火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化探究

北京国电电力有限公司上湾热电厂 刘 萍

火电作为一种以煤炭为主要能源的发电方式，在发电过程中会消耗大量的煤炭。截至目前，已经建成的火电厂达到了总装机的74%，但由于煤炭资源是一种不可再生的能源，火电厂不仅耗煤量大，还造成了严重的水资源浪费和环境污染，因此节能减排就显得更加重要了。

水轮机冷端系统是火电机组的核心，如何对其进行优化，提高其运行经济性，是实现“资源型”可持续发展的关键。本文以某发电厂国产60MW凝汽式机组为例，对其冷端系统进行了研究，并提出了CIMS技术，取得了良好的应用效果。研究结果的应用将彻底解决冷端处理中的5大技术难题。

1 凝汽式汽轮机冷端运行概况、作用及意义

在现代火电厂中，凝汽设备以冷源为主，冷源凝汽设备的主要作用是将汽轮机排出蒸汽，凝结成水，并在汽轮机的排气口形成和保持一定的真空度。从蒸汽透平的工作原理可以看出，冷源凝汽设备的真空度对其效率和功率有较大的影响，凝汽器真空度的高低直接关系到冷端热系统的运行效率，也直接关系到汽轮机机组的热经济性。我国在冷端部操作方面已取得一些进展，但在相关企业和设备中还存在一些亟须解决的问题[1]。凝汽式汽轮机如图1所示。

图1 凝汽式汽轮机

2 CIMS汽轮机冷端系统运行优化实例

2.1 凝汽器最佳真空与最佳冷却水量的关系分析

在实际应用中，冷凝器的真空并非愈大愈好，而最佳真空度的计算与控制，则是在设计与生产过程中必须考虑的问题。事实上，最优的真空度与相应的冷却水量有着一定的关系。当冷却水量增加时，凝汽器压力降低，从而提高了汽轮机的功率和收益。然而，这也导致了循环水泵耗功、水资源使用费和环保费用的增加。随着冷却水量的增加，净收益开始增加。

最佳真空对应于最佳冷却水量所在位置。当冷凝器腔内的压力减小时，机组的出力也增大了，这样可以提高机组的经济效益。经过进一步的计算，得到了增加冷水量的净收益值，会随着排气量的增大而增大，但是增大到一个最大值之后又会减小[2]。

2.2 凝汽器最佳冷却水量的确定

在分析了冷凝器的最优真空度和最优冷水量之间的关系后，知道变化规律，想要得到最优真空度和最优冷水量之间真实最优值，就需要计算最优真空度和最优冷水量之间的压力。首先要对冷凝器的饱和温度进行分析，由于一般情况下，排出气体压力与排出气体温度之间存在着密切的关系，这样就可以从相应的饱和温度来确定冷凝器内的蒸气压力，并且根据其相应的饱和温度：tc=tw1+$t+Dt（1）进行计算，其中tw1为冷却水进入后的真实温度，即进水端的温度，$t为冷却水的温度增量，在$t=tw2-tw1（2）中，Dt为凝汽器传热过程中的端差。将公式（1）引入到公式（2）中，然后对其进行移项处理，得出Dt=tc-tw2。在公式（1）中，tw1与周围的温度相关，这个值在给水管的情况下，即为周围的冷却水的温度。

在循环供水的系统中，tw1的值即为冷却塔位处的出水的温度，根据冷凝器热平衡原理，可以获得冷凝器内生水的上升温度。循环冷却水是热循环的载体，循环冷却水的消耗量直接影响着冷端系统的工作效率，而在常规工况下，当负荷一定时，循环冷却水的消耗量也已决定。但是局部的气候、特定的环境条件等都会对循环水的进口温度产生影响，因此在确定其具体循环水量时，必须综合考虑以上各方面因素，采取动态节流的方法。通过改变凝汽式汽轮机的排气量来计算最优循环水量，同时对所用的循环冷水的温度进行变化，根据公式（1）计算出相关数据后，根据公式（1）求出饱和温度，再计算凝气压力，调节进水量，使之达到最大值。

2.3 凝汽器最佳真空值的确定

根据理论上的分析，要确定冷凝器的最佳真空度，必须经过一系列的试验和计算，当冷凝器内的水与蒸汽接触的时候，当冷凝器内的水与蒸汽接触的时候，循环中的水将会达到一个临界点，这时机组的输出功率将会与循环泵的输出功率相等，在这个临界点之前，找出两者之间的差距最大的那一刻，此时真空度将会是最大的，然后再用启停装置来保持这个真空度。

2.4 汽轮机功率、凝汽器压力之间的关系分析

为了确定汽轮机反压的变化，必须对升压过程中的反压效应进行分析，利用效率热降法，曲线拟合法等可以对汽轮机压力进行分析。在实际应用中，通常都是用特征曲线来拟合，该方法操作简单、精度高、实用性强。在此基础上，通过对各汽轮机厂家给出的性能曲线进行拟合，得出了在各种蒸汽负载条件下，各汽轮机的功率-排烟压力之间的关系[3]。

2.5 在经济角度上优化冷端系统

冷端系统的优化设计不仅要考虑节能降耗，而且还要考虑机组及电厂整体的运行效率，所以需要从经济性的角度来分析用水费用、用水量、用水量等方面的费用。这两项费用都直接关系到汽轮机的净利润，要想增加净利润，就必须降低各项费用。这两者都涉及冷却水的多少，在计算成本时，主要是以冷却水作为参考。在计算过程中，将这两个成本同拖动循环水泵的电机能量消耗成本和汽轮机功率增长的收入值相关联，相关人员将所得的收入值扣除其他成本后，即为汽轮机净利润[4]。

2.6 汽轮机背压与机组电功率的关系

本文以某火电厂国产60MW机组为例，对其冷端系统进行了研究。上汽生产的水力涡轮是一种中间加热、三缸、四排蒸汽的冷凝型水力涡轮，其是由各个水力涡轮制造商提供的。利用水轮机生产厂家所提供的真空功校正曲线，确定了水轮机在不同运行条件下的反压力与水轮机功率之间的关系。结果表明，在不同的工作条件下，可以用四次方程式来拟合叶片反压值与叶轮功率值的关系，从而得出叶轮功率值及叶轮功率值的变化。

2.7 CIMS汽轮机冷端运行优化

CIMS冷端热管理系统能够为环保电厂提高5%～10%的综合效益（增量+减量）；其核心思路为：利用RCCS凝汽器强化换热技术和CRJ三级深度水处理技术，实现循环水质、凝汽器、真空、循环水、冷却塔等各部分的能量消耗与优化。结合数学模型，使凝汽器真空度提升超过5kPa，使循环水排放达到接近零。

RCCS冷凝器强化传热系统是采用了一种特殊的聚合物螺旋绳，采用了一种独特的陶瓷制成，并采用了一种高强度的特种钢制成。本项目提出的RCCSB冷凝式强化传热系统，在不借助外力的情况下，以300～1800r/min的循环水流动为驱动，实现强化传热、在线除垢的目标，并使换热器传热系数K提高20%以上。本系统是计算机集成制造系统的关键组成部分。CRJ三级水处理系统按以下方法设计。

一级：供水端。根据原水的水质特性，设计了一种新型的滤料和钠基离子交换膜，使出水中的浊度、胶体和硬度得到了有效地控制。二级：在运行阶段，采用生物化学试剂，采用精密投加系统，解决换热器（凝汽器、冷却塔等）的结垢与腐蚀问题。分类3：终端处理。通过前处理+TUF管超滤+双重反渗透膜技术，回收水的回收率可以达到80%，从而大幅度地减少了污染物的排放量，这一部分的污染也可以被内部的生产流程所吸收，从而达到了外部零排放[5]。

2.8 循环水泵耗功的确定

热电厂的循环水泵均为并联运行。循环水泵不能持续地调节冷却水的流量，必须通过增大水泵的数量来实现。如果两个完全相同的循环泵并联工作，其流量就相当于两个单泵的等水头流量总和，按照同样的扬程和流量累加原理，将每个循环泵对应的流量进行叠加，得到了一个循环泵的耗电量与冷却水的关系，见表1。

表1 循环水泵耗电量与冷却水量之间的关系

2.9 循环水泵最优运行方式工况

在此基础上，基于功率增量△P，求出不同进水温度和出水流量时的功率增加量△C，对Δw=f（tw1,Dc）进行绘制。当循环泵的数量从一台增加到两台时，蒸汽涡轮的动力增加正好与循环泵的电力消耗、水资源和冷却水的热污染增加相同。通过计算，可以得到由单泵向双泵转换的界限。

3 CIMS智能运维系统的实现

在此基础上，建立了一套以实时数据库为基础，实现对冷端仪的在线监测，并建立了相应的数学模型，实现了冷端仪的智能化判定与分析。最终，在以上大数据基础上，建立相应的数学模型，设计并训练算法，获得最优运行方案，从而实现对冷端元的远程监控。

研究工作包括：对冷端仪进行系统诊断，采集端差、循环水质、循环水量、端差、真空度、冷幅等参数。介绍了冷却塔的结垢情况，循环水的水质，真空度的紧密性，冷却塔的故障诊断。根据诊断结果，对该系统进行了改进，主要包括：对RCCS型蒸汽发生器进行了强化改造，并对其进行了测试和优化；为了提高再生水的质量，要考虑加不加滤水、调节配方和助剂的加入量等；对冷却塔进行改建时，要注意是否要更换填料，对风机的结构进行优化；再循环泵的改造：按经济效益计算，决定是否进行改造；此外，本系统还增设了一套远程数据采集与控制装置。基于以上分析，对项目规划进行了设计与优化。CIMS系统工作流程图如图2所示。

图2 CIMS系统工作流程图

4 结论

伴随着现代工业的持续发展，电力行业也有了长足的进步。但是，在我国当前的火力发电企业的运行中，冷端优化问题仍然是一个较为突出的问题。如果冷端性能不达标，则会影响到火力发电厂的发电效率，从而导致无谓的功耗增加，降低了经济性。为了寻找新的发展机会，火力发电厂需要在保证安全、环保的基础上，强化对成本的管控，从而提升公司的管理水平，提升公司的核心竞争力。在此基础上，针对火力发电单元的真空度、循环最优用水，在兼顾全局功率特性的前提下，实现循环最优用水的动态精细调控，并构建相应的优化模型，实现冷端最优用水。