节约能源是我国的一项基本国策。众所周知，火电厂是消耗一次能源的大户。
在当今国家能源供应十分紧张的情况下和电力行业实施“厂网分开”、“竞价.上网”的竞争机制下，需要提高节能意识，加强能源管理，完善电厂优化运行，从而达到节能降耗、提高经济效益。
火电机组汽轮机冷端系统是火电机组的重要组成部分,维持冷端系统处于最佳运行状态对提高机组效率具有非常大的工程意义,其整体的工作效能也直接影响整个火电机组的热经济性。
火电机组汽轮机冷端系统由哪些部分组成？又是如何工作的？冷端系统的优化有何难点？我国科研人员是如何攻克难点？想必大家可能不太了解，这里，小编就为大家科普一下。
分解火电机组汽轮机冷端系统，形成系统工作过程
让我们参照火电机组汽轮机冷端系统组成，如图1所示。由图1我们会轻松了解到，火电机组汽轮机冷端系统由汽轮机低压缸末级组、凝汽器、循环水泵、冷却塔、凝结水泵、抽真空装置、靠近凝汽器最末一级的低压加热器等设备组成。基于介质的换热过程，我们又可以把冷端系统可划分为两个子系统和两个换热设备，即凝结水系统、循环水系统、凝汽器、冷却塔。这样是不是有一个初略的概念了。
图 1 火电机组冷端系统
从图1中的最上面的箭头开始，我们可以看到排汽由汽轮机低压缸末级组进入凝汽器，由循环水泵提供的循环水流入凝汽器，将排汽凝结成水。由于蒸汽凝结成水时，体积骤然缩小，就会在凝汽器内形成高度真空。为保持所形成的真空，则需用抽气设备将漏入凝汽器内的空气不断抽出，以免不凝结空气在凝汽器内逐渐积累，使得凝汽器内压力升高。由凝汽器产生的凝结水，则通过凝结水泵依次进入机组的低压加热器、除氧器、高压加热器，最终进入锅炉。这样就形成了整个冷端系统的工作过程。
冷端系统优化的难点
提到火电机组的运行优化，行业内往往更多关注的是机组锅炉侧的优化调整手段；冷端优化似乎有些“无人问津”。所谓冷端优化，其实就是根据机组的负荷和循环水温度，以恰当的循环水流量达到机组运行的最佳背压，以提高机组的经济性。
火电机组冷端系统真的可以长期维持最佳状态运行？恐怕大多数人都认为这只是停留在理论书籍中的情况。系统无法实时监测、系统缺陷无法发现、最佳真空无法实时计算……无数难题横亘其中。
从冷端系统整体的角度，正确评价系统运行经济性的优化理论还没有健全的资料。因为冷端系统是由多个设备组成的多气水系统，某一参数的变化会影响到数个设备的运行工况和性能指标，设备和系统之间互相影响、互相依存，使得冷端系统运行特性呈多参数相互影响的变化趋势。这些因素给冷端系统的优化研究工作带来了大量的困难。
我国科研人员取得的成果和科研历程
目前国内火电厂机组优化运行的相关研究大多还停留在实验或者计算机计算层面。在方法上，传统采用热平衡法，之后发展有等效热降法、熵方法、佣方法、循环函数法及矩阵分析法等等，各有其优缺点，不过在解决实际的冷端系统优化的应用中还存在障碍和困难。
据了解，针对冷端系统中优化运行，上海明华电力科技有限公司开展了《大型火电机组汽轮机冷端系统节能关键技术与工程应用》项目，并将应用成果在电厂进行实施落地。不仅解决了火电机组汽轮机冷端系统优化运行中的关键技术问题，更实现了节能降耗，优化电厂运行。项目由此获得了2019年度的上海市科技进步三等奖。
顶层思想——实现动态仿真的“数字孪生”
国内针对大型火电机组汽轮机冷端系统的节能优化已经开展了很多试验研究，那么，原先的试验研究有何不足呢？黄新一语道破其中关键，“其实，很多的冷端优化研究都有一定的假设条件的。但在机组实际运行情况下，原先的假设条件却是在不断发生变化的。如何能通过现场实时数据准确窥探出整个冷端设备的性能现状，并针对当前设备的性能现状给出优化措施才是解决问题的关键所在。”
为了解决这个难题，项目组采用了当前国内先进的测量技术和手段，在机组冷端设备的各个关键位置加装了不同用途和类型的测点，以获得各个关键位置的详实数据。火电机组的冷端设备主要包括了凝汽器、真空泵、循泵、冷却塔，冷端系统优化需要将这些设备性能全面加以考虑。作为项目最初的设计者——黄新从一开始就精心打造整个项目的顶层设计，从查阅各类设备性能计算的相关资料到具体算法的迭代实现过程，他总是不厌其烦地反复确认，把设备的性能计算方法一遍又一遍地进行演算，从而实现冷端系统全过程动态仿真的“数字孪生”。
建立综合空气浓度对凝汽器传热影响的数学模型
当项目组遇到技术瓶颈时，黄新开创性地提出了凝汽器综合空气浓度的概念，并且归纳出综合空气浓度对凝汽器传热影响的数学模型，填补了国内技术空白。最终完善的冷端优化系统可以寻求最优的循环水泵运行组合、最优的真空泵运行组合，以使机组处于最优运行状态。
落地实施，攻坚克难
项目落地实施阶段，实施团队在各个电厂进行项目落地实施。测点安装的施工现场，项目团队面临着一系列自己不擅长的工作：管道打孔、现场走线、脚手架搭建……，施工现场为了办一份安全协议，要往返电厂多次；为了保证施工安全，在设备安装阶段，现场监督不允许出现任何闪失。就这样使得科技项目最终转化为实实在在的科技成果。
在外高桥电厂，一位工作人员展示了电厂正在运行的冷端系统，用户可在系统中生动直观地掌握当前机组冷端设备实际的性能状况，实时监控与掌握设备的运行情况，调出历史运行数据进行对比分析，指导运行人员进行循泵运行方式调整。“我们还可以查看历史循泵运行情况及煤耗、利润影响情况。”外高桥电厂工作人员调出系统数据并开始演示，“真空泵优化运行画面可以指导运行人员进行真空泵运行方式的调节；冷端设备故障诊断画面通过分析，可以让运行人员在第一时间分析设备故障原因，改善不合理的运行方式同时采取有效的运行措施使得机组冷端设备保持最佳运行方式，从而降低机组供电煤耗和运行成本。”目前，该系统在数个电厂都运行稳定，其应用前景非常广阔。
结 语
写到这里，想必大家已经了解了大型火电机组汽轮机冷端系统节能关键核心技术以及我国科研人员做出的巨大贡献。如今，该系统自研制完成后已在阚山电厂、田集发电厂、吴泾电厂、外高桥电厂、漕泾电厂、蚌埠电厂推广应用。
该项目的实施能够使火电机组处于最优运行状态，加强能源管理，实现节能降耗，响应我国节约能源的基本国策。期待下次科普时与大家再见!
