1、毕 业 设 计(论文)题 目：1000MW 超超临界机组冷端系统计算和优化院 系 动力工程系专业班级 热能与动力工程实 学生姓名指导教师年 月华北电力大学本科毕业设计(论文)I1000MW超超临界机组冷端系统计算和优化摘要火力发电在我国的电源结构中占据着重要地位，自七八十年代以来火力发电发电份额占各类发电总额的百分之七十左右，与此同时我国用于火力发电的煤炭约占全国煤炭产量总量的一半左右。而传统的火力发电机组能耗巨大，节能降耗潜力也是巨大的。作为火力发电机组的重要系统，冷端系统的运行对火力发电机组的经济性、安全性有着重要的影响。实现冷端系统的优化运行，实质上指的是凝汽器在最佳真空下运行工作。冷端
2、系统主要由如凝汽器，冷却塔，汽轮机低压缸末端以及循环水泵等设备及其组成的系统构成。要使得凝汽器在最佳真空下工作，必须先定义何为凝汽器的最佳真空，了解冷端系统各个设备热力特性以及研究影响凝汽器最佳真空的各类影响因素。对于凝汽器，我们定义了循环水入口温度的取值，并根据传热学给出了循环水温升和凝汽器传热端差的计算公式。针对汽轮机低压缸末端，我们依据汽轮机的功率背压特性曲线并将其应用，了解背压变化对汽轮发电机组的经济性的影响并作出定性定量的结论。对于循环水泵的运行特性研究中，我们根据泵与管路的供求关系建立了扬程-流量模型，并研究了定速泵，变速泵的扬程-流量模型，并给出了他们各自的数学描述和求解方法。对
3、经济性即冷端系统净收益功率的进行了定义，并在一定的环境温度基础上提出了凝汽器最佳真空的计算方式。关键词：冷端系统；节能优化；最佳真空；热力特性华北电力大学本科毕业设计(论文)IITHE COLD END SYSTEMS OPTIMIZATION FOR 1000MW ULTRA-SUPERCRITICAL UNITSAbstractThermal power generation takes up an important position in the power supply structure of our country.Since the seventies and eighties
4、,thermal power generantion take up seventy percent of the total power generation capacity,at the same time,the amount of coal used by thermal generation take up fifty percent of the total coal used.Meanwhile,traditional thermal power generating units costly energy,energy saving potential is huge.Col
5、d end system is an inportant auxiliary system,and its working condition has great effects on safety and economic operation.In order to optimum operation of cold end system,make sure condenser works in the optimum vacuum .The cold end system contains condenser,cooling tower,the end of lower pressure
6、cylinder,and circulating water pump.In order to make conderser work in the optimum vacuum,we have to delimit what is optimum Vacuum of Condencer,find out thermal properties of cach device and grasp what factors on it.For condencer,we delimit how to value the inlet temperature of circulating water,an
7、d according to Heat Transfer ,we give some formulas to caculate the temperature rise of circulating water and temperature difference.For the end of lower pressure cylinder,according to The Power-Backpressure characteristic curve,we know the backpressure vary will affect the turbines economy and make
8、 a qualitative and quantitative conclusion.For the research of circulating pump,according to the supply and demand of pump and pipeline,we make a Head-Flow model.And more ,we research for the Head-Flow model of fix speed pump and variable speed pump,and give their mathematical description and soluti
9、on.And we delimit the economy scilicet cold end systems net power,and then we propose the calculating formula of optimum Vacuum of Condencer,base on certain circumstances.华北电力大学本科毕业设计(论文)IIIKeywords: Cold end system; Optimization of energy conservation; Best vacuum; Thermal properties华北电力大学本科毕业设计(论文
10、)目 录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 研究背景及其意义 .11.1.1 我国的电源结构布局 .11.1.2 火力发电节能减排的重要意义 .21.1.3 冷端系统对节能减排的重要性 .21.2 国内外的研究动态 .32 冷端系统概述和优化原理分析 .42.1 冷端系统概述 .42.2 冷端系统存在的问题 .52.3 冷端系统的优化原理 .53 冷端系统设备的热力特性模型 .63.1 凝汽器的热力特性模型研究 .63.1.1 凝汽器的工作原理 .63.1.2 凝汽器的热力特性 .63.2 冷却塔的热力特性模型研究 .113.2.1 冷却塔的作用和工作原理 .113.2.2
11、 冷却塔的热力特性 .113.3 循环水泵热力特性模型研究 .153.3.1 循环水泵的工作原理 .153.3.2 循环水泵的热力特性 .163.3.3 循环水泵变速计算 .183.4 汽轮机低压缸末级组的特性模型研究 .194 对华能某电厂一号机组的实例计算 .224.1 华能某电厂一号机组技术规范 .224.2 计算过程 .22结论 .26参考文献 .27致谢 .29华北电力大学本科毕业设计(论文)11 绪论1.1 研究背景及其意义1.1.1 我国的电源结构布局根据 2014 年 1-7 月全国电力工业统计数据 1，七个月全国基建新增发电设备容量火电 1875 万千瓦，水电 1452 万千
12、瓦，外加其他份额较小的各类能源新增发电设备容量。火电占大约一半。全国发电量，总量 31249 亿千瓦时，其中火电 24686 千瓦时、水电4848 千瓦时、核电 685 千瓦时、风电 894 千瓦时，其中火电发电总量占总发电量的79.00%。6000 千瓦及以上电厂发电设备容量，水电 25749 万千瓦、火电 88089 万千瓦、核电 1778 万千瓦、风电 8331 万千瓦，其中火电占 71.07%。 其分布如图 1-1 和图 1-2：71%21%7 火 电水 电核 电风 电图 1-1 至今 6000 千瓦及以上电厂发电设备容量 79%16%23 火 电水 电核 电风 电图 1-2 2014
13、 年 1-7 月全国发电量以上统计结果显示有以下两个特点：1） 火力发电占据主力位置在我国优化电源项目过程中，清洁能源得到了大力发展，但是，火力发电在我国的电源结构中仍然必将在不久的将来占据着主导地位。结合我国经济状况和能源状况，这种火力发电占据主力位置的情形是不合理的，这制约了我国未来的发展随着国家经济快速发展，我国依旧是电力紧缺的现状，这使得我国的发电必将严重依赖于份额巨大的火力发电，这就使得我国的电力结构发展不合理，就制约了我国的工业未来发展。与此同时，火力发电对环境产生了巨大污染和阻碍了节能减排的进展。为大力推进我国电力工业的结构调整,促进我国电力工业的健康发展,国务院于 2007 年
14、 l 月 20 日颁发了关于加快关停小火电机组的若干意见 2:鼓励各地区和企业关停小机组,集中建设大机组,实施“上大压小”的火力发电战略。2） 新能源发展迅速自 2005 年以来，我国新能源发电发展迅速。根据中电联快报数据和初步分析，截至华北电力大学本科毕业设计(论文)22011 年底，全国并网新能源发电装机容量达到 5159 万千瓦，占总装机容量的 4.89%，其中：并网风电装机 4505.11 万千瓦，并网太阳能光伏装机 214.30 万千瓦，并网生物质发电装机 436.39 万千瓦，地热能发电装机 2.42 万千瓦，海洋能发电装机 0.6 万千瓦。2011年，我国并网新能源发电量 933
15、.55 亿千瓦时，约占总发电量的 2%，节约标煤 2885 万吨，相当于减排二氧化碳 8020 万吨、二氧化硫 62 万吨、氮氧化物 27 万吨，其中：并网风电发电量为 731.74 亿千瓦时，并网太阳能发电量 9.14 亿千瓦时，生物质发电量 191.21 亿千瓦时，地热、海洋能发电量 1.46 亿千瓦时。国家颁布了支持新能源发电的法律法规和政策。如 2006 年 1 月中华人民共和国可再生能源法正式实施，2009 年 12 月再次进行修订。国家相继颁布了可再生能源价格全国分摊政策、可再生能源增值税减免政策、太阳能光电建筑应用财政资金补助办法等政策，实施金太阳工程计划，切实提高了新能源发电企
16、业的经营效益。实行风电、光伏发电、生物质能等的带补贴的标杆上网电价政策。1.1.2 火力发电节能减排的重要意义电力行业是耗能大户，火力发电煤炭消费约占全国煤炭产量的一半左右，而节节攀高的煤炭价格对火电机组是很大的消费支出，煤炭价格约占火电企业成本的 70%左右。如果能对火力发电机组进行节能优化，并在全国范围内实施，其效益是不可估量的。煤炭价格的上涨与电价基本保持稳定，造就了电力行业的大面积亏损，首当其冲的是火力发电厂。在发电侧，我国与发达国家的差距也是比较大的，我国的供电煤耗较国际先进水平高 50 克左右，根据我国发电总量估计，相当于一年损失电量 450 亿 Kwh。1999 年，德国、法国、
17、日本的供电煤耗依次为 332.1g/(kwh)，331.6g/(kwh)，320g/(kwh)，而我国于 2010 年仍然高达 335g/(kwh)3，和发达国家有着明显的差距。于此，我们判断，我国电力行业节能空间巨大。1.1.3 冷端系统对节能减排的重要性对于火力发电厂，节能减排可以从多方面进行入手，比如设备改造，控制系统的优化等等。汽轮发电机组节能降耗的主要思路是：提高初参数如主蒸汽压力和温度，降低汽轮机排汽的压力和温度， 就提高循环热效率。从减少损失这一方面来说，作为损失最大的那一部分，冷源损失源于冷端系统，如果对冷端系统进行结构、参数优化，使凝汽器在最佳真空下工作，是电厂节能减排、提高
18、机组热经济性的重要手段。根据经验，对于超临界机组,背压每变化 1kPa,将影响汽轮机的(1%一 2%)出力，于此同时也影响厂用电率 4。这对于大型机组是很可观的，由此可见凝汽设备的重要性。 冷端系统的优化的思路是在确保设备正常运行的情况下，通过改变循环水泵转速和台数的组合进行流量调节，从而改变凝汽器真空,使机组出力变化，但与此同时也会改变循环水泵的耗功，两者差值到达最大值时，此时的凝汽器真空定义为狭义上的最佳真空，华北电力大学本科毕业设计(论文)3从而确定了循环水泵的最优运行方式。如果循环水泵引入变频装置后,其转速的连续变化可以实现循环水流量的连续调节,此时的凝汽器真空为真正意义上的最佳真空。
19、 1.2 国内外的研究动态凝汽器设备的性能检测和故障分析始于上世纪六七十年代，渐渐得到完善。在国外，研究比较早，在凝汽器方面值得说明的是：Anson 于 1977 年在美国电力研究院发表研究报告并指出：凝汽器设备的性能对机组发电量和热耗、效率的有显著的影响，并初始估计火电厂中的 3.8%损失是冷端损失，即有凝汽器问题引起 5；Katsumoto 等人于 1983 年提出了一种可以应用了实际的关于凝汽器性能检测方法 6。同年，Keiichi Totaoda 等人发明设计了发电厂性能检测的方法和装置 7；美国电力研究院在 1988 年对Indiannapolis 电力公司的 Peterburg3
20、号机组凝汽器做了相关测试，提出了改善凝汽器性能的方法 8；美国的圣迭戈电力公司于 1995 年在其 South Bay 电厂布置安装了凝汽器在线监测分析系统，有助于凝汽器性能的维修 9。在冷却塔方面,早在上世纪二十年代表提出了热力计算的基本研究方法，现在广泛应用的无非是 F.迈克尔提出的焓差法，它是一种以浓度差和温度差为动力的传热公式变化为以焓差为动力的传热公式。这种方法是冷却塔计算大大得以简化 10；徐跃芹、屠珊等人对双曲线型自然通风式冷却塔进行了热力计算,得到了冷却水出塔水温及填料层淋水密度不均对出塔水温的影响。同时,对冷却塔内气体流场建立热态模型并进行了空气动力性能的数值计算,得出了冷却
21、塔热力和空气动力性能的变化规律 11。在汽轮机低压缸方面其特性主要体现在背压特性曲线上，国内较多的人对汽轮机进行了变工况计算，取得了一定成果，如：徐大憋,柯严等人给出了一种简单但是通用的功率-背压特性计算方法,此方法只需要低压排汽面积以及排汽流量两个参数，同时二者可测量估计,具有较高的精度 12；董丽娟,张润盘等人以汽轮机功率方程为基础,根据汽轮机变工况原理对汽轮机末级进行变工况计算,推导出了凝汽器压力与汽轮机功率增量的关系13。在循环水泵方面，文献 14对 300MW 机组单元制闭式供水系统循环水泵的变速特性和采用双速电机的可行性进行了探讨,并分析了循环水流量的变化对汽轮机组热耗率和电厂利润
22、的影响。文献 15针对某热电厂冬季排汽量小,循环水温低,造成凝结水过冷度较大的问题,提出将原循环水泵改造为双速泵,有效地解决了凝结水过冷的问题,同时还降低了循环水泵能耗。文献 16基于循环水泵双速改造的应用情况,对其节能情况进行了分析,并得出循环水泵的双速改造具有投资小、见效快、可靠性高以及节能效果显著的特点。华北电力大学本科毕业设计(论文)42 冷端系统概述和优化原理分析2.1 冷端系统概述火力发电发电机组冷端系统是由汽轮机低压缸末级级组、凝汽器、循环水泵、抽气设备和冷却塔组成，并分为两个主要的水系统：循环水系统和凝结水系统。如下图 2-1 所示:图 2-1 火力发电机组凝汽设备的热力系统结
23、构图汽轮机低压缸末级级组是冷端系统的重要组成部分，其排放的排汽中含有一定的质量 Dc 和一定的能量 hc，这些数据反应了汽轮发电机组负荷的变化，是进行凝汽器热力计算的源头。凝汽器是冷端系统的关键性换热设备，其关键性数据是互相关联的蒸汽凝结温度 ts 和凝汽器压力 pk，这两个参数直接影响了机组做功大小。该参数的计算收到多方面的影响：例如排汽量，循环水流量，循环水入口温度及凝汽器换热表面清洁程度等等。循环水泵是将循环水送入凝汽器内用来冷却汽轮机排汽的动力设备。循环水泵是电厂汽轮发电机组最重要的辅机之一，其主要参数是循环水流量，其大小影响了循环水温升和凝汽器传热端差，进而影响其他关键性数据。故由图
24、和相关设备作用，可以总结出冷端系统运行原理，简述如下:在一定负荷下,排汽离开汽轮机低压缸后进入凝汽器壳侧,凝汽器管侧流入由循环水泵抽来的具有一定循环水入口温度的循环水作为冷却工质,将排汽凝结成水并集聚于热井内，完成冷却工作后的循环水以一定温度排至冷却塔。由于蒸汽凝结成水时,体积骤然缩小,这就在凝汽器内成高度真空。由于凝汽器在工作时内部具有高度真空,所以空气会从不严密处漏入，为防止空华北电力大学本科毕业设计(论文)5气漏入破坏凝汽器真空,需用抽气设备将漏入凝汽器内的空气连续不断抽出。由凝汽器冷凝产生的凝结水,通过凝结水泵排除冷端系统。2.2 冷端系统存在的问题冷端系统比较庞大，不仅由于组成它的设
25、备庞大，更是由于系统内设备与设备间的关系密切，因如冷却管脏污、凝汽器真空严密性差、凝汽器冷却面积不匹配等原因，造成的循环水流量和凝汽器压力与负荷不匹配从而使循环水泵花费了过大的厂用电，最后是企业内经济性得不到保证的问题时不时出现。故不仅需要在解决了设备的缺陷的基础上，还需要解决循环水流量和机组负荷匹配的问题，因此本文就此进行讨论分析。2.3 冷端系统的优化原理在此我们将系统以及后续章程涉及到的参数分为三层：第一层即输入变量：循环水入口温度（由环境和冷却塔冷却能力确定）、循环水量（由循环水泵转速和台数的组合决定,结合循环水管路特性曲线）、汽轮机排气量（由汽轮机负荷决定）、汽轮机排气焓值（汽轮机负
26、荷决定 ）第二层即中间变量：由相关公式计算出的循环水温升t、凝汽器传热端差 t第三层即输出变量：相互关联的凝汽器压力 pk 和蒸汽凝结温度 ts,汽轮发电机组发电量 NT 和循环水泵耗功 Np 。这些参数和计算方法将在下一章一一解释。冷端系统的优化的思路：在 1000MW 机组冷端系统优化过程中假设环境和冷却塔冷却能力是相对固定的，在一定的汽轮机负荷下并且确保设备正常运行的情况下，通过改变循环水泵转速和台数的组合进行流量调节，从而改变凝汽器真空,使机组出力变化，但与此同时也会改变循环水泵的耗功，两者差值到达最大值时，此时的凝汽器真空定义为狭义上的最佳真空，从而确定了循环水泵的最优运行方式。如果循环水泵引入变频装置后,其转速的连续变化可以实现循环水流量的连续调节,此时的凝汽器真空为真正意义上的最佳真空。 实际运行对某电厂一号机组的计算优化中，则是根据凝汽量及循环冷却水进口温度来选用最有利真空下的冷却水量，也即是合理调度使用循环水泵的容量和台数。
