考慮環境溫度變化的火電廠循環水泵優化運行方法

華電電力科學研究院有限公司 鄭 惠 張 圣

在汽輪發電機組邊界條件相同的情況下，改變循環水泵運行方式，相應的機組出力和循環水泵耗功都會增加，尋求機組出力增加值與循環水泵耗功增加值之間的差值最大，是火電廠循環水泵優化運行的目的。由于揚程的限制，循環水泵大都進行高低速改造，傳統循環水泵優化運行基于負荷和循環水入口溫度進行切換，但循環水泵高低速切換工作量較大，很多地區晝夜溫差大，頻繁切換不僅工作量大，也會導致循環水泵容易出現故障，運行經濟性無法保障。本文提出了一種考慮環境溫度變化的汽輪機循環水泵優化運行方法，該方法根據當地全年溫度的變化，總結出適合季節氣溫的循環水泵優化運行方式，在保證安全性和實用性的前提下，追求經濟效益最大化。

1 循環水泵優化運行原理

機組真空的變化受機組負荷、凝汽器冷卻水流量、凝汽器入口循環冷卻水溫度或環境溫度等參數的影響，在機組特定負荷下，此時環境溫度是一定的，機組真空主要受凝汽器循環冷卻水流量的影響，從而可通過改變循環水泵運行方式來改變循環冷卻水的流量，進而達到改變機組真空的目的。在機組相同的邊界下，真空度的提高需通過增加凝汽器循環冷卻水的流量來實現，循環冷卻水流量又與循環水泵耗功成正比。另一方面，機組出力隨真空度的提高而增加。因此，通過改變循環水泵的運行方式，使在某一運行方式下，機組出力凈增加值最大即為循環水泵的的最佳運行方式。

1.1 機組最佳運行背壓計算模型

通過試驗得到不同循環水泵運行方式下循環水泵的耗功量以及機組真空的改變量，結合凝汽器變工況性能計算和真空對機組出力的影響曲線，得到機組在特定負荷和環境溫度下的最佳運行背壓。

微增出力與機組背壓的關系：機組微增出力與背壓的關系既可通過制造廠提供的修正曲線確定，也可通過機組微增出力試驗得到，制造廠提供的修正曲線主要針對新機組，對于老舊機組通過試驗的方法得到微增出力曲線更為準確，其計算公式為：ΔNT=f1(N,Pk)（1），式中N為機組負荷，kW；Pk為機組背壓，kPa；ΔNT為機組微增出力，kW。

凝汽器變工況特性：凝汽器壓力受機組負荷、冷卻水進口溫度、冷卻水流量以及凝汽器本身性能的影響，對于某特定機組的凝汽器，本文目的為尋求循環水泵的最優運行方式，因此不考慮凝汽器本身性能對其保持真空能力的影響，凝汽器變工況特性可采用公式表示：Pk=f2(N,t,W)（2），式中t為冷卻水進口溫度，℃；W為冷卻水流量，m3/s。

凝汽器壓力的修正：相同負荷下，凝汽器壓力主要受循環冷卻水流量和溫度的影響，通過試驗的方法無法測得各溫度的凝汽器壓力，因此需進行修正，根據DL/T 1078-2007《表面式凝汽器運行性能試驗規程》的規定，凝汽器修正后的壓力計算公式如式(3)、(4)，式中：tsc、t1D、Δtc、δtc分別為凝汽器壓力對應的飽和溫度修正值、冷卻水進口溫度值，修正至設計冷卻水流量和溫度的溫升以及端差，℃；WD為設計冷卻水流量，kg/s；X為對總體傳熱系數進行修正后的對數平均溫差系數。通過公式可計算得到修正后的凝汽器壓力對應的飽和溫度tsc，根據國際公式化委員會IFC97水蒸汽性質計算得到凝汽器修正壓力。

循環水泵耗功：受循環水泵運行方式的影響，不同循環方式循環水泵耗功也不同，循環水泵的運行方式包括高低速運行、變頻運行及開啟臺數等的不同，不同運行方式對應的冷卻水流量也不同。通過試驗的方法，測得不同循環水泵運行方式的耗功和冷卻水流量，可得到如下相互關系：Np=f3(W)（5），式中Np為循環水泵耗功，kW。

最佳運行背壓計算：機組實際運行的最佳運行背壓與理論計算的最佳運行背壓往往不相同，因為實際運行過程中，受循環水泵運行方式改變的限制，機組循環水流量無法實現無極調整，只能實現階梯式的調整，因此只能得到有限種運行方式中最佳的一種：F(N,t,W)=ΔNT-ΔNp（6），在數學意義上，當?F(N,t,W)/?W=0時，凝汽器冷卻水流量對應的機組背壓為最佳值：?f1(N,Pk)/?Pk×?Pk/?W=?ΔNp/?W。

1.2 考慮溫度變化的優化運行方法

煤電機組由于受循環水泵揚程的要求，往往進行高低速改造，根據該地區年溫度變化曲線統計，為避免循環水泵頻繁高低速切換，將循環水泵優化運行分為春秋季工況、夏季工況和冬季工況。如，某兩臺煤電機組循環水泵采用單元制布置，一臺機組配置兩臺循環水泵，中間用聯絡門相連，從而實現兩臺機組四臺循環水泵的調節方式，極大擴大了循環水流量的調節范圍?？筛鶕數貧鉁刈兓攸c，由于夏季溫度最高、春秋季溫度相當、冬季最低，可夏季工況采用兩機組四臺高速泵運行，冬季工況采用兩機組兩臺低速泵兩臺高速泵運行，春秋季工況采用兩機組三臺高速泵一臺低速泵運行。這樣一年只需要導泵四次，極大減輕了運行檢修工作量，另外，根據各季節溫度變化特點，通過試驗測試和理論模型計算，提出適合各季節的循環水泵優化運行方式，使機組全年經濟性最優。

2 應用案例

某電廠3、4號機組采用國產300MW汽輪機，其設計主要參數如下：機組型號N315-16.7/538/538、額定功率315MW、主蒸汽壓力16.7MPa、主蒸汽溫度538℃、高壓缸排汽壓力3.80MPa、高壓缸排汽溫度324.8℃、再熱蒸汽壓力3.418MPa、再熱蒸汽溫度538℃、排汽壓力5.4kPa、額定主蒸汽流量954.85t/h、再熱后進汽量800.39t/h、低壓缸排汽量571.82t/h、調節級后壓力11.856MPa、給水溫度275.2℃、設計熱耗（THA）7910.0kJ/（kW·h）。該機組冷端采用表面式凝汽器，該凝汽器形式為為單背壓、單流程、雙殼體。循環冷卻水系統配套4臺循環水泵，其中兩臺進行了高低速改造。在1號機與2號機循環水母管上設置電動門聯絡管，作為兩機組不同負荷及溫度下循環水泵的優化運行以及母管注水用，用以滿足不同季節和不同負荷時凝汽器對冷卻水量的要求。

根據當地氣溫特點，以夏季工況為例進行分析，由于夏季氣溫較高、采用四臺高速泵運行，根據運行歷史數據可知，至少需要兩臺高速泵運行。以此循環水泵的可調節方式有三種：兩機兩泵運行、兩機三泵運行、兩機四泵運行。根據公式（5），采用試驗的方法，不同循環水泵組合方式下，采用超聲波流量計測量得到循環水流量，根據不同循環水泵運行下的電壓和電流計算得到循環水泵耗功，流量（t/h）與耗功（kW）的對應關系如下：兩機四泵50707.5/5766.14、兩機三泵43494.8/4352.39、兩機兩泵37308.0/2835.36。

以3號機組270MW負荷試驗為例，針對循環泵的不同運行方式，在兩機三泵和兩機四泵兩種運行方式下，凝汽器的主要熱力性能分別為：凝汽器真空9.64/11.21kPa、凝汽器傳熱面積15770.00/15770.00m2、循環水進水壓力0.22/0.24 MPa、循環水出水壓力0.10/0.10MPa、循環水進水溫度29.70/33.90℃、循環水出水溫度41.90/45.00℃、冷卻水流量21747.38/25353.73t/h、飽和溫度45.12/48.08℃、循環水平均溫度35.80/39.45℃、循環水的平均壓力0.16/0.17MPa、循環水的密度993.87/992.53kg/m3、循環水比定壓熱容4.18/4.18kJ/（kg·K）、冷卻水溫升12.20/11.10℃、對數平均溫差7.79/7.27℃、凝汽器熱負荷316.64/307.92MW、總體的傳熱系數2507.85/2850.07W/(m2·K)。

同理，其它負荷下不同循環水泵運行方式時，凝汽器熱力性能亦可得到，從而可求得3、4號機組在各種不同負荷、不同循環冷卻水入口溫度下的循環水泵最佳運行方式，以機組負荷為橫坐標，循環水進口溫度為縱坐標，得到3、4號機組循環水泵優化運行曲線（夏季）如圖1所示。同理可求得3、4號機組在春秋季工況及冬季工況的運行優化曲線。

圖1 3、4號機組冷端優化運行曲線（夏季）