1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式優(yōu)化

李 軍，王 振

(國電泰州發(fā)電有限公司 江蘇 泰州 225327)

0 引言

當(dāng)前電力生產(chǎn)經(jīng)營形式日趨嚴(yán)峻，煤炭價(jià)格高企，全年發(fā)電小時(shí)急劇下降，持續(xù)降本增效、提高運(yùn)行效率是電力企業(yè)的重要工作內(nèi)容之一。每臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，既與電廠主設(shè)備選型相關(guān)，又與輔助設(shè)備的性能和運(yùn)行狀況調(diào)整密切相關(guān)[1]。目前，電廠確定最佳運(yùn)行背壓的方式都需要查閱制造廠提供的通用曲線，實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)組設(shè)備運(yùn)行經(jīng)常偏離計(jì)算工況，而且通用曲線不便于運(yùn)行人員根據(jù)外界參數(shù)變化對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整。針對(duì)具體機(jī)組優(yōu)化調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式，合理地選擇循環(huán)水泵的運(yùn)行方式對(duì)經(jīng)濟(jì)節(jié)能具有重要意義[2]。

1 機(jī)組概況

泰州發(fā)電有限公司二期2×1000MW機(jī)組循環(huán)冷卻水源均取自長江水，采用單元制直流供排水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配3臺(tái)循環(huán)水泵，其中2臺(tái)為定速泵，1臺(tái)為雙速泵，即夏季采用一機(jī)三泵(3高、2高1低)運(yùn)行，春秋、冬季采用一機(jī)二泵(2高、1高1低)運(yùn)行，運(yùn)行方式多樣靈活。凝汽器符合HEI(凝汽器)標(biāo)準(zhǔn)要求，型號(hào)為N56000，采用單背壓式、雙殼體、對(duì)分雙流程、表面冷卻式凝汽器，每一凝汽器殼體與一個(gè)汽輪機(jī)低壓缸的排汽管連接，兩個(gè)凝汽器殼體之間連通。凝汽器設(shè)計(jì)為循環(huán)水入口溫度20℃，循環(huán)水溫升9℃，清潔系數(shù)0.85的條件下，汽輪機(jī)TMCR工況下凝汽器背壓達(dá)到4.5kPa(a)。

2 冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化理論

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

凝汽器最佳真空[3]目標(biāo)函數(shù)為：

△Pnet=△Pe-△∑Pi

(1)

式中：△Pnet為改變循環(huán)水運(yùn)行方式時(shí)機(jī)組凈功率的增加量，kW；△Pe為真空上升時(shí)發(fā)電機(jī)微增功率的增加量，kW；△∑Pi為開啟第一臺(tái)至第n臺(tái)循環(huán)水泵時(shí)耗電功率的增加量，kW。

實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)組設(shè)備運(yùn)行時(shí)經(jīng)常偏離基準(zhǔn)工況或設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，均會(huì)造成凝汽器最佳真空值不準(zhǔn)確，導(dǎo)致循環(huán)水優(yōu)化運(yùn)行失真。因此，機(jī)組狀態(tài)變化對(duì)凝汽器最佳真空的影響具有實(shí)際意義。運(yùn)用變工況的凝汽器特性計(jì)算數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算分析變工況對(duì)凝汽器最佳真空的影響。

2.2 凝汽器變工況模擬計(jì)算方法

2.2.1 凝汽器熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)汽輪機(jī)-凝汽器系統(tǒng)的運(yùn)行特征可以看出，汽輪機(jī)排汽狀態(tài)變化直接影響凝汽器運(yùn)行性能，即凝汽器熱負(fù)荷的變化。對(duì)于凝汽器熱負(fù)荷的計(jì)算[4]可以通過熱力系統(tǒng)能量平衡原理求出。將整個(gè)汽輪機(jī)系統(tǒng)(包括回?zé)嵯到y(tǒng)及凝汽器系統(tǒng))，其能量平衡方程為：

Qgr+Qzr+Pe+QC1=

Pt+Qc2+Qr+Qw+Q1+Q1z

(2)

式中：Qgr為過熱蒸汽進(jìn)入系統(tǒng)攜帶的能量；Qzr為再熱蒸汽進(jìn)入系統(tǒng)攜帶的能量；Pe為外界向系統(tǒng)輸入的功率；QC1為循環(huán)水進(jìn)入系統(tǒng)攜帶的熱量；Pt為汽輪機(jī)輸出功率；Qc2為循環(huán)水帶出系統(tǒng)的熱量；Qr為系統(tǒng)散熱量；Qw為給水帶出系統(tǒng)的能量；Q1為工質(zhì)向系統(tǒng)外界泄露時(shí)帶出的能量；Q1z為高壓缸排汽帶出系統(tǒng)的能量。上述物理量單位均為kW。

結(jié)合機(jī)組熱耗率的定義得出：

(3)

式中：Q為凝汽器熱負(fù)荷，kW；H為機(jī)組熱耗率，kJ/(kW·h)；Qex為系統(tǒng)散熱和工質(zhì)向外泄露帶出的熱量，kW。

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)荷指令不變時(shí)，若運(yùn)行工況發(fā)生變化，需要調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以保證機(jī)組負(fù)荷與指令一致。因此，當(dāng)凝汽器工況變化導(dǎo)致凝汽器壓力發(fā)生變化時(shí)，凝汽器熱負(fù)荷也會(huì)隨之發(fā)生變化，即：

(4)

式中：H(p,pk)為與發(fā)電機(jī)功率和凝汽器壓力有關(guān)的機(jī)組熱耗率函數(shù)，其可以通過汽輪機(jī)制造廠提供的熱耗率曲線進(jìn)行擬合計(jì)算。

2.2.2 總體傳熱系數(shù)計(jì)算

凝汽器總體傳熱系數(shù)[5]KT是一個(gè)綜合了多種影響因素的量，計(jì)算采用美國傳熱學(xué)會(huì)HEI推薦的計(jì)算公式，并在實(shí)際運(yùn)行過程中，熱負(fù)荷對(duì)傳熱系數(shù)也有一定影響，則總體傳熱系數(shù)為：

KT=Kb×βt×βm×βc×βQ

(5)

式中：βQ為熱負(fù)荷修正系數(shù)，采用別爾曼公式計(jì)算中的蒸汽負(fù)荷變化修正方法，在一定熱負(fù)荷范圍內(nèi)，βQ取值為1；熱負(fù)荷進(jìn)一步降低，βQ取值小于1。

2.2.3 凝汽器壓力計(jì)算

不考慮凝汽器的散熱損失，凝汽器熱負(fù)荷與循環(huán)水換熱量相等，建立能量平衡方程：

Q(pk)=KT×A×△tM=

Cp×qm,w×(tw2-tw1)

(6)

式中：△tM為對(duì)數(shù)平均溫差，K；tw2，tw1分別為循環(huán)水的進(jìn)、出口溫度，℃。

對(duì)數(shù)平均溫差△tM表示為：

(7)

根據(jù)汽輪機(jī)與凝汽器互相影響的特性，建立基于汽輪機(jī)變工況的凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度的數(shù)學(xué)模型：

(8)

3 冷端系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)

對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的優(yōu)化方案可分為以下兩種模式：

(1)基于機(jī)組獲得最低供電煤耗率的節(jié)能降耗模式(簡稱“節(jié)能模式”)；當(dāng)機(jī)組微增功率與循泵增加的耗電功率之差達(dá)到最大時(shí)，即凈收益功率最大時(shí)的冷卻水流量稱為最優(yōu)冷卻水流量。此時(shí)凝汽器運(yùn)行壓力為最佳運(yùn)行背壓，相應(yīng)的循泵運(yùn)行方式為最優(yōu)循泵運(yùn)行方式。

(2)基于機(jī)組獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營模式(簡稱“經(jīng)濟(jì)模式”)，即當(dāng)機(jī)組微增功率產(chǎn)生的“收益”與循泵增加耗電功率的“投入”形成經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.1 機(jī)組經(jīng)濟(jì)性與凝汽器背壓的關(guān)系試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷1000MW、900MW、800MW、700MW等四個(gè)工況條件下，分別進(jìn)行變背壓的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主蒸汽壓力、溫度和再熱蒸汽壓損、溫度修正，得到機(jī)組凝汽器背壓與機(jī)組經(jīng)濟(jì)性相關(guān)性曲線，如圖1所示。

根據(jù)上述曲線或者擬合的數(shù)學(xué)公式，可以得出650MW～1040MW負(fù)荷情況下機(jī)組真空變化0～4Kpa時(shí)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的定量影響。

3.2 最佳運(yùn)行背壓和循環(huán)水運(yùn)行方式試驗(yàn)

3.2.1 優(yōu)化前冷端系統(tǒng)運(yùn)行方式

選取2016年-2017年機(jī)組未進(jìn)行冷端優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。循環(huán)水泵運(yùn)行分為A、B、C3種方式：A方式為循環(huán)水溫度23℃以下，采用1臺(tái)高速泵+1臺(tái)低速泵組合；C方式為循環(huán)水溫度26℃以上、機(jī)組電負(fù)荷700MW以上，采用2臺(tái)高速泵+1臺(tái)低速泵組合；其余情況采用B方式即為2臺(tái)高速泵組合，繪制冷端運(yùn)行方式圖如圖2所示。

3.2.2 優(yōu)化后節(jié)能模式下的冷端系統(tǒng)運(yùn)行方案

通過不同負(fù)荷段循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)整，結(jié)合凝汽器變工況特性計(jì)算，繪制出節(jié)能模式下冷端運(yùn)行方式圖，如圖3所示。

3.2.3 優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)模式下的冷端系統(tǒng)運(yùn)行方案

在機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化“節(jié)能模式”基礎(chǔ)上，增加邊界條件如下：標(biāo)煤價(jià)格按650元/t、上網(wǎng)電價(jià)按0.401元/(kW·h)為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，繪制出經(jīng)濟(jì)模式下冷端運(yùn)行方式圖，如圖4所示。其中，A方式為1臺(tái)高速泵+1臺(tái)低速泵，B方式為2臺(tái)高速泵，C方式為2臺(tái)高速泵+1臺(tái)低速泵，D方式為3臺(tái)高速泵。

3.3 冷端優(yōu)化運(yùn)行后經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

3.3.1 節(jié)能模式冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化效果

節(jié)能模式下，冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化節(jié)能效果如表1所示，機(jī)組利用小時(shí)數(shù)按5000h計(jì)算。表中敘述了供電煤耗率降低較大的8個(gè)對(duì)比工況，優(yōu)化前后運(yùn)行方式相同或者供電煤耗率降低不明顯的工況這里不再列出。

表1 機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化節(jié)能模式方案的優(yōu)化效果

項(xiàng)目工況1工況2工況3工況4工況5工況6工況7工況8循環(huán)水溫/℃1920212223232425機(jī)組負(fù)荷/MW900800800900950900900900降低供電煤耗/g·(kW·h)-1-0.22-0.17-0.34-1.18-2.28-0.86-1.13-1.4運(yùn)行小時(shí)數(shù)/h167245280420358321453385總節(jié)煤量/t -2558.27

圖1 機(jī)組真空對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響模型

圖2 冷端系統(tǒng)優(yōu)化前運(yùn)行方式

圖3 冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案-節(jié)能模式

圖4 冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方案-經(jīng)濟(jì)模式

冷端系統(tǒng)按節(jié)能模式進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化后年平均降低供電煤耗率0.512g/(kW·h)，年節(jié)約標(biāo)煤2558t，標(biāo)煤價(jià)格按650元/t計(jì)算，年節(jié)約燃煤成本166.27萬元；對(duì)比優(yōu)化前后運(yùn)行方式，循環(huán)水溫度為22℃～25℃范圍內(nèi)，冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化節(jié)能效果顯著，最大降低供電煤耗率為2.28g/(kW·h)。

3.3.2 經(jīng)濟(jì)模式冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化效果

經(jīng)濟(jì)模式下，標(biāo)煤煤價(jià)按650元/t，上網(wǎng)電價(jià)按0.401元/(kW·h)計(jì)算，冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化效果如表2所示。

表2 機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化經(jīng)濟(jì)模式方案效果

項(xiàng)目工況1工況2工況3工況4工況5工況6工況7工況8循環(huán)水溫度/℃1921232325272830機(jī)組電負(fù)荷/MW700900800950900800900600收益/元·h-12375663609151158544110運(yùn)行小時(shí)數(shù)/h383380373358385353252150效益提高/萬元9.082.132.3521.805.815.5813.711.65收益合計(jì)/萬元62.77

泰州公司3號(hào)機(jī)組冷端系統(tǒng)按經(jīng)濟(jì)模式進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化后年增加經(jīng)濟(jì)效益62.77萬元；對(duì)比優(yōu)化前后運(yùn)行方式，機(jī)組電負(fù)荷800MW以上且循環(huán)水溫度為21℃～28℃范圍內(nèi)，冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益增加明顯。

4 結(jié)語

建立冷端優(yōu)化方案，通過試驗(yàn)與理論計(jì)算方法對(duì)機(jī)組循環(huán)水泵運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。循環(huán)水泵啟動(dòng)時(shí)經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)的選擇是經(jīng)濟(jì)調(diào)度的難點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)是隨機(jī)組負(fù)荷、背壓、循環(huán)水溫度、凝汽器端差、循泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、機(jī)組特性等運(yùn)行參數(shù)以及電價(jià)、煤價(jià)等外部參數(shù)的變化而隨時(shí)變化的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。如電價(jià)或煤價(jià)變化時(shí)，其經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)會(huì)大幅度偏移。采用節(jié)能模式與經(jīng)濟(jì)模式兩種方式對(duì)機(jī)組冷端運(yùn)行方式優(yōu)化，對(duì)運(yùn)行人員有很好的指導(dǎo)意義。