大型火電機組冷端優化在線指導系統的研究

李 蔚，馬 潔，盛德仁，孫永平，侯玲玲

（1.浙江大學能源系，杭州 310027；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；3.寧波四維科技有限公司，浙江 寧波 315020）

在火力發電廠凝汽式汽輪機組的熱力循環中，凝汽設備起著冷源作用，其主要任務是將汽輪機排汽凝結成水，并在排汽口建立和維持一定的真空，使蒸汽的熱能盡可能多地轉化為電能。因此研究大型火電機組冷端優化問題，對于節約廠用電、提高機組運行經濟性具有重要意義[1-2]。

在介紹大型火電機組冷端系統的基礎上，著重建立冷端系統的優化數學模型，包括目標函數、各項設備特性和約束條件；然后研究冷端優化在線指導程序的設計和開發，該系統具有在線實時計算、模擬工況和仿真工況計算功能；最后輸入北侖發電廠1號機組的實際運行數據，應用本系統進行計算分析，為操作人員提供了量化的優化指導意見。

1 冷端系統優化模型

大型火電機組冷端系統包括汽輪機的低壓缸末級組、凝汽器、冷卻塔、循環水泵和供水系統、空氣抽出系統等。凝汽器真空與環境溫度、江河水位、機組負荷、循環水系統的水力特性、凝汽器特性、汽輪機末級參數、管子清潔程度、真空嚴密性以及抽氣器的結構特性等眾多因素有關[3-4]，凝汽器真空主要由機組負荷、循環水進水溫度、循環水流量這三者決定。

1.1 優化目標

冷端系統優化問題具體可描述為：在循環水系統的外部工作條件（如循環水溫度、水位、機組負荷等）以及內部條件（如系統結構、設備性能等）已經確定的情況下，尋求最優的循環水泵運行組合、葉角開度和凝汽器出口管道閥門開度等調整目標，使凝汽器處于最佳真空狀態，以求得增加的汽輪機電功率ΔPel扣去循環水泵多消耗的電功率ΔPp后折算得到的最高運行收益。目標函數可用式（1）表示，該目標函數綜合考慮了煤價、電價因素的影響。

式中： ΔC=ΔPel×bcp×Cb，ΔC 為運行費用收益，ΔPel為機組的發電增量，bcp為機組的發電煤耗率，Cd為標煤單價；ΔC1為機組發電增量折算成的煤耗成本； ΔC2=ΔPp×Cd，ΔC2為循泵發電增量折算成的電價費用增加，ΔPp為循環水泵的耗電增量，Cd為上網電價。

1.2 系統特性

1.2.1 汽輪機特性

汽輪機特性是指在某一新蒸汽參數和流量下，汽輪機功率與排汽壓力之間的關系。圖1為通過真空變化試驗獲得的北侖發電廠1號機低壓凝汽器真空變化對機組熱耗率的修正曲線，可將修正曲線擬合成為多項式進入計算機程序運算，如式（2）所示。

式中：y為熱耗變化率；x為凝器汽真空偏差。

1.2.2 凝汽器特性

凝汽器特性是指凝汽器壓力與循環水流量、循環水進水溫度以及汽輪機排汽量之間的關系，可用函數式（3）表示[5]。

圖1 低壓凝汽器真空變化對熱耗率的修正曲線

式中： pc為凝汽器的蒸汽壓力；ts=tw1+Δt+δt，ts為蒸汽的凝結溫度，tw1為循環水進水溫度，Δt為循環水溫升，δt為凝汽器端差。

凝汽器特性可以通過理論計算或試驗獲得，而理論計算的準確性取決于循環水流量或汽輪機排汽量的確定。

1.2.3 循環水泵特性

循環水泵特性是指在系統內部條件和外部條件都確定的情況下，進入凝汽器的循環水量和循環水泵耗功之間的關系，可用式（4）表示：

式中：Pp為循環水泵的耗功；H為循環水泵的壓頭；Q為循環水泵流量。

循環水泵特性可利用制造廠提供的性能曲線和現場試驗數據獲得。考慮到試驗中的循環水量難以準確測量，現場也缺乏大幅度改變循環水流量的試驗條件，所以一般是利用制造廠提供的性能曲線，再加以試驗結果修正而獲得。

1.2.4 循環水管路特性

循環水系統的管路特性是循環水系統管路阻力和循環水泵流量之間的關系。可用式（5）表示：

式中：Hz為循環水系統管路阻力；R為循環水泵的特性系數。

1.3 約束條件

在冷端系統實際運行中，還有下列約束條件∶

（1）能量平衡約束。循環水系統的阻力由各臺循環水泵并聯運行產生的揚程來克服。

（2）流量平衡約束。循環水泵總流量為各臺泵的循環水量之和。

（3）循環水泵流量約束。當各臺循環水泵并聯運行時，每臺循環水泵一般有長期穩定運行的工作范圍。

（4）循環水泵葉角約束。如果循環水泵的葉角可調，則對應于一定裝置，葉片角度的運行范圍如式（6）所示。

式中：θj，min和 θj，max為第 j臺循環水泵的最小和最大葉角；θj為第j臺循環水泵的實際運行葉角。

（5）凝汽器運行約束。為了保證機組的正常運行，凝汽器壓力必須控制在一定范圍之內。

2 冷端優化在線指導系統開發

2.1 設計框架

冷端優化在線指導系統的功能主要包括冷端系統計算數據采集、計算結果數據回寫、冷端系統實時性能計算、冷端系統模擬工況和仿真工況計算以及數據Web顯示等。系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 冷端優化在線指導系統結構示意圖

2.2 計算流程設計

以當前工況的算法為例，計算流程為：

（1）判斷機組是否運行在穩定工況，接著對各個測點參數進行有效判斷，剔除錯誤的測點參數數據。

（2）根據機組、凝汽器壓力與供熱流量求凝汽器熱負荷和排汽量，根據凝汽器熱負荷及循環水溫升求循環水流量，計算當前運行工況的凝汽器性能指標，包括凝汽器端差、過冷度、清潔系數等參數。

（3）分別以當前工況和基準工況的循環水流量計算2個真空值，最終根據這兩者差異計算機組微增功率、運行費用、收益等情況。

2.3 計算功能

2.3.1 當前穩定運行工況計算

當前穩定運行工況計算是對當前冷端系統設備（如凝汽器、循環水泵、真空泵、管路、閥門等）運行性能相關的數據進行性能計算和分析，在顯示界面上給出冷端系統的流程圖，單個設備的性能以及實時計算的收益情況，計算結果也可用于對運行方式的合理性進行考評。

2.3.2 模擬工況計算

模擬工況是以當前運行工況參數為基礎，調節循環水系統的可調參數，進行模擬計算。可調參數包括循泵運行臺數、葉角開度以及管路閥門開度，其功率收益、費用收益計算結果可以用于指導運行人員對循環水系統的操作。

2.3.3 仿真工況計算

冷端系統的仿真工況計算是由人工設置各項參數，得出單個設備的運行性能指標（如凝汽器壓力、端差、循環水溫升等），及整個冷端系統的運行耗差變化情況（如功率變化、費用收益等）。仿真計算的結果可以用于預測工況變化后機組的運行狀況，有助于運行人員了解機組特性。

3 計算實例

3.1 機組情況介紹

北侖發電廠1號機組為600MW亞臨界燃煤發電機組，低壓缸有4個排汽口，凝汽器為雙背壓凝汽器。循環水系統為單元制配置，配備2臺相同型號葉角可調的循環水泵，以海水作為冷卻介質。

3.2 計算結果分析

圖3為當前工況的界面示意圖。在對600MW汽輪機組開展循環水系統優化試驗過程中，應用在線優化指導系統進行在線優化計算。根據機組所處的負荷、循環水進水溫度條件，通過改變循泵葉角、凝汽器出水門開度來改變循環水流量，按照預先確定的算法編制計算程序進行在線計算，可以得出機組冷端系統的最終耗差。

圖4和5是機組功率收益和運行費用收益隨循環水量的變化趨勢。當海水溫度在10.7℃時，機組滿負荷運行，最優循環水量為35 500t/h，此時對應的是單泵運行，葉角為45.7%，機組的運行費用收益達到最大。因此，可以將該循泵葉角、出水門開度所代表的循環水系統運行狀態確定作為當前運行條件下的最優運行方式。顯然，若是機組負荷、循環水進水溫度等運行條件發生變化，相應的冷端尋優結果也會相應地發生改變。

圖3 當前工況界面示意圖

借助在線優化指導系統，運行人員就可以應對各種機組運行條件的變化，進行循環水系統運行方式的尋優計算和分析，并依據尋優計算結果確定循泵葉角、凝汽器出水門開度的優化調整方向。在現場完成調整操作后，還可以利用在線優化指導系統的冷端耗差計算結果，對各項調整措施的收益狀況作出定量計算和評價。

圖4 機組功率收益隨循環水量的變化趨勢

圖5 機組運行費用收益隨循環水量的變化趨勢

4 結語

（1）采用運行費用收益作為冷端系統優化數學模型的目標函數，可以綜合考慮煤價、電價因素的影響，比常規采用的功率收益目標函數更科學合理。

（2）冷端系統優化在線指導程序具有在線實時計算、模擬工況和仿真工況計算功能，并在北侖發電廠1號機組和7號機組中得到了實際應用，為操作人員提供量化的機組運行指導意見。

[1]楊善讓.汽輪機凝汽設備及運行管理[M].北京∶水利電力出版社，1993.

[2]李保亮.火電機組冷端系統運行經濟性分析及性能優化[D].北京：華北電力大學，2006.

[3]樂俊，菅從光，張輝.火電廠循環水系統優化運行研究[J].熱力發電，2008，37（6）∶9-12.

[4]翦天聰.汽輪機原理[M].北京∶中國電力出版社，1992.

[5]田疆，劉繼平，邢秦安，等.火電廠冷端在線監測診斷模型及其應用研究[J].熱力發電，2004（3）∶14-16.