孫永平，柯吉欣，包勁松，樓可煒，樊印龍

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014； 2.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007）

浙江省內(nèi)2個火力發(fā)電廠（簡稱B廠和N廠）各投產(chǎn)了2臺1000 MW機(jī)組，均采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N1000-26.25/600/600型超超臨界機(jī)組。2個發(fā)電廠都地處沿海，B廠采用了傳統(tǒng)的開式循環(huán)水系統(tǒng)，N廠為避免向海域排放溫水影響環(huán)境而采用了閉式循環(huán)水系統(tǒng)。機(jī)組采用不同方式的循環(huán)水系統(tǒng)后，不僅對循環(huán)水泵（簡稱循泵）揚程、功率等參數(shù)提出了不同的選型要求，同時也存在凝汽器進(jìn)口循環(huán)水溫度年平均值等方面的差異，由此而形成了不同的凝汽器設(shè)計壓力，對整機(jī)運行經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生了后續(xù)的影響。

1 循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計特點比較

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成

循環(huán)水系統(tǒng)的功能是將冷卻水送至凝汽器，冷卻凝結(jié)汽輪機(jī)低壓缸的排汽，維持凝汽器真空，使汽水循環(huán)得以繼續(xù)。同時它還向開式水系統(tǒng)的水－水熱交換器和凝汽器真空泵冷卻器等輔助用戶提供冷卻水。

B廠循環(huán)冷卻水采用傳統(tǒng)的開式循環(huán)，即從海里取水和直接排水。循環(huán)水取水口每天會出現(xiàn)2次海水漲、落潮，平均高潮位與平均低潮位之差為1.8 m。

N廠設(shè)計了海水二次循環(huán)的冷卻供水系統(tǒng)，與B廠最大的區(qū)別是設(shè)置了1個特大型的逆流式自然通風(fēng)海水冷卻塔。機(jī)組循環(huán)水仍為海水，只是需從冷卻塔水池取水，由循泵升壓后流經(jīng)凝汽器及連接管路、閥門，然后輸送至冷卻塔的配水管。根據(jù)設(shè)計資料，冷卻塔豎井配水管與水池水面的高度差為15.77 m。循泵提供的揚程不僅需要克服凝汽器及管路的流動阻力，而且還必須克服冷卻塔配水管的高度差。因此，配置冷卻塔的閉式循環(huán)水系統(tǒng)在循泵選型時需要較高的設(shè)計揚程。

1.2 循環(huán)水進(jìn)水溫度的差異

B廠循環(huán)水系統(tǒng)采用海底深層取水，海水溫度較低，晝夜溫差較小。全年平均循環(huán)水進(jìn)水溫度為20℃。其中，2月份的月平均水溫最低，為8.5℃，然后逐月升高，至8月份的月平均水溫達(dá)到最高值為27.9℃。

N廠循環(huán)水系統(tǒng)采用海水冷卻塔，綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化及年費用計算結(jié)果后，選定海水冷卻塔淋水面積為13000 m2，年平均氣象條件下的冷卻塔出水設(shè)計溫度為24.5℃。由于冷卻塔所處的大氣溫度等外在條件時刻在發(fā)生變化，因此出塔水溫也隨時會發(fā)生改變，凝汽器進(jìn)口的循環(huán)水溫呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的隨大氣環(huán)境變化的特性。

1.3 循環(huán)水泵的設(shè)計參數(shù)

B廠和N廠的每臺1000 MW機(jī)組都設(shè)置了2臺循環(huán)水泵，2臺機(jī)組的循環(huán)水母管之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)管道和電動閥門，可實現(xiàn)一機(jī)一泵或二泵、兩機(jī)三泵的擴(kuò)大單元制供水方式，分別適用于機(jī)組在不同季節(jié)工況的循泵切換運行需求。

表1為2個發(fā)電廠循泵運行方式所對應(yīng)的循環(huán)水流量、揚程和耗功等設(shè)計特性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比較可知，在同樣的一機(jī)兩泵運行方式下，N廠的循泵出水流量比B廠偏低約13%，但循泵揚程卻高出69%左右，所以循泵多耗功1744 kW，偏大比例約50%。由此比較結(jié)果可知，引起N廠循泵耗功偏大的主要原因是由于閉式循環(huán)水系統(tǒng)揚程需求較高。

表1 B廠與N廠的循泵設(shè)計參數(shù)

循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，循環(huán)倍率是一個重要的優(yōu)化參數(shù)。B廠與N廠的設(shè)計循環(huán)冷卻倍率分別為65和55。顯然，N廠采用閉式循環(huán)后，不僅引起循泵揚程大幅度增加，還出現(xiàn)了循環(huán)水流量偏低的不利情況。

2 凝汽器設(shè)計參數(shù)的差異比較

2.1 凝汽器背壓型式的選擇

在相同的凝汽器熱負(fù)荷以及循環(huán)水進(jìn)水溫度、流量等運行條件下，雙背壓凝汽器的平均背壓要低于單背壓凝汽器，所以浙江省內(nèi)600MW與1000 MW機(jī)組大多選擇了雙背壓凝汽器。但具體到某一臺機(jī)組是采取單背壓還是雙背壓型式，主要還是與循環(huán)水溫度及流量有關(guān)。一般情況，在循環(huán)水溫較高的地區(qū)選用雙背壓凝汽器，可以獲得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

B廠凝汽器的循環(huán)水進(jìn)水溫度相對較低，而且循泵供應(yīng)給凝汽器的循環(huán)水流量較為充足，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較的結(jié)果是選用單背壓凝汽器；N廠采用冷卻塔閉式循環(huán)，凝汽器進(jìn)口的循環(huán)水溫度受冷卻塔工作的大氣環(huán)境等因素影響，設(shè)計全年循環(huán)水平均進(jìn)水溫度比B廠高出4.5℃，而循泵提供的循環(huán)水流量又偏小，所以N廠優(yōu)化設(shè)計后選用了雙背壓凝汽器。

2.2 凝汽器設(shè)計參數(shù)的比較

2個發(fā)電廠的凝汽器都由上海動力設(shè)備有限公司生產(chǎn)，其設(shè)計方法和理念基本一致，但由于循環(huán)水進(jìn)水溫度、流量等參數(shù)的不同，凝汽器的各項設(shè)計參數(shù)也有較大的區(qū)別。如表2所列，為2臺機(jī)組凝汽器主要的設(shè)計數(shù)據(jù)。由表2可知，B廠凝汽器設(shè)計背壓為4.9 kPa，而N廠高、低壓凝汽器的設(shè)計平均背壓為6.2 kPa，兩者的差異達(dá)1.3 kPa。顯然，N廠循環(huán)水進(jìn)水溫度偏高、循環(huán)倍率偏小的客觀條件對降低凝汽器壓力、提高機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性是十分不利的。

表2 B廠與N廠的凝汽器設(shè)計參數(shù)

由N廠的凝汽器設(shè)計特性曲線可知，在凝汽器其他運行條件保持不變的情況下，若將循環(huán)水設(shè)計進(jìn)水溫度從24.5℃降低至20℃，則高、低壓凝汽器的壓力可分別降低1.5 kPa和1.1 kPa，平均壓力就會從6.2 kPa降至4.9 kPa，與B廠凝汽器的設(shè)計壓力完全一致。由此可見，凝汽器的設(shè)計壓力主要取決于循環(huán)水進(jìn)水溫度。

在機(jī)組冷端設(shè)備設(shè)計選型階段，凝汽器、循泵等設(shè)備的參數(shù)選取是相互影響的。為了彌補(bǔ)循環(huán)水進(jìn)水溫度偏高、循環(huán)倍率偏低的不利因素，N廠凝汽器不僅增加了長度，還通過選用數(shù)量較多、直徑較小的鈦管的管束布置優(yōu)化措施，使凝汽器面積比B廠偏大約12.5%。這樣可以在增加凝汽器傳熱面積的同時，又兼顧凝汽器鈦管內(nèi)的冷卻水流速不至于下降過多，以保證凝汽器有較好的傳熱性能。

3 對機(jī)組運行性能的影響分析

3.1 對機(jī)組熱耗率影響的試驗分析

凝汽器壓力改變對汽輪機(jī)出力、熱耗率的影響關(guān)系，可以表達(dá)為：

式中：ΔHR為汽輪機(jī)熱耗率；Pe為機(jī)組負(fù)荷；ΔPk為凝汽器壓力。

圖1為B廠1000 MW汽輪機(jī)的背壓變化對機(jī)組熱耗率修正曲線。該項試驗在100%，80%和50%這3個負(fù)荷段分別進(jìn)行，由于試驗正值冬季，凝汽器進(jìn)口的海水溫度僅為8℃左右，對應(yīng)3個負(fù)荷工況的凝汽器最低壓力分別為3.5 kPa，3 kPa和2.5 kPa。通過往凝汽器內(nèi)注入空氣的辦法逐步惡化凝汽器的傳熱性能，抬高凝汽器壓力，最高至10 kPa左右。

圖11000 MW機(jī)組變背壓試驗結(jié)果曲線

由圖1可知，即使在凝汽器能夠達(dá)到的最低工作背壓條件下，背壓修正曲線都沒有出現(xiàn)明顯的末端上翹現(xiàn)象，表明該型1000 MW汽輪機(jī)低壓缸的末級葉片通流面積較大。由于機(jī)組在通常帶負(fù)荷運行過程中，低壓缸排汽容積流量不會高于試驗所出現(xiàn)的最大容積流量數(shù)值，所以按照不同的凝汽器壓力從圖1中的變背壓試驗曲線查取熱耗率修正系數(shù)時，較低的背壓即對應(yīng)于較小的修正系數(shù)。由此表明，降低凝汽器運行壓力對改善機(jī)組運行效率始終是有利的。

由圖1曲線可知，在不同的機(jī)組負(fù)荷條件下，凝汽器壓力改變1 kPa，對應(yīng)的機(jī)組出力變化幅度各不相同：機(jī)組在額定負(fù)荷工況運行時，機(jī)組出力變化約0.6%；而機(jī)組50%負(fù)荷工況運行時，機(jī)組出力變化幅度將增大至1.2%左右，反映出機(jī)組出力改變幅度與機(jī)組負(fù)荷率之間大致成反比例的變化關(guān)系。若依照N廠與B廠在額定負(fù)荷工況的設(shè)計背壓6.2 kPa和4.9 kPa來查找圖1中的曲線，則可知由于兩者的背壓偏差而引起機(jī)組熱耗率的差異約為0.9%。若以機(jī)組平均負(fù)荷為80%來估算，則背壓偏差引起機(jī)組熱耗率的上升幅度將增加至1.1%左右。

3.2 對機(jī)組供電煤耗率和運行費用的綜合影響

以B廠1000 MW機(jī)組作為比較基準(zhǔn)，從以下兩方面來分析N廠機(jī)組由于循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計差異而對整機(jī)運行性能的影響幅度：

（1）由于凝汽器進(jìn)水溫度、循環(huán)水流量以及凝汽器面積等方面的差異，形成了不同的凝汽器壓力，使機(jī)組熱耗率上升約1.1%，機(jī)組供電煤耗率上升約3 g/kWh。

（2）由于配置特大型冷卻塔對循泵揚程要求較高，使循泵耗功增加，引起廠用電率上升約0.35%，折合機(jī)組供電煤耗率上升約1 g/kWh。綜合以上2項影響因素，N廠的機(jī)組供電煤耗率將上升約4 g/kWh。若以1臺1000 MW機(jī)組年發(fā)電利用小時為5300 h估算，機(jī)組每年將多耗煤約2萬t。標(biāo)準(zhǔn)煤價取850元/t，則機(jī)組每年多支付的燃煤成本將達(dá)到1700萬元。

4 循環(huán)水系統(tǒng)特性試驗與分析

4.1 N廠循泵工作特性試驗

如表1中所列，在N廠機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計資料中，僅給出了一機(jī)兩泵這一種運行方式的循泵和管路設(shè)計參數(shù)，其他兩種運行方式的循泵流量、功率等數(shù)據(jù)則無從查找，這使得循泵合理切換工作失去了可供參照的依據(jù)。

為了掌握機(jī)組循泵在不同運行方式下的實際運行性能狀態(tài)，其重點與難點是需精確地測定循環(huán)水流量。由于1000 MW機(jī)組的循環(huán)水管道埋在地下，直徑約為3.8 m，材料為水泥預(yù)制管，受現(xiàn)場測量條件的限制，無法采用超聲波流量計等儀器對循環(huán)水流量進(jìn)行精確測量。實際可行的方法是借助高精度試驗儀表來測定排往凝汽器的蒸汽流量以及蒸汽焓值，由此計算得到凝汽器熱負(fù)荷，并根據(jù)實測的循環(huán)水流經(jīng)凝汽器溫升幅度，通過凝汽器熱平衡計算得出循環(huán)水流量。試驗結(jié)果表明，采取這一間接試驗和計算方法可以得出較為準(zhǔn)確可信的循環(huán)水流量。

表3為N廠循泵特性試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)，與表1進(jìn)行比較后可知，在同樣的循泵運行方式下，兩者的揚程、流量以及功率數(shù)據(jù)都較為接近，即循泵實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)較為吻合。

表3 N廠的循環(huán)水系統(tǒng)特性試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

由表3可知，以一機(jī)一泵方式為比較基準(zhǔn)，采取兩機(jī)三泵、一機(jī)兩泵運行方式后，循泵耗功將分別增加1.5倍和2倍，而循環(huán)水流量僅增加約1.25倍和1.5倍。由此表明，通過投運多臺循泵來增加循環(huán)水流量的運行調(diào)整措施，必定以更大幅度的循泵耗功增量為代價。

4.2 B廠循泵葉輪改進(jìn)前后的特性試驗

B廠超超臨界1000 MW機(jī)組自投產(chǎn)以來，一直存在循泵運行電流超過設(shè)計值的問題，并陸續(xù)出現(xiàn)了循泵故障損壞而停運的情況，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行。為了判別循泵頻繁故障的原因，進(jìn)行了循泵特性試驗，確認(rèn)該型循泵的流量、功率都超出了制造廠的設(shè)計要求。

由于該型循泵出廠前沒有做過實泵性能試驗，有關(guān)循泵特性曲線是根據(jù)模型泵的水力特性試驗結(jié)果推算繪制的，因此懷疑在循泵設(shè)計、制造過程中是否存在著嚴(yán)重的偏差問題。制造廠家對循泵設(shè)計、制造過程作了核查，發(fā)現(xiàn)是循泵葉片放樣制造環(huán)節(jié)出了差錯，致使循泵存在葉輪面積偏大的問題，須進(jìn)行循泵葉輪切削以及循泵軸承等損壞部件的修復(fù)工作。

4臺循泵完成修復(fù)后，再次進(jìn)行了循泵性能測試，結(jié)果表明循泵流量已接近設(shè)計值，超設(shè)計電流運行問題已基本得到解決。

為了滿足循泵及循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行的要求，利用循泵修復(fù)后特性試驗的數(shù)據(jù)，對循環(huán)水管路的阻力變化特性進(jìn)行了推算，即通過數(shù)值統(tǒng)計回歸分析的方法，推算得出循環(huán)水系統(tǒng)受海水潮位和凝汽器出水門開度調(diào)整而變化的阻力變化特性曲線。管路阻力曲線與循泵工作特性曲線相交后，即為循泵實際工作狀態(tài)點，推算結(jié)果如圖2所示。

圖2 B廠循泵及管路特性曲線

需指出的是，圖2中的循泵特性線是以設(shè)計平均潮位（吳淞水位2.09 m）為進(jìn)水條件繪制的；由下至上排列的3條管路阻力線分別代表了一機(jī)一泵、兩機(jī)三泵和一機(jī)兩泵運行方式，并假設(shè)循環(huán)水出水門開度分別處于50%，60%和100%這3個通常的開度位置而計算得出的。若是改變海水潮位、凝汽器出水門開度這些邊界條件，則圖2中管路阻力線與循泵特性線的3個交點就會出現(xiàn)相應(yīng)微調(diào)。借助循泵和管路特性試驗曲線，就可以確定循環(huán)水系統(tǒng)在不同運行方式下的揚程、流量和功率等運行參數(shù)，然后進(jìn)一步開展機(jī)組冷端設(shè)備的尋優(yōu)計算和分析工作。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合上述循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計特性與試驗結(jié)果的比較分析，對開式循環(huán)和閉式循環(huán)這兩種不同的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行工作特性差異比較如下：

（1）兩種不同的循環(huán)水系統(tǒng)對循泵提出了不同的選型要求，開式循環(huán)系統(tǒng)的循泵運行特點是揚程低、流量大，電機(jī)功率較小；而閉式循環(huán)系統(tǒng)的循泵揚程需克服冷卻塔配水管與水池水面之間的高度差，所以循泵運行特點是揚程高、流量小，電機(jī)功率較大。

（2）閉式循環(huán)導(dǎo)致了機(jī)組全年循環(huán)水平均溫度升高，凝汽器壓力偏高，這是引起機(jī)組供電煤耗率偏高的主要原因。沿海發(fā)電廠因環(huán)保限制而無法直接從海里取水和排水，將引起機(jī)組發(fā)電煤耗成本的明顯上升，這是為保護(hù)環(huán)境而付出的經(jīng)濟(jì)代價。

在機(jī)組日常運行過程中，為了提高機(jī)組效率，需根據(jù)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)備配置特點，合理選擇循泵和循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式。建議發(fā)電廠以試驗得出的機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)特性參數(shù)為依據(jù)，根據(jù)各自的循環(huán)水溫度變化規(guī)律，合理確定循泵的切換時機(jī)。同時利用循泵定期切換等機(jī)會，做好運行數(shù)據(jù)的收集和分析，對循泵運行方式調(diào)整可以獲得的收益與付出進(jìn)行比較和評估，從而確定機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整模式。

[1]徐傳海.雙背壓凝汽器選型計算及建議[J].電站輔機(jī)，2005，26（2）∶5-10.

[2]包勁松.1000 MW機(jī)組性能分析[J].浙江電力，2011，30（4）∶1-3.