主汽輪機和給水泵汽輪機分設凝汽器的循環水系統優化計算

蔡興初， 梁 濤， 唐小鋒， 陳 彬

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司， 南京 211102)

火電廠做功后的乏汽進入凝汽器汽室，需要用大量的循環冷卻水將其冷凝成凝結水，相應的供排水設備、建(構)筑物等構成了循環水系統[1]。在火電廠設計過程中，循環水系統優化是重要的一個環節，其優化計算需要對各可變參數進行不同組合，通過水力、熱力及經濟計算對多種方案進行比較，該計算過程較為繁雜，主要通過計算程序完成[2]。國內電力設計行業對主汽輪機與給水泵汽輪機合用1臺凝汽器的循環水系統優化計算研究較為成熟，并且有相應的計算軟件，但是對于兩者分別設置獨立凝汽器的循環水系統，其優化研究則相對較少。

筆者基于循環水系統優化基本原理，分析現有優化計算程序的不足，研究主汽輪機和給水泵汽輪機分設凝汽器的循環水系統優化計算。

1 循環水系統優化基本原理

當火電廠汽輪機初參數一定時，降低汽輪機凝汽器的背壓，可以提高機組熱效率，降低煤耗[3]。降低冷卻水溫、凝汽器循環水進出口溫差和凝汽器傳熱端差等是降低凝汽器背壓的主要途徑[2]。但上述途徑在降低背壓的同時將導致廠用電耗及工程造價的增加[4]：(1)增大冷卻塔面積，可降低冷卻塔出塔水溫，但是冷卻塔供水幾何高度也會相應地增加，將增加循環水泵功耗，進而增加冷卻塔造價；(2)增大循環水量可降低凝汽器冷卻水進出口的溫差，然而該措施將增加循環水泵功耗、設備和建(構)筑物費用；(3)增大凝汽器傳熱面積可以減少傳熱端差，但是凝汽器的投資也會提高。

火電廠循環水系統最佳的冷端配置是達到降低背壓(電耗)和控制造價的平衡[5]，這類冷端各參數的最佳組合可以通過循環水系統的優化計算來獲得。優化計算的方法一般采用DL/T 5339—2018 《火力發電廠水工設計規范》推薦的年費用最小法，該方法把投資和生產成本兩個要素統一起來，并結合時間因素進行計算，即將各個方案的基建投資考慮復利因素，換算成使用年限內每年末的等額償付的成本，再加上年運行費用，構成該方案的年費用，并且以年費用最小為優化目標，通過敏感性分析來確定最終方案[1]。

2 現有計算程序存在的問題

圖1為主汽輪機和給水泵汽輪機分設凝汽器的循環水系統。

圖1 主汽輪機和給水泵汽輪機分設凝汽器的循環水系統

國內電力設計行業采用的循環水系統優化計算程序一般以每臺機組設1臺凝汽器為前置條件，對于主汽輪機和給水泵汽輪機分別設置獨立凝汽器的循環水系統則不能直接適用。主要原因有：

(1) 主汽輪機和給水泵汽輪機的背壓-功率曲線不同，不能將主汽輪機和給水泵汽輪機的背壓-功率曲線作為整個工程的設計輸入。計算程序需要輸入1條背壓-功率曲線，但是主汽輪機和給水泵汽輪機共有2條背壓-功率曲線。主汽輪機和給水泵汽輪機的低壓缸形式、末級葉片長度及材質均不同。主汽輪機進汽參數較為穩定，而給水泵汽輪機進汽一般為主汽輪機的某級抽汽，其參數存在一定的小幅波動。因此，主汽輪機和給水泵汽輪機的熱效率不同。不同的背壓-功率曲線會導致在相同背壓參數下，主汽輪機和給水泵汽輪機所需的冷卻水量、凝汽器面積與各自凝汽量不成比例關系。

(2) 主汽輪機和給水泵汽輪機所配凝汽器形式不同。高參數的主汽輪機一般配置雙背壓、雙殼體、單流程凝汽器。給水泵汽輪機則配置單背壓、單殼體、雙流程凝汽器。2種汽輪機對應凝汽器的管徑規格也不同。

(3) 主汽輪機和給水泵汽輪機分設凝汽器，設置各自的進出水管道，存在配水不均的問題，需要按各自的水量需求優化各段阻力(尤其是凝汽器阻力)以分配水量，但是現有計算程序無此功能。

3 優化方法

提出一種循環水系統優化計算方法，在獲取工程信息后，通過多個步驟的計算和優選來解決主汽輪機和給水泵汽輪機分設凝汽器的循環水系統優化問題。優化后的計算流程見圖2。優化過程包括單獨優化主汽輪機冷端設備、設置虛擬凝汽器、匹配主汽輪機冷卻塔和合用冷卻塔水溫等。

圖2 優化后的計算流程

4 應用案例

4.1 工程概況

某火電廠新建2臺1 000 MW超超臨界機組，主廠房內的主汽輪機與給水泵汽輪機分別設置凝汽器，其中給水泵汽輪機采用2臺50%容量配置。每臺給水泵汽輪機單獨設置凝汽器，單臺給水泵汽輪機最大連續功率不小于20.1 MW。主廠房外循環水系統為主汽輪機與給水泵汽輪機合用，由自然通風冷卻塔、循環水泵房、進回水管溝等組成，每臺機組配1座自然通風冷卻塔，各有1根循環水進水管和回水管。

4.2 設計參數

4.2.1 氣象條件

項目所在地夏季頻率為10%的日平均氣象條件下(簡稱夏季10%氣象條件)濕球溫度為27.5 ℃，相應的氣象參數為：干球溫度為30.8 ℃，相對濕度為79%，大氣壓力為100.6 kPa。各季節的平均氣象條件見表1，其中：根據物候學劃分季節，日平均氣溫<10 ℃的時期為冬季，日平均氣溫≥22℃的時期為夏季，日平均氣溫為10～<22 ℃的時期為春季或秋季。

表1 各季節氣象參數

4.2.2 經濟指標

優化計算采用的經濟指標為：廠用電電費為0.26元/(kW·h)；微增功率電費單價為0.221元/(kW·h)；凝汽器單位面積價格為600元/m2；冷卻塔單位面積價格為10 800元/m2；電廠經濟使用年限為20 a；資金回收率為10.2%(按照投資回收率為8%)；年維修費用率為2%；年固定分攤率為12.20%；全年利用時間為5 000 h。

4.2.3 主汽輪機參數

主汽輪機為1 000 MW超超臨界、二次中間再熱雙背壓、凝汽式機組，設計背壓為4.80 kPa。汽輪機不同工況熱力數據見表2，其中：THA工況為汽輪機性能保證工況；TRL工況為汽輪機銘牌工況；TMCR工況為汽輪機最大連續功率工況。

表2 主汽輪機不同工況熱力數據

主汽輪機微增功率與背壓關系曲線見圖3，其中：背壓變化量以設計背壓(4.8 kPa)為基準，功率變化率以設計背壓對應的功率為基準。

圖3 主汽輪機微增功率與背壓關系曲線

4.2.4 給水泵汽輪機參數

給水泵汽輪機按2臺50%容量配置，每臺給水泵汽輪機單獨設置凝汽器，給水泵汽輪機不同工況熱力數據見表3。

表3 給水泵汽輪機不同工況熱力數據

4.3 優化計算過程

4.3.1 步驟一

利用計算程序對主汽輪機部分單獨優化計算，得到的結果見表4。

表4 主汽輪機循環水系統優選計算結果

通過敏感性分析，擬推薦主汽輪機循環水系統設計方案為：冷卻倍率為54，每臺機組配1座11 500 m2的自然通風冷卻塔、1臺61 000 m2凝汽器。凝汽器設計參數為：雙背壓、單流程，冷卻管束采用304不銹鋼管(管徑規格為D22×0.5)，管束長度為13.4 m，設計流速為1.9 m/s，設計水阻為7.5 m。推薦工況下，冷卻塔各季節出塔水溫見表5。

表5 主汽輪機配置冷卻塔出塔水溫

4.3.2 步驟二

利用表5的年平均出塔水溫和夏季10%氣象條件出塔水溫，結合生產廠家的制造能力等因素擬定3個方案(見表6)。比較3個方案后，優選出的給水泵汽輪機冷端配置方案為：設計背壓為5.15 kPa，冷卻倍率為65，凝汽器面積為2 200 m2。

表6 給水泵汽輪機優選參數

4.3.3 步驟三

設置1臺虛擬凝汽器，排入該虛擬凝汽器的凝汽量為主汽輪機和給水泵汽輪機的凝汽量之和(假定主汽輪機和給水泵汽輪機合用1臺凝汽器)，結合步驟一和步驟二中所得的主汽輪機和給水泵汽輪機的冷卻倍率，計算得到虛擬凝汽器冷卻倍率見表7(合并后的乏汽放熱比焓為加權平均值)。計算出綜合冷卻倍率(虛擬凝汽器冷卻倍率)為55。

表7 虛擬凝汽器冷卻倍率計算結果

4.3.4 步驟四

計算出一系列與虛擬凝汽器配套的其他冷端配置及參數，包括冷卻塔淋水面積、出塔水溫、循環水管溝規格等。通過計算程序的部分功能計算得到綜合冷卻倍率為55時，不同冷卻塔淋水面積下的冷卻塔各季出塔水溫和最優的循環水管徑。表8為配置虛擬凝汽器供水系統優選計算結果。

表8 配置虛擬凝汽器供水系統優選計算結果

4.3.5 步驟五

在表8中尋找與表5中相關出塔水溫接近的冷卻塔配置，最終確定主汽輪機和給水泵汽輪機合用的冷卻塔淋水面積為13 000 m2，循環水管徑規格為DN3800。

4.3.6 步驟六

按主汽輪機凝汽器管段阻力與給水泵汽輪機凝汽器管段阻力相等原理，推導出給水泵汽輪機凝汽器的其他參數為：單背壓、雙流程，冷卻管束材質為不銹鋼304，管徑規格為D20×0.5，管束長度為7.7 m，設計流速約為2 m/s。

4.3.7 步驟七

確定循環水系統配置為：

(1) 主汽輪機凝汽器設計冷卻倍率為54，2臺給水泵汽輪機凝汽器設計冷卻倍率為65，綜合冷卻倍率為55。

(2) 每臺機組配1座淋水面積為13 000 m2的自然通風冷卻塔，循環水管徑規格為DN3800。

(3) 每臺機組主汽輪機配1臺61 000 m2凝汽器，每臺給水泵汽輪機配置1臺2 200 m2凝汽器。凝汽器具體規格見上文所述。

5 結語

火力發電廠循環水系統優化計算過程較為繁雜，主要通過計算程序完成。國內電力設計行業普遍采用的循環水系統優化計算程序不能直接用于主汽輪機、給水泵汽輪機分別設置獨立凝汽器的循環水系統優化計算。

針對主汽輪機、給水泵汽輪機分別設置獨立凝汽器的循環水系統，可利用循環水系統優化計算程序，通過多步驟的計算和優選，得到與工程條件吻合且較經濟的循環水系統配置。

多步驟的計算和優選包括的主要內容有：主汽輪機部分冷端設備單獨優化；給水泵汽輪機部分冷端參數通過校核計算和多種方案對比，優選較佳參數；設置虛擬凝汽器，同時計算綜合冷卻倍率；主汽輪機冷卻塔和合用冷卻塔出塔水溫匹配；按水力平衡原理優化給水泵汽輪機凝汽器具體參數等。所提出的優化計算方法可以為類似工程提供參考。