（动力机械及工程专业论文）汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 汽轮机冷瑞系统在线监测与优化运行的研究 摘要 随着电力需求的日益增长和科学技术的飞速进步，火电机组正往大容量、高参数方向发 展，并且其自动化水平不断的提高。在不断提高生产效率、降低劳动成本、节约能源和劳动 力韵同时，如何避免由于设备故障造成的损失、优化机组性能，正成为行业内关注的热点。 通过在线监测可控参数运行值的偏离，定量计算出它们造成的整个机组可控损失的大小，可 指导运行人员有的放矢的调整参数，从而减少可控损失，提高经济效益；同时对机组运行的 优化研究，也是提高机组运行经济性的一项重要措施。 论文主要由三部分组成。第一部分介绍汽轮机冷端系统在线监测，首先通过汽轮机末级 变工况计算实现对汽轮机真空变化特性的在线监测；其次通过凝汽器变工况计算实现对凝汽 器性能的在线监测，其中又包括常规监测与空气聚积系数和清洁系数的监测；最后进行了影 响机组真空的多因素分析计算。第二部分介绍冷端系统的优化运行的研究，其主要内容首先 是循环水系统的优化算法；其次是凝汽器清洁度的优化管理，建立清洗时间和运行费用的优 化管理模型，并寻求最优解；最后是对抽真空系统优化运行的研究。第三部分主要介绍冷端 系统在线监测与优化运行的计算模块，以及软件的结构和功能。通过这一过程，将计算机知 识、冷端系统的计算原理知识和工程实践知识有机的结舍起来。 论文对汽轮机冷端系统的在线监测与优化运行原理进行了详细的阐述，实现了对汽轮机 真空变化特性的在线监测和凝汽器性能的在线监测，对影响机组真空的多种因素进行了定量 的分析研究，并由此进行了优化运行的研究，设计了适用性良好、功能完备的软件系统，并 通过实践证明了其在工程实际中的可行性和实用性。 关键词：汽轮机末级、变工况、凝汽器、真空、在线监测、优化运行 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yr i s eo f p o w e rd e m a n da n dr a p i da d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m o d e r np o w e ri n d u s t r yi sh e a d i n gf o rl a r g e - s c a l e ，h i g hp a r a m e t e r sa n df u l la u t o m a t i o ni ni n c r e a s i n g p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , r e d u c i n gw o r kc o s t s e c o n o m i z i n ge n e r g ya n dl a b o rf o r c e ；h o wt oa v o i dl o s s o f e q u i p m e n t f a u l t sa n d o p t i m i z eu n i tp e r f o r m a n c e i sb e c o m i n ga h o t s p o ti np o w e ri n d u s t r y t h r o u g h o n l i n em o n i t o r i n gt h ed e p a r t u r eo fr u n n i n gp a r a m e t e r se n dc a l c u l a t i n gt h eu n i t sc o n t r o l l a b l el o s s c a u s e db yt h ed e p a r t u r e ，t h ew o r k e r sc a nb ed i r e c t e dt oa d j u s tt h ep a r a m e t e r sd e f i n i t e l y , t h e nt h e c o n t r o l l a b l el o s sc a nb er e d u c e da n dt h ee c o n o m yc a nb ei m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，r e s e a r c h i n gh o wt o o p t i m i z e u n i tp e r f o r m a n c ei sa l s oa ni m p o r t a n tm e a s u r e m e n tt oi m p r o v et h ee c o n o m yo f t h eu n i t t h i sp a p e ri nm a d eu po ft h r e ep a r t s f i r s tp a r ti n t r o d u c e st h eo n l i n em o n i t o r i n go ft h e c o n d e n s i n gt u r b i n e sc o l d - e n d ，i ti n c l u d e st h em o n i t o r i n go f t h e v a c u u n l sc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i ci n t u r b i n ew h i c he d u c e db yt h ev a r i o u so p e r a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h em o n i t o r i n go fc o n d e n s e r s c h a r a c t e r i s t i cw h i c hc o n s i s t so fr o u t i n em o n i t o r i n g ，m o n i t o r i n go fa i re n n e e n t i a t i o nm a df o u l n e s s ， t h e ni ta n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st h em u l t i p l ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ev a o u t m lo fc o n d e n s e r s e c o n d p a r ti n t r o d u c e so p t i m i z a t i o no f t h e c o l d - e n d sp e r f o r m a n c e ，i ti n v o l v e sf i r s t l yt h eo p t i m i z a t i o no f t h e c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m ，s e c o n d l y t h eo p t i m i r e dm a n a g i n go ft h ec o n d e n s e r sf o u l n e s sw h i c hf o u n d t h em o d e lo fc l e a n i n gc l o c ka n do p e r a t i o ne x p a n s e sa n dt h e nc a l c u l a t e st h eo p t i m i z e dr e s u l t a n d 砒 l a s tt h eo p t i m i z a t i o no ft h ea i re x 打a c f i o ne q u i p m e n t n 耐p a r tm a i n l yi n t r o d u c e st h ec a l 砌疵i g m o d e lo ft h ec o l d - e n d so n l i n em o n i t o r i n ge n do p t i m i z e dp e r f o r m a n c e ，a n dt h es t r u c t u r ea n d f a n e t i o no ft h es o f t w a r e t l l i ss y s t e me f f i c i e n d yc o m b i n e st h ek n o w l e d g eo fc o m p u t e r , t h e m e c h a n i s mo f t u r b i n e se n i d - e n de n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv i at h ed e v e l o p m e n tp r o g r e s s t l i i s p a p e ri n t r o d u c e st h em e c h a n i s mo fo n l i n em o n i t o r i n g a n do p t i m i z e dp e r f o r m a n c eo f t u r b i n e sc o l d - e n di nd e t a i l ，r e a l i z i n gt h eo n - l i n em o n i t o r i n go f t h ev a e u r m sc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ec o n d e n s e r sc h a r a c t e r i s t i c ，d e f i n i t e l ya n a l y s e st h em u l t i p l ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ev a c u u m o fc o n d e n s e ra n dt h e nb r i n g so u tt h er e s e a r c ho no p t i m i z e dp e r f o r m a n c e i td e s i g n sf u n c t i o n a l s o f t w a r ea n dd e m o n s t r a t e st h a ts y s t e mi sa p p l i e a b l e k e yw o r d s ：l a s t - s t a g e i nt u r b i n e ；v a r i o u so p e r a t i o n ；c o n d e n s e r ；v a c u u m ；o n l i n e m o n i t o r i n g ；o p t i m i z e dp e r f o r m a n c e 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的的材料。与 我同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；宝洒日瓤趔：兰! ! 、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所交的学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。奉人电子文档的内容和甄质 论文的内容致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部内容或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名；妾塾鳟导师签名她日期i 竺堕! ：兰l 。墨旦盔塑圭兰篁丝奎 壅篓塑堡塑墨堕垄垡些型量垡垡垩堑塑堕塑 第一章绪论 随着社会经济发展对电力需求的日益增长和科学技术的飞速进步，各种大容量、高参数、 自动化程度高的大型发电机组不断投产，它们提高了生产效率、降低了劳动成本、节约了能 源和劳动力，己成为我国电力生产的主力军，为国民经济的快速发展奠定了基础。如何提高 机组运行的经济性，降低设备故障损失和维修费用现已成为行业内关注的新的热点。在机组 运行中，由于某些可控的运行参数偏离最佳值造成的机组经济性下降所带来的损失称为“可 控损失”。通过监视可控参数运行值的偏离，定量计算出它们造成的髌个机组可控损失的大小， 可以指导运行人员有的放矢的调整参数，减少可控损失，提高经济效益，而且通过对设备运 行参数与性能在线监测，有利于了解、掌握设备状态，指导检修，进行设备改进等。与此同 时，通过在线监测对机组运行进行优化研究，也是提高机组运行经济性的一项重要措施。 1 1 课题背景 电能是最洁净最便于使用的二次能源。生产电能要消耗大量的一次能源，我国生产电力 用煤接近全国煤产量的三分之一，西方国家进口的煤绝大部分用于生产电能。据美国电力研 究所( e p r i ) 9 0 年代初的一份跟踪调查报告表明，电厂平均实际供电热耗率高出设计值 10 0 0 k j 似形矗) 以上i l ，当时就把电厂节能降耗列为重大科研项目。我国政府充分认识到 走可持续发展道路的重要性后，由粗放型经济向集约型经济转轨，电厂节能问题越来越受到 国家和电力行业的普遍重视。原电力部出台的“创一流”、现国家电力公司出台的竞价上网进 一步促进了节能降耗工作的展开。 随着火电机组单机容量和运行参数的不断提高，对电站自动化水平的要求也同步提高， 绝大多数主力机组均配备了d c $ 控制系统。近年来，一些电站先后配备了电站实时监测系统， 通过该系统对机组进行实时监铡与性能计算，在提高运行的安全性水平和经济性水平的同时， 客观上为电站设备在线监测与优化运行的研究提供了一个良好的平台。 在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽设备起着冷源的作用，其主要任务 是将汽轮机排汽凝结成水并在汽轮机排汽口建立与维持一定的真空度a 以凝汽器为核心，内 连汽轮机低压缸，外连循环水系统，构成了电站热力系统“冷端”。根据汽轮机工作原理，凝 汽器的真空度对汽轮机装置的效率、功率有重大影响，因此凝汽器的工作效能直接影响到整 个汽轮机组的热经济性。通过在线监视汽轮机冷端系统可控参数运行值的偏离，定量计算出 它们造成的损失的大小，可以指导运行人员有的放矢的调整参数，减小损失，提高经济效益， 从而也实现了优化运行的目标。 1 2 汽轮机冷端系统简述 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、胶球清洗装鼍、凝结 水泵、循环水泵和循环水水源，以及这些部件之间的连接管道和管件等组成a 一个简单的汽轮机冷端系统原则性系统图如图i - l 所示 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 低压缸2 # 1 低加 图1 1 汽轮机冷端系统组成 l 一抽气设备；2 一汽轮机低压缸3 一发电机：4 循环水泵； 5 一凝汽器；6 一凝结水泵：卜一胶球清洗装置 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。 由以上对冷端系统运行机理的介绍，可将凝汽设备的作用归结为四个方面： ( 1 ) 凝结作用凝汽器通过循环水与排汽的热交换，带走排汽的汽化潜热而使其凝结成 水，凝结水经回热而作为锅炉给水重复使用。 ( 2 ) 建立并维持一定真空，这是降低机组终参数，提高电厂循环效率所必须的。 ( 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。 2 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 1 3 本文主要研究内容 本文主要对汽轮机冷端系统在线监测与优化运行进行了研究，具体内容如下： 1 汽轮机冷端在线监测 ( 1 ) 汽轮机真空变化特性在线监测 汽轮机在实际运行中，当其排汽真空偏离设计参数时，会引起汽轮机级内各项参数以及 汽轮机效率、各项经济指标的变化，这种因真空变动引起的相应变化，称为汽轮机真空变化 特性。通常汽轮机真空变化特性是通过理论计算或汽轮机热力试验来得到。仅仅通过理论计 算而不考虑汽轮机的实际运行情况，显然无法得到可靠的结果；而采用热力试验的方法，由 于现场运行的复杂性，无法在保证其它参数不变的情况下对某一参数的变化进行分析，需要 进行大量的修正工作，而且电站的正常运行决定了组织这样的热力试验存在着很多困难。因 此，本文将采用理论计算与试验修正相结合的方法对汽轮机真空变化特性在线监测问题进行 深入研究。 ( 2 ) 凝汽器性能在线监测 评价凝汽器热力性能的主要指标是凝汽器真空。目前凝汽器常规监测的内容一般为：大 气压力、排汽温度、凝汽器真空、循环水进出口温度、凝结水温度、循环水进出口压力、凝 结水流量、凝结水含氧量及导电度等，仅仅通过常规监测无法得到凝汽器内的传热系数，而 且凝汽器循环水管壁清洁程度和汽侧空气聚积情况在很大程度上影响着凝汽器的真空，常规 监测也无法有效的分离脏污系数和空气聚积系数。本文提出的在线监测系统，对常规监测得 到的参数进行实时计算，实现对传热系数的在线监测；同时也提出了分离脏污系数和空气聚 积系数的有效的方法。 ( 3 ) 影响机组真空的多因素分析研究 凝汽器真空下降的原因很多，但通过理论分析表明，这些因素总是通过直接影响循环水 流量、循环水入口温度和凝汽器总体传热系数后，间接作用于凝汽器真空。因此，本文将采 用多因素偏差分析方法，定量分析计算各运行参数对上述三个参数的影响程度，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、分析它的对汽轮机发电功率的影 响。 2 冷端系统优化运行的研究 冷端系统的优化运行与循环水系统、抽真空系统和胶球清洗系统这三个子系统密切相关， 凝汽器系统的优化运行需要对这三个系统进行实时合理的调度。增加循环水量，可以降低冷 却水温升，提高真空，但增加循环水流量一般是以增大循环水泵电耗为代价的，如何确定合 理的循环水流量，这是冷端系统优化运行所要解决的一个主要问题；对于胶球清洗系统的运 行，目前国内电厂几乎都采用定期和间断的运行方式，这种运行方式显然有很大的盲目性： 对于抽真空系统，如果没有合理的调度，可能在抽出空气的同时也抽出了很大比例的蒸汽， 影响凝汽器的热负荷，降低其热经济性，这也是优化运行要解决的问题。因此，本文针对这 三个方面分别提出了优化的方法：对循环水系统，建立循环水量、汽轮机功率增量与水泵功 耗增量之差的函数，进行最优化计算，得到最佳冷却水量：对胶球清洗系统，通过在线监测 系统实时采集凝汽器的真空、循环水入口温度和凝汽器负荷等运行参数，根据脏污对凝汽器 3 东南大学硕士学位论文汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 真宅的影响和汽轮机真空变化特性，进行统计分析后，得出冷却面上污垢增长特性和清洗特 性，然后以运行费用最小为目标函数，进行优化计算，求得最佳清洗间隔和最佳清洗时间； 对抽真空系统，根据抽气器与凝汽器的相互影响和抽气器的特性，寻求抽气器的优化运行方 式。 d 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 第二章汽轮机冷端系统的在线监测 2 1 汽轮机真空变化特性在线监测 2 1 1 汽轮机末级变工况计算 汽轮机在实际运行中，因外界负荷、蒸汽的状态参数、转速以及汽轮机本身结构的变化 等，均会引起汽轮机级内各项参数以及零部件受力情况的变化，进而影响其经济性和安全性。 这种偏离设计工况的运行工况叫做汽轮机的变工况。 对于汽轮机内各级而言，级效率反映了其能量转换的程度。引起效率下降的损失除了级 内轮周损失即喷嘴损失、动叶损失和余速损失外，级内还有叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦 损失、部分迸汽损失、漏汽损失和湿汽损失，当工况在亚临界状态发生变动时，还有撞击损 失。凝汽式汽轮机末级位予湿蒸汽区，其中喷嘴损失、动叶损失、余速损失、湿汽损失、撞 击损失影响较大，其余部分影响相对较小。 末级的排汽侧为高真空状态，在一般工作条件下，蒸汽的比容及容积流量均达到相当大 的数值，使末级处于临界流动工况，但在有些情况下，如低负荷、低真空时，末级有可能处 于亚临界状态。当末级处于临界流动工况时，其流量与级前参数成正比，而与级后压力无关； 当末级末达到临界状态时，通过级的流量不仅与级前参数有关，而且与排汽参数有关。 为了分析汽轮机末级的变工况特性，首先介绍级的变工况特性计算。 1 级的变工况特性 ( 1 ) 设计工况和变动工况下级均为临界状态 级内的喷嘴叶栅或动叶栅两者之一的流速达到或超过临界速度，就称该工况为级的临界 工况。 i 喷嘴在临界工况下工作时 通过该级的流量只与级前蒸汽参数有关，而与喷嘴后和级后压力无关，即 臭：粤，昙 ) g 。“、f 焉 、 或孕：粤(2-2) u 。p o 其中 g d ，g 。变工况和设计工况下的临界流量； 贰，巧设计工况下的级前滞止初压和滞止初温； p 备，变工况下的级前滞止初压和滞止初温。 比 i i 动叶在i 临界工况下工作时 若忽略温度变化，则通过该级动叶的流量，即通过该级的流量与动叶前的滞止压力成正 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 一g o , ：直 qp ? p ? ，p j 设计工况和变工况下的动叶前滞止压力； 在设计工况下，动叶进口截面的流量方程为 卧舢? 后和 在变动工况下有 g 。= 4 荫 辱击卜搴、r 一1 尺正：l u 1 11 1 j 上两式中 4 动叶进口截面积： r 定熵指数； 岛，q l 工况变动前、后动叶前实际压力与滞止压力之比。 故 鲁= 鲁 由于挚= 粤，并近似认为互+ = 五：，则 u 。p l 2r + l 硝一岛l r 一， i ；下一1 8 一s l “ 可得q 嘞或等2 鬲p 1 1 ，即有，】p “ ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 垃：匝：血 g 。p ? p l 在做级的变工况估算时，通常略去动叶顶部的间隙漏汽，这样两工况下的流量又可用喷 嘴的气动参数表示，即有 g 。确钿。* - - 兰。- - 月 6 ；f 一占 g c l = p a 。p o l 6 东南大学硕士学位论文汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 矗：粤 p o ：粤 p o t 上四式中a 。一喷嘴出口面积； s m 占。一工况变动前后喷嘴压比 。一喷嘴流量系数。 若近似认为巧= 焉，并带入式( 2 2 ) 得 鱼：应 g 。p ： ：盟 p o ( 2 一b ) 从而得到2 吒 e 口等5 i p l ，因此 一 垃：盟：缉 ( 2 9 ) g 。p 。p ： 若c 。变化不大，则 鱼：一p o l ( 2 1 0 ) g 。p o 式中p o ，p o l 变工况前、后级前初压a 可见，如果动叶在各种工况下均达到临界状态，则通过该级的流量与级前压力成正比。 只要级在临界状态下工作，不论临界状态是发生在喷嘴中还是动叶中，其流量均与级前压力 成正比，而与级后压力无关。 ( 2 ) 设计工况和变动工况下，级均为亚临界状态 在此条件下，汽轮机任意一级喷嘴出口截面的连续方程式为 g v t f = 以a m c ( 2 - 1 1 ) 设c 。* o ，则c 1 ，= 4 2 ( 1 一q 。) a 啊，代入上式得 g 2 卜亡压j 苦瓜 ( 2 - 1 2 ) 7 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 上两式中： q ，喷嘴理想出口速度 v 1 ，喷嘴理想出口比容 v 由状态点p 。、t o 等比熵膨胀到p 2 的比容 q 。级的反动度； a h , 级的理想比焓降； 方括号内的部分表示级的反动度等于零( p 。= p ：) 时，通过该喷嘴的流量，用g + 表示。 流量g 。也可以表示为( 假设初速为零) 强。s 以吾托哥 式中：p 。动叶的临界出口压力 于 同 p 。动叶的出口压力； 是式( 2 1 2 ) 可以写成 g - 0 6 4 虬辱儿慧 2 鲁瓜 理，对于另外一种工况，可以得到类似的公式 广_ 厂_ 可 g t - o 鳓以摆1 | 卜i p 2 , - p d 。j 昔瓜 令q = f l 。l n 。 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 试验证明，在亚临界工况下，近似认为( v ：n v ) = ( 1 2 。u 。) 是相当精确的；此外，假设 q = 0 ，( p 盖一p 三) 远大于( p 。一p ：。) 2 。则以上两式相比并简化得到汽轮机某级在变工况 前后均处于亚临界状态时，流量与蒸汽参数之间的关系式； 或 亟：随二区匡 g 1 p ；一p ；1 g 。一f p 矗一p 刍 g p ；一p ； ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 上式说明，当级内未达到临界状态时，通过级的流量不仅与初参数有关，而且与级后参 数有关。 8 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 2 汽轮机末级流动状态的判断 对纯凝汽式机组，除容量很小的机组外，末级在设计工况下均为i 缶界工况。一般2 0 0 m w 及以下的机组，记为i 型机组，设计工况下，末级喷嘴处于亚临界、动叶处于超i 临界状态； 一般3 0 0 m w 及以上机组，记为i i 型机组，设计工况下，末级喷嘴和动叶均处于临界状态”。 当工况发生变动时，这两种类型的机组末级的流动状态可以分别为 1 1 】： i 型机组：喷嘴亚临界、动叶超i 临界，喷嘴亚临界、动叶亚临界。 i i 型机组：喷嘴超临界、动叶超临界，喷嘴超临界、动叶亚临界，喷嘴亚临界、动叶亚 临界。 对于i 型机组末级的临界压力等于喷嘴亚临界、动叶恰为临界的级后压力。对于i i 型 机组，末级的临界压力等于喷嘴恰为临界、动叶亚临界时的级后压力。对于i i 型机组，定义 喷嘴超临界、动叶恰为临界时动叶后的压力为级的伪临界压力【l “。 级的临界压力、临界流量和伪临界压力之间存在这样的关系； 级的临界压力与级的临界流量及级前滞止初温的平方根成正比。当忽略初温的影响时， 则级的临界压力与级的临界流量成正比。对于存在伪临界压力的级，当忽略初温的影响时， 级的伪临界压力也与级的临界流量成正比【1 1 1 。 改进型弗留格尔公式如下1 1 1 】： vf蔺ki - 6 - ) 式中：占。级的临界压力比； 占。l 瘦工况下级的压力比 f 2 - i s ) 设计工况下级的压比； 其他参数的代表意义前面已经讲过。上式拓宽了原弗留格尔公式的应用范围，改进了计 算精度，而且可用于末几级，甚至末一级的变工况计算。 在变工况下汽轮机末级排汽焓的计算可以转化为：已知末级的流量、级后压力、设计工 况下级的热力参数和几何参数，求解末级的级后状态点。级前的压力可能已知( 如末段抽汽 在束一级级前抽出) ，也可能未知( 末段抽汽在束二级或末三级级前抽出) ，级前压力已知就 根容易求出了，现在以级前压力未知为例说明求解情况，具体流程图如图2 l l a 9 蓐 丛讲 = q 石 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 图2 - 1 末级变工况计算流程图( 求解p 0 1 ，p 1 1 ) ( 1 ) 根据末级在设计工况下所得的热力参数，确定设计工况流量g 下的l 临界压力p 一及 伪临界压力p m ，作为以后计算的基准。 ( 2 ) 根据级的临界流量与临界压力、伪临界压力的关系，计算在变工况流量g 。下的临界 l o 苎要查堂雯圭兰竺丝壅 堕篓垫鲨塑墨竺垄垡些型量垡些垩堑丝堕塞 压力p 。】及伪临界压力p i 。即有 p 一1 = p 。g 】g ； p = p c g t g ( 3 ) 根据己知的级后压力p ：，判断级的状态。 当p ：p m ，时，末级的喷嘴为超临界，动叶为超临界或恰为l 临界； 当p ， p 。1 时，末级喷嘴、动叶均处于亚临界状态。 ( 4 ) 对级所处的不同的状态，进行相应的变工况顺序核算。在变工况顺序核算中，关键 问题是求解末级的级前状态点l ( p v 0 1 ) ，末级的喷嘴后即动叶前的压力p l ，也是求解的关 键。对不同的状态给出相应的求解方法。 当p 2 1 p m l 时，由于末级的喷嘴为超临界、动叶为超临界或恰为临界，其喷嘴前压力 和动叶前压力均和设计工况下喷嘴前压力p o 和动叶前压力p l 成比例，故有 p 0 1 = p o g 】g p 1 】= p l - g l g 当p 】 p l 时，末级的喷嘴、动时均处于亚临界状态，可对此工况与在设计流量下喷 嘴恰为临界、动叶为亚临界状态的工况两工况列改进型弗留格尔公式，求解风。，即利用下式： 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线啦测与优化运行的研究 鼯1ll j - g = ) f 2 - 2 5 ) 其中，占。为末级的临界压力比，即临界压力与滞止初压的比值；5 。为变工况下级的压 比，即变工况下背压与滞止初压的比值。注意这儿求出的是级前滞止初压，不是实际初压。 实际初压的求取还需要利用上一级即末二级顺序变工况计算，首先假定一实际初压p 即末 二级的背压，对末二级进行变工况计算( 计算方法同上) ，得到末级的级前滞止点，验证其是 否等于前面求出的级前滞止初压，如果相等，则假定的实际初压即为所求；否则，则重新假 定继续求解。 在上述工况下，喷嘴处于亚临界状态，对此工况与在设计流量下喷嘴恰为临界状态的工 况两工况列其流量、初压与背压的关系式，即 g 1 g = 晟l p 0 1 i p o( 2 - 2 6 ) 其中，成l 为变工况下喷嘴的彭台门系数，是关于p 。1 的函数。对上式进行求解，即可得 到p 如果末二级的级前参数仍然不可测，则需要继续假定末二级的级前压力，对末三级进行 顺序变工况计算，依此类推，一直计算到级前参数可测的级才能确定p o l 和p 1 1 ，因此，末级 的变工况计算也就成为低压缸的变工况计算，计算方法同上。 3 由级前参数求级后参数的顺序计算过程 根据级的变工况计算的原理和方法，编制汽轮机末级由级前参数求级后参数程序流程图 ( 如图2 - 2 ) ，由上面末级流动状态的判断，得到需要己知的变量，包括末级进口压力p 。、末 级进口焓值、末级出口压力p 2 、末级流量g 等，而且已知末级参数的相关结构尺寸如动叶 转速一、喷嘴出口汽流角q 、喷嘴平均直径以、喷嘴高度、动叶平均直径吃、动叶高度毛、 隔板轴封面积，、隔板轴封数z ，、动叶出汽角展等等。 下面将详细阐述汽轮机末级由级前参数求级后参数的主要的计算原理： ( i ) 计算喷嘴的滞止理想比焓降a 醒： 已知了p o ，由水蒸汽性质可以得到级进口熵和进口干度：从而可以通过s 。和级后 压力p 2 得到级的等熵过程出口焓值呓，； 瑶砘+ 萼： 盟露 i | g，g 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监铡与优化运行的研究 埘= 堞一呓，； 幽：= ( 1 一q 。) 4 幽? 以上三式中：h o o 级前滞止焓： c 。级的进口速度 a h , o 级的滞止理想比焓降； q 。级的反动度； 已知流量、级前压力、焙值、级后压力以及相关结构尺寸 一1 2 一 一甲 卤 n i 事 岭 i求级的各项损失参数只目删 图2 2 汽轮机末级由级前参数求级后参数程序流程图 东南大学硕士学位论文汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 由水蒸气性质，已知瑶和s 。确定p ：，己知p ：和饯。例疋o 。 ( 2 ) 计算喷嘴损失劢。： 喷嘴理想出口速度c 。= 厨 c 12 伊1r ； 魄，= 砧一幽： 上两式中：c ，喷嘴出口速度： 曩，喷嘴理想出口比焓值； 由前面末级流动状态的判断中，得到了p 。，那么可由p 1 和 。得喷嘴理想出口千度x i ，和喷嘴 理想出口l l 容- v ； 劢。= ( 1 一伊2 ) 舳：； 曩= h ，。+ 戳； 其中：矗喷嘴出口焓值； 已知p 。、啊由水蒸汽性质得置、 g l ，y 1 扫p 2 和s 1 得动叶理想出口比焙值九，由p 2 和 ：，得 动叶理想出口干度x 2 ，和比容v 2 。 ( 3 ) 计算动叶理想比焓降和反动度qm 1 ； a h b = h l h 2 f ； q 。= 玩，叫。 ( 4 ) 计算动叶损失d ： 喷嘴中得定熵指数芷，= 1 0 3 5 + o 1 + x 1 | t 己知了n 。和喷嘴理想出口湿度1 一，由拟和得到的函数求出喷嘴流量系数。 喷嘴通流面积a 。= n d 。，。s i n 口 1 4 东南大学硕士学位论文汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 旦k 则喷嘴中的马赫数 m ，一c l t 1 竺! ：主 口1 - 4 k , p 1 v n 。a 。 g 如果m ， 1 ，则喷嘴为超临界，喷嘴的临界压力p k ：p 。+ m 。鲁： 喷嘴临界比容，。：嵋。( 盟) 击； ，l f 根据水蒸汽性质由p 。和u 。确定髓。，喷嘴滞止临界比焓降纯= h o o 一 。： 那么喷嘴临界汽流速度c 。= 三j 瓦； 偏转后的喷嘴出口汽流角s i n ( + 蠡) 2 暑莹s i n 强： 如果喷嘴为亚临界或临界状态，那么其出口汽流角没有偏转，即喁+ 4 = 口。； 喷嘴相对出口速度叻= 、：亨干牙= 五；_ 磊夏而； 动叶的理想相对出口速度吡。= 夏河； 已知了q 卅1 和：。，由拟和的函数可以确定动叶速度系数矿： 动叶的相对出口速度国2 = ￥仰2 。； 动叶损失瓯= ( 1 一y 2 ) 纠。 ( 5 ) 计算级后参数： 动叶实际出口比始值琏= h 2 ；+ 砜； 通过水蒸汽性质，由p 2 和吃确定动叶出口干度屯和出1 2 比容v ：。 ( 6 ) 计算级后余速c 2 ； 类似于对喷嘴的计算，同样可以计算出动叶的定熵指数k 2 、动叶的马赫数m ， 当m 2 1 时，动叶前的滞止压力p ?一p 2 + m 2 亘 r2 、毒 l 一，c 2 + l j 五 r，y 东南大学硕士学位论文汽轮机冷端系统在线监测与优化运幸亍的孵究 而当0 1 时 f 2 - 3 8 ) f 2 - 3 8 a ) 这样，只要由实验或抽气器特性确定了p 。，便可按方程式( 2 - 3 5 ) 进行凝汽器变工况计 算，获得凝汽器的实际静态特性曲线。 2 2 2 凝汽器性能在线监测的主要内容 评价凝汽器热力性能的主要指标是凝汽器真空，凝结水过冷度及含氧量。目前凝汽器常 规监测的内容一般为：大气压力、排汽温度、凝汽器真空、循环水进出口温度、凝结水温度、 循环水进出口压力、凝结水流量、凝结水含氧量及导电度等。仅仅通过常规监测无法得到凝 汽器内的传热系数，而且凝汽器循环水管壁清洁程度和汽侧空气聚积情况在很大程度上影响 着凝汽器的真空，常规监测也无法有效的分离脏污系数和空气聚积系数。本文提出的在线监 测系统，对常规监测得到的参数进行实时计算，实现对传热系数的在线监测；同时也提出了 分离脏污系数和空气聚积系数的可靠的方法。以下将详细介绍这部分内容。 1 凝汽器真空 凝汽器真空是整个凝汽设备各部件运行状况的集中反映，凝汽设备的任何失常，都会导 致凝汽器真空降低。因此，凝汽器真空是凝汽设备运行中首要的监测项目。 在一定冷却面积下，在主凝结区蒸汽的凝结温度为 t ，= t + a t + 国 在主凝结区，凝汽器压力p 。与蒸汽压力p 。相差甚微，可用p 。代替n ，这样由t 。就可以 求出相对应的饱和蒸汽压力p ：，也就确定了凝汽器内的压力p ，a 可以看出，影响凝汽器压力p 。的主要因素有 ( 1 ) 循环水进口温度t 。i 凝汽器的进水温度在循环水开式供水系统中完全取决于自然条件，随季节的变化而变化。 冬季f w l 较低，t ，也低，相应地成也低，即凝汽器真空变高；夏季f m 较高，t ，也高，相应地或 也高，凝汽器真空变低。除此之外，水面温度和水底温度不一样，可以相差2 3 ；水涨潮、 退潮时不能让凝汽器的进水和排水相混，以免使，。升高。在循环水闭式供水系统中，。还决 定于冷却水塔或冷却水池的冷却效果。 ( 2 ) 循环水温升a t 扯格= 警 c p u w l u cc 东南大学硕士学位论文汽轮机冷端系统在线监测与优化运行的研究 式中：m = d 。d 。，为凝结l 培蒸汽所需的循环水量，称为冷却倍率或循环倍率”。增 大m ，则f 减少，f 。也相应减少，凝汽器就可以达到较低的压力，但由于循环水量的增大， 循环水泵的耗功也增大。因此m 值的确定应通过技术经济比较，现代凝汽器的m 值约在5 0 1 2 0 的范围内，一般情况下，凝汽器开式供水或采用单流程时，m 可选用较大值。 可以看出，循环水温升a t = t 。2 一r 。1 大小主要决定于循环倍率埘，一般为5 1 0 。当 d 。一定时，若f 变大了，则表明循环水量不足，这可能是因为凝汽器的管板被循环水带进的 杂草、小鱼虾等杂物堵塞；可能是循环水吸水井水位太低，吸不上水，“虹吸”破坏或“虹吸” 管堵塞，也可能是循环水泵运行恶化，最终都将使凝汽器真空降低。在汽轮机运行状态下， 控制循环水温升a t 的手段只能是改变冷却水量d 。当增大j d 。时，a t 下降，在同一个d 。下， p 。将降低，此时机组的经济性将有所提高。但应注意，此时，由于d 。的增大，使机组的厂 用电也增大了。 ( 3 ) 凝汽器的传热端差国 拧= 告 p 妒- 一l 可以看出，传热端差毋= t 。- t 。2 与传热面积、传热量、传热系数和循环水量有关，传热 越强，端差越小。一般情况下，国= 3 。c 1 0 。c ，当然，母越小越好。对于运行机组，a 。己 定，在一定的蒸汽负荷和循环水量条件下，拉的大小主要取决于置，即凝汽器冷却表面的清 洁程度和凝汽器内积存的空气量。凝汽器冷却表面结垢或变污会妨碍传热，引起国升高；当 真空系统不严密，或抽气设备工作不正常时，将会使凝汽器内积存空气，并在冷却表面形成 部分空气膜，同样妨碍传热，使舀升高。这些都将使t 。增大，使凝汽器压力升高。 2 凝结水过冷 除了凝汽器的真空下降外，凝汽器的另一个严重的工作不正常现象是凝结水的过冷。凝 结水的温度应该是凝汽器压力下的饱和温度，但实际运行中，由于蒸汽流动存在阻力，凝结 水的温度低于凝汽器压力下的饱和温度，即为凝结水过冷，所低的度数称为过冷度。 在旧式结构的凝汽器上，由于冷却管管束设计上的不足，并未采用回热式结构，所以过 冷度一般在3 5 。现代大型凝汽器均采用回热式结构，管束设计愈趋完善，蒸汽流动阻力很 小，在额定工况下运行时，凝结水过冷度可接近于零。凝结水过冷度是衡量凝汽器设计性能 的主要指标，凝结水过冷，表明蒸汽冷凝过程中，传给循环水的热量增大，循环水带走了额 外的热量，降低了汽轮机组的热经济性；同时加大冷源损失，降低做功能力，直接影响机组 回热效率及凝结水品质，此外，凝结水的含氧量也与凝结水的过冷度有关，往往是因凝结水 过冷而产生的结果。 对于在役凝汽器，过冷度增加有以下几方面的原因： 2 3 东南大学硕士学位论文 汽轮机冷端系统在线监测与优化适行的研究 凝汽器中空气积存量的增加 在电厂运行中，如果真空系统严密性欠佳或抽气设备工作不正常，则引起凝汽器内部空 气积存量的增加，结果不仅使传热系数降低、真空下降，而且使凝汽器内蒸汽分压力下降、 蒸汽凝结温度较凝汽器压力下的饱和温度更低，使过冷度增加。虽然空气泄漏量不是影响对 过冷度的主要因素，但仍应引起重视。 循环水流量相对增加 在循环水温度较低、或部分负荷运行时，电厂往往未相应减小循环水流量，甚至认为这 样总是有利于提高真空度，其实对于一给定的凝汽器，在不同的运行工况下均存在一个极限 真空，达到此极限真空后，再增加循环水流量不但增大循环水泵耗功，而且引起凝结水过冷。 还需指出，极限真空只是可以达到的真空，并非经济真空。 凝结水水位过高 当凝汽器热井水位过高时回热蒸汽的流动受到限制，使从传热管束落下的凝结水不能得 到充分回热，就会增加凝结水的过