哈雷钎焊板式换热器
专业生产:换热器;分水器;过水热;冷却器
新闻动态

基于换热理论的凝汽器压力应达值的确定

点击:1953 日期:[ 2014-04-26 21:53:55 ]
                      基于换热理论的凝汽器压力应达值的确定                  曾德良1, 王 玮1, 杨婷婷1, 张志刚2, 刘吉臻1     (1.华北电力大学控制与计算机工程学院,北京102206;2.天津大唐盘山发电有限责任公司,天津301900)     摘 要:基于换热器的换热理论,提出了一种新的凝汽器压力变工况算法,将其应用于凝汽器压力应达值计算中,并以某电厂600 MW机组为例进行了验证.结果表明:该算法具有较高的精度,适用于凝汽器压力的变工况计算.通过对影响凝汽器压力的4个因素进行分析,分别确定了其应达值的计算方法,并对汽轮机低压缸排汽焓及闭式循环水系统循环水入口温度的变工况计算方法进行了推导与说明.在凝汽器压力应达值的基础上,提出了区别于参数基准值的参数应达值的概念,可指导机组的运行优化.     关键词:凝汽器;换热;压力应达值;变工况;排汽焓;出塔水温     文章编号:1674-7607(2010)09-0678-06   中图分类号:TK264.1+1     文献标识码:A   学科分类号:470.30     凝汽器压力对机组的经济性和安全性有重要影响.不同参数的机组,当凝汽器压力从4 kPa降至3kPa时,汽轮机的汽耗量平均降低1.5%~2.0%;反之,凝汽器压力每升高1%,汽轮机的汽耗量平均增加1%~2%[1].可见,当凝汽器压力偏离应达值时,将给系统带来额外的能量损失.因此,确定机组运行工况下的凝汽器压力应达值,并以此作为参考判断当时凝汽器的工况,有助于运行人员及时发现并处理故障,以确保机组安全、经济运行.     盛德仁等[2]认为:提高真空能增加蒸汽做功的理想焓降,减少被循环水带走的热量,从而提高汽轮机的热效率,但同时也增加了循环水泵的耗功.因此,定义凝汽器压力应达值为机组功率增加量和泵功率增加量两者差值最大时的压力值.笔者认为这是一个平衡计算的问题,属于循环水泵的优化运行,而不应将其归于变工况下凝汽器压力应达值的范畴.本文定义的凝汽器压力应达值是在当前确定的汽轮机排汽量、循环水入口温度、循环水流量以及汽轮机低压缸排汽焓下的凝汽器压力应该达到的最小值,即机组在变工况运行下的凝汽器压力应达值.该值是1个与运行人员的操作调整和设备状态均有关的应达值.参数应达值为现场机组运行参数与设备状况的优化提供了考核基准,并被作为一套理论体系应用于系统经济性分析中.但现有文献对参数应达值的理解却不尽相同,而且并未给出明确定义.为此,本文在讨论凝汽器压力应达值概念及其确定方法的基础上,提出了参数应达值的概念.     目前,已有大量文献对凝汽器压力应达值的确定进行了研究.文献[3-5]先后将神经网络、支持向量机回归和数据融合的方法应用于凝汽器压力应达值的计算中.在理论计算方面,通过传统的凝汽器变工况算法获取凝汽器压力的应达值[6-8]得到了广泛应用,但这种方法在实际应用中仍存在一些不足:①一般,在变工况计算循环水温升时,汽轮机低压缸排汽和凝结水之间的焓差变化不大[6],但对于不同的机组焓差大小各异,而且将不同工况下的焓差固定化本身也会给变工况计算带来一定的偏差;②凝汽器总体传热系数是影响凝汽器端差的一个主要因素,但由于凝汽器内部传热过程复杂,影响因素众多,要准确求出总体传热系数非常困难[9],这在一定程度上也影响了变工况计算端差的精度,同时由于端差本身受到温升影响,因此凝汽器温升和总体传热系数给端差的计算带来一定的叠加误差,如果采用A.B.雪格里雅夫提出的经验公式[10]计算端差,凝汽器的工作状况系数n也难以确定.因此,传统的凝汽器压力变工况算法在实际应用中受限于个别参数的不易确定,因而精度难以保证.本文基于换热器的换热理论提出了一种新的凝汽器压力变工况算法,并将其应用于某电厂600MW机组的凝汽器压力应达值的计算中,计算结果证明该方法具有较高的精度.此外,本文还充分考虑了对凝汽器压力影响较大的几个因素,如汽轮机低压缸排汽焓和循环水入口温度等,并对其应达值的确定方法进行了分析.     1·参数应达值的概念     参数应达值是一个有别于基准值的概念,它由环境条件和运行工况共同确定,但不涉及平衡计算的问题,因此不一定为此参数的最优值.例如,凝汽器压力存在极限背压[10]概念,如果定义应达值为最优值,则凝汽器压力应达值应不低于极限背压值,但在循环水温度较低与负荷较低的前提下,凝汽器压力有可能达到低于极限背压值的值,因此本文提出的凝汽器压力应达值,即在当前系统(设备)运行条件和运行方式下凝汽器压力应达到的值,但此值不一定是凝汽器压力的最优值.参数最优值概念是伴随评价指标的定义而提出的,如定义运行工况条件下的锅炉效率为评价指标,则此时参数最优值的概念即为文献[11]提出的参数基准值的概念.     参数应达值是指机组在一定的环境条件(循环水入口温度)和运行工况(负荷、初压)下,当系统和设备处于正常运行状态时,其应该达到的热力参数状态值,它仅是系统(设备)处于正常运行状态的数字化体现.科学的应达值应明确两点:①边界条件的确定性.边界条件是确定应达值的基础,机组负荷指令的变化、周围环境条件的变化及机组运行方式的变化等均会直接影响参数的应达值.因此,确定参数的应达值首先应明确机组当前所处的边界条件.从这个角度看,本文提出的参数应达值概念涉及到参数的变工况计算问题;②客观因素的相对性.对于设备制造厂家,其保证工况下的参数状态或指标值即为应达值,但如果设备本身性能未达到设计要求,对于机组运行人员是不可改变的客观存在.因此,运行人员只能在此客观存在不可改变的前提下确定参数的应达值.而对于另外一些设备,如凝汽器的冷却面和锅炉受热面的清洁等,这些对于运行人员却是应达的,这是本文确定参数应达值的意义,即通过比较设备参数的当前运行值与应达值,判断设备是否处于正常运行状态,以指导机组的优化运行.     2·基于换热理论的凝汽器压力变工况算法     凝汽器内的蒸汽凝结空间是汽水两相共存的,其压力是蒸汽凝结温度下的饱和压力,即在正常运行时,凝汽器压力可由对应的饱和蒸汽温度唯一确定,其经验公式[12]为:                     式中:pk为蒸汽凝结温度下的饱和压力,kPa;ts为蒸汽凝结温度,°C.     因此,只要确定了凝汽器内的饱和蒸汽温度,凝汽器压力即可确定.     在凝汽器中,汽轮机末级排汽的冷却过程可视为一个有相变的换热过程[13],排汽的放热量等于循环水的吸热量,对其建立热平衡方程:                    式中:Dc为凝汽器的蒸汽流量,m3/s;hc为汽轮机低压缸排汽焓,kJ/kg;cp为循环水的比定压热容一般取4.186 8 kJ/(kg·K);ts为凝汽器内的饱和蒸汽温度,℃;Dw为循环水流量,m3/s;tw1为循环水入口温度,℃;tw2为循环水出口温度,℃;ε为加热器效能;N为传热单元数;K为总体传热系数W/(m2·°C);F为加热器换热面积,m2;K·F为传热系数,W/°C.     将式(2)~式(4)中的所有参数均取为额定工况值(本文中所有下标带0的参数均表示该参数取额定工况值),联立计算可得额定工况下的传热系数值,记为K0·F0,即:                    除凝结水系统设备发生变化外,此系数只计算一次.对于双背压式凝汽器,需分别计算低压和高压凝汽器各自的额定工况传热系数值,计算时式(3)中的温升(tw2-tw1)应变为(tw2-tw1)/2[17].凝汽器在当前任意工况下的传热系数[16]为:                     式中:βt,i、βt,0分别为当前任意工况和额定工况下的循环水温修正值[15].其计算公式分别为                    将当前工况下的传热系数Ki·Fi代入式(4)可得当前工况下的传热单元数N,将其代入式(3),并将当前工况的各参数值代入式(2)和式(3),联立可求得当前工况下的tw2和ts值.对于双背压式凝汽器,需将低压和高压凝汽器分开计算,并将计算出的低压凝汽器出口温度作为高压凝汽器的入口温度,低压凝汽器的额定出口温度可由额定入口温度直接加上额定温升的一半计算获得.同时,应注意:联立式(2)和式(3)求解时,式(2)的温升(tw2-tw1)应变为2(tw2-tw1).     将由上述方法计算出的任意工况下的ts值代入式(1),即可得到当前工况下的凝汽器压力.基于上述分析可知,影响凝汽器压力的参数主要有:凝汽器的蒸汽流量Dc、汽轮机低压缸排汽焓hc、循环水流量Dw以及循环水入口温度tw1.因此,只要确定了这4个参数在当前工况下的应达值,由上述方法即可求得当前工况下的凝汽器压力应达值.     3·凝汽器压力的影响因素及其应达值的确定方法     3.1 凝汽器的蒸汽流量     凝汽器的蒸汽流量即通常所说的汽轮机广义排汽量,它是汽轮机排汽量D′c与小汽轮机排汽量Dt的总和.对于亚临界纯凝汽式再热机组,汽轮机广义排汽量是汽轮机负荷的函数[4],因此可认为其应达值仅与运行人员的操作有关,可根据制造厂提供的变工况热平衡图中的数据进行变工况计算,获得其各工况的应达值.图1为某电厂汽轮机广义排汽量随负荷比变化的拟合曲线图.                     3.2 汽轮机低压缸的排汽焓     机组在实际运行中,由于汽轮机相对内效率是变化的,因此汽轮机低压缸的排汽焓不可能总保持为设计排汽焓,这种由设备状态决定的因素对运行人员来说是不可改变的客观存在.因此,其变工况应达值需在该因素客观存在的前提下确定.本文假设汽轮机做功过程为理想绝热过程,结合各工况下抽汽的热力参数值来确定汽轮机低压缸排汽焓的应达值,计算过程为:     定义汽轮机组第i级至第i+1级抽汽的级间效率                        式中:hi、hi+1分别为第i级和第i+1级抽汽的焓值;h~i+1为第i+1级抽汽的理想焓.     从汽轮机末级抽汽开始逐级向上核算,直至某级抽汽出现过热蒸汽状态为止.假设第i级抽汽为过热蒸汽状态,其压力和温度分别为pi和ti,则可得其焓、熵值分别为hi和si.对于过热蒸汽状态点以前的各级抽汽,级和级组的压比不变,因此可认为其相对内效率不变[18].对于过热蒸汽状态点之后的各级抽汽,其在汽轮机内的膨胀可认为是理想绝热过程,故i+1级的理想熵s~i+1=si,结合此级压力pi+1可算出其理想焓为h~i+1.     对于典型工况下抽汽的级间效率ηi,i+1,可通过汽轮机热平衡图提供的蒸汽参数直接计算获得,同时拟合其与级间压比pi+1/pi的关系曲线,可获得其他任意工况下抽汽的级间效率ηi,i+1.图2为某电厂汽轮机组第8级抽汽到汽轮机末级排汽的级间效率η8,c与压比pc/p8的拟合曲线,图中拟合多项式中的y为纵轴物理量,x为横轴物理量,R2为回归系数.                     因此,由式(10)计算可得第i+1级的抽汽焓值hi+1,再结合此级压力pi+1可得其熵值si+1.由此可逐级计算过热蒸汽状态之后的各级抽汽参数,直至计算出汽轮机低压缸的排汽焓hc.表1为某电厂汽轮机低压缸排汽焓设计值与应达值的比较.                     3.3 循环水流量     对于大型单元制机组,循环水流量大多采用台数调节,即循环水泵为定速泵,需通过调整并联运行的水泵台数来改变循环水流量.当循环水泵的运行方式确定后,泵的工作点仅由泵本身性能和管路特性来决定,循环水泵特性曲线和管路特性曲线的交点即为泵的运行工况点.因此,可认为循环水流量的应达值仅与运行人员的操作有关,即运行人员的操作确定了循环水泵的运行方式,并由此确定了循环水流量的应达值.图3为某电厂循环水泵在不同方式下运行时的工作点.                     3.4 循环水入口温度     循环水入口温度因循环水系统的型式不同而有差异:对于开式循环水系统,循环水入口温度即为环境中的冷却水温度;而对闭式循环水系统,在不考虑循环水补水及泵功的情况下,循环水入口温度为冷却塔的出口水温,因此,循环水入口温度应达值即为冷却塔出口水温应达值.冷却塔出口水温主要受气象条件以及冷却塔本身运行状况的影响,运行人员可通过及时更换或修复填料、喷头以及除水器等设备使冷却塔达到最佳运行工况,即冷却塔的设备因素可以通过运行人员实现.因此,在确定的环境条件和设备运行状态下,冷却塔的出口水温可认为仅受循环水流量影响,即其应达值仅与运行人员的操作有关.     目前,冷却塔的变工况计算仍普遍采用麦克尔焓差法[19],其中冷却数的计算也大多采用辛普森积分法,其基本公式为:                    式中:方程式左边为特性数,用Ω′表示;右边为冷却数,用Ω表示;A、m为常数;λ为气水比;h″1、h″m、h″2分别为冷却塔入口水温t1、平均水温tm、出口水温t2对应的饱和空气焓,kJ/kg;h1、hm、h2分别为冷却塔进口空气、平均状态空气及出口空气的比焓,kJ/kg;Δt为水温差,K.     由于式(11)为非线性方程式,采用迭代计算求解时,首先需要确定迭代初值、解析解特征以及迭代退出条件.基于此考虑,本文绘制了冷却塔特性数和冷却数随出口水温的变化曲线(图4).基于焓差动力[19]的物理意义,可判断图4中A点为符合物理意义的解析解.因此,确定迭代计算的初值为冷却塔入口水温值,迭代退出条件为冷却数大于特性数,基于此绘制出的程序框图见图5.                                    4·应用实例     某电厂2×600 MW机组凝汽器为N-36000-1型双背压凝汽器,设计循环水进口温度为21℃,设计循环水流量为66 600 t/h;在额定工况下,低压凝汽器设计真空为4.7 kPa(即饱和蒸汽温度为31.9℃),高压凝汽器设计真空为5.736kPa(即饱和蒸汽温度为35.47℃),凝汽器冷却面积为36 000 m2.表2为在设计工况下计算得到的某电厂系统各参数的应达值.                       结合某电厂设计工况数据及上述参数应达值,利用第2小节的凝汽器压力变工况算法,可得到该电厂设计工况下的低压和高压凝汽器传热系数分别为41.452 0 W/℃和46.853 6 W/℃.在本文中,不是直接将设计值视为额定工况下的应达值,而是将设计值作为变工况计算的原始数据来使用,以获取K0F0,进而结合式(6)得到变工况条件下的传热系数KiFi,然后联立式(2)~式(4)并代入当前变工况条件下的参数应达值,可获得此时的凝汽器饱和蒸汽温度应达值.为验证此方法的有效性,笔者以设计工况为例计算其对应的凝汽器压力应达值,并将其与设计值及利用传统变工况算法获得的凝汽器压力应达值进行比较,结果列于表3.                     传统的凝汽器压力变工况计算公式(本文针对双压凝汽器)详见式(12)~式(16),其中在计算凝汽器端差时,A.B.雪格里雅夫经验公式中的常数n取6.                    5 结 论     (1)基于换热器的换热理论,提出了一种新的凝汽器压力变工况算法,并将其应用于凝汽器压力应达值计算中,通过对某电厂实际运行数据的验证表明:该方法具有较高的计算精度,适用于凝汽器压力的变工况计算.     (2)基于对凝汽器压力应达值的理解,提出了参数应达值的概念,并对其确定过程中应明确的问题进行了说明.参数应达值的意义在于:通过对设备参数的当前运行值与应达值的比较,可判断出设备是否处于正常运行状态,以指导机组优化运行. 参考文献: [ 1 ] 葛晓霞,缪国钧,钟澎,等.双压凝汽器循环水系统的优化运行[J].动力工程,2009,29(4):389-393.    [ 2 ] 盛德仁,任浩仁,李蔚,等.运行工况下汽轮机组主要参数应达值的数值分析[J].热力发电,2000(3):28-30.    [ 3 ] 刘定平,肖蔚然.基于神经网络和混合遗传算法的凝汽器真空优化控制[J].汽轮机技术,2006,48(1):52-54.   [ 4 ] 王雷,王洪跃,徐治皋,等.基于支持向量机回归的凝汽器真空应达值确定方法的研究[J].汽轮机技术,2007,49(1):43-46.    [ 5 ] 王秋东,徐治皋,周建新.基于数据融合的凝汽器真空应达值软测量研究[J].汽轮机技术,2008,50(4):285-288.    [ 6 ] 李勇,曹丽华,张欣刚.汽轮机凝汽器真空应达值的确定方法及应用[J].汽轮机技术,2002,44(4):207-209.   [ 7 ] 周兰欣,张学镭,陈素敏,等.凝汽器压力应达值的确定方法[J].汽轮机技术,2002,44(3):149-151.    [ 8 ] 李勇,孟芳群,曹丽华,等.凝汽器最佳真空确定方法的改进[J].汽轮机技术,2005,47(2):84-86.    [ 9 ] 种道彤,刘继平,严俊杰,等.漏空气对凝汽器传热性能影响的实验研究[J].中国电机工程学报,2005,25(4):152-157.    [10] 齐复东,贾树本,马义伟.电站凝汽设备和冷却系统[M].北京:水利电力出版社,1990:8-11. [11] 钱瑾,王培红,李琳.聚类算法在锅炉运行参数基准值分析中的应用[J].中国电机工程学报,2007,27(23):71-74.   [12] 董丽娟,张润盘,张春发.循环水泵的优化调度[J].电力科学与工程,2007,23(1):73-78.    [13] 赵晓彤,徐志明,郭东霞.汽轮机低压缸效率的在线计算[J].东北电力学院学报,2001,21(4):1-3.    [14] 杨立军,杜小泽,杨勇平,等.火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法[J].中国电机工程学报,2007,27(2):59-63.    [15] 闫水保,徐治皋,周振华.回热加热器正常状态的确定[J].电站系统工程,2001,17(5):283-284.    [16] 卢国栋,张春发,孙燕,等.带蒸汽冷却段的加热器端差基准值变工况特性研究[J].汽轮机技术,2008,50(2):126-128.    [17] 孙为民,杨巧云.电厂汽轮机[M].北京:中国电力出版社,2005:176-180. [18] 张春发,赵宁,王惠杰.一种汽轮机组排汽干度的在线软测量方法[J].中国电机工程学报,2008,28(26):1-6. [19] 史佑吉.冷却塔运行与试验[M].北京:水利电力出版社,1990:52-115.
上一篇:液氮发动机换热器的结霜研究及数学分析 下一篇:地热换热器循环液温度设定以及浅析

相关资讯

Copyright ©2008 哈雷换热设备有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技园西坞金水路 电话:0086-574-88661201 传真:0086-574-88916955
换热器 | 板式换热器 | 钎焊板式换热器 | 冷却器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式换热器 | 网站地图 | XML 浙ICP备09009252号 技术支持:众网千寻