燃氣聯合循環機組供熱期最佳真空探討

張 添 李學賓

（1、北京京能清潔能源電力股份有限公司，北京100028 2、北京京西燃氣熱電有限公司，北京100041）

凝汽器的最佳真空是指在一定的機組負荷（電負荷和熱負荷不變）工況下，改變冷卻水條件，機組功率增量收益與冷端設備耗功增量支出之差值最大時的真空值。汽輪機運行的經濟性與最佳真空相關，汽輪機廠家一般只提供阻塞真空曲線，而不提供最佳真空曲線，當然這與機組整體設計也有關系。但是，機組的最佳真空與機組的經濟性息息相關，對機組的經濟效益影響很大，是電廠最關注指標之一。因此得出機組的最佳真空數據對于各個電廠都有很迫切的需要，能夠取得很大的經濟效益。

1 試驗方案的確定

典型的燃氣聯合循環機組為二拖一布置方式，即兩臺燃機輪機拖一臺汽輪機運行。兩臺燃氣輪機通過燃燒天然氣做功，排汽進入各自余熱鍋爐，兩臺余熱鍋爐產生的蒸汽再一起進入汽輪機做功。由于燃氣輪機組發電成本高，基本都在大城市，冷卻方式不能采取傳統的冷卻塔，一般采用機力塔風機冷卻，普遍存在冷卻能力不足，在非供熱工況，凝汽器真空遠大于5KPa，已經大大偏離了最佳真空范圍，沒有研究價值，因此本文主要探討供熱期機組的最佳真空。

嚴格意義上，若想需找最佳真空，試驗時應該解除機組負荷AGC（自動發電控制）及CCS（協調控制），手動選定燃機負荷后，再進行冷端設備調整試驗。這樣在固定燃機負荷情況下，消耗天然氣量將不變，這時啟動一臺風機后計算汽機負荷的增量收益△Pt 是否大于機力塔風機消耗的支出△Pp。當△Pt 與△Pp 差值最大時，這時的真空為機組的最佳真空；當△Pt=△Pp，這時的真空值為機組的最大經濟性真空。

由于機組運行中不具備解除AGC 和CCS 條件，只能在穩定工況直接進行機力塔風機啟停試驗。試驗在AGC 指令不會發生變化的時段進行，一般選擇在前后夜負荷穩定的工況進行。試驗過程中，機組總負荷按照AGC 指令維持不變，維持供熱量不變。若試驗前機組功率為P1+P2+P3=P0，則啟動一臺機力塔風機后，三臺機負荷將變為P12+P22+P32=P0，其中兩臺燃機負荷下降，汽機負荷上升，且汽機的負荷增量等于兩臺燃機的減少量以維持總負荷不變，即（P1- P12）+（P2- P22）=△P32，（△P32=P32- P3）。由于AGC 的調節，啟動機力塔風機后兩臺燃機負荷下降，因此汽機負荷的上升實際是小于理想試驗方案中汽機負荷的上升的。因此只要△P32 的收益＞機力塔風機多消耗廠用電支出即為合算的，且結果更保守。

機組的最佳真空是隨著機組的負荷變化而變化的，通過試驗的方法只能對不同的機組負荷分別試驗，才能得出不同工況下的最佳真空。這里通過在不同負荷下，通過試驗得出幾組不同工況下的最佳真空數據，根據這些數據就能擬合出機組負荷與最佳真空曲線。

按照試驗方案，選擇了幾個穩定試驗機組工況進行了最佳真空的試驗，為了避免試驗數據誤差，采取5S 一個點的取樣周期，然后選取每次變工況前10 分鐘共120 個點取平均得出數據，盡量避免數據誤差。

2 最佳真空計算方法

通過求解以凝汽器壓力、冷卻水溫度和冷卻水流量為變量的目標函數得出凝汽器最佳運行背壓。在一定的機組負荷和冷卻水流量條件下，汽機功率增量減少的天然氣成本與機力塔風機多耗廠用電增加支出之差值為最大時的凝汽器壓力即為最佳運行真空。

根據這一原則建立的目標函數為：

Pt：汽機負荷；

tw：循環水溫度；

Ga：抽真空設備不同運行方式下的抽空氣量；

Gw：循環水流量；

△Pt：汽機負荷增加減少成本；

△Pp：機力塔風機增加的支出。

由于Ga 和Gw一定，則可以得出當公式（2）成立時對應的真空為機組該工況下最佳真空，即：

要求解方程（2），則需要得出△Pt、△Pp 與tw 函數，即汽機負荷增加的收益與循環水溫度關系曲線y1、機力塔耗電增加支出與循環水溫度關系曲線y2 這兩條曲線。另外為了求解最佳真空，還需要循環水溫度與真空曲線y3。

通過實際試驗數據繪制出這三條曲線，并模擬出趨勢線方程式，將y1、y2 兩個方程代入公式（2），即可求出該工況下最佳真空對應的循環水溫度，在將計算的循環水溫度代入y3，即可反算出該工況下對應的最佳真空值。

3 試驗工況及數據計算

供熱期間，進行了多次穩定負荷工況下的啟停機力塔風機試驗，根據實際數據，這里我們進行了六次試驗，將試驗結果計算匯總如下：

3.1 機組負荷612MW、供熱量1350GJ、凝結水流量205T 工況最佳真空計算。

下表1 為根據2015 年3 月4 日試驗數據提出得出的數據表：

表1 612MW、1350GJ、205T 工況數據表

根據表1 數據可以汽機負荷增加的收益與循環水溫度關系曲線y1、機力塔耗電增加支出與循環水溫度關系曲線y2、循環水溫度與真空曲線y3 三個方程，分別如下：

若y1=y2,可以求出x1=13.57℃，代入y3 可以得出對應真空為2.19KPa；

將y1、y2 代入方程（2），可以求出x2=15.6℃，代入y3 可以得出對應真空為2.49KPa。

3.2 數據匯總

同以上方法，計算了其他五次試驗數據，得出下表2 最佳真空試驗數據匯總表如下：

表2 最佳真空試驗數據匯總表

4 最佳真空曲線

供熱期，該機組穩定供熱量基本維持在1000-1400GJ，此次試驗工況覆蓋了運行時所有供熱工況。在供熱期，凝汽器的負荷實際上為低壓缸排汽，排汽量越大，凝汽器負荷就越大，也就是凝結水母管出口流量，因此根據表2 數據，可以得出最大經濟性真空曲線和最佳真空曲線如下圖1。

圖1 最佳真空曲線圖

則可以得出凝結水流量與最大經濟性真空曲線公式如下：

凝結水流量與最佳真空曲線公式如下：

5 結論

根據以上可以得出，隨著機組負荷和供熱量的變化，機組的最佳真空是一個變化量，這里我們以凝結水流量最為變量，得出了凝結水流量與最佳真空的關系，基本覆蓋了穩定運行時的數據，在凝結水流量180-320T/H 時，最佳真空數值在2.38-3.25KPa 之間線性變化。

因此，在機組的實際運行過程中，要根據機組的供熱量的變化，按照凝結水流量的數值，合理的選擇運行真空，盡量保持在最佳真空狀態運行已保證機組獲得最大收益。

6 經濟效益計算

根據試驗結果，將機組運行真空控制標準值由之前的3.5KPa±0.5KPa 修改為2.6KPa±0.3KPa。實際機組平均運行真空由以前的3.6KPa 降低至2.6KPa，機組平均運行真空下降1KPa。

這里采用一組實際試驗數據進行經濟效益估算，下表3 為2015 年2 月22 日一組實際試驗數據：

表3 2 月22 日592MW、1230GJ、224T 工況數據表

從上表3 可以看出，機組真空從2.54 上升至3.68KPa 時機組收益減少984 元/H，折合23616 元/天。按照供熱季122 天計算，整個供熱季節約成本288 萬元。