1000MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)特性差異比較與試驗(yàn)分析

孫永平，柯吉欣，包勁松，樓可煒，樊印龍

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014； 2.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007）

浙江省內(nèi)2個火力發(fā)電廠（簡稱B廠和N廠）各投產(chǎn)了2臺1000 MW機(jī)組，均采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N1000-26.25/600/600型超超臨界機(jī)組。2個發(fā)電廠都地處沿海，B廠采用了傳統(tǒng)的開式循環(huán)水系統(tǒng)，N廠為避免向海域排放溫水影響環(huán)境而采用了閉式循環(huán)水系統(tǒng)。機(jī)組采用不同方式的循環(huán)水系統(tǒng)后，不僅對循環(huán)水泵（簡稱循泵）揚(yáng)程、功率等參數(shù)提出了不同的選型要求，同時也存在凝汽器進(jìn)口循環(huán)水溫度年平均值等方面的差異，由此而形成了不同的凝汽器設(shè)計(jì)壓力，對整機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生了后續(xù)的影響。

1 循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)比較

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成

循環(huán)水系統(tǒng)的功能是將冷卻水送至凝汽器，冷卻凝結(jié)汽輪機(jī)低壓缸的排汽，維持凝汽器真空，使汽水循環(huán)得以繼續(xù)。同時它還向開式水系統(tǒng)的水－水熱交換器和凝汽器真空泵冷卻器等輔助用戶提供冷卻水。

B廠循環(huán)冷卻水采用傳統(tǒng)的開式循環(huán)，即從海里取水和直接排水。循環(huán)水取水口每天會出現(xiàn)2次海水漲、落潮，平均高潮位與平均低潮位之差為1.8 m。

N廠設(shè)計(jì)了海水二次循環(huán)的冷卻供水系統(tǒng)，與B廠最大的區(qū)別是設(shè)置了1個特大型的逆流式自然通風(fēng)海水冷卻塔。機(jī)組循環(huán)水仍為海水，只是需從冷卻塔水池取水，由循泵升壓后流經(jīng)凝汽器及連接管路、閥門，然后輸送至冷卻塔的配水管。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，冷卻塔豎井配水管與水池水面的高度差為15.77 m。循泵提供的揚(yáng)程不僅需要克服凝汽器及管路的流動阻力，而且還必須克服冷卻塔配水管的高度差。因此，配置冷卻塔的閉式循環(huán)水系統(tǒng)在循泵選型時需要較高的設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

1.2 循環(huán)水進(jìn)水溫度的差異

B廠循環(huán)水系統(tǒng)采用海底深層取水，海水溫度較低，晝夜溫差較小。全年平均循環(huán)水進(jìn)水溫度為20℃。其中，2月份的月平均水溫最低，為8.5℃，然后逐月升高，至8月份的月平均水溫達(dá)到最高值為27.9℃。

N廠循環(huán)水系統(tǒng)采用海水冷卻塔，綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化及年費(fèi)用計(jì)算結(jié)果后，選定海水冷卻塔淋水面積為13000 m2，年平均氣象條件下的冷卻塔出水設(shè)計(jì)溫度為24.5℃。由于冷卻塔所處的大氣溫度等外在條件時刻在發(fā)生變化，因此出塔水溫也隨時會發(fā)生改變，凝汽器進(jìn)口的循環(huán)水溫呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的隨大氣環(huán)境變化的特性。

1.3 循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

B廠和N廠的每臺1000 MW機(jī)組都設(shè)置了2臺循環(huán)水泵，2臺機(jī)組的循環(huán)水母管之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)管道和電動閥門，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)一泵或二泵、兩機(jī)三泵的擴(kuò)大單元制供水方式，分別適用于機(jī)組在不同季節(jié)工況的循泵切換運(yùn)行需求。

表1為2個發(fā)電廠循泵運(yùn)行方式所對應(yīng)的循環(huán)水流量、揚(yáng)程和耗功等設(shè)計(jì)特性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比較可知，在同樣的一機(jī)兩泵運(yùn)行方式下，N廠的循泵出水流量比B廠偏低約13%，但循泵揚(yáng)程卻高出69%左右，所以循泵多耗功1744 kW，偏大比例約50%。由此比較結(jié)果可知，引起N廠循泵耗功偏大的主要原因是由于閉式循環(huán)水系統(tǒng)揚(yáng)程需求較高。

表1 B廠與N廠的循泵設(shè)計(jì)參數(shù)

循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，循環(huán)倍率是一個重要的優(yōu)化參數(shù)。B廠與N廠的設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻倍率分別為65和55。顯然，N廠采用閉式循環(huán)后，不僅引起循泵揚(yáng)程大幅度增加，還出現(xiàn)了循環(huán)水流量偏低的不利情況。

2 凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)的差異比較

2.1 凝汽器背壓型式的選擇

在相同的凝汽器熱負(fù)荷以及循環(huán)水進(jìn)水溫度、流量等運(yùn)行條件下，雙背壓凝汽器的平均背壓要低于單背壓凝汽器，所以浙江省內(nèi)600MW與1000 MW機(jī)組大多選擇了雙背壓凝汽器。但具體到某一臺機(jī)組是采取單背壓還是雙背壓型式，主要還是與循環(huán)水溫度及流量有關(guān)。一般情況，在循環(huán)水溫較高的地區(qū)選用雙背壓凝汽器，可以獲得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

B廠凝汽器的循環(huán)水進(jìn)水溫度相對較低，而且循泵供應(yīng)給凝汽器的循環(huán)水流量較為充足，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較的結(jié)果是選用單背壓凝汽器；N廠采用冷卻塔閉式循環(huán)，凝汽器進(jìn)口的循環(huán)水溫度受冷卻塔工作的大氣環(huán)境等因素影響，設(shè)計(jì)全年循環(huán)水平均進(jìn)水溫度比B廠高出4.5℃，而循泵提供的循環(huán)水流量又偏小，所以N廠優(yōu)化設(shè)計(jì)后選用了雙背壓凝汽器。

2.2 凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)的比較

2個發(fā)電廠的凝汽器都由上海動力設(shè)備有限公司生產(chǎn)，其設(shè)計(jì)方法和理念基本一致，但由于循環(huán)水進(jìn)水溫度、流量等參數(shù)的不同，凝汽器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)也有較大的區(qū)別。如表2所列，為2臺機(jī)組凝汽器主要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。由表2可知，B廠凝汽器設(shè)計(jì)背壓為4.9 kPa，而N廠高、低壓凝汽器的設(shè)計(jì)平均背壓為6.2 kPa，兩者的差異達(dá)1.3 kPa。顯然，N廠循環(huán)水進(jìn)水溫度偏高、循環(huán)倍率偏小的客觀條件對降低凝汽器壓力、提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性是十分不利的。

表2 B廠與N廠的凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)

由N廠的凝汽器設(shè)計(jì)特性曲線可知，在凝汽器其他運(yùn)行條件保持不變的情況下，若將循環(huán)水設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度從24.5℃降低至20℃，則高、低壓凝汽器的壓力可分別降低1.5 kPa和1.1 kPa，平均壓力就會從6.2 kPa降至4.9 kPa，與B廠凝汽器的設(shè)計(jì)壓力完全一致。由此可見，凝汽器的設(shè)計(jì)壓力主要取決于循環(huán)水進(jìn)水溫度。

在機(jī)組冷端設(shè)備設(shè)計(jì)選型階段，凝汽器、循泵等設(shè)備的參數(shù)選取是相互影響的。為了彌補(bǔ)循環(huán)水進(jìn)水溫度偏高、循環(huán)倍率偏低的不利因素，N廠凝汽器不僅增加了長度，還通過選用數(shù)量較多、直徑較小的鈦管的管束布置優(yōu)化措施，使凝汽器面積比B廠偏大約12.5%。這樣可以在增加凝汽器傳熱面積的同時，又兼顧凝汽器鈦管內(nèi)的冷卻水流速不至于下降過多，以保證凝汽器有較好的傳熱性能。

3 對機(jī)組運(yùn)行性能的影響分析

3.1 對機(jī)組熱耗率影響的試驗(yàn)分析

凝汽器壓力改變對汽輪機(jī)出力、熱耗率的影響關(guān)系，可以表達(dá)為：

式中：ΔHR為汽輪機(jī)熱耗率；Pe為機(jī)組負(fù)荷；ΔPk為凝汽器壓力。

圖1為B廠1000 MW汽輪機(jī)的背壓變化對機(jī)組熱耗率修正曲線。該項(xiàng)試驗(yàn)在100%，80%和50%這3個負(fù)荷段分別進(jìn)行，由于試驗(yàn)正值冬季，凝汽器進(jìn)口的海水溫度僅為8℃左右，對應(yīng)3個負(fù)荷工況的凝汽器最低壓力分別為3.5 kPa，3 kPa和2.5 kPa。通過往凝汽器內(nèi)注入空氣的辦法逐步惡化凝汽器的傳熱性能，抬高凝汽器壓力，最高至10 kPa左右。

圖11000 MW機(jī)組變背壓試驗(yàn)結(jié)果曲線

由圖1可知，即使在凝汽器能夠達(dá)到的最低工作背壓條件下，背壓修正曲線都沒有出現(xiàn)明顯的末端上翹現(xiàn)象，表明該型1000 MW汽輪機(jī)低壓缸的末級葉片通流面積較大。由于機(jī)組在通常帶負(fù)荷運(yùn)行過程中，低壓缸排汽容積流量不會高于試驗(yàn)所出現(xiàn)的最大容積流量數(shù)值，所以按照不同的凝汽器壓力從圖1中的變背壓試驗(yàn)曲線查取熱耗率修正系數(shù)時，較低的背壓即對應(yīng)于較小的修正系數(shù)。由此表明，降低凝汽器運(yùn)行壓力對改善機(jī)組運(yùn)行效率始終是有利的。

由圖1曲線可知，在不同的機(jī)組負(fù)荷條件下，凝汽器壓力改變1 kPa，對應(yīng)的機(jī)組出力變化幅度各不相同：機(jī)組在額定負(fù)荷工況運(yùn)行時，機(jī)組出力變化約0.6%；而機(jī)組50%負(fù)荷工況運(yùn)行時，機(jī)組出力變化幅度將增大至1.2%左右，反映出機(jī)組出力改變幅度與機(jī)組負(fù)荷率之間大致成反比例的變化關(guān)系。若依照N廠與B廠在額定負(fù)荷工況的設(shè)計(jì)背壓6.2 kPa和4.9 kPa來查找圖1中的曲線，則可知由于兩者的背壓偏差而引起機(jī)組熱耗率的差異約為0.9%。若以機(jī)組平均負(fù)荷為80%來估算，則背壓偏差引起機(jī)組熱耗率的上升幅度將增加至1.1%左右。

3.2 對機(jī)組供電煤耗率和運(yùn)行費(fèi)用的綜合影響

以B廠1000 MW機(jī)組作為比較基準(zhǔn)，從以下兩方面來分析N廠機(jī)組由于循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異而對整機(jī)運(yùn)行性能的影響幅度：

（1）由于凝汽器進(jìn)水溫度、循環(huán)水流量以及凝汽器面積等方面的差異，形成了不同的凝汽器壓力，使機(jī)組熱耗率上升約1.1%，機(jī)組供電煤耗率上升約3 g/kWh。

（2）由于配置特大型冷卻塔對循泵揚(yáng)程要求較高，使循泵耗功增加，引起廠用電率上升約0.35%，折合機(jī)組供電煤耗率上升約1 g/kWh。綜合以上2項(xiàng)影響因素，N廠的機(jī)組供電煤耗率將上升約4 g/kWh。若以1臺1000 MW機(jī)組年發(fā)電利用小時為5300 h估算，機(jī)組每年將多耗煤約2萬t。標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)取850元/t，則機(jī)組每年多支付的燃煤成本將達(dá)到1700萬元。

4 循環(huán)水系統(tǒng)特性試驗(yàn)與分析

4.1 N廠循泵工作特性試驗(yàn)

如表1中所列，在N廠機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料中，僅給出了一機(jī)兩泵這一種運(yùn)行方式的循泵和管路設(shè)計(jì)參數(shù)，其他兩種運(yùn)行方式的循泵流量、功率等數(shù)據(jù)則無從查找，這使得循泵合理切換工作失去了可供參照的依據(jù)。

為了掌握機(jī)組循泵在不同運(yùn)行方式下的實(shí)際運(yùn)行性能狀態(tài)，其重點(diǎn)與難點(diǎn)是需精確地測定循環(huán)水流量。由于1000 MW機(jī)組的循環(huán)水管道埋在地下，直徑約為3.8 m，材料為水泥預(yù)制管，受現(xiàn)場測量條件的限制，無法采用超聲波流量計(jì)等儀器對循環(huán)水流量進(jìn)行精確測量。實(shí)際可行的方法是借助高精度試驗(yàn)儀表來測定排往凝汽器的蒸汽流量以及蒸汽焓值，由此計(jì)算得到凝汽器熱負(fù)荷，并根據(jù)實(shí)測的循環(huán)水流經(jīng)凝汽器溫升幅度，通過凝汽器熱平衡計(jì)算得出循環(huán)水流量。試驗(yàn)結(jié)果表明，采取這一間接試驗(yàn)和計(jì)算方法可以得出較為準(zhǔn)確可信的循環(huán)水流量。

表3為N廠循泵特性試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，與表1進(jìn)行比較后可知，在同樣的循泵運(yùn)行方式下，兩者的揚(yáng)程、流量以及功率數(shù)據(jù)都較為接近，即循泵實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)較為吻合。

表3 N廠的循環(huán)水系統(tǒng)特性試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

由表3可知，以一機(jī)一泵方式為比較基準(zhǔn)，采取兩機(jī)三泵、一機(jī)兩泵運(yùn)行方式后，循泵耗功將分別增加1.5倍和2倍，而循環(huán)水流量僅增加約1.25倍和1.5倍。由此表明，通過投運(yùn)多臺循泵來增加循環(huán)水流量的運(yùn)行調(diào)整措施，必定以更大幅度的循泵耗功增量為代價(jià)。

4.2 B廠循泵葉輪改進(jìn)前后的特性試驗(yàn)

B廠超超臨界1000 MW機(jī)組自投產(chǎn)以來，一直存在循泵運(yùn)行電流超過設(shè)計(jì)值的問題，并陸續(xù)出現(xiàn)了循泵故障損壞而停運(yùn)的情況，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了判別循泵頻繁故障的原因，進(jìn)行了循泵特性試驗(yàn)，確認(rèn)該型循泵的流量、功率都超出了制造廠的設(shè)計(jì)要求。

由于該型循泵出廠前沒有做過實(shí)泵性能試驗(yàn)，有關(guān)循泵特性曲線是根據(jù)模型泵的水力特性試驗(yàn)結(jié)果推算繪制的，因此懷疑在循泵設(shè)計(jì)、制造過程中是否存在著嚴(yán)重的偏差問題。制造廠家對循泵設(shè)計(jì)、制造過程作了核查，發(fā)現(xiàn)是循泵葉片放樣制造環(huán)節(jié)出了差錯，致使循泵存在葉輪面積偏大的問題，須進(jìn)行循泵葉輪切削以及循泵軸承等損壞部件的修復(fù)工作。

4臺循泵完成修復(fù)后，再次進(jìn)行了循泵性能測試，結(jié)果表明循泵流量已接近設(shè)計(jì)值，超設(shè)計(jì)電流運(yùn)行問題已基本得到解決。

為了滿足循泵及循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的要求，利用循泵修復(fù)后特性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對循環(huán)水管路的阻力變化特性進(jìn)行了推算，即通過數(shù)值統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法，推算得出循環(huán)水系統(tǒng)受海水潮位和凝汽器出水門開度調(diào)整而變化的阻力變化特性曲線。管路阻力曲線與循泵工作特性曲線相交后，即為循泵實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)，推算結(jié)果如圖2所示。

圖2 B廠循泵及管路特性曲線

需指出的是，圖2中的循泵特性線是以設(shè)計(jì)平均潮位（吳淞水位2.09 m）為進(jìn)水條件繪制的；由下至上排列的3條管路阻力線分別代表了一機(jī)一泵、兩機(jī)三泵和一機(jī)兩泵運(yùn)行方式，并假設(shè)循環(huán)水出水門開度分別處于50%，60%和100%這3個通常的開度位置而計(jì)算得出的。若是改變海水潮位、凝汽器出水門開度這些邊界條件，則圖2中管路阻力線與循泵特性線的3個交點(diǎn)就會出現(xiàn)相應(yīng)微調(diào)。借助循泵和管路特性試驗(yàn)曲線，就可以確定循環(huán)水系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下的揚(yáng)程、流量和功率等運(yùn)行參數(shù)，然后進(jìn)一步開展機(jī)組冷端設(shè)備的尋優(yōu)計(jì)算和分析工作。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合上述循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析，對開式循環(huán)和閉式循環(huán)這兩種不同的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行工作特性差異比較如下：

（1）兩種不同的循環(huán)水系統(tǒng)對循泵提出了不同的選型要求，開式循環(huán)系統(tǒng)的循泵運(yùn)行特點(diǎn)是揚(yáng)程低、流量大，電機(jī)功率較小；而閉式循環(huán)系統(tǒng)的循泵揚(yáng)程需克服冷卻塔配水管與水池水面之間的高度差，所以循泵運(yùn)行特點(diǎn)是揚(yáng)程高、流量小，電機(jī)功率較大。

（2）閉式循環(huán)導(dǎo)致了機(jī)組全年循環(huán)水平均溫度升高，凝汽器壓力偏高，這是引起機(jī)組供電煤耗率偏高的主要原因。沿海發(fā)電廠因環(huán)保限制而無法直接從海里取水和排水，將引起機(jī)組發(fā)電煤耗成本的明顯上升，這是為保護(hù)環(huán)境而付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

在機(jī)組日常運(yùn)行過程中，為了提高機(jī)組效率，需根據(jù)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)備配置特點(diǎn)，合理選擇循泵和循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式。建議發(fā)電廠以試驗(yàn)得出的機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)特性參數(shù)為依據(jù)，根據(jù)各自的循環(huán)水溫度變化規(guī)律，合理確定循泵的切換時機(jī)。同時利用循泵定期切換等機(jī)會，做好運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集和分析，對循泵運(yùn)行方式調(diào)整可以獲得的收益與付出進(jìn)行比較和評估，從而確定機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整模式。

[1]徐傳海.雙背壓凝汽器選型計(jì)算及建議[J].電站輔機(jī)，2005，26（2）∶5-10.

[2]包勁松.1000 MW機(jī)組性能分析[J].浙江電力，2011，30（4）∶1-3.