350MW間接空冷熱電聯產機組最佳背壓運行實踐及碳減排量分析

文_白玉蓮 王斌 劉紹杰 曹歡

1 北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠 2 河北涿州京源熱電有限責任公司

循環水泵作為發電廠的用能大戶，其變頻優化運行有著巨大的節能潛力。但與其他輔機不同，循環泵運行方式不僅會影響廠用電率，而且影響凝汽器真空，間接影響汽輪機效率。循環泵運行轉速越低，耗電量越低，循環水流量越低，凝汽器換熱量越小，背壓越高。經計算，350MW機組廠用電率每降低1%，影響機組供電煤耗降低3.43g/kWh。真空度每降低1%，影響供電煤耗增加2.5g/kWh，因此循環泵運行方式優化應兼顧循環水耗電率及其對凝汽器背壓的影響。馬永剛提出通過零成本上網電量價值與多耗燃煤量價值的差值，確定不同工況下投入幾臺循環水泵運行，經濟效果最佳。劉建平等提出由于真空度提高而引起的汽輪機功率增量與增加循化水量而引起的水泵多消耗的功率差值最大時，汽輪機運行最經濟。張利提出變頻技術在循環水泵上的應用可實現循環水泵轉速和循環水流量的連續調節，使凝汽器最佳真空精確控制成為可能。

涿州熱電每臺機組配置3臺35%主機循環水泵，其中2臺為變頻泵，滿足機組運行全工況最佳背壓連續控制對設備的要求。但汽輪機冷端系統的影響因素復雜多變，使得循環水系統運行優化分析困難；間接空冷系統、冬季供熱，尤其是循環水余熱利用系統的投入，更加大了通過變頻循環水泵調節實現機組全工況最佳背壓運行控制策略制定的難度。

1 最佳經濟背壓

間接空冷系統中，降低汽輪機的排汽壓力可以增加機組的發電功率，但并不是凝汽器背壓越低越好。當機組負荷、環境溫度一定時，要想使得凝汽器背壓降低，只能通過提高循環水泵轉速增加凝汽器循環水量，循環水泵功率增加。當增加循環水流量導致機組多發出的電功率與循環水泵轉速增加導致多消耗的電功率之差達到最大值時，此時凝汽式汽輪機的背壓值就是最佳經濟背壓。圖1為間接空冷凝汽器最佳背壓的示意圖。

圖1 間接空冷凝汽器最佳背壓的示意圖

2 熱力計算模型

為分析供暖期機組凝汽器水側溫度——機組電功率性能，建立了凝汽器的熱力學模型與機組電功率計算模型。根據泵的特性曲線、管路特性曲線，結合多變頻泵并聯運行時的Q-H曲線，建立了多臺循環水泵變頻率運行計算模型。計算比較相同凝汽器入口溫度下，多臺變頻循環水泵不同并聯方式對應的機組電功率及循環水泵耗電量，得出不同凝汽器水側入口溫度下，機組最佳經濟背壓，以及達到最佳經濟背壓時，變頻循環水泵頻率及組合方式。為了簡化計算模型，假設：機組正常運行中，凝汽器的端差是固定不變的；在環境溫度、間冷系統冷卻效果一定時，凝汽器的入口溫度也是固定不變的。

2.1 供暖期凝汽器的熱力學模型

對凝汽器建立能量平衡方程，聯立各方程求解，求得機組不同負荷工況下凝汽器循環水溫升以及凝汽器汽側溫度。凝汽器在機組運行過程中，熱平衡方程為：

式中Qc—凝汽器水側吸熱量，kJ；f1（Ne） —低壓缸排汽的放熱量，kJ；f2（Ne） —小機排汽的放熱量，kJ；f3（Ne）—低加疏水的放熱量，kJ；f4（Ne）—軸封溢流的放熱量，kJ；f5（Ne）—軸封排汽的放熱量，kJ；Qre—熱網疏水放熱量，kJ；Qqt—其他疏水的放熱量，kJ；（Ne）—機組實發功率，MW。

凝汽器熱平衡公式：

式中DwC— 進入凝汽器的循環水量，kg/s；Cp—水的定壓比熱容，一般取4.18 68 kJ/(kg·s)；Δt—凝汽器循環水溫升，℃。

凝汽器汽側溫度：

式中tw1—凝汽器循環水入口溫度，℃；td—凝汽器端差，℃。

2.2 機組電功率計算模型

為確定不同凝汽器循環水入口溫度，不同運行工況下，循環水泵轉速或循環水流量對機組電功率的影響，需要建立機組電功率計算模型，對機組電功率進行計算。

凝汽器中的工質狀態是汽、液兩相共存的，即工質處于濕飽和蒸汽的狀態，其溫度和壓力是兩個互相依賴的參數，即凝汽器壓力由其內部溫度唯一決定的。通過熱力試驗，可求得機組背壓與凝汽器汽側溫度關系，即：

式中Pb—機組背壓，kPa。

通過熱力試驗，同時可求得機組背壓對汽輪機功率的影響系數，即：

式中 α—背壓對機組功率的影響系數，%。

從而得出不同工況、不同凝汽器汽側溫度下，機組的電功率。

2.3 多臺循環水泵變頻率運行計算模型

為確定多臺變頻泵不同組合方式下循環水流量以及循環水泵耗電量，需要建立多臺循環水泵變頻率運行計算模型，采用流量比公式進行對循環水泵進行變工況時流量計算。

式中Q1—工況1時循環水泵流量；Q2—額定工況時循環水泵流量；n1—工況1時循環水泵轉速；n2—額定工況時循環水泵轉速。

需要注意的是，當多臺變頻泵并列運行時，管路系統流阻隨流量變化而變化。導致泵的工況點發生改變，需按照三臺循環泵并聯運行的Q-H曲線圖，對計算流量進行實際流量修正。

3 實例分析與結果討論

公司2臺350MW超臨界間接空冷機組采用帶表面式凝汽器、垂直布置散熱器的自然通風間接空冷系統。主機、小汽機排汽全部進入表凝式間接空冷系統冷卻。循環水系統為單元制閉式循環系統，由并列式間接空冷塔、循環水泵、循環水管道、間接空冷凝汽器組成，由3臺35%主機循環水泵（2臺變頻）向凝汽器提供經空冷塔冷卻后的閉式循環水系統，水質為除鹽水。主機循環泵為單級、雙吸、水平中開式混流泵，型號G48shJ，參數如表1所示。主機循環泵變頻器參數如表2所示。經計算，三臺泵運行的頻率調整方式如圖2所示。

圖2 三臺泵運行的頻率調整方式

表1 主機循環泵設備參數

表2 主機循環泵變頻器參數

變頻循環水泵調節實現機組全工況最佳背壓運行控制實施前后，全廠真空度及循環水泵耗電率如表3所示。

表3 機組全工況最佳背壓運行控制實施前后全廠真空度及循環水泵耗電率

燃煤產生的二氧化碳排放量計算，公式如下：

式中E—煤燃燒的排放量，單位為tCO2；AD—煤的活動數據，單位GJ；EF—煤的二氧化碳排放因子，單位為tCO2/GJ。

式中CC—煤的熱值含碳量，一般取0.02863tC/GJ；OF—煤的碳氧化率，一般取99%。

實施前，全廠真空度90%，循環水泵耗電率0.66%。實施后，全廠真空度92%，循環水泵耗電率0.44%。由于350MW機組廠用電率每降低1%，影響機組供電煤耗降低3.43g/kWh。真空度每降低1%，影響供電煤耗增加2.5g/kWh。故實施最佳背壓運行控制后，每供出1kWh電量，可降低二氧化碳排放17.5×10-6tCO2。按一年供電量30億kWh計算，一年可減少二氧化碳排放52500t。

4 結語

對于間接空冷機組，通過變頻循環水泵調節可實現機組全工況最佳背壓運行，相比循環泵工頻運行方式，在非供暖期的節能效果更為明顯。機組全工況最佳背壓運行可在提高機組真空度的同時降低循環水泵耗電率，機組真空度可提高2%，同時全年循環水泵耗電率可降低0.2%～0.3%，按每臺機組每年供電量15億kWh計算，每臺350MW機組可減少二氧化碳排放量26250t。