CN114647937A - 一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，包括：步骤1，通过性能试验，获取基准工况冷端系统基本参数；步骤2，计算凝汽器过冷度、凝汽器热负荷以及循环水流量；步骤3，根据基准工况(1)下凝汽器热负荷、热井出水温度和机组背压参数计算凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；步骤4，通过改变循环水泵运行台数进行基准工况(2)的性能试验，重复步骤1至步骤4获得不同循环水流量下凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；步骤5，开始进行变工况计算，假设变工况(3)下循环水进水温度，获取不同循泵运行台数对应的循环水流量；步骤6，分别对步骤5得到的多种循环水流量工况进行计算。

Description

一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法
技术领域
本发明属于电站冷却塔性能试验领域，具体涉及一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法。
背景技术
目前，我国大部分火电厂基本都实现了冷端系统的节能优化操作指导，且节能效果明显，属于节能技术监督中必须开展的一项常规工作。联合循环机组冷端系统区别于一般火电厂冷却塔设计的是采用了机力塔方式，冷端系统涉及设备多，运行组合方式灵活，运行节能优化方案也较上述电厂复杂。联合循环电站冷端系统变工况性能的计算可以为冷端系统优化提供数据支撑。在传统的冷端系统变工况计算中，冷却塔及凝汽器侧的换热量需要经过复杂、繁琐的迭代计算，导致传统的冷端系统变工况计算方法并不适用于快速的热力性能分析场景。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，可快速计算不同冷端系统设备运行状态下机组的背压，为联合循环机组冷端系统优化运行提供基础数据。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，包括以下步骤：
步骤1，通过性能试验，获取基准工况(1)下循环水泵功率、机力塔风机功率以及循环水温度、机组背压和热井出水温度冷端系统基本参数；
步骤2，根据基准工况(1)下采集的冷端系统基本参数计算凝汽器过冷度、凝汽器热负荷以及循环水流量；
步骤3，根据基准工况(1)下凝汽器热负荷、热井出水温度和机组背压参数计算凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；
步骤4，通过改变循环水泵运行台数进行基准工况(2)的性能试验，重复步骤1至步骤4获得不同循环水流量下凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；
步骤5，开始进行变工况计算，变工况下循环水泵运行台数和机力塔风机运行台数为已知参数，假设变工况(3)下循环水进水温度，根据变工况(3)下循环水泵的运行台数对应的循环水流量；
步骤6，根据步骤3计算得到的凝汽器总体传热系数和步骤5得到的凝汽器热负荷，分别对步骤5得到的多种循环水流量工况进行计算，计算步骤如下：
步骤6-1，假设凝汽器循环水出水温度；
步骤6-2，根据冷却塔等效换热系数得到冷却塔换热量；
步骤6-3，根据凝汽器总体换热系数计算得到凝汽器端对数平均温差；
步骤6-4，根据凝汽器热平衡得到汽轮机排汽温度和背压；
步骤6-5，根据对数平均温差计算凝汽器循环水出水温度，然后转入步骤6-1；
步骤6-6，重复以上步骤，直到步骤6-5得到的凝汽器循环水出水温度和步骤6-1假设的凝汽器循环水出水温度偏差小于允许值，退出迭代；
步骤6-7，步骤6-6结束后，读取步骤6-4的背压，即为变工况计算结果。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，根据《ASME PTC6-2004汽轮机性能试验规程》中规定的计算方法，计算得到汽轮机排汽焓HL及排汽流量fL和凝汽器过冷度，凝汽器热负荷按以下公式计算：
Q＝fL×(HL-HW_T(Two))
其中，TWO是热井出水温度，HW_T表示焓值计算函数，用于计算给定温度对应的饱和水焓值，计算方法参见国际水和水蒸汽性质学会公布的《水和水蒸汽性质计算公式IWAPS-97》。
本发明进一步的改进在于，循环水流量fW的计算公式为：
Figure BDA0003552040090000031
其中，H1和H2分别为凝汽器进口循环水焓值和凝汽器出口循环水焓值。
本发明进一步的改进在于，凝汽器总体换热系数计算公式如下：
Figure BDA0003552040090000032
其中：A为凝汽器面积，LMTD是凝汽器的对数平均温差，其计算公式为：
Figure BDA0003552040090000033
其中：Th1、Th2分别是高温侧流体的进口和出口温度，Tc1、Tc2分别是凝汽器循环水的进口和出口温度。
本发明进一步的改进在于，冷却塔的换热量与凝汽器热负荷相等，将冷却塔近似为一个换热器，则其等效换热系数为：
Figure BDA0003552040090000034
其中：A2为冷却塔换热面积，LMTD2是冷却塔的对数平均温差，其计算公式为：
Figure BDA0003552040090000035
其中：Tht1、Tht2分别是冷却塔进口和出口循环水温度，Tct1、Tct2分别是冷却塔进口和出口空气温度。
本发明进一步的改进在于，考虑到凝汽器热负荷远大于循环水泵功率，循环水泵导致的循环水温升忽略，因此近似认为：
Tc1＝Tht2
Tc2＝Tht1。
本发明进一步的改进在于，变工况计算时，根据循环水泵运行台数，确定循环水流量
Figure BDA0003552040090000045
假设变工况(3)下凝汽器循环水出水温度TC2与基准工况(1)相同，进而得到冷却塔的等效换热系数，则冷却塔的换热量根据以下公式计算：
Figure BDA0003552040090000041
上式中LMTD2未知，先计算LMTD2，进而求出凝汽器循环水进水温度；
因为凝汽器热负荷和冷却塔散热量相等，则根据以下公式计算凝汽器端的对数平均温差：
Figure BDA0003552040090000042
根据凝汽器过冷度得到热井出水温度，变工况下的汽轮机排气量已知，根据热平衡得到汽轮机的排汽焓；
Figure BDA0003552040090000043
根据水和水蒸汽物性得到汽轮机排汽温度，根据对数平均温差计算公式得到凝汽器循环水出水温度
Figure BDA0003552040090000044
本发明进一步的改进在于，步骤6-6中的允许值为用户根据需要设置，设定0.01K。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，能够简化联合循环机组冷端系统的变工况计算，为快速的冷端系统优化分析提供数据支撑。
附图说明
图1是一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明提供的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，包括以下步骤：
步骤1，通过性能试验，获取基准工况(1)下循环水泵功率、机力塔风机功率以及循环水温度、机组背压、热井出水温度等冷端系统基本参数；
步骤2，根据基准工况(1)下采集的冷端系统基本参数计算凝汽器过冷度、凝汽器热负荷以及循环水流量；
步骤3，根据基准工况(1)下凝汽器热负荷、热井出水温度和机组背压参数计算凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；
步骤4，通过改变循环水泵运行台数进行基准工况(2)的性能试验，重复步骤1至步骤4获得不同循环水流量下凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；
步骤5，开始进行变工况计算，变工况下循环水泵运行台数和机力塔风机运行台数为已知参数，假设变工况(3)下循环水进水温度，根据变工况(3)下循环水泵的运行台数对应的循环水流量；
步骤6，根据步骤3计算得到的凝汽器总体传热系数和步骤5得到的凝汽器热负荷，分别对步骤5得到的多种循环水流量工况进行计算，计算步骤如下：
步骤6-1，假设凝汽器循环水出水温度；
步骤6-2，根据冷却塔等效换热系数得到冷却塔换热量；
步骤6-3，根据凝汽器总体换热系数计算得到凝汽器端对数平均温差；
步骤6-4，根据凝汽器热平衡得到汽轮机排汽温度和背压；
步骤6-5，根据对数平均温差计算凝汽器循环水出水温度，然后转入步骤7-1；
步骤6-6，重复以上步骤，直到步骤7-5得到的凝汽器循环水出水温度和步骤7-1假设的凝汽器循环水出水温度偏差小于允许值，退出迭代。
步骤6-7，步骤7-6结束后，读取步骤7-4的背压，即为变工况计算结果。
步骤2中，根据《ASME PTC6-2004汽轮机性能试验规程》中规定的计算方法，计算得到汽轮机排汽焓HL及排汽流量fL和凝汽器过冷度，凝汽器热负荷按以下公式计算：
Q＝fL×(HL-HW_T(Two))
其中，TWO是热井出水温度，HW_T表示焓值计算函数，用于计算给定温度对应的饱和水焓值，计算方法参见国际水和水蒸汽性质学会公布的《水和水蒸汽性质计算公式IWAPS-97》。
循环水流量fW的计算公式为：
Figure BDA0003552040090000071
其中，H1和H2分别为凝汽器进口循环水焓值和凝汽器出口循环水焓值。
凝汽器总体换热系数计算公式如下：
Figure BDA0003552040090000072
其中：A为凝汽器面积，LMTD是凝汽器的对数平均温差，其计算公式为。
Figure BDA0003552040090000073
其中：Th1、Th2分别是高温侧流体的进口和/出口温度，Tc1、Tc2分别是凝汽器循环水的进口和出口温度。
冷却塔的换热量与凝汽器热负荷相等，将冷却塔近似为一个换热器，则其等效换热系数为：
Figure BDA0003552040090000074
其中：A2为冷却塔换热面积，LMTD2是冷却塔的对数平均温差，其计算公式为。
Figure BDA0003552040090000075
其中：Tht1、Tht2分别是冷却塔进口和出口循环水温度，Tct1、Tct2分别是冷却塔进口和出口空气温度。
考虑到凝汽器热负荷远大于循环水泵功率，循环水泵导致的循环水温升可以忽略，因此近似认为：
Tc1＝Tht2
Tc2＝Thtl
变工况计算时，根据循环水泵运行台数，可以确定循环水流量
Figure BDA0003552040090000081
假设变工况(3)下凝汽器循环水出水温度TC2与基准工况(1)相同。进而可以得到冷却塔的等效换热系数。则冷却塔的换热量可以根据以下公式计算：
Figure BDA0003552040090000082
上式中LMTD2未知，需要，则可以根据上述公式计算LMTD2，进而求出凝汽器循环水进水温度。
因为凝汽器热负荷和冷却塔散热量相等，则可以根据以下公式计算凝汽器端的对数平均温差：
Figure BDA0003552040090000083
根据凝汽器过冷度可以得到热井出水温度，变工况下的汽轮机排气量已知，根据热平衡可以得到汽轮机的排汽焓。
Figure BDA0003552040090000084
根据水和水蒸汽物性可以得到汽轮机排汽温度，根据对数平均温差计算公式可以得到凝汽器循环水出水温度
Figure BDA0003552040090000085
实施例
已某电厂冷端系统为例：
步骤1，通过性能试验，获取基准工况(1)下循环水泵功率500kW、机力塔风机功率700kW以及循环水进水温度36.2℃、循环水出水温度26.0℃、机组背压8.2kPa、热井出水温度41.0℃等冷端系统基本参数；
步骤2，根据基准工况(1)下采集的冷端系统基本参数计算凝汽器过冷度为0.9℃、凝汽器热负荷为193709kW、循环水流量为16330t/h；
步骤3，根据基准工况(1)下凝汽器热负荷、热井出水温度和机组背压参数计算凝汽器总体换热系数为0.4366kW/(K.m2)和冷却塔等效换热系数2.2528kW/(K.m2)；
步骤4，通过改变循环水泵运行台数进行基准工况(2)的性能试验，重复步骤1至步骤4获得不同循环水流量下凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；在本实施例中，基准工况(2)运行3台循环水泵，5台机力塔风机，该工况下测得的循环水流量为20870t/h。
步骤5，开始进行变工况计算，变工况下循环水泵运行台数和机力塔风机运行台数为已知参数，本实施例中，变工况运行2台循环水泵，3台机力塔风机，假设变工况(3)下机力塔循环水进水温度为40℃，根据变工况(3)下循环水泵的运行台数对应的循环水流量，因为运行2台循泵，因此循环水流量与基准工况(1)的循环水流量相同，即为16330t/h；
步骤6，根据步骤3计算得到的凝汽器总体传热系数和步骤5得到的凝汽器热负荷，分别对步骤5得到的多种循环水流量工况进行计算，计算步骤如下：
步骤6-1，假设凝汽器循环水出水温度，也就是机力塔循环水进水温度为40℃；
步骤6-2，根据冷却塔等效换热系数2.2528kW/(K.m2)得到冷却塔换热量为193819kW；
步骤6-3，根据凝汽器总体换热系数0.4366kW/(K.m2)计算得到凝汽器端对数平均温差22.197℃；
步骤6-4，根据凝汽器热平衡得到汽轮机排汽温度46.258℃和背压10.233kPa；
步骤6-5，根据对数平均温差计算凝汽器循环水出水温度40.524℃；
步骤6-6，重复以上步骤，直到步骤7-5得到的凝汽器循环水出水温度和步骤7-1假设的凝汽器循环水出水温度偏差小于允许值，退出迭代。因为上一步计算值40.524℃与假设值40℃基本一致，可以认为迭代收敛，因此计算过程中的排汽温度46.258℃、背压10.233kPa等即为变工况下的计算结果。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过性能试验，获取基准工况(1)下循环水泵功率、机力塔风机功率以及循环水温度、机组背压和热井出水温度冷端系统基本参数；
步骤2，根据基准工况(1)下采集的冷端系统基本参数计算凝汽器过冷度、凝汽器热负荷以及循环水流量；
步骤3，根据基准工况(1)下凝汽器热负荷、热井出水温度和机组背压参数计算凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；
步骤4，通过改变循环水泵运行台数进行基准工况(2)的性能试验，重复步骤1至步骤4获得不同循环水流量下凝汽器总体换热系数和冷却塔等效换热系数；
步骤5，开始进行变工况计算，变工况下循环水泵运行台数和机力塔风机运行台数为已知参数，假设变工况(3)下循环水进水温度，根据变工况(3)下循环水泵的运行台数对应的循环水流量；
步骤6，根据步骤3计算得到的凝汽器总体传热系数和步骤5得到的凝汽器热负荷，分别对步骤5得到的多种循环水流量工况进行计算，计算步骤如下：
步骤6-1，假设凝汽器循环水出水温度；
步骤6-2，根据冷却塔等效换热系数得到冷却塔换热量；
步骤6-3，根据凝汽器总体换热系数计算得到凝汽器端对数平均温差；
步骤6-4，根据凝汽器热平衡得到汽轮机排汽温度和背压；
步骤6-5，根据对数平均温差计算凝汽器循环水出水温度，然后转入步骤6-1；
步骤6-6，重复以上步骤，直到步骤6-5得到的凝汽器循环水出水温度和步骤6-1假设的凝汽器循环水出水温度偏差小于允许值，退出迭代；
步骤6-7，步骤6-6结束后，读取步骤6-4的背压，即为变工况计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，步骤2中，根据《ASME PTC6-2004汽轮机性能试验规程》中规定的计算方法，计算得到汽轮机排汽焓HL及排汽流量fL和凝汽器过冷度，凝汽器热负荷按以下公式计算：
Q＝fL×(HL-HW_T(Two))
其中，Two是热井出水温度，HW_T表示焓值计算函数，用于计算给定温度对应的饱和水焓值，计算方法参见国际水和水蒸汽性质学会公布的《水和水蒸汽性质计算公式IWAPS-97》。
3.根据权利要求2所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，循环水流量fw的计算公式为：
Figure FDA0003552040080000021
其中，H1和H2分别为凝汽器进口循环水焓值和凝汽器出口循环水焓值。
4.根据权利要求3所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，凝汽器总体换热系数计算公式如下：
Figure FDA0003552040080000022
其中：A为凝汽器面积，LMTD是凝汽器的对数平均温差，其计算公式为：
Figure FDA0003552040080000023
其中：Th1、Th2分别是高温侧流体的进口和出口温度，Tc1、Tc2分别是凝汽器循环水的进口和出口温度。
5.根据权利要求4所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，冷却塔的换热量与凝汽器热负荷相等，将冷却塔近似为一个换热器，则其等效换热系数为：
Figure FDA0003552040080000031
其中：A2为冷却塔换热面积，LMTD2是冷却塔的对数平均温差，其计算公式为：
Figure FDA0003552040080000032
其中：Tht1、Tht2分别是冷却塔进口和出口循环水温度，Tct1、Tct2分别是冷却塔进口和出口空气温度。
6.根据权利要求5所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，考虑到凝汽器热负荷远大于循环水泵功率，循环水泵导致的循环水温升忽略，因此近似认为：
Tc1＝Tht2
Tc2＝Tht1。
7.根据权利要求5所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，变工况计算时，根据循环水泵运行台数，确定循环水流量
Figure FDA0003552040080000033
假设变工况(3)下凝汽器循环水出水温度TC2与基准工况(1)相同，进而得到冷却塔的等效换热系数，则冷却塔的换热量根据以下公式计算：
Figure FDA0003552040080000034
上式中LMTD2未知，先计算LMTD2，进而求出凝汽器循环水进水温度；
因为凝汽器热负荷和冷却塔散热量相等，则根据以下公式计算凝汽器端的对数平均温差：
Figure FDA0003552040080000041
根据凝汽器过冷度得到热井出水温度，变工况下的汽轮机排气量已知，根据热平衡得到汽轮机的排汽焓；
Figure FDA0003552040080000042
根据水和水蒸汽物性得到汽轮机排汽温度，根据对数平均温差计算公式得到凝汽器循环水出水温度
Figure FDA0003552040080000043
8.根据权利要求1所述的一种联合循环电站冷端系统变工况性能计算方法，其特征在于，步骤6-6中的允许值为用户根据需要设置，设定0.01K。
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