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摘 要

冷端系统是火电厂汽轮机组中重要的辅助系统，其运行特性的好坏将直接影响机组的安全性与经济性，因此进行冷端系统优化十分必要。

论文首先对汽轮机组冷端系统进行了概述，重点介绍了凝汽器和冷却塔的结构，并分析了两者的运行特性。其次，利用MATLAB分别建立了凝汽器和冷却塔的特性模型，利用某1000MW凝汽式汽轮机组2017年的实时运行数据对所建模型进行验证，并对误差较大的部分进行修正，得到了可靠的冷端模型。最后介绍了冷端系统优化的原理，给出优化目标函数，建立优化模型，基于该模型可得到任意给定工况下的冷端优化结果。并用C#语言开发了冷端系统优化软件，可为运行人员提供方便快捷的指导。论文的优化结果具有较高可靠性，对于提高机组运行经济性有一定的实际意义。

关键词：冷端系统，凝汽器背压，冷端系统建模，经济性分析

Abstract

Cold end system is an important auxiliary system in steam turbine unit of thermal power plant. Its operating characteristics will directly affect the safety and economy of the unit, so it is necessary to optimize the cold end system.

In this paper, the cold end system of steam turbine unit is summarized first, and the structure of condenser and cooling tower is mainly introduced, and their operation characteristics are analyzed. Secondly, the characteristic model of the condenser and the cooling tower is established by MATLAB. The model is verified by the real-time running data of the 1000MW condensing steam turbine unit in Zhejiang power plant in 2017, and the large part of the error is corrected, and a reliable cold end model is obtained.

Finally, the principle of the cold end system optimization is introduced, the optimization objective function is given, and the optimization model is set up. Based on this model, the cold end optimization results can be obtained at any given condition. And the cold end system optimization software is developed in the C# language platform, which can provide convenient and quick guidance for operators. The optimization results in this paper are highly reliable and have practical significance for improving the economic performance of the units.

KEY WORDS: Cold end system, condenser backpressure, cold end system modeling, economic analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 冷端系统研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

第二章 冷端系统概述 5

2.1 冷端系统 5

2.2 凝汽器的作用及其工作原理 6

2.3 冷却塔的作用及其工作原理 8

2.3.1 淋水填料 9

2.3.2 配水系统 9

2.3.3 通风设备 9

2.3.4 通风筒 9

2.3.5 空气分配装置 10

2.3.6 除水器 10

2.3.7 塔体 10

2.3.8 集水池 10

2.3.9 散热器 10

第三章 冷端系统建模及验证 11

3.1 凝汽器的建模分析 11

3.1.1 凝汽器内压力的确定 11

3.1.2 影响凝汽器压力的因素分析 12

3.1.3 总体传热系数的确定 14

3.2 凝汽器模型验证 14

3.2.1 凝汽器出口温度的模型验证 14

3.2.2 凝汽器背压的模型验证 16

3.3 冷却塔的建模分析 17

3.3.1 进塔风速的计算 17

3.3.2 冷却塔的出塔冷却水温度的计算 19

3.3.3 凝汽器进口水温、出口水温以及背压在天气条件下的求解 21

3.4 冷却塔模型验证 21

第四章 冷端系统优化 24

4.1 冷端优化原理 24

4.1.1 冷端优化的目标函数 24

4.1.2 机组微增功率变化量 25

4.2 优化结果 25

4.3 冷端优化软件开发 26

第五章 结论 27

致谢 28

参考文献 29

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

我国地域辽阔，其所存储的能源资源十分丰富，但由于我国的国民数量也十分庞大，因此我国国民的人均能源资源占有量并不充裕。同时，大力发展工业建设、急速提高经济所造成的影响就是我国的能源资源存储量已经告急，而且引发了大量的环境问题。由于火力发电的科学技术仍还不够完善，在煤炭能源的使用上不能物尽其用，造成了资源的大量浪费，因此，节约煤炭能源、发展新能源已经成为国家亟待解决的问题之一。

目前，我国的风电、光电、核电等新的能源发电方式还不能完全取代火力发电，因为其发电量较少，发电的稳定性较差，不能参与电网调峰。因此全球在大力发展新能源的同时也在研究如何提高传统能源的经济性以及研究节能环保问题。火力发电已经使用了大量的化石能源，而且对化石能源的消耗持续增加。在短期内新能源的开发和利用还不能大幅度替代火电的情形下，提高火电机组的经济性，充分发挥能源的利用潜力就显得十分迫切。一个完整的火电机组是由诸多设备和系统构成的整体，各个设备和系统良好可靠的运行是整个机组安全经济运行的保证。冷端系统运行特性的好坏将对机组的安全经济运行造成极大的影响。工程上一般用凝汽器背压来评价冷端系统的经济性。据估算，凝汽器背压每升高1kPa，机组热耗率就增加1%，供电煤耗率也相应增加3左右^[1]。

1.2 冷端系统研究现状

专家学者们多年来致力于冷端系统中各设备和系统的研究分析，并取得了一定的成果。上世纪八十年代，提高机组初参数降低终参数的方法被广泛使用，原因在于它可以降低机组热耗。专家学者们也由此开始思考，汽机冷端对电厂节能是否有着重要的作用，调整运行参数是否可以提高电厂的经济效益^[2-6]。

凝汽器的研究在二十世纪七十年代就展开了，对它的经济性分析主要有两类方法，第一类是分析法^[7-11]，主要是以现场实际运行得到的数据作为依据，借助一些数值分析的方法或计算机软件进行数据挖掘，对历史数据进行分析，得到优化的结论。基准值诊断方法是分析法的一种，它将设备实际运行值与额定值作比较，得出两者差异以判断设备的运行状态，进行人为优化^[12-15]。而另一种能量价值分析法中，用来评价冷端系统经济性的指标为电厂的综合成本煤耗率，煤耗率越高，则表示经济性越差^[16]。第二类分析方法为诊断法^[17]，它通过计算机监测和采集数据，为汽轮机在线监测和诊断提供可能。

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