双压凝汽器最佳背压确定方法的研究

第56卷第1期2014年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0156NO1FEB2014双压凝汽器最佳背压确定方法的研究张艾萍，杜五一，付磊，谢媚娜东北电力大学，吉林132012摘要目前，背压的变化对汽轮发电机组电功率的影响还没有一种通用的计算方法。在最佳背压传统定义基础上，进行理论推导得出最佳循环水量，进而确定最佳背压。假设循环水量作为自变量时，这时影响最佳背压确定的有关因素有两个发电机功率的增加量和循环水泵耗电功率的增量，并且它们都是以循环冷却水流量为自变量的函数。通过理论分析表明在相同的冷却水量下双压凝汽器的冷却效果好于单压凝汽器；双压凝汽器高低压侧的最佳背压也都低于单压凝汽器的最佳背压；双压凝汽器平均端差小于单压凝汽器的端差；最佳循环水量和汽轮机的总排汽量成正比例关系或者和循环水泵电机功率成反比例关系。关键词双压凝汽器；最佳循环冷却水量；最佳背压分类号TK261文献标识码A文章编号10015884201401003504RESEARCHTODETERMINETHEBACKPRESSUREOFTHEDUALPRESSURECONDENSERZHANGAIPING，DUWUYI，FULEIE，XIEMEINANORTHEASTCHINAINSTITUTEOFELECTRICPOWERENGINEERING，JILIN132012，CHINAABSTRACTRECENTLY，THEIMPACTOFTHEBACKPRESSURECHAN6NGTOTHEELECTRICPOWEROFTHETURBINEGENERATORISSTILLNOTCALCULATEDINCOMMONMETHODTHISPAPERCONFIRMTHEBESTBACKPRESSUREAFTERGETTINGTHEBESTCIRCULATIONOFWATERBYTAKINGTHEORETICALDERIVATIONBASEDONTHETRADITIONALDEFINITIONSOFTHEBESTBACKPRESSUREASTHECIRCULATINGWATERISTHEINDEPENDENTVARIABLE，THEREAYETWOFACTORSIMPACTTHEDEFINITIONOFTHEBESTBACKPRESSURESASFOLLOWS，THEINCREASEOFTHEGENERATORPOWERANDTHEINCREASEOFCIRCULATINGWATERPUMPPOWERCONSUMPTION，WHICHBOTHAYETHEFUNCTIONONTHEINDEPENDENTVARIABLESOFTHECIRCULATINGCOOLINGWATERTHEANALYSISRESULTINDICATESTHATTHEDUALPRESSURECONDENSERCOOLINGEFFECTISBETTERTHANSINGLEPRESSURECONDENSERUNDERTHESAMEAMOUNTOFCOOLINGWATER，ANDITSBESTBACKPRESSUREANDAVERAGEENDTEMPERATUREBOTHARELOWERTHANTHESINGLEPRESSURECONDENSER；THEBESTCIRCULATINGWATERISDIRECTPROPORTIONTOTHETOTALEMISSIONSOFTHESTEAMTURBINEORINVERSELYPROPORTIONTOTHECIRCULATINGPUMP，POWERCONSUMPTIONKEYWORDSDUALPRESSURECONDENSER；THEBESTOFCIRCULATINGCOOLINGWATER；THEBESTBACKPRESSURE0前言随着我国火电发电机组容量不断增加，在600MW及以上大型机组越来越多的采用双压凝汽器，背压参数作为汽轮机组运行中重要依据，其大小对汽轮机的安全和经济运行有着重大的影响。在凝汽器的设计阶段，其最佳背压是在汽轮机热力特性确定的条件下，通过经济技术比较，采用最大收益法或最低总年运行费用法来确定。目前，对已经投入运行的汽轮机机组，汽轮机、凝汽系统等设备以及运行环境因素都已经确定，因此最佳背压的选择便建立在凝汽器最佳背压模型的基础上，通过试验和计算来确定不同负荷、不同冷却水温和不同循环水泵运行方式下的凝汽器最佳背压。在实际运行中汽轮机的工况不断变化时，快速的找出最佳背压提高发电效率，获得最大经济效益就得尤为重要1传统最佳背压确定理论依据凝汽器的最佳背压定义为当增加循环水量使汽轮机电功率的增加值与循环水泵的耗电量的增加值之间的差值达到最大时所对应的真空称为最佳真空L4。在运行中汽轮机背压高低对机组出力影响很大，凝汽器背压降低，机组功率就会增加；反之，凝汽器背压增加，机组功率就会减小。在运行中，机组负荷、冷却水温度和循环水流量决定了机组运行背压。在机组负荷和冷却水温一定的条件下，凝汽器压力随循环水流量的改变而改变，而循环水流量的变化直接影响到循环水泵的耗功。循环水流量增加，机组背压减小，机组出力增加，但循环水泵的耗功也同时增加，当循环水流量增加太多时，因循环水泵的耗功增加而将机组出力的增加值抵消。因此，凝汽器保持在最经济压力下运行就显的很重要；理论上推导出最佳背压公式，为以后的机组运行作为参考。针对国产600MW汽轮机组对双压凝汽器作如下假设收稿日期2O13_07_23作者简介张艾萍1968，男，博士，教授，主要研究方向为热力设备状态监测、热经济性诊断。汽轮机技术第56卷1凝汽器高低压侧传热面积相等；2进入高低压凝汽器的蒸汽量相等UC；3将汽化潜热视为常量2200KJKG。最佳背压是以机组功率、冷却水进口温度和冷却水流量为变量的目标函数；首先，在推导的过程中只考虑以循环冷却水的流量为自变量，其它因素不变；为了方便推导可以取循环水的进口温度为T；在量值上为机组功率的微增量P与循环泵耗功微增量P。之差最大时的凝汽器压力，公式表示为，J7、R，PP一PP1在数学意义上，当0时，循环冷却水流量对应的01机组背压为最佳值，即盟堕一堕08DAPKATSADAD、其中，PN，P；N，T，D；PED；TN，TD；为机组负荷，KW；P为机组排汽压力，KPA；D为循环冷却水的流量，KGS；T为循环冷却水的进口温度，；。当背压变化不大时，可近似认为是不变的，一般取09J。但是当只考虑循环冷却水量对背压的影响时；就简化为以D为自变量的方程式DF|，、CIPKDDDDD进一步化简为DFLDTS一。2DDDD2汽轮机功率增量的确定热力学方法是以汽轮机装置的基本热力循环为基础，通过对背压变化时汽轮机理想循环热效率和相对内效率的修正，达到确定机组热经济性指标变化的目的。理想循环热效率为专一式中，、为变工况前后的蒸汽在冷源中放热的热力学温度，K；为蒸汽在锅炉中的平均吸热热力学温度，K。汽轮发电机组的电功率可以表示为PQ叼4式中，叼、叼叼M、分别为循环的理想热效率、汽轮机相对内效率、汽轮发电机组的机械效率和发电机效率；Q为蒸汽在锅炉中的吸热量，KJS。由式4可知，当汽轮机背压发生变化时，将引起汽轮机理想循环热效率和汽轮机相对内效率的变化，即PORORLRL叼一5T。即APQNM叼Q町M町H6当不考虑湿汽及末级余速损失，背压变化不大时，内效率RR可以近似为定值O9，AT0。汽轮机的功率改变量可以进一步简化为QQRRZRG73循环水泵耗功的计算循环水泵是火电厂中耗电量较大的辅机之一，它消耗的电能约占厂总发电量的115IS。目前国内绝大多数电厂采用定速循环水泵，循环水流量采用改变循环水泵组合运行方式进行调节；其总体耗电功率随着循环水量的变化是分段不连续的变化，为了使耗电量和循环冷却水流量是连续函数的关系，假设循环水泵是理想的连续可调速的，那么它的循环泵耗电增量可以表示为PPDGH8假设水泵的、叩；在不同的运行状态下是定值；R为原动机效率；7。为泵的总效率；7为传动效率；D为循环冷却水流量，KSS；G为重力加速度，MS；H为杨程，M；，C为电动机的容量富裕系数。变工况前后循环水泵的耗电功率的改变量APE而AN叼叼唧D一D”9其中，D、D为变工况前后循环冷却水流量，KGS；DPEXGH11。DDOOO叼P脚、4循环冷却水量、端差和冷却水温升的确定双压凝汽器是把单压凝汽器并联运行方式改为双压串联运行方式，根据双压凝汽器的热力特性；若单背压汽轮机的排汽量为D，总的冷却面积是F。，则双压凝汽器中每个冷却面积和热负荷就是其一半FC利DC，并保持水量不变，双压和单压凝汽器示意图见图1。_J出口口单压凝汽器籼二帅6双压凝汽器图1单压和双压凝汽器的示意图双压凝汽器与单压凝汽器中冷却水和蒸汽的温度分布是不同的，双压和单压凝汽器中冷却水和蒸汽温度沿着冷却表面的分布如图2所示。在冷却水的总吸热量不变的情况下，单压和双压凝汽器的冷却水最终出口温度相同。DH一HDCAT11第1期张艾萍等双压凝汽器最佳背压确定方法的研究37QZI嘲一一JL一PH1R1RLJL。RLJ1R1RLE2FD2_R图2双压和单压凝汽器中蒸汽和冷却水温度沿冷却表面的分布其中，H为排汽焓，KJKG；HC为凝结水焓，KJKG；C为循环冷却水的比热容，KJKGK，淡水一般取C4187KJK。由式11可以得出由于汽轮机的排汽量相同，其蒸汽液化为该温度下的饱和水时放热量一定；单压和双压凝汽器里冷却水的温升也相同，所以单背压凝汽器和双压凝汽器的冷却循环水量是一样的，即单压凝汽器的最佳背压对应的冷却水量，也是双压凝汽器的最佳背压对应的冷却水量。当汽轮机负荷较高时，可以采用前苏联学者AB雪格里雅耶夫提出的凝汽器端差公式N512式中，D为汽轮机排汽量，KGS；F为高低压凝汽器总的冷却面积，IN；T为循环水的进口温度，OC；系数M57，对水侧清洁、真空严密性良好的凝汽器取较小值，对于一般通常的凝汽器则取较大的值1J。高压凝汽器的冷却水的进口温度T是大于低压凝汽器的冷却水的进口温度T，所以6T；单压凝汽器的冷却水的进口温度是T由式12可以得出单压凝汽器的端差是等于双压凝汽器低压侧的端差；大于双压凝汽器的凝汽器高压侧的端差也大于双压凝汽器的平均端差，所以在传热的过程中，双压凝汽器的冷却水冷却的饱和水的平均温度是比单压凝汽器的低。单背压凝汽器的循环水温升一二垒1一二525D、一CD一4187D一D，对于双压凝汽器，低压和高压侧的循环冷却水温升相DD16或者DW17式中，P为变工况后循环水泵的耗电功率，KW；旦旦理旦KGH。分析式16可得，最佳循环水量和排汽总量成正比例关系。5确定双压凝汽器高、低压侧的最佳背压将最佳循环水量带入式18、式19可分别求出双压凝汽器的低压侧和高压侧的蒸汽温度TSLTWL鲁N5【“J18TTT52。5D，；OC525D759。，；【75J9通过对式15和式18、式19进行分析得出TT，TJ2TO将式18和式19分别带入下式就可以分别求出低压凝汽器和高压凝汽器的最佳压力一20式中，P为凝汽器的压力，PA。6应用实例现在以平圩电厂机组为例说明，有关参数如下假设汽轮机机组在定压下运行，凝汽器总冷却面积为N42000M；凝汽器高低压侧排汽量为；蒸汽在锅炉中的平均吸热热力学温度641K；高压缸排汽温度318，压强43MPA；再热蒸汽热段温度368C；汽轮发电机组的机械效率7099；发电机效率098，循环水泵5台，其中一台作为备用水泵，电机功率PP2500KW，单台水泵流量为37O00TH；计算结果如表1所示。从实例可以得出在冷却水进口温度为20C时，最佳循环水量和汽轮机总排汽量成正比例关系；单压凝汽器的最佳背压分别大于双压凝汽器高低压侧的最佳背压，这和上面理论D一。，525D分析的结论相符合。一2删7。2DWP147结论14其中，假设进人双压凝汽器高低侧的排汽量为譬；D为进入汽轮机末级总的蒸汽量，KGS；TWL鲁N5I“5J15以循环水量为自变量，联立式2、式7、式10和式15，可以求得最佳的冷却循环水量见表11由单压凝汽器改造的串联双压凝汽器，要确定最佳背压，首先要确定最佳背压所对应的循环水量最佳循环水量，而影响最佳循环水量的因素是汽轮机排汽总量，因而不需要分开讨论凝汽器高压侧或者低压侧的排汽量。2最佳循环水量和汽轮机的总排汽量、蒸汽在锅炉中的吸热量成正比例关系，和循环水泵的电机功率成反比例关系。38汽轮机技术第56卷3当冷却水量相等时，双压凝汽器高低压侧冷却效果好于单压凝汽器，主要是单压凝汽器端差和循环冷却水的温升都分别大于双压凝汽器高低压侧的端差和循环冷却水的温升。4当冷却水的进口温度一定时，随着循环水量增大，单压凝汽器的端差和双压凝汽器低压侧不变，双压凝汽器高压侧的端差明显增大；单压凝汽器和双压凝汽器高压侧冷却水温升都减小但是幅度相同，双压凝汽器低压侧冷却水温升减小幅度最大。参考文献1李维特，黄保海汽轮机变工况热力计算M北京中国电力出版社，20012温新宇，杨作梁600MW双背压机组运行中最佳背压的研究和应用J汽轮机技术，2008，506434436，4273闫桂焕，顾昌，郑李坤300MW机组循环水系统优化运行的研究J汽轮机技术，2002，4463453484叶荣学，王锦桥循环水系统最佳运行条件的确定J中国电机工程学报，1988，8162675翦天聪汽轮机原理M北京水利电力出版社，19926姜华用热力学方法计算汽轮机热力参数对热耗率的修正J汽轮机技术，1999，4143L一347葛晓霞，缪国钧双压凝汽器循环水系统的优化运行J动力工程，2008，2943893938黄新元，赵丽火电厂单元制循环水系统离散化模型及其应用J热能动力工程，2004，1933023069王玮，曾德良基于凝汽器压力估计算法的循环水泵最优运行J中国电机工程学报，2010，301471110孙文杰600MW火力发电机组培训教材汽轮分册M北京中国电力出版社，200611郭丽君泵与风机M北京中国电力出版社，200312张艾萍，曹丽华火力发电厂经济运行技术及应用M成都西南交通大学出版社，2007上接第8页图线显示出了该处圆周上的轴向变形量情况，可以将支承边界的弹性变形考虑在内，更加接近实际。为了进一步更直观的对两种方法计算结果进行对比，图8、图9表示出了隔板体中分面及汽封处的挠度及应力分布规律曲线。可以看出，两种边界条件设定方法的计算结果有很明显的差别接触边界条件计算的隔板最大挠度为028938MM，静叶中最大VONMISES应力为37925MPA；而支承边界条件计算的结果分别为01848MM、41169MPA。此外，隔板的挠度、应力分布并不是对称的J，其原因是由于隔板静叶中