火电厂闭式循环水系统变工况运行优化 火电厂闭式循环水系统变工况运行优化

火电厂闭式循环水系统变工况运行优化

  • 期刊名字:动力工程学报
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  • 论文作者:郑姗,张瑞山,刘明,种道彤,严俊杰
  • 作者单位:广东省电力设计研究院,西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,甘肃电力科学研究院
  • 更新时间:2020-03-24
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33卷第9期动力工程学报VoL 33 No. 92013年9月Journal of Chinese Society of Power Engineeringsep.2013文章编号:1674-7607(2013)09-071106中图分类号:TK文献标志码:A学科分类号:470.30火电厂闭式循环水系统变工况运行优化郑姗2,张瑞山3,刘明2,种道彤2,严俊杰(1.广东省电力设计研究院,广州510663;2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安710049;3.甘肃电力科学研究院,兰州730050)摘要:以某600MW机组闭式循环水系统为例,提出了以汽轮杋负荷、环境温度和环境相对湿度为条件的优化运行方式,将冷却塔、凝汽器和汽轮机变工况进行耦合,得到了闭式循环水系统冷却塔的进塔水温和出塔水温(即凝汽器循环水的岀口温度和入口温度)随杋组负荷、环境温度和环境相对湿度的变化規律.结果表明:在一定的环境条件和负荷下,进塔水温随循环水体积流量的增大而降低,而出塔水温随循环水体积流量的増大而升髙;进塔水温和岀塔水温均随着环境温度、环境相对湿度和机组负荷的升高而升高关键词:闭式循环水系统;变工况;循环水温度;优化运行Off-design Operation Optimization for Closed CirculatingWater System of Thermal Power PlantsZHENG Shan., ZHANG Ruishan, LIU Ming, CHONG Daotong, YAN Junjie(1. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China; 2. State Key Laboratoryof Multiphase Flow in Power Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China;3. Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730050, China)Abstract: Taking the closed circulating water system of a 600 Mw power unit as an example, an optimizedoperation mode was proposed based on the load of steam turbine, the ambient temperature and the relativeenvironment humidity, while a variation law obtained about how the inlet/outlet water temperature ofcooling tower in the closed circulating water system (i. e. the outlet/inlet temperature of condenserchange with the unit load, ambient temperature and relative environment humidity by coupling variableconditions of the cooling tower, condenser and turbine. Results show that with the rise of circulating water flow, the inlet temperature of cooling tower reduces, but the outlet temperature of cooling tower in-creases, under a certain environmental condition and load; both the inlet/outlet temperature of coolingtower increase with rising ambient temperature, relative environment humidity and unit loadKey words: closed circulating water system; off-design condition; circulating water temperature; operationoptimization收稿日期:201301-09修订日期:201303-01基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2009CB219803);国家自然科学基金资助项目(51125027,U126210);国家科技支撑计划资助项目(2011BAA04B03)作者简介:郑姗(1988-),女,湖北天门人,硕土研究生,研究方向为:电厂经济性诊断与优化设计.电话(Te.):020-32115646;E-mail:zhengshan@gedi.com.cn712动力工程学报第33卷火电机组的冷端系统包括凝汽器、冷却塔、循环优化的前提是研究其循环水人口温度的变化规律水泵及其辅助设备,其作用是维持一定的排汽压力.以下介绍闭式循环水系统循环水温度变工况耦合计研究表明,现代大型火电机组排汽压力对应的饱和算方法温度每提高1K,机组的标准发电煤耗率约增加1电厂闭式循环水系统如图1所示,其中t1为凝g/(kw·h),因此,确定各个工况下冷端系统的汽器循环水入口温度(即冷却塔出塔水温),t2为凝最优运行方式是提高电厂运行经济性的重要措施.汽器循环水出口温度(即冷却塔进塔水温).已知循电厂的循环水系统分为开式和闭式2种.其中环水体积流量q、进塔水温t2、进塔干空气量G、进开式循环水系统以天然水源作为冷却水源其凝汽气温度a1和进气相对湿度g,利用冷却塔的热力计器循环水入口温度为环境温度,该循环水系统的优算方法1可得到出塔水温化运行方式是在循环水人口温度一定的前提下确定的2.闭式循环水系统利用冷却塔对循环水进行冷却,其凝汽器循环水入口温度为冷却塔出塔水温,而汽轮冷却塔出塔水温与循环水体积流量、环境条件及凝冷凝塔汽器和汽轮机的工况密切相关,因此循环水入口温度随机组运行工况(负荷、环境温度和环境相对湿凝汽器□度)和循环水体积流量的变化而变化.因此,采用开式系统的优化方法进行闭式系统的优化运行是不合理的.现有确定闭式循环水系统优化运行方式的方图1闭式循环水系统示意图法为:先通过冷却塔单独的热力计算得到进塔水温Fig. 1 Schematic diagram of the closed circulating water system和出塔水温的变化规律6,在出塔水温确定的基冷却塔热力计算的基本方程为础上得到机组经济性的变化规律12),进而确定闭B,Vdt式循环水系统的优化运行方式,忽略了汽轮机和凝he汽器等参数变化对冷却塔的影响.王冬、宋永昶式中:B为填料散质系数,kg/(m3·s);V为淋水填等3将凝汽器和冷却塔作为一个整体进行研究,料的体积,m3;p为循环水密度,kg/m3;c为水的比分析了凝汽器变工况对冷却塔进塔水温和出塔水温热容,kJ/(kg·℃);h"为水温t对应的饱和空气的影响王玮等1在将凝汽器和冷却塔作为整体焓,kJ/kg;h。为环境温度为θ时空气的焓,kJ/kg研究的基础上,通过功率修正曲线来考虑汽轮机工由式(1)可知,对于已投入运行的冷却塔,在淋况变化对凝汽器和冷却塔的影响.目前尚未有同时水面积和淋水填料特性一定的条件下,其出塔水温考虑机组负荷、环境温度和环境相对湿度的循环水与环境温度θ、环境相对湿度g、循环水体积流量泵变工况优化运行的研究报道.q和进塔水温t2有关,即:笔者通过冷却塔、凝汽器和汽轮机的变工况相t1=f(t2,6,g,q)互耦合,充分考虑环境条件、凝汽器和汽轮机工况变根据凝汽器的变工况计算1,其循环水出口温度t2化对冷却塔的影响,将三者作为一个整体进行研究,可以通过循环水入口温度t1与循环水在凝汽器中并结合实例计算获得循环水入口温度(即冷却塔出的温升△t得到(此处认为凝结水过冷度为0):塔水温)的变化规律,进而提出以环境温度、环境相t2=t1+△tn=t1+ymng(3)对湿度和机组负荷为条件的闭式循环水系统的优化运行方式式中:qmn为进入凝汽器的汽轮机排汽质量流量,t/h;qn为单位质量排汽在凝汽器中的凝结放热量,1循环水温度变工况计算及变化规律kJ1.1循环水温度变工况耦合计算由式(3)可得,凝汽器循环水出口温度t2与汽采用开式循环水系统的电厂,其凝汽器循环水轮机排汽参数(qm、qn)凝汽器循环水人口温度t入口温度是环境温度而采用闭式循环水系统的电和循环水体积流量q有关,即厂,即使在相同的负荷、环境温度和环境相对湿度t2=f(qm,n;qn,t1;q。)(4)下,其凝汽器循环水入口温度也会随着循环水体积其中,汽轮机的排汽参数qmn和gn由汽轮机排汽压流量的变化而变化因此研究闭式循环水系统运行力Pn机组负荷N和汽轮机变工况特性决定笔者第9期郑姗,等:火电厂闭式循环水系统变工况运行优化采用汽轮机厂提供的汽轮机工况图计算其变工况特e=20C性1,这样就可以通过变工况计算获得qnn、qn与HN,600 MW合N=480MWN4和p的关系,即o→N4=360MWgmn,.= f(Pn, Ns)其中,排汽压力pn所对应的饱和温度tn可用凝汽器循环水出口温度t2和凝汽器的传热端差8t表示:tn=t2 + ot=t2+(tn-t, exp(--")(6)cqp式中:k为凝汽器传热系数,kW/(m2·K);Fn为凝汽器传热面积,m2图2不同机组负荷下进塔水温和出塔水温随循环根据式(1)、式(4)~式(6),将冷却塔凝汽器和水体积流量的变化汽轮机的变工况相互耦合,迭代计算即可获得不同Fg.2 Influence of circulating water flow on inlet/ outlet temperature of cooling tower at different unit loads工况下冷却塔的进塔水温和出塔水温(即循环水出口和入口温度),循环水温度的影响因素可表示为N=600Mw42e=16℃Ct1,t2=f(Na, 8,, qu)→日=20℃由式(7)可以看出,循环水入口和出口温度由机0-+=24C组负荷、环境温度、环境相对湿度和循环水体积流量34共同决定1.2循环水温度变化规律采用上述耦合计算方法,以某600MW机组为例进行计算.该机组额定工况下的主蒸汽质量流量14151617181920q(m3,s-)为1663.44t/h,排汽压力为4.9kPa,采用8500m2自然通风冷却塔,填料散质系数为n=图3不同环境温度下进塔水温和出塔水温随循环水体积流量的变化0.625gq2"kg/(m·s)(其中g为重力加速度,qrg.3 Influence of circulating water flow on inlet/outlet tempera为淋水密度),设计循环水体积流量为18.5m3/s,ture of cooling tower at different ambient temperatures凝汽器传热面积为38000m2,凝汽器传热系数为3.226kW/(m2·K).在不同机组负荷和环境条件N。600MWt1 26=20℃C下,冷却塔进塔水温和出塔水温随循环水体积流量的变化规律见图2~图4.图2给出了不同机组负荷下冷却塔进塔水温和出塔水温随循环水体积流量的变化规律.从图2可以看出,在一定环境条件和机组负荷下进塔水温随着循环水体积流量的增大而降低,出塔水温随着循23环水体积流量的增大而升高;随着机组负荷增大,进塔水温和出塔水温均会升高,但进塔水温升高的幅图4不同环境相对湿度下进塔水温和出塔水温随循环度大于出塔水温升高的幅度水体积流量的变化图3和图4给出了不同环境条件下冷却塔进塔Fig.4 Influence of circulating water flow on inlet/outlet tempera-水温和出塔水温随循环水体积流量的变化规律.从ture of cooling tower at different relative humidities图3可知,随着环境温度的升高,进塔水温和出塔水明显的区别传统的循环水系统优化运行方式是通过温均升高,两者升高的幅度基本相同从图4可知,给定循环水入口温度来确定的,因此采用传统方法确随着相对湿度的增大,进塔水温和出塔水温都升高,定闭式循环水系统的运行优化方式是不合理的两者升高的幅度也基本相同综上所述,在闭式循环水系统中,冷却塔出塔水2闭式循环水系统的运行优化温(即凝汽器循环水入口温度)受机组负荷、循环水对于火电机组而言,在机组负荷(或新蒸汽质量体积流量和环境温度的影响,与开式循环水系统有流量)一定的条件下,增大循环水体积流量会降低凝71动力工程学报第33卷汽器压力,从而增加汽轮机的输出功率,但同时循环水泵的耗功也增加,当增加的输出功率ΔN与循环水泵多消耗的功率△NP的差值△N为最大,即机组的输出净功率最大时,对应最佳循环水体积流量.循环水系统的优化就是确定在不同机组负荷(或新蒸汽质量流量)和环境条件下的最佳循环水体200434积流量.在实际工程中,循环水体积流量没有实现连续性调节,因此只能通过改变循环水泵的运行台数来改变循环水体积流量,此时循环水系统的优化就300350400450500550600是确定不同工况下循环水泵的最佳运行台数,根据输出净功率(△N。一△N)是否大于0来判断根据图6不同环境温度下4台循环水泵与3台循环水泵运行的输出净功率前文提出的闭式循环水系统变工况耦合计算方法,获Fig 6 Difference of output power bet ween operation of 4 and 3得闭式循环水系统运行优化方法,其原理图见图5pumps at different ambient temperatures[改变循环水泵运行方式循环水体积流量6000却塔出塔水温500080=20℃(凝汽器循环水入口温度排汽参数环境4000汽轮机→渐蒸汽凝汽器循环水出口温度号麽器真空却塔进塔水温2000循环水汽轮机泵耗功30035040045050055060最佳循环水泵运行图7不同环境相对湿度下4台循环水泵与3台循环水泵运行的输出净功率图5闭式循环水系统运行优化原理图Fig 7 Difference of output power between operation of 4 and 3Fig 5 Schematic diagram for operation optimization of thepumps at different relative humiditiesclosed circulating water system所研究的电厂2台600MW机组共用4台同等容量的循环水泵,每台循环水泵功率为2700kW,400(由于没有实现变频调节,故仅有2机组运行2台循环水泵、3台循环水泵和4台循环水泵3种情况根兰300据机组的设计数据和上述耦合计算方法,计算得出2000不同机组负荷和环境条件下运行不同台数循环水泵时的机组输出净功率(图6~图9).由图6~图9得00350400450500550600到不同环境温度、环境相对湿度和机组负荷下循环N,MW水泵的切换界限图(图10)图8不同环境温度下3台循环水泵与2台循环水泵运行的由图10可知,该电厂在实际运行过程中,通过输出净功率环境温度、环境相对湿度和机组负荷来确定循环水Fig.8 Difference of output power between operation of3and2泵的最优运行方式.这种优化运行方式的确定方法pumps at different ambient temperatures与开式循环水系统有着明显的区别,不再是利用凝互耦合,利用环境温度、环境相对湿度和机组负荷3汽器循环水人口温度来确定循环水系统的优化运行个客观值来确定循环水系统的优化运行方式,因此方式,而是通过冷却塔凝汽器和汽轮机变工况的相这种方法更切合实际第9期郑姗,等:火电厂闭式循环水系统变工况运行优化·715600nosis model for on-line monitoring cooling end of50080=20℃[J]. Thermal Power Generation, 2004,33(3): 14-16.[2]董丽娟,张润盘,张春发循环水泵的优化调度[J.电0300力科学与工程,2007,23(1):73-78.2000DONG Lijuan, ZHANG Runpan, ZHANG ChunfaOptimization dispatching of water circulating pump1000[J]. Electric Power Science and Engineering, 2007, 23(1):73-78.300350400450500550600[3]王爱军,李艳华,张小桃,等循环水泵优化运行方式的在线分析与研究[J].汽轮机技术,2005,47(2):图9不同环境相对湿度下3台循环水泵与2台循环水泵运行的130-132.输出净功率Fig 9 Difference of output power between operation of 3 and 2WANG Aijun, LI Yanhua, ZHANG Xiaotao, et al.pumps at different relative humiditiesOnline analysis and research on optimum operationstyle of circulating water pump[J]. Turbine Technolor-gy,2005,47(2):130-132泵运行区域[4]何东辉.火电厂冷端系统性能分析及优化研究[D]大连:大连理工大学,2007[5]马立恒,王运民,火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化三泵运行区域研究[J].汽轮机技术,2010,52(2):137-140.MA Liheng, WANG Yunmin. Study on the running二泵运行区域optimization for condensing steam turbine cold end inthermal power plant[J]. 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