循環水系統優化運行的經濟分析

秦 攀，林閩成，葉勁松，孫永平，董益華

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325602）

循環水系統的優化運行，對發電機組的凈輸出電能有一定的影響，對提高發電廠的經濟性有著積極的作用。在機組日常運行過程中，隨著環境溫度及機組負荷的變化，可以采取改變循環水泵（簡稱循泵）運行方式來調整循環水流量、改善機組真空、提高汽輪發電機組的運行效率。因此，在機組負荷、環境溫度及循環水流量之間存在一個尋優的目標，找到在不同負荷、不同環境溫度下最優的循環水流量，就可以把機組整體的運行能耗降到最低。

1 循環水系統優化的評價準則

1.1 電能增益法

確定循環水系統優化運行的判定準則，最常使用的方法是電能增益法。對1臺機組而言，在機組負荷和冷卻水溫一定的條件下，增加循環水流量，會降低汽輪機的背壓，汽輪機的電能會隨著機組背壓的降低而增加。同時增加的循環水流量又會使循泵的耗功增加。當汽輪機電能的微增值ΔPe與循泵的耗電增加值ΔPp之間的差值達到最大時，所對應的循環水流量即為最佳循環水流量。這時，汽輪機的最大凈增電能ΔPmax為：

1.2 綜合費用法

發電廠作為電力市場競爭的主體，不僅關心電能的節省，同時也密切關注發電過程綜合成本的降低。在機組負荷和冷卻水溫一定的條件下，改變循環水流量，使綜合成本煤耗率最低的冷端尋優方法，稱為綜合費用法。該方法考慮了煤和電不同能量價值的綜合煤耗率，也把發電廠供電煤耗、上網電價和標煤價格有機地聯系起來，可以更加直觀地分析判斷發電廠的節能經濟指標。

采取該優化評價方法時，需把由背壓降低得到增益的發電機電能，根據機組供電煤耗和標煤價格，折算得到煤耗收益費用ΔFm，再根據上網電價，推算得到循泵的損耗費用ΔFd，兩者之差達最大值時就是發電廠最優成本費用所對應的循環水運行方式。這時，汽輪機的最佳綜合費用ΔFmax為：

以上2種方法是從微增電能和綜合煤耗2個方面來體現優化運行方式的差異，雖然因標煤價格和上網電價的變化而會略有不同，但變化趨勢是一致的。通過以上2種方法對某300 MW機組的循環水系統進行試驗比較，并進行計算分析，給出最優的運行方式。

2 循環水系統的數學模型

2.1 汽輪機特性

汽輪機特性就是研究汽輪機背壓與出力的關系，即在不同的機組排汽流量下，改變凝汽器壓力，得出機組出力與背壓的關系。當其他設備的運行參數一定時，在某一新蒸汽參數和流量下，汽輪機輸出電能與排汽壓力之間的關系為：

式中：Pe為汽輪機輸出電能；N0為機組負荷；Pk為汽輪機背壓。

在正常運行時，可認為凝汽器壓力變化對機組出力的影響等同于汽輪機背壓變化對機組出力的影響。根據制造廠提供的汽輪機排汽壓力對機組出力的修正曲線，通過曲線擬合得到不同排汽壓力對應的出力值，在確定最佳循環水量和計算經濟效果時都要用到這一特性關系。圖l是某300 MW機組滿負荷運行時典型的背壓與出力的修正曲線。

圖1 某300 MW機組滿負荷時凝汽器壓力與機組出力的修正曲線

由圖1可知，凝汽器壓力與機組出力基本呈線形關系，凝汽器壓力每增加1 kPa，機組出力約增加1%。但是當汽輪機背壓降低到一定數值時，再降低背壓，機組出力已不再增加，汽輪機末級葉柵發生“阻塞”，即動葉斜切部分的膨脹能力已經被利用完。如果再降低背壓，蒸汽將在動葉斜切部分之外膨脹，末級焓降與電能均不再增加。若背壓繼續降低，對應的飽和溫度下降，使最低壓力級加熱器的抽汽量增大，致使末級電能減小，此時汽輪機的背壓稱為極限背壓，對應的真空即為極限真空。當出現上述極限背壓時，如果水溫還要降低，則可減少循泵運行臺數，減小循泵動葉角度，適當關小循環水回水調節閥，避免機組背壓進一步降低，以免對機組安全性、經濟性產生不利影響。

2.2 凝汽器的變工況特性

凝汽器變工況計算模型主要是建立機組負荷、循環水溫度、循環水流量與凝汽器壓力的關系。在不同熱負荷、不同冷卻水溫度下，改變進入凝汽器的循環水流量，得出凝汽器壓力與循環水流量的變化關系：

式中：tw1為循環水入口溫度；Dw為循環水流量；Dc為排汽流量。

汽輪機的背壓由凝汽器排汽溫度對應的飽和壓力得到，凝汽器的排汽溫度為：

式中：ts為凝汽器的排汽溫度；Δt為循環水平均溫升；δt為凝汽器端差。

2.3 循泵的耗功特性

循泵的耗功特性就是在一定外部環境中，確定循環水流量和循泵電能之間的對應關系：

式中：Pp為循泵所耗的電能。

循泵耗功特性中，關鍵是確定循環水的流量。由于循環水流量大、管徑粗、壓力低，不易直接測量，一般多采用熱平衡計算的方法取得。熱平衡計算法是依據熱量平衡的原理，汽輪機排汽熱量等于循環水帶走的熱量，通過汽輪機排汽流量、排汽負荷、循環水溫升來推算循環水流量。

根據循泵的配置和日常運行模式，循泵運行方式可以分為一機一泵、兩機三泵和一機二泵。由于本次試驗機組的循泵動葉在一定范圍內可調，根據循泵動葉開度分為大、中、小3個不同開度，測定各工況下循泵的耗功和凝汽器循環水流量的對應關系，如表1所示。

表1 試驗循泵組合方式匯總

3 計算實例

針對某發電廠引進型300 MW汽輪機組開展循環水系統優化試驗，通過變換機組負荷、改變循環水流量，在不同的季節進行循泵組合優化。在試驗的基礎上，再進行凝汽器變工況計算，根據電能增益法、綜合費用法，分別得到各不同進水溫度下的優選運行方式。

3.1 電能增益法計算結果

為了方便比較表1中各種組合方式的優劣，選用處于中間狀態的兩機三泵動葉居中的組合作為參比工況，所得電能為其他不同的組合工況與參比工況的差值，電能大于0，說明組合工況優于參比工況，電能越大，說明組合工況越節能。設計進水溫度20℃時的節約電能比較如圖2所示。

3.2 綜合費用法計算結果

以兩泵三機動葉居中組合工況作為參比工況，在電能收益的基礎上，考慮機組實際的供電煤耗、標煤價格（以850元/t計）、上網電價（扣除17%的增值稅后，以0.349元/kWh計），設計進水溫度20℃時的綜合費用比較如圖3所示。

圖220℃進水溫度下各工況電能收益比較

圖320℃進水溫度下各工況綜合費用比較

4 結論與建議

從推薦的運行方式看，兩種評價準則影響趨勢是一致的，只有個別工況略有出入。這是因為兩種評價準則尋優的核心指導思想是相同的，只是存在電能、費用的表現形式差異。綜合費用法是在電能收益的基礎上，又考慮了現實的標煤價格和上網電價。在標煤價格降低的時候，可以考慮增加循環水量、降低汽輪機背壓來達到機組增加發電量的目的；在上網電價高的情況下，可以考慮減少循泵的耗功來降低廠用電率，以減少發電成本費用。選取較具代表性的機組負荷以及循環水進水溫度，依照目前的煤價和電價情況推薦運行組合方式如表2所示。

在循環水溫大于23℃時，推薦一機二泵動葉大角度和兩機三泵動葉大角度運行方式。兩機三泵動葉大角度工況，雖然是次優運行方式，經濟性略遜于一機二泵動葉大開度工況，以循環水溫30℃、常用機組負荷率80%計算，兩者費用差約90元/h。但是相比一機二泵多了1臺循泵備用，方便發電廠合理安排檢修、靈活運籌調度，在綜合考慮安全性、經濟性的情況下，可以考慮適當延長兩機三泵動葉大角度的運行時間。

表2 推薦運行方式匯總

實際情況中，循泵不可能頻繁啟停切換，出于安全、振動等方面的考慮，動葉也不宜于經常調整。所以在循環水溫11～23℃之間時，推薦兩機三泵運行，隨著溫度的降低，適當調小循泵的動葉開度。在循環水溫度低于11℃時，推薦一機二泵運行，適當延長動葉小開度的運行時間。

[1]何冬輝.火電廠冷端系統性能分析及優化研究[D].大連∶大連理工大學，2010.

[2]徐海新.600MW機組循環水和真空系統優化運行[J].發電設備，2009（3）∶191-193.