火电厂闭式循环水系统优化运行试验研究.pdf

上海节能SHANGHAIENERGYSAVING火电厂闭式循环水系统优化运行试验No.102023研究徐钟宇中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院摘要：在闭式循环水系统运行优化中，冷却塔出塔水温是一个与机组负荷、循环水流量及环境空气温度、湿度有关的变量，不能作为一个确定值给出。现有的方法存在着计算复杂、实时准确获取冷却塔周围温度、湿度难度大，难以实际指导机组的运行。通过对冷却塔变工况特性分析及工程实践经验，采用了统计分析方法获取循泵切换后出塔水温的变化特性，建立了闭式循环水系统运行优化的数学模型，并针对某1000MW火电机组的闭式循环水系统计算得到机组在不同负荷、不同循环水温度下的循环水泵最优运行方式，对闭式循环水系统的运行优化具有一定的参考价值。关键词：闭式循环水；运行优化；数学模型；出塔水温DOl:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.10.020Experimental Study on Optimal Operation of Closed Cir-culating Water System in Thermal Power PlantxU ZhongyuEast China Electric Power Research Institute of China Datang Group Science andTechnology ResearchInstitute Co.,Ltd.Abstract:In the operation optimization of closed circulating water systems,the outlet water tempera-ture of the cooling tower is a variable related to the unit load,circulating water flow,ambient air temper-ature,and humidity,and cannot be given as a fixed value.The existing methods have complex calcula-tions,difficulty in obtaining the temperature and humidity around the cooling tower in real time,and are收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 0作者简介：徐钟宇（19 9 0-0 7-),男，硕士，工程师，主要从事电站汽轮机热力性能试验、运行优化和故障诊断等工作节能工程与经济1546ENERGYSAVINGENGINEERING ANDECONOMY上海节能火电厂闭式循环水系统优化运行试验研究节能工程与经济SHANGHAIENERGYSAVINGdifficult to guide the operation of the unit practically.Through the analysis of the characteristics of thecooling tower under varying operating conditions and engineering practical experience,a statisticalanalysis method is used to obtain the characteristics of the change in the outlet water temperature afterthe switching of the circulating pump.A mathematical model for the operation optimization of closed cir-culating water systems is established,and the optimal operating mode of the circulating pump for a10oo Mw thermal power unit under different loads and different circulating water temperatures is calcu-lated.It has certain reference value for the operation optimization of closed circulating water systems.Key words:Closed Circulating Water;Operation Optimization;Mathematical Model;Water Tempera-ture out of TowerENERGY SAVINGENGINEERINGAND ECONOMY响，并结合凝汽器运行特性、循环水泵特性、汽轮机0引言背压-微增功率特性的研究，建立了在冷却塔出塔循环水泵是火电厂厂用电大户，其耗电量占机水温变化条件下火电厂闭式循环水系统运行优化组总发电量的1%1.5%，循环水泵的运行方式对的计算模型,并以某10 0 0 MW超超临界机组为例汽轮机排汽压力也有较大影响，因此研究和改善循开展了试验。环水系统的运行方式对提高电厂运行经济性具有1项目闭式循环水系统概况重要的意义 1-2 。火电厂循环水系统分为开式和闭式两种，其中开式循环水系统以江、河、海等天然水源作为冷却水源，其凝汽器循环水入口温度为环境温度，对其优化的前提是循环水入口温度一定 3-8 。闭式循环水系统利用冷却塔对循环水进行冷却，即凝汽器循环水入口温度为冷却塔出塔水温，而冷却塔出塔水温与循环水流量、环境条件（环境温度、湿度、风速风向）、凝汽器和汽轮机的工况密切相关，因此当工况变化时，循环水入口温度不能作为一个确定值给出 9 。当前对闭式循环水系统运行优化的研究主要不足是 10-14：虽然理论模型考虑到了循泵运行方式改变后冷却塔工况及出塔水温的变化，但由于模型涉及复杂的汽轮机、凝汽器和冷却塔变工况耦合计算及实时、准确获取冷却塔周边的温度场、湿度场及风速场难度很大，故在此基础上的计算难以直接用于指导实际机组的循环水优化调度 15 。本文结合工程实践经验和运行数据，采用统计分析方法获取循泵切换后对冷却塔出塔水温的影机组冷却水采用一机三泵（三台双速泵）的单元制闭式循环供水方式。三台循环水泵出口2400支管汇合至3800进水母管送至汽机厂房，分为两根2800支管经电动蝶阀进入A凝汽器外、内侧，再经连通管进入B凝汽器，B凝汽器内、外侧再经过电动蝶阀进入两根中2 8 0 0支管，汇合为3800循环水出口母管回至冷却塔方竖井。每台机组配备一台自然通风逆流塔，实现全塔配水运行。循环水系统取水系统图见图1。汽轮机凝汽器图1循环水系统取水系统图冷凝塔2023年第10 期1547SHANGHAIENERGYSAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING2闭式循环水系统运行优化的计算模型2.1循环水泵耗功特性机组循环水系统采用单元制，每台机组配置三台循环水泵，均为高、低速两档可变。机组运行时可选择单泵（低速、高速）、两泵（两低速、一高一低、两高速）、三泵（两高一低、三高速）等方式运行。为保持凝汽器清洁度，一般情况下要求凝汽器冷却管内流速不低于1m/s,根据该原则,可排除部分不合理运行工况，本研究对单泵（一高速）、两泵（两低速、一高一低、两高速）、三泵（两高一低、三高速)运行方式下循环水流量和循环水泵功率进行测定。2.2凝汽器变工况计算模型凝汽器热力特性为凝汽器压力与凝汽器入口温度、循环水流量和排汽热负荷之间的关系，即：pe=f(tul,Dw,Q.)(1)式中：pe凝汽器压力kPa(a);tul一循环水入口温度，；Dw一循环水流量，kg/s;Q一一凝汽器热负荷，MW。汽轮机排汽和循环水冷却沿冷却管表面的温度变化规律见图2。一蒸汽水-Aa-A图2 汽轮机排汽和冷却水温度沿冷却表面的温度变化凝汽器内蒸汽凝结温度：t,=twl+t+o t式中：t 一循环水温升,;No.102023ot一凝汽器端差，。循环水温升t可通过凝汽器热平衡方程计算求得：Q=D(he-h)=DwC,tD,(h.-hi)t=DuC.式中：D。一汽轮机排汽量,kg/s;he、h。汽轮机排汽比烩、凝结水比恰，kJ/kgCu一冷却水比热容。凝汽器传热端差t由凝汽器对数传热温差t m引出：t m=nA+0t凝汽器传热方程：Q.=KAt m式中：K凝汽器换热系数，W/mK);A一凝汽器换热面积，m。由式（3）、（5）、（6)可得凝汽器端差：ot=KAe正常运行情况下，凝汽器内空气含量所占比例很小，凝汽器压力一般认为等于蒸汽凝结压力，即p=Pso通过以上公式，得出凝汽器内蒸汽凝结温度ts，其对应的饱和蒸汽压力即为凝汽器压力，可通过水和水蒸气特性IAPWS-IF97公式计算得出。.2.3汽轮机微增出力特性在同一负荷下，当循环水泵运行方式发生变A化引起凝汽器进口循环水流量、温度改变时，汽轮机的排汽压力也会改变，进而影响机组出力。为了对同一负荷下几种循泵运行方式的经济性进行比较，须将汽轮机背压修正至同一基准值(2)（如设计背压）。图3 为该10 0 0 MW机组背压对机组出力的修正曲线。(3)(4)(5)(6)(7)1548节能工程与经济ENERGY SAVINGENGINEERING AND ECONOMY上海节能火电厂闭式循环水系统优化运行试验研究SHANGHAIENERGY SAVING掌功家交化室如图4所示，当循环水流量增加以后，进塔水温逐渐下降，出塔水温逐渐上升，且两者差值逐渐减小。当前很多研究工作在确定闭式循环水系统运-2行方式时，都是按开式循环水系统假定循环水泵在不同运行方式下凝汽器进水温度均相等的前提下-3研究的，这与实际情况不符。在闭式循环水系统-4中，冷却塔的冷却效果在循环水泵不同运行方式下-5节能工程与经济ENERGY SAVINGENGINEERINGAND ECONOMY-602.4循环水流量对冷却塔出塔水温的影响该机组循环水流量对冷却塔出塔水温的影响见图4。a/1454035302520图4机组循环水流量对进出塔水温的影响两台高速泵切换前一台低速泵切换后三台高速泵温升/0.91存在差异，特别是夏季多泵运行时差异更加明显，=0.00b631148z324图3 典型排汽压力对机组出力修正曲线进塔水温出塔水温20%40%0.21474432*+1.2365215x6860%80%424455641012背压kpPa100%120%140%循环水量百分比表1不同循泵运行方式切换时出塔水温变化两台高速泵两台高速泵一台低速泵0.6514因此在试验和研究的过程中应对此进行考虑。循泵优化试验需对不同循泵运行方式下机组运行净收益进行比较，找到最佳运行方式。但是不同的运行方式，循环水量不同，冷却塔出塔水温（凝汽器进水温度)亦有差别。由于影响出塔水温的因素较多，如循环水流量、环境温度（空气湿球温度）、风速、机组负荷等，准确测试该数据难度较大。本项目研究过程中通过调取历史数据，统计了不同循泵运行方式、不同负荷条件下的运行数据，得出影响出塔水温的主要因素后，评估出不同循泵运行方式下的出塔水温变化,结果见表1。2.5闭式循环水系统运行优化原理框图图5 为项目闭式循环水系统运行优化原理框图。一台高速泵一台低速泵两台高速泵0.51两台低速泵一台高速泵一台低速泵0.34一台高速泵两台低速泵0.941.000MW新系塔行方式一台高速票t1PKPk14P1Pc1Ps1图5 闭式循环水系统运行优化原理框图如图5 所示，首先选取某一循泵运行方式下的三台高速果出塔水温t1(例如10)作为基准值(基于2.4节的t3t5Pk2Pk3根计擀将乐对功年进行修证4P2AP3Pc2Pc3Ps2Ps3以功车争增流最大为海更热取最优频票端行方式t6+Pk4Pk5AP4AP5Pc4Pc5Ps4Ps5分析可获得其他几种循泵运行方式下的出塔水温Pk6t2,t3，,t 6)，通过凝汽器的变工况计算，得到不同运行方式下的汽轮机背压Pk1,Pk2，,Pk 6，再通4P6过背压对机组出力的修正曲线得到微增功率P1，Pc6P2,，P6,计算微增功率与循泵耗功的差值，得Ps6到各工况下的功率净增值，从中选取功率净增值最大的循泵运行方式作为当前负荷下最优循环水泵2023年第10 期SHANGHAIENERGYSAVING1549上海节能SHANGHAIENERGYSAVING运行方式。以此类推，可得到不同机组负荷(10 0 0、900、8 0 0 MW）、不同循环水入口温度（10、12、14）下的最优循环水泵运行方式。3闭式循环水系统运行优化的试验3.1试验工况试验工况应保证能够获取如下性能试验：(1)凝汽器性能试验：测定凝汽器清洁系数；(2)循环水泵性能试验：测定不同循环水泵组合运行方式下的流量和耗功；(3)冷却塔变工况试验：循环水泵运行方式切换对冷却塔出水温度的影响。具体试验工况见表2。3.2最优循环水泵运行方式试验结果最优循环水泵运行方式试验结果见表3。单机循环水泵序号负荷/MW工况11000工况21000工况3900工况4900工况5750工况6750工况7750工况8750工况9600工况10600工况11500No.102023根据第二节所述计算原理及计算方法，通过编制的程序，可得到机组闭式循环水系统在不同机组负荷、不同循环水入口温度下的最优循泵运行方式，为运行和管理人员对循泵运行方式进行优化调度提供了参考。为了减少循泵运行方式频繁切换，造成对设备寿命的影响，如果最优和次优循泵运行方式的功率净增值差别小于2 0 0 kW,则认为这两种循泵运行方式均为该工况下的最优运行方式。4结论1)在闭式循环水系统中，凝汽器、冷却塔及循环水泵的工况是互相影响的，因此运行优化不能简单套用开式循环水系统凝汽器入口循环水温度（出塔水温)不变的优化方法，已有研究存在计算复杂、实时准确获取冷却塔周围温度场、湿度场难度大的端，难以应用于指导实际机组的运行优化工作。表2 某10 0 0 MW机组循泵运行优化试验工况试验目的运行方式1凝汽器热负荷、性能三高2循环水流量及耗功三高切换至两高一低冷却塔出水温度变化特性1凝汽器热负荷、性能两高一低2循环水流量及耗功两高一低切换至两高冷却塔出水温度变化特性1凝汽器热负荷、性能两高2循环水流量及耗功两高切换至一高一低冷却塔出水温度变化特性1凝汽器热负荷、性能一高一低2循环水流量及耗功一高一低切换至两低冷却塔出水温度变化特性1凝汽器热负荷、性能两低2循环水流量及耗功两低切换至一高冷却塔出水温度变化特性1凝汽器热负荷、性能一高持续时间2h延续上个工况，切换后维持1h2h延续上个工况，切换后维持1h2h延续上个工况，切换后维持1h2h延续上个工况，切换后维持1h2h延续上个工况，切换后维持1h2h2循环水流量及耗功节能工程与经济1550ENERGYSAVINGENGINEERING AND ECONOMY上海节能火电厂闭式循环水系统优化运行试验研究SHANGHAIENERGYSAVING表3 最优循环水泵运行方式负荷（MW)/1000出塔水温()10111213141516171819202122232425262728293031节能工程与经济90080022223232323333343333434345555555555570022232333334343434560022333333343434500222X3333333400223232333ENERGYSAVINGENGINEERINGANDECONOMY32333435注：循泵运行方式代号及其说明：一台高速泵；两台低速泵；一台高速泵和一台低速泵；两台高速泵；5 两台高速泵和一台低速泵；三台高速泵。2)本文通过理论和试验研究，建立了闭式循环水系统运行优化的数学模型。针对某10 0 0 MW火电机组的闭式循环水系统，基于运行数据，采用统计分析方法获得循泵切换（冷却水流量）后出塔水温的变化特性，在此基础上，计算出机组在5565655555555不同负荷、不同循环水温度下的循环水泵最优运行方式。3)本文建立的闭式循环水系统运行优化模型计算简捷，可应用于指导实际机组闭式循环水系统的运行优化工作。2023年第10 期1551SHANGHAIENERGYSAVING343334333332323上海节能SHANGHAIENERGYSAVING参考文献1杨之光,闫丽涛.火电厂循环水温及循环泵运行方式对机组经济性的影响 J.发电设备,2 0 14,2 8(2):12 4-12 7.2马永刚.火电厂循环水系统优化运行研究 J.东北电力技术,2 0 14,3 5(1):51-53.3王攀,王泳涛，王宝玉.汽轮机冷端优化运行和最佳背压的研究与应用J.汽轮机技术,2 0 16,5 8(1):5 5-5 7+6 0.4 徐睿.湛江电厂4号机组冷端系统经济性运行优化研究 D.华南理工大学,2 0 13.5李军,王振.10 0 0 MW超超临界二次再热机组循环水系统运行方式优化 J.电力科技与环保,2 0 18,3 4(6):43-46.6乐俊，营从光,张辉.火电厂循环水系统优化运行研究 J.热力发电，2008(6):9-12.7郭建,余洁,王宇江,等.6 3 0 MW燃煤机组循环水系统运行优化研究No.102023J.热力透平,2 0 2 2,5 1(2):110-116.8杜艳秋,孙毅,刘学亭,等.电厂循环水泵变频调控的优化与应用 J.山东建筑大学学报,2 0 2 1,3 6(1):9 0-9 6.9黄凯.南方6 0 0 MW机组采用闭式循环水系统冷端综合优化试验研究 J.湖南电力,2 0 17,3 7(2):3 5-3 9.10曾德良，王玮,刘吉臻，等.双压凝汽器闭式循环水系统的最优运行方式 J.热能动力工程,2 0 11,2 6(2):17 1-17 5+2 5 211郑姗栅,张瑞山,刘明,等.火电厂闭式循环水系统变工况运行优化 J.动力工程学报,2 0 13,3 3(9):45 9-46 4.12】胡勇.闭式循环水系统的优化调度 D.华北电力大学（北京),2 0 11.13】贾南.基于冷却塔变工况性能的闭式循环水系统优化运行模型 J.河南电力,2 0 10(2)：0 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ENGINEERING AND ECONOMY