CN110032155A - 一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，包括海水温度、潮汐水位在线测量与信号传输装置，用于实时测量海水温度和潮汐水位，并将测量的数据传输至数据分析模块；机组的主要运行数据采集与信号传输装置，用于实时采集SIS系统中的运行数据；数据分析模块，用于接收、存储、处理外部数据包括坏值判断、剔除功能；数据分析模块根据实时测量海水温度、潮汐水位和从SIS系统采集的机组运行数据，通过海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块和海水直流冷却水系统优化运行计算模块，分析、计算得循环水泵的最佳运行台数和转速；结果展示界面，用于向用户显示测量或监测的海水直流冷却水系统运行数据、性能参数，以及循环水泵的最佳运行方式。

Description

一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统
技术领域
本发明属于电站冷却系统领域，具体涉及一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，使得火电厂汽轮机冷却水系统在不同机组负荷、海水潮汐水位、和海水温度下的循环水泵运行方式(运行台数、转速)达到最佳。
背景技术
火电厂冷却水系统的优化运行是降低机组发电煤耗的一个重要环节，也是目前火电机组推行节能降耗运行的最具潜力的技术途径。火电厂冷却水系统的优化运行实则是循环水泵的优化运行，优化变量即循环水泵的运行方式。在火电厂冷却水系统中，循环水泵的耗电量很大，约可达电厂总发电量的1％～1.5％，甚至更大。同时，循环水泵运行方式的不同，会影响机组背压，进而影响机组的经济性。海水直流冷却水系统是一种以海水为水源的直流冷却水系统，它的运行边界条件包括：机组负荷、海水水温、潮汐水位和循环水泵运行方式。对于带海水直流冷却水系统的火电厂，根据机组负荷、海水水温和潮汐水位的变化，及时调整循环水泵运行方式，实现循环水泵优化运行，保证凝汽器在最佳真空下工作，对降低电厂用电率、促进节能降耗、提高机组经济性具有重要的意义。
现有文献资料主要针对带定速泵的海水直流冷却水系统的优化运行进行研究。对于定速泵，由于它无法采用变转速的方式实现冷却水流量的连续调节，电厂运行人员只能通过改变循环水泵组合运行方式对冷却水流量进行调节。因此，为了更好的将现有定速泵的循环水泵优化运行模型和方法等研究成果应用于实际电厂的循环水泵优化运行，黄新元提出了绘制“等效益曲线”法，即：设定不同的机组负荷和凝汽器进口水温，基于凝汽器变工况数学模型及循环水泵优化运行目标函数，确定循环水泵运行方式变换的等效益点，由此绘制出可直接划分循环水泵最优运行方式切换区间的等效益曲线，并利用该曲线指导实际电厂的循环水泵优化运行。但是，基于凝汽器变工况特性的循环水泵优化运行，存在着明显的技术缺陷。例如，在海水直流冷却水系统运行过程中，冷却水流量受到循环水泵冷却水进口处潮汐水位波动的影响。因此，在机组负荷和凝汽器进口水温一定的情况下，利用凝汽器变工况特性，由优化运行目标函数进行经济对比计算确定循环水泵最优运行方式的方法是不全面的，甚至是错误的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以机组负荷、海水温度和潮汐水位来优化海水直流冷却水系统运行的指导系统，以精确指导带定速式或变频式循环水泵(运行台数、转速)的海水直流冷却水系统的优化运行，实现机组的高效运行。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，包括：
海水温度、潮汐水位在线测量与信号传输装置，用于实时测量海水温度和潮汐水位，并将测量的数据传输至数据分析模块；
机组的主要运行数据采集与信号传输装置，用于实时采集SIS系统中的运行数据，包括汽轮机功率、凝汽器背压、冷却水进、出口水温系统运行数据，并将数据传输至数据分析模块；
数据分析模块包括海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块和海水直流冷却水系统优化运行计算模块，用于接收、存储、处理外部数据包括坏值判断、剔除功能；数据分析模块根据实时测量海水温度、潮汐水位和从SIS系统采集的机组运行数据，通过海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块和海水直流冷却水系统优化运行计算模块，分析、计算得循环水泵的最佳运行台数和转速；
结果展示界面，用于向用户显示测量或监测的海水直流冷却水系统运行数据、海水直流冷却水系统的性能参数、循环水泵的最佳运行方式。
本发明进一步的改进在于，海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块包括循环水泵水力计算模块、凝汽器性能计算模块和汽轮机微增功率计算模块；其中，
循环水泵水力计算模块，用于根据潮汐水位、循环水泵的运行台数、转速和通过试验确定得出的循环水泵特性曲线和系统阻力特性曲线准确计算系统冷却水量、系统水阻、循环水泵效率和循环水泵耗电功率；
凝汽器性能计算模块，用于根据海水温度、系统冷却水量和通过试验确定得出的凝汽器特性，计算凝汽器变工况下的凝汽器压力；
汽轮机微增功率计算模块，用于根据凝汽器背压和机组功率，和通过试验确定得出的汽轮机微增功率曲线，精确计算汽轮机微增功率。
本发明进一步的改进在于，海水直流冷却水系统优化运行计算模块，用于根据机组负荷、海水温度和潮汐水位，通过海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块的计算结果，比较各种循环水泵运行方式下的机组净收益功率，即相比与当前工况，机组增加的微增功率与循环水泵增加的耗电功率的差值，优选出最佳的循环水泵的运行台数、转速。
本发明进一步的改进在于，海水直流冷却水系统包括：凝汽器、循环水泵、冷却水系统管道以及阀门。
本发明进一步的改进在于，数据输入与结果展示的界面装置包括液晶显示屏、键盘和鼠标。
本发明进一步的改进在于，海水温度、潮汐水位的在线测量与信号传输装置为水温和水位的实时记录采集仪器。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，通过海水温度、潮汐水位的在线测量与信号传输装置实时获取海水温度和潮汐水位，并从电厂厂级监控信息系统SIS获取机组的运行信息，根据当前机组的运行边界条件，通过建立的循环水泵-凝汽器-汽轮机各设备的性能关系模块，精确计算出循环水泵的最佳运行台数、转速，指导电厂的优化运行。本发明改变了传统的仅以机组负荷、凝汽器进口水温为运行边界条件的优化运行模式，充分考虑潮汐水位的影响，进一步提高了海水直流冷却水系统优化运行方案的准确性，也提高了机组的经济运行水平和企业效益。
附图说明
图1为火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统的结构示意图。
图2为火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统中数据分析模块的结构示意图。
图3为火电厂海水直流冷却水系统运行优化计算流程图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明专利作详细的介绍：
如图1所示，本发明提供的火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，包括：
海水温度、潮汐水位在线测量与信号传输装置1，用于实时测量海水温度和潮汐水位，并将数据传输至数据分析模块3。
机组的主要运行数据采集与信号传输装置2，用于实时采集SIS系统(即火电厂厂级监控信息系统(Supervisory Information System))中的主要运行数据，并将数据传输至数据分析模块3。
实时采集SIS系统中主要运行数据的目的是用以确定机组的负荷率，并监测海水直流冷却水系统的运行情况。一部分需要用的机组运行数据包括：汽轮机功率、凝汽器背压、冷却水进、出口水温、循环水泵运行转速、台数、循环水泵电机电流等。
海水直流冷却水系统包括：凝汽器、循环水泵、冷却水系统管道以及阀门。
数据分析模块3，用于外部数据的接收、存储、和处理，并对数据进行坏值判断、剔除等功能，防止数据失真导致的优化结果报错。
数据分析模块3根据实时测量海水温度、潮汐水位和从SIS系统采集的机组信息，根据当前机组的运行边界条件，通过建立的循环水泵-凝汽器-汽轮机各设备的性能关系模块，精确计算出循环水泵的最佳运行台数、转速。
结果展示界面4，用于向用户显示机组在当前运行边界条件下的循环水泵最佳运行台数、转速和海水直流冷却水系统的主要运行参数。
结果展示界面4可以为液晶显示屏、键盘和鼠标。
数据分析模块3包括了图2所示的海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块(具体包括循环水泵水力计算模块3A、凝汽器性能计算模块3B、汽轮机微增功率计算模块3C)和海水直流冷却水系统优化运行计算模块3D。
循环水泵水力计算模块3A用于根据潮汐水位和循环水泵运行方式(台数、转速)，并根据试验确定得出的循环水泵特性曲线和系统阻力特性曲线准确计算系统冷却水量、系统水阻、循环水泵效率和循环水泵耗电功率。当循环水泵运行方式(台数、转速)不同时，有不同的循环水泵性能曲线。对于海水直流冷却水系统，在一定的系统阻力系数下，系统阻力特性曲线取决于系统静扬程；系统静扬程等于吸水井水位和虹吸井堰顶水位之差，其中吸水井水位可近视为潮汐水位；如不考虑虹吸井堰顶水位的变化，则系统阻力特性曲线取决于海水水位，因此，冷却水流量可表示为：
Q＝f(Np，n，Hsw)
式中：Q为冷却水流量，t/h；Np为循环水泵运行台数；n为循环水泵转速，r/min；Hsw为潮汐水位，m。
循环水泵的扬程等于系统水阻。根据冷却水流量、循环水泵扬程计算得循环水泵的耗电功率为：
式中：ρ为冷却水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为循环水泵扬程，m；ηp为循环水泵效率；ηe为电机效率。
凝汽器性能计算模块3B用于根据海水温度、冷却水流量、凝汽器热负荷，进行凝汽器变工况计算，计算得到相应的凝汽器压力和冷却水出口水温。
凝汽器性能计算模块3B中的凝汽器热负荷由汽轮机微增功率曲线试验时确定；通过试验，确定不同机组负荷下的凝汽器热负荷。
凝汽器压力的由纪利于1939年发表的纪利公式计算，即：
式中：pk为凝汽器压力，kPats为凝汽器压力对应的饱和水蒸气温度，℃。
凝汽器压力对应的饱和水蒸气温度可由下式求得：
ts＝tc1+Δt+δt
式中：Δt为冷却水温升，℃；δt为传热端差，℃。
凝汽器传热端差是考核凝汽器换热效果的重要指标，直接影响机组经济性，其计算公式为：
式中：K为总体传热系数，W/(m2·℃)；Ac为凝汽器总有效冷却面积，m2；cw为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)；Q为冷却水流量，m3/s。
凝汽器总体传热系数的计算采用美国传热学会的经验公式，即：
K＝K1·Kw·Km·Kc
式中：K1为未修正的传热系数，W/(m2·℃)；Kw为凝汽器进口水温修正系数；Km为管材修正系数；Kc为清洁系数。
冷却水吸收凝汽器内蒸汽凝结放出的热量，温度升高。冷却水温升计算公式为：
式中：Wc为凝汽器内冷却水的吸热量，kW。
汽轮机微增功率计算模块3C为根据机组负荷和凝汽器压力，并根据试验确定得出的汽轮机微增功率曲线求解得，因为微增功率可表示为：
Pt＝f(pk,U)
式中：pk为凝汽器压力，kPa；U为机组负荷，kW。
海水直流冷却水系统优化运行计算模块3D用于对比不同循环水泵运行台数、循环水泵转速下的机组净收益功率(相比于当前工况，机组增加的微增功率与循环水泵增加的耗电功率之差)，优选出最佳的循环水泵的运行方式。优化模型的目标函数可表示为：
式中：ΔP为机组净收益功率，kW；ΔPt为机组增加的微增功率，kW；ΔPpi为机组第i台循环水泵增加的耗电功率，kW；i＝1,2,3…n；n为循环水泵台数。
如图3所示，整个海水直流冷却水系统运行优化流程按照以下步骤进行：
第一步，在当前机组负荷、海水温度、潮汐水位和循环水泵运行方式下，根据海水直流冷却水系统变工况特性计算，获取当前工况下的汽轮机微增功率和循环水泵耗电功率。
第二步，以当前工况为基准，比较不同循环水泵运行方式(运行台数和转速)下，机组增加的微增功率与循环水泵增加的耗电功率之差，即机组的净收益功率。机组的净收益功率为最大值时，则相应的循环水泵运行方式(运行台数和转速)为当前机组负荷、海水温度和潮汐水位下的最优运行方式。该最优的循环水泵运行方式充分考虑潮汐水位的影响，进一步提高了海水直流冷却水系统优化运行方案的准确性，真正达到了机组的高效优化运行。

Claims (6)

1.一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，其特征在于，包括：
海水温度、潮汐水位在线测量与信号传输装置，用于实时测量海水温度和潮汐水位，并将测量的数据传输至数据分析模块；
机组的主要运行数据采集与信号传输装置，用于实时采集SIS系统中的运行数据，包括汽轮机功率、凝汽器背压、冷却水进、出口水温系统运行数据，并将数据传输至数据分析模块；
数据分析模块包括海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块和海水直流冷却水系统优化运行计算模块，用于接收、存储、处理外部数据包括坏值判断、剔除功能；数据分析模块根据实时测量海水温度、潮汐水位和从SIS系统采集的机组运行数据，通过海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块和海水直流冷却水系统优化运行计算模块，分析、计算得循环水泵的最佳运行台数和转速；
结果展示界面，用于向用户显示测量或监测的海水直流冷却水系统运行数据、海水直流冷却水系统的性能参数、循环水泵的最佳运行方式。
2.根据权利要求1所述的一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，其特征在于，海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块包括循环水泵水力计算模块、凝汽器性能计算模块和汽轮机微增功率计算模块；其中，
循环水泵水力计算模块，用于根据潮汐水位、循环水泵的运行台数、转速和通过试验确定得出的循环水泵特性曲线和系统阻力特性曲线准确计算系统冷却水量、系统水阻、循环水泵效率和循环水泵耗电功率；
凝汽器性能计算模块，用于根据海水温度、系统冷却水量和通过试验确定得出的凝汽器特性，计算凝汽器变工况下的凝汽器压力；
汽轮机微增功率计算模块，用于根据凝汽器背压和机组功率，和通过试验确定得出的汽轮机微增功率曲线，精确计算汽轮机微增功率。
3.根据权利要求2所述的一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，其特征在于，海水直流冷却水系统优化运行计算模块，用于根据机组负荷、海水温度和潮汐水位，通过海水直流冷却水系统的变工况特性计算模块的计算结果，比较各种循环水泵运行方式下的机组净收益功率，即相比与当前工况，机组增加的微增功率与循环水泵增加的耗电功率的差值，优选出最佳的循环水泵的运行台数、转速。
4.根据权利要求1所述的一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，其特征在于，海水直流冷却水系统包括：凝汽器、循环水泵、冷却水系统管道以及阀门。
5.根据权利要求1所述的一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，其特征在于，数据输入与结果展示的界面装置包括液晶显示屏、键盘和鼠标。
6.根据权利要求1所述的一种火电厂海水直流冷却水系统运行优化指导系统，其特征在于，海水温度、潮汐水位的在线测量与信号传输装置为水温和水位的实时记录采集仪器。
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