火電廠凝汽式汽輪機冷端運行優化探究

北京國電電力有限公司上灣熱電廠 劉 萍

火電作為一種以煤炭為主要能源的發電方式，在發電過程中會消耗大量的煤炭。截至目前，已經建成的火電廠達到了總裝機的74%，但由于煤炭資源是一種不可再生的能源，火電廠不僅耗煤量大，還造成了嚴重的水資源浪費和環境污染，因此節能減排就顯得更加重要了。

水輪機冷端系統是火電機組的核心，如何對其進行優化，提高其運行經濟性，是實現“資源型”可持續發展的關鍵。本文以某發電廠國產60MW凝汽式機組為例，對其冷端系統進行了研究，并提出了CIMS技術，取得了良好的應用效果。研究結果的應用將徹底解決冷端處理中的5大技術難題。

1 凝汽式汽輪機冷端運行概況、作用及意義

在現代火電廠中，凝汽設備以冷源為主，冷源凝汽設備的主要作用是將汽輪機排出蒸汽，凝結成水，并在汽輪機的排氣口形成和保持一定的真空度。從蒸汽透平的工作原理可以看出，冷源凝汽設備的真空度對其效率和功率有較大的影響，凝汽器真空度的高低直接關系到冷端熱系統的運行效率，也直接關系到汽輪機機組的熱經濟性。我國在冷端部操作方面已取得一些進展，但在相關企業和設備中還存在一些亟須解決的問題[1]。凝汽式汽輪機如圖1所示。

圖1 凝汽式汽輪機

2 CIMS汽輪機冷端系統運行優化實例

2.1 凝汽器最佳真空與最佳冷卻水量的關系分析

在實際應用中，冷凝器的真空并非愈大愈好，而最佳真空度的計算與控制，則是在設計與生產過程中必須考慮的問題。事實上，最優的真空度與相應的冷卻水量有著一定的關系。當冷卻水量增加時，凝汽器壓力降低，從而提高了汽輪機的功率和收益。然而，這也導致了循環水泵耗功、水資源使用費和環保費用的增加。隨著冷卻水量的增加，凈收益開始增加。

最佳真空對應于最佳冷卻水量所在位置。當冷凝器腔內的壓力減小時，機組的出力也增大了，這樣可以提高機組的經濟效益。經過進一步的計算，得到了增加冷水量的凈收益值，會隨著排氣量的增大而增大，但是增大到一個最大值之后又會減小[2]。

2.2 凝汽器最佳冷卻水量的確定

在分析了冷凝器的最優真空度和最優冷水量之間的關系后，知道變化規律，想要得到最優真空度和最優冷水量之間真實最優值，就需要計算最優真空度和最優冷水量之間的壓力。首先要對冷凝器的飽和溫度進行分析，由于一般情況下，排出氣體壓力與排出氣體溫度之間存在著密切的關系，這樣就可以從相應的飽和溫度來確定冷凝器內的蒸氣壓力，并且根據其相應的飽和溫度：tc=tw1+$t+Dt（1）進行計算，其中tw1為冷卻水進入后的真實溫度，即進水端的溫度，$t為冷卻水的溫度增量，在$t=tw2-tw1（2）中，Dt為凝汽器傳熱過程中的端差。將公式（1）引入到公式（2）中，然后對其進行移項處理，得出Dt=tc-tw2。在公式（1）中，tw1與周圍的溫度相關，這個值在給水管的情況下，即為周圍的冷卻水的溫度。

在循環供水的系統中，tw1的值即為冷卻塔位處的出水的溫度，根據冷凝器熱平衡原理，可以獲得冷凝器內生水的上升溫度。循環冷卻水是熱循環的載體，循環冷卻水的消耗量直接影響著冷端系統的工作效率，而在常規工況下，當負荷一定時，循環冷卻水的消耗量也已決定。但是局部的氣候、特定的環境條件等都會對循環水的進口溫度產生影響，因此在確定其具體循環水量時，必須綜合考慮以上各方面因素，采取動態節流的方法。通過改變凝汽式汽輪機的排氣量來計算最優循環水量，同時對所用的循環冷水的溫度進行變化，根據公式（1）計算出相關數據后，根據公式（1）求出飽和溫度，再計算凝氣壓力，調節進水量，使之達到最大值。

2.3 凝汽器最佳真空值的確定

根據理論上的分析，要確定冷凝器的最佳真空度，必須經過一系列的試驗和計算，當冷凝器內的水與蒸汽接觸的時候，當冷凝器內的水與蒸汽接觸的時候，循環中的水將會達到一個臨界點，這時機組的輸出功率將會與循環泵的輸出功率相等，在這個臨界點之前，找出兩者之間的差距最大的那一刻，此時真空度將會是最大的，然后再用啟停裝置來保持這個真空度。

2.4 汽輪機功率、凝汽器壓力之間的關系分析

為了確定汽輪機反壓的變化，必須對升壓過程中的反壓效應進行分析，利用效率熱降法，曲線擬合法等可以對汽輪機壓力進行分析。在實際應用中，通常都是用特征曲線來擬合，該方法操作簡單、精度高、實用性強。在此基礎上，通過對各汽輪機廠家給出的性能曲線進行擬合，得出了在各種蒸汽負載條件下，各汽輪機的功率-排煙壓力之間的關系[3]。

2.5 在經濟角度上優化冷端系統

冷端系統的優化設計不僅要考慮節能降耗，而且還要考慮機組及電廠整體的運行效率，所以需要從經濟性的角度來分析用水費用、用水量、用水量等方面的費用。這兩項費用都直接關系到汽輪機的凈利潤，要想增加凈利潤，就必須降低各項費用。這兩者都涉及冷卻水的多少，在計算成本時，主要是以冷卻水作為參考。在計算過程中，將這兩個成本同拖動循環水泵的電機能量消耗成本和汽輪機功率增長的收入值相關聯，相關人員將所得的收入值扣除其他成本后，即為汽輪機凈利潤[4]。

2.6 汽輪機背壓與機組電功率的關系

本文以某火電廠國產60MW機組為例，對其冷端系統進行了研究。上汽生產的水力渦輪是一種中間加熱、三缸、四排蒸汽的冷凝型水力渦輪，其是由各個水力渦輪制造商提供的。利用水輪機生產廠家所提供的真空功校正曲線，確定了水輪機在不同運行條件下的反壓力與水輪機功率之間的關系。結果表明，在不同的工作條件下，可以用四次方程式來擬合葉片反壓值與葉輪功率值的關系，從而得出葉輪功率值及葉輪功率值的變化。

2.7 CIMS汽輪機冷端運行優化

CIMS冷端熱管理系統能夠為環保電廠提高5%～10%的綜合效益（增量+減量）；其核心思路為：利用RCCS凝汽器強化換熱技術和CRJ三級深度水處理技術，實現循環水質、凝汽器、真空、循環水、冷卻塔等各部分的能量消耗與優化。結合數學模型，使凝汽器真空度提升超過5kPa，使循環水排放達到接近零。

RCCS冷凝器強化傳熱系統是采用了一種特殊的聚合物螺旋繩，采用了一種獨特的陶瓷制成，并采用了一種高強度的特種鋼制成。本項目提出的RCCSB冷凝式強化傳熱系統，在不借助外力的情況下，以300～1800r/min的循環水流動為驅動，實現強化傳熱、在線除垢的目標，并使換熱器傳熱系數K提高20%以上。本系統是計算機集成制造系統的關鍵組成部分。CRJ三級水處理系統按以下方法設計。

一級：供水端。根據原水的水質特性，設計了一種新型的濾料和鈉基離子交換膜，使出水中的濁度、膠體和硬度得到了有效地控制。二級：在運行階段，采用生物化學試劑，采用精密投加系統，解決換熱器（凝汽器、冷卻塔等）的結垢與腐蝕問題。分類3：終端處理。通過前處理+TUF管超濾+雙重反滲透膜技術，回收水的回收率可以達到80%，從而大幅度地減少了污染物的排放量，這一部分的污染也可以被內部的生產流程所吸收，從而達到了外部零排放[5]。

2.8 循環水泵耗功的確定

熱電廠的循環水泵均為并聯運行。循環水泵不能持續地調節冷卻水的流量，必須通過增大水泵的數量來實現。如果兩個完全相同的循環泵并聯工作，其流量就相當于兩個單泵的等水頭流量總和，按照同樣的揚程和流量累加原理，將每個循環泵對應的流量進行疊加，得到了一個循環泵的耗電量與冷卻水的關系，見表1。

表1 循環水泵耗電量與冷卻水量之間的關系

2.9 循環水泵最優運行方式工況

在此基礎上，基于功率增量△P，求出不同進水溫度和出水流量時的功率增加量△C，對Δw=f（tw1,Dc）進行繪制。當循環泵的數量從一臺增加到兩臺時，蒸汽渦輪的動力增加正好與循環泵的電力消耗、水資源和冷卻水的熱污染增加相同。通過計算，可以得到由單泵向雙泵轉換的界限。

3 CIMS智能運維系統的實現

在此基礎上，建立了一套以實時數據庫為基礎，實現對冷端儀的在線監測，并建立了相應的數學模型，實現了冷端儀的智能化判定與分析。最終，在以上大數據基礎上，建立相應的數學模型，設計并訓練算法，獲得最優運行方案，從而實現對冷端元的遠程監控。

研究工作包括：對冷端儀進行系統診斷，采集端差、循環水質、循環水量、端差、真空度、冷幅等參數。介紹了冷卻塔的結垢情況，循環水的水質，真空度的緊密性，冷卻塔的故障診斷。根據診斷結果，對該系統進行了改進，主要包括：對RCCS型蒸汽發生器進行了強化改造，并對其進行了測試和優化；為了提高再生水的質量，要考慮加不加濾水、調節配方和助劑的加入量等；對冷卻塔進行改建時，要注意是否要更換填料，對風機的結構進行優化；再循環泵的改造：按經濟效益計算，決定是否進行改造；此外，本系統還增設了一套遠程數據采集與控制裝置。基于以上分析，對項目規劃進行了設計與優化。CIMS系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 CIMS系統工作流程圖

4 結論

伴隨著現代工業的持續發展，電力行業也有了長足的進步。但是，在我國當前的火力發電企業的運行中，冷端優化問題仍然是一個較為突出的問題。如果冷端性能不達標，則會影響到火力發電廠的發電效率，從而導致無謂的功耗增加，降低了經濟性。為了尋找新的發展機會，火力發電廠需要在保證安全、環保的基礎上，強化對成本的管控，從而提升公司的管理水平，提升公司的核心競爭力。在此基礎上，針對火力發電單元的真空度、循環最優用水，在兼顧全局功率特性的前提下，實現循環最優用水的動態精細調控，并構建相應的優化模型，實現冷端最優用水。