凝汽器冷卻管長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

徐 正，于喜文

(1.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,石家莊 050031；2.遼寧大唐國(guó)際沈東熱電有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 210100)

凝汽器冷卻管長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

徐 正1，于喜文2

(1.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,石家莊 050031；2.遼寧大唐國(guó)際沈東熱電有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 210100)

考慮到汽輪機(jī)廠對(duì)冷卻管的設(shè)計(jì)優(yōu)化僅是對(duì)凝汽器本身的優(yōu)化，其冷卻管長(zhǎng)度的選取對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言可能并不是最優(yōu)值。采用優(yōu)化后的冷卻塔、循環(huán)水泵、凝汽器面積、循環(huán)水管道的配置，通過對(duì)凝汽器進(jìn)行熱力、水力的詳細(xì)計(jì)算，確定最優(yōu)的冷卻管長(zhǎng)度。經(jīng)過幾種方案的比選，某1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組的凝汽器推薦采用長(zhǎng)度為13 m冷卻管。

凝汽器；冷卻管；循環(huán)水系統(tǒng)；百萬機(jī)組；冷端優(yōu)化

在火力發(fā)電廠中，凝汽器又稱為冷凝器或復(fù)水器，其主要任務(wù)是將汽輪機(jī)乏汽凝結(jié)成凝結(jié)水，并在汽輪機(jī)低壓缸出口建立真空[1]；回收凝結(jié)水，保證汽水循環(huán)順利進(jìn)行；也是凝結(jié)水去除氧器之前的預(yù)除氧設(shè)備；接收運(yùn)行中的疏水，減少高純水損失；接收系統(tǒng)的旁路排汽[2]。

凝汽器的要求由設(shè)計(jì)院提出，詳細(xì)設(shè)計(jì)由汽輪機(jī)廠完成[3]，但是由汽輪機(jī)廠確定的冷卻管束的長(zhǎng)度，對(duì)于機(jī)組整體的經(jīng)濟(jì)性有影響，汽輪機(jī)廠的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不是從機(jī)組整體的經(jīng)濟(jì)性上考慮的。

設(shè)計(jì)院的冷端優(yōu)化，也只是將凝汽器的面積作為變量，不會(huì)對(duì)凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

因此，需要研究確定凝汽器冷卻管的長(zhǎng)度，以提高工程經(jīng)濟(jì)性。

1 背景參數(shù)及冷端優(yōu)化的參數(shù)

以南方某地的2臺(tái)1 000 MW超超臨界大型燃煤火力發(fā)電機(jī)組新建工程為例，闡述優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。工程的原始?xì)庀筚Y料見表1，主機(jī)定標(biāo)資料見表2，優(yōu)化設(shè)計(jì)所用的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)見表3[4]。

1.1 環(huán)境氣象條件

表1 氣象條件Table 1 Meteorological conditions

1.2 招標(biāo)已定主機(jī)參數(shù)

表2 汽輪機(jī)主要參數(shù)Table 2 Main parameters for steam turbine

1.3 優(yōu)化計(jì)算中的經(jīng)濟(jì)參數(shù)

表3 經(jīng)濟(jì)性參數(shù)Table 3 Economic parameters

1.4 冷端優(yōu)化后的配置參數(shù)

1.4.1 循環(huán)水泵參數(shù)

循環(huán)水泵配置采用擴(kuò)大單元制運(yùn)行，運(yùn)行工況按月進(jìn)行優(yōu)化配置循環(huán)水泵按變倍率運(yùn)行。該工程2臺(tái)機(jī)組配置4臺(tái)循環(huán)水泵(配雙速電機(jī))，水泵及電機(jī)參數(shù)如下所示：

流量：Q= 13.94m3/s

揚(yáng)程：H= 29m

配套電機(jī)：P= 5000 kW

電 壓：U= 6000 V

1.4.2 冷卻塔參數(shù)

優(yōu)化后的冷卻塔參數(shù)見表4。

表4冷卻塔主要參數(shù)

Table4Majorparametersforcoolingtower

項(xiàng)目參數(shù)有效淋水面積11500m2淋水面直徑121.04m淋水填料高度1.75～1.25m,平均高度1.5m冷卻塔總高173m供水高度16.2m

2 凝汽器冷卻管長(zhǎng)度優(yōu)化方法

凝汽器的熱力、水力計(jì)算均采用美國(guó)HEI的計(jì)算方法。

由于考慮的是凝汽器冷卻管長(zhǎng)的影響，將凝汽器面積作為定值，僅對(duì)其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)行成本的計(jì)算方法采用“熱耗法”進(jìn)行比較，凝汽器背壓降低帶來熱耗降低與循環(huán)水泵揚(yáng)程增大帶來的熱耗增加，綜合考慮兩者在各月中的影響，并核算成標(biāo)煤的消耗成本，兩者之和最小值為最優(yōu)方案。由于計(jì)算結(jié)果的數(shù)值較大，為了便于觀察結(jié)論，采用“相對(duì)值法”。

2.1 凝汽器熱力計(jì)算方法

凝汽器熱力計(jì)算主要是確定傳熱系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)傳熱系數(shù)、循環(huán)水量、凝汽量、循環(huán)水溫度等參數(shù)計(jì)算凝汽器的背壓。而影響凝汽器效果的重要因素是換熱系數(shù)[5]，根據(jù)HEI標(biāo)準(zhǔn)，換熱系數(shù)與冷卻管外徑、壁厚、材質(zhì)、冷卻水溫度、管內(nèi)流速有關(guān)。即由下式表示[6]：

K=K0×Ft×Fm×Fc

(1)

式中：K為凝汽器的總傳熱系數(shù)，w/(m2·℃)；K0為以冷卻管外徑和管內(nèi)流速確定的基本總傳熱系數(shù)，w/(m2·℃)；Ft為冷卻水溫修正系數(shù)；Fm為冷卻管材與壁厚的修正系數(shù)，采用0.5/0.7的不銹鋼管時(shí)，取0.9；Fc為清潔系數(shù)，根據(jù)冷卻水水質(zhì)條件對(duì)冷凝器管材的影響，不銹鋼管取0.90。

從上式中可以看出，對(duì)于已經(jīng)選定材質(zhì)及冷卻管外徑、壁厚的凝汽器來講，冷卻水進(jìn)水溫度及管內(nèi)流速是影響其換熱性能的重要因素。

當(dāng)然，影響凝汽器效果的因素還有冷卻管排管的布置、各個(gè)部件尺寸的合理比例，這一部分工作已經(jīng)有設(shè)備廠家進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于定型的凝汽器主要是凝汽器面積、總傳熱系數(shù)、冷卻水量、冷卻水溫差等參數(shù)影響凝汽器的效果。

2.2 凝汽器水力計(jì)算方法

凝汽器的水力計(jì)算主要是確定凝汽器的水阻，也是確定循環(huán)水泵揚(yáng)程必不可少的參數(shù)。當(dāng)然，凝汽器水力計(jì)算中的流速也影響凝汽器的傳熱系數(shù)。凝汽器水阻指循環(huán)水從接管入口到接管出口的全程的阻力。冷卻水阻主要包含三部分：冷卻管內(nèi)的阻力；水流從水室流入冷卻管時(shí)的阻力，又稱管端阻力；水室入口及水室出口阻力[7]。

(2)

式中：H為凝汽器水阻(總水頭損失)，mH2O；LT為冷卻管總長(zhǎng)度(含管端接口長(zhǎng)度及有效換熱區(qū)長(zhǎng)度)，m；VW為冷卻管內(nèi)的流速，m/s；d2為凝汽器冷卻管的內(nèi)徑，mm；RE為凝汽器的水室和管端的水阻，mH2O。

2.3 運(yùn)行成本計(jì)算方法

“熱耗法”與“微增功率法”均能正確反映技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性，而“熱耗法”僅考慮“熱端和冷端”的熱耗，更加接近實(shí)際情況，故計(jì)算采用熱耗法[8]。

÷Q÷η1÷η2×M0

(3)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同冷卻管長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的的凝汽器流速Fig.1 Flow rates of condensers corresponding todifferent cooling pipes lengths

從圖1可以看出，管長(zhǎng)越大，凝汽器內(nèi)水側(cè)的流速越大，主要是當(dāng)固定了凝汽器面積后，凝汽器管長(zhǎng)度增加，對(duì)應(yīng)的是冷卻管的根數(shù)較少，凝汽器內(nèi)水側(cè)的過水?dāng)嗝婷娣e也較小，故流速較大。

結(jié)合圖1和圖2可以看出，雖然在7月份凝汽器的流速大，水溫高，傳熱系數(shù)大，循環(huán)水量大，但背壓依然較高。

圖2 不同冷卻管長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的的凝汽器背壓Fig.2 Back pressures of condensers corresponding todifferent cooling pipes lengths

從圖3可以看出，凝汽器水阻的關(guān)系基本與水側(cè)冷卻管內(nèi)流速關(guān)系一致。

值得說明的是，最大水阻并不是出現(xiàn)在最熱月份，而是出現(xiàn)在了5月份。這是因?yàn)?，水溫低時(shí)，水的黏性系數(shù)較大[9]。

圖3 不同冷卻管長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的的凝汽器水阻Fig.3 Water resistance of condensers corresponding todifferent cooling pipes length

為了便于對(duì)比技術(shù)方案的優(yōu)劣，將各月的運(yùn)行費(fèi)用的相對(duì)值列表，如表5所示。表5的主要是以管長(zhǎng)13.99 m的方案為基準(zhǔn)方案，其他方案與本基準(zhǔn)方案做比較(基準(zhǔn)方案為被減數(shù)，其他方案為減數(shù)，差值的代數(shù)值越大，說明方案越優(yōu))。并根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)繪制圖4，以便于觀察趨勢(shì)。

表5不同冷卻管方案的運(yùn)行成本對(duì)比

Table5Thecomparisonofoperationcostofdifferentcoolingtubeschemes萬元

注：表中代數(shù)值越大說明方案越優(yōu)。

圖4 不同冷卻管長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行成本相對(duì)值Fig.4 Relative values of running cost corresponding todifferent cooling pipes lengths

管長(zhǎng)11.5 m的凝汽器在7月時(shí)的費(fèi)用多出5.57萬元，說明了此時(shí)的凝汽器內(nèi)的流速并非經(jīng)濟(jì)流速，由于流速降低的同時(shí)帶來了水阻降低及換熱系數(shù)的降低，雙向影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[10-15]。

從各月的運(yùn)行成本來看，冷卻管13 m時(shí)，各月均為正值。經(jīng)濟(jì)性最好。

據(jù)此計(jì)算的2臺(tái)1 000 MW機(jī)組每年的運(yùn)行成本，13 m管長(zhǎng)比13.99 m管長(zhǎng)的凝汽器節(jié)約12.69萬元/年，12.5 m冷卻管長(zhǎng)的凝汽器比13.99 m的節(jié)約4.68萬元/年，而11.5 m方案最差，每年多出運(yùn)行成本18.32萬元。

4 結(jié) 論

1) 凝汽器的冷卻管長(zhǎng)對(duì)機(jī)組整體的經(jīng)濟(jì)性有影響，在優(yōu)化時(shí)應(yīng)考慮該因素。

2) 當(dāng)凝汽器面積一定時(shí)，冷卻管長(zhǎng)度通過影響冷卻管內(nèi)的流速對(duì)凝汽器的傳熱系數(shù)及水阻造成影響，進(jìn)而影響機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性。

3) 凝汽器的最大水阻出現(xiàn)在循環(huán)水泵全開，且溫度低的月份。

4) 凝汽器的最大流速應(yīng)綜合考慮各月循環(huán)水量、環(huán)境溫度、汽輪機(jī)微增功率、循環(huán)水泵揚(yáng)程等影響因素來確定。

[1] 梁娜.基于數(shù)據(jù)挖掘的火電廠故障診斷研究[D].保定:華北電力大學(xué)(河北), 2007.

LIANG Na. The research on the fault diagnosis based on data mining in thermal power plant[D]. Baoding: North China Electric Power University (Heibei), 2007.

[2] 周留坤.不銹鋼管在凝汽器改造中的運(yùn)用[J]. 云南電力技術(shù), 2011, 27(5): 64- 66.

ZHOU Liukun. Application of stainless steel pipe in condenser reconstruction[J]. Yunnan Electric Power, 2011, 27(5): 64-66.

[3] DL/T 5339—2006 火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

DL/T 5339—2006. Code for hydraulic design of fossil fuel power plants[S].

[4] 徐正,李金海,張景波.機(jī)械通風(fēng)冷卻塔在2×1000MW濕冷機(jī)組中的應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)科技, 2014, 31(1): 5-9.

XU Zheng, LI Jinhai, ZHANG Jingbo. Application of mechanical-draft cooling water in 2×1000 MW wet generator set[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2014, 31(1): 5-9.

[5] 石友妮.火電機(jī)組板式凝汽器的可行性研究[D].北京:華北電力大學(xué)(北京), 2009.

SHI Youni. The feasibility study of applying plate condenser in power unit[D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2009.

[6] 曾上將.火力發(fā)電機(jī)組冷端優(yōu)化[D].北京:華北電力大學(xué)(北京), 2011.

ZENG Shangjiang. Research on cold end optimization of coal-fied power units[D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2010.

[7] 王強(qiáng).提高凝汽器真空方法及措施的研究[D].北京:華北電力大學(xué)(北京), 2004.

WANG Qiang. The research on methods and measures of increasing vacuum of condenser[D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2004.

[8] 西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社, 2005.

Northwest Electric Power Design Institute. Electric power engineering water affairs design manual[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[9] GB/T 50102—2003工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

GB/T 50102—2003. Code foe design of cooling for industrial recirculating water[S].

[10] 徐正,肖長(zhǎng)志,鄭彭,等. 高背壓供熱機(jī)組設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].燃料與化工, 2017, 48(3): 56- 59.

XU Zheng, XIAO Changzhi, ZHENG Peng, et al. Analysis on the key technology for design of high back pressure heating unit[J]. Fuel & Chemical Processes, 2017, 48(3): 56-59.

[11] 徐正,張書梅,趙曉利.冷卻塔氣水比計(jì)算研究[J].工業(yè)用水與廢水, 2014, 45: 52- 70.

XU Zheng, ZHANG Shumei, ZHAO Xiaoli. Research on calculation of air-water ratio for cooling tower[J]. Industrial Water & Wastewater, 2014, 45:52-70.

[12] 陳達(dá),王正勛.凝汽器冷端優(yōu)化技術(shù)與應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2012, 24(1): 255- 256.

CHEN Da, WANG Zhengxun. Modern Business Trade Industry, 2012, 24(1): 244-256.

[13] 孫鴻斌,阮亞良.凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化[J].浙江電力, 2009,28(2): 17- 19.

SUN Hongbin, RUAN Yaliang. Steam turbine condenser circulating water system optimization[J]. Zhejiang Electric Power, 2009, 28(2): 17-19.

[14] 趙斌,劉玲,張文兵.汽輪機(jī)冷端優(yōu)化的研究[J].熱力透平, 2007, 36(1): 19- 23

ZHAO Bin, LIU Ling, ZHANG Wenbing. Optimization for steam turbine cold end system[J]. Thermal Turbine, 2007, 36(1): 19-23.

[15] 徐正,牛聰,徐妍,等.機(jī)械通風(fēng)冷卻塔選型影響因素分析[J].燃料與化工, 2016, 47(1): 64- 66.

XU Zheng, NIU Cong, XU Yan, et al. Analysis on the factors influencing the selection of mechanical ventilating and cooling tower[J]. Fuel & Chemical Processes, 2016, 47(1):64-66.

On optimization design of condenser cooling tube length

XU Zheng1, YU Xiwen2

(1. Hebei Electric Power Design & Research Institute,Shijiazhuang 050031, China;2. Liaoning Datang International Shen Dong thermoelectric Co., Ltd., Shenyang 210100, China)

Considering that the design optimization of the cooling pipe in the steam turbine plant is only the optimization of the condenser itself, the selection of the length of the cooling pipe may not be optimal for the whole system. The optimized cooling tower, circulating water pump, condenser area, circulating water pipe configuration are utilized and the optimal length of the cooling pipe is determined through detailed calculation on thermal and hydraulic of condenser. After comparison for several options, a 1 000 MW thermal power unit condenser is recommended to use 13 m length of cooling tube.

condenser; cooling pipe; circulating water system; million unit; cold end optimization

2017-07-25；

2017-09-20。

徐 正(1981—),男， 高級(jí)工程師 ,碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠冷卻系統(tǒng)。

TK264.1

A

2095-6843(2017)06-0561-04

(編輯李世杰)