【摘要】电力行业是国家工业发展最为重要的产业之一，而就目前而言，国内火力发电机组仍占有最为重要的份额。汽轮机冷端系统作为火力发电机组必不可少的组成部分，对于机组的发电生产效率发挥着至关重要的作用。因此，如何不断实现汽轮机冷端系统运行性能的优化、提升，是目前电力生产行业十分重要的一项研究课题。本文即针对汽轮机冷端系统，及其性的能改进与完善方法做出简要分析。

【关键词】汽轮机；冷端系统；凝汽器；运行优化

一、引言

随着我国国民经济发展速度不断加快，各行各业对于能源的消耗量亦随之逐步增长，目前，我国已经成为世界上对于能源依赖量最高的国家之一。而电力作为工业生产的支撑产业，目前在国内各产业能耗比重中占有很大的份额。在此种状况之下，如何更好的提高电力生产效率，节约能源消耗量则成为电力产业优化的一个重点。汽轮机冷端系统的运行状况对于整个发电机组生产是有着十分重要的意义的。以冷端水循环模式为例，一方面，当系统选择使用汽轮机作为驱动促进水循环系统时，汽轮机势必消耗较多的电能，如何优化冷却塔的设备设计，提高冷却水的利用率，提高冷却效率，保证其发挥的势能可以最大的转换为循环水动能则成为冷端系统的一个主要改进点；其次，循环水在流动过程中势必会由于蒸发、排污等原因造成水量的损耗，而此时往往需要用地下水进行补给，从而又一次造成一笔较大的经费支出；并且循环水含污染物较多，对环境的破坏性较强，过多的排放会对周边环境产生不利的影响；由此可知，为降低冷凝水循环系统成本支出，必须减少水量损耗，依据循环水的不同温度、水质特点进行动力循环，并尽量保证水循环在封闭、真空的环境下进行，从而提高冷却倍率，优化冷却效果。

二、汽轮机冷端系统运行优化国内外研究进展

对于凝汽器真空的各影响因素是目前国内外关于汽轮机冷端系统运行优化所研究的一个重点。就如何对各类因素进行深入可靠的分析，并提出怎样的改进措施等问题，国内外专家展开了深入的探讨。一方面，针对循环水系统、循环水泵及凝汽器等环节的设备构成，国内外提出了一系列优化理念。例如SanDigeo公司设计了一套凝汽器运行监测设备，技术人员通过该设备能够实时对凝汽器的运行情况进行观察，一旦出现问题可以及时采取相应的应对措施，从而确保仪器的平稳运行。又如俄罗斯开发出了一套可应用于凝汽器一端的故障诊断及检修系统，对汽轮机冷端系统的性能检测及改进起到了很好的促进作用。在我国，对于汽轮机冷端系统同样开展了较为深入的研究，例如由王乃宁所研发的“汽轮机湿蒸汽的光学测量”方法，能够通过更加科学、合理的测量手段对汽轮机冷端末端的排汽状况进行测定。又如美国加州技术人员通过对循环设备的改进，提高了冷却水的利用率，使冷却效率得到了进一步提高。一系列研究的开展，使得目前业内对于汽轮机冷端系统水循环系统的各项真空状态指标均有了更准备的确定方法，从而更好的对该系统进行评价与优化。

三、汽轮机冷端系统概述

汽轮机冷端系统是电厂设备十分重要的一个组成环节，它是由一系列子设备共同组成的，包括汽轮机低压缸的末级组，促进冷凝水在系统内往复流动的整个水循环系统，为冷凝水流动提供动力来源的水泵，为冷凝水降温的冷却塔，将高温形成的水蒸气进行冷凝并重新进入循环的凝汽器等等。通过上述各设备的基本功能可知，整个汽轮机冷端系统整体可划分为两大部分，首先为凝结水系统，以凝汽器设备为主；其次为水循环系统，由循环水泵、冷却塔等设备组成。

当汽轮机有热气排入凝汽器时，凝汽器内部的低温循环水会迅速对热蒸汽进行冷却，并凝结成为液体水，此种状况下，气压突然降低，凝汽器内部形成一个近于真空的环境，以利于循环水的作用。为充分保证系统内环境的真空性，需通过其他措施将凝汽器中残余的空气及未凝结气体抽出。在此种环境下，冷端水循环系统方能更加高效的运转。

四、汽轮机冷端系统运行优化方法

目前，国内外技术研究人员针对汽轮机冷端系统运行优化课题提出了两种主流的研究思路。第一种方法是以汽轮机冷端系统的冷却水进水温度以及系统运行过程中的负荷量作为固定常数，通过不断改变进水量、真空指标、水泵安装方式等参数，尝试调整得出各设备的最佳运行状态，该种优化方式属于对汽轮机冷端系统的相关设备进行完善的优化理念。第二种方法则是针对汽轮机冷端系统热力参数确定系统最优冷凝指标，具体来说，是当设备达到某一热力阶段时，综合参考技术、经济等各项因素，确定出最有利于冷端系统工作的循环水进水量以及最佳真空参数。

4.1凝汽器压力确定方法

通常来讲，我们说到的凝汽器压力指的是汽轮机在向凝汽器内排进高温气体时，该气体所具有的压力。凝汽器压力亦可称为背压。然而，若从严格意义上进行分析，汽轮机的排汽压力与凝汽器压力两者有很大的差别。这是因为凝汽器压力是人工测得的一个压力参数，是通过在距冷凝管束上端排气管30cm左右处，当气体处于稳定状态下时压力的数值，通常用p来表示凝汽器压力。而汽轮机排汽压力（即背压）则指的是在动叶片的排汽口处，当气压处于较为稳定状态下时，人工测得的压力，通常用pk代指。

由于规模较大的凝汽器通常与低压排汽缸的动叶片之间距离较大，仅仅在凝汽器的过渡段便有约3m的长度距离，因此，当排除的气体经过凝汽器的过渡段时，定会在流动过程中遇到阻力形成压力损失，由此可知，通过长距离流动后的气体在低压缸排气口处所测得的气压与凝汽器气压将产生较大的误差，这便是凝汽器气压与背压的差异所在。在施工过程中开展压力确定时，只有在气体流动过程中由于阻力所造成的气压损失刚好等于气体的速度能头的情况下，此时的损失系数为1，凝汽器压力与背压才能刚好相等，可以将凝汽器压力理解为背压。然而此种情况在实际生产中十分罕见。由于排出的气体并非完全均一，因此凝汽器压力通常会受多种因素的共同影响而发生变化，导致低压缸排气口处的压力比凝汽器压力稍大。若要得到二者差异的定量值，则需要通过严格的实验方法对凝汽器过渡段的阻力值进行确定，从而得出pk与p的差值，确定出准确的凝汽器压力。由于实际生产之中，对于凝汽器压力的确定并非是一个极为严格的过程，故为了提高工作效率、降低实验成本，通常会将低压缸排气口处气压pk等值于凝汽器气压p进行测量。由此可见，准确理解凝汽器压力概念，合理确定压力值，能够在实际生产中提高效率、降低成本，同时提升各参数把握的准确性。

4.2汽轮机功率与凝汽器压力的关系分析

在将凝汽器压力约等为背压后，又对凝汽器气压与汽轮机的功率展开的进一步的研究。研究发现，凝汽器压力对于汽轮机的生产功率有着较为明显的影响，该影响也就是我们通常所说的汽轮机微增功率。为了更好的了解凝汽器压力对汽轮机功率的影响作用，通常通过实验测量以及计算得数两种方法进行，通过大量的实验测量及计算得数，综合认为凝汽器背压对汽轮机功率的影响主要表现在两个方面。一方面，当汽轮机的进气量恒定时，由于凝汽器中气流流动过程中受到阻力、温度变化等因素的影响，导致气压发生压力的变化，这一变化将会导致低压缸末级发生焓参数出现降低的现象，从而使得汽轮机工作状况出现不稳定性变化，进而影响到汽轮机的工作效率。另一方面，当凝汽器内的气体气压出现波动时，将要进入到水循环系统中的凝结水温度亦会随之发生变化。温度的变化必然会导致凝汽器凝结水的水量较之前有所不同，水温较高时，需要消耗更多得低温循环水进行降温冷凝，而水温较低时，同样体积的低温循环水则可凝结更多得水汽，由此可见，温度的变化定将对凝汽器的工作效率产生较大的影响。而在实际生产过程中，则希望能够通过尽量减少排气口处气体的温度，从而提升固定水量冷凝水的凝结量，从而提高凝汽器的工作效率。

4.3循环水泵耗功增量分析

循环水泵是整个水循环系统的动力部分，系统运行过程中，循坏水泵能够将低温冷凝水输送入整个循环系统之中，通过水体的低温对排汽进行降温、凝结，最终进入水循环系统。由此可知，在凝汽器所要冷凝的气体不同的情况下，可以通过选择不同容量的循环水泵来满足不同设备的需要。若水泵容量过大，则不能够充分利用，导致水泵使用效率的下降；若水泵容量不足，则难以为凝汽器提供充足的低温水进行排汽凝结，从而导致系统内气压过高，影响汽轮机冷端系统的工作效率。除此之外，为确保汽轮机冷端系统运行过程中的不断优化，还应特别注重循环水泵的安装位置及其与水体的配合特性。例如不同水质在不同设备中流动时，其遇到的阻力、流动的距离等存在差异，因而形成的凝汽器气压特性亦不尽相同，故在选择循环水泵类型及安装方位时，需充分考虑多重因素。

在对循环水泵耗功增量进行分析时，不仅仅要参考卖家所提供的各类参数，还可依据实际情况对水泵工作状况进行测试，通过实验的方法确定循环水泵的耗功增量分析曲线。通过曲线特征即可得出水泵在受到不同参数差异影响的情况下，其运行特征的变化情况。以实验数据为依据，结合生产实际，即可很好的对循环水泵特征进行把握，从而切实优化其生产性能。

4.4水资源使用费用及环保费用确定

目前，各电厂在生产中通常是利用循环水中的低温冷凝水对热排气进行凝结，所得的水在温度较低的情况下继续加入到水循环的过程中去发挥作用。然而，当循环水的水温达到一定高度时，其对于热排气的冷凝已不起作用，故电厂通常会选择将其排放至附近水流之中，而排放出的水通常温度较高，且可能带有一定的污染物，从而对周边环境造成恶性的影响。例如，当温度较高的热排水进入到普通水体之中后，会对水体原有的温度系统造成突发性的破坏，使得其中大量水生生物由于不能够适应突变的水温而出现病变、死亡等现象。随着近年来人们关于环境保护的意识不断增强，相关部门对于电厂冷端系统排水的监控力度随之加大，故电厂需对其所排放的热排水及含有高温水蒸汽的热排气缴纳较高的费用，而这些费用是在综合考评汽轮机冷端系统运行成本时所不可忽略的。若电厂仍固守旧有的思维模式，不对热排环保费用加以重视，则会导致成本过高、生产效益降低等后果。反之，只有对水资源的使用费用及环保费用均进行科学、细致的计算，方能将其转化为汽轮机冷端系统运行优化的一大动力，从而更好的提高循环水使用效率。

4.5改变汽轮机排汽湿度，提升冷却效率

优化冷却效果主要途径为以下几个方面：增大循环水量、凝汽器换热面积和冷却塔淋水面积。然而，在规模较大的电厂设备中，汽轮机的最后几个环节的设备的工均处于湿度较大的环境之中，实际生产中难免出现湿气凝结形成水珠的现象。小水珠的形成对于汽轮机的生产是十分不利的，一方面，会对汽轮机金属材质的设备造成日积月累的腐蚀作用；此外，湿气损失还会导致蒸汽散失，使得热排气的气体量小于干气情况下的排汽量，从而导致循环水系统的水量损失，所以冷却效率难免低下。

为提升冷却效率，避免冷却水的散失，必须对生产过程中的汽轮机湿度进行严格的控制，例如加入必要的湿气干燥步骤等。只有将生产中设备内部的气体湿度控制在13%左右，方能确保生产环境的安全、高效。因此，控制汽轮机排汽湿度也是汽轮机冷端系统运行优化的一个十分重要的环节。

4.6凝汽器的最佳真空和最佳冷却水量确定

所谓凝汽器的最佳真空和最佳冷却水量值得是当汽轮机生产达到最好的经济效益时凝汽器的真空参数及冷却水体积。在实际计算过程中，首先应确定恒定的排气量及冷凝水水温。通过调整冷却水的体积，一次求取汽轮机实际功率的改变量、冷却水水泵的耗功量，并综合考虑用水成本、环保成本等多重因素，最终得出汽轮机的综合收益。通过对各参数进行调整，当综合收益达到最大值时，确定出的真空参数以及冷凝水的水量及为优化汽轮机冷端系统所需要的最佳真空和最佳冷却水量。当循环水泵可以连续调节时，则可通过对水泵的调节实现冷却水水量的控制，进而使冷却水达到最佳水量。若循环水泵无法实现连续调节时，则可将冷却水水量调整到一个最接近最佳水量的值，从而实现该状况下汽轮机冷端系统的最优化。

五、结语

总之，汽轮机冷端系统作为火力发电系统不可或缺的重要组成部分，对于电机的生产效率、平稳性、安全性等均有着十分重要的影响。加强汽轮机冷端系统各项性能及运行特征的研究，从工作原理、能耗、排放量等多个角度出发，全面提升系统运行效能，这对于电力生产行业而言发挥着相当重要的作用。因此，应继续加强对于汽轮机冷端系统运行优化方面的研究，不断提升国内电力生产效率，并最终促进电力产业的全面发展。

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作者简介

邢勤华，女（1982-12-4），北京，国核电力规划设计研究院，水工工艺，本科，工程师.