火力发电机组循环供水冷端系统设计VIP

华北电力大学本科毕业设计（论文）摘 要本文火力发电机组循环供水冷端系统设计问题分析这一课题，拟通过对机组冷端系统各部分的介绍与分析，确定火力发电机组冷端设备以及热力系统设计问题，定性及定量优化冷端系统各运行参数、运行方式对机组热经济性的影响大小和系统的节能潜力，为电厂运行、检修、管理以及各项节能工作发挥指导作用。文章以国华绥中电厂为例，结合材料和国内火电机组现状分析了凝汽器、循环水泵、真空泵、冷却塔等冷端设备对火力发电机组性能的影响。并对循环水系统、凝汽器、冷却塔等冷端系统优化方法加以介绍和分析，为火力发电机组经济性的提高提供依据。关键词：冷端系统，凝汽器，火力发电机组，优化ABSTRACTThis article thermal power generating units circulating water supply cold end system design problems of the subject, intended to determine the cold-side equipment of thermal power generating units, and thermal system design, qualitative and quantitative optimization of cold end system through the introduction and analysis of the various parts of the unit cold end system,various operating parameters, run on thermal Economy of Unit size and system of energy-saving potential for the plant operation, maintenance, management, and various energy-saving work to play a guiding role.Guohua Suizhong power plant, the article, for example, the combination of materials and domestic thermal power units Analysis of the impact of the condenser, circulating water pumps, vacuum pumps, cooling towers, cold end equipment on the performance of thermal power generating units. And the cold side of the circulating water system, condenser, cooling tower system optimization method to be presented and analyzed to provide the basis for the improvement of the economy of thermal power generating units.KEY WORDS: cold end system, condenser, thermal power generation plant unit, optimizationII目 录 摘 要IABSTRACTII第1章绪论11.1汽轮机冷端系统简述11.1.1 凝汽器在冷端系统中的主要作用21.1.2 凝汽器对火电机组的影响31.1.3 凝汽器使用的管材以及其型式排列31.1.4 凝汽器真空性能的影响因素41.1.5 影响凝汽器冷却水温升的因素分析及措施51.1.6 冷端系统中的重要组成部分循环水泵51.1.7 火电机组的循环水量及循环冷却水系统71.1.8 目前主流容量机组与凝汽器的配套情况81.1.9 冷却塔91.2 研究目的和意义111.3 我国能源与冷端系统经济性研究现状12第2章 国华绥中电厂实例132.1 国华绥中电厂介绍132.2 研究任务与具体内容132.2.1 机组排汽压力影响因素的研究142.2.2 凝汽器变工况特性的研究142.2.3 循环水最佳运行调度研究142.3 冷端系统各部分分析142.3.1 N-45700型凝汽器142.3.2 液环式真空泵192.3.3 循环水泵28第3章 冷端系统优化方案及内容343.1 优化的分类与内容343.1.1 湿式冷却系统优化343.1.2 干式冷却系统优化343.1.3 系统水力优化343.1.4 水务管理优化353.1.5 汽轮机低压缸选型353.2 系统优化设计过程35第4章 冷端系统优化结果分析364.1 循环水系统分析364.1.1 泵的性能364.1.2 泵的扬程394.1.3 泵的有效功率404.1.4 循环水系统管道特性404.1.5 循环水泵优化运行的判定方法434.2 凝汽器优化设计分析434.2.1 双压凝汽器的经济性434.2.2 凝汽器压力变化对机组功率的影响444.2.3 凝汽器真空的确定454.2.4 凝汽器变工况特性分析454.2.5 凝汽器冷却管经济流速464.3 冷却塔优化设计494.3.1 冷却塔本体优化和面积选择494.3.2 300600MW机组冷却塔系列51第5章 总结51参考文献54致 谢56华北电力大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 汽轮机冷端系统简述 进入新世纪，能源已经成为制约全球发展、关乎人类健康的重大问题，世界各国纷纷采取措施，通过工程、技术、经济、法律等一系列手段解决能源问题。能源工业是国民经济发展的基础工业，电力更在其中占据举足轻重的作用。在我国电源结构中，火电设备容量占总装机的80%左右，在相当长的时期内，这种状况是难以改变的。汽轮机冷端系统主要由汽轮机低压缸、表面式凝汽器、抽气设备、胶球清洗装置、凝结水泵 、循环水泵、循环水水源以及这些部件之间的连接管道和管件等组成。一个简单的汽轮机冷端系统原则性系统图如图1-1。 图11 冷端系统原则性系统图1一抽气设备；2汽轮机低压缸；3一发电机；4一循环水泵；5一凝汽器；6一凝结水泵；7一胶球消洗装置排汽离开低压缸之后进入凝汽器壳侧，凝汽器管内流入由循环水泵提供的循环水作为冷却工质，将排汽凝结成水。由于蒸汽凝结成水时，体积骤然缩小，这就在凝汽器内形成高度真空。为保持所形成的真空，则需用抽气设备将漏入凝汽器内的空气不断抽出，以免不凝结空气在凝汽器内逐渐积累，使凝汽器内压力升高。由凝汽器产生的凝结水，则通过凝结水泵依次进入机组的低压加热器、除氧器、高压加热器，最终进入锅炉。循环水按供水方式的不同，有一次冷却供水和二次冷却供水。供水来自江、河、湖、海等天然水源，排水仍排回其中的，称为一次冷却供水，或开式供水。供水来自冷却水塔或冷却水池等人工水源，排水仍回到冷却水塔(水池)循环使用的，称为二次冷却供水，或闭式供水。不论是开式供水还是闭式供水，冷却水所带入的泥沙、污秽的物质和加热过程中分解出的盐分等均会不同程度地沉积在循环水管的内表面上；由于附着物的传热性能很差，将导致凝汽器真空降低，而且还会加速冷却水管的腐蚀，因此采用胶球清洗装置进行清洗，并在循环水泵进水管上安装滤网，达到良好的净化循环水的效果。杨善让.汽轮机凝汽设备及运行管理.北京：水利电力出版社,1993.1.1.1 凝汽器在冷端系统中的主要作用凝汽器作为电厂的重要设备之一，其特点有一下几点：（1）优良的热力性能：凝汽器应具有较高的传热系数，以保证良好的传热效果，使汽轮机在一定条件下具有较低的运行背压，提高蒸汽动力装置的热效率。采用先进的流场计算软件和强度分析计算软件，根据不同工况下的工艺参数进行分析计算，保证产品在不同工况下均能满足设计要求。在汽轮机进汽温度不变的条件下。排汽温度每降低10摄氏度，装置效率提高3.5%；凝汽压力每改变1KPa，汽轮机功率将平均改变1%2%。翟培强.凝汽器循环水进口温度变化对机组经济性影响的探讨.华中电力,2002(6):5662（2）具有高度的密封性能：针对不同结构的密封，在结构和材料上进行优化设计，使设备具有良好的密封性能，提高真空系统的气密性，减少空气漏入量，保证凝汽器的传热性能。 （3）凝汽设备要求有良好的回热性能，降低凝结水的过冷度，以减少汽轮机回热抽汽，降低热耗。（4）良好的除氧性能：可根据系统的凝结水含氧要求，加设热并除氧装置，使凝汽器具有良好的除氧性能，防止凝结水管道和设备的腐蚀。 （5）具有较小的流动阻力，也减少循环水泵的耗功。 通过热力计算、流场计算、强度计算分析，在满足性能的前提下，对结构进行优化设计，使设备性能得到优化，并通过结构及系统综合分析考虑，不仅要求设备性能满足要求，并且要求尽可能便于制造、安装和维修。因此凝汽器设计是否良好以及运行状态参数对发电机组安全经济运行具有重要意义。凝汽设备作为凝汽式汽轮机装置的一个重要组成部分, 凝汽设备的用途可归结为四个方面：（1）凝结作用凝汽器通过冷却水与乏汽的热交换，带走乏汽的汽化潜热而使其凝结成水，凝结水经回收加热而作为锅炉给水重复使用。 （2）建立并维持一定真空这是降低机组终系数、提高电厂循环效率所必需的。 （3）除氧作用现代凝汽器，特别是不单设除氧器的燃气蒸汽联合循环装置中的凝汽器和沸水堆核电机组的凝汽器，都要求有除氧作用，以适应机组的防腐要求。 （4）蓄水作用凝汽器的蓄水作用既是汇集和贮存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽和化学补给水的需要，也是缓冲运行中机组流量急剧变化、增加系统调节稳定性的需要，同时还是确保凝结水泵必要的吸水压头的需要。而凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度，可以提高循环热效率。故必须保证汽轮机排汽在凝汽器中不断地凝结，并使凝汽器达到所要求的真空值，是火电厂热力循环中的重要一环，对于整个火电厂的安全经济运行都有重要影响。因此凝汽器的安全经济运行愈来愈受到人们的重视。张卓澄.大型电站凝汽器.北京：机械工业出版社,19931.1.2 凝汽器对火电机组的影响凝汽器系统对火电机组的影晌表现在以下三个方面：（1）从循环效率来看，凝汽器真空的好坏，即汽轮机组终参数的高低，对循环效率所产生的影响是和机组初参数的影响同等重要的。例如，国产超高压 200MW机组，若凝汽器真空下降0.98kPa,则机组热耗大约上升63kJ/(kWh),而机组初压下降490kPa,机组热耗才上升20.93kJ/(kWh)。而作为火电厂汽轮机组的冷源主要设备的凝汽器，其运行状态的良好程度对汽轮机组的经济性和安全性有重大影响，真空每降低lkPa，汽轮机的汽耗量增加1.5%2.5%，汽轮机组循环热效率降低1%左右，从而使供电煤耗增加3g/(kWh)左右；同时，凝结水的过冷度增加1%，机组煤耗量将增加0.13%。（2）从运行安全性看，据统计，600MW机组凝汽设备故障可使整个机组可用率降低3.8%。而且凝汽器用水量大约占电厂总耗水量的42.8%79.5%。这对于位于缺水地区的电厂来说，是一个令人瞩目的数字。（3）从设备的耗电量看，火电机组的辅机耗电量约占其发电量的5%9%, 其中与凝汽器相关的循环泵、凝结水泵、射水泵（使用射水抽气器的设备才有）的耗电量也占了相当大的比重。1.1.3 凝汽器使用的管材以及其型式排列根据最新电力行业标准DL/T7122000火力发电厂凝汽器管选材导则规定，发电厂凝汽器可选管材主要为各类无缝铜合金管、钛管和不锈钢管（以薄壁焊接为主）。铜合金管具有良好的热传导性和一定的抗腐蚀性能，且易于与管板连接，价格又较便宜，使整台热交换器造价较低，所以铜合金管一直是我国发电厂凝汽器、闭式冷却器、低压加热器、油冷却器等热交换器的首选管材，在电力行业有广阔的应用市场。但由于其抗冲刷性能有限、抵御污染物腐蚀的性能差、易于诱发沉积物下腐蚀等原因，主要局限于内陆地区的清洁水域电厂。钛管具有优异的耐腐蚀、抗冲刷、高强度、比重轻和良好的综合机械性能，虽然其导热率较低，但可利用其高强度、减小管壁厚度降低其本身热阻。目前，钛管主要作为海滨电厂、核电厂及部分冷却水水质污染恶劣的沿江内陆电厂凝汽器的首选管材。尽管由于钛管和钛板或复合钛板焊制而成的全钛凝汽器整体严密性极高，但整套全钛凝汽器高昂的一次性投资限制了钛管广泛应用。根据最新凝汽器管材使用情况调查表明，从1984年以后，内陆地区电厂的凝汽器管以加砷黄铜合金管和铜镍合金管为主，沿海地区以使用薄壁焊接钛管全钛凝汽器为主。特别是在“八五”和“九五”期间，随着沿海经济迅速发展，极大地促进了沿海地区电厂建设，带动了全钛凝汽器广泛应用。随着电力行业主要转向发展300MW以上的高参数大容量机组，人们更长远地认识到机组安全经济运行，认识到全钛凝汽器的严密性对保证机组长期安全运行的重要性，给全钛凝汽器广泛应用提供了契机和市场。程建奕,陈福山,曹建国,赵学龙,汪明朴.热交换器用高耐蚀铜合金的研究进展J.材料导报,2006(5)尽管我国前些年还没有生产凝汽器不锈钢管的专业厂家，但市场需求已把凝汽器不锈钢管带入电厂。目前所有的不锈钢管主要来自进口。由于不锈钢管在我国实际运行经验不足，不锈钢管的使用暂时还没有形成相当规模，但薄壁焊接不锈钢管凝汽器的使用仍呈明显的逐渐上升趋势。李苑霞,梁群华.不锈钢管技术在电厂凝汽器中的应用探讨J.广东电力,2006(4)1.1.4 凝汽器真空性能的影响因素汽轮机冷端性能主要是对影响真空因素的研究，凝汽器内真空的形成是由于在凝汽器内蒸汽和凝结水汽液两相之间存在一个平衡压力。蒸汽凝结时的温度(ts)越低，凝汽器内的绝对压力越低(pc)。凝汽器的真空度为：1-pc98.067100% （1at=98.067kPa），在凝结过程中，排汽温度ts所受的影响如下图1-2所示。图12 蒸汽和水的温度沿冷却表面的分布图中的各符号的意义如下：ts一 排汽温度；twl冷却水入口温度；A传热面积；t凝汽器传热端差；tw冷却水温升。由图得： ts=twl+twtw+t （1-1）由于凝汽器真空即排汽压力可以用与之相对应的饱和蒸汽温度来确定，所以要在主凝结区的蒸汽凝结温度公式（1-1）的基础上展开对影响真空的因素的论述，具体内容如下： （1）影响凝汽器传热端差因素t一般运行经验表明，凝汽器真空每下降lkPa，机组汽耗会增加1.5%2.5% ；而传热端差每升高1摄氏度，供电煤耗约增加1.5%2.5%。影响凝汽器传热端差的因素比较复杂，主要包括凝汽器传热系数、热负荷、清洁系数、空气量及冷却水系统的特性等。杜祖成,郭玉双,王玲.凝汽器传热端差的研究沈阳电力高等专科学校学报2001,3(3)：2829（2）影响冷却水温升因素tw冷却水温主要决定于循环倍率，或者说，当进入凝汽器的蒸汽量一定时，主要决定于冷却水量。冷却水量减少，则冷却水温增大，真空降低。冷却水量主要决定于循环水泵，也可能由其他原因而减小。例如凝汽器管板被杂草、木块、小鱼等堵塞；冷却水管内侧结垢，流动阻力增大；循环水泵局部故障；循环水吸水井水位太低，吸不上水等都可能使冷却水量减少，引起真空降低。（3）影响冷却水进口温度因素twl冷却水进口温度主要决定于电站所在地的气候和季节。用冷却塔时还决定于冷却塔的冷却效果。（4）凝汽器真空度下降的原因及预防措施排汽真空度对汽轮机正常运行起着非常重要的作用。真空度下降，会使汽轮机的汽耗和最后几级叶片的反动度增加、轴向推力增大；随着排汽温度升高，会引起汽轮机转子旋转中心漂移而产生振动，甚至引起汽缸变形及动静间隙增大。如因冷水量不足而引起故障的，还会导致铜管过热而产生振动及破裂，缩短凝汽器的使用寿命。以上影响因素是相互关联的，虽然各种因素对冷端性能的综合影响不是简单的算术和，特别是严密性和清洁度，但是，基本反映出一种因素对冷端性能的影响程度。李勇,董玉亮,曹祖庆,考虑节水因素的凝汽器最佳真空的确定方法.动力工程，2001.8，第 21 卷第 4 期：133813411.1.5 影响凝汽器冷却水温升的因素分析及措施凝汽器中，冷却水由进口处的温度逐渐吸热上升到出口处的温度，这之间的温度升高差为冷却水温升，它反映了凝汽器的换热能力。根据凝汽器的热平衡方程式有： t=（hc-hw）Dc4.178Dw 式中 hc一凝汽器中的蒸汽比焓；hw一凝汽器中的凝结水比焓；Dc一进入凝汽器的蒸汽量；Dw一进入凝汽器的冷却水量当进入凝汽器的蒸汽量一定时，主要决定于冷却水量。冷却水量减少，则冷却水温增大，真空降低。冷却水量主要决定于循环水泵即循环水量，也可能管路或虹吸井的影响。1.1.6 冷端系统中的重要组成部分循环水泵大机组的循环水泵有轴流式和混流式两种形式，与300MW机组配套的循环水泵基本上为大型立式混流泵，有些采用定速不可调叶片的循环水泵。在机组运行中或停机后进行调整，以改变循环水泵的特性，从而改变循环水量，来满足运行的要求。正常运行中，凝汽器内实现着稳定、平衡、连续的热交换过程，汽轮机每一时刻的排汽全部在凝汽器内凝结成水，而凝结过程中所释放的热量则全部被循环环水所吸收，对应不同的热负荷和冷却水温度，其最佳冷却水量也不同。循环水泵运行方式是否合理，主要取决于汽轮机的微增出力与循环水泵耗功之问的关系，当能寻求到循环水泵耗功与微增出力之差为最佳值时，循环水泵的运行方式才是合理的。目前，大多数电厂不论机组负荷大小和冷却水温度高低，均采用一机二泵运行方式，这种运行方式既浪费电能，又使厂用电率增高，极不经济。在现代火电厂中，每台机组都需要许多辅机的配合才能保证其正常的运行，由于要保证这些辅机的正常运行所耗电量占机组总发电量的6左右，因此单从厂用电来说，只要降低了机组辅机的耗电量，也就降低了发电成本。目前，大多数发电企业的水冷机组还都采用工频循环水泵，其出口门采用蝶阀，只有全开、全关两个位置，冷却水量的调节采用开循环水泵台数进行控制，由于季节及昼夜温度的差异，时常出现一台循环水泵流量不够，开两台循环水泵流量过大的情况，由于这种调节方法，汽轮机凝器的真空不稳定，不能保证在经济运行的方式下运行，而且浪费了大量的电能，致使厂用电率高，供电煤耗高，发电成本高，因此，如何选择合适的运行方式对循环水泵进行节能成为当务之急。在循环水泵上采用变频装置，在适应厂网分开、竞价上网的电力体制，节约能源，降低发电成本更具优越性。李敬,魏运刚.循环水泵的节能改造理论与应用.东北电力技术,2005下面讨论循环水泵变频工况的原理以及优点：循环水泵的变频控制原理：由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水量，冷却水温主要取决于自然条件，因此，在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水量来提高凝汽器的真空。但是凝汽器的真空并不是提高的越高越好，只有当由于真空提高汽轮机多发电景与为增加循环水量所多消耗电量差值最大时为最经济。当变频循环水泵运行时，由机组DCS系统确定机组的最佳真空去调节循环水泵的运行转速，即控制循环水量使机组的真空维持在最佳状态下运行，保证机组在经济状态下运行。循环水泵在变频方式下的优点：（1）提高了设备的使用寿命。电机的谐波损耗大大的减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。（2）提高了系统的可靠性。在变频器上加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换至工频下运行。（3）减小了启、停时对系统的冲击。启、停时通过控制循环水泵的转速能够使水压平缓的变化。（4）节约了能源。能够使循环水泵在经济的状态下运行，减少了不必要的浪费。采用高压变频装置的循环水泵节能效果明显，特别是在低负荷时更为突出。根据目前的发电企业的形势，节能工作在发电企业是非常重要的，因此，变频循环水泵在电厂中的应用有着极广阔的前景。宋绍荣.大容量机组循环水泵存在的问题及其改进.广东电力J,2003,(05)1.1.7 火电机组的循环水量及循环冷却水系统循环水量直接影响汽轮机排汽的凝结，凝结的程度又影响到凝汽器的真空。凝汽器系统内循环水量的需要值与机组负荷、凝汽器的类型和循环水进水温度有关，通常是用循环水的温升来监视。在我国的火力发电厂中，特别是在80年代的时候，受限于当时的设计水平，冷端循环冷却水系统往往设计的不科学，由于循环冷却水系统处理不当而引起的发电机组凝汽器腐蚀结垢问题屡见不鲜。凝汽器腐蚀容易引起铜管穿孔、开裂，增加设备的检修时间和次数，缩短设备的使用寿命，减少发电量，增加发电成本；凝汽器结垢一方面导致垢下腐蚀，另一方面降低换热器的热交换效率（从而影响到生产效率），增加能源消耗。在正常运行状况下，凝汽器的真空度下降为89%92%。如果所使用的缓蚀阻垢剂的性能不当，导致系统一定程度的结垢，使凝汽器的真空度下降为86%89%，这将使发电热耗增大4.5%7.5%，发电煤耗增高814g/kWh。如果考虑停车清洗、设备腐蚀和增加维修频率等所引起的连带后果，其经济损失是异常惊人的。随着技术的不断成熟，为目前火电机组设计的循环冷却水系统已经基本克服了老一代的设计缺陷。在我国的南方，河流较多，有条件时，设备冷却往往首先采用直流系统。而在北方地区，由于水资源匮乏，为了节约用水，在冷却水系统中通常设置冷却塔，使升温后的水经过冷却塔降温后再进入凝汽器和辅机，如此循环使用。因此在大中型电厂中自然通风双曲线型冷却塔已经成为我国火力发电厂的标志性构筑物。随着社会经济的高速发展和人口的急剧增加，淡水资源危机问题已经成为仅次于全球气候变暖的社会第二大环境问题。面对沿海地区淡水资源的紧缺局面，开发利用海水代替淡水作为电厂循环冷却水，是解决中国沿海地区火力发电厂淡水资源危机问题的重要途径之一，火力发电厂海水冷却塔循环冷却水处理方法的应用意义深远，势在必行。火力发电厂凝汽器海水冷却技术分为海水直流冷却和海水循环冷却。海水直流冷却是指海水经换热设备对水汽进行一次性冷却以及排放的过程。海水直流冷却技术具有深海取水温度低，冷却效果好和系统运行管理简单等优点；但是存在取水量大、排污量大以及水体污染明显等问题。海水循环冷却是以海水为冷却介质，经换热设备完成一次冷却后，海水经冷却塔冷却并循环使用的过程。海水循环冷却系统由于海水循环使用，其取排水量较直流冷却系统均减少95 %以上，在一定条件下较海水直流冷却技术更经济和环保，可广泛用于滨海火电、核电、石化、化工、冶金等多种行业，应用前景广阔。选择带冷却塔的循环冷却系统, 采用海水作为循环冷却水的补充水, 是我国沿海火力发电厂以及其它工业企业冷却用水的一次革命。它改变了从海洋取水使用后又将废水排回海洋的传统做法, 避免了近海的热污染；极大的减少了从海洋取水的数量, 节约了大量的基建投资。杨亚平.提高火电厂循环水系统运行经济性的探索.华东电力J,1996,(08)1.1.8 目前主流容量机组与凝汽器的配套情况 凝汽器的设计与机组特性密切相关，如机组的背压参数、冷却水品质及参数、冷却水流程数、凝汽器的背压要求等等。冷却水管的材料和形状选择也与凝汽器的设计关系甚密。因此凝汽器的设计，针对性强，在配套设计中需要详细的初始参数资料和改机组的配套要求。下面列举部分凝汽器设计产品：（1）25MW抽凝式汽轮机组配套N2000型号凝汽器，背压8KPa，冷却水入口温度27，冷却管为锡黄铜管，凝汽器换热面积2000(平方米）。（2）100MW机组N6815型号凝汽器，双壳体、双流程形式凝汽器，背压4.9KPa，冷却水进口温度20，冷却管为锡黄铜管，冷却面积6815（平方米）。（3）125MW机组N7100型号凝汽器，单壳体、双流程形式凝汽器，背压4.9KPa，冷却水进口温度20，冷却管为锡黄铜管，冷却面积7100（平方米）。（4）200MW机组N12586型号凝汽器，单壳体、双流程形式凝汽器，背压6.86KPa，冷却水进口温度20，冷却管为锡黄铜管，冷却面积12586（平方米）。（5）300MW机组N16000型号凝汽器，单壳体、双流程形式凝汽器，背压5.4KPa，冷却水进口温度20，冷却管为锡黄铜管，冷却面积16000（平方米）。（6）300MW秦山核电站全钛凝汽器，凝汽器换热面积约28000（平方米）。（7）600MW机组N40000型号凝汽器、单壳体、双壳体、双压形式凝汽器，背压，低压壳4KPa、高压壳5.3KPa，冷却水进口温度20，冷却管为锡黄铜管，冷却面积40000（平方米）。齐复东,贾树本,马义伟.电站凝汽设备和冷却水系统,北京：水利电力出版社,19901.1.9 冷却塔（一）冷却塔分类（1）冷却塔根据被冷却水在塔内是否与空气接触，可以分为开式与闭式开式冷却塔中，循环水和空气与塔部件相接触会带来一系列问题：水质易受污染，滋生军团菌、设备腐蚀结垢等。闭式冷却塔主要依靠管外喷淋水的蒸发带走热量，其冷却流体环路封闭，不受环境污染的影响，降低了系统结垢的可能性，有利于系统的高效运行。（2）冷却塔按喷淋水与空气的流向又可分为横流塔和逆流塔逆流式塔的冷却水与空气逆向接触，通过布水器散水，热交换效率高即冷却效果相对较好，但由于配水系统阻力大且塔体比横流式高，故相对噪声要大过横流式，在对安静有较高要求的场合应选用超低噪声型。横流式塔为重力式散水，散水阻力小，但热交换效率低于逆流式，填料用量大，占地面积较大，优点是检修方便，清洁保养时不需停机，且塔体高度低于逆流式。（3）冷却塔按有无填料分为填料式和无填料式（4）喷射无风机式冷却塔喷射无风机式塔的最大优点即超低噪声、无振动，水滴飞溅也很少，从环保角度来看是理想的冷却设备，但其占地和高度都超过前两种，并且为满足喷射水压，循环水泵的扬程较大，为防止喷嘴堵塞对水质的要求也较高。因此这三种型式可谓各有短长，在实际的设计中，设计人员应根据建筑的具体情况和侧重综合比较，选用最适合的冷却塔。王佩璋.我国大型火电直接空冷技术及设备的研究与应用J.发电设备,2006,1：3337（二）冷却塔冷却效果冷却塔冷却效果取决于3个要素：（1）冷空气量与冷却水量的比值(气水比)；（2）冷却介质冷空气和被冷却介质接触的比表面积；（3）冷却时间。（三）冷却塔关键技术按填料的表面形式通常可分为点滴式、薄膜式和点滴薄膜式。点滴式填料的缺点在于它单位体积的冷却能力较差。在同等冷却量下，需要更多的体积，其次这种填料大多是悬挂在塔内的，这就加大了施工和维修难度。薄膜式的缺点在于由于薄膜式填料内的水速相对较慢，容易形成污染，随着使用时间的增长，甚至会出现堵塞现象，造成冷却塔效率降低。大多数逆流式冷却塔采用PVC 膜式填料,主要有: 斜折波、双斜波、S波、T-25斜波等。点滴薄膜式填料具有点滴式填料和薄膜式填料的双重功能。目前冷却塔淋水填料存在的问题是：风阻大和淋水密度小。在研发过程中，同时解决这个问题似乎是矛盾的，但随着科学技术的不断创新和提高，相信在未来冷却塔填料中会有更多更好的新成员加入进来，从而推动冷却塔不断向前发展。以下图13至17是几种常用冷水塔的结构示意图：图13 图14图15 图16 图171.2 研究目的和意义随着电力工业的迅速发展，火电机组不断朝着大容量、高参数的方向发展，火电机组在燃用大量煤炭的同时，也耗用了大量的水等其他资源。电力工业的发展速度、建设规模以及规划布局本应与国民经济的发展相适应，但由于受到煤和水资源的制约而不能合理的安排。我国的煤产地主要集中在北方，而北方又是缺水地区。在富煤区，往往由于缺水而不能兴建电厂，导致丰富的煤炭资源不能开发和利用，对宏观经济是个极大的损失。所以，现阶段从能源和水的合理利用的角度出发，研究火力发电机组循环供水冷端系统设计问题具有重要意义。由于冷端系统是由多个设备组成的多汽水系统，某一参数(如凝汽器热负荷、循环水流量等)的变化会影响到数个设备的运行工况和性能指标，设备和系统之间互相影响、互相依存(如抽气系统对凝汽器压力，循环水系统与凝汽器和冷却塔的关系)，各种因素(如凝汽器漏空气量，污垢热阻和各部件的阻力系数)及环境参数、机组负荷对机组经济性指标的影响不同，这些都将使得冷端系统特性呈多参数相互影响的复杂变化趋势。冷端系统设计优化问题的分析对提高电厂的能源管理水平，促进节能工作的开展能够起到积极作用。因此，分析研究火力发电机组循环供水冷端系统设计问题，使机组处于最佳状态，以达到节能目的，具有十分重要的意义。1.3 我国能源与冷端系统经济性研究现状能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建立可靠、安全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。我国是世界上的能源蕴藏和生产大国，但人均能源占有量仅为世界人均的30%。同时，我国的能源利用效率较低，与发达国家的能源利用率50%左右还有很大的差距，单位国民生产总值能耗更是发达国家的34倍，从而使得我国的能源供需矛盾突出。火电行业是一个将一次能源转化为二次能源的场所，是消耗一次能源的大户。1994 年全国31.4%的煤炭用于发电，到1998年我国的总装机容量为2.77亿千瓦，火力总发电量11.577亿度；2005年，我国一次能源消费总量22.3 亿吨标准煤，全年总发电量为24.747亿千瓦时，其中煤电占77.18%。周小谦,加快电力发展,提高能源效率J.能源政策研究,2006,2：513随着大容量、高参数机组的投运，降低机组发电成本、提高机组运行经济性已成为发电企业的当务之急。目前，国内外火力发电机组运行中的突出问题是冷端系统运行性能达不到设计值，严重影响了机组出力和厂用电。最为突出的问题是冷却塔出力不足、循环水系统不匹配、凝汽器漏空气和冷却管结垢等严重威胁机组真空，由此造成的煤耗损失多达 14 g kWh。其次，机组也受到自然环境诸因素的影响和制约。因此，降低机组供电煤耗、冷端系统设计优化的研究成为关键环节。目前，国内外学者对冷端系统内的主要设备如汽轮机低压缸、凝汽器、冷却塔、循环水泵等进行多项研究。凝汽器装置运行的研究有两种方法：其一为分析方法，它借助数值计算、自动测量仪器、自动监视系统以及根据电站工作人员或外部机构，进行周期性实验或按照规程进行实验为基础，而获得结论和建议；其二是诊断方法，以计算机技术为基础的运行诊断系统不仅扩大了能够利用的信息量，缩短了检测周期，与此同时也为有效的诊断凝汽器的状态变化和特性提供了可能。美国SanDiego电力公司在South Bay电站安装的凝汽器性能在线监测系统能通过判别凝汽器性能降低的程度，消除了凝汽器性能维修方面的不确定性。EPRI公司对 Indianapolis 电力公司 Peterburg 电厂 3 号机的凝汽器进行了实际测试，利用了最新的实验数据和研究技术，提供了一个最为完全的凝汽器性能方面的资料，为以后的完善凝汽器性能、降低机组热耗提供了基础。李秀云.火电机组冷端系统经济性诊断理论的研究：D.西安：西安交通大学,1999冷却塔的性能特性研究国内外从上世纪八十年代才开始，1982年，EPRI和几个电站发起研究冷却塔性能预测和改进。随后，北美CHAM公司研制了冷却塔性能分析软件RA2D，使冷却塔的出口水温降低 5，也可以应用分析结论去评估改造冷却塔效益。冷端系统其它设备和系统的单项研究也取得了很大的进展。如美国INTEK公司生产制造的Rheovac空气漏入监测器能够准确地测量空气抽出系统的空气流量；王乃宁教授提出的“汽轮机湿蒸汽的光学测量”为汽轮机末级排汽状态的确定提供了技术手段。郭亚楠.汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究：D.南京:东南大学,2001第2章 国华绥中电厂实例2.1 国华绥中电厂介绍国华绥中发电有限责任公司位于辽宁省绥中县前所镇境内，南邻渤海，西接山海关，是东北电网的主力发电厂之一，也是连接东北和华北两大电网的潮流互送联络点和电压支撑点。绥中电厂二期工程，安装两台国产1000MW 超超临界燃煤发电机组。该厂投产的3号汽轮机组为东方汽轮机有限责任公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴四缸四排汽、凝汽式1000MW机组，型号为N100025/600/600。该台机组于2009年12月并网发电，性能考核试验及第一次解体检查大修分别于2010年9月和2011年10月进行。对该机组进行试验的过程中得到在纯凝工况、循环系统隔离状态下汽轮机组热耗率(经一、二类及老化等因素修正)为7463.8H/kWh、供电煤耗为286.5g/kWh；同时还得到实际运行状态下(循环系统不隔离)试验热耗率为7 957.1H/kWh；经参数修正汽轮机组热耗率分别为7692.9H/kWh、供电煤耗为29491 gkWh。值得一提的是，该厂并无冷水塔装置。现以绥中发电有限责任公司为例，将从凝汽器、真空泵、循环水泵等部分对1000MW冷端系统进行分析。 2.2 研究任务与具体内容冷端系统研究的主要任务：冷端系统是作为热力循环的冷源，保证作过功的乏汽在其中不断凝结后开始新的循环，并使相应的冷却水完成一个从吸热升温到冷却降温的循环过程。研究冷端问题，主要是研究冷端各种设备的运行特性及其相互关系，以使其处于最佳运行状态，保障冷端设备的安全和经济运行。对电厂冷端系统研究成果包括了冷端设备设计的优化配置、凝汽器最佳运行真空的研究、凝汽器变工况特性的研究、循环水最佳运行调度及目前不断发展的各种在线监控和诊断系统的研究等。2.2.1 机组排汽压力影响因素的研究排汽压力是冷端系统运行工况的集中体现，它为冷端系统状态变化和汽轮机作功建立起直接的联系，因而排汽压力的变化对机组经济性影响的定量计算方法成为了冷端系统特性分析模型的重要环节。目前，排汽压力变化的定量方法有两类，一是详细变工况计算方法，虽然准确但计算繁琐，在缺少汽轮机结构参数的情况下无法进行计算；另一类是热力学方法和曲线法，热力学方法由于没有考虑热力系统的特点和负荷变化而导致准确性较差，曲线法由于数量有限则不能满足机组变工况的需要。所以，需要研究一种既能满足变工况需求又能满足计算精度的快速、准确的计算方法。种道彤,刘继平,严俊杰,周志杰.漏空气对凝汽器传热性能影响的实验研究J.中国电机工程学报.2005(4)2.2.2 凝汽器变工况特性的研究凝汽器是冷端系统的关键换热设备，而凝汽器压力则直接将放热设备与机组作功联系起来，凝汽器压力的高低直接影响到机组的内功，循环水流量、凝汽器热负荷、冷却管结垢、真空系统的严密性程度、抽气器的工作状态、循环水的进口温度等都能影响凝汽器压力。凝气器端差作为凝汽器性能的评价指标之一，详细研究凝汽器性能降低的原因，定量分析计算各运行参数对上述参数的影响程度，进而计算对真空的影响程度，最终利用上述汽轮机真空变化特性计算、分析它的对机组运行热经济性的影响程度。张春发,张明智,崔映红等.凝汽式汽轮机在变工况下流动状态的判别.动力工程,2002,22卷（3期）：178117852.2.3 循环水最佳运行调度研究循环水泵的选择和优化是保证循环水最佳运行的关键，一般而言增加循环水泵台数和运行功率会加快冷却水的循环，这样可以降低凝汽器压力，提高真空度，进而提高循环效率；然而，增加循环水泵台数和运行功率的同时相应地增加了耗电率，这样又使经济性有所降低。赵斌,刘玲,张文兵.汽轮机冷端优化的研究J热力透平,2007,36(1)：19-23 2.3 冷端系统各部分分析2.3.1 N-45700型凝汽器凝汽器的主要作用有：在汽轮机的排汽管内建立并维持高度真空；供应洁净的凝结水作为锅炉给水以循环使用。N45700型凝汽器无水时重量达1260t，正常运行中重量为2300t，汽室全满水是为3780t。该型号凝汽器的主要参数有：（1）冷却面积为45700平方米；（2）冷却水设计进口温度为17摄氏度；（3）冷却水（介质为海水）设计压力和设计流量分别为为0.4MPa（g）、26.219立方米每秒；（4）设计背压为4.52kPa；（5）蒸汽流量为1602.1t/h。现在电厂使用的凝汽器主要是以水为冷却介质的表面式凝汽器。在缺水地区和列车电站上，可应用空气式凝汽器（直接冷却空气凝汽器和间接冷却空气凝汽器）。本凝汽器属于双壳体、单流程、双背压表面式凝汽器。该型号凝汽器主要由两个斜喉部、两个壳体、循环水联通管道等全焊接而成。凝汽器的喉部由高压侧和低压侧两部分组成，其四周由30mm的钢板焊接而成，且喉部刚性较好。喉部上有组合式低压加热器、给水泵汽轮机排气管、汽轮机旁路系统三级减温减压器等。壳体分为低压侧和高压侧，壳体周围由2025mm厚的钢板焊接而成，内部有四组管束并在下部设有空冷区域。壳体下部分布有热井，凝结水出口设置在高压侧热井底部，凝结水管出口处同时设置有滤网和消涡装置。凝汽器水室有钢板卷成弧形结构，水室内表面整体内衬有厚度为5mm并整体硫化的天然橡胶。该型号凝汽器的水室有八个独立腔室，并用法兰连接，采用循环冷却水双进双出形式。同时，水室开设有通风孔，放气孔，抽气口和液位计等等。循环水联通管道共有两根，其作用为连通部分水室，在投入运行前，管道均有防腐处理。凝汽器因为其尺寸较大，不利于整体运输，因此需采用将部套和零件运送于现场再组装的模式。组装之时必须严格按照相关设计说明书进行组装，且必须保证焊缝的焊接质量以使得机组具有良好的密封性，在真空系统中要采用真空阀，在安装不同管道时也要采取相应的措施以保证机组运行良好。M700212000ASM凝汽器说明书，2012除此之外，在凝汽器投入运行前应进行水侧水压试验、汽侧灌水试验和真空系统的严密性试验。凝汽器运行状况的好坏的标志,主要表现在能否达到最有利的真空、能否保证凝结水的品质合格、凝结水过冷度能否保持最低三个方面。监视项目包括：凝汽器真空、凝结水品质、凝汽器温度、凝汽器水位等（如表21所示）。 表21保持凝汽器真空具有重要意义：真空下降会减小蒸汽在汽轮机中的有效焓降，继而使机组经济性下降；真空下降严重时，汽轮机排汽温度升高，可能导致排汽缸变形，引起汽轮机动静碰磨，损坏设备。造成凝汽器真空恶化原因可从两方面分析缪国钧,葛晓霞,提高汽轮机凝汽器真空及机组经济性的几点措施,电站辅机,2001.9,第三期：15：（1）真空急剧下降原因：循环水中断；凝汽器凝结水水位升高，淹没了抽气器入口空气管口；抽气器喷嘴被堵塞或疏水排出器失灵；汽轮机低压轴封中断或真空系统管道破裂；发生错误操作；冬季运行利用限制凝汽器冷却水入口流量保持汽轮机排汽温度，致使冷却水流速过低而在凝汽器冷却水出口管上部形成气囊，阻止冷却水排出。（2）真空缓慢下降原因：循环水量不足；冷却水温上升过高；凝汽器内冷却水管结构或脏污；凝汽器缓慢漏入空气；抽气器效率降低；由于冷却水有杂物；堵塞部分冷却水管。由于空气的漏入，对凝汽器的工作有三方面影响：空气的漏入会使传热效果变差，传热端差增大。结果会使排汽压力升高，降低了机组的经济性；空气的漏入，增加了凝结水中空气的溶解度，对汽轮机装置和管道系统金属产生腐蚀，影响机组的安全性；空气的漏入，会使空气分压增大，使凝结水的过冷度加，影响了机组的经济性。 凝结水过冷度增大使凝结水回热所需较高压力的抽汽量增加，蒸汽做功能量减少，系统热经济性降低；增加凝结水中溶氧量，对低压设备和管道产生腐蚀。凝结水过冷度增大1摄氏度，煤耗率约增加0.1%0.15%。凝结水过冷却原因从三方面分析：凝汽器铜管排列不好，缺乏回热通道，管束布置过密；凝汽器内凝结水水位过高；凝汽器内存积空气。张学镭.凝汽器性能监测与故障诊断研究D.保定：华北电力大学动力工程系,20022.3.2 液环式真空泵抽气设备作用有二：第一是在机组启动初期建立凝汽器真空；其二是在机组正常运行中保持凝汽器真空，确保机组安全经济运行。真空系统分为两大类：1）抽气器抽真空系统：特点是系统简单、工作可靠；2）真空泵抽真空系统：优点为运行经济（启动抽吸能力强；运行中耗功小）、汽水损失较小、泵组运行自动化程度高、噪声小，结构紧凑。缺点为一次性投资大。真空泵即抽真空的气泵，是获的真空的必备设备。主要有往复式真空泵、水蒸气喷射真