装配湿式冷却塔的汽轮发电机组冷端系统优化运行精确指导系统

摘要

本发明公开了一种装配湿式冷却塔的汽轮发电机组冷端系统的优化运行精确指导系统，其包括：冷却塔附近大气温度、相对湿度在线测量与信号传输装置，机组主要运行数据采集与信号传输装置，中央处理器，该处理器分为数据管理和数据分析两个模块，汽轮机组性能模块以及人机交互界面装置。本发明通过大气温度、相对湿度在线测量与传输装置获取冷却塔附近大气温度、相对湿度，并从电厂厂级监控信息系统SIS或MIS中获取机组运行信息，根据当前机组运行条件，通过建立的汽轮机—凝汽器—循环水系统—冷却塔各设备系统的性能关系模块，精确计算出冷端系统最佳运行方式，并显示在显示屏上，可实现机组高效经济运行。

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮发电机组技术领域，特别是涉及一种装配湿式冷却塔的汽轮 发电机组冷端系统的优化运行精确指导系统。

背景技术

电力行业是国民经济发展中重要的基础能源产业，同时也是节能降耗和污染 减排的重点行业。目前，汽轮发电机组，包括火电和核电机组，是我国发电机组 的主力军，提高汽轮发电机组的运行性能有利于降低能源消耗、减少污染物排放、 提高企业经济效益，实现环境与经济效益的双重收益。

汽轮发电机组的循环水系统庞大且能耗高，其供水量一般为 30000t/h～100000t/h，消耗的电能占总发电量的1％～1.5％，因此，研究开发汽轮 发电机组的冷端系统优化运行指导系统对提高机组经济性能显得十分重要。目 前，国内大部分汽轮发电机组装配了湿式冷却塔，用于冷却凝汽器出口的循环水。 由于冷却塔与凝汽器系统之间的参数是相互影响的，当以凝汽器进口循环水温度 来调整循环水量时，由于进入冷却塔的循环水量发生变化，导致循环水出塔温度 (即凝汽器进口循环水温度)也发生变化，调整后的循环水系统运行方式已经不 是当前变化的凝汽器进口循环水温度下的最佳运行方式。因此，传统的以凝汽器 进口循环水温度来分配循环水流量、优化冷端系统运行方式的指导方案容易失 真，不能精确地指导冷端系统优化运行。参见专利号ZL201110118579.8，专利 名称为一种火力发电机组冷端设备的优化指导系统，其公开了能够根据火电厂发 电机组冷端设备之间的影响关系预先建立冷端设备仿真模型，将从火电厂厂级监 控信息系统SIS中获取的冷端设备运行参数输入到仿真计算模型中，计算得出冷 端综合耗差，运行人员根据不同工况的冷端综合耗差比较结果，选取性能较为优 化的冷端设备调整方式。上述专利中的计算模块中没有涉及冷却塔相关设备的性 能模块，仅仅是根据凝汽器入口循环水温来优化设备运行方式，实际操作时，当 采用上述系统得出的结果进行优化运行后，由于进入冷却塔的水量发生变化，导 致实际出塔的循环水的温度发生变化，该优化运行方式与实际的最佳优化运行方 式会有偏离，特别是在循环水泵具备变频或多种调整手段的情况下，这种问题尤 为突出。另外，上述专利中凝汽器热负荷计算模块精确性也不高，其热耗率采用 修正后热耗率，与实际热耗率差别较大，直接影响凝汽器热负荷计算，导致其综 合耗差结果精度不高，影响设备优化运行方式的调整。因此，上述专利描述的系 统的精确性和实用性比较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型的以大气温度和相对湿度来优化 其冷端系统运行的指导系统，以精确指导冷端系统优化运行，实现机组高效经济 运行。

为解决上述技术问题，本发明采取技术方案如下：

一种装配湿式冷却塔的汽轮发电机组冷端系统的优化运行精确指导系统，其 特征在于，包括：

冷却塔附近大气温度、相对湿度在线测量与信号传输装置，该装置用来实时 测量空气温度、大气相对湿度，并将数据传输至数据管理模块；

机组主要运行数据采集与信号传输装置，该装置主要用来实时采集MIS或 SIS系统中的机组主要运行数据，涉及主再热蒸汽、给水、真空等系统运行数据， 并将数据传输至数据管理模块；

中央处理器，该装置分为数据管理和数据分析两个模块；

所述数据管理模块用于接收、存储、处理外部数据，包括坏值判断、真值甄 别功能；数据分析模块根据获取的机组运行数据，通过已经建立的各设备性能模 型，计算得出机组运行条件下的冷端系统最佳运行方式，所述数据分析模块包括： 汽轮机组性能模块、凝汽器性能模块、冷却塔性能模块、循环水系统性能模块、 冷端系统优化运行计算模块；

所述汽轮机组性能模块，用于根据机组运行参数和基准数据精确计算凝汽器 热负荷；

所述凝汽器性能模块，用于计算凝汽器变工况下的凝汽器压力；

所述冷却塔性能模块，用于计算冷却塔变工况下的出塔温度；

所述循环水系统性能模块，用于根据循环水运行方式和通过试验得出的特性 曲线计算循环水泵功率；

所述冷端系统优化运行计算模块，用于根据机组运行条件、大气温度及湿度， 通过前述模块计算结果，比较冷端系统不同运行方式下机组微增功率与循环水泵 耗功之间的差值，得出冷端系统最佳运行方式；

以及人机交互界面装置，通过人机界面显示和输入数据，包括冷端系统的性 能参数、机组运行基准数据、冷端系统最佳运行方式。

所述冷端系统包括：湿式冷却塔、凝汽器、循环水系统管道、阀门以及循环 水泵。

所述人机交互界面装置为液晶屏和键盘。

所述数据分析模块包括汽轮机组性能模块、凝汽器性能模块、冷却塔性能模 块、循环水系统性能模块和冷端系统优化运行计算模块。

所述数据管理模块包括实时数据坏值判断和真值甄别功能模块。

所述冷却塔附近大气温度、相对湿度数据信号在线测量与传输装置为大气温 湿度实时记录采集仪器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

通过应用以上技术方案，本发明通过大气温度、相对湿度在线测量与传输装 置获取冷却塔附近大气温度、相对湿度，并从电厂厂级监控信息系统SIS或MIS 中获取机组运行信息，根据当前机组运行条件，通过建立的汽轮机—凝汽器—循 环水系统—冷却塔各设备系统的性能关系模块，精确计算出冷端系统最佳运行方 式，并显示在显示屏上。改变了传统的以凝汽器进口循环水温度为运行条件的优 化模式，用实际运行的冷却塔附近大气温度、相对湿度代替，进一步提高了冷端 系统优化运行方案的实用性和精确性，有效提高机组经济运行水平和企业经济效 益。本发明通过采用高精度的凝汽器热负荷计算模块、冷却塔性能模块等进一步 提高了循环水系统优化运行的精确性和实用性。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见，下面描述中的附 图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种装配实施冷却塔的汽轮发电机组冷端系统 优化运行精确指导系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种装配实施冷却塔的汽轮发电机组冷端系统 优化运行精确指导系统中数据分析模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种装配实施冷却塔的汽轮发电机组冷端系统 优化运行精确指导系统中冷却塔性能模块计算流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然所描述的实施例 仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的方案具体为：包括：

冷却塔附近大气温度、相对湿度数据信号在线测量与传输装置，该装置用来 实时测量空气温度、大气相对湿度，并将数据传输至数据管理模块。

机组主要运行数据采集与传输装置，该装置主要用来实时采集MIS或SIS 系统中的机组主要运行数据，涉及主再热蒸汽、给水、真空等系统运行数据，并 将数据传输至数据管理模块。

中央处理器装置，该装置分为数据管理、数据分析两个模块；数据管理模块 用于接收、存储、处理外部数据，包括坏点判断、真值甄别等功能；数据分析模 块根据获取的机组运行数据，通过已经建立的各设备性能模型，计算得出机组运 行条件下的冷端系统最佳运行方式。

所述冷端系统包括：湿式冷却塔、凝汽器、循环水系统管道、阀门、循环水 泵。

所述数据分析模块包括：汽轮机组性能模块、凝汽器性能模块、冷却塔性能 模块、循环水系统性能模块、冷端系统优化运行计算模块。

汽轮机组性能模块，用于根据机组运行参数和基准数据精确计算凝汽器热负 荷；

凝汽器性能模块，用于计算凝汽器变工况下的凝汽器压力；

冷却塔性能模块，用于计算冷却塔变工况下的出塔温度；

循环水系统性能模块，用于根据循环水运行方式和通过试验得出的特性曲线 计算循环水泵功率；

冷端系统优化运行计算模块，用于根据机组运行条件、大气温度及湿度，通 过前述模块计算结果，比较冷端系统不同运行方式下机组微增功率与循环水泵耗 功之间的差值(机组净出力)，得出冷端系统最佳运行方式。

人机交互界面装置，通过友好的人机界面显示和输入数据，包括冷端系统的 主要性能参数、机组运行基准数据、冷端系统最佳运行方式。上述这些模块采用 本领域公知的现有产品和设备中的模块即可。

如图1所示，本实施例提供的一种装配实施冷却塔的汽轮发电机组冷端系统 优化运行精确指导系统，包括：

冷却塔附近大气温度、湿度测量与信号传输装置1，用于实时测量机组冷 却塔附近的大气温度和相对湿度，并将数据传输至中央处理器装置3。

机组主要运行数据采集与传输装置2，用来采集SIS系统中的实时数据，并 传输至中央处理器装置3。

采集SIS系统的数据主要目的有二：一、通过采集机组主要的运行参数，用以 计算凝汽器热负荷；二、通过采集机组冷端系统的主要参数，用以监测冷端系统 运行情况。这里，为方便理解，公开一部分具体的需要用的机组运行数据，如表 1所示。

表1

冷端系统包括：湿式冷却塔、凝汽器、循环水系统管道、阀门、循环水泵。

中央处理器装置3，其中的数据管理模块，用于接收、存储实时数据，并对数据 进行坏值的判断、真值的甄别，防止数据失真导致优化方案结果出错。

中央处理器装置3中的数据分析模块，根据获取的冷却塔附近大气温度、相对湿 度，以及机组运行信息，根据当前机组运行条件，通过建立的汽轮机—凝汽器— 循环水系统—冷却塔各设备系统的性能关系模块，精确计算出冷端系统最佳运行 方式。

人机交互界面4，用于向用户显示当前工况下冷端系统最佳运行方式，机组 和冷端系统的主要运行参数，以及通过友好的人机界面，输入基准数据或试验数 据。

实际应用中，人机交互界面4可以为液晶屏和键盘或鼠标。

中央处理器装置3中的数据分析模块，包括了如图2所示的汽轮机组性能模 块3A、冷却塔性能模块3B、凝汽器性能模块3C循环水系统性能模块3D、冷端 系统优化运行计算模块3E。

汽轮机组性能模块3A，用于根据机组当前主要运行参数和平时性能试验得 到的基准热耗率，根据下式计算得出凝汽器热负荷。

$Q=\frac{H·P}{3600}+P_e-P_t-\Sigma Q_{\mathrm{ex}}$

式中：Q为凝汽器热负荷，kW；H为机组热耗率，kJ/(kW·h)；∑Q_ex为系统散 热和工质向外泄漏带出的热量，kW；P_e为外界向系统输入的功率；P_t为汽轮机 输出功率；P为发电机功率。

H为与发电机功率和机组主要运行参数有关的机组热耗率函数，其可以通 过汽轮机制造商提供的热耗率曲线或性能试验方法得出。

冷却塔性能模块3B，用于在当前大气温度、相对湿度条件下，计算或预测 已知进塔水温和循环水量下的循环水出塔温度，即进入凝汽器的循环水温度。

这里涉及较复杂但通用的冷却塔热力计算和动力计算，完全可以通过冷却塔 原理计算和中华人民共和国电力行业标准《工业冷却塔测试规程》DL/T 1027-2006中提供的计算方法进行相关计算。

首先，假设进塔风速V₀，根据凝汽器变工况计算后的进塔水温、进塔循环 水流量、环境参数(大气压力、相对湿度)，通过冷却塔的冷却数Ω(Ω＝A·λ^m， A、m为常数，λ为气水比)计算出塔水温及出塔空气参数(包括密度、含湿量 等)，这里的冷却数Ω由设计资料直接提供或根据试验工况数据模拟得出。计算 过程中涉及的湿空气比焓、密度、含湿量等中间参数的计算，这里不再一一赘述， 参照冷却塔原理和中华人民共和国电力行业标准《工业冷却塔测试规程》DL/T 1027-2006。

其次，根据假设的风速计算得出的出塔空气参数计算冷却塔抽力，并与冷却 塔阻力进行对比，冷却塔阻力系数根据设计资料或试验值得出。当冷却塔阻力与 抽力相等时，表明假设的风速符合当前工况要求，其相应的出塔水温随之确定。 冷却塔性能模块计算流程如图3所示。

冷却塔性能模块3B最终得到的循环水出塔温度为凝汽器性能模块3C中的 凝汽器进口循环水进口温度。

凝汽器性能模块3C，用于凝汽器变工况运行计算，即根据凝汽器进口循环 水进口温度、循环水量、凝汽器热负荷，计算出相应的凝汽器压力和凝汽器出口 循环水温度。

凝汽器性能模块3C中凝汽器热负荷由汽轮机组性能模块3A计算得出。

凝汽器压力对应饱和温度计算：

$t_{\left(P_k\right)}=t_{\mathrm{wl}}+\frac{H·P+3600\times (P_e-P_t)}{3600\times C_P{G}_w(1-\frac{1}{e^m})}$

式中，K_T为凝汽器总体传热系数,W/(㎡·K)；A为凝汽器面积， m²；C_p为水的定压比热容，J/(kg·K)；G_w为循环水流量，kg/s；t_w1为凝汽器进口 循环水温度，℃。

凝汽器总体传热系数K_T的计算采用美国传热学会HEI推荐的计算公式： K_T＝K_b·β_t·β_m·β_c，K_b为基本传热系数，W/(㎡·K)；λ为系数；ν_w为循环水在 凝汽器换热管束内的流速，m/s；β_t为循环水进口温度修正系数；β_m为管材与壁 厚修正系数；β_c为凝汽器清洁系数。

由于得出了凝汽器压力对应饱和温度，其凝汽器压力相应得出。

凝汽器出口循环水温度t_w2计算：

$t_{w2}=\frac{Q}{C_p{G}_w}+t_{\mathrm{wl}},$公式里的物理意义同上。

凝汽器性能模块3C中凝汽器出口循环水温度为冷却塔性能模块3B中的进 塔水温。

通过凝汽器性能模块3C，计算得到当前工况下进入凝汽器的循环水流量：

$G_w=\frac{Q}{C_p(t_{w2}-t_{w1})},$公式里的物理意义同上。

循环水系统性能模块3D，用于根据实际的试验特性曲线计算相应工况下循 环水泵电耗，以及预测工况变化时的循环水泵电耗。该模块在没有试验特性曲线 的情况下，采用循环水泵设计性能曲线，根据循环水系统运行方式、循环水量、 运行参数，获取循环水泵功率。

冷端系统优化运行计算模块3E，用于预测、对比不同运行方式下的机组经 济性能，找出冷端系统最佳运行方式。按照以下步骤进行：

第一步，从凝汽器性能模块3C、循环水系统性能模块3D中分别获取当前 工况下的进入凝汽器的循环水量、循环水泵的功率；

第二步，假设进入凝汽器的循环水量或不同的循环水系统运行方式，根据实 时测量的冷却塔附近大气温度、相对湿度，通过冷却塔性能模块3B、凝汽器性 能模块3C预测计算出循环水量变化后的凝汽器压力，通过循环水系统性能模块 3D预测计算出循环水量变化后的循环水泵总功率；

第三步，以当前工况为基准，比较循环水系统不同运行方式下，机组功率的 增加值与循环水泵总功率的增加值之间的差值，即机组的净出力。当机组的净出 力达到最大时，则其对应的循环水系统运行方式为当前大气温度、相对湿度条件 下的最佳运行方式。

完成以上步骤后，电厂技术人员或运行人员可以直接根据大气温度、湿度、 机组负荷，调整发电机组的冷端系统运行方式，而不用再考虑因循环水系统运行 方式的变化带来的凝汽器进口循环水温度变化，导致优化运行方案失真的问题， 真正达到机组高效优化运行、提高企业经济效益的目的。