資源綜合利用型電廠汽輪機冷端優化運行的實現

丘 敏

（嘉興市嘉源康恒環境有限責任公司，浙江 嘉興 314004）

0 引言

火力發電廠能夠消耗大量的能源，目前，我國已建成的火力發電裝機容量占全部發電機組容量的74%，作為一種非再生能源，火力發電不但耗煤量巨大，而且存在嚴重的水資源浪費和環境污染問題，“節能減排”在這樣的背景下尤為重要[1]。該文主要介紹資源綜合利用型火電廠汽輪機冷端系統的優化設計，希望能夠提高其運行經濟性并加以改進[2]。

1 電廠汽輪機冷端優化

1.1 汽輪機冷端系統

電廠冷端系統由汽輪機低壓缸末級組、循環水供應系統、循環水泵、冷卻塔、凝汽器等組成。根據冷端系統的換熱過程可以把冷端系統分為冷凝器設備、冷卻塔設備、冷凝水系統和循環水系統。圖1為汽輪機單元的冷端結構。蒸汽渦輪排汽經過循環水泵的冷卻水與凝汽器外殼接觸，將蒸汽冷凝成水并形成真空環境。冷凝器中的水蒸汽經過冷凝泵排放，再經過低壓加熱器、除氧器和高壓加熱器，最后流經鍋爐的給水，完成一個閉環。

圖1 汽輪機冷端系統構成示意圖

1.2 基于多因素的凝汽器最佳真空和最佳冷卻水量的概念

在已有的文獻中，有關冷凝器最佳真空和最優冷卻水的測定有許多種。在設計階段，通過技術和經濟的比較，確定了一個特定的渦輪機熱學特性，從而獲得最佳的真空和冷卻水。目前，確定真空和冷卻系統的最佳方案主要有“最高利潤率法”和“年度運行費用最低法”。但是在實際應用中，需要計算凝結面積。在給定機組負荷和冷卻水入口溫度的前提下，利用最大功率增量法和循環泵消耗能量增量法來計算最佳冷卻水量，結合具體工況來確定最佳的冷量。

提高凝汽器的真空能增加汽輪機中的理想比焓降和出力，但是在蒸汽負荷和冷卻水進水溫度相同的情況下，通過增大冷卻水的冷卻水量來提高凝汽器的真空需要增加循環水泵的耗功、冷卻水水資源的使用費以及冷卻水的熱污染環境費用。數值ΔCt即減少背壓對渦輪的增益，其意義在于是否可以解決由于冷卻量的增大而引起的耗功消耗ΔCp、冷卻水水資源利用成本和冷卻水熱污染環境成本ΔCw問題，由此提出了一個新的概念并研究了冷卻水的優化設計。也就是說當Δwnet=ΔCt-ΔCp-ΔCw達到最大時，真空和冷水的流量為最優，進而得到最優的冷卻水量[4]。

在蒸汽透平機運轉期間，在相同的排氣量和相同的冷卻水入口溫度下，選擇一個初始冷卻水量會有一個與初始冷卻水量對應的初始水壓，隨著冷卻水量的增大，在同樣的工況下，凝汽器的壓力也會隨之下降，這時，渦輪的功率增大，其利潤的增加也提高了循環水泵的能耗，受到水資源使用和冷卻水環境成本提高的影響，制冷系統的制冷成本也隨之提高。由圖2可知，隨著冷卻水D的增大，溫度隨之升高并在a處達到最大值，隨后開始降低。這時，最優冷卻水量為a點對應的冷卻水；b點的電容器的真空是最好的真空（在該圖中是真空）。

1.3 凝汽器最佳真空和最佳冷卻水量的確定方法

凝汽器的壓力一般被理解為透平機排出的壓力（或者說背壓），但是從技術角度來說，這是兩個截然不同的壓強。容量較大的機組凝汽器與汽輪機低壓排汽缸之間往往存在一段很長的距離，這個過渡段位于凝汽器的上端，叫做喉管，其長度為3m～4m，當蒸汽通過凝汽器的上喉時會產生一定的阻力損耗，使凝汽器的壓力、汽輪機低壓缸端部的排汽壓力和排汽口壓力產生差異。蒸氣在一根長度約5m～6m的不規則管內流動，由于管內具有動能、壓力恢復及壓力損耗，因此該凝汽器的壓強與最后的排泄壓力并不相同[5]。

在大型電廠，凝汽機的最后一段工作位于濕蒸汽區，濕蒸汽區的部分蒸汽會自動凝聚并在蒸汽相中形成細小的水滴，成為一種濕潤的蒸汽。蒸汽會在兩個方面影響渦輪的運行。一是濕空氣會腐蝕、沖擊渦輪的動葉，使其無法正常工作；二是產生了較大的水分損失，導致水分利用率遠低于干燥空氣。由于水分太多，因此水珠會迅速地通過葉片的表面，導致葉片的水蝕，使葉片的強度和振動特性發生不良改變，產生粗糙、凹坑、斷裂等現象，影響設備工作。據統計，在渦輪機件中葉片事故最為常見。美國電力協會EPRI表示，美國發電廠渦輪發電機的強制關閉比例高達70%，葉片受損嚴重，國家統計顯示，葉片損壞主要是由于葉片。水流的沖刷增加了葉片通流區的流量損失，使透平級的效率降低了0.664%。由于水分的損失會降低渦輪的效率，因此在渦輪機組的使用中，濕度是非常重要的因素。

最佳真空和最佳冷卻水量的確定方法如下：首先確定汽輪機的增量功率ΔPt、循環水泵的增量功耗ΔPP以及冷卻水的用水和熱污染的環境費用ΔCw。一旦知道汽輪機的增量功率ΔPt和循環水泵的增量耗電ΔPP就可以計算出汽輪機的增量功率ΔCP和循環水泵的增量耗電ΔCt，然后可以確定凈收益。

根據公式（1），最大凈利值的真空度和制冷水量分別是最優的真空度和最大制冷水量。在該基礎上，在可調節速度和可調節動葉的情況下，可通過調整旋轉速度或葉片的安裝角度來實現循環流量的變化；在不能持續調整冷卻水流量的情況下，采用不同的循環水泵，其制冷水量不一定是最優，而是接近最優。需要從Δwnet值的大小來判定循環水泵的運行模式是否為最佳操作模式，在Δwnet?0即循環水泵的運轉次數發生變化時，凈利大于0，可以選擇多泵，反之則為單泵。

2 CIMS?汽輪機冷端系統運行優化實例

2.1 汽輪機背壓與機組電功率的關系

該文分析了某電廠60MW機組冷端系統。汽輪機組為上汽生產，是一種中間再熱、三缸、四排蒸汽的冷凝汽輪機，圖2為汽輪機廠家提供的不同排氣量下的真空變化曲線。

利用渦輪機廠家給出的真空功率校正曲線，對各種情況下的渦輪機逆向壓力與渦輪機功率之間的關系進行擬合。圖3所示的八個曲線，由上至下分別代表了在機組運行狀態下，100%、90%、80%、75%、70%、60%、50%、40%的情況下，渦輪機的背壓和渦輪功率之間的關系。研究顯示在不同工作條件下，透平機的背壓與透平力的關系可以用四個階式來擬合，從而求得不同工作狀態下的透平功率Pt（kW）與透平壓力Pc（kPa）的關系。

圖3 不同工況下，汽輪機背壓與汽輪機功率的關系曲線

2.2 CIMS?汽輪機冷端運行優化

CIMS?冷端治理體系使得環境友好型電站的整體效益（提高功率+節約功率）達到總發電量5%～10%；該體系的核心在于采用RCCS?凝汽器強化換熱技術和CRJ三級深度水處理技術，針對循環水質、凝汽器、真空系統、循環水量、冷卻塔等系統進行了系統的能耗分析和改進，并采用實時數據采集、監測和數學建模等方法，在負荷、環境溫度、蒸汽初參數等邊界條件一致的情況下，提高凝汽器真空5kPa以上，大幅減少循環水排污，實現近零排。

RCCS?凝汽器強化換熱系統由特殊高分子螺旋紐帶、獨有的特種陶瓷軸承和高強度特種鋼支架組成。采用RCCS?凝汽器強化換熱系統，無須外加動力，直接由循環水中的流量帶動，轉速為300r/min～1800r/min，達到了加強傳熱和聯機脫垢率的目的,可以將換熱器的換熱系數K值改善20%以上。該系統是CIMS?的一個重要子系統。

CRJ三級深度水處理體系如下。1）Ⅰ級：補充水端。根據水質特征，綜合采用高效纖維過濾、鈉離子交換設備等，降低補充水濁度、膠體、硬度。2）II級：運行端，綜合采用生物藥劑及精準加藥系統，嚴格控制換熱設備（凝汽器、冷卻塔等）結垢和腐蝕問題的發生。3）Ⅲ級：末端處理。采用預處理+TUF管式超濾+雙段RO膜技術，實現80%的循環水排污水的回用，大幅降低排污量，該部分排污量可以通過內部生產過程用水消化，從而實現對外零排。

2.3 循環水泵耗功的確定

電廠循環泵是并行運轉的。循環水泵無法對冷卻水進行持續的控制，只有增加或減少循環水泵的個數，才能使冷卻水流量發生變化。當兩臺相同的循環水泵并聯時，其流量等于每臺單泵的等揚程流量總和，按照相同的揚程和流量疊加原理將多個循環水泵的相應流量疊加，得出了不同工況下的循環水泵耗電量與冷卻水量的關系，見表1。

表1 循環水泵不同運行方式下耗功與冷卻水流量之間的關系分析表

2.4 循環水泵最優運行方式工況

根據汽輪機功率增量ΔPt來計算不同冷卻水入口溫度和不同排汽量下的汽輪機功率增量增益ΔCt，然后根據汽輪機功率增量增益、循環水泵功耗和水資源及冷卻水熱污染增量的計算數據繪制Δw=f（tw1，Dc）工況曲線，如圖3所示。圖中橫線為循環水泵耗電量和水資源及冷卻水熱污染增量的總支出，橫線以外的其余七條曲線按冷卻水入口溫度33℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、5℃與汽輪機功率增量的關系從上到下依次表示其含義。圖3中有一些水平直線與曲線相交的點，這些相交點代表了當循環水泵的數量由單臺變為兩臺時的運行狀況，汽輪機功率的增量剛好等于循環水泵耗電和水資源及冷卻水熱污染的增量支出。將這些交點描在Dc=f（tw1）坐標上，可以直接得到當單泵過渡到雙泵工作時的分界線。

3 CIMS?智能運維系統的實現

該文的CIMS?系統工作流程如圖4所示，首先采集冷端機組的實時數據，然后構建實時數據庫，接著構建數學模型，進行冷端機組的智能判斷和分析，最后根據大數據建立數學模型，設計和訓練優化算法，得出機組的優化運行方案并實現冷端機組的遠程監控。

圖4 CIMS?系統工作流程圖

具體實施步驟如下：在冷端機組的系統診斷階段，完成冷端相關參數數據采集：符合、循環水質、循環水量、端差、真空、冷幅等。診斷內容包括凝汽器結垢狀況、循環水質狀況、真空嚴密性診斷、冷卻塔診斷等。當根據診斷結果進行系統改造時，方案設計包括RCCS?疑汽器強化換熱系統方案，進行真空嚴密性檢查及優化；循環水質改造方案，考慮是否加旁濾，調整配方及加藥量等問題；冷卻塔改造方案，考慮是否更換填料和優化風機運行；循環水泵改造方案，根據經濟型計算確定是否需要改造循環水泵；數據采集系統，添加部分遠程數據采集或控制設備。最后進行項目規劃和優化方案擬定。

4 結語

綜上所述，在國家宏觀調控下，資源綜合利用型發電力企業必須轉變傳統的設備經營方式，以尋求新的發展優勢，在確保安全、環保的前提下，通過加強控制和管理，降低成本，提高公司的管理水平和核心競爭力。隨著我國電力行業的不斷發展，推進體制、管理、技術等方面的改革，不僅是時代發展的必然要求，也是傳統電力企業實現自身轉型的必然選擇。