變負荷條件下降低火電機組廠用電的運行優化措施

萬燕成,毛志慧

（湖北能源鄂州發電有限公司，湖北 鄂州 436000）

0 引言

近年來，隨著中國經濟進入“新常態”，社會用電總量趨于平穩，同時電力裝機總容量快速增長，國內電力供應由短缺轉向過剩，電力調峰已成為常態。由于燃煤火電機組具有負荷變化區間大、調峰能力強的特點，為克服新能源接入對電網穩定性的影響，電網企業傾向于用燃煤火電機組來調峰。參與電力調峰的燃煤發電機組，往往運行負荷低于設計負荷，運行參數低于設計參數，這導致設備的運行效率下降，廠用電率上升。廠用電率是衡量發電廠效率的直接經濟技術指標之一，如何降低調峰機組在低變負荷下的廠用電率對于燃煤發電廠提高經濟效益、改善市場競爭力具有重要意義。

鄂州發電有限公司（下簡稱“鄂電公司”）裝機有兩臺650 MW超臨界燃煤火電機組，采用東方汽輪機有限公司制造的N650-24.2/566/566凝汽式型汽輪機，一次中間再熱，三缸四排汽，雙背壓凝汽器。針對電網調峰造成設備運行效率低的問題，鄂電公司通過對設備進行運行優化，使相關設備在不同負荷下均能以較高效率運行，有效地降低了設備用電，提高了經濟效益。以下介紹鄂電公司有關設備運行優化的一些措施案例。

1 循環水泵的運行優化

循環水泵是電廠系統中耗電較大的輔機設備，用于向凝汽器以及開式循環水系統提供循環冷卻水。鄂電公司650 MW超臨界機組循環水系統[1]采用擴大單元制，額定負荷下每臺機組配有兩臺2 540 kW循環水泵，循環冷卻水雙進雙出，不同機組循環水可通過出口聯絡管連接。當運行負荷低于額定負荷時，考慮停止運行一臺循環水泵以減少廠用電，但同時循環冷卻水流量降低也會引起凝汽器背壓上升，汽輪機作功減少。因此，需要綜合考慮汽輪機功率以及循環水泵用電，以獲得最大的經濟效益。

1.1 循環水冷卻水流量變化對凝汽器背壓的影響

汽輪機低壓缸排氣經循環冷卻水冷卻后凝結成液態并在凝汽器中產生真空，凝汽器內的絕對壓力p即為背壓。在一定負荷下，循環冷卻水的流量對凝汽器背壓p具有很大影響。凝汽器背壓p可通過飽和蒸汽溫度-壓力曲線由飽和蒸汽溫度ts對照得出。當排汽流量G以及換熱表面積A一定時，凝汽器中的飽和蒸汽溫度可計算為：

其中：tw1、tw2分別為循環冷卻水的進口、出口溫度（℃）；Δt為冷卻水溫升（℃）；δt為凝汽器端差（℃）。

根據凝汽器中的熱平衡計算[2-4]，蒸汽凝結放出的溫度等于冷卻水溫度升高帶走的熱量，即有：

其中Δtm為蒸汽至冷卻水的平均傳熱溫差；Gw為循環冷卻水流量；hs和hw分別為排汽比焓值和凝結水比焓值；cp為比熱容，常溫下取值4.187；通常情況下，純凝汽式汽輪機的hs-hw的值變化較小，計算中通常取值2 180 kJ/kg[3];因此，根據式（3）冷卻水溫升Δt可改寫為

由于凝汽器換熱采用近似的逆流傳熱形式，即有：

將式（6）帶入式（4）中，凝汽器端差δt可分別改寫為：

其中k為換熱器總體傳熱系數，同一凝汽器內,其中C表示其他可影響換熱的變量，在同一凝汽器內為常數[5]；G和A在同一機組和負荷下為常數；Gw為循環冷卻水流量（t/h）；可以看出，(Δt+δt)之和隨著Gw的下降而增大。

由式（1）至式（7）可以看出，飽和蒸汽溫度ts是循環冷卻水流量Gw與循環水入口溫度tw1的函數，當tw1變化不大時，飽和蒸汽溫度ts可表示為

當 Gw下降時，(Δt+δt)之和增大，飽和蒸汽溫度ts亦隨之增大，即Gw與ts成反比。由于凝汽器背壓p與蒸汽溫度ts是對應的，因此凝汽器背壓p與循環冷卻水流量Gw亦成反比。

根據式（1）至式（8）以及650 MW機組的實測數據，從中可以得出循環冷卻水流量與凝汽器背壓（低背壓測）的關系曲線。實測數據取自同一季節的不同時段，保持江水水位（循環水水源）以及循環水入口溫度tw1近似相等，其中tw1≈17至18℃。如圖1所示，650 MW機組在相似的負荷工況下（約480 MW），循環冷卻水流量降低會導致凝汽器背壓上升；由于循環水流量受江水水位影響，水位高時循環水流量亦高，當只開啟一臺循環水泵時，凝汽器低背壓側的壓力約為4.78-5.32 kPa，而當開啟兩臺循環水泵時，凝汽器低背壓側的壓力約為3.80-4.14 kPa。

圖1 650 MW機組循環水流量與凝汽器背壓（低背壓側）關系曲線Fig 1 Relationship curve of the powerto back pressure in the condenser at 650 MW unit

1.2 凝汽器背壓變化對汽輪機功率的影響

根據汽輪機的工作原理，凝汽器的背壓上升會導致汽輪機作功減少。當凝汽器背壓由末級臨界壓力pc上升為p時，汽輪機功率變化ΔP可表示為[3]、[6]：

其中δ(ΔHt)為整機理想焓降比的變化量，δ(ΔHt)僅為pc/p的函數；η’ri為未考慮余速損失和濕汽損失的汽輪機的內效率，一般取常數0.9；xm為級的平均干度，一般取常數0.94；χ為修正系數，取常數0.93；Δ (δhc2)為末級余速損失，Δ (δhc2)僅為 pc/p的函數。ωc為汽輪機末級的臨界速度，通常取常數370 m/s；Ab為動葉出口截面積，取常數；κ為氣體絕熱指數，定溫定壓下為常數；由于δ(ΔHt)和Δ (δhc2)都只是 pc/p的函數，因此ΔP也僅為pc/p的函數；而pc僅為蒸汽流量G的函數，即功率變化量ΔP是凝汽器背壓p以及蒸汽流量G的函數。

通過式(9)至(10)以及650 MW超臨界機組的性能試驗實測數據，可計算出650 MW超臨界機組背壓由臨界壓力上升時電功率的變化曲線。如圖2所示，汽輪機的電功率隨著凝汽器背壓p升高而下降。

圖2 650 MW機組電功率與凝汽器背壓的關系曲線Fig 2 Relationship curve of the flux of circulating waterto back pressure in the condenser at 650 MW unit

1.3 循環水泵運行數量優化

650 MW機組循環水系統采用擴大單元制，即額定負荷下每臺機組配有兩臺循環水泵，兩臺機組的循環水管道采用聯絡管連接，即機組可根據實際負荷選擇1-4臺循環水泵運行。當負荷較低時，若停止運行一臺循環水泵，即雙機運行3臺或單機運行1臺循環水泵，較之額定工況可節約循環水泵用電Ps=2540 kW（即單臺循環水泵功率），但循環水流量下降會導致凝汽器背壓上升，汽輪機功率下降。

根據圖2可制定優化措施：

（1）當凝汽器背壓0＜p＜ 4.2 kPa時，如圖2所示，在該范圍內背壓對汽輪機的功率影響較小，因此背壓上升造成電功率的損失可以忽略。

（2）當凝汽器背壓4.2＜p＜5 kPa時，機組背壓變化上升造成電功率的損失Pl可計算為：

其中W表示兩臺機組平均負荷；△p’為背壓在4.2-5 kPa范圍之內的凝汽器壓力變化量之和；N表示背壓在4.2-5 kPa范圍內凝汽器的個數；-0.75%為該壓力范圍內背壓上升對功率影響的比例系數，即圖2中該段的斜率。

（3）當凝汽器背壓p＞5 kPa，機組背壓變化量△p’造成電功率的損失Pl可計算為：

-1.08%為該壓力范圍內背壓上升對功率影響的比例系數，即圖2中該段的斜率。

因此，在運行過程中根據凝汽器背壓的不同，通過計算節約的廠用電功率Ps和損失的發電功率Pl，當 Pl＞Ps時，選擇運行四臺循環水泵；而當 Pl＜Ps時則選擇停止運行一臺或多臺循環水泵。

2 凝結水泵的運行優化

凝結水泵是電站系統中另外一種耗電量較大的輔機，用于向除氧器以及給水系統提供凝結水。鄂電公司650 MW超臨界機組每臺機配備兩臺100%流量的6 kV變頻凝結水泵，一臺運行，一臺備用。凝結水泵通過除氧器上水調門及其旁路調門向除氧器供水。由于凝結水泵是單機變頻運作，變負荷情況下，系統增加的能耗主要來自調門的節流損失。因此，在不同負荷條件下，可通過優化調門開度以及凝結水泵的頻率來降低凝結水泵運行電流，從而減少設備用電。

當機組負荷較高時，全開上水調門，可將節流損失降至最低；而當機組負荷較低時，凝結水流量隨之降低，為了減少節流損失，應盡量降低凝結水泵的運行頻率，同時增加調門開度。但凝結水泵頻率過低會導致電機大量發熱，影響使用安全，因此鄂電公司汽輪機運行過程中凝結水泵頻率f＞33 Hz。同時，在低負荷條件下，上水調門的開度不宜過大，一般不超過70%的開度，以保證流量、負荷突然增大時凝結水流量具有一定的快速調節余量。因此，綜合考慮各種因素后制定以下節能措施：

（1）當汽輪機功率P＞350 MW時，將上水調門全開，凝結水泵采用頻率控制，可使節流損失降至最低。

（2）當汽輪機功率P＜350 MW時，控制凝結水泵頻率f＞33 Hz，上水調門開度＜70%。

圖3為650 MW機組凝結水泵運行電流與調門開度的關系曲線圖。如圖3所示，當汽輪機功率約300 MW（小于350 MW）時，凝結水泵的運行電流與上水調門的開度成反比；隨著調門開度由47%增加到56%，凝結水泵運行電流降低了7 A，即減少用電Ps=UI=7×6 000=35 kW。而當汽輪機功率大于350 MW時，全開上水調門，凝結水泵的電流只與汽輪機功率相關。

圖3 650 MW機組調門開度與凝泵電流的關系曲線Fig 3 Relationship curve of the opening of regulate valve to the electric current of condensate pump at 650 MW unit

5 結語

鄂電公司650 MW機組在負荷變化時，綜合考慮了停運循環水泵的汽輪機功率損失和循環水泵用電，制訂了循環水泵運行數量的方案，每減少運行一臺循環水泵負荷可減少用電2 540 kW。負荷較低時，通過增加除氧器上水調門開度同時減少凝結水泵工作頻率，降低了節流損失，使凝結水泵運行電流降低了5 A，減少用電30 kW；在高負荷條件下，將上水調門全開，可使節流損失降至最低，凝結水泵的運行電流下降7 A，減少用電42 kW。

循環水泵與凝結水泵的案例表明，在調峰負荷變化的情況下，運行優化是減少廠用電、提高經濟效益的有效途徑。減少廠用電的措施可包括：（1）對于多臺運行的設備，可以通過優化運行臺數減少用電；（2）對于單機運行的設備，可以通過控制設備運行電流減少用電。類似措施在諸如磨煤機、空氣壓縮機等其他設備的應用中也取得較好的節能效果。

[參考文獻]（References）

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