循环供水系统机组额定背压对应设计条件的探讨

赵拴荣 姚冬梅 杨迎哲

摘 要：通过探讨现行规范和循环供水系统机组的冷却介质，并按涵盖我国南北地区的气象条件进行循环供水系统计算研究，提出湿式循环供水系统机组额定背压应按年平均气象参数计算确定，并要扣除无效低温的影响。建议采用气温2℃以上加权平均法计算湿冷循环冷却系统的设计气温。供工程设计和规范修订借鉴。

关键词：额定背压；冷却介质；气象参数；冷却水温；扣除无效低温

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0128-03

0 前言

根据现行国家标准《大中型火力发电厂设计规范》GB 50660第12.1.2条第1款：“汽轮机的额定背压宜对应冷却介质全年平均计算温度，夏季背压宜对应冷却介质最高计算温度”。在该规范第17.3.3条又进一步规定：“循环供水系统机组的汽轮机背压、凝汽器面积、冷却水量、水泵、进排水管沟配置、冷却塔的选型及经济配置，因根据多年月平均的气象条件，并结合汽轮机特性和系统布置进行优化计算确定。该规范规定了冷却水的最高计算温度对应的设计条件，即宜采用按湿球温度频率统计方法计算的频率为10%的日平均气象条件，气象资料应采用近期连续少于5年、每年最热时期的日平均值，每年最热时期可采用夏季三个月。即使按规范对凝汽器面積、冷却水量、水泵、进排水管沟、冷却塔进行优化，得到最优的配置组合，但是按什么设计条件计算推荐的配置组合方案下的机组额定背压？现行规范没有明确的规定。有必要对循环供水系统湿冷机组额定背压对应设计条件进行探讨。

1 气象参数法和冷却水温法

虽然规范没有明确规定循环供水系统的额定背压对应的设计条件，但一般有两种算法：

一种是认为机组额定背压应接近于平均气象条件下的冷却塔出水温度对应的背压，即根据历年各月的平均干球温度、湿球温度和大气压力计算，按全部的循环水量计算冷却塔的出水温度，继而计算主机的额定背压。这种算法以下简称为“气象参数法”。

还有一种算法是分别按照历年12个月的月平均干球温度、湿球温度和大气压力，计算各月的冷却塔出水温度，求出12个月的出塔水温平均值，作为凝汽器设计进水温度，继而计算主机的额定背压。这种算法以下简称为“冷却水温法”。

优化计算中会调节各月的运行冷却倍率，以期求得循环水泵耗电量和机组微增收益的最佳组合。如果各月的冷却水量取不同的方案，得出的各月冷却塔出水平均水温值有较大差异，计算结果不唯一。考虑到我国南北差异，选取了八个地区的气象参数进行分析说明，各月平均气象参数如表1。

比如第一种组合按各月循环水泵均全开，各月循环水量均为总水量的100%，第二种组合按冬季、春秋季和夏季循环水泵开泵台数调整，循环水量为总水量的60～100%，分别得出的冷却塔各月平均冷却水温见表2。按照不同的计算方法的得到的背压值见表3。

从表2可见两种组合得出的冷却塔各月平均冷却水温相差较大，从0.39～1.48℃，按各月循环水量均为总水量的100%计算得到的月平均冷却塔出水温度较高。如果再计算另一组各月循环水量组合方案，还有不同的结果，结果是不唯一的。但对于某一个月来讲，冷却水量越小，冷却塔出水温度越低，而该月的循环水温升是增加的，凝汽器管束的流速低、水温低，其凝汽器端差是升高的，所以其对应的背压并不低（见表3的第3项数值），而得到的各月平均出塔水温则是较低的水平，按100%的冷却水流量计算凝汽器背压（见表3的第4项数值），就会偏低。并且按较小的循环水量计算冷却塔出水温度，却按全部的流量计算凝汽器背压，从物理意义上也是讲不通的。因此按冷却水温法就很难评价冷端规模和凝汽器背压之间的对应关系是否合理。

对比表3的第1项和第2项，循环水量100%时各月平均水温对应背压值和各月背压平均值非常接近，仅相差0.1kPa～0.3kPa，那么是不是补充规定各月都按100%的循环水量计算冷却塔出水温度，就可以采用冷却水温法了呢？规范中明确汽轮机的额定背压宜对应冷却介质全年平均计算温度，对于直流供水系统自然水体是直接的冷却介质，因此按全年平均冷却水温计算机组额定背压是毋庸置疑的。对于湿式循环供水系统和间接空冷系统，虽说凝汽器的冷却介质也是水，但进凝汽器的冷却水还需通过冷却塔和空气进行热交换，环境空气是最原始的冷却介质，冷却水温只是一个计算的中间结果，因此定义和汽轮机额定背压对应的气象参数才更为直观。因此按气象参数法计算循环供水系统背压是合理的，也是符合规范原则的。

随着我们对节能、降耗的关注，对机组THA 或TMCR工况的性能考核越来越全面，冷却塔在THA 或TMCR工况下是否达到了设计要求也要通过测试来评价。而冷却塔的设计条件就是气象参数，冷却水温是设计结果。如果按照冷却水温法即使得出了机组背压，但这个冷却水温对应什么样的气象参数呢？评价冷却塔散热能力的基准是什么呢？而按照气象参数法就顺理成章，年平均气象参数、出塔水温、额定背压都有很清晰的对应关系，冷却塔的性能考核测试条件和评价的基准也很明确。

在工程可行性研究阶段开展的初期，往往还没有详细的主机参数，进行冷端优化的时机也不成熟，但要提出初步的汽轮机的额定背压，按平均气象参数估算冷却塔出水温度和额定背压就简单易行，也相对准确。

2 扣除无效低温

湿冷机组的设计背压一般在4.0kPa～6.5kPa之间，实际的背压运行范围大多在3.0kPa～11kPa，即阻塞背压在3.0kPa附近，即使背压再低，也达不到降低热耗或增加机组出力的目的。

我国幅员广大，南北方的气象参数的差异也很大，比如上文中广东地区的月平均气温在9.5℃～27.8℃之间，年平均气温为19.8℃，黑龙江地区的月平均气温在-17.5℃～22.6℃之间，年平均气温为4.9℃。在东北、山东等寒冷地区，较冷月份的计算背压远远低于阻塞背压，如果按照自然月气象条件计算得到的额定背压会比实际运行平均背压值低，主机的综合效率下降。因此在计算全年平均气象参数时要扣除无效低温的影响。

3 总结和建议

环境空气是带冷却塔的湿式循环供水系统机组最原始的冷却介质，通过对规范的分析和根据从北到南八个地区的气象条件进行的循环供水系统的计算分析，湿式循环供水系统机组额定背压按年平均气象参数计算确定是合理的，也是符合规范原则的。年平均气象参数、出塔水温、额定背压的对应关系清晰，可为机组和冷却塔性能考核提供基准和依据。

为了使机组额定背压和实际运行平均背压接近，使主机综合效率较高，在计算全年平均气象参数时要扣除无效低温的影响。

本次研究内容可供工程设计和规范修订借鉴，建议《火力发电厂水工设计规范》补充湿式循环供水系统机组额定背压对应设计条件的有关规定，即：当采用循环供水系统时，汽轮机的额定背压宜对应按扣除无效低温后的全年平均气象参数计算的冷却水温，宜根据历年各月平均气象参数统计资料，设计干球温度宜按气温2℃以上加权平均法计算，设计大气压力和相对湿度宜按全年各月平均值。

参考文献

[1]王颖，王明韧.机组的额定背压、设计水温计算的探讨[J].电力勘测设计，2014（10）：40-44.