循環(huán)水泵雙速改造后的冷端優(yōu)化試驗(yàn)研究

董益華，樓可煒，孫永平，秦 攀

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

從熱力循環(huán)角度可以認(rèn)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(duì)原先僅靠增減循泵臺(tái)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(jī)組負(fù)荷、不同進(jìn)水溫度下多種循泵組合運(yùn)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(tái)600MW超臨界機(jī)組于2010年進(jìn)行了循泵的雙速改造，并進(jìn)行了冷端優(yōu)化試驗(yàn)。內(nèi)陸機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，沿海機(jī)組為開式系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組均配置2臺(tái)循泵，相鄰機(jī)組之間設(shè)中間聯(lián)絡(luò)閥，由此形成了擴(kuò)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(jí)導(dǎo)葉式斜流泵，型號(hào)分別為88LKXA-25.4和88LKXB-19，電機(jī)分別為由上海電機(jī)廠生產(chǎn)的YLKS1250-16和湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的YKSL2500-16。通過改變電機(jī)內(nèi)部繞組接線方式，進(jìn)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(xiàng)試驗(yàn)，得出循泵在各種高、低速切換運(yùn)行方式下的各項(xiàng)性能參數(shù)，然后由機(jī)組冷端系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果比較，得出循泵雙速改造對(duì)沿海機(jī)組與內(nèi)陸機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益差異。

1 雙速改造后的冷端優(yōu)化試驗(yàn)

為了探明雙速改造后不同運(yùn)行工況下的最優(yōu)組合以及經(jīng)濟(jì)效益，按照汽輪機(jī)、水泵性能試驗(yàn)規(guī)程的要求對(duì)內(nèi)陸600MW超臨界機(jī)組進(jìn)行了冷端優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)期間凝汽器進(jìn)出口蝶閥保持全開，在300～600MW負(fù)荷區(qū)間進(jìn)行了8種循泵組合的試驗(yàn)工況。循泵特性試驗(yàn)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(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，也可繪制出如圖1所示的循泵高、低速運(yùn)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(jìn)入凝汽器的冷卻水流量和開式冷卻水流量。

表1 600MW機(jī)組循泵特性試驗(yàn)結(jié)果

圖1 流量與揚(yáng)程關(guān)系曲線

對(duì)表1中的各種循泵組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后可知，循泵從高速切換至低速運(yùn)行后，循泵功率的下降幅度基本達(dá)到了預(yù)期效果，而流量、揚(yáng)程的變化卻與設(shè)計(jì)預(yù)期有一定的偏差。主要原因是循泵的揚(yáng)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(shí)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(yùn)行壓力升高，對(duì)機(jī)組出力會(huì)有一定的負(fù)面影響，也會(huì)使循泵雙速改造的經(jīng)濟(jì)效益受到影響，機(jī)組背壓與負(fù)荷的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 機(jī)組背壓與負(fù)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(jì)算方法

冷端優(yōu)化試驗(yàn)覆蓋了300～600MW負(fù)荷區(qū)間和8種循泵組合，但受試驗(yàn)時(shí)間條件的限制，不能覆蓋整個(gè)進(jìn)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(jìn)水溫度條件下的凝汽器壓力值。

凝汽器的傳熱計(jì)算是其變工況熱力計(jì)算的核心，計(jì)算方法有很多，都是根據(jù)試驗(yàn)而得到的經(jīng)驗(yàn)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(xué)會(huì)公式HEI[1-2]。無論用BTИ還是HEI來計(jì)算凝汽器傳熱系數(shù)，結(jié)果相差不多，都能比較準(zhǔn)確地反映凝汽器的傳熱特性。HEI公式相對(duì)簡單明了，對(duì)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(jì)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(yīng)用凝汽器相關(guān)熱平衡方程式[3-4]以及前文描述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)凝汽器進(jìn)行變工況計(jì)算后，可以計(jì)算得出在試驗(yàn)機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水流量以及循環(huán)水進(jìn)水溫度等參數(shù)下的凝汽器理論背壓。各個(gè)試驗(yàn)工況計(jì)算得出凝汽器理論背壓與試驗(yàn)背壓的對(duì)比情況如圖3所示。對(duì)圖3中的2條曲線進(jìn)行對(duì)比后可知，各個(gè)試驗(yàn)工況下凝汽器理論背壓與試驗(yàn)背壓之間的平均偏差約為0.14 kPa。進(jìn)行細(xì)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(yàn)機(jī)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(jì)算的傳熱系數(shù)與試驗(yàn)傳熱系數(shù)之間存在一些偏差。為了對(duì)這些偏差因素進(jìn)行修正，引入了凝汽器傳熱綜合修正因子，用來對(duì)BTИ理論計(jì)算的傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，使其更加符合凝汽器的實(shí)際傳熱性能。

圖3 理論背壓與試驗(yàn)背壓曲線對(duì)比

凝汽器實(shí)際傳熱系數(shù)的修正計(jì)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(yùn)行條件與理論值之間偏差影響的1個(gè)綜合函數(shù)，可以通過每個(gè)試驗(yàn)工況計(jì)算得出凝汽器傳熱綜合修正因子后，再經(jīng)過數(shù)學(xué)回歸分析的方法計(jì)算得到。

式中：K為凝汽器實(shí)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(jì)算的凝汽器傳熱系數(shù)。

采用凝汽器傳熱綜合修正因子對(duì)BTИ計(jì)算公式進(jìn)行修正后，重新進(jìn)行凝汽器變工況計(jì)算，計(jì)算得出的凝汽器理論背壓與試驗(yàn)背壓對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)凝汽器傳熱理論進(jìn)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(shí)際背壓，提高了凝汽器變工況理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 模型修正后理論背壓與試驗(yàn)背壓曲線對(duì)比

2.3 最優(yōu)循泵組合的計(jì)算結(jié)果

在一定機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水進(jìn)水溫度條件下，進(jìn)行冷端優(yōu)化計(jì)算的目的是：通過改變循環(huán)水流量，使機(jī)組負(fù)荷的增加值與循泵所耗功率的增加值之間的差值達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的循泵組合稱之為最優(yōu)組合。循泵組合方式的尋優(yōu)計(jì)算涉及兩方面的資料準(zhǔn)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(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響關(guān)系曲線。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以從機(jī)組循環(huán)效率試驗(yàn)、變背壓微增出力試驗(yàn)以及循泵特性試驗(yàn)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)中整理得出。

通過試驗(yàn)得出某600MW機(jī)組8種循泵組合運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)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(zhǔn)，其他任一運(yùn)行方式與之比較，就會(huì)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(jì)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(fù)荷曲線所對(duì)應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷變化數(shù)值，即機(jī)組微增出力數(shù)值。當(dāng)然，這些出力微增是以循泵耗功增加為代價(jià)而獲得的，若是在機(jī)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(yùn)行調(diào)整而獲得的凈收益。進(jìn)行相互比較后，能夠獲得凈收益最大的循泵運(yùn)行組合方式。

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

2.4 對(duì)循泵組合尋優(yōu)計(jì)算結(jié)果的討論

表2所推薦的最佳循泵組合是在機(jī)組負(fù)荷影響與循泵耗功比較的基礎(chǔ)上得出的。由于機(jī)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(shí)間，實(shí)際操作過程中不可能強(qiáng)求如表2所列的最佳組合，應(yīng)當(dāng)根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的機(jī)組負(fù)荷率、循環(huán)水進(jìn)水溫度變化規(guī)律進(jìn)行循泵運(yùn)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(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)組負(fù)荷受省調(diào)指令而改變，所以不同循泵組合產(chǎn)生的機(jī)組負(fù)荷收益其實(shí)反映了機(jī)組煤耗的變化，由此產(chǎn)生一個(gè)燃料成本費(fèi)用的變化；與此同時(shí)，由于循泵耗功變化引起廠用電率的改變，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)用電費(fèi)用的變化，將這兩個(gè)費(fèi)用疊加后形成一個(gè)綜合的費(fèi)用變化，也可以用來進(jìn)行不同循泵組合之間的經(jīng)濟(jì)性比較。經(jīng)初步核算，采用費(fèi)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(dāng)入廠煤價(jià)、上網(wǎng)電價(jià)取值發(fā)生較大變化時(shí)，最佳循泵組合的工況點(diǎn)才會(huì)發(fā)生一些整體偏移。當(dāng)入廠煤價(jià)明顯上漲時(shí)，通過表2選擇最佳組合時(shí)應(yīng)略偏向于考慮循泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)較多或循環(huán)水運(yùn)行流量較大的尋優(yōu)趨勢；而當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)上調(diào)時(shí)，則應(yīng)偏向于考慮循泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)較少或循環(huán)水運(yùn)行流量較小的尋優(yōu)趨勢。

3 節(jié)能效益評(píng)估分析

為了評(píng)估循泵雙速改造后的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)內(nèi)陸600MW超臨界機(jī)組一年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)循泵運(yùn)行方式的管理較為粗放簡單：7-8月為兩機(jī)三泵三高組合，其余月份均為一機(jī)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(jìn)行循泵的優(yōu)化組合。先對(duì)每一旬的機(jī)組負(fù)荷和循環(huán)水進(jìn)水溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，然后對(duì)照表2選擇最佳的循泵組合。參照雙速改造后的計(jì)算方式對(duì)雙速改造前循泵最佳組合的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算。在經(jīng)濟(jì)效益比對(duì)計(jì)算過程中，以10 min為1個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行累計(jì)積分，上網(wǎng)電價(jià)參照0.365元/kWh（不含稅）。按此方法計(jì)算得出的循泵雙速改造經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估結(jié)果見表3。

表32009年10月-2010年9月期間經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

改造1臺(tái)循泵的費(fèi)用約為30萬元，從表3中的經(jīng)濟(jì)效益比較結(jié)果來看，若雙速改造后循泵運(yùn)行方式合理，一年即可收回成本。由此可見，對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行雙速改造后的經(jīng)濟(jì)效益較為理想。

沿海的1臺(tái)600MW超臨界機(jī)組雙速改造完成后，發(fā)現(xiàn)循泵在高速、低速運(yùn)行之間切換運(yùn)行時(shí)的功率差值并不大。對(duì)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析后，認(rèn)為在循泵切換為低速運(yùn)行狀態(tài)后，運(yùn)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(jī)組完成循泵雙速改造之后，也進(jìn)行了全面的冷端優(yōu)化計(jì)算分析，依據(jù)循泵最優(yōu)組合計(jì)算結(jié)果確定出高、低速切換的循環(huán)水進(jìn)水溫度時(shí)機(jī)。為了便于作效益比較，表4列出了沿海與內(nèi)陸這2臺(tái)超臨界600MW機(jī)組通過循泵雙速改造所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。從表4所列的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出：沿海機(jī)組的年平均進(jìn)水溫度較低，循泵在低速狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間要略多于內(nèi)陸機(jī)組。總體而言，沿海機(jī)組進(jìn)行循環(huán)水泵雙速改造可以獲得的經(jīng)濟(jì)效益要稍好于內(nèi)陸機(jī)組。

4 結(jié)語

對(duì)內(nèi)陸和沿海600MW超臨界機(jī)組循泵雙速改造后進(jìn)行了冷端優(yōu)化試驗(yàn)，建立了凝汽器變工況計(jì)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(jì)算得出的凝汽器傳熱系數(shù)，使之更加符合凝汽器的實(shí)際運(yùn)行狀況，應(yīng)用效果較好；對(duì)不同機(jī)組負(fù)荷、不同循進(jìn)水溫度下的各種循泵組合進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)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(jì)效益對(duì)比

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

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[2]翦天聰.汽輪機(jī)原理[M].北京：水利電力出版社，1992.

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