華電電力科學(xué)研究院有限公司 鄭 惠 張 圣

在汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件相同的情況下，改變循環(huán)水泵運(yùn)行方式，相應(yīng)的機(jī)組出力和循環(huán)水泵耗功都會(huì)增加，尋求機(jī)組出力增加值與循環(huán)水泵耗功增加值之間的差值最大，是火電廠循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行的目的。由于揚(yáng)程的限制，循環(huán)水泵大都進(jìn)行高低速改造，傳統(tǒng)循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行基于負(fù)荷和循環(huán)水入口溫度進(jìn)行切換，但循環(huán)水泵高低速切換工作量較大，很多地區(qū)晝夜溫差大，頻繁切換不僅工作量大，也會(huì)導(dǎo)致循環(huán)水泵容易出現(xiàn)故障，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性無(wú)法保障。本文提出了一種考慮環(huán)境溫度變化的汽輪機(jī)循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行方法，該方法根據(jù)當(dāng)?shù)厝隃囟鹊淖兓偨Y(jié)出適合季節(jié)氣溫的循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行方式，在保證安全性和實(shí)用性的前提下，追求經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行原理

機(jī)組真空的變化受機(jī)組負(fù)荷、凝汽器冷卻水流量、凝汽器入口循環(huán)冷卻水溫度或環(huán)境溫度等參數(shù)的影響，在機(jī)組特定負(fù)荷下，此時(shí)環(huán)境溫度是一定的，機(jī)組真空主要受凝汽器循環(huán)冷卻水流量的影響，從而可通過(guò)改變循環(huán)水泵運(yùn)行方式來(lái)改變循環(huán)冷卻水的流量，進(jìn)而達(dá)到改變機(jī)組真空的目的。在機(jī)組相同的邊界下，真空度的提高需通過(guò)增加凝汽器循環(huán)冷卻水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，循環(huán)冷卻水流量又與循環(huán)水泵耗功成正比。另一方面，機(jī)組出力隨真空度的提高而增加。因此，通過(guò)改變循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，使在某一運(yùn)行方式下，機(jī)組出力凈增加值最大即為循環(huán)水泵的的最佳運(yùn)行方式。

1.1 機(jī)組最佳運(yùn)行背壓計(jì)算模型

通過(guò)試驗(yàn)得到不同循環(huán)水泵運(yùn)行方式下循環(huán)水泵的耗功量以及機(jī)組真空的改變量，結(jié)合凝汽器變工況性能計(jì)算和真空對(duì)機(jī)組出力的影響曲線(xiàn)，得到機(jī)組在特定負(fù)荷和環(huán)境溫度下的最佳運(yùn)行背壓。

微增出力與機(jī)組背壓的關(guān)系：機(jī)組微增出力與背壓的關(guān)系既可通過(guò)制造廠提供的修正曲線(xiàn)確定，也可通過(guò)機(jī)組微增出力試驗(yàn)得到，制造廠提供的修正曲線(xiàn)主要針對(duì)新機(jī)組，對(duì)于老舊機(jī)組通過(guò)試驗(yàn)的方法得到微增出力曲線(xiàn)更為準(zhǔn)確，其計(jì)算公式為：ΔNT=f1(N,Pk)（1），式中N為機(jī)組負(fù)荷，kW；Pk為機(jī)組背壓，kPa；ΔNT為機(jī)組微增出力，kW。

凝汽器變工況特性：凝汽器壓力受機(jī)組負(fù)荷、冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水流量以及凝汽器本身性能的影響，對(duì)于某特定機(jī)組的凝汽器，本文目的為尋求循環(huán)水泵的最優(yōu)運(yùn)行方式，因此不考慮凝汽器本身性能對(duì)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(jìn)口溫度，℃；W為冷卻水流量，m3/s。

凝汽器壓力的修正：相同負(fù)荷下，凝汽器壓力主要受循環(huán)冷卻水流量和溫度的影響，通過(guò)試驗(yàn)的方法無(wú)法測(cè)得各溫度的凝汽器壓力，因此需進(jìn)行修正，根據(jù)DL/T 1078-2007《表面式凝汽器運(yùn)行性能試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，凝汽器修正后的壓力計(jì)算公式如式(3)、(4)，式中：tsc、t1D、Δtc、δtc分別為凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度修正值、冷卻水進(jìn)口溫度值，修正至設(shè)計(jì)冷卻水流量和溫度的溫升以及端差，℃；WD為設(shè)計(jì)冷卻水流量，kg/s；X為對(duì)總體傳熱系數(shù)進(jìn)行修正后的對(duì)數(shù)平均溫差系數(shù)。通過(guò)公式可計(jì)算得到修正后的凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度tsc，根據(jù)國(guó)際公式化委員會(huì)IFC97水蒸汽性質(zhì)計(jì)算得到凝汽器修正壓力。

循環(huán)水泵耗功：受循環(huán)水泵運(yùn)行方式的影響，不同循環(huán)方式循環(huán)水泵耗功也不同，循環(huán)水泵的運(yùn)行方式包括高低速運(yùn)行、變頻運(yùn)行及開(kāi)啟臺(tái)數(shù)等的不同，不同運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的冷卻水流量也不同。通過(guò)試驗(yàn)的方法，測(cè)得不同循環(huán)水泵運(yùn)行方式的耗功和冷卻水流量，可得到如下相互關(guān)系：Np=f3(W)（5），式中Np為循環(huán)水泵耗功，kW。

最佳運(yùn)行背壓計(jì)算：機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的最佳運(yùn)行背壓與理論計(jì)算的最佳運(yùn)行背壓往往不相同，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受循環(huán)水泵運(yùn)行方式改變的限制，機(jī)組循環(huán)水流量無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)整，只能實(shí)現(xiàn)階梯式的調(diào)整，因此只能得到有限種運(yùn)行方式中最佳的一種：F(N,t,W)=ΔNT-ΔNp（6），在數(shù)學(xué)意義上，當(dāng)?F(N,t,W)/?W=0時(shí)，凝汽器冷卻水流量對(duì)應(yīng)的機(jī)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(yōu)化運(yùn)行方法

煤電機(jī)組由于受循環(huán)水泵揚(yáng)程的要求，往往進(jìn)行高低速改造，根據(jù)該地區(qū)年溫度變化曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)，為避免循環(huán)水泵頻繁高低速切換，將循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行分為春秋季工況、夏季工況和冬季工況。如，某兩臺(tái)煤電機(jī)組循環(huán)水泵采用單元制布置，一臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)循環(huán)水泵，中間用聯(lián)絡(luò)門(mén)相連，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組四臺(tái)循環(huán)水泵的調(diào)節(jié)方式，極大擴(kuò)大了循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)范圍?？筛鶕?jù)當(dāng)?shù)貧鉁刈兓攸c(diǎn)，由于夏季溫度最高、春秋季溫度相當(dāng)、冬季最低，可夏季工況采用兩機(jī)組四臺(tái)高速泵運(yùn)行，冬季工況采用兩機(jī)組兩臺(tái)低速泵兩臺(tái)高速泵運(yùn)行，春秋季工況采用兩機(jī)組三臺(tái)高速泵一臺(tái)低速泵運(yùn)行。這樣一年只需要導(dǎo)泵四次，極大減輕了運(yùn)行檢修工作量，另外，根據(jù)各季節(jié)溫度變化特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和理論模型計(jì)算，提出適合各季節(jié)的循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行方式，使機(jī)組全年經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

2 應(yīng)用案例

某電廠3、4號(hào)機(jī)組采用國(guó)產(chǎn)300MW汽輪機(jī)，其設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下：機(jī)組型號(hào)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(jìn)汽量800.39t/h、低壓缸排汽量571.82t/h、調(diào)節(jié)級(jí)后壓力11.856MPa、給水溫度275.2℃、設(shè)計(jì)熱耗（THA）7910.0kJ/（kW·h）。該機(jī)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(huán)冷卻水系統(tǒng)配套4臺(tái)循環(huán)水泵，其中兩臺(tái)進(jìn)行了高低速改造。在1號(hào)機(jī)與2號(hào)機(jī)循環(huán)水母管上設(shè)置電動(dòng)門(mén)聯(lián)絡(luò)管，作為兩機(jī)組不同負(fù)荷及溫度下循環(huán)水泵的優(yōu)化運(yùn)行以及母管注水用，用以滿(mǎn)足不同季節(jié)和不同負(fù)荷時(shí)凝汽器對(duì)冷卻水量的要求。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁靥攸c(diǎn)，以夏季工況為例進(jìn)行分析，由于夏季氣溫較高、采用四臺(tái)高速泵運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)可知，至少需要兩臺(tái)高速泵運(yùn)行。以此循環(huán)水泵的可調(diào)節(jié)方式有三種：兩機(jī)兩泵運(yùn)行、兩機(jī)三泵運(yùn)行、兩機(jī)四泵運(yùn)行。根據(jù)公式（5），采用試驗(yàn)的方法，不同循環(huán)水泵組合方式下，采用超聲波流量計(jì)測(cè)量得到循環(huán)水流量，根據(jù)不同循環(huán)水泵運(yùn)行下的電壓和電流計(jì)算得到循環(huán)水泵耗功，流量（t/h）與耗功（kW）的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：兩機(jī)四泵50707.5/5766.14、兩機(jī)三泵43494.8/4352.39、兩機(jī)兩泵37308.0/2835.36。

以3號(hào)機(jī)組270MW負(fù)荷試驗(yàn)為例，針對(duì)循環(huán)泵的不同運(yùn)行方式，在兩機(jī)三泵和兩機(jī)四泵兩種運(yùn)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(huán)水進(jìn)水壓力0.22/0.24 MPa、循環(huán)水出水壓力0.10/0.10MPa、循環(huán)水進(jìn)水溫度29.70/33.90℃、循環(huán)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(huán)水平均溫度35.80/39.45℃、循環(huán)水的平均壓力0.16/0.17MPa、循環(huán)水的密度993.87/992.53kg/m3、循環(huán)水比定壓熱容4.18/4.18kJ/（kg·K）、冷卻水溫升12.20/11.10℃、對(duì)數(shù)平均溫差7.79/7.27℃、凝汽器熱負(fù)荷316.64/307.92MW、總體的傳熱系數(shù)2507.85/2850.07W/(m2·K)。

同理，其它負(fù)荷下不同循環(huán)水泵運(yùn)行方式時(shí)，凝汽器熱力性能亦可得到，從而可求得3、4號(hào)機(jī)組在各種不同負(fù)荷、不同循環(huán)冷卻水入口溫度下的循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式，以機(jī)組負(fù)荷為橫坐標(biāo)，循環(huán)水進(jìn)口溫度為縱坐標(biāo)，得到3、4號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行曲線(xiàn)（夏季）如圖1所示。同理可求得3、4號(hào)機(jī)組在春秋季工況及冬季工況的運(yùn)行優(yōu)化曲線(xiàn)。

圖1 3、4號(hào)機(jī)組冷端優(yōu)化運(yùn)行曲線(xiàn)（夏季）