燃氣電廠機力通風冷卻塔的運行方式及優(yōu)化

周長喜

（華北電力大學，北京 102206）

0 概 述

承擔電網(wǎng)調峰任務的燃氣發(fā)電廠多建于水資源缺乏的城市周邊，這在我國北方城市尤其明顯。因為遠離江河湖海，發(fā)電廠循環(huán)冷卻水只好采用中水補給。采用機力通風冷卻塔對循環(huán)水進行冷卻。與傳統(tǒng)的雙曲線自然通風冷卻塔相比，機力通風冷卻塔具有建設周期短、占地少、效率高、耗水量少等諸多優(yōu)點。機力通風冷卻塔依靠電機拖動的大型風機對循環(huán)水冷卻降溫，運行冷卻塔風機所增加的廠用電量是電廠增加的額外的發(fā)電成本。現(xiàn)依據(jù)某燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的生產(chǎn)實際，在總負荷不變的純凝工況下，試驗得出汽機負荷隨凝汽器真空度的變化關系，優(yōu)化機力通風冷卻塔的運行方式。

1 工程概況

該發(fā)電廠為大型燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，配置2臺PG9351FA型燃氣輪機、2臺NG－S209FA－R型余熱鍋爐和1臺LN275／CC154型抽汽凝氣式供熱汽輪機，總裝機容量780MW，以“二拖一”的方式運行，電廠的生產(chǎn)工藝流程，如圖1所示。該套機組共設3臺循環(huán)水泵，夏季最大工況時，并列運行2臺循環(huán)水泵，其他工況下均運行1臺循環(huán)水泵。該套機組共設9格機力通風冷卻塔，每格冷卻塔的循環(huán)水量為5 000m3／h，單塔平面尺寸為17.8m×17.8m；每格冷卻塔設1臺380V電機拖動的風機，低速運行額定功率60kW，高速運行額定功率185 kW。

圖1 該燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠生產(chǎn)工藝流程圖

2 機力通風冷卻塔的初期使用情況

與許多新建電廠一樣，電廠在投產(chǎn)初期把主要精力投入到熟悉設備特性及摸索運行經(jīng)驗之上，考慮的是機組的安全運行。在機力通風冷卻塔的運行調整上，基本思路是在確保設備能得到充分冷卻的基礎上追求凝汽器真空度的最大化。所以，無論春、夏、秋季，當環(huán)境溫度偏高時，9臺機力冷卻塔風機全部為高速運行，在寒冷的冬季，用汽機抽汽進行供熱時，凝汽器真空度高達－98kPa以上，這是十分常見的。

該燃氣發(fā)電廠投產(chǎn)初期的一系列技術經(jīng)濟指標，如氣耗率、補水率、廠用電率等指標，不是未能達標，就是明顯偏高。如年均綜合廠用電率（綜合廠用電率＝綜合廠用電量／全廠發(fā)電量。綜合廠用電包括生活用電、發(fā)電用電和供熱用電）達3.68%，年均發(fā)電廠用電率（發(fā)電廠用電率＝發(fā)電廠用電量／全廠發(fā)電量）達2.87%，而同時期同類型電廠年均綜合廠用電率一般低于3.3%，年均發(fā)電廠用電率低于2.5%，相比之下差距很明顯。

3 最佳真空度與極限真空度的比較

3.1 最佳真空度的不確定性

當汽輪機功率增加量與循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設備多耗功率的差數(shù)為最大時的真空值稱為凝汽器的最經(jīng)濟有利真空，即最佳真空度。顯然，對于任何追求效益最大化的發(fā)電企業(yè)而言，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相關設備運行方式的優(yōu)化，應當以追求最佳真空度為目標。結合該燃氣發(fā)電廠的情況，循環(huán)冷卻水流量不變，則需通過啟動機力冷卻塔風機，降低循環(huán)水溫度來提高凝汽器真空度，從而找出汽輪機功率增加量與機力冷卻塔風機多耗功率的差數(shù)為最大時的真空值。但問題是，機力通風塔借助空氣對流來達到冷卻循環(huán)水的目的，而空氣的溫度、濕度、壓力等均會對機力通風塔的冷卻效果產(chǎn)生影響，也就是說，機力冷卻塔風機的功耗與凝汽器真空并無確定的對應關系，這些對應關系的相關曲線，如圖2所示。Tn（n＝1、2、3……數(shù)字代表不同的大氣條件）曲線反映的是在不同大氣條件下，機力冷卻塔風機功耗與凝汽器真空度變化的關系，大氣條件為T1時最佳真空是V1，則大氣條件為Tn時，與之對應的最佳真空Vn，凝汽器的最佳真空度是隨大氣條件的變化而變化的。所以，只在特定大氣條件下得出的最佳真空度，對電廠的參考意義并不大。

圖2 汽機功率增加量、機力塔風機功耗與真空度的關系曲線

3.2 極限真空度的參考價值

鑒于在使用機力通風塔的電廠其最佳真空度具有不確定性的特點，此處引入極限真空度的概念。凝汽器的真空度不是越高越好，而是有個極限值，這個真空的極限值由汽輪機末級葉片出口截面的膨脹極限所決定。當通過汽輪機末級葉片的蒸汽已達到膨脹極限時，繼續(xù)提高真空度時，汽機負荷不再增大，此時的真空度稱為極限真空度。極限真空度主要通過試驗獲得，即在機組滿負荷或聯(lián)合循環(huán)電廠總負荷不變、汽機進汽參數(shù)穩(wěn)定的情況下，設法提高凝汽器真空度直到汽機負荷不再增大時，記錄下此時的真空值。極限真空相比汽機在最佳真空下運行時的經(jīng)濟性略差，但對于難以確定最佳真空度的發(fā)電廠仍有重要的參考價值。

結合該燃氣發(fā)電廠的情況，循環(huán)冷卻水流量不變，凝汽器真空度的提高幾乎完全依賴機力通風冷卻塔，而每臺機力冷卻塔風機的最大功耗是185 kW，9臺風機全部高速運行總功耗不過1.665 MW，提高真空度的成本不算很高。如圖2所示，汽機負荷增加量隨凝汽器真空的變化關系曲線由函數(shù)ΔP汽＝f（V）表示，V0表示汽機運行的極限真空值，機力塔風機功耗隨凝汽器真空的變化關系曲線Tn由函數(shù)ΔP塔＝fn（V）（n＝1、2、3……數(shù)字代表不同的大氣條件）表示，V0＞V1，V0＞V2……V0＞Vn，不難發(fā)現(xiàn)，汽機運行的極限真空值大于任何大氣條件下的最佳真空值，這意味著獲得汽機的極限真空值往往需要投運更多的機力塔風機和更多的廠用電消耗。但由于提高真空度的成本較低，在追求極限真空的過程中，不僅確保了汽機負荷增加量始終高于機力塔風機的功耗，還確保了汽輪機出力的最大化，對于燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠，這意味著在總負荷不變的情況下，燃機負荷以及天然氣消耗量減少了，同樣能夠收到可觀的經(jīng)濟效益。更重要的是，汽機運行的極限真空值一經(jīng)試驗獲得，便可作為衡量汽輪機出力性能的標準參數(shù)，為機力通風冷卻塔運行方式的優(yōu)化提供重要依據(jù)。

4 試驗過程與實施效果

4.1 試驗條件

（1）對于燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠，若不具備滿負荷試驗條件，則在機組帶較大總負荷且維持不變的條件下進行試驗，可以收到同樣效果。

（2）因抽汽供熱工況下汽機負荷會受到熱負荷波動的明顯影響，該試驗最好在汽輪機純凝工況下進行。

（3）鑒于大氣條件對燃氣輪機排煙溫度以及汽輪機進汽參數(shù)的影響，該試驗需要在大氣條件穩(wěn)定即空氣溫度、濕度基本維持不變的時段進行，大氣條件穩(wěn)定，則燃機進氣溫度和排煙溫度不變，可確保余熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽的參數(shù)及汽輪機進汽參數(shù)的穩(wěn)定。

（4）鑒于該試驗在機組滿負荷或較大負荷純凝工況下進行，對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)有著較高的散熱要求，所以最好選擇在氣溫較低、濕度較小利于散熱的大氣條件下進行，通過機力塔風機的啟停和高、低速運行配置，可獲得試驗所需要的較大的真空變化范圍。

（5）確保凝汽器管壁清潔換熱性能良好，端差、過冷度、真空嚴密性等指標合格，抽真空設備工作正常，試驗過程中確保燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機均能穩(wěn)定運行，無影響機組性能和出力的異常情況。

（6）確保試驗過程中各儀表儀器計量精確且工作正常，在試驗過程中的每個穩(wěn)定的真空條件下，均需對運行數(shù)據(jù)進行大量密集的采集，這對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理以及減小誤差十分必要。采集了某機組的運行數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 總負荷500MW純凝工況下汽機負荷隨凝汽器真空的變化過程

4.2 試驗獲得極限真空

極限真空是反映汽輪機出力的性能參數(shù)，汽輪機自進入發(fā)電廠并經(jīng)過安裝調試后，其出力往往會發(fā)生一些變化，所以，通過試驗獲得的極限真空值更有參考價值。

表1反映的是該燃氣發(fā)電廠某日的夜間溫度約3℃、濕度約40%的相對穩(wěn)定的大氣條件下，在全廠總負荷維持500MW不變，汽輪機在純凝工況運行的情況下，經(jīng)試驗、采數(shù)和統(tǒng)計計算后得出的一組數(shù)據(jù)。不難發(fā)現(xiàn)，汽機負荷增加量隨凝汽器真空的變化關系與圖2中函數(shù)曲線ΔP汽＝f（V）基本吻合，極限真空度V0≈－97kPa，此時，汽機負荷相比機力塔風機全停、凝汽器真空－90.3kPa時的增加量為6.5MW，為此機力塔風機僅需消耗約1MW的廠用電功率。在實際運行中，該燃氣發(fā)電廠機力塔風機的運行調整便以此為方向，無論大氣條件如何、機組負荷多少，只需考慮通過調整機力塔風機高、低速運行配置使凝汽器真空接近－97kPa這個極限真空度即可，而無需額外浪費機力塔風機的功耗去追求無用甚至會降低機組整體經(jīng)濟性的更高真空度。如果遇上氣溫高、濕度大的天氣條件，9臺機力塔風機全部高速運行仍遠低于極限真空，則維持9臺風機高速運行即可；在寒冷冬季里，當汽機在抽汽供熱工況下運行，即使9臺機力塔風機全部停運，凝汽器也能達到甚至超過極限真空，此時，則可讓風機停運。

4.3 優(yōu)化運行方式的效果

該燃氣熱電廠在冬季大負荷供熱期間，由于大部分蒸汽直接從汽輪機中壓缸抽出供熱而不進入凝汽器冷卻，所以凝汽器較易達到高真空度。據(jù)統(tǒng)計，該電廠每年約有65天，不運行機力塔風機即可獲得極限真空度。運行方式優(yōu)化前，這段時間一般仍維持4～5臺機力塔風機的低速運行；而運行方式優(yōu)化后，這段時間機力塔風機將全部停運。據(jù)粗略計算，優(yōu)化后，每年冬季供熱期就能節(jié)省近40萬度廠用電。隨著電廠系統(tǒng)設備運行方式的優(yōu)化及各項節(jié)能降耗辦法的實施，該燃氣發(fā)電廠的各項技術經(jīng)濟指標已明顯提高。目前年均綜合廠用電率為3.06%，比投產(chǎn)初期下降0.62%，以年均35億度的全廠發(fā)電量代入公式（綜合廠用電率＝綜合廠用電量／全廠發(fā)電量）計算，則年均綜合廠用電量比投產(chǎn)初期減少2170萬度。

5 結 語

通過對燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠機力通風冷卻塔運行方式的優(yōu)化，提高了汽輪機的出力，降低了廠用電消耗并獲得了顯著的經(jīng)濟效益，以節(jié)能降耗的探索思路，降低了發(fā)電企業(yè)的成本。這種實驗方法也為同類電廠機力通風冷卻塔等輔機系統(tǒng)運行方式的優(yōu)化，提供有益的參考。