基于竄流量計(jì)算的凝汽器循環(huán)水流量測(cè)算方法研究

邵建宇，孫永平，奚 宇

（1.浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 317100；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310014）

0 引言

發(fā)電廠配置冷卻塔的閉式循環(huán)水系統(tǒng)一般采用擴(kuò)大單元制運(yùn)行方式［1］，即兩臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水進(jìn)水通過循環(huán)水泵出口管道上的聯(lián)絡(luò)閥連通，回水通過兩臺(tái)機(jī)組冷卻塔前池的閘板門連通。根據(jù)循環(huán)水泵的日常調(diào)度運(yùn)行方式，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水泵總出力不同時(shí)，在循環(huán)水出水母管聯(lián)絡(luò)管處就會(huì)出現(xiàn)竄流，這股竄流經(jīng)凝汽器后返回至冷卻塔，在兩機(jī)冷卻塔閘板門處完成回流，從而實(shí)現(xiàn)冷卻塔進(jìn)出循環(huán)水量的總體平衡。

由于火電機(jī)組單機(jī)容量的逐漸增大，某耗水量也隨之增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用濕式冷卻塔的機(jī)組每小時(shí)需要80 000 t水，而機(jī)組中占用水量份額最大的是冷端系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水，其占比高達(dá)95%［2］。循環(huán)水大流量基數(shù)的特點(diǎn)導(dǎo)致循環(huán)水竄流量也相應(yīng)較大，造成了循環(huán)水泵出口流量在兩臺(tái)機(jī)組凝汽器之間的分配比例發(fā)生改變，進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水流量與循環(huán)水泵出口流量并不相等，進(jìn)而影響循環(huán)水泵優(yōu)化調(diào)度計(jì)算的準(zhǔn)確性。

目前，測(cè)算發(fā)電廠大口徑循環(huán)水流量的主流方法是熱平衡法［3-8］和超聲波流量計(jì)測(cè)量法［9］。熱平衡法依據(jù)熱量平衡的原理，汽輪機(jī)排汽熱量等于循環(huán)水帶走的熱量，通過汽輪機(jī)排汽流量、凝汽器熱負(fù)荷、循環(huán)水溫升來(lái)推算循環(huán)水流量［10］。熱平衡法測(cè)量的循環(huán)水流量為實(shí)際流經(jīng)凝汽器的循環(huán)水流量，無(wú)法直接計(jì)算出循環(huán)水竄流量。超聲波流量計(jì)采用時(shí)差法，通過測(cè)量超聲波沿聲道逆/順流傳播時(shí)間，求得管道內(nèi)流體流量［11］。超聲波流量計(jì)對(duì)大管徑測(cè)量需要較長(zhǎng)的直管段［12］，而實(shí)際循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)管段中含有彎頭、閥門等局部阻力件，且直管段長(zhǎng)度不足，使得被測(cè)截面處流體無(wú)法處于充分發(fā)展的流速分布狀態(tài)，從而無(wú)法用超聲波流量計(jì)直接測(cè)得循環(huán)水聯(lián)絡(luò)管處的竄流量。

針對(duì)循環(huán)水竄流量測(cè)量難題，本文對(duì)某火力發(fā)電廠2×1 050 MW 機(jī)組的閉式循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。由于這股竄流量經(jīng)凝汽器后返回至冷卻塔，在并列機(jī)組冷卻塔閘板門處完成回流，基于流量平衡原理，可以臨時(shí)關(guān)閉冷卻塔閘板門，通過塔盆水位變化估算冷卻塔回流流量，從而得到循環(huán)水竄流量，并結(jié)合循環(huán)水泵流量揚(yáng)程曲線數(shù)據(jù)，計(jì)算得到準(zhǔn)確的凝汽器循環(huán)水流量。

1 循環(huán)水竄流量試驗(yàn)及循環(huán)水泵特性曲線

1.1 擴(kuò)大單元制循環(huán)水系統(tǒng)構(gòu)成

某沿海發(fā)電廠2×1 050 MW 機(jī)組采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配置一座冷卻塔和3臺(tái)混流式循環(huán)水泵。循環(huán)水泵為流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)類型，2B 循環(huán)水泵因改造后葉輪尺寸偏大，出力偏大。兩臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)通過循環(huán)水泵出口壓力鋼管上的聯(lián)絡(luò)電動(dòng)蝶閥組成擴(kuò)大單元制方式運(yùn)行，循環(huán)水回水在兩臺(tái)機(jī)組冷卻塔內(nèi)通過閘板門連通。圖1所示為該發(fā)電廠兩臺(tái)機(jī)組采用擴(kuò)大單元制運(yùn)行方式的系統(tǒng)構(gòu)成。圖1中，D0為竄流量；D為冷卻塔回流流量；D1為1 號(hào)機(jī)循環(huán)水泵出口循環(huán)水總流量；D2為2 號(hào)機(jī)循環(huán)水泵出口循環(huán)水總流量；D01為實(shí)際流經(jīng)1號(hào)機(jī)凝汽器循環(huán)水流量；D02為流經(jīng)2號(hào)機(jī)凝汽器循環(huán)水流量。

圖1 循環(huán)水?dāng)U大單元制運(yùn)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of circulating water under expanded unit system operation

1.2 循環(huán)水竄流量的測(cè)量

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙，分別計(jì)算并列機(jī)組冷卻塔塔盆容水橫截面面積S1和S2。當(dāng)機(jī)組循環(huán)水?dāng)U大單元制運(yùn)行、并列機(jī)組循環(huán)水泵出水壓頭不同時(shí)，關(guān)閉機(jī)組冷卻塔閘板門。閘板門全關(guān)后，塔盆水位一側(cè)上升，另一側(cè)下降，當(dāng)水位到達(dá)安全限值時(shí)開啟機(jī)組冷卻塔閘板門，恢復(fù)正常運(yùn)行方式。取水位變化斜率在穩(wěn)定時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算。冷卻塔塔盆水位采用超聲波水位計(jì)測(cè)量，測(cè)量時(shí)關(guān)注冷卻塔塔盆水位不低于安全水位，測(cè)量期間兩臺(tái)機(jī)組負(fù)荷保持一致，冷卻塔不進(jìn)行補(bǔ)水和排污。從DCS（分散控制系統(tǒng)）讀取計(jì)時(shí)區(qū)間內(nèi)兩臺(tái)機(jī)組冷卻塔塔盆水位變化量Δm1和Δm2。

循環(huán)水竄流量D0取平均值為：

式中：Δm1和Δm2分為兩臺(tái)機(jī)組冷卻塔塔盆水位變化量；S1和S2分別為兩臺(tái)機(jī)組冷卻塔塔盆容水橫截面面積；ρ為海水密度；Δt為時(shí)間。

實(shí)際計(jì)算得到兩臺(tái)機(jī)組冷卻塔塔盆容水橫截面面積S1為15 850 m2，S2為16 180 m2。以1 號(hào)機(jī)向2號(hào)機(jī)竄流方向?yàn)檎?，不同循環(huán)水泵組合方式循環(huán)水竄流量數(shù)據(jù)如表1所示。當(dāng)兩機(jī)兩泵、兩機(jī)四泵或兩機(jī)六泵運(yùn)行時(shí)，受2B泵出力大影響，均有較小的竄流量，且竄流量隨泵組增多而增大，方向?yàn)?號(hào)機(jī)到1號(hào)機(jī)。當(dāng)兩機(jī)三泵或兩機(jī)五泵運(yùn)行時(shí)，竄流量數(shù)值較大，在10 000 t/h以上，最大時(shí)達(dá)到18 767 t/h，約為一臺(tái)循環(huán)水泵出力的一半，在循環(huán)水泵優(yōu)化調(diào)度計(jì)算中，循環(huán)水竄流量的影響不容忽視。

表1 不同循環(huán)水泵組合方式循環(huán)水竄流量Table 1 Channeling flow of circulating water under the combined pumps

1.3 循環(huán)水泵特性曲線

循環(huán)水母管流量經(jīng)竄流量修正后即為流經(jīng)凝汽器循環(huán)水流量，為得到循環(huán)水母管流量，以及實(shí)時(shí)計(jì)算循環(huán)水系統(tǒng)所有管道的在線流量數(shù)據(jù)，需用到循環(huán)水泵流量-揚(yáng)程曲線。該曲線可以根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的設(shè)計(jì)值和測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到，由于查得各循環(huán)水泵測(cè)試數(shù)據(jù)較多，本文展示部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 各循環(huán)水泵流量和揚(yáng)程部分測(cè)試數(shù)據(jù)Figure 2 Flow-head curve of each circulating water pump

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合循環(huán)水泵流量-揚(yáng)程曲線，并按照與設(shè)計(jì)曲線平移后相似原則進(jìn)行修正。如圖2所示，循環(huán)水泵實(shí)際的流量-揚(yáng)程曲線在設(shè)計(jì)值下方，其中2B循環(huán)水泵葉輪尺寸偏大，曲線在設(shè)計(jì)值上方。

圖2 各循環(huán)水泵流量-揚(yáng)程曲線Fig.2 Flow-head curve of each circulating water pump

2 循環(huán)水竄流量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型及應(yīng)用

循環(huán)水系統(tǒng)擴(kuò)大單元制運(yùn)行時(shí)，各泵的流量-揚(yáng)程曲線均有所差異，而循環(huán)水竄流量的直接影響因素為聯(lián)絡(luò)管兩側(cè)揚(yáng)程差，為方便后續(xù)應(yīng)用和準(zhǔn)確性分析，建立循環(huán)水竄流量與揚(yáng)程差的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

2.1 揚(yáng)程差計(jì)算

揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

式中：H為揚(yáng)程；P1為泵進(jìn)口壓力；P2為泵出口壓力；ρ為平均密度，g為重力加速度，9.81 m/s2；V1為泵進(jìn)口流速；V2為泵出口流速；Z1為進(jìn)口壓力表中心標(biāo)高；Z2為出口壓力表中心標(biāo)高；Q為循環(huán)水泵出口流量；d為循環(huán)水泵出口管道直徑。

由于循環(huán)水泵入口為開放式水池，泵進(jìn)口壓力P1和進(jìn)口流速V1可忽略不計(jì)。循環(huán)水泵沒有進(jìn)口壓力測(cè)點(diǎn)，為方便計(jì)算，認(rèn)為循環(huán)水泵進(jìn)口壓力表在泵吸入口處，表計(jì)中心標(biāo)高為0 m，以此為基準(zhǔn)測(cè)量出口壓力表中心標(biāo)高。

根據(jù)式（2）、式（3）和圖2的擬合曲線，分別計(jì)算上文中循環(huán)水竄流量測(cè)量的8組試驗(yàn)工況的揚(yáng)程差。通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)管段兩側(cè)壓力算得的揚(yáng)程差誤差較大，不滿足循環(huán)水竄流量隨揚(yáng)程差增大而增大的關(guān)系。分析原因?yàn)閴毫Ρ砦挥谘h(huán)水母管聯(lián)絡(luò)閥兩側(cè)，而聯(lián)絡(luò)管道較短，且表計(jì)位置靠近彎頭，因此導(dǎo)致誤差較大。

通過獲取一年的DCS 數(shù)據(jù)分析，循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)閥兩側(cè)壓力波動(dòng)較大，與計(jì)算反映的情況相一致。同比，各循環(huán)水泵出口壓力較為穩(wěn)定，因此研究循環(huán)水竄流量與循環(huán)水泵揚(yáng)程差的關(guān)系，假定5種揚(yáng)程差與循環(huán)水竄流量有關(guān)，分別為并列機(jī)組揚(yáng)程最大泵的揚(yáng)程差ΔHmax，并列機(jī)組揚(yáng)程最大和揚(yáng)程最小泵的揚(yáng)程差ΔHmax1-min2，并列機(jī)組揚(yáng)程最大和揚(yáng)程最小泵的揚(yáng)程差ΔHmax2-min1，并列機(jī)組距出口母管最近泵的揚(yáng)程差ΔHnear，并列機(jī)組揚(yáng)程平均值之差ΔHmean。獲取循環(huán)水竄流量測(cè)量試驗(yàn)時(shí)循環(huán)水泵相關(guān)參數(shù)，對(duì)5種揚(yáng)程差進(jìn)行計(jì)算。

2.2 揚(yáng)程差與循環(huán)水竄流量擬合

將各試驗(yàn)工況計(jì)算的5種假定揚(yáng)程差分別與循環(huán)水竄流量進(jìn)行非線性回歸擬合，不同揚(yáng)程差擬合決定系數(shù)R2值如表3所示。從表3可以看出，并列機(jī)組距出口母管最近泵的揚(yáng)程差ΔHnear與循環(huán)水竄流量的決定系數(shù)R2值遠(yuǎn)高于其他，且接近于1，與實(shí)際情況相符，能準(zhǔn)確反映循環(huán)水竄流量的實(shí)際變化情況。判斷循環(huán)水竄流量影響因素為兩臺(tái)機(jī)距出口母管最近泵的揚(yáng)程差ΔHnear，擬合曲線如圖3所示。

表3 不同揚(yáng)程差擬合決定系數(shù)Table 3 Coefficients of determination for fitting different head differences

圖3 循環(huán)水竄流量與ΔHnear擬合曲線Fig.3 Fitting curve between circulating water channeling flow rate and ΔHnear

3 凝汽器循環(huán)水流量對(duì)比分析

已知循環(huán)水泵流量-揚(yáng)程曲線以及循環(huán)水竄流量數(shù)學(xué)計(jì)算模型，可由DCS 循環(huán)水泵性能參數(shù)計(jì)算出循環(huán)水系統(tǒng)所有管道流量數(shù)據(jù)，從而得到凝汽器循環(huán)水流量。為驗(yàn)證基于竄流量計(jì)算得到的凝汽器循環(huán)水流量的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，本文采用與熱平衡法、超聲波流量計(jì)法計(jì)算的凝汽器循環(huán)水流量進(jìn)行對(duì)比。

3.1 熱平衡法

獲取機(jī)組穩(wěn)定工況下，兩機(jī)三泵、兩機(jī)四泵、兩機(jī)五泵以及兩機(jī)六泵時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，利用式（4）—（6）聯(lián)立計(jì)算兩臺(tái)機(jī)組凝汽器循環(huán)水流量W：

式中：Q為凝汽器熱負(fù)荷；Cp為冷卻水平均溫度下的比熱容；W為冷卻水流量；t1為冷卻水進(jìn)口溫度；t2為冷卻水出口溫度；HR為試驗(yàn)熱耗率；P為發(fā)電機(jī)輸出端功率；PE為勵(lì)磁變功率；HRc為機(jī)組進(jìn)行熱力性能試驗(yàn)時(shí)計(jì)算得到的修正后熱耗率，從機(jī)組整體熱力試驗(yàn)報(bào)告中讀??；F1—F6分別代表主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱器壓降、低壓缸排汽壓力、給水溫度對(duì)熱耗的修正系數(shù)，結(jié)合制造廠提供的修正曲線進(jìn)行逆向修正得到。

3.2 超聲波流量計(jì)法

在循環(huán)水泵回水母管處安裝Fluxus F601便攜式超聲波流量計(jì)，測(cè)量?jī)蓹C(jī)三泵、兩機(jī)四泵、兩機(jī)五泵以及兩機(jī)六泵時(shí)的循環(huán)水流量。在安裝前，確認(rèn)循環(huán)水管道的材質(zhì)以及壁厚，確認(rèn)管道內(nèi)流體介質(zhì)以及是否滿管，確認(rèn)管道使用年限。在安裝時(shí)選擇足夠長(zhǎng)的循環(huán)水管段，以便形成穩(wěn)定的速度分布。一般要求上游直管段長(zhǎng)度為管道直徑5～10倍，下游直管段長(zhǎng)度為管道直徑3～5倍，泵應(yīng)距離測(cè)量管段上游50 倍管道直徑長(zhǎng)度，閥門應(yīng)該距離測(cè)量管段上游30 倍管道直徑長(zhǎng)度［13］。安裝換能器探頭部位時(shí)要去漆、除銹、砂平，并選用合適的耦合劑，在安裝時(shí)均勻涂抹在探頭安裝部位，待信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量。

3.3 循環(huán)水竄流量推算法

從熱平衡法同組歷史數(shù)據(jù)中獲取循環(huán)水泵相關(guān)性能參數(shù)，利用式（2）、式（3）和圖2擬合曲線計(jì)算各循環(huán)水泵流量和揚(yáng)程，利用圖3查得循環(huán)水竄流量，從而推算出凝汽器循環(huán)水流量。

3.4 3種方法的準(zhǔn)確性比較

由于超聲波流量計(jì)測(cè)量管道能形成穩(wěn)定的速度分布，測(cè)量精準(zhǔn)度高［14-15］，所以以超聲波流量計(jì)測(cè)量值為基準(zhǔn)，分別計(jì)算基于竄流量計(jì)算法和熱平衡法、超聲波流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的均值相對(duì)誤差，如表4 所示。竄流量計(jì)算法的最大誤差為2.49%，最小誤差為1.68%，誤差平均值為2.14%；熱平衡法計(jì)算法的最大誤差為5.42%，最小誤差為2.81%，誤差平均值為4.22%。兩種方法均滿足運(yùn)行監(jiān)督要求，相較而言，竄流量計(jì)算法的準(zhǔn)確度更高。

表4 3種方法計(jì)算的凝汽器循環(huán)水流量Table 4 Circulating water flow of condensers under three methods

3.5 3種方法的經(jīng)濟(jì)性比較

由于循環(huán)水管通常埋在地下，采用超聲波流量計(jì)法測(cè)量時(shí)需要挖測(cè)量井，同時(shí)，超聲波流量計(jì)的價(jià)格較高，且其標(biāo)定與維修必須到專門的部門［14，16］。因此經(jīng)濟(jì)性較差，但該方法適用于所有機(jī)組。

基于竄流量計(jì)算法可以利用廠家資料和簡(jiǎn)單的在線試驗(yàn)及循環(huán)水系統(tǒng)DCS 測(cè)點(diǎn)通過計(jì)算得到循環(huán)水流量，無(wú)表計(jì)維護(hù)費(fèi)用之外的支出。因此經(jīng)濟(jì)性好，但其僅適用于循環(huán)水?dāng)U大單元制運(yùn)行機(jī)組。

熱平衡法可以利用汽輪機(jī)的常規(guī)DCS 測(cè)點(diǎn)和熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及熱耗修正曲線，通過計(jì)算得到循環(huán)水流量，經(jīng)濟(jì)性與竄流量計(jì)算法相同，適用于所有機(jī)組［17-20］。

4 結(jié)論

1）以常規(guī)循環(huán)水泵流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過簡(jiǎn)易試驗(yàn)方法測(cè)定循環(huán)水竄流量的大小，解決了擴(kuò)大單元制循環(huán)水系統(tǒng)常見的循環(huán)水竄流量測(cè)量難題，可以提供較為準(zhǔn)確的運(yùn)行循環(huán)水泵出口流量、循環(huán)水母管流量、循環(huán)水竄流量及凝汽器循環(huán)水流量的在線數(shù)據(jù)。

2）通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到循環(huán)水竄流量的影響因素為兩臺(tái)機(jī)組距出口母管最近的循環(huán)水泵的揚(yáng)程差?？偨Y(jié)得出較為簡(jiǎn)便的循環(huán)水竄流量數(shù)學(xué)計(jì)算模型，該方法適用于一般的循環(huán)水系統(tǒng)擴(kuò)大單元制機(jī)組，但循環(huán)水竄流量與聯(lián)絡(luò)管兩側(cè)揚(yáng)程差的對(duì)應(yīng)關(guān)系需針對(duì)每臺(tái)機(jī)組具體確定。

3）通過超聲波流量計(jì)法、基于竄流量計(jì)算法和熱平衡法等3種方法得到的凝汽器循環(huán)水流量對(duì)比得出，超聲波流量計(jì)法精準(zhǔn)度最高，但經(jīng)濟(jì)性差?；诟Z流量計(jì)算的凝汽器循環(huán)水流量與超聲波流量計(jì)測(cè)量的平均偏差為2.14%，有較高的精準(zhǔn)度，測(cè)量成本及費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好，但其僅適用于循環(huán)水?dāng)U大單元制運(yùn)行機(jī)組。采用熱平衡法計(jì)算的凝汽器循環(huán)水流量與超聲波流量計(jì)測(cè)量的平均偏差為4.22%，精準(zhǔn)度稍差，測(cè)量成本及費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好，適用于所有機(jī)組。

4）綜合考慮準(zhǔn)確度與經(jīng)濟(jì)性，在循環(huán)水?dāng)U大單元制運(yùn)行機(jī)組測(cè)量凝汽器循環(huán)水流量、進(jìn)行循環(huán)水泵優(yōu)化調(diào)度計(jì)算時(shí)，可以優(yōu)先考慮基于竄流量計(jì)算法。