660 MW超超臨界機組循環水系統節能優化分析

江 波，石曉玲，史萌萌，韓彥杰，張健民

（1.國家電投集團江西電力有限公司 景德鎮發電廠，江西 景德鎮 333000；2.江西景德鎮供電公司，江西 景德鎮 333000）

隨著國家經濟深入發展，電力消費呈現新常態特征［1］。電力供應結構持續優化，電力消費增長減速換檔，結構不斷調整，電力消費增長主要動力呈現由高耗能向新興產業、服務業和居民生活用電轉換，電力供需形勢由偏緊轉為寬松［2-3］。2015年火電發電量負增長、利用小時數降至4 329小時［4］。火電機組利用小時數呈持續下降趨勢，節能降耗成為了新形勢下火電廠賴以生存的法寶［5］。

循環水泵是火電廠中耗電量較大的輔機之一，它消耗的電能約占電廠總發電量的 1%～1.5%［6］。循環水泵運行方式對凝汽器真空和廠用電率等指標影響較大，因此，國內外學者對冷端系統進行了廣泛的研究。文獻［7］運用遺傳算法對機組多因素進行優化，通過參數自動調整對某些參數缺陷所造成的經濟性下降進行補償，從而獲得最佳的循環水泵運行方式。文獻［8-10］針對不同季節氣溫變化、微生物繁殖情況和不同時間潮汐等特點，從周期性半側沖洗、循環水泵運行方式優化、循環水系統用戶等3個方面進行綜合分析與優化，得到最佳運行方式。文獻［11-12］將循環水系最佳真空作為優化目標對某600 MW機組循環水系統進行計算和分析，得到不同條件下循環水系統的優化運行方式以及凈收益與循環水進口溫度的關系。本文以某660 MW超超臨界機組循環水系統為例，根據優化運行試驗，找出最佳運行方式，節約廠用電，提升效率。

1 機組狀況

景德鎮發電廠2 × 660 MW擴建工程2號機組汽輪機為東方汽輪機有限公司制造N660-25/600/600型(高中壓合缸)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機；發電機為東方汽輪發電機有限公司生產的QFSN-660-2-22型水氫氫發電機；鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司制造HG-2035/26.15-YM3型的超超臨界直流鍋爐。該機組于2011年5月18日通過滿負荷168小時試運行［13］。

每臺機組循環水系統配備2臺循環水泵及1座自然通風冷卻塔，其中1號機組對應甲、乙循環水泵，2號機組對應丙、丁循環水泵。循環水泵出口管道設有聯絡管，并裝設聯絡門。甲循環水泵設計功率為2 380 kW，乙、丙、丁三臺循環水泵設計功率均為3 400 kW。由于冬季循環水溫較低，循環水泵電機中未設計高、低轉速切換功能，同時每天負荷調節范圍很大，最低280 MW，最高660 MW，造成了循環水泵耗電率居高不下。

針對上述問題，本文開展循環水系統改造及運行優化研究，主要包括：①循環水泵電機改造；②根據循環水溫、機組負荷確定循環水泵運行方式；③降低開停機過程中循環水泵耗電量。

2 循環水泵電機改造

該電廠所在區域冬季環境溫度最低達-5 ℃，凝汽器入口循環水溫最低達6 ℃。運行中，凝汽器最佳真空富余量很大，循環水量有下調空間。根據泵類機械相似定律，在一定范圍內改變泵的轉速，泵的效率近似不變，可以將甲、丁循環水泵（3 400 kW、16 P）電機改為16/18 P雙速電動機，即保持原16 P時3 400 kW功率不變，增加18 P時功率約為2 380 kW，P為電機級對數。表1為改造前、后甲和丁循環水泵主要參數。

對甲、丁循環水泵電機進行改造后，通過手動調節甲、丁循環水泵電機運行方式，增加了機組運行過程中循環水泵調整手段，有效降低了循環水泵耗電率。

表1 改造前、后循環水泵主要參數Tab.1 Main parameters of circulating water pump before and after reformation

3 循環水泵運行方式

循環水泵運行優化的核心是根據凝汽器最佳真空所需循環水量合理調節循環水泵的組合方式。當循環水量增加時，應使汽輪機功率增加量大于循環水泵功率增加量；當循環水量減小時，應使汽輪機功率減少量小于循環水泵功率減少量。在機組熱耗率和循環水溫一定時，使功率微增發電量與循環水泵多耗電量差值最大，此水量為循環水泵最佳水量。機組負荷一定時，循環水泵運行方式不同，循環水量也不同。根據凝汽器和循環水泵性能試驗，計算得到凝汽器壓力所對應的飽和溫度，并進一步計算得到凝汽器真空度。當凝汽器真空度發生變化時，汽輪機功率發生變化。根據機組微增出力曲線，可計算出汽輪機功率變化量。

3.1 冷端系統數學模型的建立

圖1 背壓對汽輪機功率的修正曲線Fig.1 Effect of back pressure on the power fitting curves of the steam turbine

圖1 中在機組帶75%額定負荷，背壓由額定背壓5.4 kPa變為9 kPa時，功率修正率為-4%。

（3）總傳熱系數K

K采用別爾曼公式確定，即

在實際運行中式（5）只適用于凝汽器水側管壁清潔、真空系統嚴密性狀態正常或抽氣設備性能良好的工況。當凝汽器冷卻管內壁臟污、汽輪機真空系統嚴密性失常或抽氣設備性能降低時，K的計算值與實際值會產生偏差，從而影響凝汽器的端差，最終影響計算結果。對此采用修正系數進行修正。

將由此確定的總傳熱系數代入式（3）進行計算更符合實際。

3.2 優化結果

表2為660 MW機組循環水泵的經濟運行方式，表中：A表示1機1泵；B表示2機3泵；C表示1機2泵。

表2 660 MW機組循環水泵的經濟運行方式Tab.2 Economic operation modes of the circulating water pumps in a 660 MW unit

3.3 現場運行方式

由于循環水泵電機為6 kV設備，而且頻繁啟動對機組安全運行影響很大，因此根據計算結果和機組實際運行效率，制定了符合實際的循環水泵運行方式，以提升機組運行經濟性。

（1）早午高峰前高、低背壓凝汽器真空度偏差大于2.3～2.5 kPa（冬季以2.5 kPa為限），且循環水溫升大于14 ℃時，必須及時切換為高速泵方式。

（2）晚高峰后，高、低背壓凝汽器真空度偏差小于1.5 kPa，且循環水溫升小于9.5 ℃時，必須及時切換為低速泵方式。

調整循環水泵運行方式時應循序進行，單機運行時即一小、一大、一大一小；雙機運行時即二小、一大一小、二大、二大一小。沒有特殊原因，一臺泵一天內禁止啟動二次以上，啟動間隔時間需大于30 min。

3.4 經濟效益

通過精心調整，循環水泵耗電率由0.60%降至0.51%，耗電量年均節約168萬kW·h，經濟效益良好。

4 降低開停機過程中循環水泵耗電量

隨著我國經濟形態的轉變，火電機組利用小時數呈下降趨勢，機組開停越來越頻繁。該電廠循環水泵出口管道設有聯絡門，這為機組開停過程中節約循環水泵耗電量提供了思路。

4.1 試驗原理

（1）通過調查發現，最近6次開機均在凌晨進行，運行機組（1號機組）負荷一般在340 MW左右。開機過程中1號機組真空度如表3所示。

表3 最近6次開機過程中1號機組真空度Tab.3 Vacuum degree of the operating unit during 6 startup processes

從表3中可以看出，1號機組真空度均在最佳真空度以上，說明循環水量有富余，可以利用1號機組循環水作為開啟機組的冷卻水，或利用停運機組（2號機組）的循環冷卻水補充1號機組冷卻水。

（2）經分析發現，最近6次停機均在晚高峰后進行，1號機組負荷一般在580 MW左右。停機過程中1號機組真空度如表4所示。

表4 最近6次停機過程中1號機組真空度Tab.4 Vacuum degree of the operating unit during 6 shutdown processes

從表4中可以看出，1號機組真空度均在最佳真空度以下，說明循環水量不足（或水溫高），可以利用2號機組循環水作為1號機組補充水，以提高真空度。

4.2 實施方案

通過分析機組循環水系統可知，電廠1號、2號機組循環水管之間設置了聯絡門，這為開停機過程中使用鄰機水源提供了條件。圖2為1號、2號機組循環水系統聯絡圖。

圖2 1號、2號機循環水系統聯絡圖Fig.2 Contact graph of No.1 and No.2 unit circulating water system

機組啟停工況下，循環水系統采用以下運行方式。

（1）在保證安全運行的前提下，機組并網前不啟動2號機組循環水泵，通過調節1號機組的凝汽器循環水進口電動門開度來提供所需水源。

（2）負荷為200 MW時關小2號機組循環水進出口電動門，以提高1號機組真空度。

（3）機組停運之后，利用1號機組循環水冷卻2號機組余汽，以節約2號機組循環水泵耗電量。

4.3 經濟效益分析

試驗結果表明，每次開停機過程中循環水泵運行時間減少11 h，節約電量約為26 281 kW·h，并且停機過程中可以在2 h內將1號機組真空度提高0.5 kPa。每次開停機合計可節約13 266元，取得了明顯的經濟效益。

5 結 論

（1）通過對兩臺循環水泵電機進行改造，增加了循環水泵運行方式，為降低循環水泵耗電率提供了支持。

（2）將理論和實踐相結合，制定了該電廠循環水泵啟停規定，有效降低了循環水泵耗電率，為同類機組提供了參考。

（3）根據現場設備的具體情況，將1號機組與2號機組進行結合，降低了開停機過程中循環水泵耗電量。