600 MW直接空冷机组最佳凝汽器压力的计算与分析

张婉君，王印松，苏 杰，商丹丹

(华北电力大学 ，河北 保定 071003)



600 MW直接空冷机组最佳凝汽器压力的计算与分析

张婉君，王印松，苏 杰，商丹丹

(华北电力大学 ，河北 保定 071003)

利用最佳真空的确定方法，建立了计算凝汽器最佳压力迭代流程，并针对某600 MW机组进行编程计算，最终得出了不同环境温度和负荷条件下所对应的最佳凝汽器压力，并利用MTLAB工具箱将其拟合为多项式便于最佳压力的直接计算，为直接空冷机组运行的安全性与经济性提供了参考。

直接空冷；变工况；等效热降法；最佳背压

由于水资源的匮乏，越来越多的地区建立直接空冷机组来缓解对水资源的需求，然而直接空冷机组运行能耗高，使得节能工作刻不容缓[1]。当前情况下直接空冷机组在运行时，冬季机组的防冻问题是设置凝汽器压力的主要参考依据，冬季气温较低，凝结水温度也随之降低，当低于警戒值时，需要提高凝汽器压力的设定值来防止凝结水过冷。但是这种对压力的设定原则，仅仅考虑了机组的安全性，并没有考虑到在实际情况中，凝汽器的最佳压力是随着环境因素、机组负荷的变化而变化的，不是单一固定的数值，因此对直接空冷机组背压进行优化[2-3]研究对机组经济性的提高意义重大。

针对600 MW直接空冷机组凝汽器压力的研究如下：周兰欣等利用传热单元数法[4]，计算了排汽管道的压损、排汽管对环境的散热量等因素对直接空冷机组背压的影响；曹旭，胡洪华等从理论上探索研究了各个工况下凝汽器最佳压力的变化特性[5]；周兰欣，乔瑾等利用数值模拟的方法，定量分析了不同横向风速以及不同风温下对机组背压的影响规律[6]。

以下不再以影响空冷机组凝汽器的各个因素为研究对象，而是借鉴研究湿冷机组最佳背压的方法，针对某600 MW机组，综合考虑汽轮机发电功率与空冷风机群耗功量，进行最佳背压简单的整体计算，以提供较好的运行所需的数据，为空冷机组的经济运行提供参考。

1 直接空冷机组最佳背压的确定方法

直接空冷机组最佳背压[7-8]的定义如下：在一定的工况下，通过增大风机风量来降低背压而提高的发电功率增量ΔPe与其对应的轴流风机增加的耗电量ΔN之间的差值取最大值所对应的背压即为最佳背压。

1.1 变工况下直接空冷机组微增功率确定

机组计算微增功率的基本方法有4种：热力学法、回热系统平衡法、汽轮机原理法、等效热降法，各个方法的优缺点就不再一一赘述。以下采用等效热降法[9]对机组微增功率进行计算。

等效热降法是一种热力系统定量分析方法，是以回热系统热平衡方法为基础发展起来的。它既在整体热力系统的计算中运用，也可以在热力系统的局部定量分析中运用。当等效热降方法用于局部热力系统计算时，可以把局部热力系统的变化通过局部定量计算来确定对机组经济性的影响。当背压变化时，对机组的发电功率影响分为2个方面：一是由于排汽焓的变化导致的机组有效焓降的变化ΔH01，二是由于凝结水温度变化导致的最末级低压加热器抽汽量的改变ΔH02，从而影响做功量的改变 ，如图1所示。

图1 等效热降法原理示意

当机组排汽压力变化时，机组排汽焓变化为Δhc=h′c-hc，这部分的焓降变化影响到 新蒸汽做功的变化量：

Δh01=αn(h′c-hc)

(1)

式中：αn为进入凝汽器蒸汽的流量份额；hc为额定工况下的排汽焓值，kJ/kg；h′c为变工况下的排汽焓值， kJ/kg ；

另一部分是由于凝结水温度改变引起的新蒸汽焓的变化，按等效热降法，相当于纯热量αnnΔτn进出加热器引起新蒸汽等效热降改变量：

(2)

因此，由于排汽压力变化所带来的1kg新蒸汽焓降变化为：

ΔHi=Δh02-Δh01

(3)

故当背压变化时导致的发电机组功率变化量可计算为：

(4)

式中：ηm为机械效率；ηg为发电机效率。

1.2 风机群耗功的确定

空冷风机[10]一般都是轴流风机符合风机相似定律，2台尺寸相同的风机在相同的条件下运行，在不考虑空气密度的变化条件下，相似定律可以简化为：

(5)

式中：qv为风机体积流量，m3/s；p为风机全压，Pa；P为风机轴功率，kW；n为风机转速，r/s；

根据相似定律，对于同一类型的风机在环境温度变化下，可看成所有风机都是在同一工况下运行的，故对任意转速下耗功可表示为：

(6)

式中：Ni为单台风机实际消耗的电功率，kW；N0为单台风机最大风量时消耗功率，kW；pi为风机实际风量对应的空气密度，kg/m3；p0为风机最大风量是对应的空气密度，kg/m3；qvi为单台风机实际风量，m3/s；qv0为单台风机最大风量，m3/s；

研究表明，当机组运行时的负荷偏低时，风机群在同一转速下运行的经济性要比停止部分风机运行的经济性高，因此该文研究的最佳背压，是在风机的控制采用均一的转速调节控制的条件下进行计算的，所以风机群的耗功就是通过单台风机耗功乘以台数计算得到。风机采用变频调试，一般转速在全速间控制，通过计算就可以得到风机群全部同一转速下运行的迎面风速变化的范围，研究在该范围对应的运行工况下的最佳背压。

2 实例计算

2.1 计算流程

针对某600 MW机组进行最佳背压的计算，基本分为3部分：第一部分为变工况下机组的微增功率计算，以下利用等效热降法进行计算，其中利用水和水蒸气性质表把一定范围的压力对应的参量拟合成曲线便于计算；第二部分为计算风机为了维持一定背压下所对应空气温升以及迎面风速，利用风机的相似定律，把多台风机的运行简化同一转速下的统一运行，计算出风机耗功量；第三部分即寻找机组的最佳背压。

具体来说，第一部分首先利用给定已知参数，导出热力分析参量，包括不同负荷工况下的各级抽汽等效热降、抽汽效率等，利用给定的排汽压力计算出机组排汽焓值变化、凝结水焓值变化、疏水焓值变化，进一步计算出最末级加热器效率，得到新蒸汽的等效热降变化，从而计算出汽轮机的微增功率并计算凝汽器的散热量。

第二部分计算首先需要假定迎面风速，在给定的环境温度下计算出凝汽器的换热系数，在假定迎面风速的基础上假定空气温升，通过假定的条件计算出空气的平均密度和定压比热，进而利用第一部分计算的散热量反推出空气温升并与之前假定的空气温升进行一致判断，当差值较大时需重新假定空气温升再一次计算直到差值小于设定的较小值；当差值小于某一个较小值时认为假设的空气温升正确可进行下一步的计算，得到空气温升后即可计算出传热单元数、凝汽器的饱和温度，即可推出凝汽器的压力并与给定的排汽压力进行差值判断，同样的不符合条件则需改变假定的迎面风速，进行再次的循环计算，当符合条件时得到此时工况下对应的迎面风速，进一步计算风机总风量、风机群耗功量，此时第二部分的计算完成。

第三部分即寻找机组的最佳背压，利用第一部分和第二部分计算出某一工况的不同背压下的机组微增功率以及风机的群耗功量，做差得到不同背压下的机组净增功率，其机组净增功率的最大值对应的背压即为此工况下的最佳背压。

2.2 最佳背压计算与分析

针对某600 MW直接空冷机组运用上述2.1节中介绍的流程在MATLAB中编程并利用机组设计数据进行计算。主要机组计算数据如下：机组的设计背压为15 kPa，排汽流量为355 kg/s，迎面风速为1.61 m/s，设计迎风面积为14 915 m2，总体传热面积1 838 218 m2，冷却空气流量为23 667 kg/s，总传热系数为30.62 W/(m2·K)，传热单元数为2.364，低压缸的排汽焓值为2 507.8 kJ/kg。主要的风机计算数据如下：风机台数为56台，每台风机设计风量为428 m3/s，风机转速为61.8 r/min，风机轴功率为45.7 kW，电功率为90 kW，风机静压为66.1 Pa。

根据运行经验风机转速在30%～110%全速间控制，根据机组数据可计算出迎面风速变化的范围为0.482～1.767 m/s，进一步得到迎面风速对风机群耗功的影响特性曲线如图2所示。

图2 不同环境温度下迎面风速对风机群耗功的影响

分析计算结果可知，在设计背压下和不同的环境温度的条件下，风机耗功量随迎面风速的变化曲线，可以看出在同一温度下，迎面风速越大，风机的耗功也越大，迎面风速在较小值变化时，风机耗功量的变化也相对较小。由于环境温度的不同，迎面风速对风机的耗功影响也不同，环境温度较高时，风机耗功反而较小，这是因为风机的耗功与空气密度有着密切的联系。环境温度越低，空气的密度也就越大，导致风机的耗功越多。不同温度下迎面风速与背压的关系曲线，见图3。

图3 不同温度下迎面风速与背压的关系曲线

分析图3迎面风速与背压的关系并且与图2中呈现出来的迎面风速与风机耗功的关系相结合，就可以得出不同工况下一定背压对应的风机的耗功量如图4，同时计算出机组背压变化所导致的机组微增功率，就可以做差得到最佳背压。

图4 不同温度下背压与风机群耗功的关系曲线

从图4中分析得到在不同的环境温度下，要想控制在相同的背压下，风机的群耗功量是不同的，环境温度越高，风机耗功越大。在相同的环境温度下，背压越低，风机耗功量也越大，而且背压值在较低的范围内波动时，风机耗功随着背压降低急剧增大。故在背压较低运行时，不要再通过增大风机风量来降低背压，此时风机的耗功量会远远大于机组的微增功率。

进一步考虑排汽流量变化时对背压和风机群耗功量的影响，如下图5所示。

图5 不同排汽量下背压与风机耗功的关系曲线

分析图5可知，在对应的同一排汽流量下，背压越高风机群耗功越低，当需要保持的背压在较低范围变化时，风机群耗功量的变化很大，这时在背压较低时进一步降低背压值就会使得风机耗功量突增，反而使得总功量降低，与在不同温度下背压和风机群耗功量的关系相同。而当排汽流量发生变化时，相同背压对应的风机群耗功量也不同，从图上可以看出排汽流量越小风机耗功量变化曲线越陡。

最终，根据某600 MW的直接空冷机组数据，进行最佳背压的计算，结果如图6所示，很多论文中只是求取其中典型工况的最优背压进行计算，以便运行人员查表，忽略了在非典型工况下机组运行时所需的数据，因此文中对计算出最优背压进行多项式的拟合，拟合为自变量为排汽流量和环境温度，因变量为最优背压的多项式，使得当机组工况发生变化时，便于运行人员计算得到各种情况下的最优背压，运行人员可立即得出此时所对应的最佳背压进而进行调节，进一步实现背压的自动调节。

图6 不同工况下的理论最佳背压

利用MATLAB工具箱拟合多项式，结果如下：

式中：ta1最高阶次为2阶；Dn最高阶次为1阶；得到的多项式与计算原数据的标准差为0.136 6；误差的平方和为110.4；误差在可接受的范围内，进而可以对此机组在不同环境温度和排汽流量下最佳背压进行等效计算。

如果需要更精确的计算结果可提高拟合的阶次或者利用智能的方法进行拟合。

分析图6并结合相关的数据，可知随着环境温度升高，理论最佳背压升高；随着排汽流量增大，理论最佳背压增大，所需风机风量增大，并且环境温度与排汽流量比较来说前者对最佳真空的影响较大。

3 结论

a. 背压较低运行时，不要再通过增大风机风量来降低背压，此时风机的耗功量会远远大于机组的微增功率，但不同工况下背压较低运行的范围有所不同。

b. 以上研究了影响直接空冷凝汽器的主要参数，例如环境温度、排汽流量对机组理论最佳背压的影响规律。环境温度是影响理论背压的主要原因，排汽量对最佳背压有一定影响。

c. 随着环境温度升高，理论最佳背压升高。随着排汽流量增大，理论最佳背压增大。环境温度相对于排汽量来说对最佳压力的影响更大，被很多电厂忽视，认为温度变化较小时对机组的最佳压力几乎不变，其实要同时重视负荷和环境温度的变化，提前预知其对背压的影响，做好提前的准备，不仅仅为了避免影响机组的安全运行而是需要控制其为最佳背压避免影响经济效益。

d. 针对某600 MW直接空冷机组进行了最佳背压的计算并进行了多项式的拟合，拟合得到的多项式为实现对机组背压的自动控制提供数据，对于实时负荷和环境温度的改变可直接得到最佳背压即背压的设定值。

下一步应该继续对实现对背压的自动控制进行研究，主要研究机组背压与风机风量的动态特性，控制背压始终维持在经济性最高的最优背压值上，使直接空冷机组的冷端运行得到优化，达到节能减排的最终目的。

[1] 杨勇平,杨志平,徐 钢,等.中国火力发电能耗状况及展望[J]. 中国电机工程学报,2013(23):1-11,15.

[2] 马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

[3] 石维柱. 直接空冷机组优化运行关键技术研究[D].保定：华北电力大学,2010.

[4] 周兰欣,杨 靖,杨祥良. 600 MW直接空冷机组变工况特性[J]. 动力工程,2007(27):165-168.

[5] 曹 旭,胡洪华,臧瑞起. 直接空冷机组空冷岛优化运行研究[J]. 热力发电,2011(08):5-7，21.

[6] 周兰欣,乔 瑾,张淑侠. 600 MW机组空冷凝汽器变工况特性计算与分析[J]. 华北电力大学学报(自然科学版),2011(01):92-97.

[7] 时 岩. 直接空冷凝汽器最佳背压的确定方法[J]. 东北电力技术,2014(01):44-47.

[8] M.Pieve, GSalvadori. Performance of an air-cooled steam condenser for a waste-to-energy plant over its whole operating range[J] .Energy Conversion and Management, 2011(52):1908-1913.

[9] 李秀云,严俊杰,林万超. 滑压机组背压变化对经济性影响的两种新计算方法[J]. 中国电机工程学报,1999(09):23-27.[10] 梅 勇. 直接空冷机组汽机变工况及风机的节能运行分析[D].保定：华北电力大学,2013.

本文责任编辑：杨秀敏

Calculation and Analysis of Optimum Condenser Pressure of 600 MW Direct Air Cooling Unit

Zhang Wanjun, Wang Yinsong ,Su Jie，Shang Dandan

(North China Electric Power University , Baoding 071003, China)

The optimum vacuum determination method was established to calculate the condenser optimum pressure iterative process and for a 600 MW unit in computing and programming,finally draw the conclusion that under different environment temperature and load conditions of the corresponding optimal condenser pressure and use matlab toolbox will be fitted for the multi item for the direct calculation of optimum pressure,which to offer a reference for the safety and economy of the operation of direct air cooling generating unit.

direct air-cooled;variable condition;equivalent heat drop method ;optimal back-pressure

2016-06-12

张婉君(1990-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向为火电机组冷端优化。

TM715

B

1001-9898(2016)05-0045-05