火电厂的冷凝器最佳冷却水流量计算要点.pdf

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1、火电厂的冷凝器最佳冷却水流量计算 应用热力学和工艺设计研究实验室，化学工程系， 奥巴费米洛沃大学，伊费岛, 尼日利亚 摘要: 火电厂的循环热损失主要是通过冷凝器散热。控制冷凝器最佳循环水流量本 质上是非常重要的，以确保工厂的最高的效率和最低运营成本。在这项研究中， 被开发的计算机程序代码在Microsoft Excel 中模拟各种循环水的流量， 以确定 最佳的冷凝器的冷却水的流量过程。研究发现，最佳冷凝器冷却水流量为32000 米 3/ 小时，而不是基准情况下的 32660 米 3/ 小时，总传热面积要求从 13256 米 2 降低到8113 米 2，冷凝器换热面积减少的对经济性提高的贡献最大

2、，约 16,809,876.50元/ 年，每年平均资本成本减少12,271,064.30元/ 年，在循环效 率和燃油节省上达到3.8 ，增长了 2% 。传热面积的改善对经济的影响在于改善 空气预热器，冷凝器，更换疏水冷却器，低压加热器，高压加热器。本文案例中 的厂改造的固定资本为4,694,220.96美元，投资回收期1.8 年。 关键词：冷却水流量 ; 传热面积 ; 火电厂; 热回收 ; 循环效率 ; 换热网络 1. 介绍 一些火电厂已经在进行优化设计的研究，在这些研究中， 客观指标和优化方 法有所不同， 已应用的主要概念是夹点技术，能源分析，（火用）分析和（火用） 经济分析，客观指标通常是

3、经济和效率的参数。 夹点技术代表了一套基于热力学的方法，保证在设计换热网络时的最低能量 水平。夹点术和循环效率定位增加蒸汽发电厂的循环效率，降低了燃料消耗 1 。 在燃煤电厂碳捕获分析被用来减少能量损失，并减少冷却水的要求 2 。夹点的概 念也被用来作为一种辅助手段，选择最佳的热电联产（CHP ）系统，使整体过程 中的能源消耗最小化 3 和提高现有公用系统最佳的性能 4 能源分析是基于热力学第一定律。热力学第一定律是规定了一个守恒定律， 能量不能被破坏， 但可以从一种形式转化到另一个。利用第一定律分析过程的能 量流，给予最高的效率在满负荷工作输出，电厂的效率略有增加 【5】【6】。有报道 已经

4、表明，不同的冷凝器的冷却水流量对热电站的循环效率有很大影响。能源分 析和利用线性规划（LP） 和 EXCEL 优化求解已被用来提高热电站的运行经济性 【9】 。 混合整数线性规划 （MILP ）优化方法已被用来推导冷凝涡轮机的能源系统的成本 区域图 【10】。 （火用）分析也称为分析识别能量损失的大小和位置的第二种方法，以改善 现有的系统、 流程或组件 【11】【 12】。 （火用）分析和参数研究已被用来以合理的方 式在火电厂做出最佳的设计决策 【6】。（火用）的概念已被用于优化热电站中的 第一和第二再热压力。燃煤和核蒸汽发电厂用（火用）分析，找出潜在的性能改 进已经取得了比较显著的效果 【1

5、3】。优化热电联产的蒸汽，火电厂的生产和燃料 消耗成本降低也是通过火用分析 【16】【17】。 （火用）经济分析是基于第二定律的经济分析和使用（火用）分摊不同部位 的生产路线的生产成本。 （火用）分析回答问题了热力学效率低下的问题，改善 整个过程的成本过高问题。 （火用）经济学理论已经应用在高效节能系统的设计 上，例如在太阳能热电站 21 的分析和联合循环电厂的优化 【22】。 这项工作属于火电厂的能源分析和优化之类的。具体来说，它侧重于以最佳 冷凝器冷却水流量在火电厂的总成本（包括加装热交换器和总能源的成本）和循 环效率为目标指数， 并采用图形和表格的简单方法确定最佳值。在不同的冷凝器 的冷

6、却水流量基础上， 进行成本估算分析， 以确定最佳的冷凝器冷却水流量。结 论表明，通过改变冷凝器的冷却水的流量，可以提高循环效率。 火电厂的冷凝器一般采用循环冷却水从冷却塔绝热到大气中，一次通过水从 河流，湖泊或海洋。由于火电厂中的热损失量最大的是冷凝器散热 【26】，通过减 少循环水的流速减少冷凝器的散热可以节约能源和燃料随后改善工厂的效率 【27】 。 然而，冷凝器冷却水不足，可能会导致冷凝器的真空损失。因此，需要确定最佳 的冷凝器的冷却水的流量，以获得最佳的热电厂经济性能和改进的热循环效率。 2. 具体案例 案例研究的是一个火电厂，坐落于尼日利亚，拉各斯州。该工厂有6 套 220 兆瓦机组

7、，可以使用天然气和/ 或高凝的燃油。图1 示出了一套完整的流程图和 热交换器网络。每个组有三个涡轮机，包括：高压涡轮（HPT ） ，中压涡轮（ IPT） 和低压涡轮（ LPT ） 。涡轮机被安装在一根轴上，并直接与它们的发电机耦合。 HPT和 IPT 之间采用单级再热。 LPT排气会在冷凝器中冷凝。 （流 30）的冷凝蒸 汽泵从热凝结泵入蒸汽抽气器（CEP ） 。水被进一步抽运通过冷凝器，进入冷却 器和低压给水加热器LPH1 LPH2 LPH3的。 （流 44）进料水通过锅炉给水泵（ BFP ） 进入高压加热器 HPH5 HPH6。高压加热器抽取蒸汽（流15 和 10）来从中间压涡 轮机和高压

8、涡轮机排出的废气进入再热器级联向后。从锅炉的过热蒸汽（流1） 直接进入到高压汽轮机，它提供驱动涡轮机叶片的轴功。从高压汽轮机的排汽 （流 5B）可以追溯到再热器之前，它通过对中压涡轮（流12） 。进入涡轮机（流 18）从中间压力的废气直接进入低压涡轮机，提供轴功驱动发电机发电。从低 压涡轮的排气蒸汽（物流27）被冷凝在冷凝器中使凝结水作为循环冷却水系统 （CW ） 。 图 1 Egbin 热电厂工艺流程 2.1 计算方法 在这种系统中， 常用的热交换器是U形管的管壳，在网络中的各热交换器的 功能是热平衡的估计，利用式（1）和（ 2） 【28】 Q=W?（ ?SI -H） =WT（ ? 为 -H

9、TI ）（ 1） Q= ?P S （ ?SI- T）= ?P T （ ?TI ）(2) 对于混合流换热器的壳侧的进气口，有效焓给出式（3） 【26】 ： (3) 对于所有的给水加热器的过程中， T 分钟5的启发式选择。从已知的热交 换器的壳侧和管侧的流入口和出口的温度值，T流明进行评价，利用方程（4） 【29】 ： (4) 对于冷凝器的对数平均温差进行了评估： （5） 总传热系数是衡量的几个单独的电阻的总和的热传递，可以预计，从已知的 值，Q ，A和 T最小，。 （6） 利用方程（ 6）也做了不同的冷凝器冷却水流量的热交换器的传热面积的估 计。 利用网络中的换热器的壳侧和管侧的相应的温度和焓值

10、，估计在新的网络中 的不同的冷凝器冷却水热交换器水流量。表 1 列出了工厂的实际测得的数据与它 们的不确定度和计算出的数据为基础的案例。两者相比较， 结果显示， 在与所测 得的数据计算出的数据。 原程序代码也能够估计在基本情况下的冷凝器的冷却水 的流速和换热器区的冷却水入口温度对电厂性能的影响。 表 1 中。比较测量值与计算值的热力学参数。 参数测量值计算值 冷凝器温度（）42.1 （0.5）42.1 大气喷射管侧入口温度（C ）42.1 （0.5）42.1 大气喷射管侧出口温度（C ）42.2 （0.5）42.7 压盖冷凝器管侧入口温度（C ）42.2 （0.5）42.7 压盖冷凝器管侧出口

11、温度（C ）43.7 （0.5）43.9 疏水冷却器管侧入口温度（C ）43.7 （0.5）43.9 疏水冷却器管侧出口温度（）48.6 （0.5）49.6 LPH 1管侧入口温度（ C ）48.6 （0.5）49.6 LPH 1管侧出口温度（ C ）86.7 （0.5）86.7 LPH 2管侧入口温度（ C ）86.7 （0.5）86.7 LPH 2管侧出口温度（ C ）110（0.5）110 LPH 3管侧入口温度（ C ）110（0.5）110 LPH 3管侧出口温度（ C ）134.8（0.5）134.2 HPH5 管侧入口温度（ C ）165.5（0.5）165.5 HPH5 管侧出

12、口温度（ C ）196.6（0.5）196.6 HPH6 管侧入口温度（ C ）196.6（0.5）196.6 HPH6 管侧出口温度（ C ）236.6（0.5）236.6 冷凝器压（ kPa）8.24 （0.05）8.3 大气喷射压（ kPa）8.57 （0.05）8.59 压盖冷凝器压（ kPa）9.09 （0.05）9.10 疏水冷却器压（ kPa）12.11（0.05）12.13 LPH 1压（kPa）220.50（1.0）231.70 LPH 2压（kPa）332.5（1.0）343.50 LPH 3压（kPa）593.20（2.0）599.90 HPH5 压（kPa）1754.0

13、0（2.0）1761.00 HPH6 压（kPa）3085.00（2.0）3087.00 工厂运营商的经验表明， Egbin 热电厂冷凝器在压力高于最大工作压力13 千帕，温度低于 100C 后，它会自动跳开。换热器的成本 换热器设备的大小和裸成本之间的关系绘制在一个log-log图采，用文献 资料法 【29】和微软的 Excel 电子表格， 估计最佳直线安装情节。 考虑到热交换器 的采购成本，材料，施工，工作压力范围内，通货膨胀率，因此采用式（7） 获得。 换热器的成本 =裸成本 x 材料类型 x 压力指数 x 成本指标（7） 过去一年成本指数，该指数有关的因素，目前的年成本指数，用公式（8

14、） 评估： 成本指数 =过去一年的成本指数/目前的年成本指数 2.2 能源消耗，节约能源和工厂效率的估计 能源成本，考虑了使用的燃料，热电站发电机的输出，锅炉效率和辅助电 源的要求轴的类型。考虑燃料类型是天然气，锅炉给水焓可以发挥至关重要的 作用，在燃料消耗在锅炉产生蒸汽炉。保守估计从周期内提供更多的热量，以 提高锅炉给水的质量 【26】 。机组热耗率，和再热蒸汽的锅炉效率和发电机输出， 这是锅炉给水的质量的量度，利用方程（12）26 ： 机组热耗率 =W1 （Hbo-Hfi ） +W2(Hpo-Hfj)/ (发电机输出功率x 锅炉效率 ) (12) 给水和锅炉效率的质量取决于用于产生蒸汽的燃

15、料消耗率的估计，利用方 程（13） 26 ： 燃 料 消 耗 率 = （ 机 组 热 耗 率x发 电 机 输 出 功 率 ） / 燃 料 的 热 值 （13） 燃料消耗成本估计方程： 燃烧成本 =油耗率 x 燃料成本（14） 节省燃料成本估计方程： 燃料成本节省 =燃料节省量 x 燃料成本 (15) 在整体能源成本的估计中， 假定，其他辅助功率消耗在工厂的电力成本与所 产生的功率为 10。因此，总的能源成本数学表达如式： 能源消耗 =燃料消耗 +电量消耗 总成本 =固定成本 +能源成本 投资回收期为采取收回花在投资上的钱的时间长度。计算公式为： 投资回收期 =固定成本 / 节省的成本 循环效率

16、是系统容量的措施， 以产生所需的效果。 为了确定如何完成的系统 所需的效果，效率进行了计算 【26】 ： 3. 结果与讨论 3.1 不同的冷凝器冷却水流量 冷凝器的温度和压力反应不同的冷却水流量，环境温度为30的列于表2 中。据观察，冷凝器的温度和压力的增加反而降低冷凝器的冷却水流量。最大冷 凝器的压力为 13.0 kPa 。 表 2 温度和压力不同的冷凝器冷却水流量的响应。 冷 凝 器 冷 却 水 流 量 （米 3/ 小时） 320 00 322 00 32400 3260 0 3266 0 冷凝器温度（）51 48 46 43 42 冷凝器压（ kPa）12. 3 11. 5 10.0 8

17、.7 8.3 在 220 MW 机组，冷凝器的冷却水的流量在不同锅炉给水的焓限制下的节约 燃料，提出图 3。提高锅炉中的过热蒸汽的锅炉给水的质量和在炉中的燃料消耗 之间存在着联系。 的质量就越高， 锅炉给水较低的燃料消耗。 提高冷凝器的冷却 水流量减少余热回收周期。 在能源成本的含义。 燃料成本和锅炉给水的焓， 冷凝 器的冷却水流量的依赖关系示于图。4。有人指出，作为冷凝器的冷却水流量的 增加更多的成本，因为满足锅炉在所要求的温度和压力，以产生过热蒸汽。 图3，节省燃料的依赖于锅炉给水焓。 图4，燃料成本的依赖冷凝器的冷却水和锅炉给水焓流量 在表 3 中表示出不同的循环水流量估计的热交换器区。

18、总热交换器传热面积 随循环水的流量的增加而增加。 表 3。换热面积改变冷凝器的冷却水流量的估计 冷凝器冷却水流量 （米 3 / 小时） 32000 32200 32400 32600 32660 设备面积（米 2） 面积/ 米2 面积/ 米 2 面积/ 米 2 面积/ 米 2 聚光器5401.13 6431.61 7939.14 10374.56 10630.0 空气喷射器32.56 31.72 30.94 30.20 30.00 压盖冷凝器44.59 43.42 42.33 41.30 41.00 疏水冷却器324.56 311.39 302.43 147.82 140.00 LPH1 45

19、2.46 457.24 462.09 491.62 500.00 LPH2 169.34 175.59 182.34 398.06 410.00 LPH3 377.17 384.44 387.48 388.20 390.00 HPH5 656.86 650.30 638.63 546.48 535.00 HPH6 654.48 649.80 643.20 580.07 580.00 总面积8113.16 9135.52 10628.56 12998.31 13256.0 冷凝器换热面积的 贡献（） 66.57 70.40 74.70 79.81 80.19 每年平均资本成本 （$ / Y ）

20、12,271, 064.3 13,232, 770.4 14,584, 489.0 16,592, 621,17 16,809， 876.5 3.2 热交换器资本成本估算 所述裸成本（ ? b），一个给定的管壳式换热器的面积（A），碳壳，不锈 钢管等： ?BCS = 20890. 808 裸成本为不锈钢外壳，不锈钢管热交换器推导： ?BSS = 44100. 699 不同的冷凝器冷却水流量的按年资本成本也示于表3。据观察从表 3 热交换 器的总传热领域和每年平均资本成本之间有直接的关系。作为传热面积增大与冷 凝器的冷却水流量增加， 年资本设备的成本也在增加。 这是由于额外的成本要求， 可进行设

21、备改造，以配合新的传热面积。 3.3 最佳冷凝器冷却水流量的鉴定 年均总成本及厂循环效率两个目标指数确定最佳的冷凝器冷却水流量。不同 的冷凝器冷却水的总成本估计每年平均资本成本和能源成本的总和，得到图5。 在同图的次要轴绘制的厂循环效率。介于 43 和 45 之间的循环效率， 这是在与 第一定律的效率热电厂从以往的研究结果 【1】 【6】 。据观察，从图。 5，冷凝器的冷 却水流量的增加而增加，而植物的循环效率降低的总成本。也有人是32000 米 3 / h 的流量，给了最低的总成本和最高的循环效率。 图5，总成本和循环效率与循环水的流量 3.4 过程改进成本的影响 理想的情况下的要求和对成本

22、的影响，以满足所需的变化的热传递的热交换 器领域示于表 5 中。结果表明，在最佳条件下，需要较小的冷凝器面积。因此， 有没有需要任何修改现有的冷凝器面积，可以应付现在的面积要求。 此外，现有 的 LPH2和 LPH3领域应对新领域的要求， 有没有必要进行任何修改。 空气喷射器 和腺体冷凝器需要新的贝壳， 因为在现有的小变化和新领域的要求。在现有疏水 冷却器和 HPH5 和 HPH6 ，这些换热器需要更换完全用新的领域和新领域的要求有 很大的差异。 改变换热器壳成本一半的费用买一个新的交换。在表 5 中所示的换 热器的总购买成本。 表 5 中。为最佳水循环率 32000 米 3 / h 的换热器

23、的成本估计。 热交 换器 面积 （米 2） （基本 情况） 面积 （米 2） （选件 的情况 下） 需 要 改 变 的 裸成本 （元） P（千 帕） CI PF MF 采购成 本（元） 聚光 器 10,630 5401.13 现 有 交 换 机 12.28 1.12 1.0 0.85 空气 喷射 器 30.00 32.56 新 的 外 壳 34,849 12.7 1.12 1.0 0.85 33,177 压盖 冷凝 器 41.00 44.59 新 的 交 换 机 44,925 13.38 1.12 1.0 0.85 42,769 疏水 冷却 140.00 324.56 新 的 223,392

24、17.16 1.12 1.0 0.85 212,669 器交 换 机 LPH1 500.00 452.46 现 有 交 换 机 292,178 231.17 1.12 1.0 0.85 LPH2 410.00 169.34 现 有 交 换 机 343.5 1.12 1.0 0.85 LPH3 390.00 377.17 新 的 交 换 机 599.9 1.12 1.0 0.85 278,154 HPH5 535.00 656.86 新 的 交 换 机 411,012 1761 1.12 1.1 0.85 430,411 HPH6 580.00 654.48 新 的 交 换 机 409969 3

25、087 1.12 1.3 0.85 507,378 总计1416326 1504558 （购 买成 本） 使用这些值，投资回收期为1.8 年。 表 6。预计投资回收期。 描述量 厂改造的固定资本（元）4,694,220.96 节省燃料成本（美元 / 年）2,683,377.81 投资回收期（年）1.8 4. 结论 确定冷凝器的循环水的流量， 优化冷凝器内的温度和压力的容忍限度调查的 火电厂的总成本。 改善植物循环效率， 换热面积的要求， 年资金成本和节省燃料 成本估计。 结果发现， 一些植物成分， 尤其是热交换器的热传输区域的修改需要 配合不同的冷凝器冷却水流量。 厂改造的成本影响的评估， 用

26、经济指标作为投资 回收期，项目的经济可行性进行了评估。 上面的基本情况热电厂的灵敏度分析表 明，这种植物在冷凝器的冷却水进口温度的变化敏感。 参考文献 1 F. Eskandari ，M.贝赫扎德 . 利用夹点技术使蒸汽发电厂效率更高. UPBSci. Bull. Ser.71（第 4 期） （2009） ，29-42. 2 A. Khalilpour. 分析燃煤电厂碳捕获积分. 第 20 届欧洲研讨会计算机辅助 过程工程 ESCAPE20（2010）. 3 L. Puigjan. 流程的整合与热电联产（ CHP ）. 应用热工程， 17（1997） 1015-1034. 4 B. Linnh

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