火電廠的冷凝器最佳冷卻水流量計(jì)算

1、火電廠的冷凝器最佳冷卻水流量計(jì)算應(yīng)用熱力學(xué)和工藝設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)工程系，奧巴費(fèi)米洛沃大學(xué)，伊費(fèi)島,尼日利亞摘要:火電廠的循環(huán)熱損失主要是通過冷凝器散熱?？刂评淠髯罴蜒h(huán)水流量本質(zhì)上是非常重要的，以確保工廠的最高的效率和最低運(yùn)營成本。在這項(xiàng)研究中，被開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序代碼在Microsoft Excel中模擬各種循環(huán)水的流量，以確定最佳的冷凝器的冷卻水的流量過程。研究發(fā)現(xiàn)，最佳冷凝器冷卻水流量為32000米3/小時(shí)，而不是基準(zhǔn)情況下的32660米3/小時(shí)，總傳熱面積要求從13256米2降低到8113米2，冷凝器換熱面積減少的對(duì)經(jīng)濟(jì)性提高的貢獻(xiàn)最大，約16,809,876.50元/年，每年平均

2、資本成本減少12,271,064.30元/年，在循環(huán)效率和燃油節(jié)省上達(dá)到3.8，增長了2%。傳熱面積的改善對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響在于改善空氣預(yù)熱器，冷凝器，更換疏水冷卻器，低壓加熱器，高壓加熱器。本文案例中的廠改造的固定資本為4,694,220.96美元，投資回收期1.8年。關(guān)鍵詞：冷卻水流量;傳熱面積;火電廠;熱回收;循環(huán)效率;換熱網(wǎng)絡(luò)1.介紹一些火電廠已經(jīng)在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，在這些研究中，客觀指標(biāo)和優(yōu)化方法有所不同，已應(yīng)用的主要概念是夾點(diǎn)技術(shù)，能源分析，（火用）分析和（火用）經(jīng)濟(jì)分析，客觀指標(biāo)通常是經(jīng)濟(jì)和效率的參數(shù)。夾點(diǎn)技術(shù)代表了一套基于熱力學(xué)的方法，保證在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)的最低能量水平。夾點(diǎn)術(shù)和循

3、環(huán)效率定位增加蒸汽發(fā)電廠的循環(huán)效率，降低了燃料消耗1。在燃煤電廠碳捕獲分析被用來減少能量損失，并減少冷卻水的要求 2。夾點(diǎn)的概念也被用來作為一種輔助手段，選擇最佳的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)，使整體過程中的能源消耗最小化3和提高現(xiàn)有公用系統(tǒng)最佳的性能4能源分析是基于熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律是規(guī)定了一個(gè)守恒定律，能量不能被破壞，但可以從一種形式轉(zhuǎn)化到另一個(gè)。利用第一定律分析過程的能量流，給予最高的效率在滿負(fù)荷工作輸出，電廠的效率略有增加【5】【6】。有報(bào)道已經(jīng)表明，不同的冷凝器的冷卻水流量對(duì)熱電站的循環(huán)效率有很大影響。能源分析和利用線性規(guī)劃（LP）和EXCEL優(yōu)化求解已被用來提高熱電站的運(yùn)行經(jīng)

4、濟(jì)性【9】?；旌险麛?shù)線性規(guī)劃（MILP）優(yōu)化方法已被用來推導(dǎo)冷凝渦輪機(jī)的能源系統(tǒng)的成本區(qū)域圖【10】。（火用）分析也稱為分析識(shí)別能量損失的大小和位置的第二種方法，以改善現(xiàn)有的系統(tǒng)、流程或組件【11】【12】。（火用）分析和參數(shù)研究已被用來以合理的方式在火電廠做出最佳的設(shè)計(jì)決策【6】。（火用）的概念已被用于優(yōu)化熱電站中的第一和第二再熱壓力。燃煤和核蒸汽發(fā)電廠用（火用）分析，找出潛在的性能改進(jìn)已經(jīng)取得了比較顯著的效果【13】。優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽，火電廠的生產(chǎn)和燃料消耗成本降低也是通過火用分析【16】【17】。（火用）經(jīng)濟(jì)分析是基于第二定律的經(jīng)濟(jì)分析和使用（火用）分?jǐn)偛煌课坏纳a(chǎn)路線的生產(chǎn)成本。（

5、火用）分析回答問題了熱力學(xué)效率低下的問題，改善整個(gè)過程的成本過高問題。（火用）經(jīng)濟(jì)學(xué)理論已經(jīng)應(yīng)用在高效節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，例如在太陽能熱電站21的分析和聯(lián)合循環(huán)電廠的優(yōu)化【22】。這項(xiàng)工作屬于火電廠的能源分析和優(yōu)化之類的。具體來說，它側(cè)重于以最佳冷凝器冷卻水流量在火電廠的總成本（包括加裝熱交換器和總能源的成本）和循環(huán)效率為目標(biāo)指數(shù)，并采用圖形和表格的簡單方法確定最佳值。在不同的冷凝器的冷卻水流量基礎(chǔ)上，進(jìn)行成本估算分析，以確定最佳的冷凝器冷卻水流量。結(jié)論表明，通過改變冷凝器的冷卻水的流量，可以提高循環(huán)效率?；痣姀S的冷凝器一般采用循環(huán)冷卻水從冷卻塔絕熱到大氣中，一次通過水從河流，湖泊或海洋。由于火

6、電廠中的熱損失量最大的是冷凝器散熱【26】，通過減少循環(huán)水的流速減少冷凝器的散熱可以節(jié)約能源和燃料隨后改善工廠的效率【27】。然而，冷凝器冷卻水不足，可能會(huì)導(dǎo)致冷凝器的真空損失。因此，需要確定最佳的冷凝器的冷卻水的流量，以獲得最佳的熱電廠經(jīng)濟(jì)性能和改進(jìn)的熱循環(huán)效率。2.具體案例案例研究的是一個(gè)火電廠，坐落于尼日利亞，拉各斯州。該工廠有6套220兆瓦機(jī)組，可以使用天然氣和/或高凝的燃油。圖1示出了一套完整的流程圖和熱交換器網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)組有三個(gè)渦輪機(jī)，包括：高壓渦輪（HPT），中壓渦輪（IPT）和低壓渦輪（LPT）。渦輪機(jī)被安裝在一根軸上，并直接與它們的發(fā)電機(jī)耦合。HPT和IPT之間采用單級(jí)再熱。L

7、PT排氣會(huì)在冷凝器中冷凝。（流30）的冷凝蒸汽泵從熱凝結(jié)泵入蒸汽抽氣器（CEP）。水被進(jìn)一步抽運(yùn)通過冷凝器，進(jìn)入冷卻器和低壓給水加熱器LPH1 LPH2 LPH3的。（流44）進(jìn)料水通過鍋爐給水泵（BFP）進(jìn)入高壓加熱器HPH5 HPH6。高壓加熱器抽取蒸汽（流15和10）來從中間壓渦輪機(jī)和高壓渦輪機(jī)排出的廢氣進(jìn)入再熱器級(jí)聯(lián)向后。從鍋爐的過熱蒸汽（流1）直接進(jìn)入到高壓汽輪機(jī)，它提供驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉片的軸功。從高壓汽輪機(jī)的排汽（流5B）可以追溯到再熱器之前，它通過對(duì)中壓渦輪（流12）。進(jìn)入渦輪機(jī)（流18）從中間壓力的廢氣直接進(jìn)入低壓渦輪機(jī)，提供軸功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從低壓渦輪的排氣蒸汽（物流27）被冷

8、凝在冷凝器中使凝結(jié)水作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（CW）。圖1Egbin熱電廠工藝流程2.1計(jì)算方法在這種系統(tǒng)中，常用的熱交換器是U形管的管殼，在網(wǎng)絡(luò)中的各熱交換器的功能是熱平衡的估計(jì)，利用式（1）和（2）【28】Q=W（SI-H）=WT（為-HTI） （1）Q=PS（SI-T）=PT（TI） (2)對(duì)于混合流換熱器的殼側(cè)的進(jìn)氣口，有效焓給出式（3）【26】： (3)對(duì)于所有的給水加熱器的過程中，T分鐘5的啟發(fā)式選擇。從已知的熱交換器的殼側(cè)和管側(cè)的流入口和出口的溫度值，T流明進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用方程（4）【29】： (4)對(duì)于冷凝器的對(duì)數(shù)平均溫差進(jìn)行了評(píng)估： （5）總傳熱系數(shù)是衡量的幾個(gè)單獨(dú)的電阻的總和的熱傳

9、遞，可以預(yù)計(jì)，從已知的值，Q，A和T最小， 。 （6）利用方程（6）也做了不同的冷凝器冷卻水流量的熱交換器的傳熱面積的估計(jì)。利用網(wǎng)絡(luò)中的換熱器的殼側(cè)和管側(cè)的相應(yīng)的溫度和焓值，估計(jì)在新的網(wǎng)絡(luò)中的不同的冷凝器冷卻水熱交換器水流量。表1列出了工廠的實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)與它們的不確定度和計(jì)算出的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的案例。兩者相比較，結(jié)果顯示，在與所測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)。原程序代碼也能夠估計(jì)在基本情況下的冷凝器的冷卻水的流速和換熱器區(qū)的冷卻水入口溫度對(duì)電廠性能的影響。表1中。比較測(cè)量值與計(jì)算值的熱力學(xué)參數(shù)。參數(shù)測(cè)量值計(jì)算值冷凝器溫度（）42.1（0.5）42.1大氣噴射管側(cè)入口溫度（C）42.1（0.5）42.1大

10、氣噴射管側(cè)出口溫度（C）42.2（0.5）42.7壓蓋冷凝器管側(cè)入口溫度（C）42.2（0.5）42.7壓蓋冷凝器管側(cè)出口溫度（C）43.7（0.5）43.9疏水冷卻器管側(cè)入口溫度（C）43.7（0.5）43.9疏水冷卻器管側(cè)出口溫度（）48.6（0.5）49.6LPH 1管側(cè)入口溫度（C）48.6（0.5）49.6LPH 1管側(cè)出口溫度（C）86.7（0.5）86.7LPH 2管側(cè)入口溫度（C）86.7（0.5）86.7LPH 2管側(cè)出口溫度（C）110（0.5）110LPH 3管側(cè)入口溫度（C）110（0.5）110LPH 3管側(cè)出口溫度（C）134.8（0.5）134.2HPH5管側(cè)入口

11、溫度（C）165.5（0.5）165.5HPH5管側(cè)出口溫度（C）196.6（0.5）196.6HPH6管側(cè)入口溫度（C）196.6（0.5）196.6HPH6管側(cè)出口溫度（C）236.6（0.5）236.6冷凝器壓（kPa）8.24（0.05）8.3大氣噴射壓（kPa）8.57（0.05）8.59壓蓋冷凝器壓（kPa）9.09（0.05）9.10疏水冷卻器壓（kPa）12.11（0.05）12.13LPH 1壓（kPa）220.50（1.0）231.70LPH 2壓（kPa）332.5（1.0）343.50LPH 3壓（kPa）593.20（2.0）599.90HPH5壓（kPa）1754.

12、00（2.0）1761.00HPH6壓（kPa）3085.00（2.0）3087.00工廠運(yùn)營商的經(jīng)驗(yàn)表明， Egbin熱電廠冷凝器在壓力高于最大工作壓力13千帕，溫度低于100C后，它會(huì)自動(dòng)跳開。換熱器的成本換熱器設(shè)備的大小和裸成本之間的關(guān)系繪制在一個(gè)log-log圖采，用文獻(xiàn)資料法【29】和微軟的Excel電子表格，估計(jì)最佳直線安裝情節(jié)?？紤]到熱交換器的采購成本，材料，施工，工作壓力范 圍內(nèi)，通貨膨脹率，因此采用式（7）獲得。換熱器的成本=裸成本x材料類型x壓力指數(shù)x成本指標(biāo) （7）過去一年成本指數(shù)，該指數(shù)有關(guān)的因素，目前的年成本指數(shù)，用公式（8）評(píng)估：成本指數(shù)=過去一年的成本指數(shù)/目前的

13、年成本指數(shù)2.2能源消耗，節(jié)約能源和工廠效率的估計(jì)能源成本，考慮了使用的燃料，熱電站發(fā)電機(jī)的輸出，鍋爐效率和輔助電源的要求軸的類型?？紤]燃料類型是天然氣，鍋爐給水焓可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用，在燃料消耗在鍋爐產(chǎn)生蒸汽爐。保守估計(jì)從周期內(nèi)提供更多的熱量，以提高鍋爐給水的質(zhì)量【26】。機(jī)組熱耗率，和再熱蒸汽的鍋爐效率和發(fā)電機(jī)輸出，這是鍋爐給水的質(zhì)量的量度，利用方程（12）26：機(jī)組熱耗率=W1（Hbo-Hfi）+W2(Hpo-Hfj)/ (發(fā)電機(jī)輸出功率x鍋爐效率) (12)給水和鍋爐效率的質(zhì)量取決于用于產(chǎn)生蒸汽的燃料消耗率的估計(jì)，利用方程（13）26：燃料消耗率=（機(jī)組熱耗率x發(fā)電機(jī)輸出功率）/燃料

14、的熱值 （13）燃料消耗成本估計(jì)方程：燃燒成本=油耗率x燃料成本 （14）節(jié)省燃料成本估計(jì)方程： 燃料成本節(jié)省=燃料節(jié)省量x燃料成本 (15)在整體能源成本的估計(jì)中，假定，其他輔助功率消耗在工廠的電力成本與所產(chǎn)生的功率為10。因此，總的能源成本數(shù)學(xué)表達(dá)如式：能源消耗=燃料消耗+電量消耗 總成本=固定成本+能源成本投資回收期為采取收回花在投資上的錢的時(shí)間長度。計(jì)算公式為：投資回收期=固定成本/節(jié)省的成本循環(huán)效率是系統(tǒng)容量的措施，以產(chǎn)生所需的效果。為了確定如何完成的系統(tǒng)所需的效果，效率進(jìn)行了計(jì)算【26】：3.結(jié)果與討論3.1不同的冷凝器冷卻水流量冷凝器的溫度和壓力反應(yīng)不同的冷卻水流量，環(huán)境溫度為3

15、0的列于表2中。據(jù)觀察，冷凝器的溫度和壓力的增加反而降低冷凝器的冷卻水流量。最大冷凝器的壓力為13.0 kPa。表2溫度和壓力不同的冷凝器冷卻水流量的響應(yīng)。冷凝器冷卻水流量（米3/小時(shí)）3200032200324003260032660冷凝器溫度（）5148464342冷凝器壓（kPa）12.311.510.08.78.3在220 MW機(jī)組，冷凝器的冷卻水的流量在不同鍋爐給水的焓限制下的節(jié)約燃料，提出圖3。提高鍋爐中的過熱蒸汽的鍋爐給水的質(zhì)量和在爐中的燃料消耗之間存在著聯(lián)系。的質(zhì)量就越高，鍋爐給水較低的燃料消耗。提高冷凝器的冷卻水流量減少余熱回收周期。在能源成本的含義。燃料成本和鍋爐給水的焓，

16、冷凝器的冷卻水流量的依賴關(guān)系示于圖。4。有人指出，作為冷凝器的冷卻水流量的增加更多的成本，因?yàn)闈M足鍋爐在所要求的溫度和壓力，以產(chǎn)生過熱蒸汽。圖3，節(jié)省燃料的依賴于鍋爐給水焓。圖4，燃料成本的依賴?yán)淠鞯睦鋮s水和鍋爐給水焓流量在表3中表示出不同的循環(huán)水流量估計(jì)的熱交換器區(qū)?？偀峤粨Q器傳熱面積隨循環(huán)水的流量的增加而增加。表3。換熱面積改變冷凝器的冷卻水流量的估計(jì)冷凝器冷卻水流量（米3/小時(shí)）3200032200324003260032660設(shè)備面積（米2）面積/米2面積/米2面積/米2面積/米2聚光器5401.136431.617939.1410374.5610630.0空氣噴射器32.5631.

17、7230.9430.2030.00壓蓋冷凝器44.5943.4242.3341.3041.00疏水冷卻器324.56311.39302.43147.82140.00LPH1452.46457.24462.09491.62500.00LPH2169.34175.59182.34398.06410.00LPH3377.17384.44387.48388.20390.00HPH5656.86650.30638.63546.48535.00HPH6654.48649.80643.20580.07580.00總面積8113.169135.5210628.5612998.3113256.0冷凝器換熱面積的

18、貢獻(xiàn)（）66.5770.4074.7079.8180.19每年平均資本成本（$ / Y）12,271,064.313,232,770.414,584,489.016,592,621,1716,809，876.53.2熱交換器資本成本估算所述裸成本（b），一個(gè)給定的管殼式換熱器的面積（A），碳?xì)?，不銹鋼管等：BCS = 20890.808裸成本為不銹鋼外殼，不銹鋼管熱交換器推導(dǎo)：BSS = 44100.699不同的冷凝器冷卻水流量的按年資本成本也示于表3。據(jù)觀察從表3熱交換器的總傳熱領(lǐng)域和每年平均資本成本之間有直接的關(guān)系。作為傳熱面積增大與冷凝器的冷卻水流量增加，年資本設(shè)備的成本也在增加。這是由

19、于額外的成本要求，可進(jìn)行設(shè)備改造，以配合新的傳熱面積。3.3最佳冷凝器冷卻水流量的鑒定年均總成本及廠循環(huán)效率兩個(gè)目標(biāo)指數(shù)確定最佳的冷凝器冷卻水流量。不同的冷凝器冷卻水的總成本估計(jì)每年平均資本成本和能源成本的總和，得到圖5。在同圖的次要軸繪制的廠循環(huán)效率。介于43和45之間的循環(huán)效率，這是在與第一定律的效率熱電廠從以往的研究結(jié)果【1】【6】。據(jù)觀察，從圖。5，冷凝器的冷卻水流量的增加而增加，而植物的循環(huán)效率降低的總成本。也有人是32000米3/ h的流量，給了最低的總成本和最高的循環(huán)效率。圖5，總成本和循環(huán)效率與循環(huán)水的流量3.4過程改進(jìn)成本的影響理想的情況下的要求和對(duì)成本的影響，以滿足所需的變

20、化的熱傳遞的熱交換器領(lǐng)域示于表5中。結(jié)果表明，在最佳條件下，需要較小的冷凝器面積。因此，有沒有需要任何修改現(xiàn)有的冷凝器面積，可以應(yīng)付現(xiàn)在的面積要求。此外，現(xiàn)有的LPH2和LPH3領(lǐng)域應(yīng)對(duì)新領(lǐng)域的要求，有沒有必要進(jìn)行任何修改?？諝鈬娚淦骱拖袤w冷凝器需要新的貝殼，因?yàn)樵诂F(xiàn)有的小變化和新領(lǐng)域的要求。在現(xiàn)有疏水冷卻器和HPH5和HPH6，這些換熱器需要更換完全用新的領(lǐng)域和新領(lǐng)域的要求有很大的差異。改變換熱器殼成本一半的費(fèi)用買一個(gè)新的交換。在表5中所示的換熱器的總購買成本。表5中。為最佳水循環(huán)率32000米3/ h的換熱器的成本估計(jì)。熱交換器面積（米2）（基本情況）面積（米2）（選件的情況下）需要改變的

21、裸成本（元）P（千帕）CIPFMF采購成本（元）聚光器10,6305401.13現(xiàn)有交換機(jī)12.281.121.00.85空氣噴射器30.0032.56新的外殼34,84912.71.121.00.8533,177壓蓋冷凝器41.0044.59新的交換機(jī)44,92513.381.121.00.8542,769疏水冷卻器140.00324.56新的交換機(jī)223,39217.161.121.00.85212,669LPH1500.00452.46現(xiàn)有交換機(jī)292,178231.171.121.00.85LPH2410.00169.34現(xiàn)有交換機(jī)343.51.121.00.85LPH3390.003

22、77.17新的交換機(jī)599.91.121.00.85278,154HPH5535.00656.86新的交換機(jī)411,01217611.121.10.85430,411HPH6580.00654.48新的交換機(jī)40996930871.121.30.85507,378總計(jì)（購買成本）14163261504558使用這些值，投資回收期為1.8年。表6。預(yù)計(jì)投資回收期。描述量廠改造的固定資本（元）4,694,220.96節(jié)省燃料成本（美元/年）2,683,377.81投資回收期（年）1.84.結(jié)論確定冷凝器的循環(huán)水的流量，優(yōu)化冷凝器內(nèi)的溫度和壓力的容忍限度調(diào)查的火電廠的總成本。改善植物循環(huán)效率，換熱面

23、積的要求，年資金成本和節(jié)省燃料成本估計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一些植物成分，尤其是熱交換器的熱傳輸區(qū)域的修改需要配合不同的冷凝器冷卻水流量。廠改造的成本影響的評(píng)估，用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為投資回收期，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了評(píng)估。上面的基本情況熱電廠的靈敏度分析表明，這種植物在冷凝器的冷卻水進(jìn)口溫度的變化敏感。 參考文獻(xiàn)1 F. Eskandari，M.貝赫扎德.利用夾點(diǎn)技術(shù)使蒸汽發(fā)電廠效率更高. UPBSci. Bull. Ser.71（第4期）（2009），29-42.2 A. Khalilpour. 分析燃煤電廠碳捕獲積分. 第20屆歐洲研討會(huì)計(jì)算機(jī)輔助過程工程ESCAPE20（2010）.3 L. Puigjan. 流程的整合與熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）.應(yīng)用熱工程，17（1997）1015-1034.4 B. Linnhoff，F(xiàn)J. 整合現(xiàn)有的過程到一個(gè)新的進(jìn)程：夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用案例研究. 英.燃?xì)廨啓C(jī)功率，113（1991），159-169.5 M.A. Habib, S.A.M. Said, J.J. Al-Bawagi. 電廠的熱力性能分析.能源，20（11）（1995），1121-1130.6 I. Dincer, H. Al-Muslim. 再熱循環(huán)蒸汽發(fā)電廠的熱力學(xué)分析.能源中心,25（20