燃氣一蒸汽聯合循環機組第二臺循環水泵運行方式優化

王攀

北京太陽宮燃氣熱電有限公司，北京，100028

0 引言

在夏季運行工況下，由于環境溫度高、濕度大，采取單臺循環水泵運行的方式機組經濟性較低。電廠普遍采用啟動第二臺循環水泵的方法提高真空，提升機組經濟性。由于循環水泵耗電量占廠用電比例較大，這就牽扯到何時啟動第二臺循環水泵更經濟的問題。本篇文章以某燃氣-蒸汽聯合循環機組為背景，通過計算的方法，探索在不同負荷、環境溫濕度的條件下，何時啟動第二臺循環水泵能達到節能減排、經濟運行的效果。

1 設備簡介

某燃氣-蒸汽聯合循環機組采用的汽輪機型號為 LN275/CC154型，為三壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、帶抽汽供熱汽輪機機組，額定功率300MW，最大供熱量1700GJ。循環冷卻水系統采用母管制連接，在機組運行期間采取兩用一備或一用兩備方式運行，單臺運行工況下額定流量為7.33m3/s，并泵運行工況下額定流量為6.11m3/s。

2 單臺循泵與雙臺循泵流量計算

2.1 額定參數法

在電廠運行規程中明確提到了循環水泵單臺運行時流量為7.33m3/s，雙臺運行時流量為6.11m3/s，由于雙臺循環水泵并泵運行時母管流量為兩臺循泵流量之和，可以推算出在雙臺循環水泵運行時循環水流量為單臺流量的（6.11+6.11）/7.33=1.667倍。

2.2 計算法

根據伯努利方程

其中：P為管道進出口壓降；s為管道比阻；L為管道長度。

由于凝汽器內管道比阻s、管道長度L不變，因此可近似認為單臺循環水泵與雙臺循環水泵啟動前后循環水的流量比為啟動前后的凝汽器循環水側壓降開方之比，其數據如下表1所示。

表1 單臺循泵與雙臺循泵運行流量計算表

經過計算法可以得出單、雙臺循環水泵運行工況下流量之比約為1.7，與運規中給出的數據接近。但由于該電廠循環水的用戶還有開式水、凝汽器和真空泵冷卻水，而運規中給出的數據僅為循環水母管流量之比，未考慮其他用戶在不同工況下對流量的影響，故由計算法得出的數據更具有代表意義[1]。即第二臺循環水泵啟動前后凝汽器內循環水流量之比約為1.7。

3 增開循環水泵對排汽壓力的影響

3.1 計算原理

本小節主要計算機組排汽壓力隨循環水流量變化的對應關系。當排汽壓力確定后，即可通過機組真空變化情況對汽輪機發電效率的影響和增開循環水泵對廠用電的影響來確定增開循環水泵是否經濟[2]。

通常在凝汽器熱力計算中基本的傳熱公式為

其中：D為汽輪機排汽流量；r為當前壓力下的汽化潛熱；k為傳熱系數；△T為對數傳熱溫差；A為凝汽器換熱面積。

對數傳熱溫差的計算公式為：

其中：△t為循環水溫升；t端差為凝汽器端差。

循環水溫差的計算方法為：

其中：C取4.18；m為凝汽器冷卻倍率。

凝汽器冷卻倍率的計算方法為：

其中：W為循環水流量；D為汽輪機排汽流量。

通過分析可知，3個未知參數r、k、△T均與汽輪機排汽壓力有關。因此，在計算過程中可以先假定1個排氣壓力P1，再求出該排汽壓力下的汽輪機排氣流量D1，當|D1-D0|/D0＜ 0.2% 時，則可以認為假定的排汽壓力為循環水流量變化后的真實排汽壓力，否則應重新進行假定計算，直至合乎要求為止[2]。

3.2 計算步驟

3.2.1 求解單臺循環水泵工況下的傳熱系數K0

當運行工況確定時循環水流量、汽輪機排汽流量均為已知數，根據公式（3-4）可求解出該工況下凝汽器冷卻倍率m0

當運行工況確定時循環水溫升、凝汽器端差均為已知數，根據公式（3-2）可求解出傳熱對數溫差△T0。

最終通過公式（3-1）求解出單臺循環水泵工況下的傳熱系數K0：

3.2.2 求解循環水泵并泵運行工況下的傳熱系數K1

在僅有循環水流量變化時，傳熱系數K與循環水流量W成正比

根據上一節結論可知 W1/W0=1.7

則 K1/K0=1.216

3.2.3 假定壓力

啟動第二臺循環水泵時循環水入口溫度與單泵運行時入口溫度一致，假設排汽壓力P1，則對應的飽和溫度t1，排氣潛熱值r1均可確定。反推計算出m1、△t1、t端差1、△T1及D1。最后計算|D1-D0|/D0，若結果小于0.2% 則證明假設成立[3]。

4 多開循環水泵的耗電量計算

循環水泵單臺運行工況下其運行電流為163A，啟動第二臺循環水泵后每臺循環水泵的運行電流為183A，由此可以計算出增開循環水泵多耗功率。

首先計算單臺循環水泵功率為

再計算并泵運行時功率

其中：cosφ取0.85。

根據公式（4-1）可以求得單臺循環水泵運行工況下循環水泵功率為1.439MW，根據公式（4-2）可以求得循環水泵并泵運行工況下循環水泵功率為3.233MW，由此可以計算出增開一臺循環水泵多耗廠用電為：

5 汽輪機負荷微增量計算

根據經驗，汽輪機排汽壓力每降低1kPa，汽輪機效率就能提高1%，由第三小節能夠計算出確定工況下增開第二臺循環水泵前后真空，因此汽輪機負荷微增量計算方法為:

由于啟動第二臺循環水泵會提高廠用電消耗，只有當汽輪機增加的發電量大于啟動循環水泵的耗電量時才能夠滿足降低氣耗的要求，因此需要計算出多開循環水泵的耗電量與汽輪機發電微增量并進行比較才能夠得出是否需要增開循環水泵的結論[4]。即當啟動第二臺循環水泵后汽輪機負荷微增量大于1.794MW，即可降低機組氣耗。

6 計算實例

通過SIS系統對總負荷400MW單臺循環水泵運行工況下的汽輪機負荷、機組真空、循環水進出口水溫、汽輪機排汽溫度等參數進行統計，并輸入計算公式，即可得到增開循環水泵后機組真空計算值[4]。根據公式（5-1）對汽輪機負荷微增量進行計算，最終得出增開循環水泵后是否經濟的結論。

6.1 純凝工況

對二拖一純凝工況400MW負荷點取數并進行計算，其結果如表2所示。

表2 400MW純凝工況計算表

6.2 抽汽工況

汽輪機抽汽供熱工況是指抽出中壓缸7級及13級部分蒸汽進入熱網系統做功。這導致在總負荷相同的工況下，汽輪機排汽量減少，真空變好[5]。因此理論上同樣負荷下需要在更高的排汽壓力下啟動第二臺循泵才能達到經濟的效果，同樣取400MW工況進行計算，其結果如表3所示。

表3 400MW抽汽工況計算表

6.3 計算結果

從表格2及表格3可以看出：純凝工況下，當總負荷400MW時，純凝工況下排汽壓力高于7kPa時啟動第二臺循環水泵后汽輪機負荷微增量高于多開循環水泵耗功，即啟動第二臺循環水泵更加經濟；而抽汽工況下絕對壓力高于7.5kPa時啟動第二臺循環水泵更加經濟。

7 實際應用

由于實際運行中環境溫濕度、機組負荷是在不停變化的。因此僅計算單一工況下的絕對壓力臨界值是不能滿足節能減排運行要求的[6]。本小節將探索如何制作實時計算表，旨在保證啟動第二臺循環水泵能夠提高機組經濟性，達到節能減排的目的。

7.1 SIS系統

SIS系統是火電廠廠級監控信息系統的簡稱，是為火電廠全廠實時生產過程綜合優化服務的廠級監控管理信息系統。其通過全廠生產過程控制網絡的互聯，實現了各類設備過程信息的實施集中管理，有利于隨時隨地查看全廠生產過程和運行情況。

7.2 制作計算表

使用EXCEL表格及水蒸氣焓熵查詢插件Waspcn，通過SIS系統實時對當前工況下的參數進行取數并計算其經濟性[5]。在紅色單元格內輸入假定壓力后，表格會自動計算出汽輪機負荷微增量，若汽輪機負荷微增量大于多開循環水泵所耗廠用電，則在“建議”單元格輸出“啟動第二臺循環水泵”建議；反之，則輸出“保持單臺運行”建議。其成果如圖1所示。

圖1 循環水運行方式建議計算表格

通過EXCEL表格制作出的運行方式計算表格可以根據實時參數對是否需要啟動第二臺循環水泵給出建議，對調整機組的運行方式、提高機組經濟性具有一定指導意義。

8 結語

針對啟動第二臺循環水泵后汽輪機真空提高、負荷上漲這一現象，本篇文章以機組總負荷400MW為例，計算了汽輪機純凝及抽汽工況下增開循環水泵后的汽輪機負荷微增量，并將其與多開循環水泵耗功進行比較。并采用該方法通過SIS系統、EXCEL軟件制作了循環水運行方式優化建議計算表格，從而達到了實時監測是否需要多開循環水泵的目的。對提高汽輪機運行經濟性具有一定的指導意義。