基于循環(huán)水流量的最佳真空確定方法

張浩，張新磊，于宗

(華能山東石島灣核電有限公司，山東威海 264312)

基于循環(huán)水流量的最佳真空確定方法

張浩，張新磊，于宗

(華能山東石島灣核電有限公司，山東威海 264312)

傳統(tǒng)最佳真空的確定未考慮循環(huán)水流量變化對其他運行因素的影響，在實際應(yīng)用中存在不足。通過分析循環(huán)水流量變化后凝結(jié)水含氧量、水成本費用、排汽阻力、凝結(jié)水過冷度的相應(yīng)變化，提出經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的最佳真空確定方法。

最佳真空;循環(huán)水流量;經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著電力市場的改革，發(fā)電企業(yè)對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運行提出了更高的要求［1］。影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運行的因素主要有機(jī)組本體、配套輔機(jī)、運行工況和運行技術(shù)等［2］。凝汽器是發(fā)電廠最重要的輔機(jī)之一，其真空度對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響很大［3］。提高凝汽器的真空可使汽輪機(jī)的理想比焓降增大，電功率增大。因此有效地提高凝汽器的真空使之達(dá)到最經(jīng)濟(jì)有利的水平，是提高汽輪機(jī)組工作效率的重要內(nèi)容。

在換熱面積一定的情況下，凝汽器真空的影響因素主要有:汽輪機(jī)排汽量、循環(huán)水流量、循環(huán)水入口溫度。電站所在當(dāng)?shù)貧夂驐l件決定了循環(huán)水入口溫度短時間內(nèi)不會改變，因此汽輪機(jī)負(fù)荷一定時，要提高凝汽器的真空只有增加循環(huán)水流量。目前來說，機(jī)組的運行工況一般根據(jù)凝汽器的最佳真空來確定。但傳統(tǒng)的最佳真空定義并沒有將生產(chǎn)成本問題考慮全面，即使機(jī)組按凝汽器最佳真空運行，也不能保證機(jī)組的最佳經(jīng)濟(jì)性，造成能源的浪費［4］，因而必須對最佳真空進(jìn)行重新確定。

1 凝汽器最佳真空的傳統(tǒng)定義

從理論上講，在機(jī)組進(jìn)汽量、進(jìn)汽參數(shù)不變及凝汽器各項性能指標(biāo)正常的條件，隨著冷卻水量的增加，凝汽器真空將上升，此時機(jī)組功率將增加ΔPt，循環(huán)水泵耗功將增加ΔPp，則機(jī)組功率的增量與循環(huán)水泵泵耗功增量的差值ΔP達(dá)到最大時所對應(yīng)的真空稱為最佳真空［5－6］。

傳統(tǒng)最佳真空的理論似乎很科學(xué)，但是只能說是能量意義上的最佳真空，而并非實際經(jīng)濟(jì)意義上的最佳真空。其只是片面強調(diào)了循環(huán)水流量增大對汽輪機(jī)電功率及循環(huán)水泵耗電量的影響，而沒有考慮到循環(huán)水流量增大引起的機(jī)組直接經(jīng)濟(jì)投入，也沒有考慮循環(huán)水流量增大對汽輪機(jī)排汽阻力、凝結(jié)水過冷度及凝結(jié)水含氧量的影響。實際上，真空提高，循環(huán)水的成本提高，汽輪機(jī)排汽阻力、凝結(jié)水過冷度及凝結(jié)水含氧量均有不同程度的增大［7］。因此，機(jī)組即使按傳統(tǒng)最佳真空運行，其經(jīng)濟(jì)性也并不是最佳。為了保證這一目標(biāo)的實現(xiàn)，應(yīng)對傳統(tǒng)最佳真空進(jìn)行修正，得出機(jī)組運行的最經(jīng)濟(jì)真空。

2 循環(huán)水流量變化對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

2.1 循環(huán)水流量變化對機(jī)組直接經(jīng)濟(jì)投入的影響

2.1.1 凝結(jié)水含氧量引起的化學(xué)除氧費用

當(dāng)循環(huán)水流量增大時，機(jī)組真空增大，這也使得漏入的空氣量增大，因而氧氣的分壓力升高，氧氣在凝結(jié)水中的溶解度增大。當(dāng)凝結(jié)水中的溶氧量超過0.03mg/L時，短期內(nèi)會使給水管路出現(xiàn)點狀腐蝕，溶氧量超標(biāo)會腐蝕凝結(jié)水管道和低壓加熱器，大大降低其使用壽命，甚至還會導(dǎo)致除氧器給水溶氧超標(biāo)，影響機(jī)組的運行經(jīng)濟(jì)性及安全性［8］。為了消除溶解氧的影響，必須增加除氧費用，這大為降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。凝結(jié)水含氧量計算公式如下:

式中:k為氧氣的質(zhì)量溶解度系數(shù)，mg/L;Pa為凝汽器內(nèi)空氣平均分壓力;Ps為凝汽器內(nèi)蒸汽的平均分壓力;Da為凝汽器內(nèi)空氣流量，kg/s;Dc為汽輪機(jī)的排汽流量，kg/s;x為汽輪機(jī)排汽干度。

循環(huán)水流量增大后，根據(jù)道爾頓定律及亨利定律，可得到凝結(jié)水中的含氧量變化為:

b1與b的差值即為循環(huán)水流量增大后凝結(jié)水含氧量的增加值。去除這一部分凝結(jié)水含氧，將額外增加機(jī)組的運行費用，將化學(xué)除氧費用的增加值記為ΔCch。

2.1.2 水資源成本費用

隨著人們對水資源保護(hù)及環(huán)境保護(hù)意識的提高，凝汽器所消耗的循環(huán)水量以及向河流或大氣所排放的熱水(汽)量對水資源和環(huán)境的影響已受到有關(guān)部門的重視。傳統(tǒng)最佳真空對于循環(huán)水運行費用的處理上，并沒有考慮水資源的消耗、水的價格波動及污染治理的成本因素，而這些都是提高機(jī)組真空所需付出的。水資源成本費用可用下式計算:

式中:Dw為循環(huán)水流量，t/h;Rw為循環(huán)水本身的價格(包含原水費用及熱污染管理費用)，元/t;τ為機(jī)組運行時間，h;α系數(shù)，循環(huán)水開式循環(huán)取值為1;對于循環(huán)水閉式循環(huán)，為循環(huán)水系統(tǒng)的補水率。

2.2 循環(huán)水流量變化對機(jī)組發(fā)電功率的影響

2.2.1 排汽阻力對機(jī)組發(fā)電功率的影響

蒸汽在汽輪機(jī)各級做功后，從末級動葉進(jìn)入排汽管，然后排入凝汽器。排汽在排汽管中流動時，由于轉(zhuǎn)向、摩擦等作用而產(chǎn)生壓力損失，稱為汽輪機(jī)的排汽阻力損失，即汽輪機(jī)末級動葉出口壓力與凝汽器壓力之間的差值。

排汽阻力會使汽輪機(jī)的理想焓降有所減小，從而使蒸汽的做功能力減小。排汽阻力計算式為:

式中:k為考慮結(jié)構(gòu)尺寸及阻力的系數(shù)，1/m4;ρ為排汽密度，kg/m3。

從上式可知，隨凝汽器真空提高，汽輪機(jī)排汽密度ρ會變小，在排汽量一定的前提下，汽輪機(jī)的排汽阻力會增大。這樣，雖然真空提高了，但實際上卻在一定程度上減小了汽輪機(jī)的做功能力，減小了電功率的增加值。

文獻(xiàn)［9］以某300MW機(jī)組為例，計算在一定循環(huán)水流量、循環(huán)水入口溫度，不同的排汽量情況下排汽阻力對汽輪機(jī)背壓的影響。結(jié)果表明，排汽阻力的存在提高了汽輪機(jī)的背壓，進(jìn)而減小了蒸汽的作功能力，并且排汽量越小，汽輪機(jī)背壓受排汽阻力的影響越大。因此在計算凝汽器最佳真空時必須考慮排汽阻力所帶來的影響。

通過借助汽輪機(jī)制造廠家提供的背壓變化對電功率影響的修正曲線，可得到在汽輪機(jī)排汽壓力和凝汽器壓力下的汽輪機(jī)電功率，二者之差即為排汽阻力引起的汽輪機(jī)電功率變化量。當(dāng)排汽量一定，循環(huán)水量變大時，真空變大，通過修正曲線可查得相應(yīng)排汽阻力引起的電功率的變化量，二者之差即為凝汽器真空變化導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽阻力變化所引起的汽輪機(jī)電功率損失量，記為ΔPΔP。

2.2.2 凝結(jié)水過冷度對機(jī)組發(fā)電功率的影響

凝汽器中蒸汽壓力所對應(yīng)的飽和溫度和凝汽器熱井出口凝結(jié)水溫度的差值稱為凝結(jié)水的過冷度。主要通過以下兩種方式表示［10］:

(1)溫度表示方法:

式中:Δtc凝結(jié)水過冷度，℃;tc凝汽器絕對壓力下的飽和溫度，℃;tn凝汽器熱井中凝結(jié)水溫度，℃。

(2)熱單位表示方法:

式中Δτn為以焓值表示的凝結(jié)水過冷度，kJ/kg;tc為凝汽器無過冷度時凝結(jié)水焓值，kJ/kg;tn為凝汽器有過冷度時凝結(jié)水焓值，kJ/kg。

當(dāng)循環(huán)水流量發(fā)生變化時，凝結(jié)水的過冷度也要發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)循環(huán)水量增大，真空增加到一定數(shù)值時，汽輪機(jī)末級動葉斜切部分的膨脹能力接近極限，末級焓降不會再增大，蒸汽將在動葉斜切部分之外膨脹，汽輪發(fā)電機(jī)組電功率不再增加，此時由于背壓降低，對應(yīng)的飽和溫度下降，使最低壓力級加熱器的出口水溫降低。為了提高低壓加熱器的出口水溫，需要增加更多的回?zé)岢槠瑥亩箼C(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。另外隨著背壓的降低會使空氣的漏入量增加，漏入的空氣量越多，凝結(jié)水的溫度就越低，產(chǎn)生的過冷度就越大，從而造成的損失就越大。

由于過冷度Δτn的存在，最低壓力級加熱器的耗熱量增加αmΔτn，抽汽量也相應(yīng)增加。采用效焓降法，可知引起汽輪機(jī)的等效焓降變化量為:

式中:αm為凝結(jié)水份額;η1為最低壓力級加熱器的回?zé)岢槠省?/p>

分別計算循環(huán)水流量改變前后凝結(jié)水過冷度所引起的等效焓降的變化量ΔH1和ΔH2，兩者之差以ΔH表示，即為由于循環(huán)水流量改變使1 kg蒸汽少做的功。因此，由于循環(huán)水流量改變所造成的凝結(jié)水過冷度改變所引起的汽輪機(jī)電功率損失為:

式中:D0為主蒸汽流量，kg/s;ηm、ηg分別為汽輪機(jī)機(jī)械效率和發(fā)電機(jī)效率。

3 凝汽器最佳真空的確定

按照傳統(tǒng)最佳真空的定義，汽輪機(jī)組追求最佳真空時僅考慮機(jī)組發(fā)電功率與循環(huán)水泵耗功增量，因此其凈收益為:

此時的最佳循環(huán)水流量應(yīng)滿足:

而通過循環(huán)水流量變化對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的分析，可知計算機(jī)組凈收益還應(yīng)考慮溶氧量、水成本、排汽熱阻、過冷度等因素，機(jī)組綜合凈收益為:

凝汽器綜合最佳循環(huán)水流量的確定應(yīng)該是使機(jī)組綜合凈收益最大。顯然，為獲得最大凈收益，循環(huán)水流量的數(shù)值應(yīng)滿足:

將上式進(jìn)行化簡，可得

上式確定的循環(huán)水流量所對應(yīng)的凝汽器真空值，才是綜合考慮了循環(huán)水流量變化后的各種因素得出真正經(jīng)濟(jì)意義上的最佳真空。這種確定凝汽器最佳真空的方法不僅使能量轉(zhuǎn)換收益最大，同時也能保證汽輪機(jī)運行的經(jīng)濟(jì)收益最大。

4 結(jié)語

(1)傳統(tǒng)最佳真空的確定方法僅考慮了機(jī)組發(fā)電功率增量與循環(huán)水泵耗功增量，而忽視了循環(huán)水流量變化后，其他因素對機(jī)組的影響，因而計算結(jié)果有一定偏差，并未實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性上的最優(yōu)化。

(2)通過考慮更多運行因素，提出一種更科學(xué)合理的方法對凝汽器的最佳真空進(jìn)行了重新確定，更符合實際運行需要，使最佳真空成為真正意義上的最經(jīng)濟(jì)真空。

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The determingmethod of optimum vacuum based on circulating water flow

The existing determ ining method of the optimum vacuum has deficiencies in practice，because the factors are not be considered that while circulating water flow change brings affecting to other operation factors.Through the change analysis of condensate oxygen，water costs，exhaust resistance，condensate subcooling degree w ith the circulating water flow change，the most econom ic method for determ ining the optimum vacuum is proposed.

optimum vacuum;circulating water flow;econom ic

TK264.1

:B

:1674－8069(2016)01－057－03

2015-09-25;

:2015-11-04

張浩(1984-)，男，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事電站運行準(zhǔn)備工作。E－mail:mazezh1985@163.com