基于發電廠經營收益的循環水泵運行優化

牛小川，鄧新國

（國家能源集團國華徐州發電有限公司，江蘇 徐州 221166）

循環水泵是火力發電廠重要輔機之一，消耗了大量的廠用電；同時，循環水泵也是汽輪機冷端的主要設備之一，對汽輪機排汽真空的建立起到了決定性的作用：可見，循環水泵的優化調度是很有必要的。目前業內對循環水泵優化運行研究較為成熟：既有傳統的從汽輪發電機組性能出發，基于“最大凈出力”，得到循環水泵最佳運行方式的方法；也有充分考慮我國電網主要的調度模式（機組發電量）后，綜合煤耗經濟值和電耗經濟值，得到的基于“煤電經濟值最優”法[1]；還有假定在相同的能量輸入或功率輸出下汽輪發電機組的散熱損失和工業冷卻水帶走的熱量相同，通過調整循環水泵的運行臺數，使汽輪機排汽損失的熱量最小，而得到的“基于能量損失的循環水泵優化運行”方法[2]；還有考慮到循環水泵前池水位變化，對循環水泵流量修正后再對循環水泵運行優化的研究[3]。

本文在循環水泵傳統運行優化方法基礎上，加入發電廠經營系數，以期得到其最優運行方式。

1 循環水泵運行優化建模

1.1 循環水泵運行優化的基本原理

當發電機組在穩定狀態運行時，增開循環水泵或提高循環水泵轉速，循環水泵的電功率消耗增加，此為支出。增開循環水泵后，循環水流量得到提升，通往凝汽器的冷卻水流量增大，這可以獲得更低的凝汽器排汽溫度和壓力，汽輪機背壓的降低，使得機組可以在不增加燃料的情況下取得更大的出力，一般稱為微增出力[4]，此為收入。當收入大于支出時，可以增開循環水泵。同理，也可以進行相反方向的操作。發電機組在每一個穩定工況，總是對應一個最佳的循環冷卻水流量或者循環水泵運行方式，找到這個最佳的方式，并按此執行，這個過程即循環水泵運行優化。此時，機組凝汽器的真空為最佳真空[5]，背壓為最佳運行背壓。

1.2 凝汽器冷卻水流量與循環水泵功率之間的關系

電廠分散控制系統或者電氣控制系統中，均有循環水泵功率的在線檢測數據，包括實時數據及歷史數據，可以方便使用。而循環水流量并非線性增加，它是水泵的性能曲線與管路阻力曲線匹配的結果。凝汽器的冷卻水流量通常小于循環水流量，部分循環水被分流至機組閉式冷卻水熱交換器、真空泵冷卻器或脫硫漿液吸收塔出口[6]。凝汽器的冷卻水流量通常沒有在線測點，需要通過專門的儀器和方法，如超聲波測量法、熒光示蹤檢測法測量[7]。在沒有檢測儀器時，可使用凝汽器冷卻水溫升及凝汽量反推冷卻水流量，得出循環水泵耗功增加與凝汽器冷卻水流量函數關系：

式中：ΔNP為循環水泵耗功增加，kW；Dw為凝汽器冷卻水流量，m3/s。

1.3 機組微增出力與凝汽器冷卻水流量之間的關系

凝汽器冷卻水流量影響機組背壓，機組背壓變化產生微增出力。機組背壓和冷卻水流量的函數關系由凝汽器變工況傳熱特性決定。冷卻水流量的改變，直接改變其溫升，同時改變凝汽器總平均傳熱系數[8]，使端差改變，形成新的排汽溫度和背壓[9]。當凝汽器管水側清潔系數一定、汽側漏空量不變的情況下，凝汽器熱力特性函數是確定的，即

式中：pk為機組背壓，kPa；N為機組功率，MW；t1為冷卻水進水溫度，℃。

機組背壓和微增出力之間的關系，可使用通用計算方法對最末級進行變工況的計算得到，也可以根據機組性能試驗得到：

式中：ΔN為機組微增出力，kW；N為機組負荷，kW。

將式(2)、式(3)聯立，即得到

1.4 循環水泵最佳運行方式判斷

通常情況下，把機組微增出力與循環水泵耗功增加相減，即得到收益功率：

式中SSY為循環水泵運行方式優化收益，kW。

求SSY的極大值，將上式對Dw求導，當結果等于0時，即有最大收益：

1.5 考慮電廠經營的情況

在電廠經營過程中，機組微增出力并不能直接上網。電網對發電機組的負荷調度不論在年總量上還是在瞬時，都是全網考慮，不以單個發電廠為意。發電機組負荷調度如圖1所示。當循環水泵耗功（廠用電）增加后，上網電量相應減少，而機組的微增出力將被控制系統壓回去，通過減少給煤量，維持發電機出口負荷不變[10]。所以對發電廠經營來說，在增開循環水泵的過程中，其損失的是售電量（上網電量），節省的是采購煤。

圖1 發電機組負荷調度示意Fig.1 Schematic diagram of load dispatching for power units

在此，需要引入一個發電廠經營系數（簡稱經營系數），對循環水泵運行方式重新優化，即

式中k為經營系數。

求SSY的極大值，將上式對Dw求導，當結果等于0時，即有最大收益：

當經營系數較高時，趨向于減少循環水泵功耗，盡可能增加上網電量。當經營系數較低時，趨向于加大循環水泵功率，減少煤炭的使用。經營系數一般而言大于1。當經營系數等于1時，該優化結果與“最大凈出力”法優化結果相同。

1.6 經營系數的計算

目前燃料成本是火電廠的主要成本[11]。經營系數可以表述為度電收入與度電燃煤成本的比值。其中發電廠的度電收入與上網電價、增值稅率相關：

式中：B為發電廠度電燃煤成本，元/(kW·h)；α為增值稅率，目前火電廠增值稅率為13%；T為上網電價，元/(kW·h)；α·B為度電燃煤成本抵扣稅額，元/(kW·h)。

發電廠的度電燃煤成本與到廠煤價、到廠煤發熱量、煤場損耗、供電煤耗等參數有關。由于煤場損耗占比不大，儲存3個月的熱值損耗不超過2%[12]，可忽略，所以有

式中：29 307為標準煤低位熱值，kJ/kg；Q為入廠煤熱值，kJ/kg；Tm為入廠煤價，元/g；Bg為供電煤耗，g/(kW·h)。

聯立式(9)、式(10)可得到經營系數：

由式(11)可以看出，當發電廠經營環境和經營狀況良好時，即上網電價越高、煤價越低、供電煤耗越低、增值稅率越低時，經營系數越高，這時應減少循環水泵功耗，減少廠用電的消耗，爭取將發電機的發電量多上網；反之則應以減少煤炭消耗為主。供電煤耗和入廠煤熱值這2項參數在實際應用中較難以準確計算或測量，工作量亦較大。若測算的入廠煤熱值比實際偏高或供電煤耗比實際值偏低時，即對電廠的經營系數產生了高估，延誤增開循環水泵的時機，電廠應避免這種情況發生。

2 實例應用

2.1 設備概況

徐州電廠2號1 000 MW汽輪機為N1000-26.25/600/600型超超臨界、單軸、中間一次再熱、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。該機組配套N57000雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器。凝汽器冷卻水系統采用自然對流冷卻塔循環冷卻方式，配備3臺YLKS1250-16型混流式葉輪不可調定速運行循環水泵。

2.2 凝汽器冷卻水流量與循環水泵耗功關系

機組實際運行時，循環水泵運行方式有單泵運行、兩泵并聯和三泵并聯3種。在不同循環水泵運行方式下，凝汽器冷卻水流量與循環水泵功耗關系見表1。

表1 冷卻水流量和循環水泵功耗對應關系Tab.1 The table of cooling water flow and circulating water pump power consumption

2.3 凝汽器變工況熱力特性

根據機組運行參數歷史曲線，選取穩態工況進行記錄，雙背壓凝汽器熱力特性統計見表2。為使數據準確，應盡量選擇機組長時間穩定的工況點，避開變工況時段。可以多選擇一些工況點，理論上選擇的工況點越多，樣本誤差越小，其結果也越接近真實，并具有指導性。

表2 凝汽器熱力特性統計Tab.2 Statistical table of thermodynamic characteristics of condenser

2.4 機組微增出力與背壓的關系

該1 000 MW機組設計背壓為5.03 kPa。根據電廠與調試單位提供的汽輪機性能試驗報告，將背壓變化對汽輪機出力的修正進行擬合形成曲線。為使擬合函數接近試驗工況參數，采取了分段函數的形式，得出機組出力修正系數與背壓關系[13]：

2.5 經營系數

煤價波動較大，2005—2008年動力煤價格經歷了從400元/t左右到1 000元/t左右的大幅上漲。2012年價格又從800元/t左右下降到2016年的500元/t左右[14]。煤價成為影響經營系數的主要因素。發電廠經營系數見表3。當到廠煤價達到890元/t時，經營系數為1.00。機組上網電價如果分峰谷電價也會對經營系數產生較大影響。當然在冬季時，由于機組背壓較低，其供電煤耗也會相應減少，會相應地提高經營系數，而炎熱的夏季則相反。

表3 發電廠經營系數Tab.3 The operation coefficient of power plant

2.6 循環水泵優化運行結果

對表1—表3中的數據，運用循環水泵運行優化模型進行處理，可以得到機組在各種負荷、不同的冷卻水溫度下循環水泵最優運行方式[15]。將各最優運行方式繪制在一張圖上，得到循環水泵3種運行方式的分界線，具體如圖2所示。

當處于冬季，冷卻水進水溫度較低時，應少開循環水泵，盡可能單循環水泵運行。當氣溫轉暖，冷卻水進水溫度升高，負荷越高，越需要增開循環水泵。發電廠的經營系數對循環水泵運行方式的分界線影響較大。當發電廠的經營系數較高時，增開循環水泵的分界線向右移動，意味著應較晚地 增開循環水泵，增加單循環水泵的運行時間，減少3臺循環水泵并聯運行的時間。當煤價上漲等因素造成發電廠經營系數下降時，則應減少單循環水泵運行時間，增加3臺循環水泵的并聯運行時間。

圖2 不同經營系數下循環水泵運行方式優化分界線Fig.2 The optimal dividing line of circulating water pump operation mode with different operation coefficients

需要說明的是，此優化結果是在凝汽器熱力性能不變的情況下得到的。當發生凝汽器熱力性能下降的情況，如冷卻水管清潔系數降低、汽側嚴密性下降、冷卻水管堵漏較多換熱面積減小等，應設法采取措施恢復其熱力性能。若無法在短時間內恢復，應重新確定凝汽器的熱力特性函數，以此得到新的循環水泵運行優化結果。凝汽器的熱力性能下降時，增開循環水泵的分界線將向左移動，意味著應在更低的溫度及負荷下增開循環水泵。

3 結 論

1）發電廠在進行循環水泵運行方式優化時，應考慮電廠的經營情況。加入發電廠經營系數而新得到的循環水泵最優運行方式能最大限度、更真實地提高機組和發電單位的實際經營收益。

2）當發電廠經營良好，到廠煤價低、上網電價高、供電煤耗少、增值稅率低時，應推遲增開循環水泵的時間。當煤價或者稅率升高，發電廠經營情況相對不利時，應提前增開循環水泵，以節約燃煤。

3）循環水泵最優運行方式的具體參數可以運用本文的數學模型，通過定量計算得到。