600 MW直接空冷機組最佳凝汽器壓力的計算與分析

張婉君，王印松，蘇 杰，商丹丹

(華北電力大學 ，河北 保定 071003)

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600 MW直接空冷機組最佳凝汽器壓力的計算與分析

張婉君，王印松，蘇 杰，商丹丹

(華北電力大學 ，河北 保定 071003)

利用最佳真空的確定方法，建立了計算凝汽器最佳壓力迭代流程，并針對某600 MW機組進行編程計算，最終得出了不同環境溫度和負荷條件下所對應的最佳凝汽器壓力，并利用MTLAB工具箱將其擬合為多項式便于最佳壓力的直接計算，為直接空冷機組運行的安全性與經濟性提供了參考。

直接空冷；變工況；等效熱降法；最佳背壓

由于水資源的匱乏，越來越多的地區建立直接空冷機組來緩解對水資源的需求，然而直接空冷機組運行能耗高，使得節能工作刻不容緩[1]。當前情況下直接空冷機組在運行時，冬季機組的防凍問題是設置凝汽器壓力的主要參考依據，冬季氣溫較低，凝結水溫度也隨之降低，當低于警戒值時，需要提高凝汽器壓力的設定值來防止凝結水過冷。但是這種對壓力的設定原則，僅僅考慮了機組的安全性，并沒有考慮到在實際情況中，凝汽器的最佳壓力是隨著環境因素、機組負荷的變化而變化的，不是單一固定的數值，因此對直接空冷機組背壓進行優化[2-3]研究對機組經濟性的提高意義重大。

針對600 MW直接空冷機組凝汽器壓力的研究如下：周蘭欣等利用傳熱單元數法[4]，計算了排汽管道的壓損、排汽管對環境的散熱量等因素對直接空冷機組背壓的影響；曹旭，胡洪華等從理論上探索研究了各個工況下凝汽器最佳壓力的變化特性[5]；周蘭欣，喬瑾等利用數值模擬的方法，定量分析了不同橫向風速以及不同風溫下對機組背壓的影響規律[6]。

以下不再以影響空冷機組凝汽器的各個因素為研究對象，而是借鑒研究濕冷機組最佳背壓的方法，針對某600 MW機組，綜合考慮汽輪機發電功率與空冷風機群耗功量，進行最佳背壓簡單的整體計算，以提供較好的運行所需的數據，為空冷機組的經濟運行提供參考。

1 直接空冷機組最佳背壓的確定方法

直接空冷機組最佳背壓[7-8]的定義如下：在一定的工況下，通過增大風機風量來降低背壓而提高的發電功率增量ΔPe與其對應的軸流風機增加的耗電量ΔN之間的差值取最大值所對應的背壓即為最佳背壓。

1.1 變工況下直接空冷機組微增功率確定

機組計算微增功率的基本方法有4種：熱力學法、回熱系統平衡法、汽輪機原理法、等效熱降法，各個方法的優缺點就不再一一贅述。以下采用等效熱降法[9]對機組微增功率進行計算。

等效熱降法是一種熱力系統定量分析方法，是以回熱系統熱平衡方法為基礎發展起來的。它既在整體熱力系統的計算中運用，也可以在熱力系統的局部定量分析中運用。當等效熱降方法用于局部熱力系統計算時，可以把局部熱力系統的變化通過局部定量計算來確定對機組經濟性的影響。當背壓變化時，對機組的發電功率影響分為2個方面：一是由于排汽焓的變化導致的機組有效焓降的變化ΔH01，二是由于凝結水溫度變化導致的最末級低壓加熱器抽汽量的改變ΔH02，從而影響做功量的改變 ，如圖1所示。

圖1 等效熱降法原理示意

當機組排汽壓力變化時，機組排汽焓變化為Δhc=h′c-hc，這部分的焓降變化影響到 新蒸汽做功的變化量：

Δh01=αn(h′c-hc)

(1)

式中：αn為進入凝汽器蒸汽的流量份額；hc為額定工況下的排汽焓值，kJ/kg；h′c為變工況下的排汽焓值， kJ/kg ；

另一部分是由于凝結水溫度改變引起的新蒸汽焓的變化，按等效熱降法，相當于純熱量αnnΔτn進出加熱器引起新蒸汽等效熱降改變量：

(2)

因此，由于排汽壓力變化所帶來的1kg新蒸汽焓降變化為：

ΔHi=Δh02-Δh01

(3)

故當背壓變化時導致的發電機組功率變化量可計算為：

(4)

式中：ηm為機械效率；ηg為發電機效率。

1.2 風機群耗功的確定

空冷風機[10]一般都是軸流風機符合風機相似定律，2臺尺寸相同的風機在相同的條件下運行，在不考慮空氣密度的變化條件下，相似定律可以簡化為：

(5)

式中：qv為風機體積流量，m3/s；p為風機全壓，Pa；P為風機軸功率，kW；n為風機轉速，r/s；

根據相似定律，對于同一類型的風機在環境溫度變化下，可看成所有風機都是在同一工況下運行的，故對任意轉速下耗功可表示為：

(6)

式中：Ni為單臺風機實際消耗的電功率，kW；N0為單臺風機最大風量時消耗功率，kW；pi為風機實際風量對應的空氣密度，kg/m3；p0為風機最大風量是對應的空氣密度，kg/m3；qvi為單臺風機實際風量，m3/s；qv0為單臺風機最大風量，m3/s；

研究表明，當機組運行時的負荷偏低時，風機群在同一轉速下運行的經濟性要比停止部分風機運行的經濟性高，因此該文研究的最佳背壓，是在風機的控制采用均一的轉速調節控制的條件下進行計算的，所以風機群的耗功就是通過單臺風機耗功乘以臺數計算得到。風機采用變頻調試，一般轉速在全速間控制，通過計算就可以得到風機群全部同一轉速下運行的迎面風速變化的范圍，研究在該范圍對應的運行工況下的最佳背壓。

2 實例計算

2.1 計算流程

針對某600 MW機組進行最佳背壓的計算，基本分為3部分：第一部分為變工況下機組的微增功率計算，以下利用等效熱降法進行計算，其中利用水和水蒸氣性質表把一定范圍的壓力對應的參量擬合成曲線便于計算；第二部分為計算風機為了維持一定背壓下所對應空氣溫升以及迎面風速，利用風機的相似定律，把多臺風機的運行簡化同一轉速下的統一運行，計算出風機耗功量；第三部分即尋找機組的最佳背壓。

具體來說，第一部分首先利用給定已知參數，導出熱力分析參量，包括不同負荷工況下的各級抽汽等效熱降、抽汽效率等，利用給定的排汽壓力計算出機組排汽焓值變化、凝結水焓值變化、疏水焓值變化，進一步計算出最末級加熱器效率，得到新蒸汽的等效熱降變化，從而計算出汽輪機的微增功率并計算凝汽器的散熱量。

第二部分計算首先需要假定迎面風速，在給定的環境溫度下計算出凝汽器的換熱系數，在假定迎面風速的基礎上假定空氣溫升，通過假定的條件計算出空氣的平均密度和定壓比熱，進而利用第一部分計算的散熱量反推出空氣溫升并與之前假定的空氣溫升進行一致判斷，當差值較大時需重新假定空氣溫升再一次計算直到差值小于設定的較小值；當差值小于某一個較小值時認為假設的空氣溫升正確可進行下一步的計算，得到空氣溫升后即可計算出傳熱單元數、凝汽器的飽和溫度，即可推出凝汽器的壓力并與給定的排汽壓力進行差值判斷，同樣的不符合條件則需改變假定的迎面風速，進行再次的循環計算，當符合條件時得到此時工況下對應的迎面風速，進一步計算風機總風量、風機群耗功量，此時第二部分的計算完成。

第三部分即尋找機組的最佳背壓，利用第一部分和第二部分計算出某一工況的不同背壓下的機組微增功率以及風機的群耗功量，做差得到不同背壓下的機組凈增功率，其機組凈增功率的最大值對應的背壓即為此工況下的最佳背壓。

2.2 最佳背壓計算與分析

針對某600 MW直接空冷機組運用上述2.1節中介紹的流程在MATLAB中編程并利用機組設計數據進行計算。主要機組計算數據如下：機組的設計背壓為15 kPa，排汽流量為355 kg/s，迎面風速為1.61 m/s，設計迎風面積為14 915 m2，總體傳熱面積1 838 218 m2，冷卻空氣流量為23 667 kg/s，總傳熱系數為30.62 W/(m2·K)，傳熱單元數為2.364，低壓缸的排汽焓值為2 507.8 kJ/kg。主要的風機計算數據如下：風機臺數為56臺，每臺風機設計風量為428 m3/s，風機轉速為61.8 r/min，風機軸功率為45.7 kW，電功率為90 kW，風機靜壓為66.1 Pa。

根據運行經驗風機轉速在30%～110%全速間控制，根據機組數據可計算出迎面風速變化的范圍為0.482～1.767 m/s，進一步得到迎面風速對風機群耗功的影響特性曲線如圖2所示。

圖2 不同環境溫度下迎面風速對風機群耗功的影響

分析計算結果可知，在設計背壓下和不同的環境溫度的條件下，風機耗功量隨迎面風速的變化曲線，可以看出在同一溫度下，迎面風速越大，風機的耗功也越大，迎面風速在較小值變化時，風機耗功量的變化也相對較小。由于環境溫度的不同，迎面風速對風機的耗功影響也不同，環境溫度較高時，風機耗功反而較小，這是因為風機的耗功與空氣密度有著密切的聯系。環境溫度越低，空氣的密度也就越大，導致風機的耗功越多。不同溫度下迎面風速與背壓的關系曲線，見圖3。

圖3 不同溫度下迎面風速與背壓的關系曲線

分析圖3迎面風速與背壓的關系并且與圖2中呈現出來的迎面風速與風機耗功的關系相結合，就可以得出不同工況下一定背壓對應的風機的耗功量如圖4，同時計算出機組背壓變化所導致的機組微增功率，就可以做差得到最佳背壓。

圖4 不同溫度下背壓與風機群耗功的關系曲線

從圖4中分析得到在不同的環境溫度下，要想控制在相同的背壓下，風機的群耗功量是不同的，環境溫度越高，風機耗功越大。在相同的環境溫度下，背壓越低，風機耗功量也越大，而且背壓值在較低的范圍內波動時，風機耗功隨著背壓降低急劇增大。故在背壓較低運行時，不要再通過增大風機風量來降低背壓，此時風機的耗功量會遠遠大于機組的微增功率。

進一步考慮排汽流量變化時對背壓和風機群耗功量的影響，如下圖5所示。

圖5 不同排汽量下背壓與風機耗功的關系曲線

分析圖5可知，在對應的同一排汽流量下，背壓越高風機群耗功越低，當需要保持的背壓在較低范圍變化時，風機群耗功量的變化很大，這時在背壓較低時進一步降低背壓值就會使得風機耗功量突增，反而使得總功量降低，與在不同溫度下背壓和風機群耗功量的關系相同。而當排汽流量發生變化時，相同背壓對應的風機群耗功量也不同，從圖上可以看出排汽流量越小風機耗功量變化曲線越陡。

最終，根據某600 MW的直接空冷機組數據，進行最佳背壓的計算，結果如圖6所示，很多論文中只是求取其中典型工況的最優背壓進行計算，以便運行人員查表，忽略了在非典型工況下機組運行時所需的數據，因此文中對計算出最優背壓進行多項式的擬合，擬合為自變量為排汽流量和環境溫度，因變量為最優背壓的多項式，使得當機組工況發生變化時，便于運行人員計算得到各種情況下的最優背壓，運行人員可立即得出此時所對應的最佳背壓進而進行調節，進一步實現背壓的自動調節。

圖6 不同工況下的理論最佳背壓

利用MATLAB工具箱擬合多項式，結果如下：

式中：ta1最高階次為2階；Dn最高階次為1階；得到的多項式與計算原數據的標準差為0.136 6；誤差的平方和為110.4；誤差在可接受的范圍內，進而可以對此機組在不同環境溫度和排汽流量下最佳背壓進行等效計算。

如果需要更精確的計算結果可提高擬合的階次或者利用智能的方法進行擬合。

分析圖6并結合相關的數據，可知隨著環境溫度升高，理論最佳背壓升高；隨著排汽流量增大，理論最佳背壓增大，所需風機風量增大，并且環境溫度與排汽流量比較來說前者對最佳真空的影響較大。

3 結論

a. 背壓較低運行時，不要再通過增大風機風量來降低背壓，此時風機的耗功量會遠遠大于機組的微增功率，但不同工況下背壓較低運行的范圍有所不同。

b. 以上研究了影響直接空冷凝汽器的主要參數，例如環境溫度、排汽流量對機組理論最佳背壓的影響規律。環境溫度是影響理論背壓的主要原因，排汽量對最佳背壓有一定影響。

c. 隨著環境溫度升高，理論最佳背壓升高。隨著排汽流量增大，理論最佳背壓增大。環境溫度相對于排汽量來說對最佳壓力的影響更大，被很多電廠忽視，認為溫度變化較小時對機組的最佳壓力幾乎不變，其實要同時重視負荷和環境溫度的變化，提前預知其對背壓的影響，做好提前的準備，不僅僅為了避免影響機組的安全運行而是需要控制其為最佳背壓避免影響經濟效益。

d. 針對某600 MW直接空冷機組進行了最佳背壓的計算并進行了多項式的擬合，擬合得到的多項式為實現對機組背壓的自動控制提供數據，對于實時負荷和環境溫度的改變可直接得到最佳背壓即背壓的設定值。

下一步應該繼續對實現對背壓的自動控制進行研究，主要研究機組背壓與風機風量的動態特性，控制背壓始終維持在經濟性最高的最優背壓值上，使直接空冷機組的冷端運行得到優化，達到節能減排的最終目的。

[1] 楊勇平,楊志平,徐 鋼,等.中國火力發電能耗狀況及展望[J]. 中國電機工程學報,2013(23):1-11,15.

[2] 馬義偉.空冷器設計與應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1998.

[3] 石維柱. 直接空冷機組優化運行關鍵技術研究[D].保定：華北電力大學,2010.

[4] 周蘭欣,楊 靖,楊祥良. 600 MW直接空冷機組變工況特性[J]. 動力工程,2007(27):165-168.

[5] 曹 旭,胡洪華,臧瑞起. 直接空冷機組空冷島優化運行研究[J]. 熱力發電,2011(08):5-7，21.

[6] 周蘭欣,喬 瑾,張淑俠. 600 MW機組空冷凝汽器變工況特性計算與分析[J]. 華北電力大學學報(自然科學版),2011(01):92-97.

[7] 時 巖. 直接空冷凝汽器最佳背壓的確定方法[J]. 東北電力技術,2014(01):44-47.

[8] M.Pieve, GSalvadori. Performance of an air-cooled steam condenser for a waste-to-energy plant over its whole operating range[J] .Energy Conversion and Management, 2011(52):1908-1913.

[9] 李秀云,嚴俊杰,林萬超. 滑壓機組背壓變化對經濟性影響的兩種新計算方法[J]. 中國電機工程學報,1999(09):23-27.[10] 梅 勇. 直接空冷機組汽機變工況及風機的節能運行分析[D].保定：華北電力大學,2013.

本文責任編輯：楊秀敏

Calculation and Analysis of Optimum Condenser Pressure of 600 MW Direct Air Cooling Unit

Zhang Wanjun, Wang Yinsong ,Su Jie，Shang Dandan

(North China Electric Power University , Baoding 071003, China)

The optimum vacuum determination method was established to calculate the condenser optimum pressure iterative process and for a 600 MW unit in computing and programming,finally draw the conclusion that under different environment temperature and load conditions of the corresponding optimal condenser pressure and use matlab toolbox will be fitted for the multi item for the direct calculation of optimum pressure,which to offer a reference for the safety and economy of the operation of direct air cooling generating unit.

direct air-cooled;variable condition;equivalent heat drop method ;optimal back-pressure

2016-06-12

張婉君(1990-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向為火電機組冷端優化。

TM715

B

1001-9898(2016)05-0045-05