楊建平

(陜西渭河發(fā)電有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712038)

0 引言

間接空冷技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于燃煤發(fā)電領(lǐng)域，其具有的節(jié)水優(yōu)勢(shì)，使之在水資源相對(duì)匱乏的地區(qū)，成為了電廠冷卻汽輪機(jī)排汽的首選技術(shù)[1]。但在火力發(fā)電廠中，汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的能量損失是所有損失中最大的[2]。所以，作為發(fā)電機(jī)組與環(huán)境進(jìn)行能量交換的主要環(huán)節(jié)，如果對(duì)冷端系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，能有效地提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

然而，在實(shí)際運(yùn)行中，電廠為了維持發(fā)電入網(wǎng)的穩(wěn)定性，不能輕易開展相關(guān)的試驗(yàn)。因?yàn)樵囼?yàn)過程中背壓的波動(dòng)會(huì)影響發(fā)電質(zhì)量，甚至對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。所以，需要建立間接空冷機(jī)組的冷端系統(tǒng)模型，通過模型的方法研究使機(jī)組運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)的背壓或循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速。

因此，本文采用模塊化的建模思想，分別建立了凝汽器模塊和間冷塔模塊，其間提出了一種凝汽器換熱系數(shù)識(shí)別的方法和一種間冷塔換熱系數(shù)識(shí)別的方法，解決了換熱系數(shù)難以準(zhǔn)確獲取的問題；最后建立冷端系統(tǒng)整體模型，并利用某電廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了校核。

1 間接空冷機(jī)組凝汽器模塊

在汽輪機(jī)組熱力循環(huán)過程中，末級(jí)排汽燃具有較高的溫度，凝汽器作為循環(huán)的冷源設(shè)備，使排汽凝結(jié)的同時(shí)還會(huì)在排汽口建立與維持一定的真空度[3]；在間接空冷系統(tǒng)中，凝汽器是汽輪機(jī)和外界環(huán)境進(jìn)行能量交換的連接點(diǎn)。本節(jié)將首先建立凝汽器數(shù)學(xué)模型，然后從機(jī)理出發(fā)，提出一種凝汽器換熱系數(shù)識(shí)別的方法，解決了換熱系數(shù)難以準(zhǔn)確獲得的問題，對(duì)其性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.1 凝汽器模塊

凝汽器模塊的主要輸入?yún)?shù)就是循環(huán)冷卻水流量和凝汽器進(jìn)口水溫，主要的輸出參數(shù)為背壓和循環(huán)冷卻水出口溫度。利用傳熱學(xué)原理融合凝汽器先驗(yàn)知識(shí)，建立凝汽器模塊。

凝汽器傳熱端溫度差值為δt，在該換熱過程中穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，凝汽器中的換熱量與吸熱量相等，即

pc≈ps=f(ts)

(1)

該模塊輸入?yún)?shù)為機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)冷卻水壓力、凝汽器循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度、泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、變頻泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速以及抽汽流量等。模型主要的輸出參數(shù)為背壓，凝汽器循環(huán)冷卻水出口溫度，循環(huán)冷卻水總的體積流量以及循環(huán)水泵總耗功。

然而，在以上凝汽器數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程中，存在凝汽總體換熱系數(shù)K和有效換熱面積Ac難以準(zhǔn)確獲取的問題，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用經(jīng)驗(yàn)公式或者試驗(yàn)計(jì)算。所以，在下一部分，將利用機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，實(shí)時(shí)地估計(jì)機(jī)組在不同工況以及不同運(yùn)行條件下凝汽器的性能參數(shù)。

1.2 凝汽器性能參數(shù)辨識(shí)

針對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的凝汽器的總體換熱系數(shù)K和有效換熱面積Ac難以準(zhǔn)確獲取，以及這兩個(gè)性能參數(shù)會(huì)隨著運(yùn)行條件的變化而波動(dòng)的情況，本節(jié)提出一種凝汽器性能參數(shù)辨識(shí)的方法，利用實(shí)際運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，建立參數(shù)估計(jì)模型，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地估計(jì)性能參數(shù)。同時(shí)，為了減少辨識(shí)參數(shù)的個(gè)數(shù)，將總體換熱系數(shù)與有效換熱面積之積K·Ac作為一個(gè)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。辨識(shí)過程利用該電廠一600 MW汽輪機(jī)組在2019年2月28日-3月1日期間運(yùn)行的部分歷史數(shù)據(jù)，其中，數(shù)據(jù)點(diǎn)每5 s采集一次。

運(yùn)行工況以及循環(huán)水泵運(yùn)行方式的變化會(huì)對(duì)凝汽器的換熱量與換熱效果產(chǎn)生影響，即對(duì)凝汽器總體換熱系數(shù)的影響。因此可以利用凝汽器參數(shù)，對(duì)凝汽器進(jìn)行建模參數(shù)辨識(shí)，得到凝汽器換熱系數(shù)與有效換熱面積之積K·Ac的辨識(shí)結(jié)果，如下式所示

K·Ac=114.56Gs+1.61pc-1467.2tw1+

(2)

式中各個(gè)參數(shù)的定義與前文相同。凝汽器總體換熱系數(shù)的變工況特性考慮機(jī)組負(fù)荷(凝汽器進(jìn)汽量)、背壓，這兩項(xiàng)決定了凝汽器的散熱負(fù)荷，而循環(huán)水入口水溫和循環(huán)水流量則是反映間冷塔的散熱能力與循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，圖1為凝汽器換熱性能建模驗(yàn)證效果，因此，該擬合公式較為全面的考慮了凝汽器的變工況影響因素，可以用該擬合公式進(jìn)行凝汽器的變工況計(jì)算分析。

圖1 凝汽器換熱性能建模驗(yàn)證

2 間冷塔模塊

在間接空冷機(jī)組運(yùn)行過程中，間冷塔的性能對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行具有極其重要的影響[4]，它的性能優(yōu)劣直接影響間冷塔的出塔循環(huán)水溫，決定了汽輪機(jī)排汽壓力大小，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性。

本節(jié)采用模塊化的建模思想，建立間冷塔的各個(gè)子模塊，然后在各個(gè)子模塊的基礎(chǔ)上建立整體間冷塔模型；提出一種間冷塔換熱系數(shù)識(shí)別的方法，解決了在間冷塔建模過程中換熱系數(shù)難以準(zhǔn)確獲得的問題，并實(shí)現(xiàn)對(duì)間冷塔的性能狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

2.1 間冷塔各子模塊

以該電廠采用的含有10個(gè)扇區(qū)的間冷塔為例，本節(jié)對(duì)間冷塔的建模思路如圖2所示，采用模塊化的建模方法，有利于反映不同扇區(qū)流量的差異特性和換熱的差異特性，為更深入的研究奠定基礎(chǔ)。

圖2 間冷塔模塊總體框架

間冷塔模塊總體框架主要包括三個(gè)部分：一是間冷塔入口聯(lián)箱，主要是負(fù)責(zé)分配各扇區(qū)流量；二是各個(gè)扇區(qū)的換熱模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)各扇區(qū)換熱計(jì)算；三是間冷塔出口聯(lián)箱，主要負(fù)責(zé)計(jì)算各扇區(qū)出口循環(huán)水混合過程，得到間冷塔出口母管水溫。

2.2 間冷塔入口聯(lián)箱模塊

本節(jié)通過扇區(qū)流量測(cè)定試驗(yàn)，計(jì)算分析了扇區(qū)流量分配特性。通過試驗(yàn)測(cè)定，分別得出了隔離0～4個(gè)扇區(qū)后各扇區(qū)流量的分配比例。通過測(cè)量結(jié)果可以看出該比例是固定的，不會(huì)被循環(huán)水泵運(yùn)行方式的改變影響。因此間冷塔入口聯(lián)箱扇區(qū)流量分配建模采用該結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

2.3 間冷塔換熱性能參數(shù)辨識(shí)

間冷塔扇區(qū)熱力計(jì)算是間冷塔計(jì)算的核心部分，其又是耦合環(huán)境因素與凝汽器運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵設(shè)備。假定整個(gè)系統(tǒng)處于平衡過程中，對(duì)外無耗散，因此有如下熱平衡方程

Q=k·S·Δtma

(3)

式中k、S——換熱系數(shù)和有效換熱面積；

Δtma——空氣傳熱對(duì)數(shù)溫差。

這里不再對(duì)換熱量Q的計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)敘述，其計(jì)算思路與上述換熱量的計(jì)算思路相同。

由于空冷扇區(qū)的整體換熱系數(shù)k受眾多因素共同影響，并且換熱面較為復(fù)雜，難以直接靠理論計(jì)算獲取，對(duì)此，本文考慮用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。根據(jù)傳熱學(xué)原理以及冷卻扇區(qū)的工作原理，充分考慮換熱系數(shù)的所有影響因素，利用機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合得到整體換熱系數(shù)和有效換熱面積的乘積的計(jì)算公式如下

kS=f(ta,va,d,qm,tw)

(4)

式中ta——環(huán)境溫度；

va——環(huán)境風(fēng)速；

d——冷卻扇區(qū)總體換熱系數(shù)與有效換熱面積之積的數(shù)學(xué)擬合關(guān)系式

kS=(-2.92tw+9.14d+0.11qm+

31.08ta+2549.30)×103

(5)

該擬合公式較為全面的考慮了冷卻扇區(qū)的變工況影響因素，圖3間冷塔換熱性能參數(shù)建模驗(yàn)證效果，可以用該擬合公式進(jìn)行間冷塔扇區(qū)的變工況性能參數(shù)計(jì)算分析。

圖3 間冷塔換熱性能參數(shù)建模驗(yàn)證

2.4 間冷塔出口聯(lián)箱模塊

間冷塔出口聯(lián)箱模塊主要是為了模擬計(jì)算各扇區(qū)循環(huán)水混合后總的循環(huán)水溫度，即間冷塔出口母管水溫，該過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Two=f(p,h)

(6)

式中h——間冷塔出口循環(huán)水混合后的比焓/kJ·kg-1；

qmi、hi——第i個(gè)扇區(qū)的循環(huán)水質(zhì)量流量和比焓；

p——間冷塔出口母管壓力；

Two——出口母管水溫。

按照各個(gè)模塊的實(shí)際工作原理，將上述建立的間冷塔各子模塊連接起來，得到間冷塔整體變工況模塊。

3 冷端系統(tǒng)整體模型與模型校核

通過以上對(duì)凝汽器和間冷塔變工況計(jì)算模型的建立，將兩部分模型進(jìn)行連接形成整個(gè)冷端系統(tǒng)的模型。

基于建立的冷端系統(tǒng)模型，本節(jié)利用該電廠這一600 MW機(jī)組從2017年7月11日-2018年5月1日期間分季度選取的30天歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。從所有數(shù)據(jù)樣本中隨機(jī)抽取12個(gè)不同工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將測(cè)量參數(shù)輸入模型，得到模型輸出。將輸出值與實(shí)際值對(duì)比，進(jìn)行模型的校核。

凝汽器模塊輸出的背壓與凝汽器出口水溫的模型估計(jì)值與實(shí)際值的對(duì)比結(jié)果如表1所示。對(duì)于凝汽器模塊的校核結(jié)果，從中可以看出，模型計(jì)算的背壓與實(shí)際值誤差小于2 kPa，而且均是模型計(jì)算值大于實(shí)際值，分析出現(xiàn)該誤差的原因在于凝汽器模型建立過程中，進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)的過程中利用的數(shù)據(jù)為2019年3月份的數(shù)據(jù)，相比于模型校驗(yàn)用的數(shù)據(jù)相差一年多時(shí)間，在這一年多時(shí)間里，凝汽器的換熱性能必然會(huì)發(fā)生一定程度的退化，故背壓也會(huì)相應(yīng)的增大，這也和模型校驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此驗(yàn)證了該模型的計(jì)算精度與可靠性。

表1 凝汽器背壓與凝汽器出口水溫校核結(jié)果

間冷塔模塊輸出的母管水溫與實(shí)際水溫的對(duì)比結(jié)果如表2所示。對(duì)于間冷塔模塊，模型計(jì)算的間冷塔出口水溫與實(shí)際值誤差較小，而且均是模型計(jì)算值大于實(shí)際值。與凝汽器模塊出現(xiàn)誤差的原因相同，在間冷塔模型建立過程中，進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)的過程中利用的數(shù)據(jù)相比于模型校驗(yàn)用的數(shù)據(jù)相差一年多時(shí)間。在這一年多時(shí)間里，間冷塔扇區(qū)的換熱性能發(fā)生了一定程度的退化，因此間冷塔出口水溫也會(huì)相應(yīng)的增大，這和模型校驗(yàn)結(jié)果相吻合。這也側(cè)面反映了該模型的計(jì)算精度與可靠性。對(duì)間冷塔的換熱性能有很大影響。該電廠需考慮定期對(duì)間冷塔扇區(qū)翅片管污垢進(jìn)行清洗。

表2 間冷塔出口母管水溫校核結(jié)果

6 總結(jié)

本文基于模塊化的建模思想，在冷端系統(tǒng)融合傳熱學(xué)基本知識(shí)，建立了凝汽器模塊和間冷塔模塊。并在建模過程中提出一種凝汽器和間冷塔換熱系數(shù)識(shí)別的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地估計(jì)凝汽器和間冷塔的性能參數(shù)，利用可測(cè)參數(shù)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，消除了利用給定的經(jīng)驗(yàn)公式在冷端系統(tǒng)出現(xiàn)積灰、結(jié)垢、變工況等情況時(shí)計(jì)算性能參數(shù)的偏差，解決了通過試驗(yàn)確定性能參數(shù)耗時(shí)、費(fèi)力的問題，并利用求得的總體換熱系數(shù)和有效換熱面積的乘積建立了凝汽器和間冷塔模塊。

進(jìn)一步，建立了冷端系統(tǒng)整體模型，并利用該電廠實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校核，校核結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律，體現(xiàn)出了該電廠運(yùn)行中的冷端系統(tǒng)的性能退化情況，說明該模型具有一定的準(zhǔn)確度和精度。利用建立的模型，能夠?yàn)椴煌r下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓以及循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式研究提供借鑒和奠定基礎(chǔ)。