论文总字数：41564字

摘 要

汽轮机组的冷端系统是火电厂中极其重要的辅助系统，它影响到整个火电机组的经济性。为了降低火电厂的发电成本，对冷端系统进行建模研究及经济性分析是非常有必要的。本文首先对冷端系统进行概述，然后重点介绍凝汽器和冷却塔的结构，并对它们的运行特性进行分析，利用MATLAB等计算机软件建立模型，以及利用MATLAB提供的图形用户界面开发环境GUIDE生成了凝汽器及冷却塔模型的使用界面，可适用于不同机组下的各种工况。

本文以皖能铜陵电厂300MW机组为例，把其冷端系统的设备参数及运行数据应用到凝汽器及冷却塔模型中，对实际的冷端系统性能进行分析，同时也对所建的模型进行验证，并采用最小二乘支持向量机算法对误差进行修正。这种通过黑箱建模消除机理建模的误差的方法称为灰箱建模。凝汽器实际误差在3左右，冷却塔实际的误差在0~3左右，用支持向量机预测的凝汽器误差小于0.01，冷却塔误差小于0.2，表明模型均比较准确。

本文在最后对冷端系统的经济性进行了分析，包括凝汽器的入口水温、循环水量、汽机排汽量和冷却塔的入口水温、循环水量、淋水面积等方面的影响，得到了比较满意的结果，对冷端系统的运行具有一定的指导意义。

关键词：冷端系统 凝汽器 冷却塔 建模 经济性分析

The Modeling and Economics Analysis of Cold End System in Large Condensing Steam Turbine Units

Abstract

The cold end system of steam turbine unit is an extreme auxiliary system in thermal power plants, which affects the efficiency of the whole plant. In order to reduce the cost of electricity generation, the research on modeling and economic analysis of cold end system is necessary. The paper firstly summaries the cold end system and then mainly introduces the condenser and cooling tower. Subsequently the paper presents the model of condenser and cooling tower based on their structure and operation characteristics using MATLAB, and then generate the using interface of condenser model and cooling tower model using Graphical User Interface Development Environment（GUIDE）provided by MATLAB. It can apply to any conditions of different units.

This paper takes the 300MW unit of Anhui Tongling Power Plant as an example and applies the equipment parameters of its cold end system and the running data into the condenser and cooling tower model, to analysis the performance of the actual cold end system and also to verify the model by using LS-SVM for error correction. The method of eliminating the error by black-box modeling is called gray-box modeling. The actual errors of condenser and the cooling tower are 3kPa and 0~3.The prediction errors of them are within 0.01kPa and 0.2. It shows that the models are more accurate.

The economics of the cold end system is analyzed at the last of the paper, including the influence from inlet water temperature of condenser, quantity of circulating water, the steam turbine exhaust capacity, inlet water temperature of the cooling tower, the water spray area and so on. The result is satisfactory and has a certain guiding significance for the operation of cold end system.

Key Words： Cold end system Condenser Cooling tower Modeling Economics Analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 冷端系统研究现状 1

1.2.1 凝汽器的研究现状 1

1.2.2 冷却塔的研究现状 1

1.3 本文主要目标及研究内容 2

第二章 冷端系统概述 3

2.1 引言 3

2.2 冷端系统概述 3

2.3 凝汽器结构与工作原理 4

2.4 冷却塔结构原理 5

2.4.1 塔体 6

2.4.2 填料 6

2.4.3 配水系统 7

2.4.4 收水器 7

2.4.5 雨区及集水池 7

第三章 冷端系统建模 8

3.1 引言 8

3.2 凝汽器运行特性及建模 8

3.2.1 凝汽器运行特性 8

3.2.2 冷却水进口水温 9

3.2.3 冷却水温升 9

3.2.4 凝汽器端差 10

3.2.5 传热系数的确定 10

3.2.6 凝汽器压力的确定 10

3.3 冷却塔运行特性及建模 11

3.3.1 冷却塔的运行特性 11

3.3.2 空气焓值计算 12

3.3.3 气水比的计算 12

3.4 模型界面设计 14

第四章 冷端系统模型的实际应用 21

4.1 引言 21

4.2 最小二乘支持向量机 21

4.3 凝汽器模型的实际应用 22

4.4 冷却塔模型的实际应用 25

4.5 GUI设计界面的实际应用 29

第五章 冷端系统经济性分析 31

5.1 引言 31

5.2 凝汽器经济性分析 31

5.2.1 冷却水进口水温对凝汽器真空的影响 31

5.2.2 循环水量对凝汽器真空的影响 34

5.2.3 汽轮机排汽量对凝汽器真空的影响 39

5.3 冷却塔经济性分析 43

5.3.1 塔进口水温对冷却塔出口水温的影响 44

5.3.2 循环水量对冷却塔出口水温的影响 45

5.3.3 淋水面积对冷却塔出口水温的影响 46

5.4 结语 47

结论 49

致谢 50

参考文献 51

第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

当前，能源问题正受到全世界的广泛关注，我国作为一个能源消耗巨大的国家，同时也是一个资源贫乏的国家，正面临着严峻的考验。在我国化石燃料尤其紧缺的情况下，节约能源是解决能源供不应求的最有效、最切实的办法。而火力发电是一个高能耗的产业，机组的运行消耗着大量的一次能源。火电厂通过各设备和系统进行能量的转换，将燃煤产生的热能转化成机械能，最后变成电能，这个过程中每一个设备和系统都会对电厂的经济效益产生影响，其中冷端系统是极其重要的一个环节。冷端系统的能量损失会使机组煤耗率增加，发电成本也随之增加。因此，对汽轮机组冷端系统进行研究，提高冷端系统各设备的运行经济性，对于实现燃煤机组的节能降耗具有重大的意义。

1.2 冷端系统研究现状

汽机的冷端系统包括汽轮机组低压缸末级、凝汽器、冷却塔、循环水系统等。国内外一些专家学者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。人们也由此开始思考，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^[1,2]。直至在某电厂的实际应用中，一项循环水的优化调度措施给电厂带来了巨大的经济效益，电力方面的学者专家才确认了冷端系统对节能降耗的重大意义^[3]。

1.2.1 凝汽器的研究现状

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^[4]，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^[5]。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^[6]。第二类分析方法为诊断法^[7]，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。比如，在线监测的方法就是利用数学模型采集数据，然后进行分析，与基准值相比较，为运行人员提供设备运行状况的实时监测和诊断^[8]。1983年，Katsumoto Otake等人提出了一种凝汽器性能监测的方法，并将该方法应用于实践中^[9]。Keiichi Toyoda等人设计出蒸汽发电厂性能监测的方法与装置^[10]。美国的San Diego电力公司在South Bay电厂安装了凝汽器性能在线监测系统，用于监测凝汽器的性能，消除凝汽器性能维护的不确定性，避免盲目维修^[11]。N Rhodes与K Else通过修改评估计算机模型，得出了凝汽器可以降低机组背压的结论^[12]。William T.Sha设计了一种压力控制系统，主要通过降低背压提高电厂循环效率^[13]。M Ratisher设计出可用于凝汽器性能计算的模型，适用于各种变工况以及额定工况^[14]。王乃宁教授提出“汽轮机湿蒸汽的光学测量”理论，在确定汽轮机末级排汽状态方面有很好的应用^[15]。

1.2.2 冷却塔的研究现状

国内外，对冷却塔的研究开始得均比较晚。从1904年世界上第一座工业冷却塔建成，到现在100多年的时间内，冷却塔的发展日趋成熟与完善。目前双曲线型自然通风逆流湿式冷却塔在我国的使用最为广泛，它的热力计算方法大致有焓差法、湿差法和压差法三种。在这些研究方法的基础上，国内外学者深入分析与研究了冷却塔的性能，下面主要列举一些关于双曲线型自然通风逆流湿式冷却塔的研究成果。毛献忠等人通过建立热态模型，并借助SIMPLE算法，对塔内流场和温度场进行了数值模拟^[16]。刘保民分析了塔内部的流动过程、传热传质过程，并在分析的基础上建立数学模型，得到塔内空气流速、焓值、含湿量和水温的分布情况^[17]。徐跃芹等人主要进行热力计算，并对影响出塔水温的因素进行分析，同时还进行了塔内空气动力性能的数值计算，得到了性能变化规律^[18]。王冬利用三变量法和焓差法分别建立出塔水温计算模型，并进行冷却塔冷却性能的计算，得到了与实测结果相符的分析结果^[19]。程艳花则基于冷却塔传热传质公式，建立了塔内传热传质的数学计算模型，并编写程序实现了冷却塔一维计算^[20]。

1.3 本文主要目标及研究内容

本论文的主要研究对象为大型凝汽式汽轮机组冷端系统，主要目标是建立机组冷端系统的数学模型，并把该模型应用于设备参数及运行数据均已知的某机组中进行分析，根据分析结果来检验模型是否准确，最后根据模型及数据，对冷端运行的经济性作出分析。

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