基于循环水流量的最佳真空确定方法

张浩，张新磊，于宗

(华能山东石岛湾核电有限公司，山东威海 264312)

基于循环水流量的最佳真空确定方法

张浩，张新磊，于宗

(华能山东石岛湾核电有限公司，山东威海 264312)

传统最佳真空的确定未考虑循环水流量变化对其他运行因素的影响，在实际应用中存在不足。通过分析循环水流量变化后凝结水含氧量、水成本费用、排汽阻力、凝结水过冷度的相应变化，提出经济性最优的最佳真空确定方法。

最佳真空;循环水流量;经济性

0 引言

随着电力市场的改革，发电企业对机组的经济运行提出了更高的要求［1］。影响机组经济运行的因素主要有机组本体、配套辅机、运行工况和运行技术等［2］。凝汽器是发电厂最重要的辅机之一，其真空度对机组经济性影响很大［3］。提高凝汽器的真空可使汽轮机的理想比焓降增大，电功率增大。因此有效地提高凝汽器的真空使之达到最经济有利的水平，是提高汽轮机组工作效率的重要内容。

在换热面积一定的情况下，凝汽器真空的影响因素主要有:汽轮机排汽量、循环水流量、循环水入口温度。电站所在当地气候条件决定了循环水入口温度短时间内不会改变，因此汽轮机负荷一定时，要提高凝汽器的真空只有增加循环水流量。目前来说，机组的运行工况一般根据凝汽器的最佳真空来确定。但传统的最佳真空定义并没有将生产成本问题考虑全面，即使机组按凝汽器最佳真空运行，也不能保证机组的最佳经济性，造成能源的浪费［4］，因而必须对最佳真空进行重新确定。

1 凝汽器最佳真空的传统定义

从理论上讲，在机组进汽量、进汽参数不变及凝汽器各项性能指标正常的条件，随着冷却水量的增加，凝汽器真空将上升，此时机组功率将增加ΔPt，循环水泵耗功将增加ΔPp，则机组功率的增量与循环水泵泵耗功增量的差值ΔP达到最大时所对应的真空称为最佳真空［5－6］。

传统最佳真空的理论似乎很科学，但是只能说是能量意义上的最佳真空，而并非实际经济意义上的最佳真空。其只是片面强调了循环水流量增大对汽轮机电功率及循环水泵耗电量的影响，而没有考虑到循环水流量增大引起的机组直接经济投入，也没有考虑循环水流量增大对汽轮机排汽阻力、凝结水过冷度及凝结水含氧量的影响。实际上，真空提高，循环水的成本提高，汽轮机排汽阻力、凝结水过冷度及凝结水含氧量均有不同程度的增大［7］。因此，机组即使按传统最佳真空运行，其经济性也并不是最佳。为了保证这一目标的实现，应对传统最佳真空进行修正，得出机组运行的最经济真空。

2 循环水流量变化对机组经济性的影响

2.1 循环水流量变化对机组直接经济投入的影响

2.1.1 凝结水含氧量引起的化学除氧费用

当循环水流量增大时，机组真空增大，这也使得漏入的空气量增大，因而氧气的分压力升高，氧气在凝结水中的溶解度增大。当凝结水中的溶氧量超过0.03mg/L时，短期内会使给水管路出现点状腐蚀，溶氧量超标会腐蚀凝结水管道和低压加热器，大大降低其使用寿命，甚至还会导致除氧器给水溶氧超标，影响机组的运行经济性及安全性［8］。为了消除溶解氧的影响，必须增加除氧费用，这大为降低了机组的经济性。凝结水含氧量计算公式如下:

式中:k为氧气的质量溶解度系数，mg/L;Pa为凝汽器内空气平均分压力;Ps为凝汽器内蒸汽的平均分压力;Da为凝汽器内空气流量，kg/s;Dc为汽轮机的排汽流量，kg/s;x为汽轮机排汽干度。

循环水流量增大后，根据道尔顿定律及亨利定律，可得到凝结水中的含氧量变化为:

b1与b的差值即为循环水流量增大后凝结水含氧量的增加值。去除这一部分凝结水含氧，将额外增加机组的运行费用，将化学除氧费用的增加值记为ΔCch。

2.1.2 水资源成本费用

随着人们对水资源保护及环境保护意识的提高，凝汽器所消耗的循环水量以及向河流或大气所排放的热水(汽)量对水资源和环境的影响已受到有关部门的重视。传统最佳真空对于循环水运行费用的处理上，并没有考虑水资源的消耗、水的价格波动及污染治理的成本因素，而这些都是提高机组真空所需付出的。水资源成本费用可用下式计算:

式中:Dw为循环水流量，t/h;Rw为循环水本身的价格(包含原水费用及热污染管理费用)，元/t;τ为机组运行时间，h;α系数，循环水开式循环取值为1;对于循环水闭式循环，为循环水系统的补水率。

2.2 循环水流量变化对机组发电功率的影响

2.2.1 排汽阻力对机组发电功率的影响

蒸汽在汽轮机各级做功后，从末级动叶进入排汽管，然后排入凝汽器。排汽在排汽管中流动时，由于转向、摩擦等作用而产生压力损失，称为汽轮机的排汽阻力损失，即汽轮机末级动叶出口压力与凝汽器压力之间的差值。

排汽阻力会使汽轮机的理想焓降有所减小，从而使蒸汽的做功能力减小。排汽阻力计算式为:

式中:k为考虑结构尺寸及阻力的系数，1/m4;ρ为排汽密度，kg/m3。

从上式可知，随凝汽器真空提高，汽轮机排汽密度ρ会变小，在排汽量一定的前提下，汽轮机的排汽阻力会增大。这样，虽然真空提高了，但实际上却在一定程度上减小了汽轮机的做功能力，减小了电功率的增加值。

文献［9］以某300MW机组为例，计算在一定循环水流量、循环水入口温度，不同的排汽量情况下排汽阻力对汽轮机背压的影响。结果表明，排汽阻力的存在提高了汽轮机的背压，进而减小了蒸汽的作功能力，并且排汽量越小，汽轮机背压受排汽阻力的影响越大。因此在计算凝汽器最佳真空时必须考虑排汽阻力所带来的影响。

通过借助汽轮机制造厂家提供的背压变化对电功率影响的修正曲线，可得到在汽轮机排汽压力和凝汽器压力下的汽轮机电功率，二者之差即为排汽阻力引起的汽轮机电功率变化量。当排汽量一定，循环水量变大时，真空变大，通过修正曲线可查得相应排汽阻力引起的电功率的变化量，二者之差即为凝汽器真空变化导致汽轮机排汽阻力变化所引起的汽轮机电功率损失量，记为ΔPΔP。

2.2.2 凝结水过冷度对机组发电功率的影响

凝汽器中蒸汽压力所对应的饱和温度和凝汽器热井出口凝结水温度的差值称为凝结水的过冷度。主要通过以下两种方式表示［10］:

(1)温度表示方法:

式中:Δtc凝结水过冷度，℃;tc凝汽器绝对压力下的饱和温度，℃;tn凝汽器热井中凝结水温度，℃。

(2)热单位表示方法:

式中Δτn为以焓值表示的凝结水过冷度，kJ/kg;tc为凝汽器无过冷度时凝结水焓值，kJ/kg;tn为凝汽器有过冷度时凝结水焓值，kJ/kg。

当循环水流量发生变化时，凝结水的过冷度也要发生相应的变化。当循环水量增大，真空增加到一定数值时，汽轮机末级动叶斜切部分的膨胀能力接近极限，末级焓降不会再增大，蒸汽将在动叶斜切部分之外膨胀，汽轮发电机组电功率不再增加，此时由于背压降低，对应的饱和温度下降，使最低压力级加热器的出口水温降低。为了提高低压加热器的出口水温，需要增加更多的回热抽汽，从而使机组经济性降低。另外随着背压的降低会使空气的漏入量增加，漏入的空气量越多，凝结水的温度就越低，产生的过冷度就越大，从而造成的损失就越大。

由于过冷度Δτn的存在，最低压力级加热器的耗热量增加αmΔτn，抽汽量也相应增加。采用效焓降法，可知引起汽轮机的等效焓降变化量为:

式中:αm为凝结水份额;η1为最低压力级加热器的回热抽汽效率。

分别计算循环水流量改变前后凝结水过冷度所引起的等效焓降的变化量ΔH1和ΔH2，两者之差以ΔH表示，即为由于循环水流量改变使1 kg蒸汽少做的功。因此，由于循环水流量改变所造成的凝结水过冷度改变所引起的汽轮机电功率损失为:

式中:D0为主蒸汽流量，kg/s;ηm、ηg分别为汽轮机机械效率和发电机效率。

3 凝汽器最佳真空的确定

按照传统最佳真空的定义，汽轮机组追求最佳真空时仅考虑机组发电功率与循环水泵耗功增量，因此其净收益为:

此时的最佳循环水流量应满足:

而通过循环水流量变化对机组经济性影响的分析，可知计算机组净收益还应考虑溶氧量、水成本、排汽热阻、过冷度等因素，机组综合净收益为:

凝汽器综合最佳循环水流量的确定应该是使机组综合净收益最大。显然，为获得最大净收益，循环水流量的数值应满足:

将上式进行化简，可得

上式确定的循环水流量所对应的凝汽器真空值，才是综合考虑了循环水流量变化后的各种因素得出真正经济意义上的最佳真空。这种确定凝汽器最佳真空的方法不仅使能量转换收益最大，同时也能保证汽轮机运行的经济收益最大。

4 结语

(1)传统最佳真空的确定方法仅考虑了机组发电功率增量与循环水泵耗功增量，而忽视了循环水流量变化后，其他因素对机组的影响，因而计算结果有一定偏差，并未实现经济性上的最优化。

(2)通过考虑更多运行因素，提出一种更科学合理的方法对凝汽器的最佳真空进行了重新确定，更符合实际运行需要，使最佳真空成为真正意义上的最经济真空。

［1］李秀云，严俊杰，林万超.火电厂冷端系统评价指标及诊断方法的研究［J］.中国电机工程学报，2002，22(2):94－98.

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［3］张浩，王建建，于宗，等.凝汽器真空低的影响因素及改善［J］.电力科技与环保，2013，29(2):56－58.

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The determingmethod of optimum vacuum based on circulating water flow

The existing determ ining method of the optimum vacuum has deficiencies in practice，because the factors are not be considered that while circulating water flow change brings affecting to other operation factors.Through the change analysis of condensate oxygen，water costs，exhaust resistance，condensate subcooling degree w ith the circulating water flow change，the most econom ic method for determ ining the optimum vacuum is proposed.

optimum vacuum;circulating water flow;econom ic

TK264.1

:B

:1674－8069(2016)01－057－03

2015-09-25;

:2015-11-04

张浩(1984-)，男，山东济南人，工程师，主要从事电站运行准备工作。E－mail:mazezh1985@163.com