[发明专利]一种基于循环冷却水监测汽轮机排汽干度的系统及方法

权利要求书

1.一种基于循环冷却水监测汽轮机末级排汽干度的系统，其特征在于，包括蒸汽轮机的低压缸(1)，所述低压缸(1)排除出的饱和湿蒸汽通过排汽管(2)进入凝汽器(3)，在凝汽器(3)内饱和湿蒸汽被循环冷却水全部冷却为冷凝水后进入储水罐(4)，并由凝结水泵(5)输送走，循环冷却水由循环冷却水泵(6)输送到凝汽器(3)内用于冷却饱和湿蒸汽，所述凝结水泵(5)后布置一体化孔板流量测量装置一(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于循环冷却水监测汽轮机末级排汽干度的系统，其特征在于，所述排汽管(2)上布置有湿饱和蒸汽压力测点。

3.根据权利要求1所述的一种基于循环冷却水监测汽轮机末级排汽干度的系统，其特征在于，所述一体化孔板流量测量装置一(7)的孔板流量计上安装有压力测点一(11)和温度测点二(12)，一体化孔板流量测量装置一(7)通过带颈对焊法兰与管道连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于循环冷却水监测汽轮机末级排汽干度的系统，其特征在于，所述一体化孔板流量测量装置一(7)的管道于孔板上游和下游的长度比例为3:2。

5.根据权利要求1所述的一种基于循环冷却水监测汽轮机末级排汽干度的系统，其特征在于，所述循环冷却水泵(6)后布置一体化孔板流量测量装置二(8)，对循环冷却水补水的输送管道上布置一体化孔板流量测量装置三(9)，补水后的循环冷却水进入冷却塔(10)进行蒸发空冷，所述一体化孔板流量测量装置二(8)和一体化孔板流量测量装置三(9)与一体化孔板流量测量装置一(7)结构相同，所述循环冷却水补水在冷却水进入冷却塔(10)之前汇入。

6.基于权利要求1-5任一项所述的一种基于循环冷却水监测汽轮机末级排汽干度的系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤；

对凝汽器3的循环冷却水侧，实时采集循环冷却水压力、循环冷却水流量和循环冷却水进出凝汽器3的水温，则循环冷却水进出凝汽器3的吸热功率为：

W_coolingwater＝M_coolingwater(h_wateroutlet-h_waterinlet)

其中，W_coolingwater——循环冷却水的吸热功率，kJ/s；

M_coolingwater——循环冷却水质量流量，kg/s；

h_wateroutlet——凝汽器出口循环冷却水焓，kJ/kg；

h_waterinlet——凝汽器入口循环冷却水焓，kJ/kg。

循环冷却水入口焓和出口焓可以通过水的温焓表计算得到：

h_waterinlet＝F(P_coolingwater,T_waterinlet)

h_wateroutlet＝F(P_coolingwater,T_wateroutlet)

其中，P_coolingwater——循环冷却水压力，Pa；

T_waterinlet——凝汽器入口循环冷却水温度，℃；

T_wateroutlet——凝汽器出口循环冷却水温度，℃。

F()是IAPWS-IF97(The International Association for the Properties of Waterand Steam Industrial Formulation 1997)水/蒸汽物性开源计算模型的焓值计算函数。

对凝汽器3的饱和湿蒸汽侧，饱和湿蒸汽被循环冷却水冷却为冷凝水的放热功率为：

W_condensate＝M_condensate(h_wetsteam-h_condensate)

其中，W_condensate——饱和湿蒸汽冷凝的放热功率，kJ/s；

M_condensate——冷凝水质量流量，kg/s；

h_wetsteam——饱和湿蒸汽焓，kJ/kg；

h_condensate——冷凝水焓，kJ/kg。

冷凝水焓可以通过水的温焓表计算得到：

h_condensate＝F(P_condensate,T_condensate)

其中，P_condensate——冷凝水压力，Pa；

T_condensate——冷凝水温度，℃。

冷凝水流量、冷凝水压力和冷凝水温度可以实时采集；

循环冷却水吸热功率与饱和湿蒸汽放热功率关系为：

W_coolingwater＝ηW_condensate

其中，η——凝汽器换热效率，因为凝汽器内冷热工质温度都与大气参数接近，而且流速慢换热充分，所以冷凝器换热损失可以忽略，η近似等于1；

饱和湿蒸汽焓与饱和蒸汽干度关系如下：

h_wetsteam＝xh_{saturatesteam}+(1-x)h_{saturatewater}

其中，x——饱和蒸汽干度；

h_{saturatesteam}——饱和蒸汽焓，kJ/kg；

h_{saturatewater}——饱和水焓，kJ/kg。

通过实时采集的饱和湿蒸汽压力，可以通过水蒸汽的温焓表计算得到饱和湿蒸汽的饱和蒸汽焓和饱和水焓：

h_{saturatesteam}＝F(P_wetsteam)

h_{saturatewater}＝F(P_wetsteam)

其中，P_wetsteam——饱和湿蒸汽压力，Pa。

因此，基于测量循环冷却水流量、压力和温度，进行计算排汽干度的参考值公式为：

x₀＝[m(h_wateroutlet-h_waterinlet)+(h_condensate-h_{saturatewater})]/(h_{saturatesteam}-h_{saturatewater})

m＝M_coolingwater/M_condensate

其中，x₀——基于测量循环冷却水流量、压力和温度计算的排汽干度的参考值。

m——冷却倍率，凝结公斤湿饱和蒸汽所需要的冷却水公斤数，-；

为安全起见，在实际运行中冷却倍率的安全裕度可以很大，而且机组在正常运行过程中，由于循环冷却水在冷却塔中大量蒸发导致给水流量消耗，在机组运行阶段要对循环冷却水进行大量补水。本发明利用循环冷却水和循环冷却水补水汇合的热平衡，在测量凝汽器3出口的循环冷却水流量的同时，对循环冷却水补水流量进行测量监视，并且由此进行迭代计算排汽干度校准值，对排汽干度参考值x₀进行校准，迭代过程中的工况、大气参数变化对循环冷却水流量影响可以忽略不计；推导公式如下：

M_coolingwater+M_compensate＝M_{compensatedwater}

M_coolingwater h_wateroutlet+M_compensate h_compensate＝M_{compensatedwater} h_{compensatedwater}

M_coolingwater＝M_compensate(h_{compensatedwater}-h_compensate)/(h_wateroutlet-h_{compensatedwater})

其中，M_compensate——循环冷却水补充水质量流量；

M_compensated——补水后的循环冷却水质量流量；

h_compensate——循环冷却水补充水焓；

h_compensated——补水后的循环冷却水焓。

循环冷却水补充水焓，和补水后的循环冷却水焓，都通过水的温焓表得到：

h_compensate＝F(P_compensate,T_compensate)

h_compensated＝F(P_compensated,T_compensated)

上述校准方法要求补水流量在循环冷却水流量占比5％以上，但是由于循环冷却水的补水量会发生波动，会出现补水流量不足，所以根据实际情况，只需要每1分钟利用循环冷却水补水热平衡，对参考值x₀进行校准计算。

如果每1分钟的监测时间点补水量仍然不足，可以再增加补水量，提升冷却水的安全裕量，保障计算结果及时得到修正。

利用用循环冷却水补水热平衡进行校准计算的排汽干度公式为：

x’＝[m’(h_wateroutlet-h_waterinlet)+(h_condensate-h_{saturatewater})]/(h_{saturatesteam}-h_{saturatewater})

m’＝(M_compensate/M_condensate)(h_compensated-h_compensate)/(h_wateroutlet-h_compensated)

其中，x’——校准后汽轮机末级排汽干度，和x₀处于每分钟计算一次的同一时间点；

m’——校准后的冷却倍率，-；显然，校准的排汽干度x’和循环冷却水流量无关，校准值x’的测量精确度大于参考值x₀；

也就是说每1分钟计算一次准确的排汽干度；

在不进行校准的一分钟间隔时间内，因为压力、温度测点11和12对数据的采集单位时间一般可实现秒级，所以利用常规直接测量的循环冷却水流量计算实时参考值x₀，将实时计算得到的、准确度不够的排汽干度参考值存入数据库，然后利用对循环冷却水补水热平衡准确测量计算得到的校准差值，在数据库中自动修正参考值，得到排汽干度的移动修正值：

x_t＝x_0t+(x’-x₀)

其中，x_t——不进行校准的一分钟间隔时间内，某时刻的排汽干度的移动修正值；

x_0t——不进行校准的一分钟间断时间内，实时测量计算循环冷却水热平衡，计算得到排汽干度参考值。