（动力机械及工程专业论文）汽轮机凝汽系统状态监测与运行优化.pdf

东南大学硕士学位论艾 摘要 凝汽系统是火力发电厂的重要组成部分，对整个火电厂的安全经济运行有着重要的影响。深入研究 凝汽系统的f ：作机理和运行特性，优化系统设计，建立凝汽系统运行监测和优化模型，对于实施故障诊 断和提高机组经济运行水平有着重要的理论意义和i 工程实用价值。 本文明确了凝汽器压力的概念，分析、比较凝汽器热力计算常用的方法，研究了不凝结气体对凝汽 器性能的影响，提出不凝结气体增多造成凝汽器真空下降、凝结水过冷度上升，并不完全是因为降低了 蒸汽分压力，而要考虑随着不凝结气体的增多，空气冷却区面积扩大，主凝结区面积减小，使得单位面 积的蒸汽负荷增加，一方面使得通过主凝结区的冷却水温升和端著增火，另方面也使得凝结水膜厚度 增加，造成蒸汽温度升高，从而使得凝汽器压力升高。研究了凝汽器水室中空气存在对系统的影响，指 出由于冷却水中溶解的空气受热后释出等原因，山口水室很容易形成空气聚积，影响凝汽器的有效传热。 对凝汽器喉部结构和附件的布置以及流动特性进行分析，提出安装导流挡板，改善喉部流场，可以提高 凝汽器的传热性能，降低凝汽器压力。分析讨论了凝汽系统的常见故障和征兆，指出评价凝汽器运行热 力性能的主要指标是凝汽器压力，影响凝汽器压力的不确定因素是凝汽器端差，由此本文分析了端差的 组成和影响因素，提出分离水侧脏污和不凝结气体聚积的方法，建立b p 神经网络模型，利用其函数拟 合能力，结合历史数据，对凝汽器端差进行监测，为故障诊断提供依据。本文还对凝汽系统的运行优化 进行了研究，其主要内容是循环水系统的优化算法和水环式真空泵抽气系统的优化改造。 关键词。凝汽器、真空、热力计算、监测、神经网络、运行优化 东南大学硕士学位论义 a b s t r a c t c o n d e n s i n gs y s t e m i sa ni m p o r t a n t p a r to f a t h e r m a lp o w e r p l a n t ，a n di so f g r e a ti m p o r t a n tf o rt h ew h o l e p l a n t ss a f ea n de c o n o m i co p e r a t i n g i ti si m p o r t a n tt h a td e e p l ys t u d i e st h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n do p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c ，o p t i m i z et h es y s t e md e s i g n ，a n de s t a b l i s ht h em o n i t o r i n ga n do p t i m i z a t i o nm o d e lf o rf a u l t d i a g n o s i sa n di m p r o v i n gt h eo p e r a t i o nl e v e l t b e c o n c e p t i o n o fc o n d e n s e r p r e s s u r e i s p u t f o r w a r d a n dt h eu s u a lm e t h o d sf o rc o n d e n s e r t h e n n c l a y n a m i cc a l c u l a t i o na r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s t h ee f f e c to f n o n - c o n d e n s a b l eg a so nt h ep e r f o r m a n c e o fc o n d e n s e ri ss t u d i e d i ti sd e v e l o p e dt h a tn o n - c o n d e n s a b l e g a s r e s u l ti nt h ei n c r e a s eo f a i r - c o o l e d z o n ea n d t h ed e c r e a s eo fm a i n - c o n d e n s e d - z o n ea n dt h ei n c r e a s eo fc o n d e n s a t ef i l m ，s oa st om a k et h ec o n d e n s e r v a c u m nd e c r e a s e t h ep i p ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i co f c o o l i n gw a t e rs y s t e ma n d d i s s o l v e da m o u n t so fa i ri n c o o l i n g w a t e r i sa n a l y z e d t h ee x i s t i n g o f a i r i nc o o l i n g w a t e r p i p eo f c o n d e n s e r a n d i t se f f e c t so ns y s t e m a r e p r o p o s e d t h ee f f e c to f s t r u c t u r eo f c o n d e n s e r st h r o a ta n da c c e s s o r i e si n t e r n a lo n c o n d e n s e ri sa n a l y z e d t h e f a u l t sa n di t s s y m p t o m so fc o n d e n s i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s i ti sd e v e l o p e dt h a tc o n d e n s e r p r e s s u r ei s am a i nc o n t r o l l a b l ep a r a m e t e rf o ra p p r a i s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fc o n d e n s e r t h ec o n d e n s e r s t e r m i n a ld i f f e r e n c ei sa ni n d e t e r m i n a t ef a c t o rt oa f f e c tc o n d e n s e r p r e s s u r e a m e t h o di sd e v e l o p e dt os e p a r a t e t h ei n f l u e n c e so fb o t ht h en o o - c o n d e n s a b l e g a sc o n t e n ti nt h ev a p o rs i d ea n d t h ed i r ti nt h ew a t e r s i d eo nt h e t e r m i n a ld i f f e r e n c e o nt h i sb a s i s ，b pn e u r a ln e t w o r ki su s e dt o m o n i t o r i n g t h ec o n d e n s e r st e r m i n a l d i f f e r e n c e k e yw o r d s ：c o n d e n s e r ；v a c u u m ；t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；m o n i t o r i n g ；n e u r a ln e t w o r k ；o p t i m i z a t i o n o p e r a t i o n i i 东南大学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r 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它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：1 2 塞至 日 期：巡咄 东南大学学位论文使用授权声明 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送交学位论文的复印 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。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。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。 研究生签名：妻翼垩导师签名： 日 期：”咄丘，占 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在现代大型凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽系统起着冷源的作用，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寺与维持一定的真空，从而使汽轮机焓降增大，提高输出功率和循 环热效率。另一方面，又要把凝汽所排出的热量转移出去。凝汽系统布置分散，设备性能不同，设备 之间相互影响较大，而且易受到外界环境的影响。由于设计、安装、检修、运行机制等方面的原因， 在运行过程中时常会出现凝汽器真空偏低的现象。如果凝汽器真空过低，小仪会引起蒸汽在机组中的 何效焓降减小，循环热效率下降，还会导致汽轮机排汽温度升高，排汽缸变形和轴承中心改变引起振 动等故障。因此，凝汽设备的工作性能直接影响到整个汽轮机组的热经济性和安全性，是影响电厂经 济性的最主要系统。对国产机组真空下降对经济性影响的统计显示，真窄每下降1 ，发电煤耗增加 约36 5 5 4 9 j k w h 。国外对机组真空严密- 降的研究表明，真空系统漏气量一方面会造成真空降低，影 响机组理想焓降，另一方面会造成冷凝水含氧量升高，导致机组金属材料的疲劳强度的降低，腐蚀加 速。 凝汽系统韵各种故障最终导致真空度和凝结水品质下降。所以，凝汽系统工作状态的好坏可用真 空度这一综合指标来进行评价。凝汽器的真空严密性问题一直是困扰电r 。的难题，为判断凝汽器的严 密状况，电厂。不得不作真空严密性试验：由于电负荷存在峰符波动，发电机组经常处于部分负荷运行， 凝汽系统各项热力参数偏离设计工况。同时热力发电厂的循环水量非常大，一般是汽轮机排汽量的 5 0 1 2 0 倍，消耗的电能约占机组发电量的1 1 5 ，循环水量的变化也会影响凝汽器的真卒。因 此，对凝汽系统进行状态监测，改造和优化运行，对于发电企业努力降低发电成本，提高经济效益有 着重要的意义。 状态监；矍8 的任务是使机器系统不偏离正常功能，并预防功能失教，在监视的基础上进行诊断；l m 当系统一旦偏离正常功能，则必须进一步分析故障产生的原因，这时的工作h ，理解为是故障诊断。电 站设备的故障诊断技术山状态监测和故障诊断两部分组成。状态监测是了解和掌握设备所处的状态， 具体是用各种检测、测量、监视、分析和判断方法，结合设备的历史和现状，考虑环境的因素，对设 备的运行状态进行评估，并对状态进行显示和记录。对异常状态做出报警，以便及时处理。故障诊断 是根据状态监测所获得的信息，结合己知的结构特性和参数，以及环境条件，该设备的历史记录，对 设备可能要发生或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质和类别、程度、原凶、部 位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的 对策措施，井加以实施，最终使设备恢复到正常状态。 作为火电机组状态监测、故障诊断与运行优化的一个组成部分，凝汽系统的状态监测、故障诊断 和运行优化一直受到电力科技工作者的关注。随着机组容量的增大，运行自动化水平的提高，以及机 组节能改造的实施，对凝汽系统的状态监测和运行优化提出了更高的要求。对凝汽系统热力参数进行 监测，可以及时地对机组的安全性、经济性进行分析判断，从而实时指导运行人员调整设备运行工况， 提高火电机组的经济性能和可靠性。 l 东南大学颐十学位论立 1 2 国内外研究现状和存在的问题 凝汽系统的状态监测与运行优化是来已久的问题，随着火电机组件能分析与监测的发展而发展。 凝汽系统状态监测的目的是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种监测、测量、监视、分析和判 断方法，向运行人员及时报告设备当前的状态参数，并对设备的状态参数进行显示和记录，对异常状 态做出报警。早期的监测主要依靠运行人员的观测并根据经验进行判断来实现，状态监测的自动化和 智能化直是电力科技工作者的目标。在以往的很长一段时间里，山于实践上的困难，状态监测的理 论研究进展缓熳，应用研究则几乎停滞不前。汁算机技术和测量技术的发展为电站性能分析与监测提 供了可靠的技术保证，测量元件向数字化、智能化发展和新测量技术的广泛应用，有力地促进了电站 十牛能分析与监测技术地研究和发展。在2 0 世纪八十年代中期，美国e p r i ( 电力科学研究院) 研究、 ) r 发的汽轮机故障早期诊断在发电厂投入运行，其中包含有凝汽器的状态监测与故障诊断。多年来， 美闱e p r l 不断地致力于凝汽器状态监测与故障诊断的研究与开发，在此领域取得了许多成果。e p r i 资助发展的一个在线凝汽器性能监测系统，通过在线分析监测凝汽器运行数据来确定凝汽器对单元机 组热效率的影响。影响因素包括凝汽器管污染、冷却水流量变化和冷却水入u 温度。通过这些信息， 系统能确定满负荷或部分负荷时的最佳背压和凝汽器清洁因子，从而为管理人员制定停机维修计划提 供依据。 1 2 1 凝汽系统状态监测模型 凝汽系统包括凝汽器、循环水泵、凝结水泵及抽气器等设备，其巾凝汽器是最主要的组成设备。 各组成设备之间相互配合，共同完成冷凝蒸汽、维持真空的作用。它们的容量、性能是否匹配，直接 影响到汽轮机组的安全经济运行。作为关键的组成部分，凝汽器是科技人员研究的重点。从传热学角 度看，凝汽器是种管壳式表面换热器，蒸汽在其中定压凝结。凝汽器的真空是考核其工作忭能的关键。 凝汽器真空决定于冷却水的初温、温升、端差和真空系统严密性。冷却水的初温由外界环境决定，在 运行中无法人为调控。冷却水温升取决于机组负荷及循王； = 水量，改变冷却水量是调节真卒经常采用的 手段。近十余年国内外针对凝汽器的状态监测与故障诊断做了大量的理论研究和工程试验研究，在影 响凝汽器工作性能的机理、状态监测与故障诊断方面取得了重要进展，并推出了具有一定工程实用性 的状态监测与故障诊断系统。为监测凝汽器循环水流量、换热管的脏污，文献 1 】提出了切实可行的方 法。根据流体力学流体流量和压降的关系，提出通过监视凝汽器出口水室与出口水管之间压差( d p ) 的变化来监测循环水量的变化：指出单纯依靠测量进出口水室压差( w w d p ) 来估计换热管脏污程度 的方法并不可靠，但是可以将w w d p 与d p 的比值作为监测的依据。文中给出的方法需要增加几个压 力测点，这不难做到，但是对于不同的凝汽器测点的位置不同，测点布置的好坏直接影响到压力信号 的准确性和灵敏性；而且在较脏的循环水中如何长期测量压差，是一个难题，这些原因影响了其在罔 内的应用。豁子凝汽器清洁程度对机组的影响，许多学者都进行了探讨和研究，归纳起来大致有如下 几类方法：1 通过分析端差的变化对凝汽器的脏污程度进行判断；2 计算水侧传热系数的变化；3 通 过测量凝汽器出入【_ ：i 水室之间水流阻力来反映凝汽器管束水侧的沾污状态。实际上第1 、2 类训算方 法只考虑了污垢对端差的影响而没有考虑汽侧不凝结气体的存在对传热的影响，而第3 类方法与文献 1 h t 提出的方法类似。为确定凝汽系统的故障原因，研究人员采用了多种方法。文献 3 】等采用模糊诊 2 东南大学硕士学位论文 断的方法米诊断凝汽器的故障，该方法用经验、试验统计出备征兆对故障的隶属函数，根据摄人隶属 度的原则，诊断出凝汽器故障的原因及部位，这种方法计算简单，应用方便，但实际应用中，隶属函 数的确定较为困难。人上神经网络由于具有联想记忆、贮存平【1 学习的功能，在故障诊断领域受剑广泛 关注，在凝汽系统的状态监测方面也得到应用【5j 。但是，由丁受现场测量技术的限制及系统和环境条 件的制约，这些方法在运行中不能明确判定系统运行的优劣及故障原冈。【6 】从微观与宏观、过释与结 果两个方面解释了凝汽器真空的形成机理，研究了不凝结气体和抽气设备的上作能力对凝汽器一l ：作性 能的影响，建立了凝汽器运行监测数学模型。综合国内外已有的研究可以得出，国外的研究主要集中 于集总参数传热模型的热力参数在线监测方面，而国内的研究则偏重丁故障的模式识别方面。 1 2 2 凝汽系统的运行优化问题 凝汽系统的运行优化主要是围绕凝汽器的晟佳真卒进行的。其主要目标是在维持凝汽器最佳真空 的前提下，使系统的能耗最小。主要内容包括循环水系统管路优化、循环水量的优化调度、抽气设备 的优化投运及胶球清洗的优化决策。循环水泵能耗很大，并且循环水量在各汽轮机组之问的分配直接 影响各机组的出力和全厂的经济性，合理地选择循环水的运行方式对于提高发电厂的经济效益有着重 要的意义。循环水泵的功耗与循环水量和和泵的扬程有关，所以循环水系统的优化包含循环水量的优 化调度和循环水管路的优化两个方面。循环水优化调度的目的是根据机组负荷及循耶水初温，以最小 的功耗，使得凝汽器达到最佳真空。 早期汽轮机 最备的最佳真空问题可归结为确定水泵的运行台数和组合问题；对于已有的运行工况， 最佳真空的数值同凝汽量及循环水的进水温度有关，其中凝汽量决定于汽轮机的负荷大小，循环水温度 则决定于气候条件及供水方式，这两者在运行条件下是无法改变的。这样，在凝汽器的独立变量中，仅 可改变循环水量。对叶片不可调循环水泵系统，实际运行中只可用改变循环水泵运行台数以及不同组合 的方法来改变流量。因此早期问题归结为：当凝汽量及循环水温度变化时，确定水泵的运行台数及其配 台方式问题( 当水泵型式及特性不同时) 。在实际工作中常将循环水泵的最佳运行方式作成工况图以各 现场查用。为了绘制水泵运行曲线。必须利用以下关系式：汽轮机功率变化与凝汽量、背压的关系；凝 汽器特性，循环水泵耗功与供水量的关系。这些关系可通过大量实验得到。 随着计算机应用的普及，为确定发电j 循环水系统的最佳运行方式提供了新的途径。因此，确定 循环水的优化运行方式变得较为简单和切实可行。所以国内外一些电厂早已开始应用计算机来确定循 环水系统的运行方式，并取得了一定的效果。例如7 0 8 0 年代在前苏联，提出了“利用训算机优化循 环水工况”，并在电，付诸实施：8 0 年代我国吉林省电力局提出“利用计算机确定热电j 循环水最佳 运行方式”，也在一些电厂进行了实践和推广。 循环水管路的优化目的是在保持循环水泵不变的情况下，尽可能地减少循环水管路阻力，吲为从 流体力学可知，循环水泵的工作点由泵的特性曲线和管路的特性曲线共同决定，降低循环水管路的阻 力，就叫以增加循环水流量，降低水泵功耗。管路设计不台理，凝汽器虹吸效果不佳，均会造成循环 水泵多消耗电能；凝汽器水室水流不均匀也会影响到凝汽器换热效果。针对这方面的问题，国外进行 了相应的研究和工程实践，在水流场的优化方面取得了一定的效果。 1 3 论文主要内容 本课题在广泛调研嗣内外的汽轮机凝汽系统数学模型与运行优化研究的基础上，对影响凝汽器性 3 东南大学硕j 学位沦文 能的各个组成部分进行研究。 第二章对凝汽器的热力特性进行研究，明确了凝汽器压力的概念，分析渊入空气对凝汽器压力的 影响。针对凝汽器热力计算中常用的三种方法：美国h e i ，前苏联别尔曼和分部计算法，以现场运行 数据对这三种计算方法进行分析和比较，分析这些公式对发电厂凝汽器运行工况进行计算的适用性， 绪合凝汽器二维计算流体力学研究成果，研究热力计算的修正方法。 第二章针对开式循环冷却水系统，在理论上研究引起凝汽器内冷却水溶解性气体分离的机理，通 过建立数学模型描述影响凝汽器水侧压力和溶解性气体分离的因素，对水室气体的存在对循环水系统 的影自进行分析并提出相戍的解决方法。 第四章对凝汽器喉部结构及附件对凝汽器性能的影响进行了研究，提出降低凝汽器喉部流动阻力， 优化蒸汽流场，提高真空的方法。 第五章针对凝汽器故障诊断中，难以区分汽侧不凝结气体聚积与水侧换热面脏污的问题，提出通 过水室进山口压差和水室与循环水接管间压差的测量，在线监测凝汽器脏污程度的新方法；提出借助 于b p 神经网络的1 f 线性映射能力，将汽轮机运行中的一些很难在线监测同时间接计算又有一一定凼难 的运行参数，拟合成一些可以直接测量或间接计算参量的非线性函数的形式进行在线监测，通过分析 模型输出和实际输出之间的差值，用米评价系统运行状况的好坏，为凝汽器的故障诊断提供依据。 第六章分析和讨论建立循环水系统优化模型的方法，为机组的经济运行提供依据：针对抽气系统， 比较射汽抽气系统、射水抽气系统及水环式真空泵抽气系统的特点，着重讨论水环式真空泵的选择， 抽气系统的组成，对水环泵存在的汽蚀问题进行研究。 4 东南大学硕： 学位论文 第二章凝汽系统特性及热力计算 2 1 凝汽设备的任务及组成 在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 成水并存汽轮机排汽u 建立与维持一定的真空度。 凝汽设备包括凝汽器、冷却水泉、凝结水泵及抽气器( 图2 1 ) ，其中凝汽器是最主要的组成部分。 大多数凝汽器是管壳式结构的换热器，排汽进入凝汽器壳侧f _ n 循环水泵提供的冷却水作为冷却工质， 将排汽凝结成水并带走蒸汽凝结时放出的热量。凝结的水则通过凝结水泵抽出，送往锅炉。蒸汽凝结 使单位容积的蒸汽分子密度减小，导致汽侧空间压力降低，形成真空。在凝汽器开始工作时必须利用抽 气器将壳侧空气抽出以建立真空，并且将凝汽器工作过程中从真窄系统不严密处漏入的空气以及灾带在 汽轮机排汽中的卒气不断地抽出，以维持真空。汽轮机凝汽设备的冷却方式主要有开式冷却系统( 直流 供水) 和闭式冷却系统( 循环供水) 两种。以江、河、湖、海等水作为冷却水的供水系统是开式冷却系 统；采用专门的冷却塔，冷却水在凝汽器与冷却塔之间进行循环的冷却水方式是闭式冷却系统。 根据汽轮机工作原理，凝汽器的真窄度对汽轮机装黄的热力循环效率、功率有很大影响。佩是不 能认为仅仅是由凝汽器建立与维持真空度，实际上抽气器、冷却水泵、凝结水泵等设备的选型、设计是 否正确，与凝汽器的匹配是否合理，工作状况是否正常等，都对凝汽器的真空度有很大的影响。另一方 面，也不能把凝汽器真空的建立与维持看成仅仅是抽气器的事，因为单纯依靠抽气器的工作，无法在机 组运行时维持真空。确定抽气器工作效果的重要条件之一就是从凝汽器抽出来的汽气混合物的参数，如 混合物的流量、温度、成份等，而这些参数主要取决于凝汽器本身的工作。总之，凝汽设备各组成部分 的工作特性和工作效果是相互影响，相互制约的。 圈2 - 1 凝汽系统的原则性组成与汽、水流程 东南大学硕上学位论文 综上所述，凝汽设备的任务可以归纳为： 连续不断地凝结汽轮机的排汽，在汽轮机的尾部建立并维持机组安全、经济运行所要求的真窄 对凝结水和补给水在进入除氧器前作初级除氧，保证凝结水和锅炉给水的挞质； 接收机组启停和正常运行中的疏水，回收热量和减少循环 ：质损失； 接收机组其它和甩负荷过程中的旁路排汽。 2 2 凝汽器压力的确定 凝汽器压力( 真宁度) 是表征凝汽器工作特性的主要指标，因此首先要明确凝汽器压力的概念。我 国“凝汽器性能试验规程”规定：凝汽器压力，是指凝汽器入口截面上的蒸汽绝对压力( 静压) ，用见 表示；凝汽器计算压力，是指离凝汽器管柬第一排冷却管3 0 0 r a m 处的蒸汽绝对压力( 静压) ，用p t 表 示，p ：与p 。之筹决定于凝汽器喉部的阻力和扩压情况。现代大型凝汽器喉部内装有回热抽气管、低压 加热器、蒸汽导流板等，不仅对凝汽器喉部的流场产生影响，并且产生流动阻力将使凝汽器性能下降。 本文后面的叙述，一律用p 作为凝汽器的压力。凝汽器真空度是指当地大气压力与凝汽器乐力仇之著。 凝汽器压力最小值决定丁_ 冷却水进口温度。在以冷却水星为无限多的理想凝汽器中，冷却水各处 温度都相等，并等于冷却水的进口温度；又没有不凝结气体存在时，蒸汽与冷却水的温差为零，这时可 根据饱和温度决定其“理想”压力。实际上，冷却水量是有限的，传热条件也不是理想的，蒸汽与冷却 水的温差总是大于零，故蒸汽的凝结温度总是大于冷却水的温度。 图2 - 2 所示是蒸汽和冷却水的温度沿冷却面积变化规律。凝汽器中蒸汽与冷却水的热交换流动型式 可近似地看成逆流。沿冷却面积，冷却水的温度由进口 上升到出口f 。：。汽轮机排汽进入凝汽器，在 管束的进口处蒸汽中空气的相对含量很小，凝汽器压力以即等丁蒸汽的分压力肌，进口处的蒸汽温度 等于凝汽器压力p 。相对应的饱和温度，。忽略凝汽器的汽阻，凝汽器压力沿冷却面积不变，相对应的 饱和温度也不变。但是接近凝结终止时的空气冷却区，由于该区域蒸汽已大部分被凝结，蒸汽中空气的 相对含量却大大增加，相应蒸汽分压力p ，显著低于凝汽器压力，与此对应的饱和温度也明显降低。 大型凝汽器的压力一般采用水银真空计测量，测点布置在离管束第一排冷却水管约3 0 0 m m 处，称 为凝汽器真空度。凝汽器压力n ( p a ) 为 p k = b h ( 2 1 ) 式中b 一大气压力，p a ； h 一凝汽器压力，p a ： 凝汽器的真空度通常用百分数表 示为 矿：丝x 1 0 0 ( 2 - 2 ) 或者 图2 - 2 蒸汽与循环冷却水的温度沿程变化示意图 6 东南大学硕上学位论空 v 凤2 b ( 1 - 而) ( 2 - 4 ) r 列计算公式中的b 和h 均为实际温度条件下的测量值。 2 3 凝汽器热力计算方法的分析与比较 凝汽器的压力或真空决定于汽、液两相共存的热状态平衡温度。如图2 - 2 所示，与凝汽器压力仇相 对应的饱和蒸汽温度可表示为 t ，= t 。l + a t + j t ( 2 5 ) 式中，f 一冷却水温升，a t = t 。2 一f 。l ，； 函一端差，6 t = t ，一t 。2 ，a 冷却水进口温度f 。决定于地区的气温和供水方式，而与凝汽器的运行情况无关。冷却水的温升由凝汽 器蒸汽负荷和冷却水量决定，可以根据凝汽器热平衡方程式求得： g ( 矗一矗) = e o c p ( f 。2 一f 。1 ) ( 2 - 6 ) 式中：d 。一进入凝汽器的蒸汽量( k g h ) ： 口。一进入凝汽器的冷却水量( k g h ) ； h 、h 。一蒸汽和凝结水的焓( k 1 k g ) ； c 。一水的定压比热( k j k g ) 。 这样，循环冷却水的温升为 污里 ! 二垒2 d 。c ， h h 2 i 2 - 7 式中，m = d 。d 。，称为凝汽器的冷却倍率，它表示凝结单位质量蒸汽所需要的冷却水量，m 值 越大，& 越小，凝汽器就可以达到较低的压力，但因此而消耗的冷却水量及循环水泵的耗功也越火。 在电厂运行中，调节冷却水量，也就是改变冷却倍率，是一种常用的调节手段，图2 - 3 反映了某发电 厂1 3 7 5 m w 汽轮机组功率和循环水量变化时，冷却水温升的变化，图中显示，当机组功率由1 2 0 m w 下降到1 1 0 m w 时温升由1 1 2 下降到9 。在1 l ：4 0 时冷却水泵由两台运行改为一台运行，此时尽管 机组负荷保持不变，但冷却水温升由9 上升到1 2 c 左右。 在凝汽器集总参数对数平均温差模型下，凝汽器的传热方程为 q = k a 。f 。( 2 8 ) 式中，1 0 一凝汽器的总体传热系数； a t ，蒸汽与冷却水问的对数平均传热温差，即 a t 缸2 砸面而币可。9 由此求得端差为 7 东南大学硕j 学位沦文 p 世 娟 图2 - 3 汽轮机功率与循环水沮升变化曲线 。 a t d t2 可1 一 ( 2 1 0 ) e 。w 。，一l 在凝汽器集总参数模型下，无论是设计计算，还是非设计上况的运行特性分析与故障诊断，关键的 t 作是要确定总体传热系数k 。分析、比较凝汽器热力计算常用公式的特点和适用范围，由此求得修 正方法，对凝汽器进行变工况计算以及进行敌障诊断与运行优化十分重要。目前，国内外汽轮机表面式 凝汽器热力计算较，。泛使用美国热交换器协会( h e i ) 公式、前苏联别尔曼公式和分部计算公式。 2 3 1 表面式凝汽器热力计算的常用公式 2 3 1 1 美国热交换器协会( h e t ) 公式 美国热交换器协会表面式凝汽器总体换热系数计算公式阻1 是 k = k ix 昂f m 疋 ( 2 - 1 1 ) 式中，足一未修正的换熟系数，与冷却管外径和冷却水流速有关，见图2 - 4 r 一冷却水温度修正系数，见图2 - 5 ； 只，一管子材料和规格的修正系数，见图2 - 6 ； 只一清洁系数。 图2 - 4 未修正的换热系数与管径和冷却水流速关系 一邑瓣薄 伽仍伽懈雠伽5；：8 东南大学硕上学位论文 图2 - 5 进口水温修正系数 图2 6 冷却管壁厚修正系数 “ 2 3 1 2 前苏联剐尔曼公式 前苏联别尔曼公式是 k = 4 0 7 0 孝m 。圣，中：o d ( 2 1 2 ) 式中：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； 中：考虑冷却水温的修正系数； 中：考虑冷却水流程数的修正系数 中5 ：考虑凝汽器蒸汽负荷变化的修正系数a 按下式确定： l = 受色 其中，毒：主要取决于冷却水供水方式的系数，在直流供水且水中矿物质含量较小时，2 0 8 5 0 9 0 ， 在循环供水时，皇卸7 5 t 0 8 5 ； 己：取决于冷却管的材料与壁厚的系数，对于壁厚为l m m 的黄铜管为1 0 ，b 5 管为0 , 9 5 ，b 3 0 管为o 9 2 ，不锈钢管为o 8 5 。 中。：主要取决于冷却管内流速k ，但也与冷却管内径d 2 修正系数e 及冷却水温f 。t 有关，按下 式确定： 卟愕丁 p m x ：计算指数，按下式计算 2 1 8 6 4 l 0 0 0 【至 东南大学硕士学位论文 z = 0 1 2 善( 1 + 0 1 5 t 。1 ) ( 2 - t 4 ) 但当x o 6 ，即冷却水温f 。l 2 67 时，取x = o 6 e 。 中：主要取决于冷却水温f 。1 ，但也与修正系数e 及凝汽器比蒸汽负荷有关，当f 。，3 5 * c 时，按_ f 式确定： 卟l 一警( 3 5 - t 。) 2 ( 2 1 5 ) 其中 b = 0 5 2 0 0 0 7 2 9 ， ( 2 - 1 6 ) 式中，g 。：凝汽器比蒸汽负荷，g ( m 2 1 s ) 。 由上可见，采用别尔曼公式作凝汽器设计计算时，要预先假定g ；值，通过逐步迭代逼近的方法来 最终确定总体传热系数。但非设计工况运行分析时，直接由蒸汽负荷求得比蒸汽负荷。当3 5 。c t 。 4 5 时，中t 按下式确定： 中，= l + o 0 0 2 ( t 。1 3 5 ) ( 2 - 1 7 ) q b z 主要取决于冷却水流程数，但也与冷却水温0 l 有关，按下式确定： 咛等 卜石t w l p 瑚 可以看出，当z = 2 时，中z = 1 - 0 ，但当z = l 且0 l 4 5 c 时，中z 1 0 ，从该公式可以得出结论，双流程凝 汽器的换热系数要比单流程来的大。 中。是为了考虑凝汽器变工况运行时，计算蒸汽负荷对换热系数的修正。当凝汽器在额定比蒸汽负 荷g 。至g ：= 8 c g ，的变工况范围内运行时，中5 2 1 ，0 ，其中 正= o 8 0 o l f ( 2 1 9 ) 但当凝汽器在比蒸汽负荷进一步降低至或 1 0 4 e ( t ) ( 5 - 1 6 ) l叶( f ) ( 6 ) 数值优化 如何加速bp 网络的收敛速度和尽 量避免陷入局部极小点是b p 网络应用的 关键，采_ j 数值优化技术，可以大大加快 网络的训练速度，这里我们采用了 l e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l m ) 方法。这种算 法的关键是雅可比矩阵的计算，有关l m 方法的详细介绍，可以参考文献1 4 2 1 1 4 3 1 。 程序的计算流程见图5 - 9 ，根据以上 计算流程编制程序，界面如图5 1 0 。运行 程序后首先是建立神经网络，选择网络输 入层、隐含层、输出层的节点数。网络结 构确定后要设置系统参数，如系统精度， 最大训练次数，学习速度。训练样本数据 从文本文件中导入，文件格式为每个参与 训练网络的样本数据( 包括输入和输出) r 用一行，数据之间用空格隔开；最终计算 的网络权值和闽值以及计算结果均保存在 文本文件中。网络训练完毕后，按转换状 态按钮，即可进行数据测试和检验。在进 行检验和函数拟合时，输入数据和网络权 值及闽值分别从文本文件中导入，计算结 果输出到文本文件中。 2 网络的训练与应用 我们首先建立凝汽器理想端差的模 型。采集一台1 3 7 5 m w 凝汽式汽轮机组 在清洗后的数据，在采集到的数据中，通 过观察数据的频率分布图或其他依据，剔 除异常的数据对，将剩下的数据样本分成 两部分，即训练样本和测试样本。通过训 练样本的学习，系统的误差达到给定精度， 即网络学习完毕，得到所要求的网络。为 了检验网络的正确性，利用测试样本来检 验训练好的网络。 图5 - 9b p 神经网络计算流程图 东南人学硕士学位论文 图5 1 0b p 神经网络程序界面 首先对初始参数赋初值，由于系统是非线性的，初始值对于学习是否达到局部最小，是否能够收敛 以及训练速度的关系很大。取初始权值为( - 1 ，1 ) 内的随机数，学习速度的初值为0 1 ，系统误差为 0 0 0 2 。 在训练前应首先将数据进行归一化处理，具体做法是见表5 2 ，表中带有上标的符号为未处理的数 据，不带上标的为处理后的数据。 在不同隐层节点数目下，样本的训练次数是不同的，如图5 1 1 。从图中可见，选择9 个隐层节点， 网络的训练次数最少，因此我们选择网络的结构为5 - 9 + 1 。网络的训练过程见图5 ，1 2 。网络训练完成后， 部分样本的测试结果见表5 3 。由表可见，网络计算结果与测量值的误差很小。 表5 - 2 热力参数的归一化处理 单位取值范围归一化处理公式 机组功率m w 【5 0 ，1 4 0 】卑= 一5 0 ) 9 0 冷却水进口压力m p a 【0 , 0 1 】p i n p h 0 1 冷却水进口温度 【0 ，3 3 】 t m o 3 3 冷却水温升 【5 ，2 0 】 a t = ( a t 一5 1 1 5 凝汽器端差 k p a 【0 ，2 0 】 6 t = 占f ，2 0 4 3 东南人学硕上学位论文 6 0 0 0 5 0 0 0 蒜4 0 0 0 羹3 0 0 0 4 2 0 0 0 1 0 0 0 0 械 嗤 螺 谣 5 2 3 7 圈 鋈 2 3 1 8 黼 目 6 9 52 3 64 6 3 圈 图 一 绷圉 0 8 9 1 0 1 1 隐层节点数 图5 1 1 隐层节点数与训练次数关系 o2 5 5 0 训练次数 图5 1 2 网络训练过程 表5 - 3 部分网络测试结果 1 0 0 冷却水进口冷却水进口机组功率端差( ) 序号 温升( ) 压力( m p a )温度( ) ( m w ) 测量值网络输出 10 0 51 0 51 2 31 57 1 27 1 1 2 0 0 6 32 5 21 2 21 34 8 l4 8 0 30 0 6 3 1 ，3 1 1 09 1 3 9 93 4 0 4o 0 77 1 1 2 4 1 4 97 9 2 7 9 2 50 0 6 86 29 81 0 ，l8 2 68 2 5 60 0 74 71 2 01 3 68 6 l8 6 1 70 0 5 81 91 2 21 2 35 3 25 3 3 80 0 5 42 l _ 61 0 61 35 2 05 1 9 90 0 7 52 6 81 1 4 1 2 1 4 4 34 4 l 1 00 0 6 42 8 71 2 2 j 2 34 6 346 3 4 4 东南大学硕士学位论文 1 10 0 4 52 1 61 1 01 34 6 84 6 7 1 20 0 5 51 8 11 2 31 35 5 45 5 5 1 30 0 2 21 3 61 3 01 3 26 3 76 3 6 1 400 3 58 71 2 51 447 6 l7 6 1 1 5 0 0 3 65 21 2 41 2 9 8 3 38 3 5 1 60 0 4 49 78 59 47 3 07 3 1 1 70 ，0 4 21 61 2 41 3 66 0 26 0 1 1 8o 0 42 141 1 51 1 64 8 64 8 6 1 900 4 52 5 31 1 91 3 34 7 54 7 7 2 00 0 82 9 1 1 2 51 3 44 7 24 7 4 由于在计算时需要对输入输出数据进行归一化处理，因此输出的数据误差为系统误差乘以输出数据 的取值范围。实际上由于各参数的数据采集或现场仪表存在定误差，使有些测试样本的输入造成网络 的输出误差，难以达到训练时误差要求，但其结果基本满足要求。 以训练好的网络，对实际运行数据进行计算，可以求得凝汽器端差应达到的理想值。图5 - 1 3 是以 训练好的网络计算的端差曲线，数据来源于机组清洗后的实际运行数据，从图中可以看到，在初始阶段， 真空的网络输出值和实际值接近，随着时间的推移，实际值高出网络输出值，它们之间的差值包括了污 垢造成的端差和不凝结气体造成的端差。这说明在运行一定时间后，由于换热管内表面豹脏污等原因， 造成换热恶化。 p 。+ j j l 】 磐 1 0 8 6 4 一测量值 1357g1 11 31 51 71 9 图5 1 3 凝汽器端差的测量值与网络输出值 0 8 y 8 同样，利用压差比与凝汽器端差关系的模型，可以获得在不同脏污程度的条件下凝汽器的端差。 这样通过公式( 5 8 ) 和( 5 9 ) ，可以分别求得水侧脏污产生的端差和汽侧不凝结气体产生的端差，为 凝汽器的故障诊断提供依据。 5 5 本章小结 本章研究了基于压差比的凝汽器水侧脏污的监测方法，实现水侧脏污与汽侧不凝结气体聚积的分 离。提出运用b p 神经网络方法监测凝汽器端差变化的方法，该方法利用机组运行数据，通过神经网络 模型，获得凝汽器端差的偏差。由于现场数据不足的原因，本文未对压差比与脏污的网络模型进行训练。 但该方法是可行的，只要有足够的数据，就可以用神经网络模型反映出凝汽器端差的变化。 东南大学碗j 二学位论文 第六章凝汽系统的运行优化 6 1 循环水系统优化运行 火电厂的循环水系统是一个庞火的动力系统，其供水量般是汽轮机排汽量的5 0 7 0 倍，同时其 消耗的电能约占总发电量的1 1 5 ，因此研究与改善循环水系统的运行方式，对于节约厂用电， 提高电厂运行经济性具有重要意义。长期以来，循环水系统的优化运行一直是电厂运行人员十分关注 的问题。 最优化理论和计算方法的发展。以及计算机的应用为实现动力系统最优化提供了良好的基础。利 用计算机，只要把实际运行数据输入计算机( 离线或实时采集) ，很快便可求出最佳的水泵运行组合和 每台机组的最佳循环水量，从而确定循环水系统的最优运行方式。运行人员根据计算结果进行调整， 可以使工况达到最优。 6 1 1 循环水系统经济运行的优化模型 1 目标函数 在某种循环水系统运行方式下，机组出力与水泵耗功之差为晟大，则该方式为循环水系统的最佳 运行方式，此时电厂运行的经济性晟高，故目标函数为： m a x p 2 蓍b 一再弓 c s 舢 其中0 一第i 台机组的发电量，i = l ，2 ，m ，m 为机组台数； 一第j 台水泵的耗电量，j = 1 ，2 n ，n 为水泵台数。 当循环水系统为单元制时，m = 1 ，上式可以简化为 m a x a p l p 一荟 ( 6 2 ) 2 独立变量 循环水系统经济运行条件的是循环水系统的运行方式，即循环水系统的运行方式是优化模型的变 量，循环水系统中，可改变的是水泵的运行方式和阀门的开启状况。循环水量的调节主要用以下方法 来实现： ( 1 ) t 作水泵的台数： ( 2 ) 调节水泵出口阀门的开度： ( 3 ) 调节水泵的转速； ( 4 ) 在轴流式水泵中调节工作叶片角度。 在实际运行中，用开大或关小循环水供水阀门的方法来调节循环水量是不经济的。阁为关小阀门 后，供水量可能减小很多，但循环水泵的功率却减小甚微。因此运行时循环水泵的出口门及凝汽器的 4 6 东南大学硕士学位论支 进水门应全开，不作为调节的手段。只有在母管制系统中，当各凝汽器之间的水阻特性相荠很人，为 了调节分配循环水流量时，才考虑将部分凝汽器进水管上的阀门关小。 泵的功率与转速的平方成正比，因此改变转速是最经济的一种调节方法，实现这种啁节方法需要 采用无级变速或双速电动机，国内已有成功的应用经验【7 “。 在轴流式水泵中所采用的调柑工作叶片安装角度的方法是调节水泵出水量和扬程的展完善的方 法，它的动叶安装角可以随着不同的上况而改变，这就使得可动叶片的轴流式泵在低负荷时的效率大 大高于离心式泵。但是该方法的缺陷是在运行中无法进行叶片角度的调整，因此其应用也就受到一定 的局限。 在单元制循环水泵装置系统中，用改变同时工作的水泵台数来调节循环水量的