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        循環(huán)水泵雙速改造后的冷端優(yōu)化試驗研究

        2011-09-12 01:54:42董益華樓可煒孫永平
        浙江電力 2011年9期
        關(guān)鍵詞:雙速冷端背壓

        董益華,樓可煒,孫永平,秦 攀

        (浙江省電力試驗研究院,杭州 310014)

        0 引言

        從熱力循環(huán)角度可以認為冷端損失是制約發(fā)電廠熱效率的主要影響因素,因此,如何降低冷端損失一直是節(jié)能降耗的重要方向。循環(huán)水泵(簡稱循泵)的雙速改造是近些年一些發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的熱門方向之一,對原先僅靠增減循泵臺數(shù)來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量的方式而言,將單轉(zhuǎn)速循泵改造成雙轉(zhuǎn)速后,豐富了調(diào)節(jié)手段,提供了不同機組負荷、不同進水溫度下多種循泵組合運行方式的選擇余地,從而可以獲得明顯的節(jié)能減排效益。

        浙江省內(nèi)陸、沿海各有1臺600MW超臨界機組于2010年進行了循泵的雙速改造,并進行了冷端優(yōu)化試驗。內(nèi)陸機組的循環(huán)水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng),沿海機組為開式系統(tǒng)。每臺機組均配置2臺循泵,相鄰機組之間設中間聯(lián)絡閥,由此形成了擴大單元制供水系統(tǒng)。

        兩家發(fā)電廠的循泵均為長沙水泵廠生產(chǎn)的立式單級導葉式斜流泵,型號分別為88LKXA-25.4和88LKXB-19,電機分別為由上海電機廠生產(chǎn)的YLKS1250-16和湘潭電機廠生產(chǎn)的YKSL2500-16。通過改變電機內(nèi)部繞組接線方式,進行了變極改造,由原先的16極改為16和18極,轉(zhuǎn)速由370 r/min改為370 r/min與330 r/min。在循泵雙速改造完成后,通過專項試驗,得出循泵在各種高、低速切換運行方式下的各項性能參數(shù),然后由機組冷端系統(tǒng)的優(yōu)化計算結(jié)果比較,得出循泵雙速改造對沿海機組與內(nèi)陸機組的經(jīng)濟效益差異。

        1 雙速改造后的冷端優(yōu)化試驗

        為了探明雙速改造后不同運行工況下的最優(yōu)組合以及經(jīng)濟效益,按照汽輪機、水泵性能試驗規(guī)程的要求對內(nèi)陸600MW超臨界機組進行了冷端優(yōu)化試驗。試驗期間凝汽器進出口蝶閥保持全開,在300~600MW負荷區(qū)間進行了8種循泵組合的試驗工況。循泵特性試驗結(jié)果見表1,表中的循環(huán)水流量為流經(jīng)凝汽器的流量。根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù),也可繪制出如圖1所示的循泵高、低速運行特性曲線以及管路阻力曲線。圖1中的循環(huán)水流量為循環(huán)水泵總出口流量,包括了進入凝汽器的冷卻水流量和開式冷卻水流量。

        表1 600MW機組循泵特性試驗結(jié)果

        圖1 流量與揚程關(guān)系曲線

        對表1中的各種循泵組合試驗數(shù)據(jù)進行比較后可知,循泵從高速切換至低速運行后,循泵功率的下降幅度基本達到了預期效果,而流量、揚程的變化卻與設計預期有一定的偏差。主要原因是循泵的揚程受循環(huán)水管路特性條件限制而降低得不多,這使得循環(huán)水流量的實際下降幅度為15.5%左右,與理論降幅10.8%相比是明顯增加了。由于循環(huán)水流量的降低使凝汽器運行壓力升高,對機組出力會有一定的負面影響,也會使循泵雙速改造的經(jīng)濟效益受到影響,機組背壓與負荷的關(guān)系曲線見圖2。

        圖2 機組背壓與負荷的關(guān)系曲線

        2 凝汽器變工況分析

        2.1 凝汽器變工況計算方法

        冷端優(yōu)化試驗覆蓋了300~600MW負荷區(qū)間和8種循泵組合,但受試驗時間條件的限制,不能覆蓋整個進水溫度變化范圍,因此必須依靠建立全范圍的凝汽器變工況模型來確定其他進水溫度條件下的凝汽器壓力值。

        凝汽器的傳熱計算是其變工況熱力計算的核心,計算方法有很多,都是根據(jù)試驗而得到的經(jīng)驗公式,較具代表性的有前蘇聯(lián)別爾曼公式BTИ和美國傳熱學會公式HEI[1-2]。無論用BTИ還是HEI來計算凝汽器傳熱系數(shù),結(jié)果相差不多,都能比較準確地反映凝汽器的傳熱特性。HEI公式相對簡單明了,對各種冷卻管材料品種、規(guī)格及冷卻水溫的修正系數(shù)較為齊全;BTИ公式考慮了影響傳熱系數(shù)的眾多因素,特別是考慮了各因素之間的相互聯(lián)系和影響。綜合比較分析后,采用BTИ公式來計算凝汽器的傳熱系數(shù)。

        2.2 凝汽器傳熱綜合修正因子的引入

        應用凝汽器相關(guān)熱平衡方程式[3-4]以及前文描述的試驗數(shù)據(jù)對凝汽器進行變工況計算后,可以計算得出在試驗機組負荷、循環(huán)水流量以及循環(huán)水進水溫度等參數(shù)下的凝汽器理論背壓。各個試驗工況計算得出凝汽器理論背壓與試驗背壓的對比情況如圖3所示。對圖3中的2條曲線進行對比后可知,各個試驗工況下凝汽器理論背壓與試驗背壓之間的平均偏差約為0.14 kPa。進行細致比較分析后可知,引起偏差的原因主要在于BTИ公式中的一些系數(shù)與試驗機組凝汽器的管束布置、管路結(jié)垢程度、凝汽器內(nèi)聚集空氣量等狀況不符,致使理論計算的傳熱系數(shù)與試驗傳熱系數(shù)之間存在一些偏差。為了對這些偏差因素進行修正,引入了凝汽器傳熱綜合修正因子,用來對BTИ理論計算的傳熱系數(shù)進行修正,使其更加符合凝汽器的實際傳熱性能。

        圖3 理論背壓與試驗背壓曲線對比

        凝汽器實際傳熱系數(shù)的修正計算公式如式(1)所示,其中凝汽器傳熱綜合修正因子可以看作是反映凝汽器結(jié)構(gòu)特性、運行條件與理論值之間偏差影響的1個綜合函數(shù),可以通過每個試驗工況計算得出凝汽器傳熱綜合修正因子后,再經(jīng)過數(shù)學回歸分析的方法計算得到。

        式中:K為凝汽器實際傳熱系數(shù);c為凝汽器傳熱綜合修正因子;KB為BTИ公式計算的凝汽器傳熱系數(shù)。

        采用凝汽器傳熱綜合修正因子對BTИ計算公式進行修正后,重新進行凝汽器變工況計算,計算得出的凝汽器理論背壓與試驗背壓對比情況如圖4所示。圖4中的2條曲線已基本重合,由此表明,采用試驗數(shù)據(jù)對凝汽器傳熱理論進行修正后,可以使推算得出的凝汽器理論背壓更加接近凝汽器的實際背壓,提高了凝汽器變工況理論計算結(jié)果的準確性。

        圖4 模型修正后理論背壓與試驗背壓曲線對比

        2.3 最優(yōu)循泵組合的計算結(jié)果

        在一定機組負荷、循環(huán)水進水溫度條件下,進行冷端優(yōu)化計算的目的是:通過改變循環(huán)水流量,使機組負荷的增加值與循泵所耗功率的增加值之間的差值達到最大,此時對應的循泵組合稱之為最優(yōu)組合。循泵組合方式的尋優(yōu)計算涉及兩方面的資料準備:一是必須掌握如表1所列的不同循泵組合下的循環(huán)水流量、循泵耗功等數(shù)據(jù);二是必須掌握如圖2所列的凝汽器背壓變化對機組負荷的影響關(guān)系曲線。這些基礎數(shù)據(jù)可以從機組循環(huán)效率試驗、變背壓微增出力試驗以及循泵特性試驗等試驗數(shù)據(jù)中整理得出。

        通過試驗得出某600MW機組8種循泵組合運行方式對應的循環(huán)水流量和循泵耗功后,以其中某一組合方式作為基準,其他任一運行方式與之比較,就會出現(xiàn)循環(huán)水流量以及耗功的偏差。采用凝汽器修正后的變工況模型,可以計算得出由于循環(huán)水流量增加而影響凝汽器壓力的數(shù)值,再查取圖2中不同負荷曲線所對應的機組負荷變化數(shù)值,即機組微增出力數(shù)值。當然,這些出力微增是以循泵耗功增加為代價而獲得的,若是在機組出力微增中扣除循泵耗功增加值,則可以得到由于循泵運行調(diào)整而獲得的凈收益。進行相互比較后,能夠獲得凈收益最大的循泵運行組合方式。

        選取較具代表性的機組負荷以及循環(huán)水進水溫度,通過上述計算方法進行不同循泵組合方式的尋優(yōu)計算,從而得出如表2所示的循泵最佳組合計算結(jié)果匯總表。

        2.4 對循泵組合尋優(yōu)計算結(jié)果的討論

        表2所推薦的最佳循泵組合是在機組負荷影響與循泵耗功比較的基礎上得出的。由于機組參與的調(diào)峰狀況偏多,循泵啟停、高低速切換都需要一定的時間,實際操作過程中不可能強求如表2所列的最佳組合,應當根據(jù)一段時間內(nèi)的機組負荷率、循環(huán)水進水溫度變化規(guī)律進行循泵運行方式的合理選擇,盡量避免循泵的頻繁啟停。

        表2 雙速改造后最佳循泵組合匯總

        在機組實際運行過程中,機組負荷受省調(diào)指令而改變,所以不同循泵組合產(chǎn)生的機組負荷收益其實反映了機組煤耗的變化,由此產(chǎn)生一個燃料成本費用的變化;與此同時,由于循泵耗功變化引起廠用電率的改變,也會產(chǎn)生一個用電費用的變化,將這兩個費用疊加后形成一個綜合的費用變化,也可以用來進行不同循泵組合之間的經(jīng)濟性比較。經(jīng)初步核算,采用費用比較方法得出的結(jié)果與表2中采用出力比較的尋優(yōu)結(jié)果是十分接近的,只有當入廠煤價、上網(wǎng)電價取值發(fā)生較大變化時,最佳循泵組合的工況點才會發(fā)生一些整體偏移。當入廠煤價明顯上漲時,通過表2選擇最佳組合時應略偏向于考慮循泵運行臺數(shù)較多或循環(huán)水運行流量較大的尋優(yōu)趨勢;而當上網(wǎng)電價上調(diào)時,則應偏向于考慮循泵運行臺數(shù)較少或循環(huán)水運行流量較小的尋優(yōu)趨勢。

        3 節(jié)能效益評估分析

        為了評估循泵雙速改造后的經(jīng)濟效益,對內(nèi)陸600MW超臨界機組一年的歷史數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)循泵運行方式的管理較為粗放簡單:7-8月為兩機三泵三高組合,其余月份均為一機一泵一高組合。與優(yōu)化組合方式相比,有較大的節(jié)能潛力可以挖掘。為此,以一旬為單位進行循泵的優(yōu)化組合。先對每一旬的機組負荷和循環(huán)水進水溫度進行統(tǒng)計平均,然后對照表2選擇最佳的循泵組合。參照雙速改造后的計算方式對雙速改造前循泵最佳組合的經(jīng)濟效益進行計算。在經(jīng)濟效益比對計算過程中,以10 min為1個采樣點進行累計積分,上網(wǎng)電價參照0.365元/kWh(不含稅)。按此方法計算得出的循泵雙速改造經(jīng)濟效益評估結(jié)果見表3。

        表32009年10月-2010年9月期間經(jīng)濟效益評估

        改造1臺循泵的費用約為30萬元,從表3中的經(jīng)濟效益比較結(jié)果來看,若雙速改造后循泵運行方式合理,一年即可收回成本。由此可見,對循環(huán)水泵進行雙速改造后的經(jīng)濟效益較為理想。

        沿海的1臺600MW超臨界機組雙速改造完成后,發(fā)現(xiàn)循泵在高速、低速運行之間切換運行時的功率差值并不大。對有關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行比較分析后,認為在循泵切換為低速運行狀態(tài)后,運行人員為了避免循環(huán)水管路壓力過低的情況,而關(guān)小了循環(huán)水出口閥開度,形成了額外的節(jié)流損失,這是造成循泵雙速改造后功率下降幅度受到限制的主要原因。

        該沿海機組完成循泵雙速改造之后,也進行了全面的冷端優(yōu)化計算分析,依據(jù)循泵最優(yōu)組合計算結(jié)果確定出高、低速切換的循環(huán)水進水溫度時機。為了便于作效益比較,表4列出了沿海與內(nèi)陸這2臺超臨界600MW機組通過循泵雙速改造所能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。從表4所列的計算結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出:沿海機組的年平均進水溫度較低,循泵在低速狀態(tài)的運行時間要略多于內(nèi)陸機組??傮w而言,沿海機組進行循環(huán)水泵雙速改造可以獲得的經(jīng)濟效益要稍好于內(nèi)陸機組。

        4 結(jié)語

        對內(nèi)陸和沿海600MW超臨界機組循泵雙速改造后進行了冷端優(yōu)化試驗,建立了凝汽器變工況計算模型,并在模型中引入了凝汽器傳熱綜合修正因子,用來修正按BTИ公式計算得出的凝汽器傳熱系數(shù),使之更加符合凝汽器的實際運行狀況,應用效果較好;對不同機組負荷、不同循進水溫度下的各種循泵組合進行了經(jīng)濟性比較,得出了最優(yōu)的循泵組合。

        表4 內(nèi)陸與沿海循泵雙速改造后年經(jīng)濟效益對比

        利用機組歷史數(shù)據(jù),對內(nèi)陸和沿海機組循泵進行雙速改造前、后的最佳組合運行方式進行了經(jīng)濟效益計算和比較。計算結(jié)果表明雙速改造后循泵若采取最佳組合方式運行,則一年即可收回成本。相比之下,沿海機組循泵雙速改造的經(jīng)濟效益要稍好于內(nèi)陸機組。

        [1]齊復東.電站凝汽設備和冷卻系統(tǒng)[M].北京:水利電力出版社,1990.

        [2]翦天聰.汽輪機原理[M].北京:水利電力出版社,1992.

        [3]朱玉娜.大型電站汽輪機的性能監(jiān)測模型研究及應用[D].南京:東南大學,1999.

        [4]朱玉娜,王培紅.凝汽器變工況核算及其傳熱系數(shù)的確定方法[J].電站系統(tǒng)工程,1998,14(6)∶9-11.

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