火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化分析

霍光明 徐 楠 陈 娟 侯站民 曹 丹（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450000）



火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化分析

霍光明 徐 楠 陈 娟 侯站民 曹 丹
（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450000）

摘 要：随着电力市场引入竞争机制并不断发展，对于企业来说，要想提高市场竞争力，就要充分挖掘电厂的发电潜力，增强节能性能，最大限度降低发电成本。在提高机组运行经济性的工作中，最突出的问题就是机组运行中冷端系统的性能优化，目前我国国内的凝汽式汽轮机冷端系统的运行优化问题依然存在。本文通过对凝汽式汽轮机冷端系统运行影响因素的研究，分析对其进行优化的方法和措施。

关键词：火电厂；凝汽式汽轮机；冷端运行；优化分析

我国以煤电为主的能源格局还将持续较长的一段时间，燃煤发电机组的经济性能对我国总体能源利用效率影响巨大，节约能源是我国一项基本国策，要建设好资源节约型、环境友好型社会，就要从原理、结构等方面进行优化，提高运行效率，减少能源损耗。火电厂是煤炭资源的消耗大户，在当今的电力行业竞争机制下，注重节能环保，降低能源消耗，优化电厂设备运行状况，对于火电厂提高经济效益来说具有重要意义。火电厂作为由多个设备和系统联合完成电能生产的基地，涉及到多种能量形式的转换、多个操作环节，其中任何的一个环节的生产效率都会影响火电厂最终的经济效益。

1 凝汽式汽轮机冷端运行概况、作用及意义

在现代化的火电站大型凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽设备主要作为冷源参与整个机组的热力循环，其主要功能是将汽轮机进行排汽并凝结成水的形式，同时在汽轮机的排汽口处建立并维持一定的真空度。由汽轮机的工作原理可知，其效率和功率会受到凝汽器真空度因素的影响，凝汽器为冷端系统的核心，因此凝汽器的真空度会影响到冷端系统的运行效率，进而影响整个汽轮机组的热经济性。我国对于冷端系统运行的研究不断深入，但目前我国的相关企业和设备中，冷端耗能的问题仍然需要进一步解决。

在机组运行经济性方面，冷端参数相比较于机组初参数的变化对经济性会产生更明显的变化，尤其是凝汽器的真空度，是一个对机组运行和燃煤消耗产生很大影响的参数，也是对其经济性和安全性的实现有很大影响的参数。通过计算和分析得出凝汽器的最佳真空，并且最大程度的保证机组处在最佳的真空环境中，以实现冷端节能。

冷端系统是火电厂的不可缺少的系统之一，其内部的各种设备的工况会通过背压影响机组功率，也会通过辅机电耗影响电厂的用电情况。机组冷端的问题越多，问题越严重，机组效率就降低，燃煤消耗也就越多。因此对机组的冷端设备进行全面的检测、分析、评价、优化，进行定期维护、设备更新、技术引进，是电厂节约资源、减少耗能，实现最大经济效益的投入少、见效快的一种途径。在电力市场竞争局面基本形成的今天，进行全面而高效的冷端优化对电厂有着重要的意义。

2 凝汽式汽轮机冷端运行优化

2.1 凝汽器最佳真空与最佳冷却水量的关系分析

实际上，凝汽器的真空状态并不是越高越好，无论是设计上还是实际的运行，都会对最佳真空度进行分析和控制。在冷却水的入口温度、蒸汽负荷的相应条件下，只有对冷却水的流量进行增加，相应的凝汽器的真空度才会增加。也就是说，对于凝汽器真空度的提高，要付出更高的循环水泵的功耗费用，同时还有冷却水的水资源使用费和热污染环保处理费。其实最佳的真空度和对应的冷却水流量，是有相互联系的，通过分析可以找到最佳设计位置。它们之间的关系如图1所示。

根据汽轮机最佳真空与冷却水量关系曲线分析可知，在排气量DC不变而且冷却水入口温度也在一个固定的数值基础上，选择一个初冷却水量，对应得到初始凝汽器压力，这个压力又可以使冷却水的进水量继续增加。相同条件下，凝汽器里边的压力降低，汽轮机的功率就会增加，从而增加收益。

同样的，如果对于循环水泵的消耗功率支出进行拖动处理，会增加$CP，同时，也会造成水资源的使用费和冷却水处理费增加，通过相关的分析验证，得出了他们之间的公式表达关系式，通过进一步的计算，得出增加冷水量的净收益值$wnet，$wnet会随着Dw的增加而增加，但会达到一个最大值，此后又会逐渐下降。

图1 汽轮机最佳真空与冷却水流量之间的关系

2.2 凝汽器最佳冷却水量的确定

经过对凝汽器最佳真空与最佳冷却水量的关系分析，可以得知他们的相关变化特性，而如果熬试图确定其真正的最合适值，就要进行压力计算。首先就是分析凝汽器的饱和温度，因为汽轮机在正常的使用过程中其排气压力和排汽温度存在着一定的关系，其凝汽器的内部蒸汽压力可以由其对应的饱和温度确定下来，饱和温度的计算有相关的公式依据，即tc=tw1+$t+Dt（1），在该式中tw1是冷却水在进入后的实际温度，也就是进水端的温度，$t是冷却水的温度增量，$t=tw2-tw1（2），Dt是凝汽器传热过程中的端差值。将式子（2）带入到式子（1）中，移项整理即可得到Dt=tc-tw2 （3）。在（1）式中，tw1和环境温度有关，对于直流的供水系统，该数值就是环境中冷却水的温度。对于循环供水的系统，tw1的值也就是冷却塔位置的出口水的温度的值，通过凝汽器的热平衡原理列出对应的方程，就可得到冷却水在凝汽器内所升高的温度值。

循环冷却水作为热循环的载体，其用量对冷端系统的运行效率有很大的关系，在凝汽式汽轮机的正常运行状态下，负荷一旦确定，其排汽的量也随之确定。但当地的环境因素，如气温、环境具体条件等会影响循环冷却水的入口端温度，因此其具体的循环水量的确定要考虑这些因素，最好是使用动态的调节方法。最佳循环水量的计算是改变凝汽式汽轮机的排气量，其使用的循环冷却水的温度也改变，通过记录相关的数据，根据公式（1）计算饱和温度，再计算出凝气压力，通过调节进水量让最大值出现，此时的循环水量就是最佳循环水量。

2.3 凝汽器最佳真空的确定

通过理论分析之后，凝汽器的最佳真空状态的确定需要进行一系列的实验和计算，简单来说，其方法是在循环水与水蒸气在凝汽器里边相遇，循环水量会达到一个临界值，此时机组出力和循环水泵的功率相同，在达到该临界之前找到差值最大的时刻，此时的真空就是最大真空，接下来就通过启停设备的方法维持即可。

2.4 汽轮机功率、凝汽器压力之间的关系分析

想要确定汽轮机背压变化，就要对其功率增加过程中的影响进行分析，分析方法可以用热力学中的热平衡法、汽轮机原理分析方法、效热降法、曲线拟合法等。一般情况下采用特性曲线进行拟合，其操作简便、准确性高而且实用性强。根据汽轮机制造商提供的汽轮机特性曲线，使用曲线拟合，得到不同蒸汽负荷下的功率—排气压力关系。

2.5 确定循环水泵消耗功率的增量

对于循环水泵的消耗功率进行计算，通过Pp=QgDwH/3600×1000GpGm这个式子的计算来实现，在该式中，Q为冷却水密度，单位是吨每立方米t/m3，H代表了循环水泵的总扬程，单位是米m，Gp代表了水泵的实际效率，Gm代表电动机的效率值。水资源使用费用、冷却水热污染环保处理费$Cw，直接和冷却水量的用量有关，具体费用需要根据当地政府的相关规定确定，确定之后可以通过一定的方法进行计算。

结语

随着现代工业的不断发展，电力事业也取得很大进步，在我国目前的火力发电企业运行过程中，冷端优化问题仍然比较突出，冷端性能的不达标会影响火电厂的发电效率，增加不必要的功耗，降低其经济性，因此机组冷端系统对于整个电力市场的安全和经济性有着十分重要的作用。根据相应的分析，火电机组要重点从真空度和循环最佳水量这两个方面入手进行重点优化，同时兼顾整体的功率特性，对循环水量实行动态精细化调节，建立相关优化模型，使冷端优化工作更加有效。

参考文献

［1］马立恒，王运民.火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化研究［J］.汽轮机技术，2010（4）.

［2］雷雯静.解析火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化［J］.企业技术开发，2015，09.

［3］何冬辉.火电厂冷端系统性能分析及优化研究［D］.大连理工大学，2010.

［4］范世安.凝汽式汽轮机冷端系统的运行优化问题分析［J］.中国新技术新产品，2015（1）.

中图分类号：TM621

文献标识码：A