火電機組定速循環(huán)水泵的全工況運行優(yōu)化
- 期刊名字:動力工程學報
- 文件大?。?94kb
- 論文作者:劉吉臻,王瑋,曾德良,常太華,柳玉
- 作者單位:華北電力大學控制與計算機工程學院
- 更新時間:2020-06-12
- 下載次數(shù):次
第31卷第9期動力工程學報Vol 31 No 92011年9月Journal of Chinese Society of Power EngineeringSep. 2011文章編號:1674-7607(2011)090682-07中圖分類號:TK229.2文獻標識碼:A學科分類號:470.30火電機組定速循環(huán)水泵的全工況運行優(yōu)化劉吉臻,王瑋,曾徳良,常太華,柳玉(華北電力大學控制與計算機工程學院,北京102206)摘要:為解決枚舉法得出的定速循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式的局限性,通過分析汽輪機低壓缸、冷卻塔及凝汽器真空的全工況計算模型,提出了在環(huán)境溫度相等的前提下進行循環(huán)水泵全工況運行優(yōu)化,并對其流程進行了闡述,將排汽壓力對汽輪機功率的修正曲線進行了全工況擬合,利用二分法求解杋組各工況下循環(huán)水泵相鄰運行方式的等效益點,進而獲得等效益曲線,并采用二分法對某電廠的定速循環(huán)水泵進行了等效益曲線實例驗證.結果表明:循環(huán)水泵優(yōu)化運行后,平均可降低煤耗0.594g/(kw·h)關鍵詞:火電機組;定速循環(huán)水泵;運行優(yōu)化;凝汽器真空;等效益曲線;二分法Operation Optimization of Constant-speed Circulating WaterPumps in a thermal Power Plant under Full ConditionsLIU Ji-zhen, WANG Wei, ZENG De-liang, CHANG Tai-hua, LIUYu'(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power UniversityBeijing 102206, China)Abstract: In order to overcome the limitation of optimized operation of constant-speed circulating waterpumps obtained by enumeration method, the idea of optimizing the operation of circulating water pumpsunder full conditions was proposed on the premise of equal inlet temperature of cooling water, based on a-nalysis of full-condition calculation models for low-pressure cylinder, cooling tower and condenser vacuumTheific optimization process is to fit the corrective curve between turbine power and exhaust pressurel conditions, then to solve the equal efficiency points between adjacent operating modes of circulating water pumps by dichotomy method, and finally to acquire the equal efficiency curves. Verificationresults on the equal efficiency curves in a certain power plant show that an average of 0. 594 g/(kw. h)netcoal consumption can be saved after the optimization of relevant circulating water pumps.Key words: thermal power unit; constant-speed circulating water pump; operation optimization; condenservacuum; equal efficiency curve; dichotomy method循環(huán)水泵是火電機組冷端系統(tǒng)的重要設備,其,消耗的電能約占廠總發(fā)電量的1%~1.5%;運行方式對廠用電率和凝汽器真空等指標有著重要另一方面,由于在汽輪機排汽量和環(huán)境條件一定的的影響.一方面,它是火電廠中耗電量較大的輔機之情況下,凝汽器真空僅由循環(huán)水流量決定.因此,循收稿日期:2011-0206修訂日期:2011-0308中國煤化工基金項目:國家自然科學基金(51036002)資助項目CNMHG作者簡介:劉吉臻(1951-),男,山西嵐縣人,教授,博土生導師,主要研究方向為大機組智能優(yōu)化控制和電力企業(yè)信息化王瑋(聯(lián)系人),男,博士研究生電話(Tel):13581791569;Emai;ncepuwangwel@sina.com第9期劉吉臻,等:火電機組定速循環(huán)水泵的全工況運行優(yōu)化683·環(huán)水泵的運行方式直接決定了凝汽器真空的高低.獲得最大的電功.圖1為循環(huán)水泵優(yōu)化運行原理圖凝汽器真空是汽輪發(fā)電機組運行的最重要指標之真空降低將會明顯提高熱力循環(huán)的冷源溫度,降汽輪機低壓缸末級組低汽輪機出力,最終導致主蒸汽能源利用效率降低.因此,研究在一定環(huán)境及汽輪機負荷條件下的↓循環(huán)水出口冷卻塔入塔循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式,保證凝汽器在最佳真空下工飽和蒸汽溫度凝汽器冷卻塔作,可以在節(jié)省能耗的基礎上使電廠的凈電能輸出增循環(huán)水入口Doll加,從而降低供電成本,提高電廠的運行經濟性.凝汽器循環(huán)水泵實現(xiàn)循環(huán)水泵的優(yōu)化運行,是火電機組各種節(jié)能降耗方法中一種卓有成效的“軟”方案.自上世紀80年代以來,此方面的研究已經有了較大進展,但循環(huán)水泵循環(huán)水泵耗功率耗功率仍存在一些問題亟待解決.首先,當前循環(huán)水泵優(yōu)化運行的研究均是在循環(huán)水入口溫度相等的前提下進冷端系統(tǒng)行的,這對循環(huán)水入口溫度依賴于冷卻塔的閉式循凈收益功環(huán)水系統(tǒng)來說不合理,因為當循環(huán)水泵的運行方式發(fā)生變化時(即循環(huán)水量發(fā)生變化時),其對應的循圖1循環(huán)水泵優(yōu)化運行原理圖Fig 1 Optimized operation of circulating water pum環(huán)水入口溫度也會因冷卻塔的冷卻效果差異而發(fā)生變化.王瑋等中提出在環(huán)境溫度相等的前提下確循環(huán)水泵優(yōu)化運行的目標函數(shù)可表述為:定循環(huán)水泵的最優(yōu)運行方式,本文的論述以此為基max(△Pr-△Pp)=礎進行.其次,對定速泵最優(yōu)運行方式的研究,當前max[(PT.i-Pro)-(PP :-Ppo)]基本采用枚舉法獲得其最優(yōu)運行方式,但由于機組PRi)-(Pro-Ppo)]不可能長時間保持在枚舉出現(xiàn)的幾個典型工況下運max(PPn:行.因此,實現(xiàn)循環(huán)水泵運行方式的全工況尋優(yōu)勢在式中:ΔPr為汽輪機功率增量,kW;△P為循環(huán)水必行.筆者通過分析汽輪機低壓缸、冷卻塔以及凝汽泵耗功率增量,kW;P1為當前工況下的汽輪機功器的全工況計算模型,為確定循環(huán)水泵的最優(yōu)運行率,kW;Pp為當前工況下的循環(huán)水泵耗功率,kW;方式奠定基礎,然后利用二分法獲得循環(huán)水泵不同Pm為參考工況下的汽輪機功率,kW;P為參考工運行方式間的等效益曲線,在當前的環(huán)境溫度及負況下的循環(huán)水泵耗功率,kW.當參考工況確定后,荷條件下,可即時獲得循環(huán)水泵的最優(yōu)運行方式.由Po、PP為常數(shù).本文中除特殊說明處外,所有參數(shù)此獲得的循環(huán)水泵全工況優(yōu)化運行曲線對現(xiàn)場定速下標含0的均表示參考工況(或設計工況)下標含i循環(huán)水泵的優(yōu)化運行具有一定的指導意義表示當前工況1循環(huán)水泵的優(yōu)化運行原理圖1中,冷端系統(tǒng)凈收益功率是指機組在當前工況下收益的汽輪機功率與消耗的循環(huán)水泵功率之凝汽器壓力對機組的出力影響較大.葛曉霞差,見式(1).冷端系統(tǒng)凈收益功率的概念在本質上等指出,凝汽器壓力從4kPa降至3kPa時,汽輪與前人提出的汽輪機功率增量與循環(huán)水泵耗功率之機的汽耗量平均降低1.5%~2.0%.由于凝汽器壓差的增量目標函數(shù)是相通的.值得一提的是,冷端系力是由汽輪機排汽量、循環(huán)水入口溫度以及循環(huán)水統(tǒng)凈收益功率的物理意義更能表達循環(huán)水泵最優(yōu)運流量共同決定的,所以在汽輪機排汽量和環(huán)境條件行的本質,即用最小的循環(huán)水泵消耗功獲得最大的一定的情況下,凝汽器真空僅由循環(huán)水流量決定,即汽輪機功率輸出循環(huán)水流量的大小直接決定了機組出力的大小綜上可知,循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式的確定共涉增大循環(huán)水流量可以提高凝汽器真空,增大汽及4個子設備,即汽輪機低壓缸末級組、冷卻塔、循輪機功率,但同時循環(huán)水泵的耗功率也隨之增加.因環(huán)水泵和凝汽器.在循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式的確定此,這就存在一個平衡計算的問題根據熱經濟性最過程中,循環(huán)水流中國煤化工流量與環(huán)佳的原則,當二者的差值最大時對應的循環(huán)水泵運境溫度等外界條CNMHG量可分為行方式最優(yōu),此時對應的凝汽器真空為最佳真空.循三級變量體系,見圖2.循壞水泵的優(yōu)化運行,即確環(huán)水系統(tǒng)最優(yōu)運行的實質即用最小的消耗功代價,定一定的汽輪機蒸汽流量及環(huán)境溫度等外界條件下684動力工程學報第31卷冷端系統(tǒng)凈收益功率式(2)~式(8)中:Pp為循環(huán)水泵耗功率,kW;Q為循環(huán)水流量,m3/s;h為汽輪機低壓缸排汽焓,kJ狀態(tài)變量汽輪機功率循環(huán)水泵耗功率kg;a為機組負荷比;tn為循環(huán)水人口溫度,℃;to為環(huán)境溫度,℃C;D。為循環(huán)水流量,t/h;t為凝汽器內狀態(tài)變量凝汽器壓力飽和蒸汽溫度,℃;p為凝汽器壓力,kPa;Pr為汽輪機功率,kW;△P為冷端系統(tǒng)凈收益功率,kW狀態(tài)變量[排汽始」[循環(huán)水入口溫度」[揚程,效率自變量循環(huán)水流量凝汽器控制變量汽輪機蒸汽流量環(huán)境溫度等外界條循環(huán)水入口溫度出口溫度圖2循環(huán)水泵優(yōu)化運行參數(shù)體系框圖Fig 2 Parameters control in optimized operation區(qū)回循環(huán)水入口溫度of circulating water pump冷卻塔冷卻塔出塔水溫入塔水溫的最優(yōu)循環(huán)水流量.要獲得全工況的循環(huán)水泵優(yōu)化冷卻塔運行模型,需建立上述4個子設備及各級參數(shù)變量的全工況計算模型圖3循環(huán)水人口溫度計算流程圖2循環(huán)水泵的全工況優(yōu)化運行流程2.1計算流程2.2循環(huán)水泵特性(1)獲取循環(huán)水泵在各運行方式下的工作點循環(huán)水泵的運行特性是由泵的自身性能與管路包括循環(huán)水泵的流量揚程和效率,計算各運行方式特性共同決定的,兩條特性曲線的交點即為泵的實對應的軸功率:際工作點.泵的特性曲線以及效率曲線通常由廠家Pp= f(Q提供,泵的管路特性曲線一般可表述為(2)由當前的汽輪機負荷及各級抽汽參數(shù)計算Hi= Hs+oQ(9)汽輪機低壓缸排汽焓:式中:H4為管路特性能頭,m;H為凈揚程,m;g為(3)常數(shù)(3)計算給定汽輪機負荷及環(huán)境溫度下的循環(huán)當單臺泵的流量不夠時,可通過并聯(lián)循環(huán)水泵水入口溫度,圖3為計算流程圖.由于循環(huán)水入口溫來增加流量.并聯(lián)后循環(huán)水泵的特性曲線由相同揚度受凝汽器與冷卻塔的耦合作用,所以此處涉及凝程點的流量疊加獲得圖4為某2×600MW機組汽器特性以及冷卻塔熱力特性的計算循環(huán)水泵運行方式曲線圖f(a, tga,he, Dw)(4)(4)由循環(huán)水人口溫度、排汽焓及凝汽器參數(shù)計算凝汽器飽和蒸汽溫度,進而計算凝汽器壓力:t,= f(a, twl,h)(5)1832,281)t。+1009.8×10-3(6)(10.99,216)530.25(5)根據排汽壓力對汽輪機功率的修正曲線,單泵運行32泵并聯(lián)雙泵并聯(lián)計算當前的汽輪機功率:f(a, Pr)(7)流量Q(m3·s)(6)計算當前汽輪機負荷及環(huán)境溫度下的冷端圖4某電廠循環(huán)水泵運行方式曲線圖系統(tǒng)凈收益功率:Fig 4 Operating mode of circulating water pump△P=Pr-P中國煤化工(7)計算相鄰循環(huán)水泵運行方式在各環(huán)境溫度已知循環(huán)CNMHG下式計算循下的等效益負荷點,并擬合獲得等效益曲線環(huán)水泵軸功率:第9期劉吉臻,等:火電機組定速循環(huán)水泵的全工況運行優(yōu)化685·PP=QpgH/n(10)0.10源數(shù)據式中:P為循環(huán)水密度,一般取1.0g/cm3;g為重力擬合多項式加速度;H為循環(huán)水泵揚程,m;為循環(huán)水泵效率2.3汽輪機低壓缸末級組-0.052.3.1排汽壓力對機組功率的修正曲線-0.15汽輪機特性可表述為汽輪機在某一新蒸汽參數(shù)和流量下,汽輪機的輸出功率與排汽壓力之間的關0.25系.首先,對幾個概念進行一下闡述:背壓即汽輪機0.30排汽壓力,指低壓缸中做完功后還有一定壓力和溫變換后的排汽壓力PkPa度的排入凝汽器的那部分蒸汽壓力;凝汽器真空指圖6某電廠排汽壓力與微增功率修正曲線當凝汽器中的壓力低于大氣壓力時,把低于大氣壓Fig 6 Corrective curves of incremental power by力的部分叫做凝汽器真空,而凝汽器內的壓力是絕exhaust pressure對壓力,即所謂的凝汽器壓力.對于常規(guī)的濕冷機擬合曲線的相關系數(shù)R2=0.9953組,排汽口與凝汽器間距離相對較短,可近似認為其2.3.2汽輪機低壓缸排汽焓排汽壓損為零,汽輪機低壓缸排汽壓力等于凝汽器汽輪機排汽焓的計算采用以汽輪機末級抽汽或壓力.在本文后述的計算中,即認為排汽壓力等于凝末級抽汽的上一級抽汽(過熱蒸汽狀態(tài))為計算起點汽器壓力.的順序變工況核算方法.從末級抽汽開始,對于過熱汽輪機特性通??芍苯佑蓮S家提供的汽輪機低蒸汽狀態(tài)點以前的各級抽汽,級和級的壓比不變,故壓缸排汽壓力對汽輪機功率的修正曲線來描述但認為其相對內效率不變.對于過熱蒸汽狀態(tài)點之由于該曲線僅提供了幾個典型工況下的修正曲線,后的各級抽汽,假設汽輪機內的膨脹做功過程為理因此不適合用于全工況計算,見圖5.建立汽輪機微想絕熱過程,逐級計算各級蒸汽的參數(shù),直至計算出增功率與排汽壓力的修正曲線,擬合結果可直接用排汽焓.圖7為某電廠排汽焓與機組負荷比的擬于全工況計算,且具有較高的精度.圖6為某電廠汽合曲線輪機微增功率與排汽壓力的修正曲線,擬合結果為:y=204x2-420.47x+2556R2=0.9909t=-2.367×10(2=5.25△0.00892-5.25製0.0044(11)←源數(shù)據擬合多項式因此,當前的汽輪機功率可表示為:(12)式中:△Nr為功率修正率;Nr為滿負荷機組功率;負荷比圖7某電廠排汽焓與機組負荷比的擬合曲線Fig. 7 The fitted curve of exhaust enthalpy by load ratio2.4凝汽器特性凝汽器壓力計算采用基于換熱理論的凝汽器壓力變工況算法6.圖8為基于換熱的凝汽器壓力變負荷比工況算法流程框圖.圖中實線箭頭為設計工況計算虛線部分為當前工況計算,各模塊之間箭頭上標注的參數(shù)為未知參數(shù),其他均為已知參數(shù).因此,可通過平衡式計算直接獲得各未知參數(shù),直至獲得當前0.32工況下的飽和蒸汽溫度t排汽壓力MPa圖8中,D為中國煤化工為定壓圖5某電廠排汽壓力對汽輪機功率的修正曲線比熱容,4.1868CNMHG出口溫Fig 5 Corrective curves of turbine power by度,℃;Nu為換熱單元數(shù);K·F為凝汽器的換熱exhaust pressure系數(shù);e為加熱器效能;A為循環(huán)水溫修正系數(shù)686·動力工程學報第31卷數(shù)關系和決定切換時機的臨界工況線.筆者借鑒此D(he-ceer-dwcp(w2-fw1)能量守恒方法,提出利用二分法確定相鄰循環(huán)水泵運行方式之間的等效益點,由此獲得的等效益曲線可直接劃立求解設計工況,t2分出泵組切換的工況區(qū)間.E=I-eNralw2wL所謂等效益點即兩種相鄰的循環(huán)水泵運行方式設計工況,MTU設計工況,M換熱效能方程下冷端系統(tǒng)凈收益功率保持相等的點.在環(huán)境溫度定的前提下,負荷越低,維持最佳真空所需的循環(huán)NTU產水流量越小;反之越大.在機組負荷一定的前提下當前工況,KF當前循環(huán)水入口溫度越低,維持最佳真空所需的循環(huán)水圖量越小,反之越大,此即凝汽器真空的單調特性.例K1·F=K0·Fo變工況計算如,某機組在環(huán)境溫度為5℃、機組滿負荷運行時,圖8基于換熱的凝汽器壓力變工況算法流程框圖循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式為2機3泵;而當負荷變?yōu)镕ig 8 Condenser pressure algorithm under varying work70%時,循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式為2機2泵.即當機conditions based on heat transfer theor組為滿負荷運行時,2機2泵與2機3泵運行方式2.5冷卻塔特性下的冷端系統(tǒng)凈收益功率之差為負,而當機組在冷卻塔運行性能的優(yōu)劣直接體現(xiàn)在冷卻塔出塔70%負荷下運行時此值為正.因此,在70%至100%水溫上.由于在不考慮循環(huán)水補水及泵功的情況下負荷區(qū)間之間必存在一個負荷點使得上述兩種運行循環(huán)水入口溫度為冷卻塔出塔水溫因此,冷卻塔的方式下的冷端系統(tǒng)凈收益功率恰好相等,此點即2熱力計算主要集中在出塔水溫的計算上機2泵與2機3泵間的等效益點.當環(huán)境溫度連續(xù)冷卻塔內的熱力特性可描述為:變化時,會存在一系列的等效益負荷點,將這些等效f(p, ,tgg, t2,t1, Vm)=0(13)益點連接起來即是2機2泵與2機3泵運行工況的式中:p、甲、t、t2、Vn分別為大氣壓力、相對濕度、入等效益曲線等效益負荷點可采用二分法求解塔水溫、出塔水溫、人塔風速二分法是一種非線性方程求根的方法.其基本冷卻塔出塔水溫的計算流程見圖9.原理是若f(x)在[a,b連續(xù),且f(a)·f(b)<0,則由連續(xù)函數(shù)的性質可知f(x)=0在(a,b)內至少有出塔水溫初值12=t一個根.若f(x)在[a,b上單調,則f(x)=0在(b)上有且僅有一個根.在求解相鄰兩種循環(huán)水泵運2=t2-0001計算特性數(shù)冷卻數(shù)行方式的等效益曲線過程中,選取目標函數(shù)f(x)為判斷是否2
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