第一篇：真空泵密封水系統加裝制冷裝置探討論文

摘要：當前火電廠大多采用水環式真空泵作為抽汽設備，凝汽器的真空變化在一定程度上影響著火電機組的安全經濟運行，保持合適真空是降低汽耗量，提高機組整體熱效率的主要方法之一。某發電廠針對夏季真空泵密封水溫度偏高的情況，通過加裝制冷裝置，提高了凝汽器真空和機組的經濟性。

關鍵詞：真空泵；密封水；制冷裝置；經濟性

某發電廠在運機組為２臺１００萬千瓦超超臨界燃煤機組，采用的雙背壓、雙殼體、單流程、表面冷卻式凝汽器。真空系統配備有３臺水環式真空泵，為鶴見株式會社生產，型號為２５０ＥＶＭＡ，兩運行一備用，分列運行。

１水環式真空泵性能特點

①目前，大型發電機組多采用偏心式水環式真空泵，此類泵通過變化泵腔容積，來實現吸氣、壓縮和排汽的目的，在較低真空范圍內運行時候，抽單位干空氣量是能耗低、效率高。②水環式真空泵的出力與密封水溫息息相關。如果密封冷卻水溫度較高，容易導致泵腔內含有工作液化氣體，減少了對凝汽器內部凝結氣體的抽吸量，使得泵的出力下降。同時，泵內的運行工況惡化，容易造成葉片汽蝕，損害設備。③真空泵冷卻器為常規板式冷卻器，冷卻源為江水。實際運行中，長江水中含有雜質較多，易堵塞板冷器水側；尤其在夏季運行時，因為循環冷卻水溫上升，冷卻后的密封水溫度最高可達３５℃，嚴重影響冷卻效果，真空泵出力下降明顯。

２真空泵系統優化方案

該電廠采用的是雙背壓凝汽器，低背壓側的凝汽器循環水進水溫度與真空泵板冷器開冷水進水溫度一致。加上低背壓側的真空泵密封水溫偏高，進而使真空泵入口負壓與低背壓側凝汽器理論真空值差距很小。在克服管道及閥門約０．８ＫＰａ的阻力后，實際低背壓側凝汽器抽吸口處的負壓值已遠低于凝汽器理論真空值，低背壓側凝汽器汽側部分不凝結氣體無法被完全抽出，凝汽器真空下降。根據上海汽輪機廠給出的熱力平衡圖紙分析，排除循環水、凝汽器換熱系數等修正后，真空泵的密封水溫偏高是導致泵出力不足的主要原因。真空泵工作密封水溫高將直接使得機組真空降低，機組供電煤耗上升。在保留原有板冷器的基礎上，為降低真空泵工作水溫７℃～１２℃，取正產運行實際工作水量１３０００ｋｇ／ｈ和水的比熱容４．２ｋＪ／ｋｇ來進行計算，１３０００×４．２×７÷３６００＝１０６ｋＷ１３０００×４．２×１２÷３６００＝１８２ｋＷ得出，一臺真空泵所需制冷量為１０６ｋＷｈ～１８２ｋＷｈ的制冷量。保留原板冷器的基礎上，將１臺功率為４５ＫＷ，制冷量為１６５ｋＷｈ的制冷設備串聯進原密封水冷卻系統。密封水在經過板冷器冷卻后，進入制冷機器進行二次冷卻，進一步降低真空泵密封水進口溫度。系統圖如圖１所示。

３實用效果評估

當前，＃１機組制冷機已安裝并投入運行，為了檢驗制冷機的實際效果，在負荷為７５０ＭＷ的工況下，分別在春季，夏季，進行３次試驗，對比兩臺真空泵分列運行與真空泵分列＋制冷機運行的真空參數。經觀察，數據情況如下：①春季試驗中，低背壓凝汽器真空提高約０．１０１ｋｐａ，凝汽器總真空提高０．０５５ｋｐ，對應供電煤耗降低０．０８３ｇ／ｋＷｈ。②夏初試驗中，低背壓凝汽器真空約提高０．２８ｋＰａ，高背壓凝汽器真空約提高０．０３ｋＰａ凝汽器總真空提高０．１４ｋＰａ，對應供電煤耗降低０．２１ｇ／ｋＷｈ。③盛夏試驗中，低背壓凝汽器真空約提高０．３５ｋＰａ，高背壓凝汽器真空約提高０．１ｋＰａ凝汽器總真空提高０．２２５ｋＰａ，對應供電煤耗降低０．３３７ｇ／ｋＷｈ。

４結束語

通過加裝制冷設備，能夠有效保證真空泵的出力，可提高低背壓真空０．１ｋｐａ～０．３５ｋｐａ，夏季真空泵密封水溫度偏高的問題得到了有效解決。在假設負荷為７５０ＭＷ的基礎上，可降低供電煤耗０．２２５ｋｇ／ｋＷｈ，按照＃１機組年平均發電量５５億ｋＷｈ，標準煤８００元／ｔ計算，年節省費用約９９萬元。在前期投資為２７萬的前提下，此次改造達到了很好的節能降耗效果。

［參考文獻］

［１］王曉勃．火電廠水環式真空泵冷卻系統節能探索與實踐［Ｊ］．中國新技術新產品，２０１２，（２４）．

［２］孫淑紅．張敏．制冷裝置在提高凝汽器真空中的作用［Ｊ］．華電技術，２００８，（８）．

［３］郭江龍．水環式真空泵節能運行技術［Ｊ］．河北電力技術，２００９，（６）．

第二篇：火電廠循環水系統冷卻特性優化--熱力系統優化大論文

火電廠循環水系統冷卻特性優化 課題背景

在全球化的視野下，能源問題已經成為國際政治、經濟、環境保護等諸多領域的中心議題，甚至成為國際政治的中心。國家“十二五"規劃提出要優化發展能源結構，火力發電仍作為我國電力結構的核心，2010年其裝機容量占總裝機容量的73.4％、發電量占到全國總發電量的80.8%。我國火電廠的煤耗量十分驚人，2010年全國火電機組平均供電煤耗為333 g/(kW?h)，比世界先進水平高出20～30g/(kW?h)，為此全國一年發電要多消耗標準煤約1億t，按照2010年社會用電量和供電煤耗333g/(kW?h)計算，燃煤發電廠供電煤耗每降低1 g/(kW?h)，每年就可節約標準煤3.4×106t，具有重大的經濟效益。由此可見，優化能源結構，不僅要積極優化資源利用方式，也應該大力提高能源利用效率。

人們竭盡挖掘電廠節能潛能，節能降耗主要集中在三大主機設備及其復雜系統，通過理論研究和廣泛應用，已取得很大的經濟效益。但長期以來對循環水系統中冷卻塔缺乏足夠的重視，認為冷卻塔的維護較為繁重復雜。由于缺乏對冷卻塔節能潛力的認識，很多電廠忽略冷卻塔維護和監督，對冷卻塔改造的投入不足，導致冷卻塔的冷卻能力降低，出塔水溫偏高，凝汽器真空下降，機組經濟性降低。在一定循環水流量下，冷卻塔出塔水溫每降低1℃，200 MW機組滿負荷運行時熱效率提高0.328％左右，煤耗率降低1.107g/(kW?h)，300 MW機組熱效率則提高0.23％左右，煤耗率降低0.798 g/(kW?h)。目前我國火電廠的鍋爐效率和汽輪機效率都已經達到90%以上，節能優化的空間已經不是很大，火電廠冷卻塔冷卻性能的好壞在很大程度上會直接影響電廠的經濟性，如果能從對冷卻塔冷卻性能進行研究并對其進行節能改造，必將會帶來比較明顯的節能效果。

2電廠循環水系統和冷卻塔概述

發電廠循環水系統及其相關設備主要包括汽輪機低壓缸末級組、凝汽器、冷卻塔、循環水泵、循環供水系統、空氣抽出系統等組成。循環水系統是由凝汽器、冷卻塔、循環水泵及相關閥門和管道組成。汽輪機低壓缸末級組排出的乏汽在凝汽器中釋放出汽化潛熱，并將熱量傳遞給了循環冷卻水，使循環水溫升高，循環冷卻水在冷卻塔中將其熱量傳遞給了空氣，使空氣的溫度升高，最終將熱量釋放在大氣中。

凝汽器循環水入口水溫將直接影響凝汽器真空，從而影響機組的循環內效 率。一般來說，循環水溫越低，機組的內效率越高。而凝汽器循環水入口水溫的高低與冷卻塔的冷卻性能關系密切。若冷卻塔的冷卻性能較差，凝汽器循環水的入口溫度就會升高，不僅會影響機組效率，甚至會危及汽輪機運行的安全性。因此，冷卻塔是汽輪發電機組重要的設備之一，其運行性能好壞直接影響電廠運行的安全性和經濟性。

自從第一座冷卻塔建成，至今已有百年的歷史，由原始的開放式冷卻塔到目前帶有通風筒的冷卻塔，風筒的形狀也從圓柱形、多邊錐形發展到當前普遍采用的雙曲線型。冷卻塔按通風方式分為：自然通風冷卻塔、機械通風冷卻塔、混合通風冷卻塔；按熱水和空氣的接觸方式分為：濕式冷卻塔、干式冷卻塔、干濕式冷卻塔；按熱水和空氣的流動方向分為：逆流式冷卻塔、橫流（交流）式冷卻塔、混流式冷卻塔；其他型式有噴流式冷卻塔和用轉盤提水冷卻的冷卻塔等。

空氣出口鋼筋混凝土塔筒收水器配水系統豎井人字柱空氣入口來自凝汽器的熱水接冷卻水泵空氣入口集水池填料

圖1火電廠自然通風雙曲線逆流濕式冷卻塔結構圖

自然通風雙曲線逆流濕式冷卻塔是目前國內火電廠的主流塔型，以這種冷卻塔為例，它主要由通風筒、配水系統、淋水裝置（填料）、通風設備、收水器和集水池六個部分組成（如圖1所示）。循環冷卻水由管道通過豎井送入配水系統，這種分配系統在平面上呈網狀布置，分槽式配水、管式配水或者槽管結合配水三種方式。通過噴濺設備將熱水灑到填料上，經填料層后成雨狀落入集水池，冷卻后水被抽走重新使用。塔筒底部是進風口，用人字柱或交叉柱支承。冷空氣從進風口進入塔內，經過填料下的雨區，流過填料和循環水進行熱交換，通過收水器后從塔出口處排出。3電廠循環水系統各相關設備特性及其數學模型

凝汽器的真空對機組的經濟性影響很大，其與環境溫度、凝汽器特性、汽輪機負荷、循環水系統的水力特性等因素構成了一個復雜的系統。凝汽器內的壓力降低，會使汽輪機中的可用焓降增大，從而增大汽輪發電機組的功率，但是循環冷卻水量會增加，從而增加了循環水泵的耗功。汽輪機功率的增加值與循環水泵多消耗電能的差額為最大值時的真空稱為機組的最佳真空。汽輪機組在最佳真空下運行的發電量最大，因此從本質上來講就是尋求機組的最佳真空。首先應該建立優化運行的數學模型，然后給出其約束條件，運用優化理論和算法最終求得系統的最佳運行方式。

模型的優化目標是汽輪機的發電功率與循環水泵的耗電功率的差值為最大。

首先要對優化運行中所涉及到的汽輪機特性、凝汽器特性、循環水泵特性和管道阻力特性分別建立數學模型，得到優化運行的目標函數；通過其約束條件，從而最終得到循環水系統優化運行的數學模型。在發電廠運行時，循環水系統及其相關設備的運行特性是相互影響、彼此耦合的。

3.1汽輪機特性

汽輪機特性可以表述為當機組的其它設備運行參數一定時，在某一新蒸汽參數和流量下汽輪機組輸出功率和排汽壓力之間的關系，通常稱之為汽輪機微增功率曲線。汽輪機的微增功率pt用下式表示:

pt?f(p0,t0,D0,pk)

（3-1）

式中：p0,t0,D0和pk分別表示為主蒸汽的壓力（kPa）、溫度（℃）、流量（kg/s）和凝汽器壓力（kPa）;汽輪機微增功率隨凝汽器壓力變化曲線是機組循環水系統進行優化，并判定機組是否運行狀況好的重要依據。

3.2凝汽器特性

凝汽器特性可表述為凝汽器壓力與循環水入口溫、循環水流量及汽輪機排汽量之間的關系，即：

pk?f(tw1,Dw,Dc)

（3-2）

式中：tw1,Dw和Dc分別表示為循環水入口水溫、循環水流量和汽輪機低壓缸排氣量。

凝汽器內的蒸汽壓力可由與之相對應的飽和蒸汽溫度ts來確定，一般用pk表示，根據凝汽器熱平衡及換熱條件可知，蒸汽凝結溫度ts為：

ts?tw1??t??t

（3-3）式中: tw1、?t和?t分別表示循環水入口水溫、循環水溫升和凝汽器端差（℃）；

假設不考慮凝汽器與外界空氣之間的換熱，則排汽凝結放出的熱量就等于循環冷卻水帶走的熱量，由熱平衡方程式:

DC(hc?hc?)?Dwcp(tw2?tw1)

（3-4）

DC(hc?hc?)520DC可得：?t?tw2?tw1?

（3-5）

?DwcpDw?t?根據傳熱方程可得：

?tekAc/(cpDw)?1 其中：k為凝汽器總體傳熱系數，Ac為凝汽器的冷卻面積，cp為循環水的定壓比熱，hc為汽輪機排汽的焓值，hc?為凝結水焓值。

求出ts后，可根據下面經驗公式求出凝汽器壓力：

ts?1007.46pk?0.00981?()

（3-6）

57.66由此可見，凝汽器壓力pk可以說是飽和蒸汽溫度ts的函數，也可以說是循環水入口溫度tw1和循環水流量Dw的函數，因此在不同的tw1和Dw下可以求出一系列pk值。

3.3循環水泵特性

循環水泵作為提供循環冷卻水的重要動力機械，循環水泵本身的運行方式決定著循環水流量的大小，循環水泵耗電功率越大，循環水量也就越大。循環水泵特性可以表示為循環水泵耗電功率與循環水量之間的關系，即：

pp?f(Dw)

（3-7）

3.4冷卻塔特性

冷卻塔是實現低溫放熱的最終設備，它能否將循環水熱量及時釋放到大氣中，是保證排汽壓力穩定的重要環節，它通過出塔水溫(即循環水入口溫度)影響凝汽器壓力，進而影響機組的經濟性。冷卻塔運行性能的優劣直接體現于冷卻塔出口水溫tw1(即凝汽器循環水入口溫度)。目前，冷卻塔熱力計算比較普遍的計算方法是焓差法，利用焓差法可以計算出冷卻塔出口水溫。

其基本公式為:

N(tN?()

（3-8）w1)?

?tw2cph???htw1dt??Am

（3-9）

其中，N(?)為冷卻塔所具有的冷卻能力，表示在一定淋水填料及塔型下冷卻塔所具有的冷卻能力，它與淋水填料的特性、構造幾何尺寸、冷卻水量等有關。表示冷卻塔的冷卻能力越大；N(tw1)冷卻數越大，N(tw1)為冷卻塔的冷卻任務數，它與氣象條件等因素有關，與冷卻塔的幾何構造無關，N(tw1)越大，說明冷卻塔的冷卻任務越重。tw2和tw1分別為冷卻塔進出口水溫；h??為飽和空氣的焓；h為濕空氣的焓；cp為循環水的比熱；?是空氣與水的質量比；A與m由試驗確定。

根據工程實際與經驗，?可由下式求得：

??3.6vmAm?mDW

（3-10）

式中vm為塔內氣流的平均速度，m/s；Am為淋水面積；?m塔內氣流的平均密度，kg/m3；DW為循環水流量。（3-8）式左邊為：

N(tw1)??tw2tw1cpdt

（3-11）h???h（3-11）式采用辛普遜積分法來計算可以簡化為：

N(tw1)?cp?t6[141??]

（3-12）???h2?h1hm?hmh1?h2h1，hm，h2分別表示進塔空氣、平均狀態空氣及出塔空氣的比焓，kj/kg；h1??、hm?和h2??表示空氣溫度分別為進塔水溫、平均水溫及出塔水溫時飽和空氣比焓，kj/kg。?t?tw2?tw1。

進而可得出冷卻塔出塔水溫（即循環水入口溫度）tw1即：

6?A??mtw1?tw2?

（3-13）

141cp(??)???h2?h1hm?hmh1?h23.5循環水冷卻系統冷卻特性對機組經濟性的影響

根據電廠循環水系統各相關設備特性及其數學模型，可以建立汽輪機的發電功率與循環水泵的耗電功率的差值為最大值的優化目標函數模型。其數學模型如下：

Max?pt?pp

Max?f(p0,t0,D0,pk)?f(Dw)

（3-14）

如果主蒸汽壓力p0、溫度t0和蒸汽流量D0不變的情況，同時不考慮環境溫度的變化，那么機組的效率只與凝汽器背壓pk有關，對于電廠發電效率來說，還與循環水泵耗電率有關，而循環水泵耗電率與循環水量有關，如果循環水量也不變，那么整個電廠效率只與凝汽器背壓pk有關，而凝汽器背壓pk是循環水入口溫度tw1和循環水流量Dw的函數。

520Dc520Dc??100kAc/(cpDw)DwDw(e?1)pk?0.00981?()7.46

（3-15）

57.66由3-14式和3-15式可知，初參數一定時，影響機組發電效率只與循環水流

tw1?量和出塔水溫有關。循環水冷卻系統冷卻特性發生改變時，機組效率會與設計時發生偏離，產生一定的損失。單位質量蒸汽在汽輪機里少做的功為：

（3-16）

式中：ps,ts分別為設計時背壓和背壓時工況下的飽和溫度，pk,tks分別為偏離設計工況時的背壓壓力和相對應的飽和溫度。循環水冷卻系統影響機組經濟性的因素為循環水流量和出塔水溫。

當循環水量增加，有利于凝汽器側熱交換，提高汽輪機的效率，但是會增加循環水泵耗功率，對于循環水冷卻系統冷卻塔來說，當出塔口處空氣的相對濕度未達到飽和時，循環水量增加會使出塔空氣逐漸趨于飽和，此時繼續增加循環水量，過量的熱水放出的熱量就無法被空氣吸收，出塔水溫反而會升高，降低機組的經濟性。

由3-15式可以看出循環水入口溫度越高流量越小，凝汽器壓力就越高，機組經濟性就越差，如果其它條件不變的情況下，冷卻塔出口水溫升高1℃對機組經濟性的影響如表3-1所示。

表1 出塔水溫升高1℃對機組經濟性的影響

機組容量/MW 機組負荷/MW 效率降低/% 煤耗率增加/（g/(kwh)）熱耗率增加/(kJ/(kwh))煤耗量增加（t/年）

904

1550

1676

1808

1940

30.28

32.44

23.39

21.63

13.54

125 0.31 1.033

200 200 0.328 1.107

300 300 0.23 0.794

350 350 0.242 0.738

600 600 0.21 0.462

根據表1的數據，出塔水溫每升高1℃，對于300MW機組而言，每年多消耗標準煤1676噸，按照標煤平均價格為1000元／噸計算，每年運行費用增加160多萬元人民幣。截至到2011年底，全國總發電裝機容量已經超過9億kW，如果按9億kW計算，出塔水溫每升高l℃，如按300MW機組計算，可導致每年運行費用增加20.8億元人民幣，可見出塔水溫的升高，造成的經濟損失是相當可觀的。

4結論

本文基于火電廠循環水系統各相關設備特性理論分析，建立了汽輪機的發電功率與循環水泵的耗電功率的差值為最大值的優化目標函數數學模型，算出了冷卻塔出口水溫升高1℃對機組經濟性的影響。分析了冷卻塔出口水溫升高1℃，造成的經濟損失是相當可觀的，并指出了冷卻塔的性能好壞會直接影響火電機組運行的安全性和穩定性。