（热能工程专业论文）基于能量价值分析法的循环水系统优化运行的研究.pdf

摘要 火电厂循环水系统是一个庞大的动力系统，其耗电量较大，这为节能提供了余 地。很多学者和实际工作者以机组的发电量与循环水泵耗电量之差最大值作为目标 进行了研究和实践，也取得了较大的成果。但是随着改革开放的深入，电厂作为一 个经济实体，考虑更多的是经济效益，因此以经济效益最大为目标将越来越显示其 可行性和科学性。本文以国产3 0 0 m w 机组对象，以后者为目标对火电厂开式循环水 系统的优化运行方式进行了较深入的研究。 首先，介绍了循环水泵的工作特性、叠加原理以及国内外循环水系统调节的三 种方式：节流调节、可动叶片调节以及变频调节，在理论上进行了经济性比较。 其次，阐述了传统分析法和能量价值分析法的原理，并分别建立了循环水系统 优化运行的数学模型。首先提出了目标函数，针对模型中涉及到的汽轮机、凝汽器、 循环水泵以及管道几部分，分别建立了各自的特性方程，然后给出约束条件，从而 最终完成模型的建立，且说明了循环水泵工作点的求解方法。 接着，基于电厂机组的基本资料，通过m a t l a b 进行数据拟合得到如并联循环水 泵工作特性、机组发电量、热耗与低压缸排汽压力关系等有用的曲线。 再次，以传统分析法和能量价值分析法为指导，分别运用最优化算法对模型进 行了求解，得到了机组在不同负荷、不同循环水初温和进口水位条件下的最优运行 方式。论文计算了目前电厂开式循环水系统中存在的节流调节、可动叶片调节和变 频调速调节三种方式，并对计算结果进行了纵向、横向的分析比较，得到了最佳的 调节方式和有益的结论。 最后，对凝汽器压力的影响因素及影响优化结果的因素进行讨论研究，得到一 些有益的结论。 关键词：循环水系统循环水泵最佳真空最经济真空最优技术 a b s t r a c t t h ec i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e mo ft h e r m a lp o w e r p l a n ti sah u g ep o w e rs y s t e m ，a n di t m a k e sr o o mf o rs a v i n ge n e r g y m a n ye x p e l sa n dp r a c t i c a lw o r k e r sh a v eg o t t e ns o m e r e s u l t sb yt h ea i mo ft h em a x i m a lv a l u eo ft h ed i f f e r e n c eo ft h eu n i t sp o w e rg e n e r a t i o n q u a n t i t ya n dc i r c u l a t i n gw a t e rp u m p s c o n s u m p t i o np o w e rq u a n t i t y a s a ne c o n o m i c a l e n t i t y , t h e r m a lp o w e rp l a n t sp a ym o r ea t t e n t i o n t oe c o n o m i c a lb e n e f i tw i t hf u r t h e r d e v e l o p m e n to fi n n o v a t i o na n do p e n i n g s ot l l e a i mo ft h em a x i m a le c o n o m i c a lb e n e f i t w i l lt a k eo nf e a s i b i l i t ya n ds c i e n c el i t t l eb yl i t t l e t h ea r t i c l et a k e sh o m e m a d e3 0 0 m w t h e r m a lp o w e r p l a n ta se x a m p l e s ，a n d m a k e s d e e p e r r e s e a r c ho f o p t i m a lo p e r a t i o no fo p e n c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e mb y t h ea i mo f t h el a t t e r f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sw o r k i n gc h a r a c t e r sa n df o l d i n gp r i n c i p l eo fc i r c u l a t i n g w a t e rp u m p sa n dt h r e em o d u l a t i o nm o d e so f c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e ma l lo v e rt h ew o r l d ， n a m e l yt h r o t t l i n gm o d u l a t i o n ，m o v a b l e v a n e m o d u l a t i o n ，v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d m o d u l a t i o n ，a n dc o m p a r e st h e i re c o n o m y i nt h e o r y s e c o n d l y ，t h ea r t i c l ee x p a t i a t e s o nt h e t h e o r yo ft r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o da n d e n e r g yv a l u ea n a l y s i sm e t h o d 。a n d e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c sm o d e i o f o p t i m a lo p e r a t i o n o f c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m a b o v ea l l ，p u tf o r w a r dt h ea i mf u n c t i o n ，a n ds e p a r a t e l yb u i l d c h a r a c t e re q u a t i o no fe a c hp a r ti n c l u d i n gt u r b i n e ，c o n d e n s e r , c i r c u l a t i n gw a t e rp u m pa n d p i p er e s i s t a n c ea c c o r d i n gt o t h em o d e l ，f i n a l l yf i n i s ht h ew h o l em o d e la f t e rg i v i n gi t s c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，a n dm a k eo u tt h ew o r k i n g p o i n to f c i r c u l a t i n gw a t e rp u m p t h i r d l y , t h ea r t i c l ec o l l e c t st h eb a s i cd a t ao f 3 0 0m wh o m e m a d eu n i t sa n dg a i n st h e u s e f u lc u r v e sb ym a t l a b ，s u c ha sw o r k i n gc h a r a c t e ro f p a r a l l e lc i r c u l a t i n gw a t e rp u m p s a n dr e l a t i o no fb e t w e e nu n i t sp o w e rg e n e r a t i o n ，h e a tc o n s u m p t i o na n dl o w e rp r e s s u r e c y l i n d e r se x h a u s t f o u r t h l y , b a s e do dt r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o da n de n e 聘yv a l u ea n a l y s i sm e t h o d t h e a r t i c l es o l v e st h em o d e lb yu s i n g o p t i m i z a t i o n c a l c u l u s a n df i n d st h e o p t i m a l o p e r a t i o no fc i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e mu n d e rd i f i e r e n tl o a d s d i f f e ：r e n tw a t e rt e m p e r a t u r e s a n dd i f f e r e n tw a t e rl e v e l s i nt h e p a p e r , o p t i m i z ea n d c a l c u l a t et h e o p e n i n g c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e m i nt h r e em o d u l a t i o n m o d e l s ，t h a ti s ：t h r o t t l i n gm o d u l a t i o n ， m o v a b l ev a n em o d u l a t i o na n dv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dm o d u l a t i o n c o m p a r ea n da n a l y z e t h er e s u l t si np o r t r a i ta n dl a n d s c a p eo r i e n t a t i o n ，t h e np u tf o r w a r dt h eb e s ta d j u s t m e n t m o d e ia n da v a i l a b l er e s u l t f i n a l l y , t h ea r t i c l em a k e ss o m ed i s c u s s i o n sa n dr e s e a r c h e so ni n f l u e n c i n gf a c t o r so f c o n d e n s e r sp r e s s u r ea n do p t i m a lr e s u l t a n dg e t ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n g w a t e rs y s t e m ，c i r c u l a t i n gw a t e rp u m p ，o p t i m a lv a c u u m ，m o s t e c o n o m i c a lv a c u u m ，o p t i m a l t e c h n i q u e i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承 担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：歌喜址 ，牛年岁月 日 武汉大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的研究意义和问题的提出 1 1 1 课题的研究意义 火电厂循环水系统是一个庞大的动力系统，其耗电量较大，约占电厂本身发电 量的1 5 - - 2 ，仅次于给水泵的耗电量【l 】。众所周知，电力生产的负荷随用户的需 求而时刻变化，因此电厂中大多数的泵与风机都应该根据主杌负荷的变化而经常调 节流量。但是目前由于种种原因，许多电厂的循环水系统基本上处于粗调或不调的 状况f 0 2 1 ，有些电厂即使调节也是通过节流的方式，低负荷时甚至节流5 0 以上，这 样使得资源得不到充分利用。因此，研究循环水系统的优化运行方式是降低厂用电、 提高电厂经济性的项重要措施。 随着电力体制改革的逐步深化，厂网分开和竞价上网已成为必然趋势。发电厂 改制为发电有限公司，成为独立核算、自负盈亏的经济实体【3 】。但现在还存在些问题， 比如在冷却水运行费用处理上，只考虑到输送冷却水所消耗的冷却水泵电功率，而 没有考虑到在利用冷却水的同时对水资源的消耗以及对河流或大气所造成的热污染 情况。实际上，随着人们水资源及环境保护意识的提高，凝汽器所消耗的冷却水量 以及向河流或大气所排放的热水( 汽) 量对水资源和环境的影响已经开始受到有关部 门的重视，由此造成的经济损失已不容忽视。有资料表明【4 l ：一台2 0 0 m w 汽轮机， 冷却水1 吨3 分钱，则其每年为此消耗达5 1 5 万元左右。对于闭式循环系统，用地 下水作为冷却水，造成的运行费用也相应提高；此外冷却塔对冷却水进行冷却的过 程中，其排放出的水汽易使当地路面或建筑物上结冰或使冷却塔上部很大的空间范 围内产生水雾或云，可见水汽实际上也是种污染。我国大气的最大污染源是煤燃 烧，在大气污染物的排放中，s 0 2 的8 7 ，c 0 2 的7 1 ，n o x 的6 7 和烟尘的6 0 是由于煤燃烧引起的【副。随着西电东送工程的实施，贵州省正建设一大批燃煤火电厂， 二氧化碳的排放量将会增加几十万吨，每年因环境污染造成的直接经济损失达数十 亿到百亿元f 6 】。以前在确定凝汽器最佳真空时没有考虑上网电价及燃料、制粉、s 0 2 排放罚款等生产成本，因此，即使机组按凝汽器最佳真空运行，也不一定能保证机 组的经济性为最佳。面对这一新的形势，如何进一步深化发电厂节能工作，是摆在 每个节能工作者面前的一个新的课题。各发电厂为了提高企业的经济效益，将积极 参与发电市场竞争。竞争的实质是降低企业的综合发电成本，因此，发电厂节能工 武汉大学硕士学位论文 作的最终目的是降低企业的综合发电成本，为企业赢得最大利益。 长期以来，循环水系统的优化运行问题得到了许多电厂和有关部门的重视，并 且电厂结合自身的实际情况，总结了长期的实践经验，提出和采用了一些优化运行 方案，取得了一定的经济效益。但是他们在优化过程中，往往仅从某一部分出发孤 立地进行分析，没有进行系统的考虑，往往得不到很好的结果。汽轮机真空在优化 过程中起着很重要的作用，而其与环境温度、江河水位、循环水系统的水力特性、 凝汽器特性、蒸汽性质、汽轮机负荷、汽轮机末级参数、网电价及燃料、制粉、s 0 2 排放罚款等生产成本及厂用电率有关。这些包括环境在内的总体，构成了一个复杂 的系统【”。近年来，由于计算机的应用，具备了综合研究的条件。借助计算机，利用 最优化计算方法可以对循环水系统的优化运行问题进行系统的分析和计算，从而得 到循环水泵的最佳运行组合方式以及每台水泵的最佳流量，实现了循环水系统的优 化运行，则大大降低供电成本，提高电厂经济效益1 3 2 1 。 1 1 2 问题的提出 在电厂的运行中，机组的真空对火电厂的经济性影响较大，一方面增加循环水 量会使机组的真空提高，从而使机组的发电量增加；另一方面增加循环水量，也会 使循环水泵的耗电量增加，因此应该存在一个最佳真空使机组的这两者之间的差为 最大【0 。”，也就是汽轮发电机组热耗率和煤耗率最小，故这两个指标能全面综合反 映机组和全厂的运行状况。国外在2 0 世纪7 0 年代就开始用所谓“耗差分析法” 来监控机组的运行，它把对能耗率有影响的关键运行可控参数连续进行监督分析， 将参数实际值与基准值进行比较，由两者差计算出对机组能耗率的影响，从而及 时指导运行或维修，使机组能接近最佳状况运行f 8 j 。供电煤耗率的概念是我国建 国后从前苏联引进的，其物理意义看上去似乎很明确，即为发电厂每供l k w h 的 电能需要消耗的标煤量，目前在我国电力行业作为主要技术经济指标广泛使用。 在节能分析中供电煤耗率越低越好，节省1 的厂用电率相当于节约3 - 4 9 k w h 煤 耗。但是，众所周知，煤的能价比电的价格低多了。设电价为o 3 5 元k w h ，标煤 单价为3 5 0 元吨，节省1 的厂用电率可降低0 0 0 3 5 元k w h ，而节约3 - 4 9 k w h 煤耗只能降低0 0 0 1 1 0 5 0 0 0 1 4 0 元k w h ，相差近三倍。在市场经济的今天，作为 自主经营的企业，发电厂也追求利益最大化，因此在考虑了上网电价，标煤单价， 排放s 0 2 等气体造成罚款，职工福利等因素时，按照供电煤耗率最小而优化的运 行方案就会发生改变，正是基于如此，本文引进能量价值分析法对火电厂循环水 系统进行优化分析1 3 】。 2 - 武汉太学项士学位论文 1 2 国内外研究现状和发展动态 关于火电厂循环水系统运行的经济性问题，国内外已投入了大量的精力，并在 许多电厂和科研单位进行过研究和探讨，取得了一定的成果。主要有两种方法【j ， 一是净输出功率最大法i q 二是经济效益最大法1 9 。现在常用的是第一种方法。 近年来，借助计算机的发展和功能，人们已由早期的把电厂某一部分孤立地作 为对象进行研究，发展到把循环水系统以及各部分联系作为一个系统进行研究，而 且也取得了较好的效果。人们还着手开发单元制循环水系统和母管制循环水系统的 最优化运行软件t ”l 。上述的研究基本上是以节流调节方式为前提的，随着调节方式 的多样化，这些研究是远远不够的。 循环水系统配备的水泵多数是轴流泵或混流泵，随着机组的大型化，它们也从 固定叶片发展到可调叶片。早在2 0 世纪8 0 年代，国内曾针对1 2 5 m w 机组进行了通 过调整循环水泵叶片角度达到循环水系统优化运行的研究【7 】。随着大型机组的发展， 人们对具有可调叶片的循环水系统的研究也逐渐多起来，国内先后有人以元宝山电 厂3 0 0 m w 机组、盘山发电厂2 5 0 0 m w 机组为对象，对具有可调叶片循环水泵的 运行情况进行过试验与分析【l2 ，”】；而且也有人以最佳真空为理论依据，建立了循环 水泵叶片角度优化调整的数学模型【1 4 】。国内外3 0 0 m w 以上大型机组的经验和运行 情况表明：立式混流泵可动叶片调节方式的机组效益明显高于节流调节方式。因此， 已有部分电厂陆续将其循环水泵改造成了叶片角度可调的方式1 9 】。 变频调速水泵在较宽的转速范围内都具有较高的调速效率，所以变频调速调节 是一种很有发展前途的调节方式。近年来，随着大功率模块和微型电子技术的发展， 变频调速技术在许多工业领域中都得到了广泛应用，并取得了显著效益，如在空调、 石化、供水系统等行业f 1 6 - t s ，在热电厂也有了较多应用，但多数是用于锅炉引风机、 送风机和给水泵等，在汽轮机循环水系统中还很少投入使用【1 ”。根据有关文献报道， 宁波热电厂成功引进9 台开立j 3 0 0 变频器，用于锅炉引风机、送风机和给水泵后， 1 9 9 8 年又引进j 3 0 0 - - 2 2 0 0 h f 5 变频器一台，用于3 号机组循环水系统，获得成功【l9 j ： 还有如九江发电厂疏水泵【2 0 】、下花园电厂低加疏水系统等都采用了变频调速。世界 上一些工业发达的国家更是纷纷将定速驱动改为调速驱动。如美国为了提高调峰机 组的运行经济性，已将6 4 的锅炉给水泵改为调速泵，将4 6 的风机改为调速风机， 与此同时，如美国的a b 公司、罗宾康公司、欧洲的西门子公司、a b b 公司等积极 开发研制新型调速节能设备、高压大容量变频器产品 25 1 。这些公司产品的电压一般 为3 l o k v ，容量2 5 0 5 5 0 0 k w ，随着计算机水平和微型电子技术的发展，变频器 的容量会不断增大、单位功率价格会不断下降，这为电厂中的高压大功率辅机采用 变频调速装置提供了必要条件【2 “。因此，变频调速技术在电厂循环水系统中将具有 3 武汉大学硕士学位论文 更加广阔的前景。 以上的节流调节，可动叶片调节，变频调节都是以净输出功率最大为目标建立 数学模型。此种分析方法本文中称之为传统分析法，其看上去似乎很科学，但实际 上是不全面的，其原因在于最佳真空仅考虑机组功率增量与循环水泵耗功增量之差 为最大，而没有考虑上网电价、燃料成本，循环水费，污染罚款等因素。机组在按 凝汽器最佳真空运行时，但对机组来说是减低了机组的实际热耗( 理论上增加了出 力) ，即减少了燃料消耗量。然而电价比生产单位电量所需的燃料成本要高的多，因 此即使机组按上述凝汽器最佳真空运行，其经济性也不一定是最佳。由于生产企业 追求的目标是利润最大化，故需要以经济效益最大为目标建立函数，才能实现企业 利润的最大化。此种方法以能量价值来考虑循环水系统的优化运行，文献中涉及的 较少，上海石洞口发电厂作过试验研究，本文将以国产3 0 0 m w 机组为例，以经济效 益最大建立目标函数，研究其在节流调节，可动叶片调节，变频调节中的循环水泵 最优运行方式及特点。 1 3 本文所做的主要工作 本文以国产3 0 0 m w 机组单元制循环水系统和母管制循环水系统为对象，对火电 厂开式循环水系统优化运行问题进行了比较深入的研究。根据本课题的研究重点， 主要做了如下工作： 1 以传统分析法建立火电厂开式循环水系统优化运行的数学模型，提出了目标 函数和约束条件，并进行优化计算，得出循环水泵最佳运行方式； 2 介绍能量价值分析法的理论，阐明其合理性和可行性。在此基础上，建立以 经济效益最大为目标的火电厂开式循环水系统优化运行的数学模型，提出了目标函 数和约束条件： 3 运用最优化理论算法对数学模型进行求解，得出机组在不同负荷、不同循环 水初温和进口水位条件下循环水系统的最优运行方式，并对节流调节、可动叶片调 节和变频调速调节三种方式的优化结果进行比较分析； 4 比较传统分析法和能量价值分析法优化结果的不同，得出在市场经济条件下 火电厂优化运行的方式以及特性； 5 分析讨论影响凝汽器真空与影响优化结果的因素，并给出解决的办法。 4 武汉大学硕士学位论文 2 火电厂循环水泵的运行方式 2 1火电厂循环水泵特点 在发电厂中，向汽轮机的凝汽器输送冷却水来冷凝汽轮机排汽所用的水泵，叫 做循环水泵。循环水泵按供水系统的要求，它需要有输水量大，而出口压力较低的 特点。离心水泵能满足上述要求，所以一般发电厂中应用的循环水泵多是离心水泵。 但在一些需要扬程不大的大型凝汽设备上，有时使用旋桨式或轴流式水泵。 在发电厂中，循环水泵除了供应凝汽器所需的冷却水外，还要供应冷油器及发 电机空气冷却器的冷却水。一般锅炉及汽机房各辅助设备的轴承冷却所需的工业水 也由凝汽器进水管中取出。为此，总的循环水量即是各部分所用的冷却水的总和。 循环水泵的容量和台数是根据发电厂的发电量，布置型式，负荷变化，水源及 该地区的自然条件等因素决定的。 水泵的扬程随不同水泵的叶轮直径的大小、叶片的形状、叶轮数目以及转数的 差异而不同。水泵的总扬程是几何扬程以及压力管道和吸水管道中所有能量损失的 总和。几何扬程是指水泵的出口水面与吸水水面的标高之差。只要有可能，发电厂 总是利用虹吸作用来减少循环水泵的耗电量，为了保证虹吸真空作用的可靠条件， 凝汽器水侧排水管的上部压力不要降低到2 2 5 米水柱以下，主要是因为循环冷却水 经过凝汽器以后，水的温度有所升高，使一部分溶解于水中的气体被分解出来，使 水的比重减少，此外还由于水的流动而产生压头损失，虹吸高度一般不超过7 5 8 米水柱 1 5 1 。压力损失的总和是凝汽器的水阻、进出水管上的摩擦阻力和局部阻力损 失以及进出水管的速度损失的总和。压力损失中的局部阻力的能量损失，主要消耗 于管路中的弯头、阀门等处。局部阻力系数随附件的种类以及配件的型式不同而不 同，对于管道中各种不同部件的局部阻力系数的精确数值可在专门手册中查得。 水泵配用的电动机功率考虑到过载的可能，一般比水泵所需的功率大1 5 2 0 。 在火力发电厂中，循环水泵的耗电量仅次于给水泵，约占整个发电量的1 5 2 左 右。为了减少循环水泵的消耗功率，在凝汽设备的改进中，减少凝汽器本身的阻力 和合理的排列循环水管道是降低水泵扬程的一项措施。 5 武汉大学硕士学位论文 2 2 循环水泵运行工况的几种调节方式 2 2 1循环水泵的工作方式 当采用一台水泵不能满足流量或笼头要求时，往往要用两台或两台以上的泵联 合工作，联合工作可以分为并联和串联两种。 并联系指嚣台或鼹台以上的泵向同一压力管路输送流体的工作方式。并联的目 的是在压头相同时增加流量，并联工作在下列情况下采用： ( 1 ) 当需要的流量大，面对大流量的泵制造困难或造价太高时； ( 2 ) 电厂中为了避免一台泵的事故影响到主机炉停运时； ( 3 ) 由于外界负荷变化很大，因而流量的变化幅度也很大时。为了发挥泵的经济 效果，使其能在高效率范围内工作，往往采用两台或数台并联工作，以增加运行台 数来适应外界负荷变化的要求时。 泵并联工作时的性能曲线是将单独的性能曲线的流量在扬程相等的条件下叠加 起来而得到的 串联是指前一台泵的出口向另一台泵的入口输送流体的工作方式，串联工作常 用于下列情况： ( 1 ) 设计制造一台高压的泵比较困难时； ( 2 ) 在改建或扩建时管道阻力加大，要求提高扬程以输出较多流量时。 串联性熊曲线是将单独泵的性熊曲线的扬程在流量相同的情况下叠加起来德 到的。 2 2 2 泵运行工况的调节 泵的运行工况为适应外界负荷变化的要求而随之改变，称做泵的工况调节。改 变运行工况( 即改变工作点) ，可以有两种方法；一是改变泵本身的性能曲线，二是改 变管路特性曲线。 改变管路特性曲线的方法有出口节流调节。改变泵本身佳能曲线的方法有：变 速调节，可动叶片调节。介于二者之间的还有进口调节。 1 节流调节 节流调节就是在管路中装设节流部件( 如阀f - 】t - i ：i 挡板) ，通过改变它们的开度，使 管路的局部阻力发生变化，从两改变农泵运行工作点的位置。 节流调节可分为出口端节流和入口端节流两种【4 i 。 ( 1 ) 出口湍节滚 出口端节流是指节流部件装在水泵出口管路上的调节方法，其实质是改变出口 管路上的滚动损失，从面改变管路的特性曲线，来改变工作点。如图2 1 所示。阀 6 武汉大学硕士学位论文 门全开时工作点为m 当流量减少时，出口阀门关小，损失增加，管路特性曲线有， 变为，工作点移到4 点。若流量再减小，出口阀门关得更小，损失增加就更大， 管路特性曲线变得更加陡。工作点为m 时，流量为q 。，能头为h 。，减少流量后工 作点为a 时，流量为0 a ，能头为h a ，由图可以看出，减少流量后附加的节流损失 为h = h a h b 。这种调节方式不经济，而且只能在小于设计流量一方调节，但这种 调节方法可靠，简单易行，故仍被广泛的应用于中小功率的泵上。 ( 2 ) 入口端节流 用改变安装在进口管路上的阀门开度来改变输出流量的方法称为入口端节流调 节。它不仅改变管路的特性曲线，同时也改变了泵本身的性能曲线，因流体进入水 泵前，流体的压力已经下降或产生预旋，使性能曲线相应的发生了改变。如图2 2 所示，原有工作点为 厶当关小进口阀门时，泵的性能曲线由门多到口，管路的特性 曲线由l 移到2 ，这时工作点的位置即是泵的性能曲线与管路特性曲线的交点b ，附加 阻力损失为h i = h b - - h d 。在满足同一流量q b 的情况下，将入口调节改为出口调节， 管路特性曲线由1 移到3 ，工作点为c ，流量仍为q b ，附加损失为h 2 = h c - - h d ，由 图看出，入口端节流损失小于出口端节流损失，说明入口调节比出口调节经济，但 由于入口端节流会使进口压力降低，对于泵来说会有引起汽蚀的危险，因此泵的节 流调节常常使用出口端调节。 h h a h b o 图2 1 出口端节流 h 0 图2 2 入口端节流 节流调节方式是目前循环水系统使用最多的，简单易行，调节装置的初投资低， 但由于调节节流元件的开度人为地增加了管道阻力，造成了节流损失，使水泵常常 偏离高效区运行，是一种不经济的调节方式，这种调节方式将逐渐被其它调节方式 所取代。 2 可动叶片调节 可动叶片调节，即在水泵运行时调节叶轮叶片的安装角，从而改变泵的性能曲 7 0|i 武汉大学硕士学位论文 线，实现工况调节。当叶片安装角增大时，性能曲线的流量、扬程和功率都增大， 反之减小。可动叶片调节既可以调向安装角增大的方向，也可以调向安装角减小的 方向。改变叶片的安装角时泵的效率曲线也跟随变化，但在较大的流量范围内仍可 保持较高的效率的范围内，而且避免了节流损失，因此这种调节方式的经济性较高。 但这种调节方式与节流调节相比，结构较复杂，初投资也较高，它比较适用于大型 机组。 如果循环水泵叶片角度不可调整，那么循环水泵的运行方式只有少数几种组合， 对于全年循环水初温和水位的变化情况，可以预计在多数情况下，循环水系统不能 达到最佳的运行效果。为了保持循环水泵有合理的流量和较高的运行效率，其叶片 角度应能在一定的范围内根据外界条件的变化而调整改变。 水泵叶片调节方式有半调节，停机全调节和不停机全调节，其中不停机全调节 又分为机械式不停机全调节和液压式不停机全调节。 目前，可动叶片调节在大型轴流泵和混流泵中日益广泛的得到应用。 3 变频调速调节【2 4 , 2 5 】 变频调速调节是指通过改变电源频率的方法来改变电机转速，从而改变泵的扬 程和功率，最终使整个系统达到新的工作点。 由电机学的知识可知，异步电动机的转速与电源频率、磁极对数p 以及转差率 s 之间的关系为： ”：盟( 1 一s ) p 由此可见，交流电动机的转速与频率成正比，改变频率可以改变转速。虽然改 变磁极对数( 变极) 和转差率也同样可以改变转速，但改变磁极对数对于现有的电厂来 说比较困难，且不能实现无级调速，改变转差率将带来较大的转差损耗，使效率降 低，唯有改变电源频率的方法，才能使水泵从高转速到低转速运行时均保持较高的 效率2 8 1 。 改变电动机的转速还有另外一类方法，就是利用定速电动机经变速传动装置改 变水泵的转速，传动装置包括有级变速装置( 如皮带、齿轮等) 和无级变速装置( 如液 力偶合器、液力调速离合器和电磁转差离合器等) ，这类调节装置普遍来说调节响应 时间长，存在传动损失，总效率较低，因此逐渐被变频调速所取代。随着变频调速 技术的日益成熟、性能价格比的逐步提高，变频调节方式已经慢慢应用到电厂循环 水系统中 5 1 。 变频调速方式的主要优点为： ( 1 ) 变速调节的主要优点是大大减少附加的节流损失，经济性高； ( 2 ) 调速效率高。变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转 8 武汉大学硕士学位论文 速附近运行，基本上保持额定转速差，转差损失不增加； ( 3 ) 调速效率宽，一般可达1 0 ：l ( 5 0 5 h z ) 或2 0 ：1 ( 5 0 2 5 h z ) ，并在整个调速 范围内均具有较高的调速效率，所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于 低负荷状态下运行的场合； ( 4 1 必要时，变频装置可以退出运行，改由电网直接供电，这对泵的安全经济运 行是很有利的。 变频调速方式的主要缺点是目前变频装置的初投资高，这也是应用于泵与风机 调速节能的主要障碍。但随着计算机水平和微型电子技术的不断发展，变频调速技 术已日趋成熟，其性能价格比在逐步提高，所以变频调速技术将有更加广阔的应用 前景。 9 武汉大学硕士学位论文 3 火电厂循环水系统优化运行的数学模型 3 1 数学建模原理 3 1 1基于传统分析法的最佳真空 汽轮机真空对发电厂的经济影响很大，其与环境温度、江河水位、循环水系统 的水力特性、凝汽器特性、蒸汽性质、汽轮机负荷以及汽轮机末级参数等因素构成 了一个复杂的系统，近年来，由于计算机的应用，具备了综合研究的条件【3 4 】。 在发电厂中，对于结构已经确定的循环水系统，在蒸汽流量不变的情况下，降 低凝汽器内的压力，会使蒸汽在汽轮机中的可用焓降增大，从而相应增大汽轮机组 的发电功率，但是在降低凝汽器内压力的同时，需向凝汽器多供冷却水，从而增加 了循环水泵的耗功。在进入凝汽器蒸汽流量及冷却水进口温度一定的情况下，汽轮 机功率的增加值与循环水泵多消耗的电能的差额最大时的真空称为机组的最佳真 空。汽轮机组在最佳真空下运行的发电量最大，因此循环水系统的优化运行问题从 本质上来讲就是寻找机组的最佳真空，首先应该建立优化运行的数学模型，然后给 出其约束条件，运用优化理论和算法最终求得系统的最佳运行方式5 ”。 循环水系统优化运行的数学模型必须建立在已知下列特性的基础上f 2 3 】： 1 ) 各台汽轮机在一定低压缸排汽量条件下，其发电功率与循环水流量的特性： 2 ) 各台循环水泵耗电功率与流量的特性； 3 ) 各台循环水泵的扬程特性； 4 1 循环水系统管道阻力特性。 模型中的主要约束条件有： 1 ) 各汽轮机的循环水流量之和等于各循环水泵的流量之和； 2 ) 循环水系统的水头损失等于并联水泵的总扬程； 3 ) 各凝汽器循环水流量不大于阀门全开时的最大流量； 4 ) 循环水泵稳定运行； 5 ) 凝汽器顶端液体不汽化； 6 ) 满足厂内其它用水需求。 模型的优化目标是各汽轮机的发电功率之和与各循环水泵的耗电功率之和的差 值为最大。 根据上述建模原理，首先要对优化运行中所涉及到的汽轮机特性、凝汽器特性、 1 0 武汉大学硕士学位论文 循环水泵特性和管道阻力特性分别建立各自的数学模型，然后得至q 优化运行的目标 函数；通过给出其约束条件，从而最终得到循环水系统优化运行的数学模型。 3 1 2 基于熊量价值分析法的最经济真空0 1 随着我国电力体制改革的进一步深化，发电企业正逐步迈向竞争激烈的市场经 济。发电企业在电力市场开放、竞价上网逐步实行的翦提下，其工作重点已从过去 的保证机组安全、稳定运行转化到实现机组安全、经济运行上来。影响机组经济运 行的因素主要有机组本体、配套辅机、运行工况和运彳亍技术等。 能量常用数量来度量，如1 0 0 k j 的热能，5 0 k w h 的电能等，同时还可用价值来 表示，如o 3 元k w h 的电能，3 0 0 元吨的标煤等。在热力学分析中各种能量用数量 表示，得出的结果是热力学范畴的纯技术指标，不同能量的价值度量单位虽然各不 相同，但含义都是一样的，即为单位能量的价值。为了便于分析和计算，把能价的 单位统一为元m r ( 或元k w h ) 。“能量价值分析法”是在热力学分析的基础上。按照能 量的价值进行分析，得出的结果才是真正意义上的技术经济指标。传统的节能分析 以热力学第一定律为基础，分析的基础是能量转换过程中能量平衡，追求热效率最 大化；而在市场经济条件下节能分析要以“能量价值分析法”为基础，分析的基准 是发电厂在能量转换过程中实现能价增值，追求利澜最大化，这是与传统节能分析 最根本的区别。 发电厂是能量转化工厂。从热力学分析看，经过锅炉、汽轮机和发电视把燃料 的化学能依次转变为热能、机械能和电能。能量在转化过程中不可避免的存在各种 损失，可用能逐步降低，因此发电厂热效率一般较低。从“能量价值分析法”看， 能量在转换过程中虽然可用能逐步降低，但能量的价值却逐步增加，热能的能价大 于煤的熊价，而电能的能价大于热能能价。如发热量为2 0 m j k g 的甄煤价格为2 6 0 元电，其能价为0 0 1 3 元m j ( o 0 4 7 元k w h ) ，而电能能价为0 0 9 1 7 m j ( 0 3 3 元k w h ) ， 两者能价相差达7 倍。也就是说节约1 m j 的电能给企业带来的效益相当于7 m j 的煤 的能量，反之节约1 m j 煤的能量其效益只相当于节约i 7 m j 的电能。虽然同样节约 1 m j 的能量但节能的经济价值却相差很多，这就是“能量价值分析法”的本质所在。 因此发电厂节能工作应该抓住“同能不同价”这个特点，用“能量价值分析法”对 节能项目进行科学论证，优先开发实施节能效果好的节能项目，为企业创造尽可能 多的经济效益。 在机组负荷、进汽参数不变及凝汽器各项性能指标正常的条件下，凝汽器真空 将随着冷却水流量的增如面上羿，由于每千克蒸汽作功的增加，使得机组汽( 热) 耗量 将减少，相应其燃料、制粉、s 0 2 排放罚款等生产成本将降低；同时，循环耗功将增 加，上网售电收入也将减少；由此引起的机组收益增加量为燃料等成本的降低量与 武汉大学硕士学位论文 上网售电收入的减少量之差，当其达到最大时，则此时凝汽器的真空称为最经济真 空。该优化模型的约束条件与传统分析法相同。 3 2 汽轮机特性 汽轮机特性可以表述为在某一新蒸汽参数和流量下汽轮机组的输出功率与排汽 压力之间的关系，即： n g = f ( p o ，t o ，d k ，p k )( 3 1 ) 式中r 主蒸汽的压力，温度和流量： f 广主蒸汽温度； 魄一主蒸汽流量； 尸f 一汽轮机排汽压力。 汽轮机特性可以通过三种方法得到：通过汽轮机变工况计算得到背压变化与 功率变化之间的关系；通过现场试验得到汽轮机低压缸排汽压力变化后对出力影 响的特性曲线；根据制造厂提供的汽轮机低压缸排汽压力对出力的修正曲线，通 过曲线拟合得到。从严格意义上来说，当背压变化时，如何计算汽轮机的功率变化， 须考虑许多因素，其中包括汽轮机的理想焓降的变化、级效率的变化、末级余速损 失的变化及背压变化所引起的凝结水温的变化等等【2 9 1 ，因此第一种方法计算量大， 非常复杂，现场试验又有一定的困难，考虑到本课题研究的侧重点，本文采用第三 种方法得到汽轮机特性。汽轮机制造厂提供的汽轮机低压缸排汽压力对出力的修正 曲线，通过从曲线上读取数据，经过拟合，得到在一定的低压缸排汽量条件下，每 台汽轮机输出功率 留与排汽压力n 的关系，即 德气埂d k ) 。 功率n g 和r 关系曲线的形状大致如图3 1 所示。 3 3 凝汽器特性 图3 1 汽轮机功率与背压大致关系曲线 凝汽器特性可表述为在一定的设备组成和连接方式下，凝汽器的压力与循环水 初温、循环水流量以及汽轮机低压缸排汽量之间的关系，即； 1 2 武汉大学硕士学位论文 p k = f ( t w ! ，q ，d k )( 3 2 ) 式中“l 循环水初温： 石l 循环水流量； d f 一汽轮机低压缸排汽量。 凝汽器特性的求取有两种方法，一是理论计算；二是通过实验获得。本文根据 设计资料，由理论计算获得凝汽器特性。 3 3 1 凝汽器压力和真空度的计算 凝汽器内的蒸汽压力可由与之相对应的饱和蒸汽温度来确定。 衡及换热条件可知，蒸汽凝结温度为1 3 7 l ： f ，= r i + f + 巧 式中：r 凝汽器压力对应的饱和蒸汽温度，； t 。循环水入口温度，： f 循环水温升，； 西凝汽器端差，。 由热平衡方程：中= d i ( 吃一h c ) = c 。鲫 确 护兰产= 筹 由传热方程可得： 6 t = 南 式中：d 。凝汽器蒸汽负荷，k g s ； 由凝汽器热平 r 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) h 。、 ，分别为排汽比焓和凝结水比焓。当排汽压力变化不大时，a h = h ， 一 近似不变，对大型机组一般取a h = 2 2 5 0 k j k g ； c 。一循环水比热容，k j ( k g ) ； 9 循环水流量，k g s ； p 凝汽器管子有效面积，m 2 ； 后凝汽器总体传热系数，k w ( m2 ) 。 求得f 后，可由以下经验公式求得凝汽器压力： p k = 0 0 0 9 8 1 。( 婴) ，。e kpa(3-7) ) i d o 凝汽器的真空度为： r t = 1 一p k ，9 8 1( 3 8 ) 由此可见，凝汽器压力r 是饱和蒸汽温度t 。的函数，而饱和蒸汽温度又是循环 水初温t 。】和循环水流量q 的函数，因此在不同的0 1 和o 下可以求出一系列不同的 武汉大学硕士学位论文 n 值，便可找出凝汽器变工况特性。 3 3 2 凝汽器总体传热系数k 上面所介绍的凝汽器变工况计算公式中，只有凝汽器总体传热系数k 是一个未 知量，也是一个综合了多种影响凝汽器真空因素的量。 针对大型电站凝汽器，总体传热系数常用的计算公式有三种1 3 0 】：美国传热学会 ( h e i ) 公式、别尔曼公式以及分部计算关系式。 通过几个典型工况的计算表明，三种计算公式得到的总体传热系数k 值相差不 大，结合实际情况，本文采用别而曼公式对总体传热系数k 进行求解： - - 4 0 7 # m 。巾，中：中j0 9 ) 式中：f 考虑冷却管的内表面清洁状态、材料及壁厚的修正系数； 中。考虑冷却管内流速的修正系数； 巾，考虑循环水温度的修正系数； 中考虑循环水流程数的修正系数； 中。考虑凝汽器蒸汽负荷变化修正系数。 f 按下式确定：孝= 手。厶 f ，取决于循环水供水方式的系数，在直流供水且水中矿物质含量较少时 善，= o 8 5 0 9 ，在循环供水时毒，= o 7 5 o 8 5 ； 亭。取