1050MW超超臨界機(jī)組循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化研究

王學(xué)華

（國(guó)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(jī)組的主要輔助設(shè)備，隨著機(jī)組容量增大，循環(huán)冷卻水需求量增大，當(dāng)前1000MW等級(jí)的汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)循環(huán)水流量約10萬(wàn)t/h，大多配置三臺(tái)循環(huán)水泵來(lái)滿足機(jī)組不同工況的運(yùn)行需求。循環(huán)水泵運(yùn)行方式對(duì)汽輪機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有直接影響，機(jī)組不同工況下對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行方式的優(yōu)化選擇成了機(jī)組運(yùn)行中的一個(gè)難題，特別是配置汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的機(jī)組，循環(huán)水泵運(yùn)行方式還要兼顧引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)凝汽器的冷卻需求。

1 運(yùn)行優(yōu)化方法

汽輪機(jī)組在不同負(fù)荷、不同循環(huán)冷卻水溫度運(yùn)行工況下存在一個(gè)最優(yōu)的循環(huán)水泵運(yùn)行方式，對(duì)應(yīng)機(jī)組的最佳真空。近年來(lái)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(yùn)行優(yōu)化研究[1-2]。

循環(huán)水泵運(yùn)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(jī)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(guò)調(diào)整循環(huán)水泵運(yùn)行方式進(jìn)行的。冷卻水流量增加，凝汽器壓力減小，機(jī)組熱耗減小、機(jī)組煤耗降低，但循環(huán)水泵的耗功也同時(shí)增加。在不同循環(huán)水泵運(yùn)行方式下，機(jī)組煤耗降低帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和增加循環(huán)水泵的耗功增多的運(yùn)行成本不同，機(jī)組煤耗降低帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益與增加循環(huán)水泵耗功增多的運(yùn)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(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵運(yùn)行方式就是最優(yōu)運(yùn)行方式，此時(shí)對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)背壓就是最佳背壓（真空）。

2 優(yōu)化原理及公式

2.1 汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組背壓的關(guān)系

由汽輪機(jī)廠家提供，或通過(guò)變背壓試驗(yàn)得到汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組背壓的關(guān)系如下。

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

2.2 凝汽器變工況特性

由試驗(yàn)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(shí)，由凝汽器變工況特性[5]予以換算。

式中：f2（機(jī)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(yùn)行方式下，實(shí)測(cè)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(yùn)行背壓計(jì)算

最佳運(yùn)行背壓是以機(jī)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(jī)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(shí)的凝汽器壓力，即：

式中：F(N,t,w)為F（機(jī)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(shí)，凝汽器冷卻水流量對(duì)應(yīng)的機(jī)組背壓為最佳值。如公式（5）所示。

3 實(shí)例分析

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

該機(jī)組兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)均為汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)小汽輪機(jī)單設(shè)凝汽器，冷卻水由主機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)引出。由于小汽輪機(jī)凝汽器冷卻水管管徑較細(xì)，阻力相對(duì)較大，實(shí)際運(yùn)行中存在小汽輪機(jī)凝汽器冷卻水流量相對(duì)偏小的問題。當(dāng)前機(jī)組在兩泵并聯(lián)運(yùn)行方式下，為提高小汽輪機(jī)凝汽器冷卻水流量，會(huì)對(duì)主機(jī)凝汽器冷卻水出口蝶閥進(jìn)行節(jié)流，影響了機(jī)組運(yùn)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(yàn)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(yùn)行方式下，測(cè)量凝汽器冷卻水流量和循環(huán)水泵總耗電功率，同時(shí)需兼顧小汽輪機(jī)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(shí)不同凝汽器出口蝶閥開度下測(cè)量凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗電功率，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

由凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功試驗(yàn)結(jié)果看出，在兩泵并聯(lián)循環(huán)水泵運(yùn)行方式下，隨著主凝汽器出口蝶閥的關(guān)小，引風(fēng)機(jī)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(shí)循環(huán)水泵耗功相對(duì)增大。

從循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行特性來(lái)分析，對(duì)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(duì)增大。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果及循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行特性分析，對(duì)主凝汽器出口蝶閥節(jié)流是不利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)全開出口蝶閥。如果出現(xiàn)小汽輪機(jī)凝汽器冷卻水流量過(guò)小的問題，可通過(guò)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(yùn)行方式后，循環(huán)水泵可選運(yùn)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(yùn)行和兩泵并聯(lián)運(yùn)行。

3.2 凝汽器變工況性能試驗(yàn)結(jié)果

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

表2 凝汽器變工況性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果

進(jìn)行循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化分析時(shí)，汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組背壓的關(guān)系采用汽輪機(jī)廠家提供的修正曲線進(jìn)行擬合計(jì)算，考慮機(jī)組的極限背壓（取3.3kPa），標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)和上網(wǎng)電價(jià)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(yàn)結(jié)果，凝汽器變工況性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可得出機(jī)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(yùn)行方式，詳見圖1。

圖1 循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式圖

續(xù)表

4 優(yōu)化結(jié)論

機(jī)組正常運(yùn)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(shí)，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(yùn)用循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化原理，完成了某1050MW汽輪機(jī)組循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化分析，確定了在機(jī)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(yùn)行方式。

5 優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)效益分析

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