1050MW超超臨界機組循環(huán)水泵運行優(yōu)化研究

王學(xué)華

（國能神福（石獅）發(fā)電有限公司，福建 泉州 362700）

循環(huán)水泵是發(fā)電廠汽輪機組的主要輔助設(shè)備，隨著機組容量增大，循環(huán)冷卻水需求量增大，當(dāng)前1000MW等級的汽輪發(fā)電機組設(shè)計循環(huán)水流量約10萬t/h，大多配置三臺循環(huán)水泵來滿足機組不同工況的運行需求。循環(huán)水泵運行方式對汽輪機組運行經(jīng)濟(jì)性有直接影響，機組不同工況下對循環(huán)水泵運行方式的優(yōu)化選擇成了機組運行中的一個難題，特別是配置汽動引風(fēng)機的機組，循環(huán)水泵運行方式還要兼顧引風(fēng)機汽輪機凝汽器的冷卻需求。

1 運行優(yōu)化方法

汽輪機組在不同負(fù)荷、不同循環(huán)冷卻水溫度運行工況下存在一個最優(yōu)的循環(huán)水泵運行方式，對應(yīng)機組的最佳真空。近年來科研院所和電廠工程技術(shù)人員已進(jìn)行了較多的循環(huán)水泵運行優(yōu)化研究[1-2]。

循環(huán)水泵運行優(yōu)化方法主要分“凈出力法”和“煤電經(jīng)濟(jì)值法”[3～4]兩種，結(jié)合電網(wǎng)的主要調(diào)度方式，該文的研究采用“煤電經(jīng)濟(jì)值法”。

在循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度和機組負(fù)荷一定的條件下，凝汽器壓力隨冷卻水流量的改變而變化，而調(diào)整冷卻水流量是通過調(diào)整循環(huán)水泵運行方式進(jìn)行的。冷卻水流量增加，凝汽器壓力減小，機組熱耗減小、機組煤耗降低，但循環(huán)水泵的耗功也同時增加。在不同循環(huán)水泵運行方式下，機組煤耗降低帶來的經(jīng)濟(jì)效益和增加循環(huán)水泵的耗功增多的運行成本不同，機組煤耗降低帶來的經(jīng)濟(jì)效益與增加循環(huán)水泵耗功增多的運行成本之間的差值就是煤電經(jīng)濟(jì)值。煤電經(jīng)濟(jì)值最大時對應(yīng)的循環(huán)水泵運行方式就是最優(yōu)運行方式，此時對應(yīng)的汽輪機背壓就是最佳背壓（真空）。

2 優(yōu)化原理及公式

2.1 汽輪機熱耗與機組背壓的關(guān)系

由汽輪機廠家提供，或通過變背壓試驗得到汽輪機熱耗與機組背壓的關(guān)系如下。

式中：f1（機組負(fù)荷、機組背壓）的函數(shù)；Δq機組熱耗變化，kJ/（kW·h）；N機組負(fù)荷，kW；Pk機組背壓，kPa。

2.2 凝汽器變工況特性

由試驗可以得出當(dāng)前循環(huán)水冷卻水進(jìn)口溫度條件下，凝汽器壓力與冷卻水流量的關(guān)系，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度改變時，由凝汽器變工況特性[5]予以換算。

式中：f2（機組負(fù)荷、循環(huán)冷卻水入口溫度、 冷卻水流量）的函數(shù)；t循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度，℃；W冷卻水流量，m3/s；

2.3 凝汽器冷卻水流量和循環(huán)水泵耗功

在循環(huán)水泵不同運行方式下，實測凝汽器冷卻水流量和循環(huán)水泵耗功的關(guān)系。

式中：f3（冷卻水流量）的函數(shù)；Np循環(huán)水泵耗功，kW；W冷卻水流量，m3/s。

2.4 最佳運行背壓計算

最佳運行背壓是以機組熱耗、冷卻水進(jìn)口溫度和冷卻水流量為變量的目標(biāo)函數(shù)，在量值上為機組發(fā)電煤耗經(jīng)濟(jì)值與循環(huán)水泵耗功經(jīng)濟(jì)值之差最大時的凝汽器壓力，即：

式中：F(N,t,w)為F（機組負(fù)荷、循環(huán)冷卻水入口溫度、冷卻水流量）的函數(shù)。在數(shù)學(xué)意義上，當(dāng)時，凝汽器冷卻水流量對應(yīng)的機組背壓為最佳值。如公式（5）所示。

3 實例分析

某1000MW汽輪機組循環(huán)水系統(tǒng)為海水開式冷卻，共配置三臺循環(huán)水泵，循環(huán)水泵理論上可選運行方式有三泵并聯(lián)、兩泵并聯(lián)和單泵運行，考慮到機組運行安全可靠性，一般不選用單泵運行這種方式，實際可選運行方式主要有三泵并聯(lián)和兩泵并聯(lián)兩種。

該機組兩臺引風(fēng)機均為汽動引風(fēng)機，引風(fēng)機小汽輪機單設(shè)凝汽器，冷卻水由主機循環(huán)水系統(tǒng)引出。由于小汽輪機凝汽器冷卻水管管徑較細(xì)，阻力相對較大，實際運行中存在小汽輪機凝汽器冷卻水流量相對偏小的問題。當(dāng)前機組在兩泵并聯(lián)運行方式下，為提高小汽輪機凝汽器冷卻水流量，會對主機凝汽器冷卻水出口蝶閥進(jìn)行節(jié)流，影響了機組運行經(jīng)濟(jì)性。

3.1 凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功試驗結(jié)果

凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功關(guān)系就是在不同的循環(huán)水泵運行方式下，測量凝汽器冷卻水流量和循環(huán)水泵總耗電功率，同時需兼顧小汽輪機凝汽器冷卻水需求。

在循環(huán)水泵三泵并聯(lián)、兩泵并聯(lián)及兩泵并聯(lián)時不同凝汽器出口蝶閥開度下測量凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗電功率，試驗結(jié)果見表1。

表1 凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功試驗結(jié)果

由凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功試驗結(jié)果看出，在兩泵并聯(lián)循環(huán)水泵運行方式下，隨著主凝汽器出口蝶閥的關(guān)小，引風(fēng)機凝汽器冷卻水流量有少量的增加，但主凝汽器冷卻水流量和循環(huán)水總流量均大幅減少，同時循環(huán)水泵耗功相對增大。

從循環(huán)水系統(tǒng)運行特性來分析，對主凝汽器出口蝶閥進(jìn)行節(jié)流后，循環(huán)水系統(tǒng)總的系統(tǒng)阻力是增大的，必然導(dǎo)致循環(huán)水總流量下降；循環(huán)水泵為立式混流泵，在其主要工作范圍內(nèi)，隨著系統(tǒng)阻力增大、循環(huán)水流量減少，循環(huán)水泵耗功相對增大。

結(jié)合現(xiàn)場實測試驗結(jié)果及循環(huán)水系統(tǒng)運行特性分析，對主凝汽器出口蝶閥節(jié)流是不利于機組經(jīng)濟(jì)運行的，機組正常運行時應(yīng)全開出口蝶閥。如果出現(xiàn)小汽輪機凝汽器冷卻水流量過小的問題，可通過其他措施如增大冷卻水管道管徑或增設(shè)增壓泵的方式解決。

排除其他節(jié)流運行方式后，循環(huán)水泵可選運行方式主要為在主凝汽器出口蝶閥全開條件下的三泵并聯(lián)運行和兩泵并聯(lián)運行。

3.2 凝汽器變工況性能試驗結(jié)果

根據(jù)凝汽器實際運行情況，測取機組在1000MW、900MW、800MW、7000MW、600MW和500MW負(fù)荷工況下，在不同循環(huán)水泵運行方式和凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度分別為20℃、21℃……34℃、35℃時的凝汽器壓力。機組凝汽器變工況性能試驗結(jié)果見表2。

表2 凝汽器變工況性能試驗結(jié)果

3.3 循環(huán)水泵運行優(yōu)化結(jié)果

進(jìn)行循環(huán)水泵運行優(yōu)化分析時，汽輪機熱耗與機組背壓的關(guān)系采用汽輪機廠家提供的修正曲線進(jìn)行擬合計算，考慮機組的極限背壓（取3.3kPa），標(biāo)煤單價和上網(wǎng)電價分別取1400元/噸和393.2元/兆瓦。結(jié)合凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功試驗結(jié)果，凝汽器變工況性能試驗數(shù)據(jù)分析，可得出機組在不同負(fù)荷和不同冷卻水進(jìn)口溫度下，循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式，詳見圖1。

圖1 循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式圖

續(xù)表

4 優(yōu)化結(jié)論

機組正常運行工況下應(yīng)全開凝汽器出水蝶閥，降低循環(huán)水系統(tǒng)阻力、增大循環(huán)水流量。當(dāng)海水潮位降低時，為保證循環(huán)水母管壓力，增加循環(huán)水流速，提升冷卻效果，可適當(dāng)關(guān)小凝汽器出水蝶閥。

運用循環(huán)水泵運行優(yōu)化原理，完成了某1050MW汽輪機組循環(huán)水泵運行優(yōu)化分析，確定了在機組不同負(fù)荷和不同循環(huán)冷卻水溫度條件下的循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式。

5 優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)效益分析

通過優(yōu)化循環(huán)水泵運行方式，在不影響機組最佳真空的前提下，循環(huán)水泵電耗在機組相同年均負(fù)荷率下可降低0.105個百分點，供電煤耗約降低0.3g/kW·h，機組運行經(jīng)濟(jì)性明顯提高。