火電廠輔機優(yōu)化運行的研究

楊帆

【摘 要】本文通過搜集循環(huán)水泵的功耗對機組出力的影響因素入手，分析循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化問題，提出了一系列輔機優(yōu)化運行的節(jié)能方案，并進(jìn)行了節(jié)能效果分析。

【關(guān)鍵詞】循環(huán)水系統(tǒng)；優(yōu)化；節(jié)能措施

循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能有從整體考慮提高循環(huán)效率從而節(jié)能的相關(guān)研究，而本文是從設(shè)備運行的角度考慮節(jié)能問題的。優(yōu)化循環(huán)水泵的運行必須建立凝汽器模型，根據(jù)循環(huán)水泵的功耗對機組出力的影響入手，分析循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化問題。循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化通常是通過試驗的方法確定。它是根據(jù)一系列的試驗數(shù)據(jù)，繪制循環(huán)水泵在不同汽輪機負(fù)荷、凝汽器循環(huán)水量和水溫下的最優(yōu)運行方式的特性曲線，然后以這個特性曲線為依據(jù)選擇合理的循環(huán)水系統(tǒng)運行方式。但是這種方法需要試驗工況很多，不便于測定和運行調(diào)節(jié)。隨著凝結(jié)水流量測量方法的改進(jìn)，非線性規(guī)劃等方法用來研究循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行確定循環(huán)水泵的優(yōu)化運行方式。它是在凝汽器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立機組功率微增模型，與循環(huán)水泵功率模型聯(lián)立求解，優(yōu)化循環(huán)水泵的運行。凝汽設(shè)備在汽輪機裝置的熱力循環(huán)中起著冷源的作用，降低汽輪機排汽壓力和排汽溫度，可以提高汽輪機整體的熱效率。凝汽器通常以水為冷卻介質(zhì)，由凝汽器、真空泵、循環(huán)水泵和凝結(jié)水泵以及他們之間的管道、閥門等組成。要減少凝汽器系統(tǒng)的廠用電量，主要是要減少循環(huán)水泵的電耗，循環(huán)水泵的電耗主要和系統(tǒng)對循環(huán)水的需求有關(guān)，因此需要建立凝汽器模型，分析凝汽器對循環(huán)水的需求，從而優(yōu)化循環(huán)水泵運行。

蒸汽在凝汽器中要能連續(xù)的凝結(jié)，維持一定的凝汽器壓力，一方面需要真空泵正常運行，抽走凝汽器中多余的不凝結(jié)氣體，另一方需要提供足夠的循環(huán)水，保證進(jìn)入凝汽器中的蒸汽可以凝結(jié)成為凝結(jié)水。

一、循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行的目標(biāo)函數(shù)為：對應(yīng)于一定的條件下，并保持汽機熱耗量不變，使得機組發(fā)電量和循環(huán)水系統(tǒng)耗電量差額最大。

優(yōu)化循環(huán)水泵的運行需要從循環(huán)水系統(tǒng)整體的層面考慮，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的約束條件。循環(huán)水系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)化與循環(huán)水泵的性能、汽輪機功率微增相關(guān)，汽輪機功率微增與機組及凝汽器的性能有關(guān)，下面分別討論這些因素。

（一）循環(huán)水泵功率

循環(huán)水泵功率的計算與凝結(jié)水功率的計算方法一致，循環(huán)水泵功率主要與循環(huán)水泵的配備方式、運行方式?jīng)Q定?？梢愿鶕?jù)循環(huán)水泵的設(shè)計性能曲線建立其功率一流量、揚程一流量性能模型，與建立起來的管道阻力性能曲線聯(lián)立求解，確定循環(huán)水泵的運行工況點，從而確定循環(huán)水泵的功率。

（二）汽輪機功率微增曲線

凝汽器壓力變化對汽輪機輸出功率的影響稱之為汽輪機微增功率曲線，通常通過熱力試驗的方法得到。通常使用汽輪機微增功率曲線可以計算出來不同凝汽器壓力下汽輪機的功率微增。通常電廠循環(huán)水泵的配置方式為2臺同容量的循環(huán)水泵，通過2臺泵的啟停來控制循環(huán)水的流量，但是這樣的調(diào)節(jié)方式單一，不能隨著凝汽器的負(fù)荷和環(huán)境的溫度合理的供給循環(huán)水，造成了循環(huán)水泵能耗過高。出于節(jié)能降耗的需求，通常通過調(diào)速改造控制循環(huán)水泵的流量，減少節(jié)流損失，降低循環(huán)水泵能耗。具體函數(shù)型式可以使用多項式擬合得到，這樣便于優(yōu)化處理。

二、循環(huán)水系統(tǒng)運行優(yōu)化約束

1.凝汽器處在最佳真空運行。所謂最佳真空是汽輪機的功率增加與循環(huán)水泵功率增量之差達(dá)到最大值時的真空。雖然提高凝汽器真空可以降低汽輪機排氣溫度，增大機組出力，但是并不是真空越高越好。提高真空是以循環(huán)水泵功耗的增大為代價的，當(dāng)循環(huán)水泵的耗電量增加量大于機組功率的增加值，會使得機組的整體效益下降，得不償失。極限真空是凝汽器背壓降低而增加的有效焙降等于余速損失的增量時所達(dá)到的真空。超過極限真空，蒸汽在末級葉片出口處繼續(xù)膨脹，造成渦流損失。因此凝汽器的壓力p。應(yīng)大于極限真空pk，處于最佳真空運行。

2.循環(huán)水泵運行在工作范圍，高效率運行。

3.循環(huán)水出口門處于全開狀態(tài)，不使用它來調(diào)節(jié)循環(huán)水量，因此閥門全開下的管道阻力水頭應(yīng)等于泵的揚程。

4.循環(huán)水系統(tǒng)的總阻力等于各個循環(huán)水泵并聯(lián)產(chǎn)生的揚程。

5.循環(huán)水泵調(diào)速范圍在合理范圍內(nèi)。

6.循環(huán)水泵流量限制在允許最大、最小流量之間，泵的運行滿足汽蝕條件的限制。

7.循環(huán)水泵總流量等于各個循環(huán)水泵輸出流量之和。

8.各臺循環(huán)水泵的輸出揚程相等。

三、循環(huán)水泵運行優(yōu)化方案比較

隨著凝結(jié)水流量測量方法的改進(jìn)，最優(yōu)化理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，非線性規(guī)劃等方法。為能直觀的看出變頻改造后循環(huán)水系統(tǒng)相對于雙速改造后的節(jié)能效果，把同一負(fù)荷下循環(huán)水泵在兩種改造下的最優(yōu)運行情況做一比較。當(dāng)循環(huán)水入口溫度大于17℃時，雙速改造收益較高。就整體來說循環(huán)水泵變頻改造和最優(yōu)運行條件下的雙速改造循環(huán)水系統(tǒng)總收益相差不大，只有在低負(fù)荷、低循環(huán)水入口溫度下，變頻調(diào)速改造的優(yōu)越性能體現(xiàn)出來。出于對改造成本的考慮循環(huán)水泵雙速改造是循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造的首選，并且有很大的節(jié)能潛力；由于循環(huán)水泵電機容量較大，變頻器的價格隨著電機容量的增加而增加，并且相對于雙速改造來說其改造費用昂貴，但循環(huán)水溫度較低的電廠，進(jìn)行變頻改造需要慎重考慮。

四、循環(huán)水泵運行性能試驗與經(jīng)濟運行方式

火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)一般采用母管制系統(tǒng)，大型機組一般由三臺循環(huán)水泵共同向母管供水。各循環(huán)水泵前后有進(jìn)出口水閥，各泵之間有聯(lián)絡(luò)閥連接。正常運行時，兩臺泵運行，一臺泵備用。由于運行泵和備用泵的組合方式不固定，以及運行泵的運行方式的改變，都會引起水泵耗功量的變化，使循環(huán)水泵運行優(yōu)化問題趨于復(fù)雜。

循環(huán)水泵的優(yōu)化依賴于循環(huán)水泵性能特性、管路水力性能、凝汽器性能、微增功率性能等方面，它們一般采用廠家設(shè)計曲線、變工況計算、水力計算和做試驗確定等。比如對循環(huán)水泵性能特性，把泵出廠特性曲線進(jìn)行擬合成公式；對管路水力性能特性，詳細(xì)獲得管路的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、凝汽器阻力特性等數(shù)據(jù)，估算各個阻力系數(shù)，然后根據(jù)流體力學(xué)知識得到管路水阻計算公式，這樣結(jié)合泵特性公式，就可以得不同運行方式下的循環(huán)水流量，再根據(jù)凝汽器變工況計算獲得各個運行方式下對應(yīng)的真空。最后，隨著機組的運行，優(yōu)化的基礎(chǔ)-設(shè)備性能均可能已經(jīng)有所改變，多大程度上反應(yīng)現(xiàn)在的運行實際是個未知數(shù)。

五、結(jié)論

循環(huán)水泵的優(yōu)化與機組負(fù)荷、循環(huán)水泵的入口溫度相關(guān)很大。對于循環(huán)水泵的優(yōu)化改造很有必要，無論是通過變級調(diào)速還是變頻調(diào)速都有很大的節(jié)能潛力。分析凝汽器壓力與循環(huán)水量、循環(huán)水泵入口水溫、凝汽器傳熱系數(shù)和蒸汽負(fù)荷的關(guān)系，建立了循環(huán)水泵優(yōu)化運行數(shù)據(jù)模型，分析了不同循環(huán)水泵運行方式下泵功耗與汽輪機微增功率間的關(guān)系。因此建立凝汽器模型，分析凝汽器對循環(huán)水的需求，從而優(yōu)化循環(huán)水泵運行根據(jù)凝汽器冷端系統(tǒng)變工況時各參數(shù)的影響因素和變化規(guī)律，基于最佳真空建立了冷端系統(tǒng)優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型。分析這三種情況下的循環(huán)水泵的優(yōu)化運行方式，通過比較這三種改造方式優(yōu)化后的收益，得出雙速運行是循環(huán)水泵最佳的運行方式。