600MW機組循環水泵最佳運行方式的確定方法

樓可煒，孫永平，秦 攀，董益華

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

循環水泵（簡稱循泵）運行方式的優化調整是火電機組運行節能的重要措施。由于涉及參數較多、計算過程復雜，根據各項運行條件的變化難以確定循泵優化調整方案。循環水系統按照循泵葉角是否可調分為流量可連續調節型和不可連續調節型。為滿足機組冷端系統設備優化運行的實際需求，通過對這2類循環水系統進行特性比較試驗，編制了冷端優化計算程序，以確定在不同循環水進水溫度及機組負荷條件下的循泵運行最佳方案。

1 循環水系統的特性差異

1.1 循環水系統的類型差異

目前多數內陸發電廠的循泵都不能連續調節循環水流量，只能通過改變循泵運行組合方式來調節循環水流量[1]。每臺機組配備2臺循泵供水，鄰機之間設有聯絡閥，通過聯絡閥循環水系統可由單元制供水方式切換為擴大母管制方式。

一些沿海發電機組配置了流量可連續調節的循環水系統。每臺機組配備2臺循泵，每臺循泵都設置1套供油裝置及帶反饋的葉片調節連桿機構，可在集控室實時發出動葉角度調節指令，通過改變循泵動葉開度來實現流量的連續調節。這類循環水系統一般采用單元制形式，相鄰機組之間無聯絡管路相連。

1.2 循環水流量調節特性分析

流量不可連續調節型循環水系統只能通過改變循泵運行臺數，實現整個循環水供水系統流量的調節，運行方式可分為一機一泵、兩機三泵、一機兩泵。冬季水溫較低時，每臺機組各啟動1臺循泵，中間聯絡閥關閉，即一機一泵；春（秋）季水溫適中時，中間聯絡閥開啟，2臺機組啟動3臺循泵，即兩機三泵；到夏季水溫較高時，循泵全部開啟，即一機兩泵。總的來說，該類型循環水系統運行方式是隨著循環水溫的升高，通過逐步增加循泵運行臺數來增大循環水流量，以維持凝汽器理想的真空。對這類循環水系統進行節能優化的關鍵是：準確把握循泵3種運行方式切換所對應的機組負荷、循環水進水溫度等運行條件。

流量可連續調節型循環水系統由于配備了2臺均可實現動葉調節的循泵，除了溫度較低時采取單泵運行方式，溫度較高時采取雙泵運行方式外，還可以通過實時改變循泵動葉角度以及凝汽器出口的循環水出水門開度等輔助手段來調節循環水流量。相比流量不可連續調節型循泵的流量“粗放”調節，它具有流量調節便捷、精細準確的特點，因此對機組冷端系統運行節能更為有利。這類循環水系統優化的關鍵是：尋找機組在不同負荷、不同循環水溫下最佳的循環水流量需求，并據此確定循泵的運行臺數、動葉角度及凝汽器循環水出口閥開度等可調參數。

2 循泵優化運行方式的確定

2.1 冷端優化計算方法

盡管2類循環水系統冷端優化的關鍵問題不同，但都需以凝汽器變工況計算為前提，根據循環水流量變化對凝汽器壓力的影響，確定出循泵的優化調整方向。采用經試驗數據校正后的別爾曼公式[2]進行凝汽器傳熱計算，確定不同機組負荷、不同循環水進水溫度條件下的凝汽器壓力應達值，然后根據凝汽器耗差與循泵耗差之間的數值比較，以最小耗差為目標來確定循泵的最佳運行方式。

上述理論計算過程以實際試驗結果為基礎，無論哪類循環水系統，都必須知曉循泵的實際運行特性，據此確定循環水流量變化與循泵耗功變化之間的對應關系。通過理論計算得出凝汽器壓力應達值后，也需從變真空試驗得出的凝汽器背壓對機組出力影響修正曲線中，查取凝汽器壓力變化引起的機組出力微增數值。以內陸、沿海各1臺600MW機組為試驗對象，在冬季、夏季和春（秋）季分別進行了多個負荷工況的冷端優化試驗，以大量的試驗數據分析為基礎，得出了各冷端設備的實際運行性能以及相互影響關系，并進行冷端優化計算，從而確保計算結果對循泵等冷端設備優化調整更有現實的指導意義。

2.2 流量不可連續調節循泵的優化調整方法

內陸某超臨界600MW機組，循泵為流量不可連續調節型，只能采用一機一泵、兩機三泵、一機兩泵這3種運行方式。通過循泵運行切換特性試驗，得到如表1所列的循泵3種運行方式所對應的循環水流量以及循泵總耗功數據。

表1 循泵3種運行方式的循環水系統運行參數

試驗中也測取了各種不同循環水溫度、循環水流量及機組負荷運行條件下的凝汽器壓力，計算得出凝汽器的實際傳熱系數，并以此校正別爾曼公式得出的理論計算結果，以提高冷端優化計算的準確性。

由于循環水流量僅與循泵運行臺數相關，因此可將機組負荷、循環水流量預先設定為固定的參數條件，而將循環水進水溫度作為變量，在5～40℃范圍內按照1℃的溫度間隔代入計算模型進行迭代計算。由此確定在不同機組負荷與水溫的條件下，這3種循泵運行方式分別對應的3個凝汽器背壓與循泵功耗。由不同的凝汽器背壓可計算出機組出力的變化值。當改變循環水溫使這3種循泵運行方式之間的機組負荷增加值與循泵耗功增加值相等時，該循環水溫即為該負荷條件下循泵運行方式切換的臨界溫度點。

在不同負荷下使用上述方法進行循環水溫的迭代計算，就可找出2組臨界溫度序列，即一機一泵與兩機三泵切換的臨界溫度序列、兩機三泵與一機兩泵切換的臨界溫度序列。將2組序列分別繪制成如圖1所示的連續曲線，即可得到機組負荷率在50%～100%之間、全年循環水溫變化條件下所對應的循泵切換運行成本與收益達到平衡的“零收益”曲線。

圖1旨在為運行人員在全年水溫、全負荷段下循泵的運行方式提供簡單明了的操作指導，圖中2條曲線既是不同循泵運行方式的最佳切換分界線，也可理解為3種循泵運行方式在不同負荷、循環水溫條件下的收益平衡線。在某個運行區域離開曲線越遠表明該循泵運行方式相對其他方式經濟性越好。由于循環水流量調整方式較為簡單，這種尋找不同循泵運行方式下經濟性能相等點的“收益平衡法”不失為一種快速有效的優化方法。

2.3 流量可連續調節循泵的優化調整方法

相比循環水流量不可調節的循環水系統，動葉可調型循泵的流量調節手段較多，因此運行方式的優化也就更加復雜。由于循泵流量可以無級調節并可連續變化，要在某個負荷及循環水溫條件下確定循泵運行方式，必須對所有的循泵流量調節組合進行尋優選擇。在循泵小流量、低揚程運行工況下，還需考慮到開式水用戶的要求，凝汽器循環水出口閥也需隨動葉角度變化而作相應調節。由于不同的循泵動葉角度對應不同的循泵運行特性，不同的凝汽器循環水出口閥開度對應不同的管路阻力特性。因此，要確定該類循泵的優化運行方式，其計算難度要大大超過特性單一的流量不可調節型循泵。為此，必須對該類循泵及管路運行特性進行適當的簡化處理。

以沿海1臺亞臨界600MW機組為例，進行了一系列循環水系統優化試驗。通過試驗數據的分析篩選，得到了如圖2所示的典型運行工況的循環水流量與循泵耗功關系曲線。圖2中對單泵運行與雙泵運行的特性曲線進行了交合處理，即在整個循環水流量從25000～65 000t/h的連續變化范圍內，當循環水流量需求低于42 000t/h時采用單泵運行；當循環水流量需求高于42 000t/h時，采用雙泵運行。

圖2 流經凝汽器循環水流量與循泵功耗的關系曲線

圖3更為詳細地說明了圖2中單泵、雙泵特性曲線所對應的循泵動葉角度、循環水出水門開度等運行條件。由圖3可知：當循泵采用單泵運行且動葉角度大于70%時，凝汽器循環水出口閥可全開。由此表明在循環水系統運行調整時，凝汽器循環水出口閥僅在循泵單泵運行方式下配合進行循環水管路壓力的調節，而且其開度對管路阻力的影響可以通過試驗數據擬合計算得到。通過試驗數據的計算處理，可以得出不同循環水流量所對應的循泵功耗、循泵動葉角度及凝汽器循環水出口閥開度之間的對應關系曲線。

圖3 流經凝汽器循環水流量對應的循泵運行方式

針對循環水流量連續可調的循泵，同樣可以通過別爾曼公式建模來進行凝汽器的變工況計算。與流量不可連續調節型循泵的計算方法的區別是：輸入計算模型的已知參數變成機組負荷及循環水進口溫度，而循環水流量作為循環迭代變量參與計算，迭代范圍從25000～65 000t/h，迭代步長為100t/h。計算目的是獲取在一定的機組負荷及循環水溫下，通過改變循環水流量而使機組負荷增加值與循泵耗功增加值之差為最大，此時循環水流量即為最佳流量。這種在循環水流量變化范圍內，迭代尋找當前特定運行工況下最大收益的方法稱為收益最大法。

整個計算過程借助計算機編程來實現，只需輸入當前的機組負荷及循環水溫，均可自動尋優得到收益最高的循環水流量值，并按照圖3中的曲線由循環水流量值匹配得到循泵當前運行工況下的運行臺數、動葉角度及凝汽器循環水出口閥開度。因此，在動葉調節設備工作許可的前提下，該模型可提供在線實時的運行優化指導，實現循泵優化運行方式的閉環控制。

以循環水進水溫度20℃作為運行條件進行循泵運行方式尋優計算，并對計算結果進行優化前后的經濟性差異比較。在循泵運行優化前，進水溫度為20℃，各運行負荷段均采用單臺循泵運行、循泵動葉角度80%、凝汽器出口閥開度為100%的固定運行方式，優化計算的結果如表2所列。由表2可知，優化計算后推薦采用雙泵運行方式，在機組負荷50%～100%的變化范圍內，循泵動葉角度需隨著機組負荷的增加而逐步開大，增加循環水流量來滿足凝汽器熱負荷增加的冷卻需求。與優化前的循泵常規運行方式相比，循泵優化方式在較低機組負荷階段可獲得的電能收益并不大，但隨著機組負荷的增加，優化方式可以獲得的電能收益迅速增加。當機組在100%額定負荷運行時，計算得出雙泵運行方式的動葉角度為68%，可以獲得的機組電能收益高達1482 kW，占主機功率的0.25%，節能效果十分顯著。

表2 優化計算后的循泵運行方式及電能收益結果

3 結語

流量不可連續調節型循泵一般只能采用一機一泵、兩機三泵、一機兩泵這3種運行切換方式，調節手段相對單一，對循環水流量調節較為“粗放”。當循泵運行方式切換時，存在電能收益為零的切換分界線。在不同負荷、循環水溫條件下，按照推薦的運行方式，離開電能收益平衡線越遠，則獲得的電能收益就越大。因此，收益平衡法是一種快速有效的循泵優化判別方法。

而流量可連續調節型循泵具有調節方式簡便靈活、流量調節連續精確的優點，可做到任意機組負荷、水溫下均有一種最經濟的運行方式。通過收益最大法在全循環水流量變化范圍下進行尋優，可以確定在特定運行條件下電能收益最大的循泵優化運行方式。文中的示例計算結果表明，循泵按照推薦的優化方式進行調整，可以獲得顯著的節能降耗經濟效益。

[1]韓中合.凝汽器換熱系數計算及空氣含量和污垢厚度對真空的影響分析[J].保定：華北電力大學學報，2009，36（1）∶59-63.

[2]翦天聰.汽輪機原理[M].北京：水利電力出版社，1992.

[3]王慶，王培紅，蘭立君.對凝汽器傳熱系數公式修正的研究[J].華東電力，2008，36（12）∶96-99.