表凝式間接空冷系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化研究

趙佳駿，華 敏，王 飛，雍天瑞

(1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 311121; 2.浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007; 3.寧夏棗泉發(fā)電有限責任公司，寧夏 靈武 750411)

0 引言

對比常規(guī)濕冷系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)具有顯著的節(jié)水效果，是解決地區(qū)富煤貧水矛盾的有效手段。相比于直接空冷系統(tǒng)，間接空冷系統(tǒng)因其運行費用低、受風影響敏感度低等特點[1]，具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

間接空冷系統(tǒng)在冬季運行時，受強冷風的影響，冷卻元件及其他管道中的循環(huán)水存在凍結(jié)的風險，影響系統(tǒng)運行安全性。為此，王晗昀[2]采用數(shù)值模擬對間接空冷系統(tǒng)的散熱性能進行了建模分析，研究了影響散熱器翅片管束凍結(jié)的原因，通過控制百葉窗開度防凍。姬偉東等[3]通過扇區(qū)溫度監(jiān)視、加裝密封條、加裝測溫和測風裝置等措施進行冬季防凍。韓玉霞[4]等通過百葉窗開度的自動控制、循環(huán)水泵運行調(diào)整等措施提高冬季運行性能。朱大宏等[5]通過空冷系統(tǒng)回水溫度控制、增加循環(huán)水泵臺數(shù)等運行經(jīng)驗解決防凍問題。目前，防凍措施如百葉窗開度、循環(huán)水泵、冷卻塔出水溫度等的調(diào)節(jié)仍未有系統(tǒng)性的試驗研究。

同時，間接空冷系統(tǒng)作為發(fā)電機組的冷端系統(tǒng)，是決定汽輪機背壓的關(guān)鍵。汽輪機背壓是評價機組經(jīng)濟性的綜合指標[6]，研究機組冷端優(yōu)化對提高機組經(jīng)濟性有重要意義。閆旭[7]通過冷端優(yōu)化試驗，研究了循環(huán)水泵雙速改造后的汽輪機最佳背壓和循環(huán)水泵最佳運行方式。王攀等[8]建立了冷端優(yōu)化數(shù)學模型，結(jié)合循環(huán)水泵運行優(yōu)化調(diào)整試驗，確定了凝汽器最佳運行背壓。現(xiàn)階段機組冷端優(yōu)化研究多集中在濕冷系統(tǒng)。

本文以某660 MW超超臨界機組表凝式間接空冷系統(tǒng)為對象，建立了間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化模型，綜合指導系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化。結(jié)合機組冬季運行優(yōu)化策略對冷卻塔循環(huán)水出水最低溫度的階梯式控制，以及凝汽器變工況特性、機組微增出力特性和循環(huán)水泵組合特性，通過系統(tǒng)性的試驗研究，得出不同機組負荷、不同冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的循環(huán)水泵最優(yōu)組合，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)概況

1.1 表凝式間接空冷系統(tǒng)

表凝式間接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由表面式凝汽器、循環(huán)水泵及輸水管路、福哥型散熱器以及冷卻塔組成[9]。冷卻水在密閉的環(huán)路中循環(huán)，吸收來自汽輪機排汽的熱量后，通過冷卻塔散熱器與冷空氣進行熱交換散出熱量。

圖1 表凝式間接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 散熱器

冷卻塔散熱器由156個冷卻三角組成，冷卻三角沿塔圓周方向豎直布置，均由兩端帶有聯(lián)箱的福哥型冷卻元件組成。冷卻三角進風量通過安裝在冷卻元件前的百葉窗控制。

冷卻三角被分成10個并聯(lián)的獨立扇區(qū)，1號扇區(qū)由12個冷卻三角組成，2～10號扇區(qū)均由16個冷卻三角組成。循環(huán)水回水母管進入冷卻塔后沿圓周方向分兩路進入各個扇區(qū)，1、10號扇區(qū)位于最前端，5、6號扇區(qū)位于最末端。

1.3 循環(huán)水泵

循環(huán)水泵組由三臺單級、雙吸臥式離心泵組成，兩臺循環(huán)水泵工頻運行，一臺循環(huán)水泵變頻運行，可實現(xiàn)40～50 Hz之間的變頻運行，50 Hz變頻運行時轉(zhuǎn)速即為工頻轉(zhuǎn)速。

2 間冷系統(tǒng)冬季防凍

2.1 環(huán)境條件

該間冷系統(tǒng)所處地區(qū)降水少、溫差大，統(tǒng)計2018～2019年度冬季環(huán)境溫度數(shù)據(jù)如表1所示。該系統(tǒng)在冬季運行時，環(huán)境最低溫度接近-20 ℃，且有較多月份低于0 ℃，在冷卻三角進風量較大區(qū)域，極易產(chǎn)生局部凍結(jié)，危害機組安全。

表1 2018～2019年度冬季環(huán)境溫度統(tǒng)計

2.2 散熱器凍結(jié)影響因素

散熱器凍結(jié)主要受循環(huán)水流量、迎面風速、環(huán)境溫度、冷卻三角管束進水溫度的影響。

迎面風速越大、環(huán)境溫度越低、進水溫度越低，散熱器更易發(fā)生凍結(jié)。循環(huán)水流量分布不均勻，引起局部散熱器管束流量較低，也易引起散熱器凍結(jié)。

2.3 冬季運行防凍策略優(yōu)化

根據(jù)散熱器凍結(jié)的影響因素，對系統(tǒng)冬季運行防凍策略進行了優(yōu)化。

(1)采用超聲波流量計對各個扇區(qū)循環(huán)水進水流量進行了測量，各扇區(qū)流量分布占比如圖2所示。1號扇區(qū)由于只有12個冷卻三角，故流量偏小，其他扇區(qū)流量基本保持一致。各扇區(qū)循環(huán)水流量分布較為均勻，避免了因流量分布不均而引起散熱器局部凍結(jié)。

圖2 各扇區(qū)循環(huán)水流量分布比例

(2)為監(jiān)視各扇區(qū)冷卻三角內(nèi)循環(huán)水的溫度，在每個扇區(qū)出水母管裝設(shè)3個溫度測點。同時在各扇區(qū)選取四個典型位置的冷卻三角，在冷卻管束出水位置即管束最冷部位裝設(shè)溫度測點，有效監(jiān)視冷卻三角內(nèi)循環(huán)水溫度，將其受強冷風影響凍結(jié)的可能性最小化。

(3)根據(jù)環(huán)境溫度的變化，采用階梯式控制循環(huán)水溫度的方法，在防凍的前提下最大限度降低冷卻塔循環(huán)水出水溫度。循環(huán)水溫度控制策略如表2所示，通過調(diào)節(jié)百葉窗的開度，綜合考慮冷卻塔循環(huán)水出水溫度和各扇區(qū)冷卻三角測點溫度兩方面對循環(huán)水溫度進行調(diào)整。

表2 冬季運行循環(huán)水溫度控制策略

3 間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化模型

3.1 凝汽器變工況計算

機組背壓與凝汽器熱負荷、冷卻塔出口循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量、總傳熱系數(shù)等因素密切相關(guān)，機組實際運行時，相關(guān)參數(shù)偏離設(shè)計值運行，就會引起機組背壓的變化。

凝汽器變工況計算模型如圖3所示。結(jié)合間冷系統(tǒng)優(yōu)化后的冬季運行方式，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，通過百葉窗的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)冷卻塔循環(huán)水出水溫度保持在最低溫度恒定運行。輸入機組負荷、循環(huán)水流量、凝汽器結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)，便可計算出機組實際背壓。

圖3 凝汽器變工況計算模型

凝汽器的總傳熱系數(shù)計算是其變工況計算的核心，采用別爾曼公式對傳熱系數(shù)進行計算，其表達式為[10]

K=4 070ξφwφtφzφδ

(1)

式中ξ——考慮冷卻管內(nèi)表面清潔狀態(tài)、材料及壁厚的修正系數(shù)；

φw——考慮冷卻管內(nèi)流速的修正系數(shù)；

φt——考慮冷卻水溫的修正系數(shù)；

φz——考慮冷卻水流程數(shù)的修正系數(shù)；

φδ——考慮凝汽器蒸汽負荷變化的修正系數(shù)。

別爾曼公式作為一種經(jīng)驗性的總傳熱系數(shù)公式，在實際應(yīng)用中應(yīng)對其進行修正[11]。根據(jù)凝汽器實際運行工況數(shù)據(jù)，得到不同機組負荷、循環(huán)水流量、冷卻塔出口循環(huán)水溫度下的實際傳熱系數(shù)，與利用別爾曼公式計算得到的理論傳熱系數(shù)的比值，作為傳熱系數(shù)的修正系數(shù)。

修正系數(shù)φ是機組負荷Pel、循環(huán)水流量Dw、冷卻塔出口循環(huán)水溫度two的關(guān)系函數(shù)

φ=f(Pel,Dw,two)

(2)

利用多元回歸分析，可得到修正系數(shù)的回歸方程表達式，對別爾曼公式進行修正，使凝汽器變工況計算模型更為準確。

3.2 機組微增出力特性

機組發(fā)電功率與汽輪機背壓有直接的關(guān)系，在其他邊界條件一定、未達到阻塞背壓的情況下，在汽輪機背壓越低，機組發(fā)電功率越高。機組微增出力定義為在背壓微小變化條件下功率的變化，這種變化以曲線的形式表示就是機組微增出力曲線[12]。

通過機組不同負荷變背壓試驗，將試驗循環(huán)統(tǒng)一修正至同一規(guī)定循環(huán)，同時參照制造廠提供的修正曲線，將熱力循環(huán)邊界條件修正到同一基準值，可得到不同負荷下的機組微增出力曲線。

3.3 循環(huán)水泵組合特性

通過改變循環(huán)水泵的運行臺數(shù)和變頻泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)循環(huán)水泵組合的切換。循環(huán)水系統(tǒng)為一個密閉的環(huán)路，循環(huán)水流量、循環(huán)水泵消耗功率與循環(huán)水泵組合直接相關(guān)。不同循環(huán)水泵組合的流量、耗功特性為間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

為滿足冬季防凍的要求，避免循環(huán)水泵單臺運行，循環(huán)水泵組合方式分為六種：①一機三泵(變頻泵50 Hz)；②一機三泵(變頻泵45 Hz)；③一機三泵(變頻泵40 Hz)；④一機兩泵(變頻泵50 Hz)；⑤一機兩泵(變頻泵45 Hz)；⑥一機兩泵(變頻泵40 Hz)。

3.4 間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化計算

結(jié)合建立的凝汽器變工況計算模型，計算給定機組負荷、冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的不同循環(huán)水泵組合對應(yīng)的機組背壓。

根據(jù)機組微增出力特性，將機組負荷修正至額定背壓，得到不同循環(huán)水泵組合對應(yīng)的修正后機組負荷，依據(jù)試驗所得的煤耗率曲線，計算不同循環(huán)水泵組合對應(yīng)的燃煤成本。

機組負荷扣除不同循環(huán)水泵組合所消耗的功率及其他廠用電功率，即為機組上網(wǎng)電功率，根據(jù)上網(wǎng)電價計算不同循環(huán)水泵組合對應(yīng)的上網(wǎng)電收入。

上網(wǎng)電收入減去燃煤成本，即為機組發(fā)電利潤。

最終，以機組最大發(fā)電利潤為優(yōu)化目標進行尋優(yōu)，得出不同機組負荷、冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的循環(huán)水泵最優(yōu)組合。

4 間冷系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化試驗

4.1 凝汽器變工況計算試驗驗證

根據(jù)凝汽器變工況計算模型計算得出的理論背壓與實際背壓的相對誤差如圖4所示，除少數(shù)點外，相對誤差絕對值均在0.5%以內(nèi)，表明該凝汽器變工況計算模型較準確。

圖4 模型計算背壓與實際背壓的相對誤差

4.2 機組微增出力特性試驗

分別在機組負荷為100%負荷、75%負荷和50%負荷下進行變背壓試驗，實測得各個負荷段的機組微增出力曲線如圖5所示。其他負荷段的機組微增出力曲線通過線性插值計算得到。

圖5 各負荷段機組微增出力曲線

4.3 循環(huán)水泵組合特性試驗

通過不同循環(huán)水泵組合試驗，實測得相應(yīng)組合下的循環(huán)水流量以及循環(huán)水泵組合總功率如表3所示。

表3 循環(huán)水泵組合試驗結(jié)果

4.4 間冷系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化

結(jié)合冬季運行循環(huán)水溫度控制策略，利用間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化計算模型，以標煤價照430元/t和機組上網(wǎng)電價0.259 5元/kWh進行計算，得出不同機組負荷、不同冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的循環(huán)水泵最優(yōu)組合如表4所示。機組冬季運行環(huán)境溫度較低，循環(huán)水泵組合基本在一機兩泵運行，通過變頻泵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)循環(huán)水泵最優(yōu)組合運行。當標煤價下降或上網(wǎng)電價上調(diào)時，應(yīng)適當延遲切換至大流量循泵組合，以降低機組的廠用電率，使機組發(fā)電利潤最大。

表4 間冷系統(tǒng)循環(huán)水泵組合優(yōu)化結(jié)果

4.5 經(jīng)濟效益評估

為了評估間冷系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，選取機組2018年11月～2019年3月期間的運行數(shù)據(jù)進行分析，循環(huán)水泵組合未優(yōu)化，基本按組合④運行。以月為單位對機組負荷、冷卻塔循環(huán)水出水溫度進行統(tǒng)計，對照表4對循環(huán)水泵組合進行優(yōu)化。

根據(jù)間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化計算方法對優(yōu)化前、后的機組發(fā)電利潤差值進行計算，從而獲得優(yōu)化所產(chǎn)生的月度經(jīng)濟效益如表5所示，間冷系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化預期可增加利潤22.47萬元。

表5 間冷系統(tǒng)冬季運行優(yōu)化月度經(jīng)濟效益

5 結(jié)論

本文針對660 MW超超臨界機組表凝式間接空冷系統(tǒng)，通過試驗研究，結(jié)合系統(tǒng)防凍優(yōu)化策略，建立了間冷系統(tǒng)變工況運行優(yōu)化模型，指導間冷系統(tǒng)冬季運行，得到結(jié)論如下：

(1)通過對凝汽器總傳熱系數(shù)計算的修正，建立了凝汽器變工況模型，其計算結(jié)果與實際基本吻合。

(2)間冷系統(tǒng)冬季運行時循環(huán)水泵推薦一機兩泵運行，通過變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實現(xiàn)循環(huán)水泵最優(yōu)組合切換，使機組發(fā)電利潤最大化。

(3)通過間冷系統(tǒng)運行優(yōu)化指導，冬季運行預期可增加利潤22.47萬元，具有一定的經(jīng)濟效益。

此外，在低溫環(huán)境下進行循環(huán)水泵組合的切換，循環(huán)水流量的下降對于冬季防凍仍具有一定風險，如何確定循環(huán)水最低防凍流量還需進一步研究。