最佳真空的數(shù)值方法研究*

郭貝貝，廖青華

（河南機電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

凝汽器真空是汽輪機運行中的一個重要參數(shù)，各發(fā)電企業(yè)力求機組能在最佳真空下運行，以減少運行費用，節(jié)約能源［1］。然而傳統(tǒng)最佳真空的定義卻忽略了很多影響因素［2］，并且即使機組按傳統(tǒng)最佳真空運行，也不能保證機組經(jīng)濟性最佳，因此必須對傳統(tǒng)定義進行修正。

2 汽輪機最佳真空的傳統(tǒng)定義及計算模型

2.1 最佳真空的傳統(tǒng)定義

在汽輪機運行中，影響凝汽器真空的原因是多方面的。在傳熱面積一定、各項性能指數(shù)及相關(guān)設(shè)備正常運行的情況下，影響因素主要有:蒸汽負荷、冷卻水量、冷卻水入口溫度等。其中冷卻水入口溫度取決于環(huán)境條件，在蒸汽負荷一定的條件下，要提高凝汽器真空只有靠增加冷卻水量。也就是說，要提高凝汽器真空必須以增加循環(huán)水泵耗功為代價。通常定義使汽輪機功率因真空提高所獲得的增量與因冷卻水量增加而引起的冷卻水泵耗功增加量之間的差值達到最大時的凝汽器真空為最佳真空。如圖1中b點的壓力值所對應(yīng)的凝汽器真空。圖中橫坐標(biāo)為冷卻水量Dw，縱坐標(biāo)為凝汽器真空Pc和功率差值ΔP。圖中曲線Pc為凝汽器壓力隨Dw的變化曲線。在同樣的蒸汽負荷和冷卻水溫下，假設(shè)使冷卻水量增加了ΔDw，真空因此而提高(壓力降低)，并導(dǎo)致汽輪機功率增大ΔPT。與此同時，冷卻水泵電動機的功耗也增大了ΔPP，兩者之差ΔP=ΔPT－ΔPP在冷卻水量比較小的時候隨冷卻水量的增大而增加，到a點達到最大。進一步增大冷卻水量，ΔP開始減小，到x點時，ΔP=0。根據(jù)凝汽器最佳真空的定義，由a點引等水量線與凝汽器壓力線相交的b點所對應(yīng)的凝汽器壓力便是最佳真空［3］。

圖1 最佳真空示意圖

2.2 傳統(tǒng)最佳真空的計算模型

機組最佳凝汽器壓力是通過機組微增出力和機組循環(huán)水泵耗功綜合優(yōu)化得到的，具體計算如下:

1)微增出力與機組背壓的關(guān)系

通過機組微增出力試驗或根據(jù)制造廠提供的曲線，得出機組在不同負荷下微增出力與背壓的關(guān)系:

其中，ΔNT為機組微增出力，kW;N為機組負荷，kW;pk為機組背壓，kPa。

2)凝汽器變工況特性

由試驗或根據(jù)制造廠提供的曲線，可以得到當(dāng)前循環(huán)水溫度條件下，凝汽器背壓與循環(huán)水流量的關(guān)系，當(dāng)循環(huán)水溫度改變時，有:

其中，N為機組負荷，kW;pk為機組背壓，kPa;tW1為循環(huán)水溫度，℃;DW為循環(huán)水流量，m3/s。

3)循環(huán)水泵耗功

通過試驗或根據(jù)制造廠提供曲線，得出循環(huán)水泵流量與其功耗的關(guān)系:

其中，NP循環(huán)水泵功耗，kW。

4)最佳凝汽器壓力計算

最佳凝汽器壓力以機組功率、循環(huán)水溫度和循環(huán)水流量為變量的目標(biāo)函數(shù)，在量值上為機組功率的增量與循環(huán)水泵耗功增量之差:

當(dāng)ΔN為最大時對應(yīng)的凝汽器壓力為最佳值。

3 最佳真空的計算理論及模型

3.1 最佳真空的理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)最佳真空的理論似乎很科學(xué)，但實際上是不全面的。電廠發(fā)的總電量是一定的，循環(huán)水泵消耗的是廠用電，廠用電多用一點，上網(wǎng)電量就少一點，企業(yè)經(jīng)濟效益就少一點。因此，傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)的方法是有缺陷的。實際上采用功率調(diào)節(jié)，真空變好時汽輪機的微增出力發(fā)電廠是一個千瓦都拿不到的，由此得出的最佳真空是不全面的。而電廠效益是通過上網(wǎng)賣電唯一得到的［4］。

由此可見，發(fā)電企業(yè)的上網(wǎng)電量是不變的。改良的最佳真空的計算正是在此基礎(chǔ)之上，對以單元機組運行的電廠各項發(fā)電、耗電以及其他能源消耗單位分別進行計算:機組發(fā)電量、各種風(fēng)機水泵電耗、煤耗量等。然后用總的收益減去總的支出，得到以循環(huán)水量DW為自變量的利潤的方程式，求取利潤的最大值。

3.2 最佳真空的計算模型

依照上述理論，得到具體計算如下:

廠用電的計算，主要是各類風(fēng)機、泵的耗電:

其中，Nsum和 Ni為耗電量，kW;Dfw為給水量，m3/s;B為耗煤量，kg/s。

由于在單元機組中，汽輪機發(fā)電量N給定，因此Dfw和B都可由機組的已知條件求得。知道了上網(wǎng)電價，就得到了最大利潤M(元/小時)的關(guān)系式:

其中，a為上網(wǎng)電價，元/kW·h;b為煤單價，元/kg。由于a和b都是市場值，隨時可以查得。B和Dfw都可由機組的發(fā)電量計算出來，則M由Nnet決定，由此可得關(guān)系式:

利用最優(yōu)化理論和算法的知識，采用0.618法［5］對其進行求解可得最大利潤M的值，另外也確定了此時對應(yīng)的最經(jīng)濟循環(huán)水量DW的值。

4 計算示例

依照改良的最佳真空的計算模型，現(xiàn)編寫計算機程序計算得到以下數(shù)據(jù)。以N660－17.5/537.8/540型660MW單元機組為例，通過計算機程序輸入機組發(fā)電功率N和冷卻水入口溫度tw1兩個變量，在上網(wǎng)電價a為0.385元/kW·h的前提下，分別對采取最佳運行前后的單元機組的利潤進行比較。

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?

若機組年運行達7000h，則在最佳真空條件下一臺負荷600MW的機組每年可以比額定真空條件下運行增加經(jīng)濟效益150萬元以上。此收益是在未增加任何設(shè)備及投資的情況下取得的，若上網(wǎng)電價更高，收益會更大。

5 結(jié)語

將熱力學(xué)和企業(yè)的經(jīng)濟效益結(jié)合在一起的改良的凝汽器最佳真空的理論比傳統(tǒng)的最佳真空理論具有更現(xiàn)實的意義，并且給發(fā)電企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟效益。在競爭激烈的市場經(jīng)濟的今天，建議發(fā)電企業(yè)按凝汽器的改良后的最佳真空來運行機組。

［1］齊復(fù)東，賈數(shù)本，馬義偉.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［2］李勇，董玉亮，曹祖慶.考慮節(jié)水因素的凝汽器最佳真空的確定方法［J］.動力工程，2001，21(4):1338 －1341.

［3］沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機原理［M］.北京:中國電力出版社，1992.

［4］陳國年.發(fā)電廠冷端系統(tǒng)最優(yōu)化運行方式的研究［J］.汽輪機技術(shù)，2004，46(1):69 －70.

［5］陳寶林.最優(yōu)化理論與算法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.