660 MW超超臨界機組循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化分析

江 波，石曉玲，史萌萌，韓彥杰，張健民

（1.國家電投集團江西電力有限公司 景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.江西景德鎮(zhèn)供電公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

隨著國家經(jīng)濟深入發(fā)展，電力消費呈現(xiàn)新常態(tài)特征［1］。電力供應結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，電力消費增長減速換檔，結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，電力消費增長主要動力呈現(xiàn)由高耗能向新興產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)和居民生活用電轉(zhuǎn)換，電力供需形勢由偏緊轉(zhuǎn)為寬松［2-3］。2015年火電發(fā)電量負增長、利用小時數(shù)降至4 329小時［4］?；痣姍C組利用小時數(shù)呈持續(xù)下降趨勢，節(jié)能降耗成為了新形勢下火電廠賴以生存的法寶［5］。

循環(huán)水泵是火電廠中耗電量較大的輔機之一，它消耗的電能約占電廠總發(fā)電量的 1%～1.5%［6］。循環(huán)水泵運行方式對凝汽器真空和廠用電率等指標影響較大，因此，國內(nèi)外學者對冷端系統(tǒng)進行了廣泛的研究。文獻［7］運用遺傳算法對機組多因素進行優(yōu)化，通過參數(shù)自動調(diào)整對某些參數(shù)缺陷所造成的經(jīng)濟性下降進行補償，從而獲得最佳的循環(huán)水泵運行方式。文獻［8-10］針對不同季節(jié)氣溫變化、微生物繁殖情況和不同時間潮汐等特點，從周期性半側(cè)沖洗、循環(huán)水泵運行方式優(yōu)化、循環(huán)水系統(tǒng)用戶等3個方面進行綜合分析與優(yōu)化，得到最佳運行方式。文獻［11-12］將循環(huán)水系最佳真空作為優(yōu)化目標對某600 MW機組循環(huán)水系統(tǒng)進行計算和分析，得到不同條件下循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行方式以及凈收益與循環(huán)水進口溫度的關(guān)系。本文以某660 MW超超臨界機組循環(huán)水系統(tǒng)為例，根據(jù)優(yōu)化運行試驗，找出最佳運行方式，節(jié)約廠用電，提升效率。

1 機組狀況

景德鎮(zhèn)發(fā)電廠2 × 660 MW擴建工程2號機組汽輪機為東方汽輪機有限公司制造N660-25/600/600型(高中壓合缸)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機；發(fā)電機為東方汽輪發(fā)電機有限公司生產(chǎn)的QFSN-660-2-22型水氫氫發(fā)電機；鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司制造HG-2035/26.15-YM3型的超超臨界直流鍋爐。該機組于2011年5月18日通過滿負荷168小時試運行［13］。

每臺機組循環(huán)水系統(tǒng)配備2臺循環(huán)水泵及1座自然通風冷卻塔，其中1號機組對應甲、乙循環(huán)水泵，2號機組對應丙、丁循環(huán)水泵。循環(huán)水泵出口管道設(shè)有聯(lián)絡(luò)管，并裝設(shè)聯(lián)絡(luò)門。甲循環(huán)水泵設(shè)計功率為2 380 kW，乙、丙、丁三臺循環(huán)水泵設(shè)計功率均為3 400 kW。由于冬季循環(huán)水溫較低，循環(huán)水泵電機中未設(shè)計高、低轉(zhuǎn)速切換功能，同時每天負荷調(diào)節(jié)范圍很大，最低280 MW，最高660 MW，造成了循環(huán)水泵耗電率居高不下。

針對上述問題，本文開展循環(huán)水系統(tǒng)改造及運行優(yōu)化研究，主要包括：①循環(huán)水泵電機改造；②根據(jù)循環(huán)水溫、機組負荷確定循環(huán)水泵運行方式；③降低開停機過程中循環(huán)水泵耗電量。

2 循環(huán)水泵電機改造

該電廠所在區(qū)域冬季環(huán)境溫度最低達-5 ℃，凝汽器入口循環(huán)水溫最低達6 ℃。運行中，凝汽器最佳真空富余量很大，循環(huán)水量有下調(diào)空間。根據(jù)泵類機械相似定律，在一定范圍內(nèi)改變泵的轉(zhuǎn)速，泵的效率近似不變，可以將甲、丁循環(huán)水泵（3 400 kW、16 P）電機改為16/18 P雙速電動機，即保持原16 P時3 400 kW功率不變，增加18 P時功率約為2 380 kW，P為電機級對數(shù)。表1為改造前、后甲和丁循環(huán)水泵主要參數(shù)。

對甲、丁循環(huán)水泵電機進行改造后，通過手動調(diào)節(jié)甲、丁循環(huán)水泵電機運行方式，增加了機組運行過程中循環(huán)水泵調(diào)整手段，有效降低了循環(huán)水泵耗電率。

表1 改造前、后循環(huán)水泵主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of circulating water pump before and after reformation

3 循環(huán)水泵運行方式

循環(huán)水泵運行優(yōu)化的核心是根據(jù)凝汽器最佳真空所需循環(huán)水量合理調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的組合方式。當循環(huán)水量增加時，應使汽輪機功率增加量大于循環(huán)水泵功率增加量；當循環(huán)水量減小時，應使汽輪機功率減少量小于循環(huán)水泵功率減少量。在機組熱耗率和循環(huán)水溫一定時，使功率微增發(fā)電量與循環(huán)水泵多耗電量差值最大，此水量為循環(huán)水泵最佳水量。機組負荷一定時，循環(huán)水泵運行方式不同，循環(huán)水量也不同。根據(jù)凝汽器和循環(huán)水泵性能試驗，計算得到凝汽器壓力所對應的飽和溫度，并進一步計算得到凝汽器真空度。當凝汽器真空度發(fā)生變化時，汽輪機功率發(fā)生變化。根據(jù)機組微增出力曲線，可計算出汽輪機功率變化量。

3.1 冷端系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

圖1 背壓對汽輪機功率的修正曲線Fig.1 Effect of back pressure on the power fitting curves of the steam turbine

圖1 中在機組帶75%額定負荷，背壓由額定背壓5.4 kPa變?yōu)? kPa時，功率修正率為-4%。

（3）總傳熱系數(shù)K

K采用別爾曼公式確定，即

在實際運行中式（5）只適用于凝汽器水側(cè)管壁清潔、真空系統(tǒng)嚴密性狀態(tài)正常或抽氣設(shè)備性能良好的工況。當凝汽器冷卻管內(nèi)壁臟污、汽輪機真空系統(tǒng)嚴密性失?；虺闅庠O(shè)備性能降低時，K的計算值與實際值會產(chǎn)生偏差，從而影響凝汽器的端差，最終影響計算結(jié)果。對此采用修正系數(shù)進行修正。

將由此確定的總傳熱系數(shù)代入式（3）進行計算更符合實際。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

表2為660 MW機組循環(huán)水泵的經(jīng)濟運行方式，表中：A表示1機1泵；B表示2機3泵；C表示1機2泵。

表2 660 MW機組循環(huán)水泵的經(jīng)濟運行方式Tab.2 Economic operation modes of the circulating water pumps in a 660 MW unit

3.3 現(xiàn)場運行方式

由于循環(huán)水泵電機為6 kV設(shè)備，而且頻繁啟動對機組安全運行影響很大，因此根據(jù)計算結(jié)果和機組實際運行效率，制定了符合實際的循環(huán)水泵運行方式，以提升機組運行經(jīng)濟性。

（1）早午高峰前高、低背壓凝汽器真空度偏差大于2.3～2.5 kPa（冬季以2.5 kPa為限），且循環(huán)水溫升大于14 ℃時，必須及時切換為高速泵方式。

（2）晚高峰后，高、低背壓凝汽器真空度偏差小于1.5 kPa，且循環(huán)水溫升小于9.5 ℃時，必須及時切換為低速泵方式。

調(diào)整循環(huán)水泵運行方式時應循序進行，單機運行時即一小、一大、一大一??；雙機運行時即二小、一大一小、二大、二大一小。沒有特殊原因，一臺泵一天內(nèi)禁止啟動二次以上，啟動間隔時間需大于30 min。

3.4 經(jīng)濟效益

通過精心調(diào)整，循環(huán)水泵耗電率由0.60%降至0.51%，耗電量年均節(jié)約168萬kW·h，經(jīng)濟效益良好。

4 降低開停機過程中循環(huán)水泵耗電量

隨著我國經(jīng)濟形態(tài)的轉(zhuǎn)變，火電機組利用小時數(shù)呈下降趨勢，機組開停越來越頻繁。該電廠循環(huán)水泵出口管道設(shè)有聯(lián)絡(luò)門，這為機組開停過程中節(jié)約循環(huán)水泵耗電量提供了思路。

4.1 試驗原理

（1）通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最近6次開機均在凌晨進行，運行機組（1號機組）負荷一般在340 MW左右。開機過程中1號機組真空度如表3所示。

表3 最近6次開機過程中1號機組真空度Tab.3 Vacuum degree of the operating unit during 6 startup processes

從表3中可以看出，1號機組真空度均在最佳真空度以上，說明循環(huán)水量有富余，可以利用1號機組循環(huán)水作為開啟機組的冷卻水，或利用停運機組（2號機組）的循環(huán)冷卻水補充1號機組冷卻水。

（2）經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，最近6次停機均在晚高峰后進行，1號機組負荷一般在580 MW左右。停機過程中1號機組真空度如表4所示。

表4 最近6次停機過程中1號機組真空度Tab.4 Vacuum degree of the operating unit during 6 shutdown processes

從表4中可以看出，1號機組真空度均在最佳真空度以下，說明循環(huán)水量不足（或水溫高），可以利用2號機組循環(huán)水作為1號機組補充水，以提高真空度。

4.2 實施方案

通過分析機組循環(huán)水系統(tǒng)可知，電廠1號、2號機組循環(huán)水管之間設(shè)置了聯(lián)絡(luò)門，這為開停機過程中使用鄰機水源提供了條件。圖2為1號、2號機組循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖。

圖2 1號、2號機循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖Fig.2 Contact graph of No.1 and No.2 unit circulating water system

機組啟停工況下，循環(huán)水系統(tǒng)采用以下運行方式。

（1）在保證安全運行的前提下，機組并網(wǎng)前不啟動2號機組循環(huán)水泵，通過調(diào)節(jié)1號機組的凝汽器循環(huán)水進口電動門開度來提供所需水源。

（2）負荷為200 MW時關(guān)小2號機組循環(huán)水進出口電動門，以提高1號機組真空度。

（3）機組停運之后，利用1號機組循環(huán)水冷卻2號機組余汽，以節(jié)約2號機組循環(huán)水泵耗電量。

4.3 經(jīng)濟效益分析

試驗結(jié)果表明，每次開停機過程中循環(huán)水泵運行時間減少11 h，節(jié)約電量約為26 281 kW·h，并且停機過程中可以在2 h內(nèi)將1號機組真空度提高0.5 kPa。每次開停機合計可節(jié)約13 266元，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

（1）通過對兩臺循環(huán)水泵電機進行改造，增加了循環(huán)水泵運行方式，為降低循環(huán)水泵耗電率提供了支持。

（2）將理論和實踐相結(jié)合，制定了該電廠循環(huán)水泵啟停規(guī)定，有效降低了循環(huán)水泵耗電率，為同類機組提供了參考。

（3）根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的具體情況，將1號機組與2號機組進行結(jié)合，降低了開停機過程中循環(huán)水泵耗電量。