張婉君，王印松，蘇 杰，商丹丹

(華北電力大學(xué) ，河北 保定 071003)

?

600 MW直接空冷機(jī)組最佳凝汽器壓力的計算與分析

張婉君，王印松，蘇 杰，商丹丹

(華北電力大學(xué) ，河北 保定 071003)

利用最佳真空的確定方法，建立了計算凝汽器最佳壓力迭代流程，并針對某600 MW機(jī)組進(jìn)行編程計算，最終得出了不同環(huán)境溫度和負(fù)荷條件下所對應(yīng)的最佳凝汽器壓力，并利用MTLAB工具箱將其擬合為多項式便于最佳壓力的直接計算，為直接空冷機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性提供了參考。

直接空冷；變工況；等效熱降法；最佳背壓

由于水資源的匱乏，越來越多的地區(qū)建立直接空冷機(jī)組來緩解對水資源的需求，然而直接空冷機(jī)組運(yùn)行能耗高，使得節(jié)能工作刻不容緩[1]。當(dāng)前情況下直接空冷機(jī)組在運(yùn)行時，冬季機(jī)組的防凍問題是設(shè)置凝汽器壓力的主要參考依據(jù)，冬季氣溫較低，凝結(jié)水溫度也隨之降低，當(dāng)?shù)陀诰渲禃r，需要提高凝汽器壓力的設(shè)定值來防止凝結(jié)水過冷。但是這種對壓力的設(shè)定原則，僅僅考慮了機(jī)組的安全性，并沒有考慮到在實(shí)際情況中，凝汽器的最佳壓力是隨著環(huán)境因素、機(jī)組負(fù)荷的變化而變化的，不是單一固定的數(shù)值，因此對直接空冷機(jī)組背壓進(jìn)行優(yōu)化[2-3]研究對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的提高意義重大。

針對600 MW直接空冷機(jī)組凝汽器壓力的研究如下：周蘭欣等利用傳熱單元數(shù)法[4]，計算了排汽管道的壓損、排汽管對環(huán)境的散熱量等因素對直接空冷機(jī)組背壓的影響；曹旭，胡洪華等從理論上探索研究了各個工況下凝汽器最佳壓力的變化特性[5]；周蘭欣，喬瑾等利用數(shù)值模擬的方法，定量分析了不同橫向風(fēng)速以及不同風(fēng)溫下對機(jī)組背壓的影響規(guī)律[6]。

以下不再以影響空冷機(jī)組凝汽器的各個因素為研究對象，而是借鑒研究濕冷機(jī)組最佳背壓的方法，針對某600 MW機(jī)組，綜合考慮汽輪機(jī)發(fā)電功率與空冷風(fēng)機(jī)群耗功量，進(jìn)行最佳背壓簡單的整體計算，以提供較好的運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，為空冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

1 直接空冷機(jī)組最佳背壓的確定方法

直接空冷機(jī)組最佳背壓[7-8]的定義如下：在一定的工況下，通過增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量來降低背壓而提高的發(fā)電功率增量ΔPe與其對應(yīng)的軸流風(fēng)機(jī)增加的耗電量ΔN之間的差值取最大值所對應(yīng)的背壓即為最佳背壓。

1.1 變工況下直接空冷機(jī)組微增功率確定

機(jī)組計算微增功率的基本方法有4種：熱力學(xué)法、回?zé)嵯到y(tǒng)平衡法、汽輪機(jī)原理法、等效熱降法，各個方法的優(yōu)缺點(diǎn)就不再一一贅述。以下采用等效熱降法[9]對機(jī)組微增功率進(jìn)行計算。

等效熱降法是一種熱力系統(tǒng)定量分析方法，是以回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡方法為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。它既在整體熱力系統(tǒng)的計算中運(yùn)用，也可以在熱力系統(tǒng)的局部定量分析中運(yùn)用。當(dāng)?shù)刃峤捣椒ㄓ糜诰植繜崃ο到y(tǒng)計算時，可以把局部熱力系統(tǒng)的變化通過局部定量計算來確定對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。當(dāng)背壓變化時，對機(jī)組的發(fā)電功率影響分為2個方面：一是由于排汽焓的變化導(dǎo)致的機(jī)組有效焓降的變化ΔH01，二是由于凝結(jié)水溫度變化導(dǎo)致的最末級低壓加熱器抽汽量的改變ΔH02，從而影響做功量的改變 ，如圖1所示。

圖1 等效熱降法原理示意

當(dāng)機(jī)組排汽壓力變化時，機(jī)組排汽焓變化為Δhc=h′c-hc，這部分的焓降變化影響到 新蒸汽做功的變化量：

Δh01=αn(h′c-hc)

(1)

式中：αn為進(jìn)入凝汽器蒸汽的流量份額；hc為額定工況下的排汽焓值，kJ/kg；h′c為變工況下的排汽焓值， kJ/kg ；

另一部分是由于凝結(jié)水溫度改變引起的新蒸汽焓的變化，按等效熱降法，相當(dāng)于純熱量αnnΔτn進(jìn)出加熱器引起新蒸汽等效熱降改變量：

(2)

因此，由于排汽壓力變化所帶來的1kg新蒸汽焓降變化為：

ΔHi=Δh02-Δh01

(3)

故當(dāng)背壓變化時導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組功率變化量可計算為：

(4)

式中：ηm為機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

1.2 風(fēng)機(jī)群耗功的確定

空冷風(fēng)機(jī)[10]一般都是軸流風(fēng)機(jī)符合風(fēng)機(jī)相似定律，2臺尺寸相同的風(fēng)機(jī)在相同的條件下運(yùn)行，在不考慮空氣密度的變化條件下，相似定律可以簡化為：

(5)

式中：qv為風(fēng)機(jī)體積流量，m3/s；p為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；P為風(fēng)機(jī)軸功率，kW；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；

根據(jù)相似定律，對于同一類型的風(fēng)機(jī)在環(huán)境溫度變化下，可看成所有風(fēng)機(jī)都是在同一工況下運(yùn)行的，故對任意轉(zhuǎn)速下耗功可表示為：

(6)

式中：Ni為單臺風(fēng)機(jī)實(shí)際消耗的電功率，kW；N0為單臺風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量時消耗功率，kW；pi為風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量對應(yīng)的空氣密度，kg/m3；p0為風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量是對應(yīng)的空氣密度，kg/m3；qvi為單臺風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量，m3/s；qv0為單臺風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量，m3/s；

研究表明，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時的負(fù)荷偏低時，風(fēng)機(jī)群在同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性要比停止部分風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性高，因此該文研究的最佳背壓，是在風(fēng)機(jī)的控制采用均一的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制的條件下進(jìn)行計算的，所以風(fēng)機(jī)群的耗功就是通過單臺風(fēng)機(jī)耗功乘以臺數(shù)計算得到。風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)試，一般轉(zhuǎn)速在全速間控制，通過計算就可以得到風(fēng)機(jī)群全部同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的迎面風(fēng)速變化的范圍，研究在該范圍對應(yīng)的運(yùn)行工況下的最佳背壓。

2 實(shí)例計算

2.1 計算流程

針對某600 MW機(jī)組進(jìn)行最佳背壓的計算，基本分為3部分：第一部分為變工況下機(jī)組的微增功率計算，以下利用等效熱降法進(jìn)行計算，其中利用水和水蒸氣性質(zhì)表把一定范圍的壓力對應(yīng)的參量擬合成曲線便于計算；第二部分為計算風(fēng)機(jī)為了維持一定背壓下所對應(yīng)空氣溫升以及迎面風(fēng)速，利用風(fēng)機(jī)的相似定律，把多臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行簡化同一轉(zhuǎn)速下的統(tǒng)一運(yùn)行，計算出風(fēng)機(jī)耗功量；第三部分即尋找機(jī)組的最佳背壓。

具體來說，第一部分首先利用給定已知參數(shù)，導(dǎo)出熱力分析參量，包括不同負(fù)荷工況下的各級抽汽等效熱降、抽汽效率等，利用給定的排汽壓力計算出機(jī)組排汽焓值變化、凝結(jié)水焓值變化、疏水焓值變化，進(jìn)一步計算出最末級加熱器效率，得到新蒸汽的等效熱降變化，從而計算出汽輪機(jī)的微增功率并計算凝汽器的散熱量。

第二部分計算首先需要假定迎面風(fēng)速，在給定的環(huán)境溫度下計算出凝汽器的換熱系數(shù)，在假定迎面風(fēng)速的基礎(chǔ)上假定空氣溫升，通過假定的條件計算出空氣的平均密度和定壓比熱，進(jìn)而利用第一部分計算的散熱量反推出空氣溫升并與之前假定的空氣溫升進(jìn)行一致判斷，當(dāng)差值較大時需重新假定空氣溫升再一次計算直到差值小于設(shè)定的較小值；當(dāng)差值小于某一個較小值時認(rèn)為假設(shè)的空氣溫升正確可進(jìn)行下一步的計算，得到空氣溫升后即可計算出傳熱單元數(shù)、凝汽器的飽和溫度，即可推出凝汽器的壓力并與給定的排汽壓力進(jìn)行差值判斷，同樣的不符合條件則需改變假定的迎面風(fēng)速，進(jìn)行再次的循環(huán)計算，當(dāng)符合條件時得到此時工況下對應(yīng)的迎面風(fēng)速，進(jìn)一步計算風(fēng)機(jī)總風(fēng)量、風(fēng)機(jī)群耗功量，此時第二部分的計算完成。

第三部分即尋找機(jī)組的最佳背壓，利用第一部分和第二部分計算出某一工況的不同背壓下的機(jī)組微增功率以及風(fēng)機(jī)的群耗功量，做差得到不同背壓下的機(jī)組凈增功率，其機(jī)組凈增功率的最大值對應(yīng)的背壓即為此工況下的最佳背壓。

2.2 最佳背壓計算與分析

針對某600 MW直接空冷機(jī)組運(yùn)用上述2.1節(jié)中介紹的流程在MATLAB中編程并利用機(jī)組設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。主要機(jī)組計算數(shù)據(jù)如下：機(jī)組的設(shè)計背壓為15 kPa，排汽流量為355 kg/s，迎面風(fēng)速為1.61 m/s，設(shè)計迎風(fēng)面積為14 915 m2，總體傳熱面積1 838 218 m2，冷卻空氣流量為23 667 kg/s，總傳熱系數(shù)為30.62 W/(m2·K)，傳熱單元數(shù)為2.364，低壓缸的排汽焓值為2 507.8 kJ/kg。主要的風(fēng)機(jī)計算數(shù)據(jù)如下：風(fēng)機(jī)臺數(shù)為56臺，每臺風(fēng)機(jī)設(shè)計風(fēng)量為428 m3/s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為61.8 r/min，風(fēng)機(jī)軸功率為45.7 kW，電功率為90 kW，風(fēng)機(jī)靜壓為66.1 Pa。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在30%～110%全速間控制，根據(jù)機(jī)組數(shù)據(jù)可計算出迎面風(fēng)速變化的范圍為0.482～1.767 m/s，進(jìn)一步得到迎面風(fēng)速對風(fēng)機(jī)群耗功的影響特性曲線如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境溫度下迎面風(fēng)速對風(fēng)機(jī)群耗功的影響

分析計算結(jié)果可知，在設(shè)計背壓下和不同的環(huán)境溫度的條件下，風(fēng)機(jī)耗功量隨迎面風(fēng)速的變化曲線，可以看出在同一溫度下，迎面風(fēng)速越大，風(fēng)機(jī)的耗功也越大，迎面風(fēng)速在較小值變化時，風(fēng)機(jī)耗功量的變化也相對較小。由于環(huán)境溫度的不同，迎面風(fēng)速對風(fēng)機(jī)的耗功影響也不同，環(huán)境溫度較高時，風(fēng)機(jī)耗功反而較小，這是因為風(fēng)機(jī)的耗功與空氣密度有著密切的聯(lián)系。環(huán)境溫度越低，空氣的密度也就越大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的耗功越多。不同溫度下迎面風(fēng)速與背壓的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 不同溫度下迎面風(fēng)速與背壓的關(guān)系曲線

分析圖3迎面風(fēng)速與背壓的關(guān)系并且與圖2中呈現(xiàn)出來的迎面風(fēng)速與風(fēng)機(jī)耗功的關(guān)系相結(jié)合，就可以得出不同工況下一定背壓對應(yīng)的風(fēng)機(jī)的耗功量如圖4，同時計算出機(jī)組背壓變化所導(dǎo)致的機(jī)組微增功率，就可以做差得到最佳背壓。

圖4 不同溫度下背壓與風(fēng)機(jī)群耗功的關(guān)系曲線

從圖4中分析得到在不同的環(huán)境溫度下，要想控制在相同的背壓下，風(fēng)機(jī)的群耗功量是不同的，環(huán)境溫度越高，風(fēng)機(jī)耗功越大。在相同的環(huán)境溫度下，背壓越低，風(fēng)機(jī)耗功量也越大，而且背壓值在較低的范圍內(nèi)波動時，風(fēng)機(jī)耗功隨著背壓降低急劇增大。故在背壓較低運(yùn)行時，不要再通過增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量來降低背壓，此時風(fēng)機(jī)的耗功量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)組的微增功率。

進(jìn)一步考慮排汽流量變化時對背壓和風(fēng)機(jī)群耗功量的影響，如下圖5所示。

圖5 不同排汽量下背壓與風(fēng)機(jī)耗功的關(guān)系曲線

分析圖5可知，在對應(yīng)的同一排汽流量下，背壓越高風(fēng)機(jī)群耗功越低，當(dāng)需要保持的背壓在較低范圍變化時，風(fēng)機(jī)群耗功量的變化很大，這時在背壓較低時進(jìn)一步降低背壓值就會使得風(fēng)機(jī)耗功量突增，反而使得總功量降低，與在不同溫度下背壓和風(fēng)機(jī)群耗功量的關(guān)系相同。而當(dāng)排汽流量發(fā)生變化時，相同背壓對應(yīng)的風(fēng)機(jī)群耗功量也不同，從圖上可以看出排汽流量越小風(fēng)機(jī)耗功量變化曲線越陡。

最終，根據(jù)某600 MW的直接空冷機(jī)組數(shù)據(jù)，進(jìn)行最佳背壓的計算，結(jié)果如圖6所示，很多論文中只是求取其中典型工況的最優(yōu)背壓進(jìn)行計算，以便運(yùn)行人員查表，忽略了在非典型工況下機(jī)組運(yùn)行時所需的數(shù)據(jù)，因此文中對計算出最優(yōu)背壓進(jìn)行多項式的擬合，擬合為自變量為排汽流量和環(huán)境溫度，因變量為最優(yōu)背壓的多項式，使得當(dāng)機(jī)組工況發(fā)生變化時，便于運(yùn)行人員計算得到各種情況下的最優(yōu)背壓，運(yùn)行人員可立即得出此時所對應(yīng)的最佳背壓進(jìn)而進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)背壓的自動調(diào)節(jié)。

圖6 不同工況下的理論最佳背壓

利用MATLAB工具箱擬合多項式，結(jié)果如下：

式中：ta1最高階次為2階；Dn最高階次為1階；得到的多項式與計算原數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.136 6；誤差的平方和為110.4；誤差在可接受的范圍內(nèi)，進(jìn)而可以對此機(jī)組在不同環(huán)境溫度和排汽流量下最佳背壓進(jìn)行等效計算。

如果需要更精確的計算結(jié)果可提高擬合的階次或者利用智能的方法進(jìn)行擬合。

分析圖6并結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)，可知隨著環(huán)境溫度升高，理論最佳背壓升高；隨著排汽流量增大，理論最佳背壓增大，所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量增大，并且環(huán)境溫度與排汽流量比較來說前者對最佳真空的影響較大。

3 結(jié)論

a. 背壓較低運(yùn)行時，不要再通過增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量來降低背壓，此時風(fēng)機(jī)的耗功量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)組的微增功率，但不同工況下背壓較低運(yùn)行的范圍有所不同。

b. 以上研究了影響直接空冷凝汽器的主要參數(shù)，例如環(huán)境溫度、排汽流量對機(jī)組理論最佳背壓的影響規(guī)律。環(huán)境溫度是影響理論背壓的主要原因，排汽量對最佳背壓有一定影響。

c. 隨著環(huán)境溫度升高，理論最佳背壓升高。隨著排汽流量增大，理論最佳背壓增大。環(huán)境溫度相對于排汽量來說對最佳壓力的影響更大，被很多電廠忽視，認(rèn)為溫度變化較小時對機(jī)組的最佳壓力幾乎不變，其實(shí)要同時重視負(fù)荷和環(huán)境溫度的變化，提前預(yù)知其對背壓的影響，做好提前的準(zhǔn)備，不僅僅為了避免影響機(jī)組的安全運(yùn)行而是需要控制其為最佳背壓避免影響經(jīng)濟(jì)效益。

d. 針對某600 MW直接空冷機(jī)組進(jìn)行了最佳背壓的計算并進(jìn)行了多項式的擬合，擬合得到的多項式為實(shí)現(xiàn)對機(jī)組背壓的自動控制提供數(shù)據(jù)，對于實(shí)時負(fù)荷和環(huán)境溫度的改變可直接得到最佳背壓即背壓的設(shè)定值。

下一步應(yīng)該繼續(xù)對實(shí)現(xiàn)對背壓的自動控制進(jìn)行研究，主要研究機(jī)組背壓與風(fēng)機(jī)風(fēng)量的動態(tài)特性，控制背壓始終維持在經(jīng)濟(jì)性最高的最優(yōu)背壓值上，使直接空冷機(jī)組的冷端運(yùn)行得到優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能減排的最終目的。

[1] 楊勇平,楊志平,徐 鋼,等.中國火力發(fā)電能耗狀況及展望[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2013(23):1-11,15.

[2] 馬義偉.空冷器設(shè)計與應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[3] 石維柱. 直接空冷機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究[D].保定：華北電力大學(xué),2010.

[4] 周蘭欣,楊 靖,楊祥良. 600 MW直接空冷機(jī)組變工況特性[J]. 動力工程,2007(27):165-168.

[5] 曹 旭,胡洪華,臧瑞起. 直接空冷機(jī)組空冷島優(yōu)化運(yùn)行研究[J]. 熱力發(fā)電,2011(08):5-7，21.

[6] 周蘭欣,喬 瑾,張淑俠. 600 MW機(jī)組空冷凝汽器變工況特性計算與分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011(01):92-97.

[7] 時 巖. 直接空冷凝汽器最佳背壓的確定方法[J]. 東北電力技術(shù),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,嚴(yán)俊杰,林萬超. 滑壓機(jī)組背壓變化對經(jīng)濟(jì)性影響的兩種新計算方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,1999(09):23-27.[10] 梅 勇. 直接空冷機(jī)組汽機(jī)變工況及風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行分析[D].保定：華北電力大學(xué),2013.

本文責(zé)任編輯：楊秀敏

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

張婉君(1990-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向為火電機(jī)組冷端優(yōu)化。

TM715

B

1001-9898(2016)05-0045-05