聯合循環機組蒸汽輪機冷端系統運行優化研究

摘要：隨著我國對大型火力發電機組節能降耗要求的不斷提升，機組運行節能調整成為亟待解決的重點問題。冷端系統的運行調整具有可操作性強、調整安全風險小的特點，因而成為火力發電廠提升節能運行能力的重要方向。現基于某電廠“二拖一”燃氣-蒸汽聯合循環機組運行數據，通過數據分析與理論計算，得到在不同機組發電負荷與環境溫度下的最佳背壓值，可為指導聯合循環機組的背壓運行優化提供借鑒和參考。

關鍵詞：聯合循環；冷端優化；蒸汽輪機；背壓

中圖分類號：TM621 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0015-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.005

0 " "引言

目前，針對冷端系統的運行優化主要有理論計算和性能試驗兩種方式。高校一般采用理論計算方法，根據機力通風冷卻塔性能、循環水泵性能和凝汽器性能等計算得到最佳循環冷卻水流量和凝汽器壓力。但由于冷端系統的復雜性以及冷端輔助設備運行多年對實際性能造成的影響，其理論計算結果往往與實際運行情況存在一定偏差。為了能夠反映機組實際運行情況，電廠和電科院大多采用性能試驗的方法進行運行優化，通過性能試驗確定凝汽器的最佳背壓與循環水系統的最佳運行方式，通過運行調整獲得最大的節能收益。

機力通風冷卻塔和循環水泵是電廠冷端系統的重要組成部分，這不僅是因為其運行效率影響著凝汽器背壓，同時其也是冷端系統中廠用電使用率較高的輔助機械設備[1]。

提高風機的轉速和循環水泵電流可以加強循環水的換熱能力，有利于降低凝汽器背壓，增加機組發電功率，但同時會引起循環水泵和機力通風塔風機耗功的增加[2-3]。因此，尋找使得機組發電功率增量與循泵、風機功率增量之差取得最大值時的工況點成為提升機組運行經濟性的有效措施[4]，此時的凝汽器背壓被稱為最佳背壓。

本文通過對機組運行數據進行提取整理與分析計算，得到機組在不同蒸汽輪機負荷與環境溫度下的最佳背壓，同時根據機組的參數修正曲線數據，提出了簡化的機組背壓節能運行調整原則，可為機組節能運行調整提供參考。

1 " "機組概況

北京高井熱電分公司“二拖一”機組包括2臺9FB型燃機組成的燃氣輪機發電機組、2臺余熱鍋爐和1臺蒸汽輪機發電供熱機組，“二拖一”整機功率921 MW，汽機功率320 MW。汽輪機組是哈汽自主研發的首臺NCB型式熱電聯供機組，型號為LNCB320/155-13.02/0.500/

565/565，該機型為三壓、再熱、雙缸、向下排汽、燃氣蒸汽聯合循環用凝汽式汽輪機，通流部分由高、中、低壓三部分組成，高壓由9級組成，中壓部分由10級組成，低壓部分由2×4級壓力級組成，機組共計27級。蒸汽輪機高中壓缸和低壓缸之間通過SSS離合器連接，冬季供熱工況熱負荷需求較大時，汽機低壓缸解列，高中壓缸按照背壓方式運行，其排汽及余熱鍋爐低壓主汽全部用于熱網加熱器供熱。非供熱工況或熱負荷需求較低時，高中壓缸和低壓缸通過SSS離合器連成一個軸實現純凝、抽凝運行。

冷卻塔本體型號為NH-6500型機械通風冷卻塔，整套塔處理流量大于51 414 m3/h，單格設計流量6 500 m3/h，進塔水溫42 ℃，出塔水溫32 ℃，進塔設計干球溫度27.5 ℃，濕球溫度24.7 ℃，大氣壓力100.0 kPa，相對濕度0.80，空氣密度1.15 kg/m3，冷卻幅高7.3 ℃。冷卻塔頂端布置有8臺風機以強化換熱，風機型號為L10360，風機葉輪直徑10 360 mm，設計風量3 100 000 m3/h，每臺風機額定功率220 kW。循環水泵為定速泵，額定功率2 300 kW，額定流量25 950 t/h。

2 " "計算方法

一般而言，提升機力通風冷卻水塔風機電流可以降低機組背壓，進而提升機組的發電負荷，但會增加發電廠的廠用電率。

理論上需要分別建立機組發電功率—背壓模型、機力通風塔風機功率—背壓模型和循環水泵功率—背壓模型，然后劃分離散工況點，做出機組凈功率增量—背壓函數曲線以求得機組的最佳背壓[5-6]。但由于上述方法需要建立3個模型，計算方式復雜且容易增大累積誤差，所以考慮直接建立機組凈功率—背壓模型來尋找最佳背壓。

利用電廠SIS系統調取了“二拖一”聯合循環機組2019年1月至2020年12月的發電負荷、背壓、環境溫度、風機電流等測點的數據。

對8臺風機的功率進行累加求和，得到了風機的總功率數據：

P1=×Un×In×cos φ " " " " " "（1）

式中：P1為8臺風機總耗功（kW）；Un為第n臺風機的電壓（V）；In為第n臺風機的電流（A）；cos φ為風機相位角余弦值，取0.858。

在算出風機耗功之后，計算同一時刻下蒸汽輪機機組負荷與風機耗功及循環水泵耗功的差值作為機組凈功率。

P=Q-P1-P2 " " " " " " " （2）

式中：P為蒸汽輪機機組凈功率（kW）；Q為蒸汽輪機機組發電負荷（kW）；P2為蒸汽輪機循環水泵功率（kW）。

選取2019—2020年兩年數據進行篩選，即可計算機組在不同環境溫度與蒸汽輪機負荷情況下的最佳背壓。選取原則如下：

（1）選取典型負荷數據，每個負荷附近±1 MW都作為該負荷的數據；

（2）在每一負荷下，每個環境溫度附近±0.5 ℃都作為該溫度的數據。

3 " "計算結果

圖1是機組負荷120 MW、環境溫度30 ℃時機組凈功率與背壓的關系圖。

圖2是機組負荷180 MW、環境溫度10 ℃時機組凈功率與背壓的關系圖。

可以看出，隨著機組背壓的升高，機組發電凈功率均呈下降趨勢，所以在這兩個工況下，在機組運行的實際過程中，還應繼續降低機組背壓以獲得節能收益。

4 " "節能效果評估

根據圖1與圖2所述計算結果，可以得到在當前運行周期內某一機組負荷及環境溫度下的最佳背壓及在該背壓下的機組發電凈功率，將該最佳背壓下機組發電凈功率與運行周期內所有其他發電凈功率點進行對比，可以得到采用最佳背壓時發電凈功率的增加值，即采用最佳背壓時可獲得的節能收益。

圖3所示為汽機功率180 MW、環境溫度在30 ℃附近時汽機運行凈功率與按照推薦背壓運行可實現的凈功率對比，在該工況下，若按照推薦背壓運行，平均可多發電量0.23 MW·h，經濟效益提升約0.13%。

圖4所示為汽機功率180 MW、環境溫度在20 ℃附近時汽機運行凈功率與按照推薦背壓運行可實現的凈功率對比，在該工況下，若按照推薦背壓運行，平均可多發電量0.88 MW·h，經濟效益提升約0.48%。

經過統計，按照推薦背壓運行，全工況下可實現節能量約0.22%。

5 " "調整策略

基于最佳節能背壓曲線和歷史數據計算得出，若進行冷端優化改造，機組運行情況將會發生改變。另外，受機組運行實際情況影響，機組背壓可能無法調整至最佳節能背壓或有不準確因素產生誤差，比如增開風機后機組背壓卻無法降低，故提出簡化的機組背壓節能運行調整原則。

根據“二拖一”聯合循環機組的背壓—功率修正曲線，當運行背壓在5.0～5.9 kPa時，背壓每降低1 kPa，機組可多發電3 MW·h，每臺機力通風塔風機耗電量0.22 MW·h，每臺循環水泵耗電量2.3 MW·h，所以在氣候環境條件及機組負荷保持穩定的工況下，每開啟兩臺風機若能降低背壓0.15 kPa及以上，或每開啟一臺循環水泵可以降低背壓0.77 kPa及以上，那么就會產生節能收益。

當運行背壓為4.0～4.9 kPa時，背壓每降低1 kPa，機組可多發電2 MW·h，則每開啟兩臺風機若能降低背壓0.22 kPa及以上，或每開啟一臺循環水泵可以降低背壓1.15 kPa及以上，那么就會產生節能收益；當運行背壓為6.0～6.9 kPa時，背壓每降低1 kPa，機組可多發電3.2 MW·h，則每開啟兩臺風機若能降低背壓0.14 kPa及以上，或每開啟一臺循環水泵可以降低背壓0.72 kPa及以上，那么就會產生節能收益。

6 " "結語

本文采用數據分析與理論計算的方式，對聯合循環機組冷端運行背壓數值給出優化建議，并評估計算了采用最佳背壓可產生的節能收益，同時，根據汽輪機制造廠家提供的機組發電功率—背壓修正曲線，對機組運行調整策略給出了理論描述，可為聯合循環機組的節能優化運行提供參考。

[參考文獻]

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收稿日期：2022-09-14

作者簡介：楊陽（1988—），男，湖北宜昌人，高級工程師，研究方向：電力生產與運營。