趙佳駿，華 敏，王 飛，雍天瑞

(1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121; 2.浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007; 3.寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 靈武 750411)

0 引言

對(duì)比常規(guī)濕冷系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)具有顯著的節(jié)水效果，是解決地區(qū)富煤貧水矛盾的有效手段。相比于直接空冷系統(tǒng)，間接空冷系統(tǒng)因其運(yùn)行費(fèi)用低、受風(fēng)影響敏感度低等特點(diǎn)[1]，具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

間接空冷系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，受強(qiáng)冷風(fēng)的影響，冷卻元件及其他管道中的循環(huán)水存在凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，影響系統(tǒng)運(yùn)行安全性。為此，王晗昀[2]采用數(shù)值模擬對(duì)間接空冷系統(tǒng)的散熱性能進(jìn)行了建模分析，研究了影響散熱器翅片管束凍結(jié)的原因，通過控制百葉窗開度防凍。姬偉東等[3]通過扇區(qū)溫度監(jiān)視、加裝密封條、加裝測(cè)溫和測(cè)風(fēng)裝置等措施進(jìn)行冬季防凍。韓玉霞[4]等通過百葉窗開度的自動(dòng)控制、循環(huán)水泵運(yùn)行調(diào)整等措施提高冬季運(yùn)行性能。朱大宏等[5]通過空冷系統(tǒng)回水溫度控制、增加循環(huán)水泵臺(tái)數(shù)等運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)解決防凍問題。目前，防凍措施如百葉窗開度、循環(huán)水泵、冷卻塔出水溫度等的調(diào)節(jié)仍未有系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究。

同時(shí)，間接空冷系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組的冷端系統(tǒng)，是決定汽輪機(jī)背壓的關(guān)鍵。汽輪機(jī)背壓是評(píng)價(jià)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的綜合指標(biāo)[6]，研究機(jī)組冷端優(yōu)化對(duì)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有重要意義。閆旭[7]通過冷端優(yōu)化試驗(yàn)，研究了循環(huán)水泵雙速改造后的汽輪機(jī)最佳背壓和循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式。王攀等[8]建立了冷端優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，確定了凝汽器最佳運(yùn)行背壓?，F(xiàn)階段機(jī)組冷端優(yōu)化研究多集中在濕冷系統(tǒng)。

本文以某660 MW超超臨界機(jī)組表凝式間接空冷系統(tǒng)為對(duì)象，建立了間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化模型，綜合指導(dǎo)系統(tǒng)冬季運(yùn)行優(yōu)化。結(jié)合機(jī)組冬季運(yùn)行優(yōu)化策略對(duì)冷卻塔循環(huán)水出水最低溫度的階梯式控制，以及凝汽器變工況特性、機(jī)組微增出力特性和循環(huán)水泵組合特性，通過系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究，得出不同機(jī)組負(fù)荷、不同冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的循環(huán)水泵最優(yōu)組合，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)概況

1.1 表凝式間接空冷系統(tǒng)

表凝式間接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由表面式凝汽器、循環(huán)水泵及輸水管路、福哥型散熱器以及冷卻塔組成[9]。冷卻水在密閉的環(huán)路中循環(huán)，吸收來自汽輪機(jī)排汽的熱量后，通過冷卻塔散熱器與冷空氣進(jìn)行熱交換散出熱量。

圖1 表凝式間接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 散熱器

冷卻塔散熱器由156個(gè)冷卻三角組成，冷卻三角沿塔圓周方向豎直布置，均由兩端帶有聯(lián)箱的福哥型冷卻元件組成。冷卻三角進(jìn)風(fēng)量通過安裝在冷卻元件前的百葉窗控制。

冷卻三角被分成10個(gè)并聯(lián)的獨(dú)立扇區(qū)，1號(hào)扇區(qū)由12個(gè)冷卻三角組成，2～10號(hào)扇區(qū)均由16個(gè)冷卻三角組成。循環(huán)水回水母管進(jìn)入冷卻塔后沿圓周方向分兩路進(jìn)入各個(gè)扇區(qū)，1、10號(hào)扇區(qū)位于最前端，5、6號(hào)扇區(qū)位于最末端。

1.3 循環(huán)水泵

循環(huán)水泵組由三臺(tái)單級(jí)、雙吸臥式離心泵組成，兩臺(tái)循環(huán)水泵工頻運(yùn)行，一臺(tái)循環(huán)水泵變頻運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)40～50 Hz之間的變頻運(yùn)行，50 Hz變頻運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速即為工頻轉(zhuǎn)速。

2 間冷系統(tǒng)冬季防凍

2.1 環(huán)境條件

該間冷系統(tǒng)所處地區(qū)降水少、溫差大，統(tǒng)計(jì)2018～2019年度冬季環(huán)境溫度數(shù)據(jù)如表1所示。該系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，環(huán)境最低溫度接近-20 ℃，且有較多月份低于0 ℃，在冷卻三角進(jìn)風(fēng)量較大區(qū)域，極易產(chǎn)生局部凍結(jié)，危害機(jī)組安全。

表1 2018～2019年度冬季環(huán)境溫度統(tǒng)計(jì)

2.2 散熱器凍結(jié)影響因素

散熱器凍結(jié)主要受循環(huán)水流量、迎面風(fēng)速、環(huán)境溫度、冷卻三角管束進(jìn)水溫度的影響。

迎面風(fēng)速越大、環(huán)境溫度越低、進(jìn)水溫度越低，散熱器更易發(fā)生凍結(jié)。循環(huán)水流量分布不均勻，引起局部散熱器管束流量較低，也易引起散熱器凍結(jié)。

2.3 冬季運(yùn)行防凍策略優(yōu)化

根據(jù)散熱器凍結(jié)的影響因素，對(duì)系統(tǒng)冬季運(yùn)行防凍策略進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)采用超聲波流量計(jì)對(duì)各個(gè)扇區(qū)循環(huán)水進(jìn)水流量進(jìn)行了測(cè)量，各扇區(qū)流量分布占比如圖2所示。1號(hào)扇區(qū)由于只有12個(gè)冷卻三角，故流量偏小，其他扇區(qū)流量基本保持一致。各扇區(qū)循環(huán)水流量分布較為均勻，避免了因流量分布不均而引起散熱器局部凍結(jié)。

圖2 各扇區(qū)循環(huán)水流量分布比例

(2)為監(jiān)視各扇區(qū)冷卻三角內(nèi)循環(huán)水的溫度，在每個(gè)扇區(qū)出水母管裝設(shè)3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。同時(shí)在各扇區(qū)選取四個(gè)典型位置的冷卻三角，在冷卻管束出水位置即管束最冷部位裝設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)，有效監(jiān)視冷卻三角內(nèi)循環(huán)水溫度，將其受強(qiáng)冷風(fēng)影響凍結(jié)的可能性最小化。

(3)根據(jù)環(huán)境溫度的變化，采用階梯式控制循環(huán)水溫度的方法，在防凍的前提下最大限度降低冷卻塔循環(huán)水出水溫度。循環(huán)水溫度控制策略如表2所示，通過調(diào)節(jié)百葉窗的開度，綜合考慮冷卻塔循環(huán)水出水溫度和各扇區(qū)冷卻三角測(cè)點(diǎn)溫度兩方面對(duì)循環(huán)水溫度進(jìn)行調(diào)整。

表2 冬季運(yùn)行循環(huán)水溫度控制策略

3 間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化模型

3.1 凝汽器變工況計(jì)算

機(jī)組背壓與凝汽器熱負(fù)荷、冷卻塔出口循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量、總傳熱系數(shù)等因素密切相關(guān)，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，相關(guān)參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值運(yùn)行，就會(huì)引起機(jī)組背壓的變化。

凝汽器變工況計(jì)算模型如圖3所示。結(jié)合間冷系統(tǒng)優(yōu)化后的冬季運(yùn)行方式，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，通過百葉窗的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)冷卻塔循環(huán)水出水溫度保持在最低溫度恒定運(yùn)行。輸入機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水流量、凝汽器結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出機(jī)組實(shí)際背壓。

圖3 凝汽器變工況計(jì)算模型

凝汽器的總傳熱系數(shù)計(jì)算是其變工況計(jì)算的核心，采用別爾曼公式對(duì)傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為[10]

K=4 070ξφwφtφzφδ

(1)

式中ξ——考慮冷卻管內(nèi)表面清潔狀態(tài)、材料及壁厚的修正系數(shù)；

φw——考慮冷卻管內(nèi)流速的修正系數(shù)；

φt——考慮冷卻水溫的修正系數(shù)；

φz——考慮冷卻水流程數(shù)的修正系數(shù)；

φδ——考慮凝汽器蒸汽負(fù)荷變化的修正系數(shù)。

別爾曼公式作為一種經(jīng)驗(yàn)性的總傳熱系數(shù)公式，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修正[11]。根據(jù)凝汽器實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，得到不同機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水流量、冷卻塔出口循環(huán)水溫度下的實(shí)際傳熱系數(shù)，與利用別爾曼公式計(jì)算得到的理論傳熱系數(shù)的比值，作為傳熱系數(shù)的修正系數(shù)。

修正系數(shù)φ是機(jī)組負(fù)荷Pel、循環(huán)水流量Dw、冷卻塔出口循環(huán)水溫度two的關(guān)系函數(shù)

φ=f(Pel,Dw,two)

(2)

利用多元回歸分析，可得到修正系數(shù)的回歸方程表達(dá)式，對(duì)別爾曼公式進(jìn)行修正，使凝汽器變工況計(jì)算模型更為準(zhǔn)確。

3.2 機(jī)組微增出力特性

機(jī)組發(fā)電功率與汽輪機(jī)背壓有直接的關(guān)系，在其他邊界條件一定、未達(dá)到阻塞背壓的情況下，在汽輪機(jī)背壓越低，機(jī)組發(fā)電功率越高。機(jī)組微增出力定義為在背壓微小變化條件下功率的變化，這種變化以曲線的形式表示就是機(jī)組微增出力曲線[12]。

通過機(jī)組不同負(fù)荷變背壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)循環(huán)統(tǒng)一修正至同一規(guī)定循環(huán)，同時(shí)參照制造廠提供的修正曲線，將熱力循環(huán)邊界條件修正到同一基準(zhǔn)值，可得到不同負(fù)荷下的機(jī)組微增出力曲線。

3.3 循環(huán)水泵組合特性

通過改變循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和變頻泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵組合的切換。循環(huán)水系統(tǒng)為一個(gè)密閉的環(huán)路，循環(huán)水流量、循環(huán)水泵消耗功率與循環(huán)水泵組合直接相關(guān)。不同循環(huán)水泵組合的流量、耗功特性為間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

為滿足冬季防凍的要求，避免循環(huán)水泵單臺(tái)運(yùn)行，循環(huán)水泵組合方式分為六種：①一機(jī)三泵(變頻泵50 Hz)；②一機(jī)三泵(變頻泵45 Hz)；③一機(jī)三泵(變頻泵40 Hz)；④一機(jī)兩泵(變頻泵50 Hz)；⑤一機(jī)兩泵(變頻泵45 Hz)；⑥一機(jī)兩泵(變頻泵40 Hz)。

3.4 間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算

結(jié)合建立的凝汽器變工況計(jì)算模型，計(jì)算給定機(jī)組負(fù)荷、冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的不同循環(huán)水泵組合對(duì)應(yīng)的機(jī)組背壓。

根據(jù)機(jī)組微增出力特性，將機(jī)組負(fù)荷修正至額定背壓，得到不同循環(huán)水泵組合對(duì)應(yīng)的修正后機(jī)組負(fù)荷，依據(jù)試驗(yàn)所得的煤耗率曲線，計(jì)算不同循環(huán)水泵組合對(duì)應(yīng)的燃煤成本。

機(jī)組負(fù)荷扣除不同循環(huán)水泵組合所消耗的功率及其他廠用電功率，即為機(jī)組上網(wǎng)電功率，根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算不同循環(huán)水泵組合對(duì)應(yīng)的上網(wǎng)電收入。

上網(wǎng)電收入減去燃煤成本，即為機(jī)組發(fā)電利潤。

最終，以機(jī)組最大發(fā)電利潤為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)，得出不同機(jī)組負(fù)荷、冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的循環(huán)水泵最優(yōu)組合。

4 間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 凝汽器變工況計(jì)算試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)凝汽器變工況計(jì)算模型計(jì)算得出的理論背壓與實(shí)際背壓的相對(duì)誤差如圖4所示，除少數(shù)點(diǎn)外，相對(duì)誤差絕對(duì)值均在0.5%以內(nèi)，表明該凝汽器變工況計(jì)算模型較準(zhǔn)確。

圖4 模型計(jì)算背壓與實(shí)際背壓的相對(duì)誤差

4.2 機(jī)組微增出力特性試驗(yàn)

分別在機(jī)組負(fù)荷為100%負(fù)荷、75%負(fù)荷和50%負(fù)荷下進(jìn)行變背壓試驗(yàn)，實(shí)測(cè)得各個(gè)負(fù)荷段的機(jī)組微增出力曲線如圖5所示。其他負(fù)荷段的機(jī)組微增出力曲線通過線性插值計(jì)算得到。

圖5 各負(fù)荷段機(jī)組微增出力曲線

4.3 循環(huán)水泵組合特性試驗(yàn)

通過不同循環(huán)水泵組合試驗(yàn)，實(shí)測(cè)得相應(yīng)組合下的循環(huán)水流量以及循環(huán)水泵組合總功率如表3所示。

表3 循環(huán)水泵組合試驗(yàn)結(jié)果

4.4 間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行優(yōu)化

結(jié)合冬季運(yùn)行循環(huán)水溫度控制策略，利用間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算模型，以標(biāo)煤價(jià)照430元/t和機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)0.259 5元/kWh進(jìn)行計(jì)算，得出不同機(jī)組負(fù)荷、不同冷卻塔循環(huán)水出水溫度下的循環(huán)水泵最優(yōu)組合如表4所示。機(jī)組冬季運(yùn)行環(huán)境溫度較低，循環(huán)水泵組合基本在一機(jī)兩泵運(yùn)行，通過變頻泵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵最優(yōu)組合運(yùn)行。當(dāng)標(biāo)煤價(jià)下降或上網(wǎng)電價(jià)上調(diào)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延遲切換至大流量循泵組合，以降低機(jī)組的廠用電率，使機(jī)組發(fā)電利潤最大。

表4 間冷系統(tǒng)循環(huán)水泵組合優(yōu)化結(jié)果

4.5 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

為了評(píng)估間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行優(yōu)化產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，選取機(jī)組2018年11月～2019年3月期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，循環(huán)水泵組合未優(yōu)化，基本按組合④運(yùn)行。以月為單位對(duì)機(jī)組負(fù)荷、冷卻塔循環(huán)水出水溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)照表4對(duì)循環(huán)水泵組合進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)優(yōu)化前、后的機(jī)組發(fā)電利潤差值進(jìn)行計(jì)算，從而獲得優(yōu)化所產(chǎn)生的月度經(jīng)濟(jì)效益如表5所示，間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行優(yōu)化預(yù)期可增加利潤22.47萬元。

表5 間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行優(yōu)化月度經(jīng)濟(jì)效益

5 結(jié)論

本文針對(duì)660 MW超超臨界機(jī)組表凝式間接空冷系統(tǒng)，通過試驗(yàn)研究，結(jié)合系統(tǒng)防凍優(yōu)化策略，建立了間冷系統(tǒng)變工況運(yùn)行優(yōu)化模型，指導(dǎo)間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行，得到結(jié)論如下：

(1)通過對(duì)凝汽器總傳熱系數(shù)計(jì)算的修正，建立了凝汽器變工況模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際基本吻合。

(2)間冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)循環(huán)水泵推薦一機(jī)兩泵運(yùn)行，通過變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵最優(yōu)組合切換，使機(jī)組發(fā)電利潤最大化。

(3)通過間冷系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)，冬季運(yùn)行預(yù)期可增加利潤22.47萬元，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，在低溫環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)水泵組合的切換，循環(huán)水流量的下降對(duì)于冬季防凍仍具有一定風(fēng)險(xiǎn)，如何確定循環(huán)水最低防凍流量還需進(jìn)一步研究。