CN108253813A - 一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，属于发电站空冷机组设计技术领域。本发明该方法根据空冷机组的空冷岛特性曲线、汽轮机微增功率曲线、环境气象参数、水资源富余量、发电厂成本电价、设备价格参数等已知条件，通过计算设备投资、运行费用等经济数据，确定最优化的尖峰凝汽器面积、循环水量、机力塔配置等重要设备参数。本发明的优化方法更加符合施加，能够最终确定优化的尖峰凝汽器面积、循环水量、机力塔配置等重要设备参数，设备配置更加合理，机组运行经济性良好。

Description

一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法

技术领域

本发明涉及一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，属于发电站空冷机组设计技术领域。

背景技术

目前，我国“三北”地区，大型火力发电机组多采用空冷机组，由于空冷机组中的空冷岛的冷却效率低，致使空冷机组的煤耗较高，为了响应国家节能减排号召，很多电厂进行了尖峰冷却技改工程。夏季属于尖峰冷却

尖峰冷却系统多采用“机力塔+循环水泵+凝汽器”的技术方案，该技术方案中三大设备的技术参数会直接影响到机组的性能指标。虽然，空冷机组、湿冷机组的冷端优化计算已经非常成熟，但是这种带有尖峰冷却系统的“干湿联合”机组的优化方法还是空白，为工程设计实施带来诸多不便。目前没有适当的优化计算方法，导致设备配置不合理，机组运行经济性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，通过计算设备投资、运行费用等经济数据，确定尖峰冷却系统的最优凝汽器面积、循环水量、机力塔配置等重要设备参数。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，设定Q0为汽轮机100％负荷时的凝汽量，Q1为进入空冷岛内的凝汽量，Q2为进入尖峰凝汽器中的凝汽量，Q0＝Q1+Q2；具体包括以下步骤，

第一步，根据空冷岛特性曲线得到空冷岛背压与环境温度、凝汽量的关系函数为P(Q1，θ)，其中Q1为进入空冷岛中的凝汽量，θ为环境的干球温度；

第二步，根据汽轮机的微增功率曲线，得到汽轮机发电出力H与空冷岛背压P的函数关系，即H(P)；

第三步，根据气象数据，得到尖峰系统运行的所对应的干球温度T1，T2，T3……Tn，以及各温度所对应的运行时长t1，t2，t3……tn；

第四步，设定尖峰冷却系统中与系统性能相关的变量，所述变量包括凝汽器面积M、进入凝汽器的最大凝汽量对应的冷却倍率m、循环水管管径D、冷却塔格数N；

第五步，计算尖峰冷却系统配置的初投资，包括以下计算内容，

1)、计算凝汽器的年固定分摊费用值，NF1＝a1×M×AFCR1；

式中，NF1为凝汽器的年费用值，

a为凝汽器面积单价

M为凝汽器面积，AFCR1为凝汽器的年固定分摊率；

2)、计算循环水泵的年固定分摊费用值，NF2＝a2×Q2×m×AFCR2；

式中，NF2为循环水泵的年费用值，

a2为循环水泵水量单价，

Q2为凝汽量，m为冷却倍率，

AFCR2为循环水泵的年固定分摊率；

3)、计算循环水管道的年固定分摊费用值，NF3＝a3×L×AFCR3；

式中，NF3为循环水管道的年费用值，

a3为循水管道单价，

L为循环水管道长度，

AFCR3为循环水管道的年固定分摊率；

4)、计算机力塔的年固定分摊费用值，NF4＝a4×N×AFCR4；

式中，NF4为机力塔的年费用值，

a4为机力塔的单价，

L为循环水管道长度，

AFCR4为冷却塔的年固定分摊率；

第六步，计算整个尖峰系统的运行费用μa，系统整体的运行费用μa＝(XBGL+LQTGL－WZCL)×E，

式中，E为成本电价，XBGL为循环水泵的电耗，LQTGL为机力塔的电耗，WZCL为机组的微增出力；

循环水泵的电耗XBGL是尖峰凝汽量Q2、冷却倍率m、循环水管径D、凝汽器面积M、循环水泵台数TS、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系式记为XBGL＝XBGL(Q2，m，D，M，TS，h)；

机力塔的电耗LQTGL是尖峰凝汽量Q2、冷却倍率m、干球温度θ、相对湿度ψ、大气压力Ps、出塔水温tc、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系式记为LQTGL＝LQTGL(Q2，m，θ，ψ，Ps，tc，h)；

机组的微增出力WZCL是尖峰凝汽量Q2，冷却倍率m，凝汽器面积M，干球温度θ，相对湿度ψ，大气压力Ps，出塔水温tc、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系为WZCL＝WZCL(Q2，m，M，θ，ψ，Ps，tc，h)；

其中的尖峰系统运行小时数是从第三步中的到的。

第七步，计算尖峰系统的年费用值NF，年费用值NF最小的方案为最优方案，根据最优方案的尖峰冷却系统的配置确定冷却倍率m、凝汽器面积M、冷却塔格数N、循环水管管径D；其中，年费用值NF＝NF1+NF2+NF3+NF4+μa。

本发明技术方案的进一步改进在于：第一步中空冷岛背压计算分为，

当空冷岛风机100％转速时，P1(Q1，θ)；

当空冷岛风机75％转速时，P2(Q1，θ)。

本发明技术方案的进一步改进在于：第三步中，T1，T2，T3……Tn之间的温度差值为1℃，t1，t2，t3……tn各温度所对应的运行时长以小时为单位。

本发明技术方案的进一步改进在于：第四步中的凝汽器面积M共设定n1个值，进入凝汽器的最大凝汽量对应的冷却倍率m设置n2个值，循环水管管径D设置n3个值，冷却塔格数N设置n4个。

本发明技术方案的进一步改进在于：n1的数值范围为2～5，m的数值范围为2～5，n2的数值范围为1～3，n3的数值范围为1～3。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明在计算中根据每一个环境温度及对应的小时数来计算系统的运行费用，这样计算更准确，更能反映实际运行情况。

本发明对于尖峰系统中的主要设备，尖峰凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环水管道，分别采用了不同的年固定分摊率进行计算，更能反映出设备的折旧对年费用值的影响。

本发明中的空冷岛的背压计算，采用100％，75％风机转速进行配置计算，夏季高温时，空冷岛风机100％转速运行，春秋季时，空冷岛风机75％转速运行，即这种情况更适合电厂的实际运行情况，优化计算结果与实际情况更接近。

本发明的优化方法中提出了尖峰凝汽器中的凝汽量Q2(或称为热负荷)是随着环境温度而变化的量，且环境温度越低，进入尖峰凝汽器中的凝汽量Q2越小。本发明的优化方法在计算中采用的实际的冷却倍率m是随着环境温度变化的量，且环境温度越低，冷却倍率m越大。这样更加符合实际的运行情况。

本发明的的优化方法计算中更加接近施加情况，计算得出的设备配置更加合理，机组运行经济性良好。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，针对的是采用“机力塔+循环水泵+凝汽器”进行冷却的尖峰冷却系统进行优化的方法。该方法根据空冷机组的空冷岛特性曲线、汽轮机微增功率曲线、环境气象参数、水资源富余量、发电厂成本电价、设备价格参数等已知条件，通过计算设备投资、运行费用等经济数据，确定最优化的尖峰凝汽器面积、循环水量、机力塔配置等重要设备参数。该优化方法尤其适用于火力发电、燃机电站、核能发电。下面是具体的实施例：

本发明中的空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，设定Q0为汽轮机100％负荷时的凝汽量，Q1为进入空冷岛内的凝汽量，Q2为进入尖峰凝汽器中的凝汽量，Q0＝Q1+Q2；具体包括以下步骤，

第一步，根据空冷岛特性曲线得到空冷岛背压与环境温度、凝汽量的关系函数为P(Q1，θ)，其中Q1为进入空冷岛中的凝汽量，θ为环境的干球温度；

函数关系P(Q1，θ)，表明的是为函数关系的对应法则。

在具体的计算中分以下两种情况考虑：

当空冷岛风机100％转速时，P1(Q1，θ)；

当空冷岛风机75％转速时，P2(Q1，θ)。

这样更加符合该系统在一年中的实际运行情况。其中，P1与P2存在一定的差异，但是函数的形式是一致的。具体的是两者均为Rational2D函数，但是，P2对应的曲线族的斜率比较陡。

第二步，根据汽轮机的微增功率曲线，得到汽轮机发电出力H与空冷岛背压P的函数关系，即H(P)；

第三步，根据气象数据，得到尖峰系统运行的所对应的干球温度T1，T2，T3……Tn，以及各温度所对应的运行时长t1，t2，t3……tn。该步骤中，是将系统运行所对应的温度分为若干个温度段，并计算每个温度段对应的总的小时数。在计算中根据每一个环境温度及对应的小时数来计算系统的运行费用，能够使计算更准确，更能反映实际运行情况。

在具体的计算中，将T1，T2，T3……Tn之间的温度差值设置为为1℃，而t1，t2，t3……tn各温度所对应的运行时长以小时为单位进行统计。

第四步，设定尖峰冷却系统中与系统性能相关的变量，所述变量包括凝汽器面积M、进入凝汽器的最大凝汽量对应的冷却倍率m、循环水管管径D、冷却塔格数N。上述几个变量是与尖峰冷却系统主要冷却设备，即机力塔、循环水泵和凝汽器密切相关的参数变量。

在具体的计算中，凝汽器面积M共设定n1个值，进入凝汽器的最大凝汽量对应的冷却倍率m设置n2个值，循环水管管径D设置n3个值，冷却塔格数N设置n4个。这样能够使冷却设备的组合更加多样，进而根据每个组合最终的总体使用费用来确定如何配置冷却设备。n1、n2、n3、n4的数值设置越多优化结果越精确，但是数值过多计算量太大。所以，更进一步的，n1的数值范围为2～5，m的数值范围为2～5，n2的数值范围为1～3，n3的数值范围为1～3。这样共组成5×5×3×3＝225种组合方式，然后根据每一种组合方式的情况计算，带尖峰冷却系统的机组的年费用值。年费用值最小者，对应的组合即为尖峰冷却系统配置推荐的组合。

第五步，计算尖峰冷却系统配置的初投资，包括以下计算内容，

1)、计算凝汽器的年固定分摊费用值，NF1＝a1×M×AFCR1；

式中，NF1为凝汽器的年费用值，

a为凝汽器面积单价，凝汽器的单价具体的是与凝汽器管材有关的；

M为凝汽器面积，AFCR1为凝汽器的年固定分摊率；

2)、计算循环水泵的年固定分摊费用值，NF2＝a2×Q2×m×AFCR2；

式中，NF2为循环水泵的年费用值，

a2为循环水泵水量单价，

Q2为凝汽量，m为冷却倍率，

AFCR2为循环水泵的年固定分摊率；

3)、计算循环水管道的年固定分摊费用值，NF3＝a3×L×AFCR3；

式中，NF3为循环水管道的年费用值，

a3为循水管道单价，

L为循环水管道长度，

AFCR3为循环水管道的年固定分摊率；

4)、计算机力塔的年固定分摊费用值，NF4＝a4×N×AFCR4；

式中，NF4为机力塔的年费用值，

a4为机力塔的单价，

L为循环水管道长度，

AFCR4为冷却塔的年固定分摊率；

尖峰系统中的主要设备，尖峰凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环水管道，由于其检修维护量相差较大，分别采用了不同的年固定分摊率进行计算，更能反映出设备的折旧对年费用值的影响。

尖峰冷却系统配置的初投资为NF1+NF2+NF3+NF4。

第六步，计算整个尖峰系统的运行费用μa，系统整体的运行费用μa＝(XBGL+LQTGL－WZCL)×E，

式中，E为成本电价，XBGL为循环水泵的电耗，LQTGL为机力塔的电耗，WZCL为机组的微增出力；XBGL+LQTGL－WZCL表示的是总体的电耗。

循环水泵的电耗XBGL是尖峰凝汽量Q2、冷却倍率m、循环水管径D、凝汽器面积M、循环水泵台数TS、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系式记为XBGL＝XBGL(Q2，m，D，M，TS，h)；该函数关系式表示的是循环水泵是与括号内各变量相关的。

机力塔的电耗LQTGL是尖峰凝汽量Q2、冷却倍率m、干球温度θ、相对湿度ψ、大气压力Ps、出塔水温tc、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系式记为LQTGL＝LQTGL(Q2，m，θ，ψ，Ps，tc，h)；该函数关系式表示的是机力塔的电耗是与括号内各变量相关的。

机组的微增出力WZCL是尖峰凝汽量Q2，冷却倍率m，凝汽器面积M，干球温度θ，相对湿度ψ，大气压力Ps，出塔水温tc、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系为WZCL＝WZCL(Q2，m，M，θ，ψ，Ps，tc，h)；该函数关系式表示的是机组的微增出力是与括号内各变量相关的。

上述各函数关系式中的尖峰系统运行小时数是从第三步中的到的。

第七步，计算尖峰系统的年费用值NF，年费用值NF最小的方案为最优方案，根据最优方案的尖峰冷却系统的配置确定冷却倍率m、凝汽器面积M、冷却塔格数N、循环水管管径D；其中，年费用值NF＝NF1+NF2+NF3+NF4+μa。

步骤四中提供了多种组合状态的尖峰冷却系统的配置情况，将每种组合状态下的尖峰冷却系统的年费用值进行计算，然后进行比较，年费用值NF最小的方案为最优方案。进而，根据最优方案的尖峰冷却系统的配置确定冷却倍率m、凝汽器面积M、冷却塔格数N、循环水管管径D。在具体的计算中若优选方案中的变量位于边缘，如冷却倍率为最大值或最小值，则从新调整新的冷却倍率方案，增大或减小冷却倍率，再重新比较计算。

本发明在计算前需要搜集已建电厂的设计资料，如，气象资料、空冷岛特性曲线、汽轮机热耗背压曲线(或微增功率曲线)、水资源量。

优化计算时，为了简化计算以及过程结果便于调用，采用“模块化”计算的思路。第六步中包括了机力塔热力计算模块和循环水泵计算模块、第四步是尖峰凝汽器热力及水力计算模块、第五步的年固定分摊费用计算模块、第一步的空冷岛热力计算模块、第七步的年运行费用计算模块等六个模块，各模块之间数据可以交互调用，能够使计算更加方便。

本发明的的优化方法进行计算得出的设备配置更加合理，机组运行经济性良好。

Claims (5)

1.一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，其特征在于：设定Q0为汽轮机100％负荷时的凝汽量，Q1为进入空冷岛内的凝汽量，Q2为进入尖峰凝汽器中的凝汽量，Q0＝Q1+Q2；具体包括以下步骤，

第一步，根据空冷岛特性曲线得到空冷岛背压与环境温度、凝汽量的关系函数为P(Q1，θ)，其中Q1为进入空冷岛中的凝汽量，θ为环境的干球温度；

第二步，根据汽轮机的微增功率曲线，得到汽轮机发电出力H与空冷岛背压P的函数关系，即H(P)；

第三步，根据气象数据，得到尖峰系统运行的所对应的干球温度T1，T2，T3……Tn，以及各温度所对应的运行时长t1，t2，t3……tn；

第四步，设定尖峰冷却系统中与系统性能相关的变量，所述变量包括凝汽器面积M、进入凝汽器的最大凝汽量对应的冷却倍率m、循环水管管径D、冷却塔格数N；

第五步，计算尖峰冷却系统配置的初投资，包括以下计算内容，

1)、计算凝汽器的年固定分摊费用值，NF1＝a1×M×AFCR1；

式中，NF1为凝汽器的年费用值，

a为凝汽器面积单价

M为凝汽器面积，AFCR1为凝汽器的年固定分摊率；

2)、计算循环水泵的年固定分摊费用值，NF2＝a2×Q2×m×AFCR2；

式中，NF2为循环水泵的年费用值，

a2为循环水泵水量单价，

Q2为凝汽量，m为冷却倍率，

AFCR2为循环水泵的年固定分摊率；

3)、计算循环水管道的年固定分摊费用值，NF3＝a3×L×AFCR3；

式中，NF3为循环水管道的年费用值，

a3为循水管道单价，

L为循环水管道长度，

AFCR3为循环水管道的年固定分摊率；

4)、计算机力塔的年固定分摊费用值，NF4＝a4×N×AFCR4；

式中，NF4为机力塔的年费用值，

a4为机力塔的单价，

L为循环水管道长度，

AFCR4为冷却塔的年固定分摊率；

第六步，计算整个尖峰系统的运行费用μa，系统整体的运行费用μa＝(XBGL+LQTGL－WZCL)×E，

式中，E为成本电价，XBGL为循环水泵的电耗，LQTGL为机力塔的电耗，WZCL为机组的微增出力；

循环水泵的电耗XBGL是尖峰凝汽量Q2、冷却倍率m、循环水管径D、凝汽器面积M、循环水泵台数TS、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系式记为XBGL＝XBGL(Q2，m，D，M，TS，h)；

机力塔的电耗LQTGL是尖峰凝汽量Q2、冷却倍率m、干球温度θ、相对湿度ψ、大气压力Ps、出塔水温tc、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系式记为LQTGL＝LQTGL(Q2，m，θ，ψ，Ps，tc，h)；

机组的微增出力WZCL是尖峰凝汽量Q2，冷却倍率m，凝汽器面积M，干球温度θ，相对湿度ψ，大气压力Ps，出塔水温tc、尖峰系统运行小时数h的函数，函数关系为WZCL＝WZCL(Q2，m，M，θ，ψ，Ps，tc，h)；

其中的尖峰系统运行小时数是从第三步中的到的；

第七步，计算尖峰系统的年费用值NF，年费用值NF最小的方案为最优方案，根据最优方案的尖峰冷却系统的配置确定冷却倍率m、凝汽器面积M、冷却塔格数N、循环水管管径D；其中，年费用值NF＝NF1+NF2+NF3+NF4+μa。

2.根据权利要求1所述的一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，其特征在于：第一步中空冷岛背压计算分为，

当空冷岛风机100％转速时，P1(Q1，θ)；

当空冷岛风机75％转速时，P2(Q1，θ)。

3.根据权利要求1所述的一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，其特征在于：第三步中，T1，T2，T3……Tn之间的温度差值为1℃，t1，t2，t3……tn各温度所对应的运行时长以小时为单位。

4.根据权利要求1所述的一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，其特征在于：第四步中的凝汽器面积M共设定n1个值，进入凝汽器的最大凝汽量对应的冷却倍率m设置n2个值，循环水管管径D设置n3个值，冷却塔格数N设置n4个。

5.根据权利要求4所述的一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法，其特征在于：n1的数值范围为2～5，m的数值范围为2～5，n2的数值范围为1～3，n3的数值范围为1～3。