火电机组冷端系统优化运行研究

华北电力大学（保定）

硕士学位论文

火电机组冷端系统优化运行研究

姓名：马帅

申请学位级别：硕士

专业：动力工程及工程热物理；动力机械及工程

指导教师：韩中合

2011-03

摘要

摘要

为了进一步降低火电厂的发电成本，对火电机组冷端系统进行性能分析与优化运行研究是十分必要的。对于含有逆流式自然通风冷却塔的大型凝汽式汽轮机组，本文将凝汽器、循环水系统和冷却塔系统作为一个整体来进行分析，利用mathCAD和MATLAB等计算机软件对汽轮机组冷端系统建立模型，确定了冷端运行优化的目标值。

本文建立了冷端系统的各子系统的计算模型，建立了冷却水入口温度，冷却水温升，凝汽器端差和凝汽器压力的计算模型，运用MATLAB软件拟合了厂家提供的机组排汽压力对机组出力的影响曲线以及排汽压力对热耗的影响曲线的方法来确定汽轮机特性，分析了循环水泵单泵的工作点以及双泵并联的工作点的确定，分析了凝汽器特性曲线的绘制方法。

对影响冷却水入口温度的冷却塔进行分析，编制了基于焓差法的计算机程序，针对600MW机组冷却塔的计算，得出各个因素对冷却塔效率和冷却塔出口温度的影响。

根据凝汽器最佳真空的确定方法以及冷端优化的原理，针对电厂实际进行了凝汽器变工况实例计算，根据计算结果以及变工况理论得出了冷却水量、冷却水入口温度和蒸汽负荷对凝汽器真空的影响趋势，确定了各个负荷下和各个冷却水入口温度时循环水泵的最优运行方式，结果表明，该模型简单明了，易于计算，确定的运行方式更为准确。

关键词：火电机组；凝汽器；循环水系统；运行优化

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目录

Abstract

For further reducing the cost of thermal power units, it is very necessary to analyzing performance for the cold end of thermal power system and studying the optimal operational mode. Counter flow with a large natural draft cooling tower condensing steam turbine as the research object, in this paper, condenser, circulating water system and cooling tower system were put together as a whole to analyze, mathCAD and mablab and other computer software were used to model the cold end system and then determine the optimal target of running the cold end.

In this paper, firstly, the model of the subsystems of cold end and the models of cooling water inlet temperature, cooling water temperature rise, and the conderser pressure, condenser terminal temperature difference were built up, and then, using matlab software to fit the exhaust unit provided by the manufacturer of pressure on the unit output of exhaust pressure curve and the impact on the heat curve method to determine the turbine characteristics. Both the circulating pump operating point of a single pump and double pump in parallel are analyzed, and the condenser performance curve method is analyzed, too.

Hyperbolic cooling towers of natural ventilation are analyzed, and the computer program of the present method based on enthalpy difference theory is performed to calculate the 600MW unit cooling tower. Result shows the various factors affects on efficiency and outlet temperature of the cooling towers.

Calculation of variable conditions of condenser has been carried out based on the methods of determining the best vacuum, cold end optimization theory and practical data of power plants. Influence curves of cooling water quantity, inlet temperature of cooling water and load on condensing vacuum are obtained. Therefore, optimal operation modes of circulating water pump can be identified at different load and inlet temperature of cooling water. It is shown that the present model is much more efficient and precise.

Keywords：power units; condenser; circulating water system; operation optimization II

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第1章绪论

1.1 选题背景及其意义

能源是国民经济的命脉，与人类生活及生存环境休戚相关。我国是一个能源贫缺的国家，同时又是一个能源生产和消费大国，近年来，我国能源需求持续增长，对能源供给形成很大压力。据估计，到2020年，我国能源消耗总量将达到23.7亿～25.5亿吨标准煤。快速的经济发展已经对能源生产和供应以及可持续发展提出严峻的挑战。能源的瓶颈制约成为我过经济社会发展的突出矛盾。一方面能源供应不足，另一方面确实能源高耗行业的存在，大量消耗着有限能源，制约着我国经济的健康发展[1]。

火电在整个电力工业生产中的地位非常重要，是消耗一次能源的大户。由于我国能源结构以煤炭为主，新能源发展速度远远跟不上用电增长速度，火电在相当长的时间内仍然占据电力工业的主导地位。2005年，我国一次能源消费总量22.3亿吨标准煤，全年总发电量为24747亿千瓦时，其中煤电占77.18%[2,3]，2009～2010年，火电装机容量仍占全国电力总装机容量的77%左右。因此，降低发电煤耗，降低发电成本，提高机组运行经济性已迫在眉睫。

火电厂是用煤燃烧产生热能，再由热能转化为动能以生产电能的工厂。现代火电厂是由多个系统和设备组成并进行能量转换的生产地，其中任何一个系统和设备的工作性能都会影响火电厂总体经济效益。因此，国内外电力工作者都非常重视火电厂各个设备和生产环节运行的经济性，并对其系统和设备性能进行了详细深入的探索和研究。目前，我国的电厂中有很大一部分都不同程度上存在各种各样不合理的问题，其中冷端系统能量损失问题十分突出。火电厂中，凝汽设备起着冷源的作用，它的主要作用是将汽轮机排汽冷凝成水供锅炉重新使用外，还能在汽轮机排汽处建立一个远低于大气压的真空，从而大大提高汽轮机的输出功率和热经济性。凝汽设备，以凝汽器为核心，其内外分别连接汽轮机低压缸末级和连循环水系统，构成了凝汽式火电机组热力系统“冷端”。火电厂凝汽器一般运行经验显示：汽轮机汽耗随凝汽器真空变化而变化，凝汽器真空每下降1kPa，汽轮机发电汽耗就会增加1.5%～2.5%[4]，供电煤耗随着凝汽器的传热端差升高而升高，传热端差每升高1摄氏度，煤耗约增加 1.5%～2.5%[5]。由此可见，凝汽器真空是汽轮机各项指标中对煤耗率和机组经济性影

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响很大的参数，也是影响机组安全运行的一个重要指标。实际运行中，凝汽器运行真空低于设计值是一个普遍存在的现象，严重影响着机组的经济性。特别是国产引进型300MW机组低真空问题尤为严重，冷却塔出力不足，凝汽器漏风，冷却塔内铜管结垢等问题，严重影响凝汽器真空，据调查显示：其总体凝汽器真空值仅维持在91%～94%之间，比设计值低3%～6%左右，仅以一项，使机组供电煤耗增加了8.16g/(kW?h)[6]。由此可见，冷端系统问题是火电热力系统节能的关键所在。确定凝汽器的最佳真空并尽可能地保证机组运行在最佳真空值附近，是实现冷端节能的关键所在。

由此可见，冷端系统运行参数偏离设计值是国内外火电机组运行中最为突出的问题之一，严重影响了机组效率和机组出力。因此，进行冷端系统优化工作，对提高凝汽器运行性能，实现电厂节能降耗起着十分重要的意义。本文在此大背景下，针对该影响火电厂经济性的重要系统——冷端系统进行细致的研究，深入认识影响冷端运行性能的各项因素，实现冷端优化。

1.2 冷端系统概述及研究现状

冷端系统[7]的概念是针对大型汽轮机组低压缸和冷却塔选型设计提出的，冷端最优化最初是为了在给定机组条件下，经过技术经济性分析，寻找其最优解，即考虑汽轮机组低压缸、凝汽器、凝结水泵、低压加热器和循环冷却水系统以及真空系统等所有和运行费用相关的参数，最终目标是为了确定最佳真空所对应的低压缸形式和最佳循环水量。

对于大型凝汽式水冷汽轮机组，冷端系统的构成基本相同，其主要组成部分有凝汽器系统、冷却塔系统、循环水及管路系统、真空泵系统等几部分组成。在上世纪八十年代，人们开始了电厂节能降耗的各种节能方法的广泛研究，其主要手段是提高蒸汽参数，此时人们意识到了冷端系统对节能降耗的重要性，循环水泵的最优运行调度研究开始得到研究[8]，当在一个电站实例应用中，开式循环水的优化调度给电站带来了极大的经济效益[9]，由此开始，冷端系统对节能降耗的意义重大得到研究人员的重视[10]。

国内外学者对冷端系统进行了广泛大量的研究。针对火电厂机组优化运行热经济性计算的方法有很多种，比如热平衡法、等效热降法、循环函数法及矩阵分析法，这几种方法各有其优缺点。迄今为止，针对凝汽器设备的技术经济性分析一般有两种方法：一为分析方法[11,12]，它根据现场中实际的运行数据，以电厂平时定期试验的数据，借助于数值分析或其他计算机工具进行分析挖掘，以历史参数为依据，从而得到结论并用于冷端优化；典型的例子包括：基于“基

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准值诊断方法”[13]的方法，它是将设备正常运行时的基准值与实际设备的运行值作比较，从而找出设备的运行状态是否正常，找出其能损的位置，为运行人员提供参考；还有一个“能量价值分析”[14]方法，它将综合成本煤耗率作为评价火力发电厂冷端系统经济运行的指标，综合成本煤耗率越高则经济性越差。二为诊断方法[15-17]，在大型汽轮机组故障诊断方面，由于计算机的普遍应用，从检测和数据采集方面提供了很大的便利，不仅可以在短时间内搜集很大的信息量，而且为汽轮机组设备在线检测和特征诊断提供了可能。基于计算机的在线检测可向运行人员提供运行参考。典型实例有：“在线监测”[18]和“Rheo Vac 真空系统故障诊断在线监测系统”[19]等方法，它们是依据火力发电厂的冷端数学模型，在线数据采集火电厂DCS系统的数据，经过处理计算后与基准值作比较，找出冷却水流量、凝汽器以及冷却塔运行状况的变化，为运行人员提供设备运行状况的在线监测及诊断。美国San Diego电力公司(SDG&E)在South Bay 首先在电站安装了凝汽器性能在线监测系统[20]，此系统可以帮助运行人员分析凝汽器的运行状态，损耗程度，可以避免盲目的维修。EPRI对Indianapolis电力公司(IPL)在Petersburg电厂3号机组的凝汽器进行了试验测试，不仅制定了一个改善凝汽器运行性能的实验的具体思路，而且提供了可供运行人员参考的详尽的一手资料[21]。王乃宁教授的“汽轮机湿蒸汽的光学测量[22]”为汽轮机末级排汽状态的确定提供技术手段。

冷却塔的研究国内外进行的都比较晚，1982年，EPRI和几个电站发起研究冷却塔性能预测和改进，并制定了冷却塔性能提高的应用导则[23]。随后，北美CHAM股份有限公司研制了冷却塔性能分析软件(VERA2D)[24]；Majumder[25]研究了塔内空气流动对换热的影响。Burger[26]强调冷却塔是被忽略的节能设备。Nenad MiloSavljevic[27]根据测量的传热系数和一维传热传质方程建立了数反映塔内的传热，并在两个试验塔上测试各种填料的性能，Jameel-Ur-Rehman Khan[28]等分析了冷却塔性能随填料的结垢的变化规律，M.S.Soylemez[29]分析了不同水温和大气压下的最佳汽水比，Farhad Gharageizi[30]通过试验分析了汽水比对冷却塔性能的影响，Bilal A.Qureshi[31]在进行冷却塔设计时，考虑了喷淋和雨区及结垢的影响。

杨志[32]对冷端系统的经济性和稳定性做了深入研究，建立了连续调节和不可连续调节的供水系统模型，并对双压凝汽器进行了分析计算，结合600MW 机组实例编制了优化程序，经验证可用于工程计算。

王冬[33]对冷却塔进行了深入研究，其论文模型的建立是基于三变量法和焓差法，其对冷却塔性能的分析结果与实测结果基本相符，证明该模型的实用性。证明了冷却塔性能的完善性。

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徐跃芹[34]深入研究了双曲线型冷却塔的空气动力性能数值计算，该论文基于实际运行参数，通过建立模型并计算，得出各个因素对出塔水温的影响，当冷却塔填料损坏时，出塔水温与其损坏百分比基本呈现线性增长。

现有的研究大都从设计或技术改造的角度研究提高冷却塔性能的方法和途径[35,36,37]，对运行中冷却塔的经济性优化分析没引起足够的重视。

1.3 论文的主要工作

本文通过分析大型凝汽式机组冷端系统各设备及参数变化对机组热经济性的影响，为火电厂节能降耗提供一些思路和依据。具体研究内容有：

1、建立冷端系统的数学模型，为后面研究分析冷端系数做基础，分析凝汽器工作原理，建立端差、温升的模型，分析背压变化对汽轮机出力的影响。

2、针对自然通风逆流式冷却塔，利用计算机编程，分析干球温度、湿球温度、进水温度以及机组负荷对冷却塔的影响，得到各因素对冷却塔效率以及出口温度的影响曲线。

3、针对电厂实例，计算研究凝汽器变工况特性。绘制凝汽器特性曲线。

4、根据变工况计算结果并结合理论，分析凝汽器真空的各种影响因素，分别计算分析了冷却水入口温度、冷却水量、凝汽器蒸汽负荷对凝汽器端差、压力的影响。

5、通过分析凝汽器最佳真空确定过程，研究机组在不同环境温度、不同负荷时，循环水系统的最优运行方式。针对冷端优化传统方法和考虑环境影响以及节水因素时的综合效益法，对比了两种方法的计算结果差异，从而实现冷端运行的优化，指导实践运行。

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5第2章 冷端系统相关设备特性介绍及建模

冷端系统是汽轮发电机组的重要组成部分，其性能对机组的安全经济稳定运行有重要影响，研究冷端系统的前提是研究冷端系统相关设备的特性，并建立数学模型。冷端系统的相关设备的特性研究包括汽轮机特性、凝汽器特性、抽气系统特性、循环水泵特性和冷却塔特性。

2.1 冷端系统相关设备概述

冷端系统如图2-1所示，是由汽轮机末级、凝汽器、循环水泵，冷却塔、空气抽出系统、循环供水系统等组成。

按换热过程划分，冷端系统可分为内外两个子系统和两个换热设备，即内部的凝结水系统、外部的循环水系统以及凝汽器和冷却塔。

图2-1 发电厂冷端水系统及其相关系统构成

其中，1-汽轮机；2-发电机；3-循环水管道；4-凝汽器；5-循环水泵；6-抽气系统；

7-凝结水泵；8-低压加热器；9-胶球清洗装置

凝结水系统[38]收集汽轮机排汽，凝结成水和低压加热器疏水，经由凝结水

泵升压后经各低压加热器加热送往除氧器除氧。它体现了冷端系统的负荷特性，

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是机组电负荷或热负荷的函数；凝汽流量、凝结水过冷度、凝结水泵耗功都会影响冷端系统的经济性。

循环水系统[39]的作用是将冷却水送至高低压能凝汽器用来冷却汽轮机低压缸排汽，以维持高低压凝汽器真空，使汽水循环得以继续。组成循环水系统的管路及设备，循环水泵的工作性能，循环水泵耗功等都会影响循环水流量和换热性能，进而影响冷端系统的经济性。

凝汽器是冷端系统最关键的换热设备，凝汽器内的蒸汽凝结空间是汽水两相共存的，蒸汽压力是蒸汽凝结温度下的饱和压力。凝汽器内的压力直接和机组做功联系起来。凝汽器结构，凝汽器热负荷，凝汽器真空系统的严密性，冷却水管结垢，循环水入口水温，冷却水温升，凝汽器端差，循环水流量，抽气器的工作状态，等都能影响凝汽器压力。

冷却塔是散热装置。是利用水的蒸发换热吸热原理散去凝汽器中吸收的废热，以保证系统运行的装置。它必须及时充分的将循环水吸收的热量释放到大气中去，以保证排汽压力稳定在某一数值。冷却塔通过出塔水温（即循环水入口水温）影响凝汽器压力，进而影响冷端系统的经济性。

冷端系统运行原理简述如下：如图2-1所示，汽轮机排汽进入凝汽器，循环水泵不断地把冷却水打入凝汽器，吸收凝汽凝结释放出的热量，蒸汽被冷却并凝结为水。凝结水由凝结水泵抽走，依次进入机组的低压加热器，除氧器，高压加热器最终流入锅炉。凝汽器内背压很低，比较容易漏入空气，空气阻碍蒸汽放热，使传热系数减少，影响传热效果，因此用抽气器不断将空气抽走，以免不凝结空气杂质在凝汽器内逐渐积累，导致凝汽器内压力升高。

可见，冷端凝汽设备的主要任务是：

(1)保证汽轮机排汽在凝汽器中不断凝结，并使凝汽器达到一定的真空值。

(2)凝结水和补给水去除氧器之前的先期除氧设备。

(3)接受机组启停和正常运行中的疏水。回收热量和减少循环工质损失。

(4)接受机组启停和甩负荷过程中系统的旁路排汽。

(5)低真空供热运行时，凝汽器还作为一级热网加热器。

(6)不断将排汽凝结时排出的热量散发出去。

(7)汇集和贮存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽，缓冲运行中机组流量的急剧变化、增加调节系统的稳定性。

2.2 背压变化对出力的影响

电厂正常运行中，一般背压越低，经济性越好。比如300MW机组，如果真

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7空每降低1kPa ，供电煤耗率增加大约2.5g/(kW ?h)，热耗率上升大约0.8%，而且电厂实际运行中，真空在全年中一半时间在低于真空设计值下工作。因此，确定背压对出力的影响，对机组经济运行有着重要意义。

严谨的来讲，汽轮机背压和凝汽器压力时两个完全不同的概念，汽轮机背压是指低压缸末级动叶片出口截面处的静压力，而凝汽器压力则是指距凝汽器管束最上排管子300mm 处测得的静压力，由文献[40]知道，当忽略排汽缸的损失和凝汽器喉部的阻力损失时，可将凝汽器背压作为汽轮机背压来计算，则研究汽轮机组背压变化对机组功率的影响可以等同于研究凝汽器压力变化对机组功率的影响。

汽轮机特性可表述为当机组的其它设备运行参数一定时，汽轮机组在特定的蒸汽参数下，汽轮机的输出功率与排汽压力之间的关系，即：

000(,,,)t k P f P D T p = (2-1)

式中：0P ——新蒸汽的压力，kPa ；0T ——新蒸汽的温度，°C ；0D ——新蒸汽的流量，t/h ；k p ——凝汽器压力，kPa 。

汽轮机出力随背压变化的曲线是机组循环水系统进行优化，判定机组运行状况好坏的重要依据。

汽轮机背压对出力的影响得到的方式有很多，大致有三种：

(1)通过汽轮机末级变工况计算得到背压变化与功率变化之间的关系[41]；

(2)在电厂进行现场试验，可得到当汽轮机组排汽压力变化后对出力影响的特性曲线；

(3)根据制造厂提供的汽轮机低压缸排汽压力对出力的修正曲线，经过多项式拟合[42]。

现场电厂试验实际操作有难度，而汽轮机末级变工况计算，需要的参数过多，参数估计值也很多，鉴于可得到厂家提供的汽轮机组热力系统参数图，因此本文根据第三种方法来确定汽轮机特性。

2.3 凝汽器特性

凝汽器在电厂热力系统中的主要功能是保证汽轮机排汽在凝汽器中不断地被凝结，并使凝汽器达到所要求的真空值，也是凝结水和补给水去除氧器之前的先前除氧设备，还具有回收疏水等功能。凝汽器特性[43]可描述为在给定的设备条件下，凝汽器的压力与循环水入口温度、循环水流量和汽轮机排汽量之间的关系，即：

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8图2-2 蒸汽和水的温度沿冷却表面的分布

1(,,)k w w c p f t D D = (2-2)

式中：1w t ——为循环水初温，°C ；w D ——为循环水流量，t/h ；c D ——为汽轮机低压缸排汽量，t/h 。

凝汽器中发生的热交换可以看作对流[44]，图2-2所示是低压缸排汽和循环水的温度沿凝汽器冷却面积的变化规律。沿冷却面积，冷却水的温度由入口1w t ，上升到出口水温2w t 。汽轮机的低压缸排汽进入凝汽器，在管束的进口处蒸汽中空气的相对含量很小，凝汽器压力k p 约等于蒸汽的分压力s p ，进口处的蒸汽温度等于凝汽器压力相对应的饱和温度s t 。忽略凝汽器的汽阻，凝汽器压力沿冷却面积不变，相对应的饱和温度也不变[45]。

主凝结区蒸汽凝结温度为：

t t t t w s δ+Δ+=1 (2-3)

在主凝结区，总压力c p 与蒸汽分压力s p 相差甚微，c p 可以用s p 代替。由式2-3算出s t 后就可以用公式得出s t 所对应的饱和压力s p ，从而得到了凝汽器压力c p 。

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92.3.1 冷却水入口温度

一般来讲，供水系统分为开式循环水系统和闭式循环水系统。开式循环水系统中，冷却水作为冷却介质，流经换热设备完成一次冷却后直接排放的冷却系统，一般濒临海洋，江河，水库的电厂，由于取水方便，水源丰富，水环境热容量大，大多都采用开式供水系统。直流供水系统包括海水直流供水系统和淡水直流供水系统。闭式循环水系统一般是带冷却塔，循环供水以循环冷却水作为冷却并循环使用的冷却系统。在闭式循环水系统中，循环水用来冷却凝汽器中汽轮机的排汽，温度升高后，进入冷却塔进行冷却。冷却后的循环水重新进入凝汽器工作，反复循环，从水源处取水对循环水进行补充。

大型凝汽式汽轮机组广泛采用具有冷却塔的循环供水系统。对于开式循环水系统，循环水的入口温度即当地的环境温度。而对于闭式循环水系统，循环水入口温度当不考虑循环水补水及泵功的情况下即为冷却塔出塔水温。冷却塔出塔水温不仅受气象条件的影响，而且受冷却塔运行条件的影响。因此，计算冷却塔出塔水温时必须同时考虑上述因素。

2.3.2 冷却水温升

根据传热平衡理论，t Δ可由下式求得：

t D h h D h h D Q w w w w c c c Δ=?=?=4187)(1000)'(100012 (2-4)

式中：Q ——凝汽器的传热量，kJ/h ；c D ——进入凝汽器的蒸汽量，t/h ；w D ——进入凝器汽冷却水量，t/h ；c h ——凝汽器中的蒸汽比焓，kJ/kg ；c h '——凝汽器中凝结水比焓，kJ/kg ；1w h ——冷却水进入凝汽器比焓，kJ/kg ；1w h ——冷却水流出凝汽器比焓，kJ/kg 。

由公式2-4得：

m

h h D D h h t c c c w c c 187.4'/187.4'?=?=Δ (2-5) 式中c w D D m /=，m 为循环倍率，由式2-5可知，m 越大，t Δ越小，真空越高。但m 越大时，循环水泵耗功也增加，因此循环倍率并不是越高越好，一般大型汽轮机组m 在50～120之间。

′?c c h h 是1kg 排汽凝结时放出的汽化潜热，由于排汽有10%左右的湿度，故

′?c c h h 比1kg 干饱和蒸汽的凝结热量要少一些，只有2140～2220KJ/kg 左右，可见t Δ主要决定于循环倍率m ，当排汽流量c D 一定时主要决于循环水泵的运行方

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10式。

对于大型凝汽式汽轮机，′?c c h h 在数值上变化并不大，例如初参数为

23.5MPa 的超临界机组的焓差为2300～2350kJ/kg ，初参数为9MPa ～16MPa 的亚临界机组焓差为约2200～2250kJ/kg ，将其数值代入式2-5，可得：

525t m

～560Δ= (2-6) 由式2-6可知，循环水温升t Δ的大小主要决定于循环倍率m ，即决定于排汽量和冷却水量。在实际运行中，汽轮机的排汽量和机组负荷有关，而机组负荷由

电网调度AGC 指令确定，

由外界决定，因此降低t Δ主要途径是增加冷却水量w D 。凝汽器正常运行中，要接受一些设备的疏水，仅仅是疏水流入汽轮机时，这些热量相对较小可以忽略，但是对于有小汽轮机的发电机组，小汽轮机的排汽不可忽略，此时采用公式2-5计算循环水温升t Δ时，可将汽轮机排汽量c D 定义为汽轮机的排汽量和小汽轮机的排汽量之和，此即为广义排汽量或凝汽器的广义蒸汽负荷。因此，确定循环水温升t Δ的关键是确定了汽轮机广义排汽量和循环水量的大小。

2.4 循环水量的确定

在火电厂的循环水系统中，循环水有单元制和扩大单元制等运行方式。循环水泵有一般采用并联运行。对于单元制的循环水系统，当循环水泵采用定转速运行时，循环水系统的循环水量大小的调节只能采用台数调节，即采用调整并联运行的水泵台数来满足外界负荷对循环水量需求的变化。循环水泵的运行工作点可由管路性能曲线和泵的性能曲线的交点决定。

如图2-3所示，曲线Ι、Π为两台性能相同的泵的性能曲线。根据扬程不变流量相加的原理，可以绘制出两台泵并联后的性能曲线Ι+Π，该曲线与管路特性曲线ΙΙΙ相交，其交点M 就是并联泵的工作点，此时泵的流量是M Q ，扬程为M H 。从交点M 做平行线，与曲线Ι相交于B 点，此点即为并联工作时每个循环水泵的流量输出工作点，其工作流量为B Q ，则2M B Q Q =，曲线Ι与管路特性曲线ΙΙΙ的交点C 为循环水泵单泵运行时的运行工况点，其工作参数为，流量C Q ，扬程C H ，由图中可知：2B C M C Q Q Q Q <<<。

由图可以看出，同型号的两台水泵并联运行时，循环水系统中总的流量大于单台泵流量而小于两台单独运行的流量和，增加的幅度随单台泵流量的增大而增

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11大，其变化程度需要通过水泵特性曲线和管道特性曲线进行确定。水泵并联运行，其扬程比单独运行的扬程大些。这是由于水泵并联运行，通过共同管道的流量增大，管道阻力也随之增大，需要每台泵提高扬程来克服增加的管道阻力损失。

图2-3 泵的工作点的确定方法

2.5 排汽量的确定

(1)根据汽轮机制造厂提供600MW 汽轮机热力特性计算书数据用MATLAB 拟合求得经验公式:

()c D f N = (2-7)

式中：c D ——为汽轮机广义排汽量，kg/s ；N ——为汽轮机功率，MW 。

(2)凝汽式汽轮机变工况下流经末级的蒸汽流量1c D ，与负荷近似成正比，由于设计工况下流经末级的流量0c D 是给定的，故汽轮机排汽量1c D 可确定。

另外，根据厂家提供600MW 汽轮机热力特性计算书的变工况数据可以拟和出小汽轮机的排汽量与机组负荷之间的函数关系:

22()c T D f N = (2-8)

式中：2c D ——为小汽轮机排汽量，kg/s 。

上面两项之和便可得出汽轮机广义排汽量。

2.6 传热端差的确定

凝汽器压力下的饱和温度与凝汽器冷却水出口温度之差称为凝汽器传热端差。由传热方程得：

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12m t KA Q Δ= (2-9)

式中K ——凝汽器的总体传热系数，W/(m 2·K)；m t Δ——蒸汽和水之间的对数传热温差，°C 。

]

/)ln[()]/()ln[()()(2121t t t t t t t t t t t t t w s w s w s w s m δδ+ΔΔ=?????=Δ (2-10) 由式(2-2)、式(2-4)和式(2-5)联立解得：

1

4187?Δ=

w c D K

A e t t δ (2-11) 对一定的凝汽器，端差的大小与凝汽器冷却水入口温度、凝汽器单位面积蒸汽负荷、凝汽器铜管的表面洁净度，凝汽器内的漏入空气量以及冷却水在管内的流速有关。一个清洁的凝汽器，在一定的循环水温度和循环水量及单位蒸汽负荷下就有一定的端差值指标，一般端差值指标是当循环水量增加，冷却水出口温度愈低，端差愈大，反之亦然；单位蒸汽负荷愈大，端差愈大，反之亦然。实际运行中，若端差值比端差指标值高得太多，则表明凝汽器冷却表面铜管污脏，致使导热条件恶化。端差增加的原因有：凝器铜管水侧或汽侧结垢；凝汽器汽侧漏入空气；冷却水管堵塞；冷却水量增加等。

2.7 传热系数的计算

HEI 公式、别尔曼公式计算的凝汽器总体传热系数基本一致[46]，因此进行凝汽器总体传热系数计算，可任选一种公式来计算。这里使用别尔曼公式来为例来介绍凝汽器总体传热系数的计算方法。其凝汽器总体传热系数的表达式为：

d z t w K φφφξφ14650= (2-12)

式中，ξ——冷却内表面清洁状态、材料及壁厚有修正系数；t φ——冷却水进口温度修正系数；w φ——冷却水流速和管径的修正系数；z φ——冷却水流程数z 的修正系数；d φ——凝汽器单位面积蒸汽负荷c d 的修正系数。

ξ的数值由下式确定

m c ξξξ= (2-13)

式中，c ξ是取决于冷却水供水方式的系数，当采用直流供水系统且水中矿物质含量较小时，c ξ=0.85~0.90，当选用在循环水供水时，c ξ=0.75-0.85；m ξ取决于冷却管的材料与壁厚的系数，对于壁厚为1mm 的黄铜管为1.0，B5管为0.95，

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13B30管为0.92，不锈钢管为0.85。

w φ的大小由冷却管内流速w c 、管子内径2d 、进口水温1w t 和清洁修正系数ξ共同确定，按下式确定

χ

φ????????=421.1d c w w (2-14) 式中χ——计算指数，大小由下式计算：

当χ≤26.7°C 时，χ=0.12ξ(1+0.151w t ) 当χ>26.7°C 时，χ=0.6ξ

t φ的大小由冷却水温1t 、修正系数ξ以及凝汽器蒸汽负荷共同确定， 当351≤w t °C 时，

21)35(1000

1w t t b ??

=ξφ (2-15) 当35°C <1w t <45°C 时， )35(002.011?+=w t t φ (2-16)

式中，s g b 0072.052.0?=；s g ——凝汽器比蒸汽负荷，g/(m 2·s)。

z φ的大小由冷却水流程数和循环水入口温度共同确定，按下式确定：

)45

1(10211w z t z ??+=φ (2-17) d φ用于考虑凝汽器变工况计算时蒸汽负荷的修正35°C <1w t <45°C

当n k c k D D δ≥时，1=d φ

当n k c k D D δ<时，2(n

k k n k k d D D D D ?=φ 其中101.08.0w c t ?=δ，n k D 为凝汽器设计负荷。

2.8 汽轮机排汽压力（温度）的确定

根据前面分析只要分别求出1w t 、t Δ、t δ的值，即可得汽轮机排汽温度s t 的数值，即：

1 4.187 4.187(1)p w

c n c n

s w kA C D h h h h t t m m e ??=++? (2-18)

或者：

华北电力大学硕士学位论文 1411(9.5)4.18731.5c n c s w w h h D n t t m t A

?=++++ (2-19) 凝汽器压力可由对应的蒸汽饱和温度来确定，既可以采用查询蒸汽表的方法也可利用经验公式来计算：

7.463100()9.81057.66

s k t p ?+=×× (2-20) 根据凝汽器变工况计算，得到不同循环水入口温度1w t 、不同循环水流量w D 及不同汽轮机组负荷下的凝汽器压力，便可绘制凝汽器变工况特性曲线。

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第3章自然通风逆流式冷却塔运行研究

3.1 冷却塔概述

冷却塔一般由以下几部分组成。

(1)塔体

自然通风逆流湿式冷却塔的塔筒，现在几乎都作成双曲线型，其作用是创造良好的空气动力条件减少阻力。冷却效果比较稳定。

(2)填料

填料是冷却塔的重要组成部分。其所产生的温降达整个塔温降的60%～70%，所以应该选择温降大，气流阻力小的填料。填料分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式。

(3)配水

自然通风逆流式冷却塔一般采用竖井将热水送到配水高程，用槽式或管式配水系统将水分布到整个塔的断面上，再用喷头将水洒向填料。

(4)收水器

为了消除和减少不利影响，减少水的损失，现在的冷却塔基本上都要求安装收水器。收水器装在淋水装置的排汽方，为将气流所带的水滴尽量拦截下来，流回到循环水中去，不被气流带出塔外。

(5)雨区

在逆流塔中，填料下方，水池以上的部分称为雨区，即冷却水在塔钟像下雨的区域，也称为风区，即气流进入冷却塔后，经过此区再进入填料，气流在风口上檐经常产生分离，使得进入填料的气流有效断面减小。

(6)集水池

集水池的容积应该能保证冷却塔的政策运行，以及冷却塔的突然停止运行时，水不会溢出池外。

3.2 冷却塔热力计算模型

冷却塔热力计算方法很多，应用较为普遍的方法是“工业冷却水规范”和“火力发电厂水工设计技术规定”所推荐采用的焓差法。

15

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16冷却塔选定后，2t λ和应满足：

2()()N N t λ= (3-1)

左边函数表示冷却塔在某一汽水比λ时所具有的冷却（能力）数，即冷却塔的特性数，即：

()m N A λλ= (3-2)

其中A m 及是由填料试验资料给出的系数。

右边函数表示冷却水温2t 确定后，对冷却塔指定的冷却（任务）数，一般采用辛普逊积分法计算：

1

222112141()(6t p p t t m m C dt C t N t h h h h h h h h θΔ==++′?′′′???∫ (3-3) 式中：p C ——水的比热，kJ/(kg·)℃；1t ——进入冷却塔（机组凝汽器出口）水温，°C ；2t ——排出冷却塔（机组凝汽器入口）水温，°C ；t Δ——冷却水温降，12t t t Δ=?，°C ；h ——湿空气的焓，kJ/kg ；h ′——饱和空气的焓，kJ/kg ；1h ——进入冷却塔空气的焓，kJ/kg ；2h ——排出冷却塔空气的焓，kJ/kg ；1h ′——水温1t 饱和空气焓，kJ/kg ；，2h ′——水温2t 的饱和空气焓，kJ/kg ；m h ——塔内空气的平均焓；kJ/kg ；m h ′——平均水温m t 时的饱和空气焓，kJ/kg ；m t ——平均水温，

121()2

m t t t =+，°C 。 下面介绍各参数的计算，

(1)空气的焓值计算：

1.006(2500 1.861)h x θθ=++ (3-4)

x 是空气含湿量，

00.622P x P P θθ

??=×

?kg/kg ； 化简可得： 101.006(1555 1.157542)

P h P P θθ?θθ?=++?kJ/kg ； (3-5) 式中，0P ——当地大气压，Pa ；P θ——进入冷却塔气流中的饱和水蒸气分压力，Pa ，可以由下式计算：

10001000373.16log 0.0141966 3.142305()8.2log()373.160.0024804(373.16)

p T T

T θ=??+?? (3-6)

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17其中，273.16T θ=+，°C 。

(2)饱和空气焓的计算

在20~40t =°C 范围内，可采用内田秀熊给出的表达式计算，其误差不大于1%，表达式如下：

20.02540.2418.625P t t ′=?+（kcal/kg ） (3-7)

化为kJ/kg ，得：

24.184(0.02540.2418.625)P t t ′=?+

(3)汽水比λ的计算

3.6m m v q ρλ=

(3-8) 式中：q ——淋水密度，2t /(m h)?；m v ——气流速度，m/s ；m ρ——空气密度，kg/m 2。

m ρ可以由下式计算：

1010.980.98(0.003480.00132)273m P p θρρ?θ

==?+ (3-9) 冷却塔出塔水温计算模型流程图如图3-1：

图3-1 冷却塔出塔水温计算模型流程图

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