660 MW超超臨界機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化分析

江 波，石曉玲，史萌萌，韓彥杰，張健民

（1.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司 景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.江西景德鎮(zhèn)供電公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)深入發(fā)展，電力消費(fèi)呈現(xiàn)新常態(tài)特征［1］。電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，電力消費(fèi)增長(zhǎng)減速換檔，結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，電力消費(fèi)增長(zhǎng)主要?jiǎng)恿Τ尸F(xiàn)由高耗能向新興產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)和居民生活用電轉(zhuǎn)換，電力供需形勢(shì)由偏緊轉(zhuǎn)為寬松［2-3］。2015年火電發(fā)電量負(fù)增長(zhǎng)、利用小時(shí)數(shù)降至4 329小時(shí)［4］。火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)呈持續(xù)下降趨勢(shì)，節(jié)能降耗成為了新形勢(shì)下火電廠賴以生存的法寶［5］。

循環(huán)水泵是火電廠中耗電量較大的輔機(jī)之一，它消耗的電能約占電廠總發(fā)電量的 1%～1.5%［6］。循環(huán)水泵運(yùn)行方式對(duì)凝汽器真空和廠用電率等指標(biāo)影響較大，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷端系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)［7］運(yùn)用遺傳算法對(duì)機(jī)組多因素進(jìn)行優(yōu)化，通過參數(shù)自動(dòng)調(diào)整對(duì)某些參數(shù)缺陷所造成的經(jīng)濟(jì)性下降進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得最佳的循環(huán)水泵運(yùn)行方式。文獻(xiàn)［8-10］針對(duì)不同季節(jié)氣溫變化、微生物繁殖情況和不同時(shí)間潮汐等特點(diǎn)，從周期性半側(cè)沖洗、循環(huán)水泵運(yùn)行方式優(yōu)化、循環(huán)水系統(tǒng)用戶等3個(gè)方面進(jìn)行綜合分析與優(yōu)化，得到最佳運(yùn)行方式。文獻(xiàn)［11-12］將循環(huán)水系最佳真空作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)某600 MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到不同條件下循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行方式以及凈收益與循環(huán)水進(jìn)口溫度的關(guān)系。本文以某660 MW超超臨界機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)為例，根據(jù)優(yōu)化運(yùn)行試驗(yàn)，找出最佳運(yùn)行方式，節(jié)約廠用電，提升效率。

1 機(jī)組狀況

景德鎮(zhèn)發(fā)電廠2 × 660 MW擴(kuò)建工程2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司制造N660-25/600/600型(高中壓合缸)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)；發(fā)電機(jī)為東方汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的QFSN-660-2-22型水氫氫發(fā)電機(jī)；鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司制造HG-2035/26.15-YM3型的超超臨界直流鍋爐。該機(jī)組于2011年5月18日通過滿負(fù)荷168小時(shí)試運(yùn)行［13］。

每臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)配備2臺(tái)循環(huán)水泵及1座自然通風(fēng)冷卻塔，其中1號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)甲、乙循環(huán)水泵，2號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)丙、丁循環(huán)水泵。循環(huán)水泵出口管道設(shè)有聯(lián)絡(luò)管，并裝設(shè)聯(lián)絡(luò)門。甲循環(huán)水泵設(shè)計(jì)功率為2 380 kW，乙、丙、丁三臺(tái)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)功率均為3 400 kW。由于冬季循環(huán)水溫較低，循環(huán)水泵電機(jī)中未設(shè)計(jì)高、低轉(zhuǎn)速切換功能，同時(shí)每天負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍很大，最低280 MW，最高660 MW，造成了循環(huán)水泵耗電率居高不下。

針對(duì)上述問題，本文開展循環(huán)水系統(tǒng)改造及運(yùn)行優(yōu)化研究，主要包括：①循環(huán)水泵電機(jī)改造；②根據(jù)循環(huán)水溫、機(jī)組負(fù)荷確定循環(huán)水泵運(yùn)行方式；③降低開停機(jī)過程中循環(huán)水泵耗電量。

2 循環(huán)水泵電機(jī)改造

該電廠所在區(qū)域冬季環(huán)境溫度最低達(dá)-5 ℃，凝汽器入口循環(huán)水溫最低達(dá)6 ℃。運(yùn)行中，凝汽器最佳真空富余量很大，循環(huán)水量有下調(diào)空間。根據(jù)泵類機(jī)械相似定律，在一定范圍內(nèi)改變泵的轉(zhuǎn)速，泵的效率近似不變，可以將甲、丁循環(huán)水泵（3 400 kW、16 P）電機(jī)改為16/18 P雙速電動(dòng)機(jī)，即保持原16 P時(shí)3 400 kW功率不變，增加18 P時(shí)功率約為2 380 kW，P為電機(jī)級(jí)對(duì)數(shù)。表1為改造前、后甲和丁循環(huán)水泵主要參數(shù)。

對(duì)甲、丁循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行改造后，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)甲、丁循環(huán)水泵電機(jī)運(yùn)行方式，增加了機(jī)組運(yùn)行過程中循環(huán)水泵調(diào)整手段，有效降低了循環(huán)水泵耗電率。

表1 改造前、后循環(huán)水泵主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of circulating water pump before and after reformation

3 循環(huán)水泵運(yùn)行方式

循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化的核心是根據(jù)凝汽器最佳真空所需循環(huán)水量合理調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的組合方式。當(dāng)循環(huán)水量增加時(shí)，應(yīng)使汽輪機(jī)功率增加量大于循環(huán)水泵功率增加量；當(dāng)循環(huán)水量減小時(shí)，應(yīng)使汽輪機(jī)功率減少量小于循環(huán)水泵功率減少量。在機(jī)組熱耗率和循環(huán)水溫一定時(shí)，使功率微增發(fā)電量與循環(huán)水泵多耗電量差值最大，此水量為循環(huán)水泵最佳水量。機(jī)組負(fù)荷一定時(shí)，循環(huán)水泵運(yùn)行方式不同，循環(huán)水量也不同。根據(jù)凝汽器和循環(huán)水泵性能試驗(yàn)，計(jì)算得到凝汽器壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，并進(jìn)一步計(jì)算得到凝汽器真空度。當(dāng)凝汽器真空度發(fā)生變化時(shí)，汽輪機(jī)功率發(fā)生變化。根據(jù)機(jī)組微增出力曲線，可計(jì)算出汽輪機(jī)功率變化量。

3.1 冷端系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

圖1 背壓對(duì)汽輪機(jī)功率的修正曲線Fig.1 Effect of back pressure on the power fitting curves of the steam turbine

圖1 中在機(jī)組帶75%額定負(fù)荷，背壓由額定背壓5.4 kPa變?yōu)? kPa時(shí)，功率修正率為-4%。

（3）總傳熱系數(shù)K

K采用別爾曼公式確定，即

在實(shí)際運(yùn)行中式（5）只適用于凝汽器水側(cè)管壁清潔、真空系統(tǒng)嚴(yán)密性狀態(tài)正常或抽氣設(shè)備性能良好的工況。當(dāng)凝汽器冷卻管內(nèi)壁臟污、汽輪機(jī)真空系統(tǒng)嚴(yán)密性失常或抽氣設(shè)備性能降低時(shí)，K的計(jì)算值與實(shí)際值會(huì)產(chǎn)生偏差，從而影響凝汽器的端差，最終影響計(jì)算結(jié)果。對(duì)此采用修正系數(shù)進(jìn)行修正。

將由此確定的總傳熱系數(shù)代入式（3）進(jìn)行計(jì)算更符合實(shí)際。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

表2為660 MW機(jī)組循環(huán)水泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，表中：A表示1機(jī)1泵；B表示2機(jī)3泵；C表示1機(jī)2泵。

表2 660 MW機(jī)組循環(huán)水泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式Tab.2 Economic operation modes of the circulating water pumps in a 660 MW unit

3.3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行方式

由于循環(huán)水泵電機(jī)為6 kV設(shè)備，而且頻繁啟動(dòng)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行影響很大，因此根據(jù)計(jì)算結(jié)果和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率，制定了符合實(shí)際的循環(huán)水泵運(yùn)行方式，以提升機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（1）早午高峰前高、低背壓凝汽器真空度偏差大于2.3～2.5 kPa（冬季以2.5 kPa為限），且循環(huán)水溫升大于14 ℃時(shí)，必須及時(shí)切換為高速泵方式。

（2）晚高峰后，高、低背壓凝汽器真空度偏差小于1.5 kPa，且循環(huán)水溫升小于9.5 ℃時(shí)，必須及時(shí)切換為低速泵方式。

調(diào)整循環(huán)水泵運(yùn)行方式時(shí)應(yīng)循序進(jìn)行，單機(jī)運(yùn)行時(shí)即一小、一大、一大一小；雙機(jī)運(yùn)行時(shí)即二小、一大一小、二大、二大一小。沒有特殊原因，一臺(tái)泵一天內(nèi)禁止啟動(dòng)二次以上，啟動(dòng)間隔時(shí)間需大于30 min。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

通過精心調(diào)整，循環(huán)水泵耗電率由0.60%降至0.51%，耗電量年均節(jié)約168萬kW·h，經(jīng)濟(jì)效益良好。

4 降低開停機(jī)過程中循環(huán)水泵耗電量

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)形態(tài)的轉(zhuǎn)變，火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，機(jī)組開停越來越頻繁。該電廠循環(huán)水泵出口管道設(shè)有聯(lián)絡(luò)門，這為機(jī)組開停過程中節(jié)約循環(huán)水泵耗電量提供了思路。

4.1 試驗(yàn)原理

（1）通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最近6次開機(jī)均在凌晨進(jìn)行，運(yùn)行機(jī)組（1號(hào)機(jī)組）負(fù)荷一般在340 MW左右。開機(jī)過程中1號(hào)機(jī)組真空度如表3所示。

表3 最近6次開機(jī)過程中1號(hào)機(jī)組真空度Tab.3 Vacuum degree of the operating unit during 6 startup processes

從表3中可以看出，1號(hào)機(jī)組真空度均在最佳真空度以上，說明循環(huán)水量有富余，可以利用1號(hào)機(jī)組循環(huán)水作為開啟機(jī)組的冷卻水，或利用停運(yùn)機(jī)組（2號(hào)機(jī)組）的循環(huán)冷卻水補(bǔ)充1號(hào)機(jī)組冷卻水。

（2）經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，最近6次停機(jī)均在晚高峰后進(jìn)行，1號(hào)機(jī)組負(fù)荷一般在580 MW左右。停機(jī)過程中1號(hào)機(jī)組真空度如表4所示。

表4 最近6次停機(jī)過程中1號(hào)機(jī)組真空度Tab.4 Vacuum degree of the operating unit during 6 shutdown processes

從表4中可以看出，1號(hào)機(jī)組真空度均在最佳真空度以下，說明循環(huán)水量不足（或水溫高），可以利用2號(hào)機(jī)組循環(huán)水作為1號(hào)機(jī)組補(bǔ)充水，以提高真空度。

4.2 實(shí)施方案

通過分析機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)可知，電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組循環(huán)水管之間設(shè)置了聯(lián)絡(luò)門，這為開停機(jī)過程中使用鄰機(jī)水源提供了條件。圖2為1號(hào)、2號(hào)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖。

圖2 1號(hào)、2號(hào)機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖Fig.2 Contact graph of No.1 and No.2 unit circulating water system

機(jī)組啟停工況下，循環(huán)水系統(tǒng)采用以下運(yùn)行方式。

（1）在保證安全運(yùn)行的前提下，機(jī)組并網(wǎng)前不啟動(dòng)2號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵，通過調(diào)節(jié)1號(hào)機(jī)組的凝汽器循環(huán)水進(jìn)口電動(dòng)門開度來提供所需水源。

（2）負(fù)荷為200 MW時(shí)關(guān)小2號(hào)機(jī)組循環(huán)水進(jìn)出口電動(dòng)門，以提高1號(hào)機(jī)組真空度。

（3）機(jī)組停運(yùn)之后，利用1號(hào)機(jī)組循環(huán)水冷卻2號(hào)機(jī)組余汽，以節(jié)約2號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵耗電量。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，每次開停機(jī)過程中循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間減少11 h，節(jié)約電量約為26 281 kW·h，并且停機(jī)過程中可以在2 h內(nèi)將1號(hào)機(jī)組真空度提高0.5 kPa。每次開停機(jī)合計(jì)可節(jié)約13 266元，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

（1）通過對(duì)兩臺(tái)循環(huán)水泵電機(jī)進(jìn)行改造，增加了循環(huán)水泵運(yùn)行方式，為降低循環(huán)水泵耗電率提供了支持。

（2）將理論和實(shí)踐相結(jié)合，制定了該電廠循環(huán)水泵啟停規(guī)定，有效降低了循環(huán)水泵耗電率，為同類機(jī)組提供了參考。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體情況，將1號(hào)機(jī)組與2號(hào)機(jī)組進(jìn)行結(jié)合，降低了開停機(jī)過程中循環(huán)水泵耗電量。