火電廠凝汽式汽輪機冷端運行優化分析

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冷端運行優化分析

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制并不斷發展，對于企業來說，要想提高市場競爭力，就要充分挖掘電廠的發電潛力，增強節能性能，最大限度降低發電成本。在提高機組運行經濟性的工作中，最突出的問題就是機組運行中冷端系統的性能優化，目前我國國內的凝汽式汽輪機冷端系統的運行優化問題依然存在。本文通過對凝汽式汽輪機冷端系統運行影響因素的研究，分析對其進行優化的方法和措施。

關鍵詞：火電廠；凝汽式汽輪機；冷端運行；優化分析

我國以煤電為主的能源格局還將持續較長的一段時間，燃煤發電機組的經濟性能對我國總體能源利用效率影響巨大，節約能源是我國一項基本國策，要建設好資源節約型、環境友好型社會，就要從原理、結構等方面進行優化，提高運行效率，減少能源損耗。火電廠是煤炭資源的消耗大戶，在當今的電力行業競爭機制下，注重節能環保，降低能源消耗，優化電廠設備運行狀況，對于火電廠提高經濟效益來說具有重要意義。火電廠作為由多個設備和系統聯合完成電能生產的基地，涉及到多種能量形式的轉換、多個操作環節，其中任何的一個環節的生產效率都會影響火電廠最終的經濟效益。

1 凝汽式汽輪機冷端運行概況、作用及意義

在現代化的火電站大型凝汽式汽輪機組的熱力循環中，凝汽設備主要作為冷源參與整個機組的熱力循環，其主要功能是將汽輪機進行排汽并凝結成水的形式，同時在汽輪機的排汽口處建立并維持一定的真空度。由汽輪機的工作原理可知，其效率和功率會受到凝汽器真空度因素的影響，凝汽器為冷端系統的核心，因此凝汽器的真空度會影響到冷端系統的運行效率，進而影響整個汽輪機組的熱經濟性。我國對于冷端系統運行的研究不斷深入，但目前我國的相關企業和設備中，冷端耗能的問題仍然需要進一步解決。

在機組運行經濟性方面，冷端參數相比較于機組初參數的變化對經濟性會產生更明顯的變化，尤其是凝汽器的真空度，是一個對機組運行和燃煤消耗產生很大影響的參數，也是對其經濟性和安全性的實現有很大影響的參數。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組處在最佳的真空環境中，以實現冷端節能。

冷端系統是火電廠的不可缺少的系統之一，其內部的各種設備的工況會通過背壓影響機組功率，也會通過輔機電耗影響電廠的用電情況。機組冷端的問題越多，問題越嚴重，機組效率就降低，燃煤消耗也就越多。因此對機組的冷端設備進行全面的檢測、分析、評價、優化，進行定期維護、設備更新、技術引進，是電廠節約資源、減少耗能，實現最大經濟效益的投入少、見效快的一種途徑。在電力市場競爭局面基本形成的今天，進行全面而高效的冷端優化對電廠有著重要的意義。

2 凝汽式汽輪機冷端運行優化

2.1 凝汽器最佳真空與最佳冷卻水量的關系分析

實際上，凝汽器的真空狀態并不是越高越好，無論是設計上還是實際的運行，都會對最佳真空度進行分析和控制。在冷卻水的入口溫度、蒸汽負荷的相應條件下，只有對冷卻水的流量進行增加，相應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保處理費。其實最佳的真空度和對應的冷卻水流量，是有相互聯系的，通過分析可以找到最佳設計位置。它們之間的關系如圖1所示。

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

同樣的，如果對于循環水泵的消耗功率支出進行拖動處理，會增加$CP，同時，也會造成水資源的使用費和冷卻水處理費增加，通過相關的分析驗證，得出了他們之間的公式表達關系式，通過進一步的計算，得出增加冷水量的凈收益值$wnet，$wnet會隨著Dw的增加而增加，但會達到一個最大值，此后又會逐漸下降。

圖1 汽輪機最佳真空與冷卻水流量之間的關系

2.2 凝汽器最佳冷卻水量的確定

經過對凝汽器最佳真空與最佳冷卻水量的關系分析，可以得知他們的相關變化特性，而如果熬試圖確定其真正的最合適值，就要進行壓力計算。首先就是分析凝汽器的飽和溫度，因為汽輪機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系，其凝汽器的內部蒸汽壓力可以由其對應的飽和溫度確定下來，飽和溫度的計算有相關的公式依據，即tc=tw1+$t+Dt（1），在該式中tw1是冷卻水在進入后的實際溫度，也就是進水端的溫度，$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和環境溫度有關，對于直流的供水系統，該數值就是環境中冷卻水的溫度。對于循環供水的系統，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的方程，就可得到冷卻水在凝汽器內所升高的溫度值。

循環冷卻水作為熱循環的載體，其用量對冷端系統的運行效率有很大的關系，在凝汽式汽輪機的正常運行狀態下，負荷一旦確定，其排汽的量也隨之確定。但當地的環境因素，如氣溫、環境具體條件等會影響循環冷卻水的入口端溫度，因此其具體的循環水量的確定要考慮這些因素，最好是使用動態的調節方法。最佳循環水量的計算是改變凝汽式汽輪機的排氣量，其使用的循環冷卻水的溫度也改變，通過記錄相關的數據，根據公式（1）計算飽和溫度，再計算出凝氣壓力，通過調節進水量讓最大值出現，此時的循環水量就是最佳循環水量。

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的確定需要進行一系列的實驗和計算，簡單來說，其方法是在循環水與水蒸氣在凝汽器里邊相遇，循環水量會達到一個臨界值，此時機組出力和循環水泵的功率相同，在達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備的方法維持即可。

2.4 汽輪機功率、凝汽器壓力之間的關系分析

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

2.5 確定循環水泵消耗功率的增量

對于循環水泵的消耗功率進行計算，通過Pp=QgDwH/3600×1000GpGm這個式子的計算來實現，在該式中，Q為冷卻水密度，單位是噸每立方米t/m3，H代表了循環水泵的總揚程，單位是米m，Gp代表了水泵的實際效率，Gm代表電動機的效率值。水資源使用費用、冷卻水熱污染環保處理費$Cw，直接和冷卻水量的用量有關，具體費用需要根據當地政府的相關規定確定，確定之后可以通過一定的方法進行計算。

結語

隨著現代工業的不斷發展，電力事業也取得很大進步，在我國目前的火力發電企業運行過程中，冷端優化問題仍然比較突出，冷端性能的不達標會影響火電廠的發電效率，增加不必要的功耗，降低其經濟性，因此機組冷端系統對于整個電力市場的安全和經濟性有著十分重要的作用。根據相應的分析，火電機組要重點從真空度和循環最佳水量這兩個方面入手進行重點優化，同時兼顧整體的功率特性，對循環水量實行動態精細化調節，建立相關優化模型，使冷端優化工作更加有效。

參考文獻

［1］馬立恒，王運民.火電廠凝汽式汽輪機冷端運行優化研究［J］.汽輪機技術，2010（4）.

［2］雷雯靜.解析火電廠凝汽式汽輪機冷端運行優化［J］.企業技術開發，2015，09.

［3］何冬輝.火電廠冷端系統性能分析及優化研究［D］.大連理工大學，2010.

［4］范世安.凝汽式汽輪機冷端系統的運行優化問題分析［J］.中國新技術新產品，2015（1）.

中圖分類號：TM621

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