CN113340127B - 带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法 - Google Patents

带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法 Download PDF

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CN113340127B CN202110582139.1A CN202110582139A CN113340127B CN 113340127 B CN113340127 B CN 113340127B CN 202110582139 A CN202110582139 A CN 202110582139A CN 113340127 B CN113340127 B CN 113340127B
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/003—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus specially adapted for cooling towers

Abstract

本发明公开了一种带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，包括如下步骤：建立凝汽器热力模型；建立循环水泵热力模型，通过试验得出在不同循环水泵运行方式下循环冷却水流量与循环水泵的耗功的关系；建立机力通风冷却塔热力模型，通过试验得出在不同冷却塔风机运行方式下，冷却塔入口空气流量与风机的耗功的关系；冷端系统优化，针对循环水泵与冷却塔风机的组合方式，确定循环冷却水出水温度、循环冷却水进水温度及凝汽器背压，比较各种组合方式下功率变化值与冷端系统耗功的差值。本发明通过对凝汽器、机力通风冷却塔的变工况分析，获得冷端系统耗功参数和机组出力的参数，寻求最佳的冷端系统运行方式以获得机组净出力最大值。

Description

带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法
技术领域
本发明涉及发电机组节能降耗领域，具体涉及一种带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法。
背景技术
发电机组中的联合循环发电、垃圾焚烧发电和生物质发电等机组的冷端系统一般包含汽轮机的低压缸、凝汽器、循环水泵以及逆流式机力通风冷却塔，具体布置参见图1。随着节能降耗形势的日益紧迫，国内外诸多电厂都开始对发电循环中的冷端系统进行优化改造。冷端系统优化应该在综合考虑冷端系统自身耗能和汽轮机出力的基础上，来确定最佳的冷端系统运行方式，从而达到机组供电煤耗率最小。现有的冷端系统优化方法一般仅对循环水泵的运行方式进行调整，不能综合凝汽器、循环水泵以及逆流式机力通风冷却塔进行全面考量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，通过对凝汽器、机力通风冷却塔的变工况分析，获得冷端系统耗功参数和机组出力的参数，寻求最佳的冷端系统运行方式以获得机组净出力最大值。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，包括如下步骤：
S1，建立凝汽器热力模型
该凝汽器热力模型包括热平衡方程和凝汽器传热方程，根据热平衡方程、凝汽器传热方程以及排汽和凝结水之间的平均传热温差计算公式，得到关于凝汽器压力对应饱和水温度的凝汽器变工况计算方法；
S2，建立循环水泵热力模型
通过试验得出在不同循环水泵运行方式下凝气器所获得的循环冷却水流量与对应循环水泵的耗功的关系；
S3，建立机力通风冷却塔热力模型
该机力通风冷却塔热力模型包括逆流式冷却塔热力计算基本方程，基于逆流式冷却塔热力计算基本方程，在循环冷却水出水温度已知以及环境条件一定的条件下，获得循环冷水进水温度的计算方法；
通过试验得出在不同数量冷却塔风机运行方式下，冷却塔入口空气流量与对应风机的耗功的关系；
S4，冷端系统优化
a)设计循环水泵与冷却塔风机的组合方式，并通过试验获得不同组合方式对应的循环冷却水流量、冷却塔入口空气流量以及冷却塔的气水比；
b)针对每个组合方式，在一定的环境条件下，假设循环冷却水出水温度，依据建立的机力通风冷却塔热力模型，得到循环冷却水进水温度；基于该循环冷却水进水温度，并依据建立的凝汽器热力模型，计算得到循环冷却水出水温度和凝汽器压力对应饱和水温度，完成第一步迭代计算；将计算得到的循环冷却水出水温度代入机力通风冷却塔热力模型，按照上述步骤，依据机力通风冷却塔热力模型和凝汽器热力模型重复迭代计算，直至在同一步迭代计算中，代入机力通风冷却塔热力模型的循环冷却水出水温度与依据凝汽器热力模型得到的循环冷却水出水温度相等，最终确定循环冷却水出水温度、循环冷却水进水温度、凝汽器压力对应饱和水温度，根据凝汽器压力对应饱和水温度获得凝汽器背压；
c)选择各种组合方式下背压计算最高值为基准，根据背压对功率修正曲线，获得功率变化值，并根据得到的循环冷却水流量与对应循环水泵的耗功的关系以及冷却塔入口空气流量与对应风机的耗功的关系，确定各种组合方式对应的循环水泵的耗功以及风机的耗功，循环水泵的耗功与风机的耗功之和即为冷端系统耗功；
d)比较各种组合方式下功率变化值与冷端系统耗功的差值，差值越大，则冷端系统的运行方式更优。
进一步的，步骤S1中的热平衡方程如式(1)所示：
Q＝Gw×Cp×(tw2-tw1) (1)
式(1)中：Q为凝汽器热负荷，Gw为循环冷却水流量，Cp为循环冷却水平均水温下比热，tw1为循环冷却水进水温度，tw2为循环冷却水出水温度；
凝汽器传热方程如式(2)所示：
Figure BDA0003086374940000031
式(2)中：A为冷却水管外表面总面积，K为凝汽器的总传热系数，Δtm为排汽和凝结水之间的平均传热温差；
平均传热温差计算公式如式(3)所示：
Figure BDA0003086374940000041
式(3)中，ts为凝汽器压力对应的饱和水温度；
由式(1)～(3)得到关于凝汽器压力对应饱和水温度的凝汽器变工况计算方法，如式(4)和式(5)所示；
凝汽器变工况计算：
Figure BDA0003086374940000042
Figure BDA0003086374940000043
凝汽器的总传热系数由以下式(6)和式(7)得到：
KHEI＝K0βtβm (6)
式(6)中，KHEI为HEI总体传热系数，K0为基本传热系数，βt为冷却水温度修正系数，βm为冷却管材质和壁厚修正系数；
Figure BDA0003086374940000044
式(7)中，βc为管束清洁度系数。
进一步的，步骤S3中，采用积分法获得该逆流式冷却塔热力计算基本方程中的冷却数计算方法，然后在循环冷却水出水温度已知以及一定的环境条件下，设定不同的循环冷却水进水温度，重复调用冷却数计算过程，求得对应的冷却数，并得到冷却数与循环冷却水进水温度的关系，配合逆流式冷却塔热力计算基本方程中的特性数，获得循环冷却水进水温度；
进一步的，步骤S3中的逆流式冷却塔热力计算基本方程如式(8)所示：
Figure BDA0003086374940000051
式(8)中，Udv为容积散质系数，V为冷却塔淋水填料体积，U为考虑蒸发水量的流量系数，hw为某一水温下的饱和空气焓，h为某一水温下的空气焓；
式(8)的右端定义为冷却数：
Figure BDA0003086374940000052
式(9)中，L为冷却数，表征冷却负荷的大小，tw为水温；
式(8)的左端定义为特性数：
Figure BDA0003086374940000053
式(10)中，a和m为淋水填料的试验常数，λ为冷却塔的气水比；
Figure BDA0003086374940000054
Figure BDA0003086374940000055
Tw＝tw+273.15 (13)
Figure BDA0003086374940000056
Figure BDA0003086374940000057
式(11)～(15)中，ps为饱和蒸汽分压，p为当地大气压力，h1为冷却塔进口处的空气焓。
进一步的，其中的冷却数的计算采用辛普森积分法。
本发明的有益效果：
本发明通过建立凝汽器热力模型、循环水泵热力模型和机力通风冷却塔热力模型，以及对凝汽器、机力通风冷却塔的变工况分析，综合考虑凝汽器、循环水泵以及逆流式机力通风冷却塔相关参数，获得冷端系统耗功参数和机组出力的参数，寻求最佳的冷端系统运行方式以获得机组净出力最大值，使供电煤耗率达到最低。
附图说明
图1为发电机组冷端系统配置图。
图2为本发明带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法的流程示意图。
图3为排汽压力对功率的修正曲线图。
图1中，1：汽轮机，2：发电机；3：凝汽器；4：循环水泵；5：机力通风冷却塔。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，包括如下步骤：
S1，建立凝汽器热力模型
该凝汽器热力模型包括热平衡方程和凝汽器传热方程，根据热平衡方程、凝汽器传热方程以及排汽和凝结水之间的平均传热温差计算公式，得到关于凝汽器压力对应饱和水温度的凝汽器变工况计算方法；
热平衡方程如式(1)所示：
Q＝Gw×Cp×(tw2-tw1) (1)
式(1)中：Q为凝汽器热负荷，Gw为循环冷却水流量，Cp为循环冷却水平均水温下比热，tw1为循环冷却水进水温度，tw2为循环冷却水出水温度；
凝汽器传热方程如式(2)所示：
Q＝AKΔtm (2)
式(2)中：A为冷却水管外表面总面积，K为凝汽器的总传热系数，Δtm为排汽和凝结水之间的平均传热温差；
平均传热温差计算公式如式(3)所示：
Figure BDA0003086374940000071
式(3)中，ts为凝汽器压力对应的饱和水温度；
由式(1)～(3)得到关于凝汽器压力对应饱和水温度的凝汽器变工况计算方法，如式(4)和式(5)所示；
凝汽器变工况计算：
Figure BDA0003086374940000081
Figure BDA0003086374940000082
凝汽器的总传热系数由以下式(6)和式(7)得到：
KHEI＝K0βtβm (6)
式(6)中，KHEI为HEI总体传热系数，K0为基本传热系数，βt为冷却水温度修正系数，βm为冷却管材质和壁厚修正系数；
Figure BDA0003086374940000083
式(7)中，βc为管束清洁度系数。
S2，建立循环水泵热力模型
通过试验得出在不同循环水泵运行方式下凝气器所获得的循环冷却水流量与对应循环水泵的耗功的关系；
通过凝汽器变工况计算还可推出机组在不同循环冷却水温度，不同负荷时的凝汽器背压与循环冷却水流量的关系；
S3，建立机力通风冷却塔热力模型
该机力通风冷却塔热力模型包括逆流式冷却塔热力计算基本方程，基于逆流式冷却塔热力计算基本方程，在循环冷却水出水温度已知以及环境条件一定的条件下，获得循环冷却水进水温度的计算方法；
具体的，采用积分法获得该逆流式冷却塔热力计算基本方程中的冷却数计算方法，然后在循环冷却水出水温度已知以及一定的环境条件下，设定不同的循环冷却水进水温度，重复调用冷却数计算过程，求得对应的冷却数，并得到冷却数与循环冷却水进水温度的关系，配合逆流式冷却塔热力计算基本方程中的特性数，获得循环冷却水进水温度；
逆流式冷却塔热力计算基本方程如式(8)所示：
Figure BDA0003086374940000091
式(8)中，Udv为容积散质系数，V为冷却塔淋水填料体积，U为考虑蒸发水量的流量系数，hw为某一水温下的饱和空气焓，h为某一水温下的空气焓；
式(8)的右端定义为冷却数：
Figure BDA0003086374940000092
式(9)中，L为冷却数，表征冷却负荷的大小，tw为水温；
式(8)的左端定义为特性数：
Figure BDA0003086374940000093
式(10)中，a和m为淋水填料的试验常数，λ为冷却塔的气水比；
Figure BDA0003086374940000094
Figure BDA0003086374940000095
Tw＝tw+273.15 (13)
Figure BDA0003086374940000096
Figure BDA0003086374940000101
式(11)～(15)中，ps为饱和蒸汽分压，p为当地大气压力，h1为冷却塔进口处的空气焓。
其中，冷却数L的计算采用辛普森积分法；
通过试验得出在不同数量冷却塔风机运行方式下，冷却塔入口空气流量与对应风机的耗功的关系；
S4，冷端系统优化
常规的带有自然通风冷却塔的火电机组冷端优化方法，无需考虑冷却塔的耗功，试验边界为循环冷却水的入口温度，边界较简单，最终的目的是在一定的机组负荷下，得出不同循环冷却水温度下最佳的循环水泵运行方式；
带有机力通风冷却塔的发电机组冷端优化方法，需要考虑冷却塔的耗功，试验边界为大气参数(大气温度、大气湿度和大气压力)，最终的目的是在一定的机组负荷下，得出不同的大气参数下循环水泵和冷却塔风机的最佳组合运行方式；
具体的冷端系统优化步骤如下：
a)设计循环水泵与冷却塔风机的组合方式，并通过试验获得不同组合方式对应的循环冷却水流量、冷却塔入口空气流量以及冷却塔的气水比；
b)针对每个组合方式，在一定的环境条件(一定的大气压力、大气干球温度和大气湿度)下，假设循环冷却水出水温度(冷却塔进口水温)，依据建立的机力通风冷却塔热力模型，得到循环冷却水进水温度(冷却塔出口水温)；基于该循环冷却水进水温度，并依据建立的凝汽器热力模型，计算得到循环冷却水出水温度和凝汽器压力对应饱和水温度，完成第一步迭代计算；将计算得到的循环冷却水出水温度代入机力通风冷却塔热力模型，按照上述步骤，依据机力通风冷却塔热力模型和凝汽器热力模型重复迭代计算，直至在同一步迭代计算中，代入机力通风冷却塔热力模型的循环冷却水出水温度与依据凝汽器热力模型得到的循环冷却水出水温度相等，最终确定循环冷却水出水温度、循环冷却水进水温度、凝汽器压力对应饱和水温度，根据凝汽器压力对应饱和水温度获得凝汽器背压；
c)选择各种组合方式下背压计算最高值为基准，根据背压对功率修正曲线(该曲线可以采用设备商提供的修正曲线，也可以通过微增出力试验得到)，获得功率变化值ΔN，并根据得到的循环冷却水流量与对应循环水泵的耗功的关系以及冷却塔入口空气流量与对应风机的耗功的关系，确定各种组合方式对应的循环水泵的耗功Np以及风机的耗功Fp，循环水泵的耗功与风机的耗功之和即为冷端系统耗功；
d)比较各种组合方式下功率变化值与冷端系统耗功的差值，即机组净出力值，差值越大，则冷端系统的运行方式更优；
OUT＝ΔN-NP-FP；
式中，OUT为机组净出力；
不同的组合方式，OUT值不同，当OUT值为最大值时，对应的组合方式为最佳，供电煤耗率最低。
实施例
以某电厂200MW级燃气-蒸汽联合循环发电机组、大气干球温度为31.1℃、湿球温度为27.1℃、大气压力为99.3kPa为例，该机组冷端系统由1台凝汽器、4台相同型号的循环水泵、6台相同型号的冷却塔风机组成，循环水泵为工频运行，风机无低速运行模式。凝气器数据如表1所示。
表1凝气器数据
Figure BDA0003086374940000121
此外，HEI总体传热系数计算公式中的修正系数可通过查表或查图得到。
依据循环水泵和风机的设备类型，组合方式共计24种，常规的运行模式为4台循环水泵和6台风机、3台循环水泵和5台风机、2台循环水泵和4台风机。
试验得出的循环水泵台数和循环冷却水流量关系如表2所示；风机为并列方式布置，冷却塔入口空气流量与风机数目成正比，冷却塔数据如表3所示；
表2循环水泵数据
Figure BDA0003086374940000131
表3机力通风冷却塔数据
Figure BDA0003086374940000132
由表2，表3可知，三种常规运行模式下的冷却塔气水比分别为0.751、0.736、0.834。
假设循环冷却水出水温度(冷却塔进口水温)为40℃，依据建立的逆流式机力通风冷却塔热力模型，求得三种常规运行模式下的循环冷却水进水温度(冷却塔出口水温)分别为31.95℃、32.04℃、31.49℃。
将计算得出的循环冷却水进水温度，依据建立的凝汽器热力模型，求出循环冷却水出水温度(即冷却塔进口水温)分别为41.0℃、42.2℃、45.8℃，凝汽器压力对应饱和水温度分别为41.4℃、42.7℃、46.2℃，凝汽器背压为7.96kPa，8.48kPa，10.19kPa；将循环冷却水出水温度代入机力通风冷却塔热力模型，计算得出的循环冷却水进水温度，再代入凝汽器热力模型求得循环冷却水出水温度，如此重复迭代计算，直至在同一步迭代计算中，代入机力通风冷却塔热力模型的循环冷却水出水温度与依据凝汽器热力模型得到的循环冷却水出水温度相等，最终确定循环冷却水出水温度、循环冷却水进水温度、凝汽器压力对应饱和水温度，根据凝汽器压力对应饱和水温度获得凝汽器背压；常规运行模式下的最终结果如表4所示。
表4常规运行模式下的最终结果
Figure BDA0003086374940000141
注：组合方式第一个数字表示循环水泵运行台数，第二个数字表示风机运行台数。
根据图3所示的排汽压力对功率的修正曲线(注：排汽压力即为凝汽器背压)，即可获得功率变化值，结果如表5所示。
计算三种常规组合方式下功率变化值与冷端系统耗功的差值，结果见表5，由表5可知，在当前的大气参数下，采用4台循环水泵和6台风机的运行模式，机组净出力最大，经济性最优，相比于2台循环水泵和4台风机的运行模式，机组净出力增大8434kW。
表5汽轮机出力变化值与净出力计算结果
Figure BDA0003086374940000142
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，建立凝汽器热力模型
该凝汽器热力模型包括热平衡方程和凝汽器传热方程，根据热平衡方程、凝汽器传热方程以及排汽和凝结水之间的平均传热温差计算公式，得到关于凝汽器压力对应饱和水温度的凝汽器变工况计算方法；
S2，建立循环水泵热力模型
通过试验得出在不同循环水泵运行方式下凝气器所获得的循环冷却水流量与对应循环水泵的耗功的关系；
S3，建立机力通风冷却塔热力模型
该机力通风冷却塔热力模型包括逆流式冷却塔热力计算基本方程，基于逆流式冷却塔热力计算基本方程，在循环冷却水出水温度已知以及环境条件一定的条件下，获得循环冷水进水温度的计算方法；
其中，采用积分法获得该逆流式冷却塔热力计算基本方程中的冷却数计算方法，然后在循环冷却水出水温度已知以及一定的环境条件下，设定不同的循环冷却水进水温度，重复调用冷却数计算过程，求得对应的冷却数，并得到冷却数与循环冷却水进水温度的关系，配合逆流式冷却塔热力计算基本方程中的特性数，获得循环冷却水进水温度；
通过试验得出在不同数量冷却塔风机运行方式下，冷却塔入口空气流量与对应风机的耗功的关系；
S4，冷端系统优化
a)设计循环水泵与冷却塔风机的组合方式，并通过试验获得不同组合方式对应的循环冷却水流量、冷却塔入口空气流量以及冷却塔的气水比；
b)针对每个组合方式，在一定的环境条件下，假设循环冷却水出水温度，依据建立的机力通风冷却塔热力模型，得到循环冷却水进水温度；基于该循环冷却水进水温度，并依据建立的凝汽器热力模型，计算得到循环冷却水出水温度和凝汽器压力对应饱和水温度，完成第一步迭代计算；将计算得到的循环冷却水出水温度代入机力通风冷却塔热力模型，按照上述步骤，依据机力通风冷却塔热力模型和凝汽器热力模型重复迭代计算，直至在同一步迭代计算中，代入机力通风冷却塔热力模型的循环冷却水出水温度与依据凝汽器热力模型得到的循环冷却水出水温度相等，最终确定循环冷却水出水温度、循环冷却水进水温度、凝汽器压力对应饱和水温度，根据凝汽器压力对应饱和水温度获得凝汽器背压；
c)选择各种组合方式下背压计算最高值为基准，根据背压对功率修正曲线，获得功率变化值，并根据得到的循环冷却水流量与对应循环水泵的耗功的关系以及冷却塔入口空气流量与对应风机的耗功的关系，确定各种组合方式对应的循环水泵的耗功以及风机的耗功，循环水泵的耗功与风机的耗功之和即为冷端系统耗功；
d)比较各种组合方式下功率变化值与冷端系统耗功的差值，差值越大，则冷端系统的运行方式更优。
2.根据权利要求1所述的带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，其特征在于，
步骤S1中的热平衡方程如式(1)所示：
Q＝Gw×Cp×(tw2-tw1) (1)
式(1)中：Q为凝汽器热负荷，Gw为循环冷却水流量，Cp为循环冷却水平均水温下比热，tw1为循环冷却水进水温度，tw2为循环冷却水出水温度；
凝汽器传热方程如式(2)所示：
Q＝AKΔtm (2)
式(2)中：A为冷却水管外表面总面积，K为凝汽器的总传热系数，Δtm为排汽和凝结水之间的平均传热温差；
平均传热温差计算公式如式(3)所示：
Figure FDA0003886794620000031
式(3)中，ts为凝汽器压力对应的饱和水温度；
由式(1)～(3)得到关于凝汽器压力对应饱和水温度的凝汽器变工况计算方法，如式(4)和式(5)所示；
凝汽器变工况计算：
Figure FDA0003886794620000032
Figure FDA0003886794620000033
凝汽器的总传热系数由以下式(6)和式(7)得到：
KHEI＝K0βtβm (6)
式(6)中，KHEI为HEI总体传热系数，K0为基本传热系数，βt为冷却水温度修正系数，βm为冷却管材质和壁厚修正系数；
Figure FDA0003886794620000041
式(7)中，βc为管束清洁度系数。
3.根据权利要求1所述的带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，其特征在于，步骤S3中的逆流式冷却塔热力计算基本方程如式(8)所示：
Figure FDA0003886794620000042
式(8)中，Udv为容积散质系数，V为冷却塔淋水填料体积，U为考虑蒸发水量的流量系数，hw为某一水温下的饱和空气焓，h为某一水温下的空气焓；
式(8)的右端定义为冷却数：
Figure FDA0003886794620000043
式(9)中，L为冷却数，表征冷却负荷的大小，tw为水温；
式(8)的左端定义为特性数：
Figure FDA0003886794620000044
式(10)中，a和m为淋水填料的试验常数，λ为冷却塔的气水比；
Figure FDA0003886794620000045
Figure FDA0003886794620000046
Tw＝tw+273.15 (13)
Figure FDA0003886794620000051
Figure FDA0003886794620000052
式(11)～(15)中，ps为饱和蒸汽分压，p为当地大气压力，h1为冷却塔进口处的空气焓。
4.根据权利要求3所述的带有逆流式机力通风冷却塔的发电机组冷端系统优化方法，其特征在于，冷却数的计算采用辛普森积分法。
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