循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行的經(jīng)濟(jì)分析

秦 攀，林閩成，葉勁松，孫永平，董益華

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行，對發(fā)電機組的凈輸出電能有一定的影響，對提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性有著積極的作用。在機組日常運行過程中，隨著環(huán)境溫度及機組負(fù)荷的變化，可以采取改變循環(huán)水泵（簡稱循泵）運行方式來調(diào)整循環(huán)水流量、改善機組真空、提高汽輪發(fā)電機組的運行效率。因此，在機組負(fù)荷、環(huán)境溫度及循環(huán)水流量之間存在一個尋優(yōu)的目標(biāo)，找到在不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下最優(yōu)的循環(huán)水流量，就可以把機組整體的運行能耗降到最低。

1 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的評價準(zhǔn)則

1.1 電能增益法

確定循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行的判定準(zhǔn)則，最常使用的方法是電能增益法。對1臺機組而言，在機組負(fù)荷和冷卻水溫一定的條件下，增加循環(huán)水流量，會降低汽輪機的背壓，汽輪機的電能會隨著機組背壓的降低而增加。同時增加的循環(huán)水流量又會使循泵的耗功增加。當(dāng)汽輪機電能的微增值ΔPe與循泵的耗電增加值ΔPp之間的差值達(dá)到最大時，所對應(yīng)的循環(huán)水流量即為最佳循環(huán)水流量。這時，汽輪機的最大凈增電能ΔPmax為：

1.2 綜合費用法

發(fā)電廠作為電力市場競爭的主體，不僅關(guān)心電能的節(jié)省，同時也密切關(guān)注發(fā)電過程綜合成本的降低。在機組負(fù)荷和冷卻水溫一定的條件下，改變循環(huán)水流量，使綜合成本煤耗率最低的冷端尋優(yōu)方法，稱為綜合費用法。該方法考慮了煤和電不同能量價值的綜合煤耗率，也把發(fā)電廠供電煤耗、上網(wǎng)電價和標(biāo)煤價格有機地聯(lián)系起來，可以更加直觀地分析判斷發(fā)電廠的節(jié)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

采取該優(yōu)化評價方法時，需把由背壓降低得到增益的發(fā)電機電能，根據(jù)機組供電煤耗和標(biāo)煤價格，折算得到煤耗收益費用ΔFm，再根據(jù)上網(wǎng)電價，推算得到循泵的損耗費用ΔFd，兩者之差達(dá)最大值時就是發(fā)電廠最優(yōu)成本費用所對應(yīng)的循環(huán)水運行方式。這時，汽輪機的最佳綜合費用ΔFmax為：

以上2種方法是從微增電能和綜合煤耗2個方面來體現(xiàn)優(yōu)化運行方式的差異，雖然因標(biāo)煤價格和上網(wǎng)電價的變化而會略有不同，但變化趨勢是一致的。通過以上2種方法對某300 MW機組的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行試驗比較，并進(jìn)行計算分析，給出最優(yōu)的運行方式。

2 循環(huán)水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 汽輪機特性

汽輪機特性就是研究汽輪機背壓與出力的關(guān)系，即在不同的機組排汽流量下，改變凝汽器壓力，得出機組出力與背壓的關(guān)系。當(dāng)其他設(shè)備的運行參數(shù)一定時，在某一新蒸汽參數(shù)和流量下，汽輪機輸出電能與排汽壓力之間的關(guān)系為：

式中：Pe為汽輪機輸出電能；N0為機組負(fù)荷；Pk為汽輪機背壓。

在正常運行時，可認(rèn)為凝汽器壓力變化對機組出力的影響等同于汽輪機背壓變化對機組出力的影響。根據(jù)制造廠提供的汽輪機排汽壓力對機組出力的修正曲線，通過曲線擬合得到不同排汽壓力對應(yīng)的出力值，在確定最佳循環(huán)水量和計算經(jīng)濟(jì)效果時都要用到這一特性關(guān)系。圖l是某300 MW機組滿負(fù)荷運行時典型的背壓與出力的修正曲線。

圖1 某300 MW機組滿負(fù)荷時凝汽器壓力與機組出力的修正曲線

由圖1可知，凝汽器壓力與機組出力基本呈線形關(guān)系，凝汽器壓力每增加1 kPa，機組出力約增加1%。但是當(dāng)汽輪機背壓降低到一定數(shù)值時，再降低背壓，機組出力已不再增加，汽輪機末級葉柵發(fā)生“阻塞”，即動葉斜切部分的膨脹能力已經(jīng)被利用完。如果再降低背壓，蒸汽將在動葉斜切部分之外膨脹，末級焓降與電能均不再增加。若背壓繼續(xù)降低，對應(yīng)的飽和溫度下降，使最低壓力級加熱器的抽汽量增大，致使末級電能減小，此時汽輪機的背壓稱為極限背壓，對應(yīng)的真空即為極限真空。當(dāng)出現(xiàn)上述極限背壓時，如果水溫還要降低，則可減少循泵運行臺數(shù)，減小循泵動葉角度，適當(dāng)關(guān)小循環(huán)水回水調(diào)節(jié)閥，避免機組背壓進(jìn)一步降低，以免對機組安全性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。

2.2 凝汽器的變工況特性

凝汽器變工況計算模型主要是建立機組負(fù)荷、循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量與凝汽器壓力的關(guān)系。在不同熱負(fù)荷、不同冷卻水溫度下，改變進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水流量，得出凝汽器壓力與循環(huán)水流量的變化關(guān)系：

式中：tw1為循環(huán)水入口溫度；Dw為循環(huán)水流量；Dc為排汽流量。

汽輪機的背壓由凝汽器排汽溫度對應(yīng)的飽和壓力得到，凝汽器的排汽溫度為：

式中：ts為凝汽器的排汽溫度；Δt為循環(huán)水平均溫升；δt為凝汽器端差。

2.3 循泵的耗功特性

循泵的耗功特性就是在一定外部環(huán)境中，確定循環(huán)水流量和循泵電能之間的對應(yīng)關(guān)系：

式中：Pp為循泵所耗的電能。

循泵耗功特性中，關(guān)鍵是確定循環(huán)水的流量。由于循環(huán)水流量大、管徑粗、壓力低，不易直接測量，一般多采用熱平衡計算的方法取得。熱平衡計算法是依據(jù)熱量平衡的原理，汽輪機排汽熱量等于循環(huán)水帶走的熱量，通過汽輪機排汽流量、排汽負(fù)荷、循環(huán)水溫升來推算循環(huán)水流量。

根據(jù)循泵的配置和日常運行模式，循泵運行方式可以分為一機一泵、兩機三泵和一機二泵。由于本次試驗機組的循泵動葉在一定范圍內(nèi)可調(diào)，根據(jù)循泵動葉開度分為大、中、小3個不同開度，測定各工況下循泵的耗功和凝汽器循環(huán)水流量的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 試驗循泵組合方式匯總

3 計算實例

針對某發(fā)電廠引進(jìn)型300 MW汽輪機組開展循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化試驗，通過變換機組負(fù)荷、改變循環(huán)水流量，在不同的季節(jié)進(jìn)行循泵組合優(yōu)化。在試驗的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行凝汽器變工況計算，根據(jù)電能增益法、綜合費用法，分別得到各不同進(jìn)水溫度下的優(yōu)選運行方式。

3.1 電能增益法計算結(jié)果

為了方便比較表1中各種組合方式的優(yōu)劣，選用處于中間狀態(tài)的兩機三泵動葉居中的組合作為參比工況，所得電能為其他不同的組合工況與參比工況的差值，電能大于0，說明組合工況優(yōu)于參比工況，電能越大，說明組合工況越節(jié)能。設(shè)計進(jìn)水溫度20℃時的節(jié)約電能比較如圖2所示。

3.2 綜合費用法計算結(jié)果

以兩泵三機動葉居中組合工況作為參比工況，在電能收益的基礎(chǔ)上，考慮機組實際的供電煤耗、標(biāo)煤價格（以850元/t計）、上網(wǎng)電價（扣除17%的增值稅后，以0.349元/kWh計），設(shè)計進(jìn)水溫度20℃時的綜合費用比較如圖3所示。

圖220℃進(jìn)水溫度下各工況電能收益比較

圖320℃進(jìn)水溫度下各工況綜合費用比較

4 結(jié)論與建議

從推薦的運行方式看，兩種評價準(zhǔn)則影響趨勢是一致的，只有個別工況略有出入。這是因為兩種評價準(zhǔn)則尋優(yōu)的核心指導(dǎo)思想是相同的，只是存在電能、費用的表現(xiàn)形式差異。綜合費用法是在電能收益的基礎(chǔ)上，又考慮了現(xiàn)實的標(biāo)煤價格和上網(wǎng)電價。在標(biāo)煤價格降低的時候，可以考慮增加循環(huán)水量、降低汽輪機背壓來達(dá)到機組增加發(fā)電量的目的；在上網(wǎng)電價高的情況下，可以考慮減少循泵的耗功來降低廠用電率，以減少發(fā)電成本費用。選取較具代表性的機組負(fù)荷以及循環(huán)水進(jìn)水溫度，依照目前的煤價和電價情況推薦運行組合方式如表2所示。

在循環(huán)水溫大于23℃時，推薦一機二泵動葉大角度和兩機三泵動葉大角度運行方式。兩機三泵動葉大角度工況，雖然是次優(yōu)運行方式，經(jīng)濟(jì)性略遜于一機二泵動葉大開度工況，以循環(huán)水溫30℃、常用機組負(fù)荷率80%計算，兩者費用差約90元/h。但是相比一機二泵多了1臺循泵備用，方便發(fā)電廠合理安排檢修、靈活運籌調(diào)度，在綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性的情況下，可以考慮適當(dāng)延長兩機三泵動葉大角度的運行時間。

表2 推薦運行方式匯總

實際情況中，循泵不可能頻繁啟停切換，出于安全、振動等方面的考慮，動葉也不宜于經(jīng)常調(diào)整。所以在循環(huán)水溫11～23℃之間時，推薦兩機三泵運行，隨著溫度的降低，適當(dāng)調(diào)小循泵的動葉開度。在循環(huán)水溫度低于11℃時，推薦一機二泵運行，適當(dāng)延長動葉小開度的運行時間。

[1]何冬輝.火電廠冷端系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化研究[D].大連∶大連理工大學(xué)，2010.

[2]徐海新.600MW機組循環(huán)水和真空系統(tǒng)優(yōu)化運行[J].發(fā)電設(shè)備，2009（3）∶191-193.