33卷第9期動力工程學(xué)報VoL 33 No. 92013年9月Journal of Chinese Society of Power Engineeringsep.2013文章編號:1674-7607(2013)09-071106中圖分類號:TK文獻標志碼:A學(xué)科分類號:470.30火電廠閉式循環(huán)水系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化鄭姍2,張瑞山3,劉明2,種道彤2,嚴俊杰(1.廣東省電力設(shè)計研究院,廣州510663;2.西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室,西安710049;3.甘肅電力科學(xué)研究院,蘭州730050)摘要:以某600MW機組閉式循環(huán)水系統(tǒng)為例,提出了以汽輪杋負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度為條件的優(yōu)化運行方式,將冷卻塔、凝汽器和汽輪機變工況進行耦合,得到了閉式循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔的進塔水溫和出塔水溫(即凝汽器循環(huán)水的岀口溫度和入口溫度)隨杋組負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度的變化規(guī)律.結(jié)果表明:在一定的環(huán)境條件和負荷下,進塔水溫隨循環(huán)水體積流量的增大而降低,而出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的増大而升髙;進塔水溫和岀塔水溫均隨著環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷的升高而升高關(guān)鍵詞:閉式循環(huán)水系統(tǒng);變工況;循環(huán)水溫度;優(yōu)化運行Off-design Operation Optimization for Closed CirculatingWater System of Thermal Power PlantsZHENG Shan., ZHANG Ruishan, LIU Ming, CHONG Daotong, YAN Junjie(1. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China; 2. State Key Laboratoryof Multiphase Flow in Power Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China;3. Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730050, China)Abstract: Taking the closed circulating water system of a 600 Mw power unit as an example, an optimizedoperation mode was proposed based on the load of steam turbine, the ambient temperature and the relativeenvironment humidity, while a variation law obtained about how the inlet/outlet water temperature ofcooling tower in the closed circulating water system (i. e. the outlet/inlet temperature of condenserchange with the unit load, ambient temperature and relative environment humidity by coupling variableconditions of the cooling tower, condenser and turbine. Results show that with the rise of circulating water flow, the inlet temperature of cooling tower reduces, but the outlet temperature of cooling tower in-creases, under a certain environmental condition and load; both the inlet/outlet temperature of coolingtower increase with rising ambient temperature, relative environment humidity and unit loadKey words: closed circulating water system; off-design condition; circulating water temperature; operationoptimization收稿日期:201301-09修訂日期:201303-01基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2009CB219803);國家自然科學(xué)基金資助項目(51125027,U126210);國家科技支撐計劃資助項目(2011BAA04B03)作者簡介:鄭姍(1988-),女,湖北天門人,碩土研究生,研究方向為:電廠經(jīng)濟性診斷與優(yōu)化設(shè)計.電話(Te.):020-32115646;E-mail:zhengshan@gedi.com.cn712動力工程學(xué)報第33卷火電機組的冷端系統(tǒng)包括凝汽器、冷卻塔、循環(huán)優(yōu)化的前提是研究其循環(huán)水人口溫度的變化規(guī)律水泵及其輔助設(shè)備,其作用是維持一定的排汽壓力.以下介紹閉式循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水溫度變工況耦合計研究表明,現(xiàn)代大型火電機組排汽壓力對應(yīng)的飽和算方法溫度每提高1K,機組的標準發(fā)電煤耗率約增加1電廠閉式循環(huán)水系統(tǒng)如圖1所示,其中t1為凝g/(kw·h),因此,確定各個工況下冷端系統(tǒng)的汽器循環(huán)水入口溫度(即冷卻塔出塔水溫),t2為凝最優(yōu)運行方式是提高電廠運行經(jīng)濟性的重要措施.汽器循環(huán)水出口溫度(即冷卻塔進塔水溫).已知循電廠的循環(huán)水系統(tǒng)分為開式和閉式2種.其中環(huán)水體積流量q、進塔水溫t2、進塔干空氣量G、進開式循環(huán)水系統(tǒng)以天然水源作為冷卻水源其凝汽氣溫度a1和進氣相對濕度g,利用冷卻塔的熱力計器循環(huán)水入口溫度為環(huán)境溫度,該循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)算方法1可得到出塔水溫化運行方式是在循環(huán)水人口溫度一定的前提下確定的2.閉式循環(huán)水系統(tǒng)利用冷卻塔對循環(huán)水進行冷卻,其凝汽器循環(huán)水入口溫度為冷卻塔出塔水溫,而汽輪冷卻塔出塔水溫與循環(huán)水體積流量、環(huán)境條件及凝冷凝塔汽器和汽輪機的工況密切相關(guān),因此循環(huán)水入口溫度隨機組運行工況(負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕凝汽器□度)和循環(huán)水體積流量的變化而變化.因此,采用開式系統(tǒng)的優(yōu)化方法進行閉式系統(tǒng)的優(yōu)化運行是不合理的.現(xiàn)有確定閉式循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行方式的方圖1閉式循環(huán)水系統(tǒng)示意圖法為:先通過冷卻塔單獨的熱力計算得到進塔水溫Fig. 1 Schematic diagram of the closed circulating water system和出塔水溫的變化規(guī)律6,在出塔水溫確定的基冷卻塔熱力計算的基本方程為礎(chǔ)上得到機組經(jīng)濟性的變化規(guī)律12),進而確定閉B,Vdt式循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行方式,忽略了汽輪機和凝he汽器等參數(shù)變化對冷卻塔的影響.王冬、宋永昶式中:B為填料散質(zhì)系數(shù),kg/(m3·s);V為淋水填等3將凝汽器和冷卻塔作為一個整體進行研究,料的體積,m3;p為循環(huán)水密度,kg/m3;c為水的比分析了凝汽器變工況對冷卻塔進塔水溫和出塔水溫熱容,kJ/(kg·℃);h"為水溫t對應(yīng)的飽和空氣的影響王瑋等1在將凝汽器和冷卻塔作為整體焓,kJ/kg;h。為環(huán)境溫度為θ時空氣的焓,kJ/kg研究的基礎(chǔ)上,通過功率修正曲線來考慮汽輪機工由式(1)可知,對于已投入運行的冷卻塔,在淋況變化對凝汽器和冷卻塔的影響.目前尚未有同時水面積和淋水填料特性一定的條件下,其出塔水溫考慮機組負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度的循環(huán)水與環(huán)境溫度θ、環(huán)境相對濕度g、循環(huán)水體積流量泵變工況優(yōu)化運行的研究報道.q和進塔水溫t2有關(guān),即:筆者通過冷卻塔、凝汽器和汽輪機的變工況相t1=f(t2,6,g,q)互耦合,充分考慮環(huán)境條件、凝汽器和汽輪機工況變根據(jù)凝汽器的變工況計算1,其循環(huán)水出口溫度t2化對冷卻塔的影響,將三者作為一個整體進行研究,可以通過循環(huán)水入口溫度t1與循環(huán)水在凝汽器中并結(jié)合實例計算獲得循環(huán)水入口溫度(即冷卻塔出的溫升△t得到(此處認為凝結(jié)水過冷度為0):塔水溫)的變化規(guī)律,進而提出以環(huán)境溫度、環(huán)境相t2=t1+△tn=t1+ymng(3)對濕度和機組負荷為條件的閉式循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行方式式中:qmn為進入凝汽器的汽輪機排汽質(zhì)量流量,t/h;qn為單位質(zhì)量排汽在凝汽器中的凝結(jié)放熱量,1循環(huán)水溫度變工況計算及變化規(guī)律kJ1.1循環(huán)水溫度變工況耦合計算由式(3)可得,凝汽器循環(huán)水出口溫度t2與汽采用開式循環(huán)水系統(tǒng)的電廠,其凝汽器循環(huán)水輪機排汽參數(shù)(qm、qn)凝汽器循環(huán)水人口溫度t入口溫度是環(huán)境溫度而采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)的電和循環(huán)水體積流量q有關(guān),即廠,即使在相同的負荷、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度t2=f(qm,n;qn,t1;q。)(4)下,其凝汽器循環(huán)水入口溫度也會隨著循環(huán)水體積其中,汽輪機的排汽參數(shù)qmn和gn由汽輪機排汽壓流量的變化而變化因此研究閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行力Pn機組負荷N和汽輪機變工況特性決定筆者第9期鄭姍,等:火電廠閉式循環(huán)水系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化采用汽輪機廠提供的汽輪機工況圖計算其變工況特e=20C性1,這樣就可以通過變工況計算獲得qnn、qn與HN,600 MW合N=480MWN4和p的關(guān)系,即o→N4=360MWgmn,.= f(Pn, Ns)其中,排汽壓力pn所對應(yīng)的飽和溫度tn可用凝汽器循環(huán)水出口溫度t2和凝汽器的傳熱端差8t表示:tn=t2 + ot=t2+(tn-t, exp(--")(6)cqp式中:k為凝汽器傳熱系數(shù),kW/(m2·K);Fn為凝汽器傳熱面積,m2圖2不同機組負荷下進塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)根據(jù)式(1)、式(4)~式(6),將冷卻塔凝汽器和水體積流量的變化汽輪機的變工況相互耦合,迭代計算即可獲得不同F(xiàn)g.2 Influence of circulating water flow on inlet/ outlet temperature of cooling tower at different unit loads工況下冷卻塔的進塔水溫和出塔水溫(即循環(huán)水出口和入口溫度),循環(huán)水溫度的影響因素可表示為N=600Mw42e=16℃Ct1,t2=f(Na, 8,, qu)→日=20℃由式(7)可以看出,循環(huán)水入口和出口溫度由機0-+=24C組負荷、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和循環(huán)水體積流量34共同決定1.2循環(huán)水溫度變化規(guī)律采用上述耦合計算方法,以某600MW機組為例進行計算.該機組額定工況下的主蒸汽質(zhì)量流量14151617181920q(m3,s-)為1663.44t/h,排汽壓力為4.9kPa,采用8500m2自然通風冷卻塔,填料散質(zhì)系數(shù)為n=圖3不同環(huán)境溫度下進塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化0.625gq2"kg/(m·s)(其中g(shù)為重力加速度,qrg.3 Influence of circulating water flow on inlet/outlet tempera為淋水密度),設(shè)計循環(huán)水體積流量為18.5m3/s,ture of cooling tower at different ambient temperatures凝汽器傳熱面積為38000m2,凝汽器傳熱系數(shù)為3.226kW/(m2·K).在不同機組負荷和環(huán)境條件N。600MWt1 26=20℃C下,冷卻塔進塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化規(guī)律見圖2~圖4.圖2給出了不同機組負荷下冷卻塔進塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化規(guī)律.從圖2可以看出,在一定環(huán)境條件和機組負荷下進塔水溫隨著循環(huán)水體積流量的增大而降低,出塔水溫隨著循23環(huán)水體積流量的增大而升高;隨著機組負荷增大,進塔水溫和出塔水溫均會升高,但進塔水溫升高的幅圖4不同環(huán)境相對濕度下進塔水溫和出塔水溫隨循環(huán)度大于出塔水溫升高的幅度水體積流量的變化圖3和圖4給出了不同環(huán)境條件下冷卻塔進塔Fig.4 Influence of circulating water flow on inlet/outlet tempera-水溫和出塔水溫隨循環(huán)水體積流量的變化規(guī)律.從ture of cooling tower at different relative humidities圖3可知,隨著環(huán)境溫度的升高,進塔水溫和出塔水明顯的區(qū)別傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行方式是通過溫均升高,兩者升高的幅度基本相同從圖4可知,給定循環(huán)水入口溫度來確定的,因此采用傳統(tǒng)方法確隨著相對濕度的增大,進塔水溫和出塔水溫都升高,定閉式循環(huán)水系統(tǒng)的運行優(yōu)化方式是不合理的兩者升高的幅度也基本相同綜上所述,在閉式循環(huán)水系統(tǒng)中,冷卻塔出塔水2閉式循環(huán)水系統(tǒng)的運行優(yōu)化溫(即凝汽器循環(huán)水入口溫度)受機組負荷、循環(huán)水對于火電機組而言,在機組負荷(或新蒸汽質(zhì)量體積流量和環(huán)境溫度的影響,與開式循環(huán)水系統(tǒng)有流量)一定的條件下,增大循環(huán)水體積流量會降低凝71動力工程學(xué)報第33卷汽器壓力,從而增加汽輪機的輸出功率,但同時循環(huán)水泵的耗功也增加,當增加的輸出功率ΔN與循環(huán)水泵多消耗的功率△NP的差值△N為最大,即機組的輸出凈功率最大時,對應(yīng)最佳循環(huán)水體積流量.循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化就是確定在不同機組負荷(或新蒸汽質(zhì)量流量)和環(huán)境條件下的最佳循環(huán)水體200434積流量.在實際工程中,循環(huán)水體積流量沒有實現(xiàn)連續(xù)性調(diào)節(jié),因此只能通過改變循環(huán)水泵的運行臺數(shù)來改變循環(huán)水體積流量,此時循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化就300350400450500550600是確定不同工況下循環(huán)水泵的最佳運行臺數(shù),根據(jù)輸出凈功率(△N。一△N)是否大于0來判斷根據(jù)圖6不同環(huán)境溫度下4臺循環(huán)水泵與3臺循環(huán)水泵運行的輸出凈功率前文提出的閉式循環(huán)水系統(tǒng)變工況耦合計算方法,獲Fig 6 Difference of output power bet ween operation of 4 and 3得閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行優(yōu)化方法,其原理圖見圖5pumps at different ambient temperatures[改變循環(huán)水泵運行方式循環(huán)水體積流量6000卻塔出塔水溫500080=20℃(凝汽器循環(huán)水入口溫度排汽參數(shù)環(huán)境4000汽輪機→漸蒸汽凝汽器循環(huán)水出口溫度號麼器真空卻塔進塔水溫2000循環(huán)水汽輪機泵耗功30035040045050055060最佳循環(huán)水泵運行圖7不同環(huán)境相對濕度下4臺循環(huán)水泵與3臺循環(huán)水泵運行的輸出凈功率圖5閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行優(yōu)化原理圖Fig 7 Difference of output power between operation of 4 and 3Fig 5 Schematic diagram for operation optimization of thepumps at different relative humiditiesclosed circulating water system所研究的電廠2臺600MW機組共用4臺同等容量的循環(huán)水泵,每臺循環(huán)水泵功率為2700kW,400(由于沒有實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié),故僅有2機組運行2臺循環(huán)水泵、3臺循環(huán)水泵和4臺循環(huán)水泵3種情況根蘭300據(jù)機組的設(shè)計數(shù)據(jù)和上述耦合計算方法,計算得出2000不同機組負荷和環(huán)境條件下運行不同臺數(shù)循環(huán)水泵時的機組輸出凈功率(圖6~圖9).由圖6~圖9得00350400450500550600到不同環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷下循環(huán)N,MW水泵的切換界限圖(圖10)圖8不同環(huán)境溫度下3臺循環(huán)水泵與2臺循環(huán)水泵運行的由圖10可知,該電廠在實際運行過程中,通過輸出凈功率環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷來確定循環(huán)水Fig.8 Difference of output power between operation of3and2泵的最優(yōu)運行方式.這種優(yōu)化運行方式的確定方法pumps at different ambient temperatures與開式循環(huán)水系統(tǒng)有著明顯的區(qū)別,不再是利用凝互耦合,利用環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷3汽器循環(huán)水人口溫度來確定循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行個客觀值來確定循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行方式,因此方式,而是通過冷卻塔凝汽器和汽輪機變工況的相這種方法更切合實際第9期鄭姍,等:火電廠閉式循環(huán)水系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化·715600nosis model for on-line monitoring cooling end of50080=20℃[J]. Thermal Power Generation, 2004,33(3): 14-16.[2]董麗娟,張潤盤,張春發(fā)循環(huán)水泵的優(yōu)化調(diào)度[J.電0300力科學(xué)與工程,2007,23(1):73-78.2000DONG Lijuan, ZHANG Runpan, ZHANG ChunfaOptimization dispatching of water circulating pump1000[J]. Electric Power Science and Engineering, 2007, 23(1):73-78.300350400450500550600[3]王愛軍,李艷華,張小桃,等循環(huán)水泵優(yōu)化運行方式的在線分析與研究[J].汽輪機技術(shù),2005,47(2):圖9不同環(huán)境相對濕度下3臺循環(huán)水泵與2臺循環(huán)水泵運行的130-132.輸出凈功率Fig 9 Difference of output power between operation of 3 and 2WANG Aijun, LI Yanhua, ZHANG Xiaotao, et al.pumps at different relative humiditiesOnline analysis and research on optimum operationstyle of circulating water pump[J]. Turbine Technolor-gy,2005,47(2):130-132泵運行區(qū)域[4]何東輝.火電廠冷端系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化研究[D]大連:大連理工大學(xué),2007[5]馬立恒,王運民,火電廠凝汽式汽輪機冷端運行優(yōu)化三泵運行區(qū)域研究[J].汽輪機技術(shù),2010,52(2):137-140.MA Liheng, WANG Yunmin. Study on the running二泵運行區(qū)域optimization for condensing steam turbine cold end inthermal power plant[J]. Turbine Technology, 2010, 52(2):137-140.6]王松嶺,胡紅麗,張學(xué)鐳,等.冷卻塔出塔水溫的數(shù)值圖10循環(huán)水泵優(yōu)化運行的切換界限模擬[J.動力工程,2005,25(增刊):455-459.Fig. 10 Switching scheme of pumps for operation optimization ofWANG Songling, HU Hongli, ZHANG Xuelei, etthe closed circulating water systemter temperature [J]. Chinese Journal of Power Engi3結(jié)論neering,2005,25(s):455-459[7]李明.冷端參數(shù)變化對冷卻塔冷卻性能的影響研究(1)通過冷卻塔凝汽器和汽輪機變工況的相J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2010,30(1):5-9互耦合,利用環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度和機組負荷3LI Ming. Study on the influence of cool-end parame個客觀值來確定循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行方式,比傳ers changing upon the cooling tower's performan統(tǒng)的方法更切合實際[J. Journal of Northeast Dianli University, 2010. 302)隨著機組負荷的增大,冷卻塔進塔水溫和(1):5-9出塔水溫都會升高,但進塔水溫升高的幅度大于出[8]趙振國,石金玲,周常虹等.冷卻塔的一個新的熱力塔水溫升高的幅度計算方法—用一維方法作二維計算[.水利學(xué)報,(3)隨著環(huán)境溫度的升高或環(huán)境相對濕度的增2002(2):8-16.ZHAO Zhenguo, SHI Jinling, ZHOU Changhong,et大,冷卻塔進塔水溫和出塔水溫都升高,且兩者升高al. A new method for computation of counter-flow的幅度基本相同cooling tower[J]. Journal of Hydraulic Engineering(4)進塔水溫隨著循環(huán)水體積流量的增大而降2002(2):8-16低,出塔水溫隨著循環(huán)水體積流量的增大而升高.[9] HAO Lijuan, LI Huanzhi, SUN Zhaohu, et al. Nu-merical simulation of air-cooling tower[J]. Journal of參考文獻Thermal Science, 2003, 12(3): 264-269.[1]田疆,劉繼平,邢秦安,等火電廠冷端在線監(jiān)測診斷10]徐躍芹,屠珊,黃文江,等,火電廠自然通風冷卻塔性模型及其應(yīng)用[J.熱力發(fā)電,2004,33(3):14-1能研究[J].汽輪機技術(shù),2005,47(5):357-359TIAN Jiang, LIU Jiping, XING Qinan, et al. DiagXU Yueqin, TU Shan, HUANG Wenjiang, et al. Re716動力工程學(xué)報第33卷search on performance of natural draft cooling towerZENG Deliang, WANG Wei, YANG Tingting,etin power plant[J]. Turbine Technology, 2005.47(5)al. Determination of the target value of condenser357-359pressure based on heat transfer theory]. Journal of[1]李秀云,林萬超,嚴俊杰.冷端系統(tǒng)運行經(jīng)濟性診斷方法的理論研究[冂.西安交通大學(xué)學(xué)報,2001,3Chinese Society of Power Engineering, 2010, 30(9)(5):479-484678-683LI Xiuyun, LIN Wanchao, Yan Junjie. Study on[16]王瑋,曾德良,楊婷婷,等.基于凝汽器壓力估計算法thermo-economics diagnosis method for cold-end sys的循環(huán)水泵最優(yōu)運行[].中國電機工程學(xué)報,2010,tem in steam power unit[J]. Journal of Xian jiaotong30(14):7-12.University,2001,35(5):479-484WANG Wei, ZENG Deliang, YANG Tingting, et[12]李秀云,火電機組冷端系統(tǒng)經(jīng)濟性診斷理論的研究al. The optimum running of circulating water pumpsD].西安:西安交通大學(xué),199[13]王冬,自然通風冷卻塔冷卻性能計算模型及影響因based on estimated condenser pressure [J].Procee-素[D].保定:華北電力大學(xué),2007dings of the CSEE, 2010, 30(14): 7-12.[14]宋正昶,牛小川.凝汽式電廠循環(huán)式供水冷端系統(tǒng)耦7]史佑吉冷卻塔運行與試驗[M]北京:水利電力出版合數(shù)學(xué)模型[].熱力發(fā)電,2006,35(12):1418社,1990:52-115SONG Zhengchang, NIU Xiaochuan. Coupling math-[18]趙振國.冷卻塔[M].北京:中國水利水電出版社,ematical model of the cold end system for circulatory2001;24-30water supply in condensing power plant[J].ThermalPower Generation, 2006,35(12):14-18[19]林萬超,火電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能理論[M.西安:西安[15]曾德良,王瑋,楊婷婷,等.基于換熱理論的凝汽器壓交通大學(xué)出版社,1994:80-90.力應(yīng)達值的確定[.動力工程學(xué)報,2010,30(9):[20]嚴俊杰,黃錦濤,張凱,等.發(fā)電廠熱力系統(tǒng)及設(shè)備678-683[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2006:301-303·學(xué)會動態(tài)我會開展“第十三屆中國青年科技獎”推薦工作我會按照中共中央組織部、人保部、中國科協(xié)“關(guān)于開展第十三屆中國青年科技獎候選人推薦與評選工作的通知”要求,在相關(guān)單位提名的基礎(chǔ)上,組織業(yè)內(nèi)專家于8月15日在上海召開了評審?fù)扑]工作會議,本著好中選優(yōu)、優(yōu)中選尖的原則,經(jīng)過會議無記名投票,決定向中國科協(xié)推選2名人選參加“第十三屆中國青年科技獎”的遴選(學(xué)會秘書處朱月祥)