300 MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造

王 鍇，姜維軍

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

近幾年，300 MW等級(jí)機(jī)組實(shí)施雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱得到了推廣應(yīng)用，即在供熱期采用高背壓的低壓轉(zhuǎn)子，非供熱期采用原低壓轉(zhuǎn)子，提高了機(jī)組供熱能力，增加了供熱面積，兼顧了供熱期機(jī)組效率提高且不影響非供熱季機(jī)組效率的目的。循環(huán)水系統(tǒng)相應(yīng)的優(yōu)化改造，對(duì)兩種工況的安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到重要作用。

隨著火電廠高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)的推廣，其循環(huán)水系統(tǒng)也日趨復(fù)雜，系統(tǒng)的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題已成為急需解決的主要課題。結(jié)合高背壓循環(huán)水供熱改造后的實(shí)際情況，循環(huán)水系統(tǒng)的功能發(fā)生了較大的變化，循環(huán)水流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)的弊端日趨顯現(xiàn)，造成了機(jī)組在供熱季循環(huán)水泵電耗較大。非供熱季，受負(fù)荷、循環(huán)水溫度及潮汐的變化，汽輪發(fā)電機(jī)組無(wú)法達(dá)到最佳真空下運(yùn)行，機(jī)組熱效率受到較大影響，通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)改造、安裝循環(huán)水泵變頻器及熱力試驗(yàn)，確定最佳循環(huán)水流量曲線，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗及經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 循環(huán)水系統(tǒng)工作原理及流程

循環(huán)水采用海水開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)水進(jìn)、排水采取“深取、淺排”方案，取深海層水（距岸邊約800 m），取水口為水下沉箱結(jié)構(gòu)，經(jīng)盾構(gòu)引水管自流至循環(huán)水泵房。

循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水泵升壓后，部分作為開(kāi)式循環(huán)水的水源，冷卻閉式水和汽輪機(jī)冷油器，絕大部分進(jìn)入凝汽器吸收低壓缸排汽熱量，凝汽器循環(huán)水排水，經(jīng)排水管溝一路進(jìn)入海水脫硫曝氣池，一路進(jìn)入海水脫硫噴淋泵房、經(jīng)脫硫吸收塔后進(jìn)入曝氣池，通過(guò)混合曝氣后排入海泊河。

循環(huán)水泵參數(shù)。

型號(hào)：80LKA-18.5

流量：Q=6.5 m3／s，5.8 m3／s

揚(yáng)程：H=18.5 m，15 m

效率：η=85%，86%

必需汽蝕余量：NPSHr=6.2 m，5.0 m

轉(zhuǎn)速：n=370 r／min，330 r／min

軸功率Pa=1 428.6 kW，1 021.5 kW

配套功率P=1 800 kW，1 300 kW

電機(jī)參數(shù)。

功率：1 800 kW，1 300 kW

電壓：6 000 V

電流：240 A，184 A

同步轉(zhuǎn)速：373 r／min，329 r／min

非供熱期循環(huán)水系統(tǒng)及流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 非供熱期循環(huán)水系統(tǒng)

圖2 非供熱期循環(huán)水流程

機(jī)組供熱期將凝汽器循環(huán)水進(jìn)、出水管道加裝堵板，將海水和熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)完全隔離，堵板前A／B側(cè)循環(huán)水進(jìn)、出水管道加裝旁路管道及調(diào)節(jié)閥門，滿足開(kāi)式循環(huán)水的用水量，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門，使開(kāi)式泵入口壓力高于開(kāi)式泵的汽蝕余量，確保開(kāi)式水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，海水循環(huán)水的排水進(jìn)入海水脫硫系統(tǒng)；堵板后A／B側(cè)循環(huán)水進(jìn)、出水管道接入供熱一次管網(wǎng)進(jìn)、出水管道，采用熱網(wǎng)循環(huán)水冷卻汽輪機(jī)低壓缸排汽，熱網(wǎng)循環(huán)水經(jīng)凝汽器加熱后再通過(guò)熱網(wǎng)首站二次加熱，供給供熱二級(jí)換熱站進(jìn)行換熱，滿足各用戶采暖要求，冷卻后的熱網(wǎng)循環(huán)水再回到凝汽器進(jìn)行加熱，形成閉式循環(huán)系統(tǒng)，高背壓循環(huán)水供熱將原來(lái)排放大氣的熱量全部回收利用，達(dá)到汽輪機(jī)冷源損失為零的目的，提高了汽輪發(fā)電機(jī)組的熱效率，供熱期循環(huán)水系統(tǒng)及流程分別如圖3、圖4所示。

圖3 供熱期循環(huán)水系統(tǒng)

圖4 供熱期循環(huán)水流程

2 目前狀況

循環(huán)水采用海水開(kāi)式冷卻系統(tǒng)，每臺(tái)300 MW機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵，為提高靈活性，對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行了雙速改造，循環(huán)水泵的實(shí)際運(yùn)行工況是冬季單泵運(yùn)行，其他季節(jié)視需要選擇單泵或雙泵運(yùn)行。

對(duì)于非供熱季節(jié)，機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境因素存在連續(xù)變化的特點(diǎn)，理論上冷卻水量也應(yīng)該能夠連續(xù)調(diào)節(jié)。在一定范圍內(nèi)，增加水量有利于提高真空，機(jī)組發(fā)電功率增加ΔN2，但同時(shí)循環(huán)水泵耗功會(huì)增加ΔN1，凈增功率 ΔN=ΔN2-ΔN1，三者關(guān)系如圖 5 所示。

由于機(jī)組多發(fā)電和循環(huán)水泵耗功隨水量增加的趨勢(shì)不同，存在使凈增功率最大ΔNmax，的運(yùn)行極值點(diǎn)。通常該點(diǎn)水量稱最經(jīng)濟(jì)水量（或稱最佳水量）Deco，該點(diǎn)真空為最經(jīng)濟(jì)真空（或最佳真空）peco。

圖5 最佳真空曲線

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)負(fù)荷和水溫變化，為提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行人員可能在短期內(nèi)要求從單泵低速到單泵高速，再到雙低速運(yùn)行等方式的切換，由于循環(huán)水泵的頻繁切換對(duì)設(shè)備的壽命及機(jī)組安全性造成了較大影響，使得運(yùn)行人員盡量向減少循環(huán)水泵電耗的方向操作，機(jī)組真空和循環(huán)水泵電耗存在矛盾，造成節(jié)省循環(huán)水泵電耗而犧牲機(jī)組真空的現(xiàn)象。

2013年對(duì)2號(hào)機(jī)組實(shí)施了雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱技術(shù)改造，海水循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行功能在冬季出現(xiàn)較大變化，但循環(huán)水泵功耗并未相應(yīng)減少，冬季海水循環(huán)水不再進(jìn)入冷凝器，而是絕大部分通過(guò)進(jìn)、出水旁通，直接進(jìn)入海水脫硫系統(tǒng)，致使循環(huán)水系統(tǒng)的阻力出現(xiàn)較大降幅，水泵運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況較大，導(dǎo)致循環(huán)水泵運(yùn)行揚(yáng)程低、水量大、效率低，造成較大的電能浪費(fèi)。

3 解決方案

在汽輪機(jī)房外設(shè)置閥門切換井，用于供熱期和非供熱期循環(huán)水系統(tǒng)的相互切換，閥門切換井循環(huán)水管道上加裝堵板，使海水系統(tǒng)與熱網(wǎng)水系統(tǒng)有效隔離，對(duì)開(kāi)式水泵入口管道及大機(jī)冷油器回水管道相應(yīng)改造，實(shí)現(xiàn)供熱季及非供熱期兩個(gè)工況的相互切換。

對(duì)一臺(tái)循環(huán)水泵加裝變頻器、高性能控制器及循環(huán)水流量在線檢測(cè)等設(shè)備。為滿足電動(dòng)機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，變頻器容量不小于電動(dòng)機(jī)容量。為保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝工頻旁路裝置，當(dāng)變頻器異常時(shí)，循環(huán)水泵自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

通過(guò)試驗(yàn)分析[1-2]非供熱季機(jī)組真空特性、循環(huán)水系統(tǒng)特性、循環(huán)水泵功耗特性等，建立以最佳水量和最佳真空為控制目標(biāo)的優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，編制控制程序；分析冬季供熱期間開(kāi)式水、噴淋水和曝氣池用水需求，建立供熱期間循環(huán)水優(yōu)化控制模型和控制程序，完成系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試和生產(chǎn)試運(yùn)行。

4 性能試驗(yàn)方法及經(jīng)濟(jì)性分析

非供熱期，春秋季啟動(dòng)1臺(tái)低速和變頻循環(huán)水泵運(yùn)行；夏季啟動(dòng)1臺(tái)高速和變頻循環(huán)水泵運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整變頻循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，通過(guò)性能測(cè)試[3-4]，在5個(gè)不同循環(huán)水流量工況下，測(cè)量機(jī)組額定負(fù)荷、80%負(fù)荷、60%負(fù)荷各參數(shù)，每個(gè)工況穩(wěn)定30 min，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算分析確定不同季節(jié)、不同負(fù)荷最佳真空下的循環(huán)水流量曲線。供熱期啟動(dòng)變頻循環(huán)水泵運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整A／B側(cè)循環(huán)水進(jìn)、出水管道旁路調(diào)節(jié)閥門，在確保開(kāi)式泵入口不失水情況下，逐步降低變頻循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速和流量，通過(guò)試驗(yàn)，確定循環(huán)水泵的最佳運(yùn)行電流。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，供熱季高背壓運(yùn)行期間，改造前海水循環(huán)水泵一臺(tái)低速運(yùn)行，改造后，采用變頻自動(dòng)控制，循環(huán)水泵功率由原來(lái)的1 300 kW降低到800 kW，供熱季按照140天計(jì)算，節(jié)電量235萬(wàn) kWh。

春秋季非供熱季純凝運(yùn)行工況下，若單泵高速運(yùn)行水量不足，雙泵流量又偏大，過(guò)去往往采用單泵高速運(yùn)行，改造后采用1臺(tái)低速和1臺(tái)變速泵并列運(yùn)行方式。原單泵高速運(yùn)行水量約23 000 t／h，電機(jī)耗功約1 800 kW。改造后本階段采用1臺(tái)泵低速和變速泵并聯(lián)運(yùn)行，水量平均增加4 200 t／h，循環(huán)水溫升降低約2℃，真空可提高約0.57 kPa，機(jī)組多發(fā)電平均約1 370 kW；同時(shí)循環(huán)水泵總耗功比單泵高速增加約35%，即約增加600 kW。由此，可獲得凈效益770 kW，運(yùn)行5個(gè)月可獲電量約為277萬(wàn)kWh。

夏季運(yùn)行工況，目前單泵高速或1臺(tái)高速加1臺(tái)低速泵運(yùn)行為主，存在凝汽器進(jìn)出水溫差大于10.5～12℃的情況，即存在平均水量不足問(wèn)題，改造后，機(jī)組運(yùn)行3個(gè)月至少可獲電量83萬(wàn)kWh。

根據(jù)節(jié)電效益及多發(fā)電效益，通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化改造，機(jī)組每年節(jié)電量至少為450萬(wàn)kWh，綜合供電煤耗降低約0.6 g／kWh。

5 結(jié)語(yǔ)

300 MW等級(jí)以下機(jī)組采取雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)是節(jié)約能源、改善環(huán)境以及深化熱電聯(lián)產(chǎn)的有力措施，在熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)濕冷閉式循環(huán)、濕冷開(kāi)式循環(huán)及空冷等不同機(jī)組類型，結(jié)合循環(huán)水系統(tǒng)的不同用途，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在保證熱力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行前提下，挖掘節(jié)能潛力，提高機(jī)組循環(huán)熱效率，降低污染排放。針對(duì)300 MW機(jī)組海水開(kāi)式循環(huán)及海水脫硫系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能改造方案，改造后運(yùn)行的靈活可靠性顯著提高，可以實(shí)現(xiàn)水量的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，保持機(jī)組冷端處于最有利真空運(yùn)行，有效提高機(jī)組的運(yùn)行效益，供熱期大幅降低廠用電率，取得了較好的節(jié)能效果。