循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)分析

秦 攀，林閩成，葉勁松，孫永平，董益華

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

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

1 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的評價準(zhǔn)則

1.1 電能增益法

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

1.2 綜合費(fèi)用法

發(fā)電廠作為電力市場競爭的主體，不僅關(guān)心電能的節(jié)省，同時也密切關(guān)注發(fā)電過程綜合成本的降低。在機(jī)組負(fù)荷和冷卻水溫一定的條件下，改變循環(huán)水流量，使綜合成本煤耗率最低的冷端尋優(yōu)方法，稱為綜合費(fèi)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(fā)電廠供電煤耗、上網(wǎng)電價和標(biāo)煤價格有機(jī)地聯(lián)系起來，可以更加直觀地分析判斷發(fā)電廠的節(jié)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

采取該優(yōu)化評價方法時，需把由背壓降低得到增益的發(fā)電機(jī)電能，根據(jù)機(jī)組供電煤耗和標(biāo)煤價格，折算得到煤耗收益費(fèi)用ΔFm，再根據(jù)上網(wǎng)電價，推算得到循泵的損耗費(fèi)用ΔFd，兩者之差達(dá)最大值時就是發(fā)電廠最優(yōu)成本費(fèi)用所對應(yīng)的循環(huán)水運(yùn)行方式。這時，汽輪機(jī)的最佳綜合費(fèi)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(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行方式的差異，雖然因標(biāo)煤價格和上網(wǎng)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(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)比較，并進(jìn)行計算分析，給出最優(yōu)的運(yùn)行方式。

2 循環(huán)水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 汽輪機(jī)特性

汽輪機(jī)特性就是研究汽輪機(jī)背壓與出力的關(guān)系，即在不同的機(jī)組排汽流量下，改變凝汽器壓力，得出機(jī)組出力與背壓的關(guān)系。當(dāng)其他設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)一定時，在某一新蒸汽參數(shù)和流量下，汽輪機(jī)輸出電能與排汽壓力之間的關(guān)系為：

式中：Pe為汽輪機(jī)輸出電能；N0為機(jī)組負(fù)荷；Pk為汽輪機(jī)背壓。

在正常運(yùn)行時，可認(rèn)為凝汽器壓力變化對機(jī)組出力的影響等同于汽輪機(jī)背壓變化對機(jī)組出力的影響。根據(jù)制造廠提供的汽輪機(jī)排汽壓力對機(jī)組出力的修正曲線，通過曲線擬合得到不同排汽壓力對應(yīng)的出力值，在確定最佳循環(huán)水量和計算經(jīng)濟(jì)效果時都要用到這一特性關(guān)系。圖l是某300 MW機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時典型的背壓與出力的修正曲線。

圖1 某300 MW機(jī)組滿負(fù)荷時凝汽器壓力與機(jī)組出力的修正曲線

由圖1可知，凝汽器壓力與機(jī)組出力基本呈線形關(guān)系，凝汽器壓力每增加1 kPa，機(jī)組出力約增加1%。但是當(dāng)汽輪機(jī)背壓降低到一定數(shù)值時，再降低背壓，機(jī)組出力已不再增加，汽輪機(jī)末級葉柵發(fā)生“阻塞”，即動葉斜切部分的膨脹能力已經(jīng)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(xù)降低，對應(yīng)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(jī)的背壓稱為極限背壓，對應(yīng)的真空即為極限真空。當(dāng)出現(xiàn)上述極限背壓時，如果水溫還要降低，則可減少循泵運(yùn)行臺數(shù)，減小循泵動葉角度，適當(dāng)關(guān)小循環(huán)水回水調(diào)節(jié)閥，避免機(jī)組背壓進(jìn)一步降低，以免對機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)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(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量與凝汽器壓力的關(guān)系。在不同熱負(fù)荷、不同冷卻水溫度下，改變進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水流量，得出凝汽器壓力與循環(huán)水流量的變化關(guān)系：

式中：tw1為循環(huán)水入口溫度；Dw為循環(huán)水流量；Dc為排汽流量。

汽輪機(jī)的背壓由凝汽器排汽溫度對應(yīng)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(huán)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(huán)境中，確定循環(huán)水流量和循泵電能之間的對應(yīng)關(guān)系：

式中：Pp為循泵所耗的電能。

循泵耗功特性中，關(guān)鍵是確定循環(huán)水的流量。由于循環(huán)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(jù)熱量平衡的原理，汽輪機(jī)排汽熱量等于循環(huán)水帶走的熱量，通過汽輪機(jī)排汽流量、排汽負(fù)荷、循環(huán)水溫升來推算循環(huán)水流量。

根據(jù)循泵的配置和日常運(yùn)行模式，循泵運(yùn)行方式可以分為一機(jī)一泵、兩機(jī)三泵和一機(jī)二泵。由于本次試驗(yàn)機(jī)組的循泵動葉在一定范圍內(nèi)可調(diào)，根據(jù)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(huán)水流量的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 試驗(yàn)循泵組合方式匯總

3 計算實(shí)例

針對某發(fā)電廠引進(jìn)型300 MW汽輪機(jī)組開展循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)，通過變換機(jī)組負(fù)荷、改變循環(huán)水流量，在不同的季節(jié)進(jìn)行循泵組合優(yōu)化。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行凝汽器變工況計算，根據(jù)電能增益法、綜合費(fèi)用法，分別得到各不同進(jìn)水溫度下的優(yōu)選運(yùn)行方式。

3.1 電能增益法計算結(jié)果

為了方便比較表1中各種組合方式的優(yōu)劣，選用處于中間狀態(tài)的兩機(jī)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(yōu)于參比工況，電能越大，說明組合工況越節(jié)能。設(shè)計進(jìn)水溫度20℃時的節(jié)約電能比較如圖2所示。

3.2 綜合費(fèi)用法計算結(jié)果

以兩泵三機(jī)動葉居中組合工況作為參比工況，在電能收益的基礎(chǔ)上，考慮機(jī)組實(shí)際的供電煤耗、標(biāo)煤價格（以850元/t計）、上網(wǎng)電價（扣除17%的增值稅后，以0.349元/kWh計），設(shè)計進(jìn)水溫度20℃時的綜合費(fèi)用比較如圖3所示。

圖220℃進(jìn)水溫度下各工況電能收益比較

圖320℃進(jìn)水溫度下各工況綜合費(fèi)用比較

4 結(jié)論與建議

從推薦的運(yùn)行方式看，兩種評價準(zhǔn)則影響趨勢是一致的，只有個別工況略有出入。這是因?yàn)閮煞N評價準(zhǔn)則尋優(yōu)的核心指導(dǎo)思想是相同的，只是存在電能、費(fèi)用的表現(xiàn)形式差異。綜合費(fèi)用法是在電能收益的基礎(chǔ)上，又考慮了現(xiàn)實(shí)的標(biāo)煤價格和上網(wǎng)電價。在標(biāo)煤價格降低的時候，可以考慮增加循環(huán)水量、降低汽輪機(jī)背壓來達(dá)到機(jī)組增加發(fā)電量的目的；在上網(wǎng)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(fā)電成本費(fèi)用。選取較具代表性的機(jī)組負(fù)荷以及循環(huán)水進(jìn)水溫度，依照目前的煤價和電價情況推薦運(yùn)行組合方式如表2所示。

在循環(huán)水溫大于23℃時，推薦一機(jī)二泵動葉大角度和兩機(jī)三泵動葉大角度運(yùn)行方式。兩機(jī)三泵動葉大角度工況，雖然是次優(yōu)運(yùn)行方式，經(jīng)濟(jì)性略遜于一機(jī)二泵動葉大開度工況，以循環(huán)水溫30℃、常用機(jī)組負(fù)荷率80%計算，兩者費(fèi)用差約90元/h。但是相比一機(jī)二泵多了1臺循泵備用，方便發(fā)電廠合理安排檢修、靈活運(yùn)籌調(diào)度，在綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性的情況下，可以考慮適當(dāng)延長兩機(jī)三泵動葉大角度的運(yùn)行時間。

表2 推薦運(yùn)行方式匯總

實(shí)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(jīng)常調(diào)整。所以在循環(huán)水溫11～23℃之間時，推薦兩機(jī)三泵運(yùn)行，隨著溫度的降低，適當(dāng)調(diào)小循泵的動葉開度。在循環(huán)水溫度低于11℃時，推薦一機(jī)二泵運(yùn)行，適當(dāng)延長動葉小開度的運(yùn)行時間。

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

[2]徐海新.600MW機(jī)組循環(huán)水和真空系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行[J].發(fā)電設(shè)備，2009（3）∶191-193.