基于發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)收益的循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化

牛小川，鄧新國(guó)

（國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221166）

循環(huán)水泵是火力發(fā)電廠重要輔機(jī)之一，消耗了大量的廠用電；同時(shí)，循環(huán)水泵也是汽輪機(jī)冷端的主要設(shè)備之一，對(duì)汽輪機(jī)排汽真空的建立起到了決定性的作用：可見(jiàn)，循環(huán)水泵的優(yōu)化調(diào)度是很有必要的。目前業(yè)內(nèi)對(duì)循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行研究較為成熟：既有傳統(tǒng)的從汽輪發(fā)電機(jī)組性能出發(fā)，基于“最大凈出力”，得到循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式的方法；也有充分考慮我國(guó)電網(wǎng)主要的調(diào)度模式（機(jī)組發(fā)電量）后，綜合煤耗經(jīng)濟(jì)值和電耗經(jīng)濟(jì)值，得到的基于“煤電經(jīng)濟(jì)值最優(yōu)”法[1]；還有假定在相同的能量輸入或功率輸出下汽輪發(fā)電機(jī)組的散熱損失和工業(yè)冷卻水帶走的熱量相同，通過(guò)調(diào)整循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使汽輪機(jī)排汽損失的熱量最小，而得到的“基于能量損失的循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行”方法[2]；還有考慮到循環(huán)水泵前池水位變化，對(duì)循環(huán)水泵流量修正后再對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化的研究[3]。

本文在循環(huán)水泵傳統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法基礎(chǔ)上，加入發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)系數(shù)，以期得到其最優(yōu)運(yùn)行方式。

1 循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化建模

1.1 循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化的基本原理

當(dāng)發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，增開(kāi)循環(huán)水泵或提高循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，循環(huán)水泵的電功率消耗增加，此為支出。增開(kāi)循環(huán)水泵后，循環(huán)水流量得到提升，通往凝汽器的冷卻水流量增大，這可以獲得更低的凝汽器排汽溫度和壓力，汽輪機(jī)背壓的降低，使得機(jī)組可以在不增加燃料的情況下取得更大的出力，一般稱為微增出力[4]，此為收入。當(dāng)收入大于支出時(shí)，可以增開(kāi)循環(huán)水泵。同理，也可以進(jìn)行相反方向的操作。發(fā)電機(jī)組在每一個(gè)穩(wěn)定工況，總是對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的循環(huán)冷卻水流量或者循環(huán)水泵運(yùn)行方式，找到這個(gè)最佳的方式，并按此執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程即循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化。此時(shí)，機(jī)組凝汽器的真空為最佳真空[5]，背壓為最佳運(yùn)行背壓。

1.2 凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵功率之間的關(guān)系

電廠分散控制系統(tǒng)或者電氣控制系統(tǒng)中，均有循環(huán)水泵功率的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，可以方便使用。而循環(huán)水流量并非線性增加，它是水泵的性能曲線與管路阻力曲線匹配的結(jié)果。凝汽器的冷卻水流量通常小于循環(huán)水流量，部分循環(huán)水被分流至機(jī)組閉式冷卻水熱交換器、真空泵冷卻器或脫硫漿液吸收塔出口[6]。凝汽器的冷卻水流量通常沒(méi)有在線測(cè)點(diǎn)，需要通過(guò)專門(mén)的儀器和方法，如超聲波測(cè)量法、熒光示蹤檢測(cè)法測(cè)量[7]。在沒(méi)有檢測(cè)儀器時(shí)，可使用凝汽器冷卻水溫升及凝汽量反推冷卻水流量，得出循環(huán)水泵耗功增加與凝汽器冷卻水流量函數(shù)關(guān)系：

式中：ΔNP為循環(huán)水泵耗功增加，kW；Dw為凝汽器冷卻水流量，m3/s。

1.3 機(jī)組微增出力與凝汽器冷卻水流量之間的關(guān)系

凝汽器冷卻水流量影響機(jī)組背壓，機(jī)組背壓變化產(chǎn)生微增出力。機(jī)組背壓和冷卻水流量的函數(shù)關(guān)系由凝汽器變工況傳熱特性決定。冷卻水流量的改變，直接改變其溫升，同時(shí)改變凝汽器總平均傳熱系數(shù)[8]，使端差改變，形成新的排汽溫度和背壓[9]。當(dāng)凝汽器管水側(cè)清潔系數(shù)一定、汽側(cè)漏空量不變的情況下，凝汽器熱力特性函數(shù)是確定的，即

式中：pk為機(jī)組背壓，kPa；N為機(jī)組功率，MW；t1為冷卻水進(jìn)水溫度，℃。

機(jī)組背壓和微增出力之間的關(guān)系，可使用通用計(jì)算方法對(duì)最末級(jí)進(jìn)行變工況的計(jì)算得到，也可以根據(jù)機(jī)組性能試驗(yàn)得到：

式中：ΔN為機(jī)組微增出力，kW；N為機(jī)組負(fù)荷，kW。

將式(2)、式(3)聯(lián)立，即得到

1.4 循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式判斷

通常情況下，把機(jī)組微增出力與循環(huán)水泵耗功增加相減，即得到收益功率：

式中SSY為循環(huán)水泵運(yùn)行方式優(yōu)化收益，kW。

求SSY的極大值，將上式對(duì)Dw求導(dǎo)，當(dāng)結(jié)果等于0時(shí)，即有最大收益：

1.5 考慮電廠經(jīng)營(yíng)的情況

在電廠經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，機(jī)組微增出力并不能直接上網(wǎng)。電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)度不論在年總量上還是在瞬時(shí)，都是全網(wǎng)考慮，不以單個(gè)發(fā)電廠為意。發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)度如圖1所示。當(dāng)循環(huán)水泵耗功（廠用電）增加后，上網(wǎng)電量相應(yīng)減少，而機(jī)組的微增出力將被控制系統(tǒng)壓回去，通過(guò)減少給煤量，維持發(fā)電機(jī)出口負(fù)荷不變[10]。所以對(duì)發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)來(lái)說(shuō)，在增開(kāi)循環(huán)水泵的過(guò)程中，其損失的是售電量（上網(wǎng)電量），節(jié)省的是采購(gòu)煤。

圖1 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)度示意Fig.1 Schematic diagram of load dispatching for power units

在此，需要引入一個(gè)發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)系數(shù)（簡(jiǎn)稱經(jīng)營(yíng)系數(shù)），對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行方式重新優(yōu)化，即

式中k為經(jīng)營(yíng)系數(shù)。

求SSY的極大值，將上式對(duì)Dw求導(dǎo)，當(dāng)結(jié)果等于0時(shí)，即有最大收益：

當(dāng)經(jīng)營(yíng)系數(shù)較高時(shí)，趨向于減少循環(huán)水泵功耗，盡可能增加上網(wǎng)電量。當(dāng)經(jīng)營(yíng)系數(shù)較低時(shí)，趨向于加大循環(huán)水泵功率，減少煤炭的使用。經(jīng)營(yíng)系數(shù)一般而言大于1。當(dāng)經(jīng)營(yíng)系數(shù)等于1時(shí)，該優(yōu)化結(jié)果與“最大凈出力”法優(yōu)化結(jié)果相同。

1.6 經(jīng)營(yíng)系數(shù)的計(jì)算

目前燃料成本是火電廠的主要成本[11]。經(jīng)營(yíng)系數(shù)可以表述為度電收入與度電燃煤成本的比值。其中發(fā)電廠的度電收入與上網(wǎng)電價(jià)、增值稅率相關(guān)：

式中：B為發(fā)電廠度電燃煤成本，元/(kW·h)；α為增值稅率，目前火電廠增值稅率為13%；T為上網(wǎng)電價(jià)，元/(kW·h)；α·B為度電燃煤成本抵扣稅額，元/(kW·h)。

發(fā)電廠的度電燃煤成本與到廠煤價(jià)、到廠煤發(fā)熱量、煤場(chǎng)損耗、供電煤耗等參數(shù)有關(guān)。由于煤場(chǎng)損耗占比不大，儲(chǔ)存3個(gè)月的熱值損耗不超過(guò)2%[12]，可忽略，所以有

式中：29 307為標(biāo)準(zhǔn)煤低位熱值，kJ/kg；Q為入廠煤熱值，kJ/kg；Tm為入廠煤價(jià)，元/g；Bg為供電煤耗，g/(kW·h)。

聯(lián)立式(9)、式(10)可得到經(jīng)營(yíng)系數(shù)：

由式(11)可以看出，當(dāng)發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)環(huán)境和經(jīng)營(yíng)狀況良好時(shí)，即上網(wǎng)電價(jià)越高、煤價(jià)越低、供電煤耗越低、增值稅率越低時(shí)，經(jīng)營(yíng)系數(shù)越高，這時(shí)應(yīng)減少循環(huán)水泵功耗，減少?gòu)S用電的消耗，爭(zhēng)取將發(fā)電機(jī)的發(fā)電量多上網(wǎng)；反之則應(yīng)以減少煤炭消耗為主。供電煤耗和入廠煤熱值這2項(xiàng)參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中較難以準(zhǔn)確計(jì)算或測(cè)量，工作量亦較大。若測(cè)算的入廠煤熱值比實(shí)際偏高或供電煤耗比實(shí)際值偏低時(shí)，即對(duì)電廠的經(jīng)營(yíng)系數(shù)產(chǎn)生了高估，延誤增開(kāi)循環(huán)水泵的時(shí)機(jī)，電廠應(yīng)避免這種情況發(fā)生。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 設(shè)備概況

徐州電廠2號(hào)1 000 MW汽輪機(jī)為N1000-26.25/600/600型超超臨界、單軸、中間一次再熱、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。該機(jī)組配套N57000雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器。凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用自然對(duì)流冷卻塔循環(huán)冷卻方式，配備3臺(tái)YLKS1250-16型混流式葉輪不可調(diào)定速運(yùn)行循環(huán)水泵。

2.2 凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功關(guān)系

機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水泵運(yùn)行方式有單泵運(yùn)行、兩泵并聯(lián)和三泵并聯(lián)3種。在不同循環(huán)水泵運(yùn)行方式下，凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵功耗關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 冷卻水流量和循環(huán)水泵功耗對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The table of cooling water flow and circulating water pump power consumption

2.3 凝汽器變工況熱力特性

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)歷史曲線，選取穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行記錄，雙背壓凝汽器熱力特性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。為使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，應(yīng)盡量選擇機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工況點(diǎn)，避開(kāi)變工況時(shí)段。可以多選擇一些工況點(diǎn)，理論上選擇的工況點(diǎn)越多，樣本誤差越小，其結(jié)果也越接近真實(shí)，并具有指導(dǎo)性。

表2 凝汽器熱力特性統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical table of thermodynamic characteristics of condenser

2.4 機(jī)組微增出力與背壓的關(guān)系

該1 000 MW機(jī)組設(shè)計(jì)背壓為5.03 kPa。根據(jù)電廠與調(diào)試單位提供的汽輪機(jī)性能試驗(yàn)報(bào)告，將背壓變化對(duì)汽輪機(jī)出力的修正進(jìn)行擬合形成曲線。為使擬合函數(shù)接近試驗(yàn)工況參數(shù)，采取了分段函數(shù)的形式，得出機(jī)組出力修正系數(shù)與背壓關(guān)系[13]：

2.5 經(jīng)營(yíng)系數(shù)

煤價(jià)波動(dòng)較大，2005—2008年動(dòng)力煤價(jià)格經(jīng)歷了從400元/t左右到1 000元/t左右的大幅上漲。2012年價(jià)格又從800元/t左右下降到2016年的500元/t左右[14]。煤價(jià)成為影響經(jīng)營(yíng)系數(shù)的主要因素。發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)系數(shù)見(jiàn)表3。當(dāng)?shù)綇S煤價(jià)達(dá)到890元/t時(shí)，經(jīng)營(yíng)系數(shù)為1.00。機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)如果分峰谷電價(jià)也會(huì)對(duì)經(jīng)營(yíng)系數(shù)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)然在冬季時(shí)，由于機(jī)組背壓較低，其供電煤耗也會(huì)相應(yīng)減少，會(huì)相應(yīng)地提高經(jīng)營(yíng)系數(shù)，而炎熱的夏季則相反。

表3 發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)系數(shù)Tab.3 The operation coefficient of power plant

2.6 循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

對(duì)表1—表3中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化模型進(jìn)行處理，可以得到機(jī)組在各種負(fù)荷、不同的冷卻水溫度下循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式[15]。將各最優(yōu)運(yùn)行方式繪制在一張圖上，得到循環(huán)水泵3種運(yùn)行方式的分界線，具體如圖2所示。

當(dāng)處于冬季，冷卻水進(jìn)水溫度較低時(shí)，應(yīng)少開(kāi)循環(huán)水泵，盡可能單循環(huán)水泵運(yùn)行。當(dāng)氣溫轉(zhuǎn)暖，冷卻水進(jìn)水溫度升高，負(fù)荷越高，越需要增開(kāi)循環(huán)水泵。發(fā)電廠的經(jīng)營(yíng)系數(shù)對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行方式的分界線影響較大。當(dāng)發(fā)電廠的經(jīng)營(yíng)系數(shù)較高時(shí)，增開(kāi)循環(huán)水泵的分界線向右移動(dòng)，意味著應(yīng)較晚地 增開(kāi)循環(huán)水泵，增加單循環(huán)水泵的運(yùn)行時(shí)間，減少3臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行的時(shí)間。當(dāng)煤價(jià)上漲等因素造成發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)系數(shù)下降時(shí)，則應(yīng)減少單循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)間，增加3臺(tái)循環(huán)水泵的并聯(lián)運(yùn)行時(shí)間。

圖2 不同經(jīng)營(yíng)系數(shù)下循環(huán)水泵運(yùn)行方式優(yōu)化分界線Fig.2 The optimal dividing line of circulating water pump operation mode with different operation coefficients

需要說(shuō)明的是，此優(yōu)化結(jié)果是在凝汽器熱力性能不變的情況下得到的。當(dāng)發(fā)生凝汽器熱力性能下降的情況，如冷卻水管清潔系數(shù)降低、汽側(cè)嚴(yán)密性下降、冷卻水管堵漏較多換熱面積減小等，應(yīng)設(shè)法采取措施恢復(fù)其熱力性能。若無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，應(yīng)重新確定凝汽器的熱力特性函數(shù)，以此得到新的循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果。凝汽器的熱力性能下降時(shí)，增開(kāi)循環(huán)水泵的分界線將向左移動(dòng)，意味著應(yīng)在更低的溫度及負(fù)荷下增開(kāi)循環(huán)水泵。

3 結(jié) 論

1）發(fā)電廠在進(jìn)行循環(huán)水泵運(yùn)行方式優(yōu)化時(shí)，應(yīng)考慮電廠的經(jīng)營(yíng)情況。加入發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)系數(shù)而新得到的循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式能最大限度、更真實(shí)地提高機(jī)組和發(fā)電單位的實(shí)際經(jīng)營(yíng)收益。

2）當(dāng)發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)良好，到廠煤價(jià)低、上網(wǎng)電價(jià)高、供電煤耗少、增值稅率低時(shí)，應(yīng)推遲增開(kāi)循環(huán)水泵的時(shí)間。當(dāng)煤價(jià)或者稅率升高，發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)情況相對(duì)不利時(shí)，應(yīng)提前增開(kāi)循環(huán)水泵，以節(jié)約燃煤。

3）循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式的具體參數(shù)可以運(yùn)用本文的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)定量計(jì)算得到。