汽輪機凝汽器運行過程中循環水系統的優化問題探析

田建軍

（寧夏大唐國際大壩發電有限責任公司，寧夏青銅峽751607）

0 引言

循環水系統可分為開式循環水系統和閉式循環水系統，又可分為母管制循環水系統和單元制循環水系統。 對于靠近江河湖海的電廠，一般采用開式循環水系統，即不設冷卻塔；對于用水緊張的地區，一般采用閉式循環水系統，循環水經冷卻塔冷卻后循環使用。 母管制循環水系統是幾臺循環水泵并列運行，通過一根供水母管集中向各臺機組凝汽器供水；對于單元制循環水系統，各臺機組循環水量的調節互不影響，可以單獨進行調節。隨著單機容量的增大，供水系統的進排水管的斷面尺寸也相應增大，采用母管制供水系統已不完全適應，所以單機容量為200MW 及以上的電站宜采用單元制供水系統。 本文所討論的循環水系統的優化模型僅限于單元制循環水系統。 這種系統中，每臺機組宜裝設2×50%容量的循環水泵，對于單元制的循環水系統，循環水量的調節大多采用臺數調節，即采用調整并聯運行的水泵的臺數來適應系統對水量需求的變化，一般不采用閥門調節，因為閥門調節有節流因素，降低了系統運行的經濟性。

1 傳統循環水系統的優化

1.1 能耗量觀點

由凝汽器的變工況特性曲線可知， 在其他熱力參數不變的條件下，循環水流量增加，凝汽器壓力下降，汽輪機功率增加，熱耗減少；但另一方面，增加循環水流量，循環泵耗功增加，廠用電增加。 這就存在循環水的優化調度問題。即只有當由于背壓降低所增加的汽輪機電功率ΔNt與循環水泵多消耗的功率ΔNp間差ΔN 值最大時的循環水量才是最佳循環水量。

1.2 運行費用的觀點

有研究表明能耗量的觀點雖然已經被電廠廣泛應用，但這種方法有時并不能反映運行費用的全部。 例如，該方法只考慮到循環水泵所消耗的電功率，而未考慮到循環水消耗量本身所引起的費用。實際上，隨著對環境及水資源保護意識的增強， 循環水本身的價格已不容忽視。以東北某熱電廠為例，該廠采用開式循環水系統，循環水取自松花江水資源管理部門收取該廠的水費為每噸2 分錢， 而排放入松花江的每噸水，環保部門又收取熱污染費1 分錢，這樣該廠每消耗1 噸循環水就要消耗3 分錢的費用。 單對于一臺200MW 汽輪機，每年為此消耗515 萬元左右。 如此大的費用在能耗量觀點中卻未能給予充分的重視。

1.3 傳統的循環水系統優化模型的不足

前面介紹的兩種循環水系統優化模型，僅僅只是針對凝汽器建立的模型，僅僅考慮了循環水量變化對循環水溫升和端差的影響，而沒有考慮循環水量變化對凝汽器入口水溫的影響。 對于閉式循環水系統，由于在某一范圍內減少循環水量，冷卻塔的冷卻能力保持不變，所以出塔水溫（即循環水入口水溫）就可以降低。這是因為在循環水量減少的條件下，為了保持原熱負荷，只有增加水的溫差。但如果進一步減少循環水量，出塔水溫就不會繼續下降，因為淋水填料內水量過少，引起部分淋水填料內缺水，造成空氣短路，使進塔空氣量相對增加，空氣未飽和就排出塔外。冷卻塔效率下降，保持不了原來熱平衡，使熱水的散熱量降低。 因此在進行閉式循環水系統的優化時，要把凝汽器和冷卻塔作為一個整體進行考慮，充分考慮循環水量的變化對凝汽器入口水溫、冷卻水溫升、端差的影響。

2 新的閉式循環水系統優化

對于閉式循環水系統，當進入凝汽器中的循環水量在一定范圍內減少時，凝汽器入口水溫會降低，循環水的溫升會升高，而端差可能升高也可能降低。 那么凝汽器的壓力將發生改變，而凝汽器的壓力如何變化、變化多少，是循環水系統優化運行的關鍵。

2.1 化后循環水溫升的確定循環水溫升主要受汽輪機廣義排汽量和循環水量的影響，循環水量變化后循環水溫升的預測值：

Δtyc=（525～560）Dt／Dwyc

2.2 循環水量變化后凝汽器入口水溫的確定根據冷卻塔變工況計算模型中可得到凝汽器入口水溫的預測值：

Δtyc=（525～560）Dc／Dwyc

2.3 循環水量變化后，凝汽器入口溫度的測定

將循環水量變化后的值帶入冷卻塔變工況計算模型中，就可得到凝汽器入口水溫的預測值。

2.4 循環水量變化后， 凝汽器端差的確定

凝汽器端差的計算公式為：

凝汽器端差主要是冷卻水溫升、傳熱面積、傳熱系數、冷卻水量的函數。其中冷卻水溫升Δt 主要受廣義排汽量和冷卻水量的影響，忽略凝汽器銅管結垢和熱井水位高淹沒銅管的情況，可以認為傳熱面積是定值。

由上式可知，循環水量不僅對凝汽器端差有直接影響，而且還通過影響循環水溫升、傳熱系數間接影響端差。

2.5 循環水量變化后，凝汽器壓力的確定

循環水量變化后，凝汽器飽和溫度的預測值為：

tkyc=twlyc+Δtyc+δtyc

蒸汽壓力的預測值為：

Pcyc=9.81×［（tsyc＋100）／57.66］7.46

2.6 循環水量變化后，氣輪機微增出力ΔNt 的計算

有研究表明，機組在不同負荷下，微增出力與背壓的關系為：ΔNt＝f（N，Pcyc），其中N 為機組負荷，KW。

2.7 循環水量變化后，循環水泵耗功增量ΔNp 的計算

由于單元制循環水系統大多采用臺數調節，這樣就可根據循環水系統的試驗，得出增加或減少一臺泵循環水泵耗功的變化量ΔNp。

2.8 最佳循環水運行方式的確定

對于帶有單元制循環水系統的機組，首先分別計算出由開一臺泵變為開兩臺泵或由開兩臺泵變為開一臺泵時的代價和收益，如果代價大于收益，則維持循環水量不變，如果收益大于代價，則改變循環水量，當機組由開一臺泵變為開兩臺泵時，所付出的代價是泵的耗功增加，所得到的收益是機組的內功率增加。 所以只要ΔNt＞ΔNp，就應該改變循環水量；當機組由開兩臺泵變為開一臺泵時，所付出的代價是汽輪機內功率的減少，所得到的收益是泵耗功的減少，所以只要ΔNt＞ΔNp，（此時ΔNt＞0，ΔNp＜0），就應該改變循環水量。

3 結束語

3.1 在該模型中，沒有考慮循環水補水對凝汽器入口水溫的影響，在補水量很大的情況下，應該把凝汽器、冷卻塔、循環水補水系統作為一個整體進行考慮，從整體上進行循環水量及其補水量的優化分析。

3.2 為了簡化該模型，本文循環水量取的是設計值，實際上應該根據循環水系統的管路阻力特性和泵的性能曲線，確定循環水泵的工作點進而確定循環水量。

3.3 為了簡化該模型，汽輪機微增出力是根據試驗曲線得到的，下一步需要做的工作是進行回熱系統的詳細熱力計算，研究背壓變化與汽輪機微增出力的關系。

3.4 使該模型向通用化方向發展， 該模型不僅適用于單元制循環水系統，且還適用于母管制循環水系統，不僅適用于開式循環水系統，而且還適用于閉式循環水系統，不僅適用于凝汽式電廠，而且也適用于熱電廠。

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