一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行系统及分析方法与流程

1.本发明涉及带有尖峰凝汽器的直接空冷机组经济运行分析领域，具体涉及一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行系统及分析方法。


背景技术：

2.我国三北地区水资源匮乏，传统火电的水冷方式，因消耗大量水资源，面临着严峻挑战，火力发电厂汽轮机乏汽的冷却多采用空冷凝汽器。空冷机组与湿冷机组相比也存在明显的缺点，空冷凝汽器存在冷却效率低、冷却效果差、初始投资高、易受灰尘污染等缺点，夏季运行工况正处于电网高峰负荷运行时期，机组日尖峰负荷时段与环境温度高的时段也重叠，因此空冷机组在夏季必然会出现较长时间高负荷高背压的运行工况，导致机组煤耗大幅增加，这对机组运行经济性影响极大，并且极易出现背压过高汽轮机带不满负荷以及精处理系统不能投运被迫降负荷的情况。很多电厂采用了喷水降温、频繁冲洗等手段，使得空冷散热器表面产生了一定程度的结垢现象，缩短了空冷岛的使用寿命。针对空冷机组这一特点，探讨如何解决或改善空冷机组煤耗高、夏季带满负荷等问题，具有重大意义。为降低机组的煤耗，提高机组的效率，必须增加机组排汽冷端的散热能力。于是，各直接空冷机组电厂增加湿冷尖峰凝汽器，对机组采用干-湿联合冷却方式。
3.从安全性和经济性两方面考虑，一般尖峰凝汽器冷却水泵采用双泵布置。启动尖峰凝汽器冷却水泵，机组背压降低或背压不变空冷风机出力降低，但是启动的尖峰凝汽器冷却水泵增加了机组的电耗，为了进一步达到节能降耗的目的，对深入研究尖峰凝汽器冷却水泵的运行方式和启动、停运时机就显得尤为重要。
4.现有技术中，徐正等在《黑龙江电力》2018年第3期中发表了《热直接空冷电厂尖峰冷却系统背压计算》。该文中，为了准确高效计算带尖峰冷却系统的空冷机组的背压，以便于分析尖峰冷却系统的经济性，分别用非线性曲面拟合计算空冷岛背压、对数平均温差法计算尖峰凝汽器背压。利用两个凝汽器背压相等这一条件建立方程，应用二分法求解影响背压的凝汽量参数，确定凝汽量后进一步计算背压值。通过比较改造前后背压的变化估算经济性效果，并以沙河电厂为例进行分析。
5.申请号cn201711477024.6的中国专利公开了一种空冷机组尖峰冷却系统的优化方法，该发明涉及一种空冷机组的尖峰冷却系统的优化方法, 属于发电站空冷机组设计技术领域，该方法根据空冷机组的空冷岛特性曲线、汽轮机微增功率曲线、环境气象参数、水资源富余量、发电厂成本电价、设备价格参数等已知条件,通过计算设备投资、运行费用等经济数据, 确定最优化的尖峰凝汽器面积、循环水量、机力塔配置等重要设备参数。本发明的优化方法更加符合施加,能够最终确定优化的尖峰凝汽器面积、循环水量、机力塔配置等重要设备参数,设备配置更加合理,机组运行经济性良好。
6.综上，现有技术中大多通过运行数据，对比改造前后机组经济性的差异，但未进一步研究尖峰凝汽器冷却水泵的最佳运行模式，也未研究尖峰凝汽器冷却水泵启停的时机，
使得经济效益在最佳状态。由此如何判断尖峰凝汽器系统在运行模式和启停尖峰凝汽器冷却水泵的时机，以能够最大限度的节约能源，实现效益最大化，是需要迫切研究的方向。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行系统及分析方法，能够判断尖峰凝汽器系统在运行模式和启停尖峰凝汽器冷却水泵的时机，实现最大限度的节约能源，效益最大化。
8.本发明采用的技术方案是：本发明提供了一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行系统，其包括汽轮机低压缸，空冷岛、尖峰凝汽器、冷却塔以及两个尖峰凝汽器冷却水泵；所述汽轮机低压缸的出口端连接有汽轮机低压缸排汽管道，所述汽轮机低压缸排汽管道的另一端分别连接有低压缸排汽至空冷岛排汽管和低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管，所述低压缸排汽至空冷岛排汽管的另一端设置有空冷岛，所述低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管的另一端与尖峰凝汽器连接，所述尖峰凝汽器的冷却水侧出口端与冷却塔进口端连接，所述冷却塔的出口端分别与两个尖峰凝汽器冷却水泵连接，所述尖峰凝汽器冷却水泵的另一端与尖峰凝汽器连接。
9.进一步地，所述低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管与尖峰凝汽器的第一进口端连接，所述尖峰凝汽器的冷却水侧出口通过尖峰凝汽器循环水回水管道与冷却塔进口端连接，所述冷却塔的出口端分别连接两个尖峰凝汽器冷却水泵入口管道，每个尖峰凝汽器冷却水泵入口管道依次连接有尖峰凝汽器冷却水泵入口阀、尖峰凝汽器冷却水泵和尖峰凝汽器冷却水泵出口阀门，所述尖峰凝汽器冷却水泵出口阀门的另一端与尖峰凝汽器冷却水泵出口管道连接，所述尖峰凝汽器冷却水泵出口管道的另一端连接有尖峰凝汽器循环水供水管道，所述尖峰凝汽器循环水供水管道的另一端与尖峰凝汽器的第二进口端连接。
10.进一步地，所述尖峰凝汽器的凝结水输口通过第一输送管与排汽装置连接，所述空冷岛的凝结水输口通过第二输送管与排汽装置连接。
11.本发明还提供了一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行分析方法，通过判断启动或停止尖峰凝汽器冷却水泵的时机，使得保持背压不变时及时启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵后的空冷岛的空冷风机和尖峰凝汽器的尖峰冷却系统总电耗低于未启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵时的空冷岛的空冷风机和尖峰凝汽器的尖峰冷却系统总电耗，或使得不同背压下机组发电净增电量比未启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵时增加。
12.进一步地，判断启动或停止尖峰凝汽器冷却水泵的时机，使得保持背压不变时启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵后的空冷风机和尖峰冷却系统总电耗低于未启动或停运时尖峰凝汽器冷却水泵时的空冷风机和尖峰冷却系统总电耗的方法为：通过多项式进行曲线拟合得到y，y的计算公式为 y＝ax2 bx c，x为空冷风机频率，单位hz；y为空冷风机总功率，单位kw，a、b和c为通过数据拟合得到系数。
13.进一步地，在保持机组背压不变的情况下，当y＝w0 p0时对应的空冷风机频率h1,当y＝w0 2p0时对应的空冷风机频率h2,当空冷风机频率h 取值在h1≤h≤h2之间时启动一台尖峰凝汽器冷却水泵是最经济的；当空冷风机频率h取值在h2≤h时启动二台尖峰凝汽器冷却水泵是经济的；其中，通过尖峰凝汽器冷却水泵正常运行时的电流值计算出单台尖冷泵的功率 p0，单位kw空冷风机存在非零的最小频率，最小频率对应的总功率为w0，单位kw。
14.进一步地，通过判断启动或停止尖峰凝汽器冷却水泵的时机，使得不同背压下机组发电净增电量比未启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵时增加的方法为：选用origin中的rational taylor函数对二元函数的多次非线性曲面拟合，得到背压计算公式其中z为机组背压，x为机组负荷，y为环境温度，a、b、c、d、e、f、g、h、i、 j均是通过数据拟合得到的常数。
15.进一步地，在空冷风机满出力的情况下，将相同机组负荷和环境温度带入背压计算公式，对比启动一台尖峰凝汽器冷却水泵和不启动尖峰凝汽器冷却水泵的背压下降值δz1；将相同机组负荷和环境温度带入背压计算公式，对比启动两台尖峰凝汽器冷却水泵和启动一台尖峰凝汽器冷却水泵的背压下降值δz2。
16.进一步地，当δz1δp＜p0，则停运唯一一台尖峰凝汽器冷却水泵；当δz2δp＜2p0，则停运一台尖峰凝汽器冷却水泵，保持另一台尖峰凝汽器冷却水泵运行；通过尖峰凝汽器冷却水泵正常运行时的电流值计算出功率 p0，δp为通过汽轮机厂家提供功率变化量与背压的关系曲线图，得到机组背压每降低1kpa，机组发电功率可增加δp，单位kw。
17.本发明的有益效果是：
18.在春、夏季，环境温度或负荷上涨时，通过本发明方法判断启动尖峰凝汽器冷却水泵的时机，在保持机组背压不变的情况下，降低厂用电，达到节约能源，尽可能的实现效益最大化的目的。
19.在环境温度较低或机组负荷较低时，尖峰凝汽器效率降低，尖峰凝汽器冷却水泵运行所增加的功率消耗大于机组背压降低引起的净增发电功率时，及时停运尖峰凝汽器冷却水泵，达到节约能源，尽可能的实现效益最大化的目的。
20.本发明以机组特性为理论支撑，结合实际运行数据，建立判断尖峰凝汽器冷却水泵运行模式和启停时机的依据，达到节约能源的目的。
21.通过本发明的判断依据，制定操作指导卡，用于指导机组的经济性调整。
附图说明
22.图1为本发明系统的结构示意图；
23.图2为本发明实施例2中的曲线拟合图；
24.图3为本发明实施例3中的曲面拟合图。
25.附图标记：1汽轮机低压缸、2汽轮机低压缸排汽管道、3低压缸排汽至空冷岛排汽管、4空冷岛、5低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管、6尖峰凝汽器、7尖峰凝汽器循环水回水管道、8尖峰凝汽器循环水供水管道、 9冷却塔、10尖峰凝汽器冷却水泵入口阀、11尖峰凝汽器冷却水泵、12 尖峰凝汽器冷却水泵出口阀门、14尖峰凝汽器冷却水泵出口管道。
具体实施方式
26.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
27.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.首先需要说明的是，本发明任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供。因此，其它实施例也在相应权利要求项的保护范围之内。
29.另外，下面描述中的附图仅为本发明的较佳实施例而已，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外这些实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
30.实施例1
31.如图1所示，本实施例提供了一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行系统，其特征在于，其包括汽轮机低压缸1，空冷岛4、尖峰凝汽器 6、冷却塔9以及两个尖峰凝汽器冷却水泵11；所述汽轮机低压缸1的出口端连接在汽轮机低压缸排汽管道2的一端，所述汽轮机低压缸排汽管道 2的另一端分别连接有低压缸排汽至空冷岛排汽管3的一端和低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管5的一端，所述低压缸排汽至空冷岛排汽管3的另一端设置有空冷岛4，所述低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管5的另一端与尖峰凝汽器6连接，所述尖峰凝汽器6的冷却水侧出口端与冷却塔9进口端连接，所述冷却塔9的出口端分别与两个尖峰凝汽器冷却水泵11连接，所述尖峰凝汽器冷却水泵11的另一端与尖峰凝汽器6连接。
32.所述低压缸排汽至尖峰凝汽器排汽管5与尖峰凝汽器6的第一进口端连接，所述尖峰凝汽器6的冷却水侧出口通过尖峰凝汽器循环水回水管道 7与冷却塔9进口端连接，所述冷却塔9的出口端分别连接两个尖峰凝汽器冷却水泵入口管道13，每个尖峰凝汽器冷却水泵入口管道13依次连接有尖峰凝汽器冷却水泵入口阀10、尖峰凝汽器冷却水泵11和尖峰凝汽器冷却水泵出口阀门12，尖峰凝汽器冷却水泵入口阀10、尖峰凝汽器冷却水泵11和尖峰凝汽器冷却水泵出口阀门12之间可通过必要的管道连接，所述尖峰凝汽器冷却水泵出口阀门12的另一端与尖峰凝汽器冷却水泵出口管道14连接，所述尖峰凝汽器冷却水泵出口管道14的另一端连接有尖峰凝汽器循环水供水管道8，所述尖峰凝汽器循环水供水管道8的另一端与尖峰凝汽器6的第二进口端连接。
33.所述尖峰凝汽器6的凝结水输口通过第一输送管15与排汽装置17连接，所述空冷岛4的凝结水输口通过第二输送管16与排汽装置17连接。本发明系统中，尖峰凝汽器冷却水泵为两台。空冷岛与尖冷凝汽器并列布置。
34.本发明的工作过程为：做功后的蒸汽从汽轮机低压缸1排出，一部分经过低压缸排汽管2和低压缸至空冷岛排汽管3进入空冷岛4进行冷却，冷却后的凝结水经第二输送管1即6空冷岛至排汽装置疏水管进入排汽装置 17；另一部分经低压缸排汽管道2和低压缸至尖峰凝汽器排汽管5进入尖峰凝汽器6进行冷却，冷却后的凝结水经尖峰凝汽器至排汽装置疏水管 16进入排汽装置17。
35.实施例2
36.在北方缺水地区，电厂汽轮机冷却方式大多采用空冷方式，空冷凝汽器存在冷却效率低、冷却效果差、初始投资高、易受灰尘污染等缺点，夏季电网高峰负荷运行时期，机组日尖峰负荷时段与环境温度高的时段也重叠，因此空冷机组在夏季必然会出现较长时间高负荷高背压的运行工况，导致机组煤耗大幅增加，这对机组运行经济性影响极大，并且极易出现背压过高汽轮机带不满负荷以及精处理系统不能投运被迫降负荷的情况。大多采用增加尖峰凝汽器方式降低机组背压，提高机组经济性和防止限负荷。尖峰凝汽器采用循环水进行冷却，循环水由两台尖峰凝汽器冷却水泵提供压力。
37.本发明提供了一种带有尖峰凝汽器的直接空冷机组的经济运行分析方法，通过判断启动或停止尖峰凝汽器冷却水泵的时机，使得保持背压不变时及时启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵后的空冷岛的空冷风机和尖峰凝汽器的尖峰冷却系统总电耗低于未启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵时的空冷岛的空冷风机和尖峰凝汽器的尖峰冷却系统总电耗，或使得不同背压下机组发电净增电量比未启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵时增加。
38.在保持机组背压不变的情况下，当启动尖峰凝汽器冷却水泵增加的功率消耗小于启动尖峰凝汽器冷却水泵后空冷风机减小的功率消耗时，机组是经济的。
39.该方法中尖峰凝汽器冷却水泵为两台。空冷岛与尖冷凝汽器并列布置。本发明方法可以达到节能的目的，实现效益最大化。
40.本发明方法忽略汽阻不同造成的空冷岛背压与尖峰凝汽器背压的微小差异，认定空冷岛背压与尖峰凝汽器背压一致。
41.环境温度高，尖冷凝汽器分担的热负荷比环境温度低时分担的热负荷多。
42.忽略环境温度变化对空气密度的影响，认定空冷风机总功率y只与空冷风机转速x有关。
43.本实施例2提供了判断启动或停止尖峰凝汽器冷却水泵的时机，使得保持背压不变时启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵后的空冷风机和尖峰冷却系统总电耗低于未启动或停运时尖峰凝汽器冷却水泵时的空冷风机和尖峰冷却系统总电耗的方法为：通过多项式进行曲线拟合得到y，y的计算公式为 y＝ax2 bx c，x为空冷风机频率，单位hz；y为空冷风机总功率，单位 kw，a、b和c为通过数据拟合得到系数。曲线拟合可通过excel、origin、 matlab或phyton，拟合基本原理也不同，例如最小二乘法、插值法等等。
44.在保持机组背压不变的情况下，当y＝w0 p0时对应的空冷风机频率 h1,当y＝w0 2p0时对应的空冷风机频率h2,当空冷风机频率h取值在 h1≤h≤h2之间时启动一台尖峰凝汽器冷却水泵是最经济的；当空冷风机频率h取值在h2≤h时启动二台尖峰凝汽器冷却水泵是最经济的；其中，通过尖峰凝汽器冷却水泵正常运行时的电流值计算出单台尖冷泵的功率p0，单位kw空冷风机存在非零的最小频率，最小频率对应的总功率为w0，单位kw。
45.通过查找拟合曲线上h1＝h时所对应的频率，则当频率高于此值是即可启动第一台尖峰凝汽器冷却水泵；通过查找拟合曲线上h2＝h时所对应的频率，则当频率高于此值是即可启动第二台尖峰凝汽器冷却水泵，可达到节约能源，实现效益最大化的目的。
46.实施例3
47.本实施例按照实施例2的方法进行了分析，通过历史数据进行曲线拟合进而得到y，得到曲线图如图2所示。
48.为了拟合的准确性，曲线上每个散点值均是在对应频率附近取的多组数据的平均
值。通过拟合得到空冷风机总功率和频率之间的关系式： y＝2.0893x
2-57.163x 598.06，由图可知表示拟合度的相关系数r2＝0.9957，拟合度较高，对应的常数a＝2.0893,b＝-57.163,c＝598.06。
49.若保持机组背压不变的情况下，一台尖峰凝汽器冷却水泵运行时的尖峰冷却系统功率为830kw，，空冷风机最小频率为10hz，对应的功率约为 235kw，则空冷风机和尖峰冷却系统的总功率为1065kw，此时对应的空冷风机频率约为34hz，由于水冷效率远高于空冷，即机组稳定在34hz时启动一台尖峰凝汽器冷却水泵较为经济，第二台尖峰凝汽器冷却水泵启动时机同理。
50.实施例3
51.通过判断启动或停止尖峰凝汽器冷却水泵的时机，使得不同背压下机组发电净增电量比未启动或停运尖峰凝汽器冷却水泵时增加。
52.通过汽轮机厂家提供功率变化量与背压的关系曲线图，得到机组背压每降低1kpa，机组发电功率可增加δpkw。
53.在空冷风机满出力的情况下，机组背压是机组负荷和环境温度的二元函数，环境温度越高，机组背压越高；机组负荷越高，机组背压越高。
54.本实施例的判断方法为：选用origin中的rational taylor函数对二元函数的多次非线性曲面拟合的拟合度较高，该函数是公知的。
55.得到背压计算公式其中z为机组背压， x为机组负荷，y为环境温度，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j均为通过数据拟合得到的常数。
56.实施例4
57.本实施例采用实施例3的方法进行分析，运行一台尖峰凝汽器冷却水泵时，通过大量数据进行曲面拟合如图3所示。
58.拟合度相关系数r2＝0.92056，拟合度较高。得到公式：
[0059][0060]
即：
[0061]
a＝-1073.49002,b＝1.33705,c＝98.16333,d＝0.10056,e＝-0.18529,f＝-0.26168 ,g＝6.62049，h＝3.17439
×
10-4
，i＝0.03658，j＝-0.01224。
[0062]
在空冷风机满出力的情况下，将相同机组负荷和环境温度带入背压计算公式，对比启动一台尖峰凝汽器冷却水泵和不启动尖峰凝汽器冷却水泵的背压下降值δz1；将相同机组负荷和环境温度带入背压计算公式，对比启动两台尖峰凝汽器冷却水泵和启动一台尖峰凝汽器冷却水泵的背压下降值δz2。
[0063]
当δz1δp＜p0，则停运唯一一台尖峰凝汽器冷却水泵；当δz2δp＜2p0，则停运一台尖峰凝汽器冷却水泵，保持另一台尖峰凝汽器冷却水泵运行；通过尖峰凝汽器冷却水泵正常运行时的电流值计算出功率p0，δp为通过汽轮机厂家提供功率变化量与背压的关系曲线图，得到机组背压每降低1kpa，机组发电功率可增加δpkw。
[0064]
当只有一台尖峰凝汽器冷却水泵运行时，保持空冷风机满出力的情况下，δz1δp
＜p0一般是不存在的，否则就不存在加装尖峰凝汽器的必要。
[0065]
最后一台尖峰凝汽器冷却水泵可以根据启动时的空冷风机频率来确定停运时机。
[0066]
下面对本发明的方法进行具体说明。
[0067]
若当启动一台尖峰凝汽器冷却水泵时，根据大量数据进行拟合，得到背压计算公式中的系数a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、h1、i1、j1，此时若当启动两台尖峰凝汽器冷却水泵时，根据大量数据进行拟合，得到背压计算公式中的系数a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、 h2、i2、j2，此时
[0068]
选择某一负荷x0和某一温度y0分别代入公式z1和z2，则当 (z
1-z2)δp＜2p0时，停运一台尖峰凝汽器冷却水泵，否则继续运行。
[0069]
由于背压计算公式分别对机组负荷和环境温度的函数都是递增的，所以总能找到平衡点使得对于某一负荷和某一温度，使得(z
1-z2)δp＝2p0。此时，当负荷不变，环境温度低于该值时，第二台尖峰凝汽器冷却水泵运行都是不经济的；当环境温度不变，机组负荷低于该值时，第二台尖峰凝汽器冷却水泵运行也是不经济的。
[0070]
目前，本发明的技术方案已经进行了中试，即产品在大规模量产前的小规模实验；中试完成后，在小范围内开展了用户使用调研，调研结果表明用户满意度较高；现在已经着手准备产品正式投产进行产业化(包括知识产权风险预警调研)。
[0071]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。