機(jī)組的額定背壓、設(shè)計(jì)水溫計(jì)算的探討

王穎華，王明韌

(中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063)

汽輪機(jī)組的發(fā)電功率一致的為THA與TRL工況，由于其所對應(yīng)的環(huán)境條件的差異，TRL工況所對應(yīng)的冷卻介質(zhì)溫度較高，蒸汽的做功過程焓降小，功率是焓降與蒸汽量的乘積成正比，所以要達(dá)到THA的相同功率，TRL工況其汽輪機(jī)組進(jìn)汽量要比THA工況來得大。根據(jù)我國的電網(wǎng)相關(guān)政策規(guī)定，該TRL功率是作為機(jī)組的能力工況，是電網(wǎng)分配給電廠發(fā)電容量小時(shí)數(shù)的基礎(chǔ)；而機(jī)組主蒸汽量一致的工況為TRL與TMCR工況，TMCR作為機(jī)組可長期連續(xù)運(yùn)行的保證工況；背壓一致的工況為THA與TMCR工況，也稱為額定(設(shè)計(jì))背壓，額定(設(shè)計(jì))背壓是以年平均背壓概念為基礎(chǔ)的，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的平均考核點(diǎn)，也可稱之為機(jī)組平均背壓，額定(設(shè)計(jì))背壓是體現(xiàn)機(jī)組實(shí)際經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的工況點(diǎn)，把它定得過高和過低，其都不能體現(xiàn)機(jī)組實(shí)際的技術(shù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

1 現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)規(guī)定

2012年頒布的《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)GB50660中規(guī)定如下：

“規(guī)范12.1.2條，汽輪機(jī)額定背壓的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：1、汽輪機(jī)的額定背壓宜對應(yīng)冷卻介質(zhì)的全年平均計(jì)算溫度，夏季背壓宜對應(yīng)冷卻介質(zhì)的最高計(jì)算溫度。2、濕冷汽輪機(jī)的額定背壓應(yīng)根據(jù)本規(guī)范17.3節(jié)的有關(guān)規(guī)定?！?/p>

規(guī)范17.3條中，對循環(huán)供水系統(tǒng)汽輪機(jī)背壓有關(guān)的主要涉及2條，分別如下：

“規(guī)范17.3.3條循環(huán)供水系統(tǒng)機(jī)組的汽輪機(jī)背壓、凝汽器面積、冷卻水量、水泵、冷卻塔選型經(jīng)濟(jì)配置，應(yīng)根據(jù)多年月平均氣象條件，并結(jié)合汽輪機(jī)特性和系統(tǒng)布置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算確定?！?/p>

規(guī)范17.3.6條，當(dāng)采用循環(huán)供水系統(tǒng)時(shí)，冷卻水的最高計(jì)算水溫應(yīng)符合下列規(guī)定：“1、宜采用按濕球溫度頻率統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算頻率為10%的日平均氣象條件。2、氣象資料應(yīng)采用近期連續(xù)不少于5年、每年最熱時(shí)期的日平均值，每年最熱時(shí)期可采用夏季3個(gè)月?！?/p>

2 循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化所需參數(shù)輸入

以某660MW燃煤機(jī)組為例，該工程采用帶排煙冷卻塔的循環(huán)供水系統(tǒng)，根據(jù)制造廠提供的熱平衡圖，整理結(jié)果見表1，作為循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化的輸入表。

表1 汽輪機(jī)組工況表(機(jī)組額定(設(shè)計(jì))背壓值4.80kPa)

3 額定(設(shè)計(jì))背壓和冷卻介質(zhì)的全年平均計(jì)算溫度計(jì)算方式

設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有對冷卻介質(zhì)的全年平均計(jì)算溫度進(jìn)行定義或給出計(jì)算方式，下面以某工程為例，討論幾種額定(設(shè)計(jì))背壓和冷卻介質(zhì)的全年平均計(jì)算溫度計(jì)算方式，推薦一種作為工程應(yīng)用的計(jì)算方式。

3.1 熱力計(jì)算相關(guān)關(guān)系式

汽輪機(jī)組的額定(設(shè)計(jì))背壓PS與蒸汽的凝結(jié)水溫TS是指數(shù)函數(shù)關(guān)系：PS=f(TS)；

蒸汽的凝結(jié)水溫與循環(huán)冷卻水溫T1的關(guān)系式：TS=T1+Dt+dt；

上式中：T1為冷卻塔出塔溫度，也是凝汽器進(jìn)口水溫：T1= f(Q，Dt ，RAUZ，RAUC，RAUL，RAUE，T，P，F(xiàn))，Q 為循環(huán)水量，冷卻塔塔型參數(shù):塔高與塔底直徑之比為RAUZ，喉部直徑與塔底直徑之比為RAUC，進(jìn)風(fēng)口高度與塔底直徑之比為RAUL，填料高度為RAUE；T，P，F(xiàn)為環(huán)境溫度、氣壓和濕度；

Dt為凝汽器冷卻水進(jìn)出水溫差(Dt =T2－T1)，T1，T2為凝汽器進(jìn)出水溫；

dt為凝汽器端差dt =f(Dt，Q，F(xiàn)n)，Q 為循環(huán)水量，F(xiàn)n為凝汽器冷卻面積。

從上述一系列關(guān)系式中可以看出，對于循環(huán)供水系統(tǒng)來說，汽輪機(jī)組的額定(設(shè)計(jì))背壓與環(huán)境氣象條件、循環(huán)水量、凝汽器冷卻面積和冷卻塔塔型參數(shù)等有著密切關(guān)系，這些也就組成了電廠的冷端，冷端系統(tǒng)的優(yōu)化課題涉及到機(jī)組多組背壓的比較，涉及的內(nèi)容太多，本文假定額定(設(shè)計(jì))背壓已經(jīng)確定的條件下，對假定的額定背壓(設(shè)計(jì))背壓的合理性進(jìn)行探討，即對循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行額定(設(shè)計(jì))背壓的計(jì)算合理性進(jìn)行探討，有關(guān)循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化采用年費(fèi)用最小法。

3.2 實(shí)例

某660MW燃煤機(jī)組工程，經(jīng)過循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化后，得到在某機(jī)組額定背壓的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 汽輪機(jī)組額定背壓和設(shè)計(jì)水溫計(jì)算成果

3.3 計(jì)算方式

3.3.1 計(jì)算方式一

循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化是根據(jù)歷年月平均的氣象條件進(jìn)行計(jì)算的，其在系統(tǒng)配置一定的條件下，對應(yīng)月平均氣象條件，也就是有12個(gè)月的運(yùn)行背壓，月平均背壓是根據(jù)機(jī)組微增功率減去循環(huán)水泵耗功為最大的目標(biāo)函數(shù)，得出月平均的最佳結(jié)果，該結(jié)果考慮到自然氣象條件的狀況，該種方式較能切合實(shí)際反映機(jī)組每月的實(shí)際運(yùn)行情況，如果以歷年逐月月平均的背壓進(jìn)行計(jì)算平均后作為機(jī)組的額定背壓基本上能夠反映汽輪機(jī)組的平均熱耗情況的，也是能滿足汽輪機(jī)設(shè)備的考核情況的，但欠缺的是冷卻介質(zhì)的全年平均計(jì)算溫度，需要循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化完成以后，根據(jù)計(jì)算平均背壓進(jìn)行反推(5.16kPa相對應(yīng)設(shè)計(jì)水溫為22.5℃)。

3.3.2 計(jì)算方式二

在循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化完成以后，以歷年月平均氣象條件作為基礎(chǔ)，根據(jù)自然條件情況采用不同循環(huán)水量計(jì)算出月平均冷卻塔出塔水溫，進(jìn)行計(jì)算平均得到平均水溫；再通過最大循環(huán)水量參與計(jì)算，得到的平均背壓就非常低。計(jì)算方式中由于與背壓有關(guān)的凝結(jié)水溫是按照下列方式進(jìn)行的，TS=T1+Dt+dt，而背壓PS=f(TS)是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其中T1為冷卻塔出水溫度，Dt為凝汽器冷卻水進(jìn)出水溫差，dt為凝汽器端差，Dt水溫差與水量有關(guān)，如果直接以出塔水溫進(jìn)行平均，也就是把年平均水溫降低了，從物理意義上也是不可取的，因?yàn)椴煌科錅夭钍遣煌模摲N方式應(yīng)該舍去。

表3 計(jì)算方式二的汽輪機(jī)組額定背壓和設(shè)計(jì)水溫計(jì)算成果

3.3.3 計(jì)算方式三

在循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化完成以后，以歷年月平均氣象條件作為基礎(chǔ)，計(jì)算出月平均冷卻塔出塔水溫，根據(jù)自然條件情況采用相同最大循環(huán)水量計(jì)算出月平均冷卻塔出塔水溫，進(jìn)行算術(shù)平均，該種方式物理意義上是行得通的，并且去除了機(jī)組阻塞背壓的因素，得出的平均背壓與實(shí)際運(yùn)行背壓應(yīng)該最接近，是由于設(shè)計(jì)水溫與設(shè)計(jì)背壓是指數(shù)關(guān)系，使得設(shè)計(jì)背壓相對有些低，但與平均背壓的概念上是最接近的，也與新頒布的大火規(guī)的原意接近，即先確定冷卻介質(zhì)平均水溫，再確定設(shè)計(jì)背壓，見表4。

表4 計(jì)算方式三的汽輪機(jī)組額定背壓和設(shè)計(jì)水溫計(jì)算成果

3.3.4 計(jì)算方式四

在循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化完成以后，該方式是過去較常用的一種簡單方式，與運(yùn)行的實(shí)際運(yùn)行的背壓差距比較大，類似于直流循環(huán)，根據(jù)自然條件情況先確定年平均氣象條件，然后根據(jù)最大循環(huán)水量得出相應(yīng)的年平均水溫和平均背壓，雖然其作為實(shí)際運(yùn)行平均背壓有些差距，但其作為汽輪機(jī)組和凝汽器的某考核點(diǎn)，其物理意義還是非常清晰的。與平均背壓的概念有些偏差。

表5 計(jì)算方式四的汽輪機(jī)組額定背壓和設(shè)計(jì)水溫計(jì)算成果

4 結(jié)論

根據(jù)上述四種額定(設(shè)計(jì))背壓和設(shè)計(jì)水溫的計(jì)算方式分析，計(jì)算方式一、三的方式相對合理，也與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的平均背壓概念最接近，也考慮了現(xiàn)有工程開展實(shí)施的工作流程，也與汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)假定的額定(設(shè)計(jì))背壓較接近，可滿足了循環(huán)供水系統(tǒng)優(yōu)化正常開展的要求，計(jì)算方式一為先計(jì)算平均背壓，計(jì)算方式三為先計(jì)算平均水溫，由于設(shè)計(jì)水溫與設(shè)計(jì)背壓由于是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，計(jì)算方式一與計(jì)算方式三兩者之間相差0.2kPa ～ 0.3kPa，其中計(jì)算方式三與平均背壓的概念最接近，也與假定的額定(設(shè)計(jì))最接近，也符合統(tǒng)計(jì)意義上的概念，相對來說更合理些；計(jì)算方式四相對比較簡單，上述前三種方式對汽輪機(jī)和凝汽器考核點(diǎn)的物理概念是清晰的，計(jì)算方式四與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的平均背壓偏差稍大些，主要是氣象條件與設(shè)計(jì)背壓間是非線性關(guān)系。

本文推薦計(jì)算方式三作為機(jī)組額定(設(shè)計(jì))背壓和設(shè)計(jì)水溫的計(jì)算方式，該計(jì)算方式也是與平均背壓的概念最接近的，該設(shè)計(jì)點(diǎn)也可作為汽輪機(jī)組和凝汽器的設(shè)計(jì)考核點(diǎn)，也符合國標(biāo)規(guī)范要求，對循環(huán)供水系統(tǒng)來說，額定(設(shè)計(jì))背壓與冷卻介質(zhì)的全年平均計(jì)算溫度的確定，實(shí)際是先假定后計(jì)算的一個(gè)不斷耦合過程，其不但要在物理意義上經(jīng)得起推敲，也應(yīng)符合電廠實(shí)際運(yùn)行的情況，對循環(huán)供水系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)背壓的降低都是需花費(fèi)投資作為代價(jià)的，對循環(huán)供水系統(tǒng)來說，選取技術(shù)經(jīng)濟(jì)點(diǎn)的合適背壓應(yīng)與主機(jī)廠多次協(xié)調(diào)，建議在規(guī)范修訂時(shí)對額定(設(shè)計(jì))背壓和設(shè)計(jì)水溫的計(jì)算方式予以進(jìn)一步明確。

[1]DL5000－2000，火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]GB50660－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]DL/T5339－2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．