火电厂循环水系统冷却特性优化
1 课题背景
在全球化的视野下，能源问题已经成为国际政治、经济、环境保护等诸多领域的中心议题，甚至成为国际政治的中心。国家“十二五\"规划提出要优化发展能源结构，火力发电仍作为我国电力结构的核心，2010年其装机容量占总装机容量的73.4％、发电量占到全国总发电量的80.8%。我国火电厂的煤耗量十分惊人，2010年全国火电机组平均供电煤耗为333 g/(kW•h)，比世界先进水平高出20～30g/(kW•h)，为此全国一年发电要多消耗标准煤约1亿t，按照2010年社会用电量和供电煤耗333g/(kW•h)计算，燃煤发电厂供电煤耗每降低1 g/(kW•h)，每年就可节约标准煤3.4×106t，具有重大的经济效益。由此可见，优化能源结构，不仅要积极优化资源利用方式，也应该大力提高能源利用效率。
人们竭尽挖掘电厂节能潜能，节能降耗主要集中在三大主机设备及其复杂系统，通过理论研究和广泛应用，已取得很大的经济效益。但长期以来对循环水系统中冷却塔缺乏足够的重视，认为冷却塔的维护较为繁重复杂。由于缺乏对冷却塔节能潜力的认识，很多电厂忽略冷却塔维护和监督，对冷却塔改造的投入不足，导致冷却塔的冷却能力降低，出塔水温偏高，凝汽器真空下降，机组经济性降低。在一定循环水流量下，冷却塔出塔水温每降低1℃，200 MW机组满负荷运行时热效率提高0.328％左右，煤耗率降低1.107g/(kW•h)，300 MW机组热效率则提高0.23％左右，煤耗率降低0.798 g/(kW•h)。目前我国火电厂的锅炉效率和汽轮机效率都已经达到90%以上，节能优化的空间已经不是很大，火电厂冷却塔冷却性能的好坏在很大程度上会直接影响电厂的经济性，如果能从对冷却塔冷却性能进行研究并对其进行节能改造，必将会带来比较明显的节能效果。
2电厂循环水系统和冷却塔概述
发电厂循环水系统及其相关设备主要包括汽轮机低压缸末级组、凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环供水系统、空气抽出系统等组成。循环水系统是由凝汽器、冷却塔、循环水泵及相关阀门和管道组成。汽轮机低压缸末级组排出的乏汽在凝汽器中释放出汽化潜热，并将热量传递给了循环冷却水，使循环水温升高，循环冷却水在冷却塔中将其热量传递给了空气，使空气的温度升高，最终将热量释放在大气中。
凝汽器循环水入口水温将直接影响凝汽器真空，从而影响机组的循环内效 率。一般来说，循环水温越低，机组的内效率越高。而凝汽器循环水入口水温的高低与冷却塔的冷却性能关系密切。若冷却塔的冷却性能较差，凝汽器循环水的入口温度就会升高，不仅会影响机组效率，甚至会危及汽轮机运行的安全性。因此，冷却塔是汽轮发电机组重要的设备之一，其运行性能好坏直接影响电厂运行的安全性和经济性。
自从第一座冷却塔建成，至今已有百年的历史，由原始的开放式冷却塔到目前带有通风筒的冷却塔，风筒的形状也从圆柱形、多边锥形发展到当前普遍采用的双曲线型。冷却塔按通风方式分为：自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔；按热水和空气的接触方式分为：湿式冷却塔、干式冷却塔、干湿式冷却塔；按热水和空气的流动方向分为：逆流式冷却塔、横流（交流）式冷却塔、混流式冷却塔；其他型式有喷流式冷却塔和用转盘提水冷却的冷却塔等。
空气出口钢筋混凝土塔筒收水器配水系统竖井人字柱空气入口来自凝汽器的热水接冷却水泵空气入口集水池填料
图1火电厂自然通风双曲线逆流湿式冷却塔结构图
自然通风双曲线逆流湿式冷却塔是目前国内火电厂的主流塔型，以这种冷却塔为例，它主要由通风筒、配水系统、淋水装置（填料）、通风设备、收水器和集水池六个部分组成（如图1所示）。循环冷却水由管道通过竖井送入配水系统，这种分配系统在平面上呈网状布置，分槽式配水、管式配水或者槽管结合配水三种方式。通过喷溅设备将热水洒到填料上，经填料层后成雨状落入集水池，冷却后水被抽走重新使用。塔筒底部是进风口，用人字柱或交叉柱支承。冷空气从进风口进入塔内，经过填料下的雨区，流过填料和循环水进行热交换，通过收水器后从塔出口处排出。 3电厂循环水系统各相关设备特性及其数学模型
凝汽器的真空对机组的经济性影响很大，其与环境温度、凝汽器特性、汽轮机负荷、循环水系统的水力特性等因素构成了一个复杂的系统。凝汽器内的压力降低，会使汽轮机中的可用焓降增大，从而增大汽轮发电机组的功率，但是循环冷却水量会增加，从而增加了循环水泵的耗功。汽轮机功率的增加值与循环水泵多消耗电能的差额为最大值时的真空称为机组的最佳真空。汽轮机组在最佳真空下运行的发电量最大，因此从本质上来讲就是寻求机组的最佳真空。首先应该建立优化运行的数学模型，然后给出其约束条件，运用优化理论和算法最终求得系统的最佳运行方式。
模型的优化目标是汽轮机的发电功率与循环水泵的耗电功率的差值为最大。
首先要对优化运行中所涉及到的汽轮机特性、凝汽器特性、循环水泵特性和管道阻力特性分别建立数学模型，得到优化运行的目标函数；通过其约束条件，从而最终得到循环水系统优化运行的数学模型。在发电厂运行时，循环水系统及其相关设备的运行特性是相互影响、彼此耦合的。
3.1汽轮机特性
汽轮机特性可以表述为当机组的其它设备运行参数一定时，在某一新蒸汽参数和流量下汽轮机组输出功率和排汽压力之间的关系，通常称之为汽轮机微增功率曲线。汽轮机的微增功率pt用下式表示:
ptf(p0,t0,D0,pk)
（3-1）
式中：p0,t0,D0和pk分别表示为主蒸汽的压力（kPa）、温度（℃）、流量（kg/s）和凝汽器压力（kPa）; 汽轮机微增功率随凝汽器压力变化曲线是机组循环水系统进行优化，并判定机组是否运行状况好的重要依据。
3.2凝汽器特性
凝汽器特性可表述为凝汽器压力与循环水入口温、循环水流量及汽轮机排汽量之间的关系，即：
pkf(tw1,Dw,Dc)
（3-2）
式中：tw1,Dw和Dc分别表示为循环水入口水温、循环水流量和汽轮机低压缸排气量。
凝汽器内的蒸汽压力可由与之相对应的饱和蒸汽温度ts来确定，一般用pk表示，根据凝汽器热平衡及换热条件可知，蒸汽凝结温度ts为：
tstw1tt
（3-3） 式中: tw
1、t和t分别表示循环水入口水温、循环水温升和凝汽器端差（℃）；
假设不考虑凝汽器与外界空气之间的换热，则排汽凝结放出的热量就等于循环冷却水带走的热量，由热平衡方程式:
DC(hchc)Dwcp(tw2tw1)
（3-4）
DC(hchc)520DC可得：ttw2tw1
（3-5）
DwcpDwt根据传热方程可得：
tekAc/(cpDw)1 其中：k为凝汽器总体传热系数，Ac为凝汽器的冷却面积，cp为循环水的定压比热，hc为汽轮机排汽的焓值，hc为凝结水焓值。
求出ts后，可根据下面经验公式求出凝汽器压力：
ts1007.46pk0.00981()
（3-6）
57.66由此可见，凝汽器压力pk可以说是饱和蒸汽温度ts的函数，也可以说是循环水入口温度tw1和循环水流量Dw的函数，因此在不同的tw1和Dw下可以求出一系列pk值。
3.3循环水泵特性
循环水泵作为提供循环冷却水的重要动力机械，循环水泵本身的运行方式决定着循环水流量的大小，循环水泵耗电功率越大，循环水量也就越大。循环水泵特性可以表示为循环水泵耗电功率与循环水量之间的关系，即：
ppf(Dw)
（3-7）
3.4冷却塔特性
冷却塔是实现低温放热的最终设备，它能否将循环水热量及时释放到大气中，是保证排汽压力稳定的重要环节，它通过出塔水温(即循环水入口温度)影响凝汽器压力，进而影响机组的经济性。冷却塔运行性能的优劣直接体现于冷却塔出口水温tw1(即凝汽器循环水入口温度)。目前，冷却塔热力计算比较普遍的计算方法是焓差法，利用焓差法可以计算出冷却塔出口水温。
其基本公式为:
N(tN( )
（3-8） w1)
tw2cphhtw1dtAm
（3-9）
其中，N()为冷却塔所具有的冷却能力，表示在一定淋水填料及塔型下冷却塔所具有的冷却能力，它与淋水填料的特性、构造几何尺寸、冷却水量等有关。表示冷却塔的冷却能力越大；N(tw1)冷却数越大，N(tw1)为冷却塔的冷却任务数，它与气象条件等因素有关，与冷却塔的几何构造无关，N(tw1)越大，说明冷却塔的冷却任务越重。tw2和tw1分别为冷却塔进出口水温；h为饱和空气的焓；h为湿空气的焓；cp为循环水的比热；是空气与水的质量比；A与m由试验确定。
根据工程实际与经验，可由下式求得：
3.6vmAmmDW
（3-10）
式中vm为塔内气流的平均速度，m/s；Am为淋水面积；m塔内气流的平均密度，kg/m3；DW为循环水流量。（3-8）式左边为：
N(tw1)tw2tw1cpdt
（3-11） hh（3-11）式采用辛普逊积分法来计算可以简化为：
N(tw1)cpt6[141]
（3-12） h2h1hmhmh1h2h1，hm，h2分别表示进塔空气、平均状态空气及出塔空气的比焓，kj/kg；h1、hm和h2表示空气温度分别为进塔水温、平均水温及出塔水温时饱和空气比焓，kj/kg。ttw2tw1。
进而可得出冷却塔出塔水温（即循环水入口温度）tw1即：
6Amtw1tw2
（3-13）
141cp()h2h1hmhmh1h23.5循环水冷却系统冷却特性对机组经济性的影响
根据电厂循环水系统各相关设备特性及其数学模型，可以建立汽轮机的发电功率与循环水泵的耗电功率的差值为最大值的优化目标函数模型。其数学模型如下：
Maxptpp
Maxf(p0,t0,D0,pk)f(Dw)
（3-14）
如果主蒸汽压力p0、温度t0和蒸汽流量D0不变的情况，同时不考虑环境温度的变化，那么机组的效率只与凝汽器背压pk有关，对于电厂发电效率来说，还与循环水泵耗电率有关，而循环水泵耗电率与循环水量有关，如果循环水量也不变，那么整个电厂效率只与凝汽器背压pk有关，而凝汽器背压pk是循环水入口温度tw1和循环水流量Dw的函数。
520Dc520Dc100kAc/(cpDw)DwDw(e1)pk0.00981()7.46
（3-15）
57.66由3-14式和3-15式可知，初参数一定时，影响机组发电效率只与循环水流
tw1量和出塔水温有关。循环水冷却系统冷却特性发生改变时，机组效率会与设计时发生偏离，产生一定的损失。单位质量蒸汽在汽轮机里少做的功为：
（3-16）
式中：ps,ts分别为设计时背压和背压时工况下的饱和温度，pk,tks分别为偏离设计工况时的背压压力和相对应的饱和温度。循环水冷却系统影响机组经济性的因素为循环水流量和出塔水温。
当循环水量增加，有利于凝汽器侧热交换，提高汽轮机的效率，但是会增加循环水泵耗功率，对于循环水冷却系统冷却塔来说，当出塔口处空气的相对湿度未达到饱和时，循环水量增加会使出塔空气逐渐趋于饱和，此时继续增加循环水量，过量的热水放出的热量就无法被空气吸收，出塔水温反而会升高，降低机组的经济性。
由3-15式可以看出循环水入口温度越高流量越小，凝汽器压力就越高，机组经济性就越差，如果其它条件不变的情况下，冷却塔出口水温升高1℃对机组经济性的影响如表3-1所示。
表1 出塔水温升高1℃对机组经济性的影响
机组容量/MW 机组负荷/MW 效率降低/% 煤耗率增加/（g/(kwh)） 热耗率增加/( kJ/(kwh)) 煤耗量增加 （t/年）
904
1550
1676
1808
1940
30.28
32.44
23.39
21.63
13.54
125 125 0.31 1.033
200 200 0.328 1.107
300 300 0.23 0.794
350 350 0.242 0.738
600 600 0.21 0.462
根据表1的数据，出塔水温每升高1℃，对于300MW机组而言，每年多消耗标准煤1676吨，按照标煤平均价格为1000元／吨计算，每年运行费用增加160多万元人民币。截至到2011年底，全国总发电装机容量已经超过9亿kW，如果按9亿kW计算，出塔水温每升高l℃，如按300MW机组计算，可导致每年运行费用增加20.8亿元人民币，可见出塔水温的升高，造成的经济损失是相当可观的。
4结论
本文基于火电厂循环水系统各相关设备特性理论分析，建立了汽轮机的发电功率与循环水泵的耗电功率的差值为最大值的优化目标函数数学模型，算出了冷却塔出口水温升高1℃对机组经济性的影响。分析了冷却塔出口水温升高1℃，造成的经济损失是相当可观的，并指出了冷却塔的性能好坏会直接影响火电机组运行的安全性和稳定性。
