循環供水系統機組額定背壓對應設計條件的探討

趙拴榮 姚冬梅 楊迎哲

摘 要：通過探討現行規范和循環供水系統機組的冷卻介質，并按涵蓋我國南北地區的氣象條件進行循環供水系統計算研究，提出濕式循環供水系統機組額定背壓應按年平均氣象參數計算確定，并要扣除無效低溫的影響。建議采用氣溫2℃以上加權平均法計算濕冷循環冷卻系統的設計氣溫。供工程設計和規范修訂借鑒。

關鍵詞：額定背壓；冷卻介質；氣象參數；冷卻水溫；扣除無效低溫

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0128-03

0 前言

根據現行國家標準《大中型火力發電廠設計規范》GB 50660第12.1.2條第1款：“汽輪機的額定背壓宜對應冷卻介質全年平均計算溫度，夏季背壓宜對應冷卻介質最高計算溫度”。在該規范第17.3.3條又進一步規定：“循環供水系統機組的汽輪機背壓、凝汽器面積、冷卻水量、水泵、進排水管溝配置、冷卻塔的選型及經濟配置，因根據多年月平均的氣象條件，并結合汽輪機特性和系統布置進行優化計算確定。該規范規定了冷卻水的最高計算溫度對應的設計條件，即宜采用按濕球溫度頻率統計方法計算的頻率為10%的日平均氣象條件，氣象資料應采用近期連續少于5年、每年最熱時期的日平均值，每年最熱時期可采用夏季三個月。即使按規范對凝汽器面積、冷卻水量、水泵、進排水管溝、冷卻塔進行優化，得到最優的配置組合，但是按什么設計條件計算推薦的配置組合方案下的機組額定背壓？現行規范沒有明確的規定。有必要對循環供水系統濕冷機組額定背壓對應設計條件進行探討。

1 氣象參數法和冷卻水溫法

雖然規范沒有明確規定循環供水系統的額定背壓對應的設計條件，但一般有兩種算法：

一種是認為機組額定背壓應接近于平均氣象條件下的冷卻塔出水溫度對應的背壓，即根據歷年各月的平均干球溫度、濕球溫度和大氣壓力計算，按全部的循環水量計算冷卻塔的出水溫度，繼而計算主機的額定背壓。這種算法以下簡稱為“氣象參數法”。

還有一種算法是分別按照歷年12個月的月平均干球溫度、濕球溫度和大氣壓力，計算各月的冷卻塔出水溫度，求出12個月的出塔水溫平均值，作為凝汽器設計進水溫度，繼而計算主機的額定背壓。這種算法以下簡稱為“冷卻水溫法”。

優化計算中會調節各月的運行冷卻倍率，以期求得循環水泵耗電量和機組微增收益的最佳組合。如果各月的冷卻水量取不同的方案，得出的各月冷卻塔出水平均水溫值有較大差異，計算結果不唯一。考慮到我國南北差異，選取了八個地區的氣象參數進行分析說明，各月平均氣象參數如表1。

比如第一種組合按各月循環水泵均全開，各月循環水量均為總水量的100%，第二種組合按冬季、春秋季和夏季循環水泵開泵臺數調整，循環水量為總水量的60～100%，分別得出的冷卻塔各月平均冷卻水溫見表2。按照不同的計算方法的得到的背壓值見表3。

從表2可見兩種組合得出的冷卻塔各月平均冷卻水溫相差較大，從0.39～1.48℃，按各月循環水量均為總水量的100%計算得到的月平均冷卻塔出水溫度較高。如果再計算另一組各月循環水量組合方案，還有不同的結果，結果是不唯一的。但對于某一個月來講，冷卻水量越小，冷卻塔出水溫度越低，而該月的循環水溫升是增加的，凝汽器管束的流速低、水溫低，其凝汽器端差是升高的，所以其對應的背壓并不低（見表3的第3項數值），而得到的各月平均出塔水溫則是較低的水平，按100%的冷卻水流量計算凝汽器背壓（見表3的第4項數值），就會偏低。并且按較小的循環水量計算冷卻塔出水溫度，卻按全部的流量計算凝汽器背壓，從物理意義上也是講不通的。因此按冷卻水溫法就很難評價冷端規模和凝汽器背壓之間的對應關系是否合理。

對比表3的第1項和第2項，循環水量100%時各月平均水溫對應背壓值和各月背壓平均值非常接近，僅相差0.1kPa～0.3kPa，那么是不是補充規定各月都按100%的循環水量計算冷卻塔出水溫度，就可以采用冷卻水溫法了呢？規范中明確汽輪機的額定背壓宜對應冷卻介質全年平均計算溫度，對于直流供水系統自然水體是直接的冷卻介質，因此按全年平均冷卻水溫計算機組額定背壓是毋庸置疑的。對于濕式循環供水系統和間接空冷系統，雖說凝汽器的冷卻介質也是水，但進凝汽器的冷卻水還需通過冷卻塔和空氣進行熱交換，環境空氣是最原始的冷卻介質，冷卻水溫只是一個計算的中間結果，因此定義和汽輪機額定背壓對應的氣象參數才更為直觀。因此按氣象參數法計算循環供水系統背壓是合理的，也是符合規范原則的。

隨著我們對節能、降耗的關注，對機組THA 或TMCR工況的性能考核越來越全面，冷卻塔在THA 或TMCR工況下是否達到了設計要求也要通過測試來評價。而冷卻塔的設計條件就是氣象參數，冷卻水溫是設計結果。如果按照冷卻水溫法即使得出了機組背壓，但這個冷卻水溫對應什么樣的氣象參數呢？評價冷卻塔散熱能力的基準是什么呢？而按照氣象參數法就順理成章，年平均氣象參數、出塔水溫、額定背壓都有很清晰的對應關系，冷卻塔的性能考核測試條件和評價的基準也很明確。

在工程可行性研究階段開展的初期，往往還沒有詳細的主機參數，進行冷端優化的時機也不成熟，但要提出初步的汽輪機的額定背壓，按平均氣象參數估算冷卻塔出水溫度和額定背壓就簡單易行，也相對準確。

2 扣除無效低溫

濕冷機組的設計背壓一般在4.0kPa～6.5kPa之間，實際的背壓運行范圍大多在3.0kPa～11kPa，即阻塞背壓在3.0kPa附近，即使背壓再低，也達不到降低熱耗或增加機組出力的目的。

我國幅員廣大，南北方的氣象參數的差異也很大，比如上文中廣東地區的月平均氣溫在9.5℃～27.8℃之間，年平均氣溫為19.8℃，黑龍江地區的月平均氣溫在-17.5℃～22.6℃之間，年平均氣溫為4.9℃。在東北、山東等寒冷地區，較冷月份的計算背壓遠遠低于阻塞背壓，如果按照自然月氣象條件計算得到的額定背壓會比實際運行平均背壓值低，主機的綜合效率下降。因此在計算全年平均氣象參數時要扣除無效低溫的影響。

3 總結和建議

環境空氣是帶冷卻塔的濕式循環供水系統機組最原始的冷卻介質，通過對規范的分析和根據從北到南八個地區的氣象條件進行的循環供水系統的計算分析，濕式循環供水系統機組額定背壓按年平均氣象參數計算確定是合理的，也是符合規范原則的。年平均氣象參數、出塔水溫、額定背壓的對應關系清晰，可為機組和冷卻塔性能考核提供基準和依據。

為了使機組額定背壓和實際運行平均背壓接近，使主機綜合效率較高，在計算全年平均氣象參數時要扣除無效低溫的影響。

本次研究內容可供工程設計和規范修訂借鑒，建議《火力發電廠水工設計規范》補充濕式循環供水系統機組額定背壓對應設計條件的有關規定，即：當采用循環供水系統時，汽輪機的額定背壓宜對應按扣除無效低溫后的全年平均氣象參數計算的冷卻水溫，宜根據歷年各月平均氣象參數統計資料，設計干球溫度宜按氣溫2℃以上加權平均法計算，設計大氣壓力和相對濕度宜按全年各月平均值。

參考文獻

[1]王穎，王明韌.機組的額定背壓、設計水溫計算的探討[J].電力勘測設計，2014（10）：40-44.