汽轮机凝汽器运行过程中循环水系统的优化问题探析

田建军

（宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏青铜峡751607）

0 引言

循环水系统可分为开式循环水系统和闭式循环水系统，又可分为母管制循环水系统和单元制循环水系统。 对于靠近江河湖海的电厂，一般采用开式循环水系统，即不设冷却塔；对于用水紧张的地区，一般采用闭式循环水系统，循环水经冷却塔冷却后循环使用。 母管制循环水系统是几台循环水泵并列运行，通过一根供水母管集中向各台机组凝汽器供水；对于单元制循环水系统，各台机组循环水量的调节互不影响，可以单独进行调节。随着单机容量的增大，供水系统的进排水管的断面尺寸也相应增大，采用母管制供水系统已不完全适应，所以单机容量为200MW 及以上的电站宜采用单元制供水系统。 本文所讨论的循环水系统的优化模型仅限于单元制循环水系统。 这种系统中，每台机组宜装设2×50%容量的循环水泵，对于单元制的循环水系统，循环水量的调节大多采用台数调节，即采用调整并联运行的水泵的台数来适应系统对水量需求的变化，一般不采用阀门调节，因为阀门调节有节流因素，降低了系统运行的经济性。

1 传统循环水系统的优化

1.1 能耗量观点

由凝汽器的变工况特性曲线可知， 在其他热力参数不变的条件下，循环水流量增加，凝汽器压力下降，汽轮机功率增加，热耗减少；但另一方面，增加循环水流量，循环泵耗功增加，厂用电增加。 这就存在循环水的优化调度问题。即只有当由于背压降低所增加的汽轮机电功率ΔNt与循环水泵多消耗的功率ΔNp间差ΔN 值最大时的循环水量才是最佳循环水量。

1.2 运行费用的观点

有研究表明能耗量的观点虽然已经被电厂广泛应用，但这种方法有时并不能反映运行费用的全部。 例如，该方法只考虑到循环水泵所消耗的电功率，而未考虑到循环水消耗量本身所引起的费用。实际上，随着对环境及水资源保护意识的增强， 循环水本身的价格已不容忽视。以东北某热电厂为例，该厂采用开式循环水系统，循环水取自松花江水资源管理部门收取该厂的水费为每吨2 分钱， 而排放入松花江的每吨水，环保部门又收取热污染费1 分钱，这样该厂每消耗1 吨循环水就要消耗3 分钱的费用。 单对于一台200MW 汽轮机，每年为此消耗515 万元左右。 如此大的费用在能耗量观点中却未能给予充分的重视。

1.3 传统的循环水系统优化模型的不足

前面介绍的两种循环水系统优化模型，仅仅只是针对凝汽器建立的模型，仅仅考虑了循环水量变化对循环水温升和端差的影响，而没有考虑循环水量变化对凝汽器入口水温的影响。 对于闭式循环水系统，由于在某一范围内减少循环水量，冷却塔的冷却能力保持不变，所以出塔水温（即循环水入口水温）就可以降低。这是因为在循环水量减少的条件下，为了保持原热负荷，只有增加水的温差。但如果进一步减少循环水量，出塔水温就不会继续下降，因为淋水填料内水量过少，引起部分淋水填料内缺水，造成空气短路，使进塔空气量相对增加，空气未饱和就排出塔外。冷却塔效率下降，保持不了原来热平衡，使热水的散热量降低。 因此在进行闭式循环水系统的优化时，要把凝汽器和冷却塔作为一个整体进行考虑，充分考虑循环水量的变化对凝汽器入口水温、冷却水温升、端差的影响。

2 新的闭式循环水系统优化

对于闭式循环水系统，当进入凝汽器中的循环水量在一定范围内减少时，凝汽器入口水温会降低，循环水的温升会升高，而端差可能升高也可能降低。 那么凝汽器的压力将发生改变，而凝汽器的压力如何变化、变化多少，是循环水系统优化运行的关键。

2.1 化后循环水温升的确定循环水温升主要受汽轮机广义排汽量和循环水量的影响，循环水量变化后循环水温升的预测值：

Δtyc=（525～560）Dt／Dwyc

2.2 循环水量变化后凝汽器入口水温的确定根据冷却塔变工况计算模型中可得到凝汽器入口水温的预测值：

Δtyc=（525～560）Dc／Dwyc

2.3 循环水量变化后，凝汽器入口温度的测定

将循环水量变化后的值带入冷却塔变工况计算模型中，就可得到凝汽器入口水温的预测值。

2.4 循环水量变化后， 凝汽器端差的确定

凝汽器端差的计算公式为：

凝汽器端差主要是冷却水温升、传热面积、传热系数、冷却水量的函数。其中冷却水温升Δt 主要受广义排汽量和冷却水量的影响，忽略凝汽器铜管结垢和热井水位高淹没铜管的情况，可以认为传热面积是定值。

由上式可知，循环水量不仅对凝汽器端差有直接影响，而且还通过影响循环水温升、传热系数间接影响端差。

2.5 循环水量变化后，凝汽器压力的确定

循环水量变化后，凝汽器饱和温度的预测值为：

tkyc=twlyc+Δtyc+δtyc

蒸汽压力的预测值为：

Pcyc=9.81×［（tsyc＋100）／57.66］7.46

2.6 循环水量变化后，气轮机微增出力ΔNt 的计算

有研究表明，机组在不同负荷下，微增出力与背压的关系为：ΔNt＝f（N，Pcyc），其中N 为机组负荷，KW。

2.7 循环水量变化后，循环水泵耗功增量ΔNp 的计算

由于单元制循环水系统大多采用台数调节，这样就可根据循环水系统的试验，得出增加或减少一台泵循环水泵耗功的变化量ΔNp。

2.8 最佳循环水运行方式的确定

对于带有单元制循环水系统的机组，首先分别计算出由开一台泵变为开两台泵或由开两台泵变为开一台泵时的代价和收益，如果代价大于收益，则维持循环水量不变，如果收益大于代价，则改变循环水量，当机组由开一台泵变为开两台泵时，所付出的代价是泵的耗功增加，所得到的收益是机组的内功率增加。 所以只要ΔNt＞ΔNp，就应该改变循环水量；当机组由开两台泵变为开一台泵时，所付出的代价是汽轮机内功率的减少，所得到的收益是泵耗功的减少，所以只要ΔNt＞ΔNp，（此时ΔNt＞0，ΔNp＜0），就应该改变循环水量。

3 结束语

3.1 在该模型中，没有考虑循环水补水对凝汽器入口水温的影响，在补水量很大的情况下，应该把凝汽器、冷却塔、循环水补水系统作为一个整体进行考虑，从整体上进行循环水量及其补水量的优化分析。

3.2 为了简化该模型，本文循环水量取的是设计值，实际上应该根据循环水系统的管路阻力特性和泵的性能曲线，确定循环水泵的工作点进而确定循环水量。

3.3 为了简化该模型，汽轮机微增出力是根据试验曲线得到的，下一步需要做的工作是进行回热系统的详细热力计算，研究背压变化与汽轮机微增出力的关系。

3.4 使该模型向通用化方向发展， 该模型不仅适用于单元制循环水系统，且还适用于母管制循环水系统，不仅适用于开式循环水系统，而且还适用于闭式循环水系统，不仅适用于凝汽式电厂，而且也适用于热电厂。

［1］张勇，张延广，曹祖庆，凝汽器管束布置的传热效果评价方法[J].汽轮机技术,1994，36(6):34-36.

［2］金国华.凝汽器清洁特性诊断[J].汽轮机技术,1987,(2):64-66.

［3］张建,曹祖庆.汽轮机凝汽器清洁系数的监测方法及对热经济性的影响[J].汽轮机技术,1993,(5):43-47.

［4］李勇,曹祖庆.凝汽器清洁系数的概念及测试方法[J].汽轮机技术,1995,(2)34-37.

［5］李勇，孙海波.背压变化对200MW 汽轮机综合运行性能影响的计算分析[J].汽轮机技术，1999，41（5）:272-274.

［6］李勇，曹祖庆.凝汽器清洁率的概念及测试方法[J].汽轮机技术,1995，37（2）:27-30.

［7］李勇，曹祖庆.凝汽器水侧管壁清洁程度的诊断方法[J].中国电力,1995，（3）:33-35.