空冷汽轮机冷端优化的方法

摘要

本发明提供了一种空冷汽轮机冷端优化的方法，涉及火力发电领域。所述方法包括：S11，在排汽管道的导汽管水力设计优化程序中，根据空冷凝汽器气温上限保证值运行条件、背压和导汽管的初始段参数得到空冷凝汽器各管束相等的末端压力；S12，根据步骤S11得到的结构参数和运行参数通过计算机模拟计算各管束的蒸汽分配值；S13，如果所管束的蒸汽分配值的不均匀误差应在5%以下，则进行步骤S14，否则循环进行步骤S11和S12；S14，计算在选定方案下的不同背压、不同排汽量的排汽管道的压降函数Δp=F（pk,Dk），根据压降函数对排汽管道进行优化。本发明通过上述方法实现了空冷汽轮机冷端的优化，提高了经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及火力发电领域，特别涉及一种空冷汽轮机冷端优化的 方法。

背景技术

在煤矿资源丰富、开采费用又合理，但缺乏冷却水的地区，电厂 使用空冷汽轮机发电。与湿冷机组相比，空冷汽轮机发电会在热力学 上因可用焓降减少造成经济上的损失，但它可在从火力电厂总投资和 运输费用的减少而得到弥补。

为了使使用空冷汽轮机发电的火力电厂的经济效益达到最大值， 在发电时，需要对空冷汽轮机的背压进行优化控制。

现有技术中，通过对空冷汽轮机的冷端优化实现对空冷汽轮机的 背压优化。冷端包括排汽管道、空冷凝汽器、凝结水收集装置、凝结 水系统。空冷汽轮机的热汽通过排汽管道进入空气冷凝器，在空气冷 凝器中经冷风冷却成水，进入到凝结水收集装置。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种空冷汽轮机 冷端优化的方法。所述方法包括：

S11，在排汽管道的导汽管水力设计优化程序中，根据空冷凝汽器 气温上限保证值运行条件、背压和所述导汽管的初始段参数得到所述 空冷凝汽器各管束相等的末端压力；S12，根据步骤S11得到的结构参 数和运行参数通过计算机模拟计算所述各管束的蒸汽分配值；S13，如 果所述各管束的蒸汽分配值的不均匀误差应在5%以下，则进行步骤 S14，否则循环进行步骤S11和S12；S14，计算在选定方案下的不同 背压、不同排汽量的排汽管道的压降函数Δp=F（pk,Dk），根据所述压 降函数对排汽管道进行优化；其中所述空冷凝汽器气温上限保证值运 行条件包括：汽轮机特性参数、气温和气压，所述汽轮机特性参数包 括：汽轮机的背压、输入热量、排汽量、排汽干度和发电功率。

在如上所述的方法中，所述步骤S11具体包括：在排汽管道的导 汽管水力设计优化程序中，根据空冷凝汽器气温上限保证值运行条件， 且令所述背压等于保证值背压，改变所述导汽管的初始段参数得到所 述空冷凝汽器各管束相等的末端压力；其中，令所述背压等于保证值 背压时，所述空冷凝汽器各管束通过的蒸汽流量相等。

在如上所述的方法中，所述步骤S14之后，还包括：S31，根据噪 声测量与限制条件，用噪声计算软件计算空冷风机不同时段的噪声界 限；S32，在最优背压计算软件和最优背压下空冷风机转速计算软件 环境下，根据不同所述空冷凝汽器背压、不同排汽量的排汽管道的压 降函数得到所述空冷汽轮机特性参数的函数；S33，根据风场模型模拟 计算得到所述空冷凝汽器的基本换热单元的相对效率，其中，所述基 本换热单元包括：基本管束和基本风机；S34，根据所述噪声界限、所 述空冷汽轮机特性参数的参数、所述基本换热单元的相对效率，在所 述空冷凝汽器的气温上限保证值条件下，通过优化软件中的最优空冷 凝汽器背压函数和空冷凝汽器管道压降函数，得到优化后的空冷凝汽 器基本换热单元数。

在如上所述的方法中，所述步骤S32具体包括：S321，计算并拟 合在预设的空冷汽轮机输入热量下，空冷汽轮机排汽量和背压之间的 函数Dk=D（pst）；S322，计算并拟合在预设的空冷汽轮机输入热量下， 空冷汽轮机排汽干度和背压之间的函数Xk=X（pst）；S323，计算并拟 合在预设的空冷汽轮机输入热量下，空冷汽轮机背压变化引起空冷汽 轮机发电量相对于指定值变化的函数ΔN=N（Pst）；S324、根据所述函 数pst=F（pkc）、Dk=D（pst）、Xk=X（pst）和ΔN=N（Pst）得到所述 空冷汽轮机特性参数的函数。

在如上所述的方法中，所述步骤S34之后，还包括：S51，根据凝 结水收集位置的蒸汽分压和空气分压得到凝结水的含氧量和凝结水对 应的饱和压力；S52，根据所述含氧量和饱和压力得到完全凝结时的凝 结水温度和过冷度；S53，根据所述凝结水温度和所述过冷度，得到优 化后的凝汽器顺逆流管束比。

在如上所述的方法中，所述步骤S53之后，还包括：S61，根据所 述空冷凝汽器管束材质，优化机组汽水循环通道材质和水质处理工艺 使机组寿命期间材质腐蚀最小，处理工艺费用最低；S62，根据凝结水 和疏水可分别处理，对凝结水和疏水系统的结构进行优化。

在如上所述的方法中，所述步骤S11之前，还包括：S71，营造各 种风向和风速下所述空冷风机需要的冷风来源通道和各种风向和风速 下所述空冷凝汽器排出热风的通道和冷却热风的冷风来源通道；S72， 阻挡所述空冷凝汽器入口空气热回流和引导出口热风直接离去；S73， 合理选择所述空冷风机的压头裕量，使有横风时保证且均衡各空冷风 机的冷风进风量。

本发明针对空冷汽轮机冷端一次性提出了冷端优化解决方案，通 过最优控制凝结水收集位置、空冷凝汽器基本换热单元、凝结水系统 和结构风来实现空冷汽轮机背压的最优化控制，给空冷汽轮机及其机 组运行带来的经济效益有最大值。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的一种空冷汽轮机冷端优化的方法 流程图；

图2是本发明优选实施例提供的空冷凝汽器中蒸汽与空气分压的 变化过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图 对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，本发明优选实施例提供了一种空冷汽轮机冷端优化的方 法，所述方法包括：

S11，在排汽管道的导汽管水力设计优化程序中，根据空冷凝汽器 气温上限保证值运行条件、背压和导汽管的初始段参数得到空冷凝汽 器各管束相等的末端压力；

其中，步骤S11具体包括：

在排汽管道的导汽管水力设计优化程序中，根据空冷凝汽器气温 上限保证值运行条件，且令背压等于保证值背压，改变导汽管的初始 段参数得到空冷凝汽器各管束相等的末端压力，其中，令背压等于保 证值背压时，此时空冷凝汽器各管束通过的蒸汽流量相等。

其中，空冷凝汽器气温上限保证值运行条件包括：汽轮机特性参 数、气温和气压，汽轮机特性参数包括：汽轮机的背压、输入热量、 排汽量、排汽干度和发电功率，在实际应用中，汽轮机特性参数还可 以包括：热耗、排汽焓和排热量。

S12，根据步骤S11得到的结构参数和运行参数通过计算机模拟计 算各管束的蒸汽分配值；

其中，结构参数为导汽管的初始参数，运行参数为汽轮机特性参 数、气温和气压。

S13，如果各管束的蒸汽分配值的不均匀误差应在5%以下，则进 行步骤S14，否则循环进行步骤S11和S12；

S14，计算在选定方案下的不同背压、不同排汽量的排汽管道的压 降函数Δp=F（pk,Dk），根据压降函数对排汽管道进行优化。

综上所述，也就是说，到空冷凝汽器的排汽管道的优化包括：长 度（减少管道压降和不妨碍凝汽器冷却风来源），减少管道元件阻力和 均匀蒸汽在空冷凝汽器各基本换热单元间的分配。

为了得到好的优化结果，在步骤S14之后，还包括空冷凝汽器基 本换热单元的优化，该优化具体包括：

S31，根据噪声测量与限制条件，用噪声计算软件计算空冷风机不 同时段的噪声界限；

S32，在最优背压计算软件和最优背压下空冷风机转速计算软件环 境下，根据不同空冷凝汽器背压、不同排汽量的排汽管道的压降函数 得到空冷汽轮机特性参数的函数；

其中，步骤S32具体包括：

S331，计算并拟合在预设的空冷汽轮机输入热量下，空冷汽轮机 排汽量和背压之间的函数Dk=D（pst）；

S332，计算并拟合在预设的空冷汽轮机输入热量下，空冷汽轮机 排汽干度和背压之间的函数Xk=X（pst）；

S333，计算并拟合在预设的空冷汽轮机输入热量下，空冷汽轮机 背压变化引起空冷汽轮机发电量相对于指定值变化的函数ΔN=N （Pst）；

S334，根据所述函数pst=F（pkc）、Dk=D（pst）、Xk=X（pst）和 ΔN=N（Pst）得到所述空冷汽轮机特性参数的函数。

S33，根据风场模型模拟计算得到空冷凝汽器的基本换热单元的相 对效率，其中，基本换热单元包括：基本管束和基本风机；

S34，根据噪声界限、空冷汽轮机特性参数的参数、基本换热单元 的相对效率，在空冷凝汽器的气温上限保证值条件下，通过优化软件 中的最优空冷凝汽器背压函数和空冷凝汽器管道压降函数，得到优化 后的空冷凝汽器基本换热单元数。

需要说明的是，空冷凝汽器基本换热单元的优化设计实质是选择 具有最佳经济性的空冷凝汽器换热能力的方案。空冷凝汽器中由基本 管束和基本风机构成的基本换热单元是根据各种优化过程和试验确定 其基本结构和得到其基本参数的。大机组用空冷凝汽器随着基本换热 单元数量的增加，排列在大阵列中的每一单元在不同的风环境下的相 对换热效率不同，甚至相差很大。在上述情况下，空冷凝汽器在设计 时要优化凝汽器的管束换热面积实际上变成了优化设计相对换热效率 的空冷凝汽器基本换热单元数目及其布置。

为了进一步得到优化结果，在步骤S34之后，还包括凝结水收集 位置的优化，该优化具体包括：

S51，根据凝结水收集位置的蒸汽分压和空气分压得到凝结水的含 氧量和凝结水对应的饱和压力；

S52，根据所述含氧量和饱和压力得到完全凝结时的凝结水温度和 过冷度；

S53，根据所述凝结水温度和所述过冷度，得到优化后的凝汽器顺 逆流管束比。

需要说明的是，当空冷凝汽器的结构确定后，其凝结水温度随大 气的干球温度变化，由于凝结水温度将影响整个机组的系统效率，因 此要通过可能的措施对各种系统参数和结构进行优化使凝结水温度尽 量的接近凝汽器的饱和温度，即过冷度尽量的低。同时，由于凝结水 溶解的氧会增加凝结水精处理装置的负担和造成给水管及给水加热器 的腐蚀。因此，凝结水溶解的氧也是应优化的另一个目标，它是与凝 结水过冷度指标相伴的，随凝结水面上蒸汽中的氧气分压变化。

在实际应用中，由于空气漏入空冷凝汽器，空冷凝汽器中的绝对 压力就不能按照饱和压力与温度的关系来和凝结蒸汽的温度相对应。 当有空气存在时，空冷凝汽器压力乃是蒸汽和空气的混合物的压力， 混合物温度只能决定混合物中蒸汽的分压力。当混合物压力为一定值 时，混合物中蒸汽的分压力在数值上与混合物中蒸汽量和空气量的比 值有关。空冷凝汽器工作时，蒸汽不断被凝结，非凝结气体不断被浓 缩，最后从空气冷却区出口排出汽、气混合物。蒸汽从空冷凝汽器入 口进入管束，向空气冷却区的出口流去，此间由于蒸汽不断地被凝结， 蒸汽量与空气量的比值随之不断地改变，蒸汽的分压力也因之改变。 如图2所示，从空冷凝汽器的入口到不凝结气体的抽气口，由于沿程 存在阻力，空冷凝汽器总压力从最初的p_k下降到抽气口处的最终压力 整个汽阻为沿程流动过程中，由于蒸汽凝结，蒸汽 的分压力p_s逐渐降低。由于空气浓缩，空气的分压力p_a逐渐增加，特 别在空气抽出口处，蒸汽的分压力降到最低，而空气的分压力增加到 最大值，并超过了蒸汽的分压力。

根据道尔顿定律，并把它推广到汽气混合物中，凝汽器中的绝对 压力可写成：p_k＝p_s+p_a   （1）

相应的将其推广到空气冷却器的下联箱，可写成：

$p_k^{\prime }=p_s^{\prime }+p_a^{\prime }---\left(2\right)$

空气冷却区的出口可写成：

$p_k^{\prime \prime }=p_s^{\prime \prime }+p_a^{\prime \prime }---\left(3\right)$

按中等严密性考虑的机组，真正漏入的空气量与与进入空冷凝汽 器的蒸汽量相比并不大，一般都小于进汽量的0.01%。如果200、300、 600MW容量机组漏入空气量分别按27、35.5和65kg/h计，漏入空气 量与排汽量之比仅为0.006、0.0058和0.005%。

即凝结开始时，空气量占总的排汽量很小，空气的分压力也小， 凝汽器的压力几乎等于蒸汽的分压力，即p_k≈p_s。只有在凝结的最后阶 段，由于空气量在汽、气混合物中已占有很大的比例，空气的分压力超过了蒸汽的分压力混合物压力中空气的分压力占主要部 分。将理想气体状态方程式用到空冷凝汽器中不会有大的误差。对混 合物中的蒸汽则p_sv_s=R_sT_s   （4）

式中：p_s-蒸汽分压力，单位Pa；

v_s-干饱和蒸汽的比容，单位m³/kg；

R_s-水蒸汽的气体常数，单位Nm／(kg·K)；

T_s-蒸汽绝对温度，单位K。

对混合物中的空气则有p_av_a=R_aT_a   （5）

对于一个封闭容器，其中充满干饱和的汽、气混合物则：

V_s=V_a=V及T_s=T_a=T，

上式中：V、V_s、V_a-分别为混合物、干饱和蒸汽和空气的容积， 单位m³；

T_s、T_a、T-分别为混合物、干饱和蒸汽和空气的绝对温 度，单位K。

由于V=D_kxv_s(x为蒸汽的含量)，V_a=G_av_a，且空气R_a＝287.14(Nm) ／(kg·K)，蒸汽R_s＝462.1(Nm)／(kg·K)。

则得：p_s＝p_k/{1+0.622×G_a/(x×D_k)}   （6）

对于凝结水联箱处蒸汽分压有：

$p_s^{\prime }=p_k^{\prime }/\{1+0.622\times G_a/(x^{\prime }\times D_k^{\prime })\}---\left(7\right)$

对于凝结水联箱处空气分压有：

$p_a^{\prime }=0.622\times G_a\times p_s^{\prime }/D_k^{\prime }---\left(8\right)$

用上式（6）、（7）和（8）即可求出凝结水的含氧量和凝结水对应 的饱和压力，进而算出正好完全凝结时的凝结水温度和过冷度。

由于空冷凝汽器的空气是通过逆流管束抽出的。对于单排管空冷 凝汽器的凝流管束已退化成专门的空气通道。在给定漏空量的情况下， 优化其配置数量、结构不仅提高换热性能，而且还能降低凝结水含氧 量和提高凝结水温度。优化程序根据凝汽器计算压力、漏空量和顺逆 流管束比计算凝结水温度和凝结水含氧量。

为了更进一步地对得到优化结果，在步骤S53之后，还包括凝结 水系统的优化，该优化具体包括：

S61，根据所述空冷凝汽器管束材质，优化机组汽水循环通道材质 和水质处理工艺使机组寿命期间材质腐蚀最小，处理工艺费用最低；

S62，根据凝结水和疏水可分别处理，对凝结水和疏水系统的结构 进行优化。

为了得到好的优化结果，在步骤S11之前，还包括结构风环境的 优化，该优化具体包括：

S71，营造各种风向和风速下所述空冷风机需要的冷风来源通道和 各种风向和风速下所述空冷凝汽器排出热风的通道和冷却热风的冷风 来源通道；

S72，阻挡所述空冷凝汽器入口空气热回流和引导出口热风直接离 去；

S73，合理选择所述空冷风机的压头裕量，使有横风时保证且均衡 各空冷风机的冷风进风量。

其中，步骤S72的具体实施方式包括：在空冷凝汽器和空冷风机 的外侧设置导风墙。

该风墙包括：上部，位于空冷凝汽器的顶端所处的水平面的上方， 且为向空冷凝汽器的一侧弯曲的弧形面；中部，为竖直面；下部，位 于空冷风机的底端所处的水平面的下方，且为向空冷风机的一侧弯曲 的弧形面；当横风吹向空冷风机时，导风墙的下部对横风进行导向， 使其改变流动方向，以利于空冷风机吸入；当横风吹向空冷凝汽器时， 导风墙的上部对横风进行导向，使其改变流动方向，避免其使热风回 流，重新被空冷风机吸入。

为了充分利用吹向中部的横风，以合理使用资源，中部优选还设 置有对吹向中部的横风进行分流的分流装置；其包括：向下分流部和 向上分流部，向下分流部为向下弯曲的弧形以使横风可以分流到空冷 风机的底端，向下分流部的一端固定在中部上，另一端固定在向上分 流部的一端；向上分流部，为向上弯曲的弧形以使横风可以分流到空 冷凝汽器的顶端，向上分流部的另一端固定在中部上，也就是说，向 下分流部和向上分流部分别有一端固定在中部上，各自的另一端固定 在一起。

在实际应用时，向下分流部可以将一部分横风导向空冷风机，使 空冷风机得到适当的入口冷风；向上分流部可以将一部分横风导向空 冷凝汽器的热风出口，以冷却热风或阻止热风回流。

为了使分流装置面对不同速度的风时牢固可靠，分流装置优选还 包括两个侧部，其设置于向下分流部、向上分流部和中部之间。

由于空冷汽轮机机组所述环境的风向与风速在一年四季会发生变 化，为了更好的利用环境风，进一步提高空冷汽轮机机组的换热效率， 空冷汽轮机机组用导风墙设置在旋转装置上，通过利用该装置可以调 整导风墙相对于空冷风机和空冷凝汽器的位置。该装置包括：提供旋 转动力的驱动机构，其优选为驱动电机；在驱动机构提供的动力作用 下，在空冷风机和空冷凝汽器的外围带动导风墙绕着空冷风机和空冷 凝汽器调整位置的旋转机构，其优选包括：竖直轴和各自的一端固定 在竖直轴上的三个平行设置的固定臂，导风墙的上部、中部和下部分 别固定在三个固定臂的另一端，其中，竖直轴在驱动机构的动力下能 够使固定在竖直轴上的固定臂旋转。在实际应用中，当需要调整导风 墙的方向时，启动驱动电机，竖直轴在驱动电机提供的旋转动力下旋 转以使固定在旋转轴上的固定臂旋转，此时固定在固定臂上的导风墙 的上部、中部和下部也同时旋转，完成导风墙的布置方向调整。

为了使横风顺利的被导向，上述导风墙涉及的弧形面的圆心角度 为90°。

综上所述，本发明针对空冷汽轮机冷端一次性提出了冷端优化解 决方案，通过最优控制凝结水收集位置、空冷凝汽器基本换热单元、 凝结水系统和结构风来实现空冷汽轮机背压的最优化控制，给空冷汽 轮机及其机组运行带来的经济效益有最大值。

在实际应用中，以一台采用该空冷汽轮机冷端优化方法的600MW 机组为例，年增加收益数千万元。达到综合高效、节约资源和提高效 益的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。