火電廠輔機優化運行的研究

楊帆

【摘 要】本文通過搜集循環水泵的功耗對機組出力的影響因素入手，分析循環水系統的優化問題，提出了一系列輔機優化運行的節能方案，并進行了節能效果分析。

【關鍵詞】循環水系統；優化；節能措施

循環水系統的節能有從整體考慮提高循環效率從而節能的相關研究，而本文是從設備運行的角度考慮節能問題的。優化循環水泵的運行必須建立凝汽器模型，根據循環水泵的功耗對機組出力的影響入手，分析循環水系統的優化問題。循環水系統優化通常是通過試驗的方法確定。它是根據一系列的試驗數據，繪制循環水泵在不同汽輪機負荷、凝汽器循環水量和水溫下的最優運行方式的特性曲線，然后以這個特性曲線為依據選擇合理的循環水系統運行方式。但是這種方法需要試驗工況很多，不便于測定和運行調節。隨著凝結水流量測量方法的改進，非線性規劃等方法用來研究循環水系統的優化運行確定循環水泵的優化運行方式。它是在凝汽器數學模型的基礎上建立機組功率微增模型，與循環水泵功率模型聯立求解，優化循環水泵的運行。凝汽設備在汽輪機裝置的熱力循環中起著冷源的作用，降低汽輪機排汽壓力和排汽溫度，可以提高汽輪機整體的熱效率。凝汽器通常以水為冷卻介質，由凝汽器、真空泵、循環水泵和凝結水泵以及他們之間的管道、閥門等組成。要減少凝汽器系統的廠用電量，主要是要減少循環水泵的電耗，循環水泵的電耗主要和系統對循環水的需求有關，因此需要建立凝汽器模型，分析凝汽器對循環水的需求，從而優化循環水泵運行。

蒸汽在凝汽器中要能連續的凝結，維持一定的凝汽器壓力，一方面需要真空泵正常運行，抽走凝汽器中多余的不凝結氣體，另一方需要提供足夠的循環水，保證進入凝汽器中的蒸汽可以凝結成為凝結水。

一、循環水系統優化目標函數

循環水系統優化運行的目標函數為：對應于一定的條件下，并保持汽機熱耗量不變，使得機組發電量和循環水系統耗電量差額最大。

優化循環水泵的運行需要從循環水系統整體的層面考慮，建立優化目標函數的約束條件。循環水系統系統的優化與循環水泵的性能、汽輪機功率微增相關，汽輪機功率微增與機組及凝汽器的性能有關，下面分別討論這些因素。

（一）循環水泵功率

循環水泵功率的計算與凝結水功率的計算方法一致，循環水泵功率主要與循環水泵的配備方式、運行方式決定。可以根據循環水泵的設計性能曲線建立其功率一流量、揚程一流量性能模型，與建立起來的管道阻力性能曲線聯立求解，確定循環水泵的運行工況點，從而確定循環水泵的功率。

（二）汽輪機功率微增曲線

凝汽器壓力變化對汽輪機輸出功率的影響稱之為汽輪機微增功率曲線，通常通過熱力試驗的方法得到。通常使用汽輪機微增功率曲線可以計算出來不同凝汽器壓力下汽輪機的功率微增。通常電廠循環水泵的配置方式為2臺同容量的循環水泵，通過2臺泵的啟停來控制循環水的流量，但是這樣的調節方式單一，不能隨著凝汽器的負荷和環境的溫度合理的供給循環水，造成了循環水泵能耗過高。出于節能降耗的需求，通常通過調速改造控制循環水泵的流量，減少節流損失，降低循環水泵能耗。具體函數型式可以使用多項式擬合得到，這樣便于優化處理。

二、循環水系統運行優化約束

1.凝汽器處在最佳真空運行。所謂最佳真空是汽輪機的功率增加與循環水泵功率增量之差達到最大值時的真空。雖然提高凝汽器真空可以降低汽輪機排氣溫度，增大機組出力，但是并不是真空越高越好。提高真空是以循環水泵功耗的增大為代價的，當循環水泵的耗電量增加量大于機組功率的增加值，會使得機組的整體效益下降，得不償失。極限真空是凝汽器背壓降低而增加的有效焙降等于余速損失的增量時所達到的真空。超過極限真空，蒸汽在末級葉片出口處繼續膨脹，造成渦流損失。因此凝汽器的壓力p。應大于極限真空pk，處于最佳真空運行。

2.循環水泵運行在工作范圍，高效率運行。

3.循環水出口門處于全開狀態，不使用它來調節循環水量，因此閥門全開下的管道阻力水頭應等于泵的揚程。

4.循環水系統的總阻力等于各個循環水泵并聯產生的揚程。

5.循環水泵調速范圍在合理范圍內。

6.循環水泵流量限制在允許最大、最小流量之間，泵的運行滿足汽蝕條件的限制。

7.循環水泵總流量等于各個循環水泵輸出流量之和。

8.各臺循環水泵的輸出揚程相等。

三、循環水泵運行優化方案比較

隨著凝結水流量測量方法的改進，最優化理論和計算機技術的發展，非線性規劃等方法。為能直觀的看出變頻改造后循環水系統相對于雙速改造后的節能效果，把同一負荷下循環水泵在兩種改造下的最優運行情況做一比較。當循環水入口溫度大于17℃時，雙速改造收益較高。就整體來說循環水泵變頻改造和最優運行條件下的雙速改造循環水系統總收益相差不大，只有在低負荷、低循環水入口溫度下，變頻調速改造的優越性能體現出來。出于對改造成本的考慮循環水泵雙速改造是循環水系統節能改造的首選，并且有很大的節能潛力；由于循環水泵電機容量較大，變頻器的價格隨著電機容量的增加而增加，并且相對于雙速改造來說其改造費用昂貴，但循環水溫度較低的電廠，進行變頻改造需要慎重考慮。

四、循環水泵運行性能試驗與經濟運行方式

火力發電廠循環水系統一般采用母管制系統，大型機組一般由三臺循環水泵共同向母管供水。各循環水泵前后有進出口水閥，各泵之間有聯絡閥連接。正常運行時，兩臺泵運行，一臺泵備用。由于運行泵和備用泵的組合方式不固定，以及運行泵的運行方式的改變，都會引起水泵耗功量的變化，使循環水泵運行優化問題趨于復雜。

循環水泵的優化依賴于循環水泵性能特性、管路水力性能、凝汽器性能、微增功率性能等方面，它們一般采用廠家設計曲線、變工況計算、水力計算和做試驗確定等。比如對循環水泵性能特性，把泵出廠特性曲線進行擬合成公式；對管路水力性能特性，詳細獲得管路的結構、尺寸、材料、凝汽器阻力特性等數據，估算各個阻力系數，然后根據流體力學知識得到管路水阻計算公式，這樣結合泵特性公式，就可以得不同運行方式下的循環水流量，再根據凝汽器變工況計算獲得各個運行方式下對應的真空。最后，隨著機組的運行，優化的基礎-設備性能均可能已經有所改變，多大程度上反應現在的運行實際是個未知數。

五、結論

循環水泵的優化與機組負荷、循環水泵的入口溫度相關很大。對于循環水泵的優化改造很有必要，無論是通過變級調速還是變頻調速都有很大的節能潛力。分析凝汽器壓力與循環水量、循環水泵入口水溫、凝汽器傳熱系數和蒸汽負荷的關系，建立了循環水泵優化運行數據模型，分析了不同循環水泵運行方式下泵功耗與汽輪機微增功率間的關系。因此建立凝汽器模型，分析凝汽器對循環水的需求，從而優化循環水泵運行根據凝汽器冷端系統變工況時各參數的影響因素和變化規律，基于最佳真空建立了冷端系統優化運行數學模型。分析這三種情況下的循環水泵的優化運行方式，通過比較這三種改造方式優化后的收益，得出雙速運行是循環水泵最佳的運行方式。