為最大,即機組的輸出凈功率最大時(shí),對應最佳循環(huán)水體積流量.循環(huán)水系統的優(yōu)化就是確定在不同機組負荷(或新蒸汽質(zhì)量流量)和環(huán)境條件下的最佳循環(huán)水體200434積流量.在實(shí)際工程中,循環(huán)水體積流量沒(méi)有實(shí)現連續性調節,因此只能通過(guò)改變循環(huán)水泵的運行臺數來(lái)改變循環(huán)水體積流量,此時(shí)循環(huán)水系統的優(yōu)化就300350400450500550600是確定不同工況下循環(huán)水泵的最佳運行臺數,根據輸出凈功率(△N。一△N)是否大于0來(lái)判斷根據圖6不同環(huán)境溫度下4臺循環(huán)水泵與3臺循環(huán)水泵運行的輸出凈功率前文提出的閉式循環(huán)水系統變工況耦合計算方法,獲Fig 6 Difference of output power bet ween operation of 4 and 3得閉式循環(huán)水系統運行優(yōu)化方法,其原理圖見(jiàn)圖5pumps at different ambient temperatures[改變循環(huán)水泵運行方式循環(huán)水體積流量6000卻塔出塔水溫500080=20℃(凝汽器循環(huán)水入口溫度排汽參數環(huán)境4000汽輪機→漸蒸汽凝汽器循環(huán)水出口溫度號麼器真空卻塔進(jìn)塔水溫2000循環(huán)水汽輪機泵耗功30035040045050055060最佳循環(huán)水泵運行圖7不同環(huán)境相對濕度下4臺循環(huán)水泵與3臺循環(huán)水泵運行的輸出凈功率圖5閉式循環(huán)水系統運行優(yōu)化原理圖Fig 7 Difference of output power between operation of 4 and 3Fig 5 Schematic diagram for operation optimization of thepumps at different relative humiditiesclosed circulating water system所研究的電廠(chǎng)2臺600MW機組共用4臺同等容量的循環(huán)水泵,每臺循環(huán)水泵功率為2700kW,400(由于沒(méi)有實(shí)現變頻調節,故僅有2機組運行2臺循環(huán)水泵、3臺循環(huán)水泵和4臺循環(huán)水泵3種情況根蘭300據機組的設計數據和上述耦合計算方法,計算得出2000不同機組負荷和環(huán)境條件下運行不同臺數循環(huán)水泵時(shí)的機組輸出凈功率(圖6~圖9).由圖6~圖9得00350400450500550600到不同環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷下循環(huán)N,MW水泵的切換界限圖(圖10)圖8不同環(huán)境溫度下3臺循環(huán)水泵與2臺循環(huán)水泵運行的由圖10可知,該電廠(chǎng)在實(shí)際運行過(guò)程中,通過(guò)輸出凈功率環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷來(lái)確定循環(huán)水Fig.8 Difference of output power between operation of3and2泵的最優(yōu)運行方式.這種優(yōu)化運行方式的確定方法pumps at different ambient temperatures與開(kāi)式循環(huán)水系統有著(zhù)明顯的區別,不再是利用凝互耦合,利用環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷3汽器循環(huán)水人口溫度來(lái)確定循環(huán)水系統的優(yōu)化運行個(gè)客觀(guān)值來(lái)確定循環(huán)水系統的優(yōu)化運行方式,因此方式,而是通過(guò)冷卻塔凝汽器和汽輪機變工況的相這種方法更切合實(shí)際第9期鄭姍,等:火電廠(chǎng)閉式循環(huán)水系統變工況運行優(yōu)化·715600nosis model for on-line monitoring cooling end of50080=20℃[J]. 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A new method for computation of counter-flow的幅度基本相同cooling tower[J]. Journal of Hydraulic Engineering(4)進(jìn)塔水溫隨著(zhù)循環(huán)水體積流量的增大而降2002(2):8-16低,出塔水溫隨著(zhù)循環(huán)水體積流量的增大而升高.[9] HAO Lijuan, LI Huanzhi, SUN Zhaohu, et al. Nu-merical simulation of air-cooling tower[J]. Journal of參考文獻Thermal Science, 2003, 12(3): 264-269.[1]田疆,劉繼平,邢秦安,等火電廠(chǎng)冷端在線(xiàn)監測診斷10]徐躍芹,屠珊,黃文江,等,火電廠(chǎng)自然通風(fēng)冷卻塔性模型及其應用[J.熱力發(fā)電,2004,33(3):14-1能研究[J].汽輪機技術(shù),2005,47(5):357-359TIAN Jiang, LIU Jiping, XING Qinan, et al. DiagXU Yueqin, TU Shan, HUANG Wenjiang, et al. Re716動(dòng)力工程學(xué)報第33卷search on performance of natural draft cooling towerZENG Deliang, WANG Wei, YANG Tingting,etin power plant[J]. Turbine Technology, 2005.47(5)al. Determination of the target value of condenser357-359pressure based on heat transfer theory]. 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