資源綜合利用型電廠汽輪機(jī)冷端優(yōu)化運(yùn)行的實現(xiàn)

丘 敏

（嘉興市嘉源康恒環(huán)境有限責(zé)任公司，浙江 嘉興 314004）

0 引言

火力發(fā)電廠能夠消耗大量的能源，目前，我國已建成的火力發(fā)電裝機(jī)容量占全部發(fā)電機(jī)組容量的74%，作為一種非再生能源，火力發(fā)電不但耗煤量巨大，而且存在嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題，“節(jié)能減排”在這樣的背景下尤為重要[1]。該文主要介紹資源綜合利用型火電廠汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，希望能夠提高其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性并加以改進(jìn)[2]。

1 電廠汽輪機(jī)冷端優(yōu)化

1.1 汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)

電廠冷端系統(tǒng)由汽輪機(jī)低壓缸末級組、循環(huán)水供應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)水泵、冷卻塔、凝汽器等組成。根據(jù)冷端系統(tǒng)的換熱過程可以把冷端系統(tǒng)分為冷凝器設(shè)備、冷卻塔設(shè)備、冷凝水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)。圖1為汽輪機(jī)單元的冷端結(jié)構(gòu)。蒸汽渦輪排汽經(jīng)過循環(huán)水泵的冷卻水與凝汽器外殼接觸，將蒸汽冷凝成水并形成真空環(huán)境。冷凝器中的水蒸汽經(jīng)過冷凝泵排放，再經(jīng)過低壓加熱器、除氧器和高壓加熱器，最后流經(jīng)鍋爐的給水，完成一個閉環(huán)。

圖1 汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.2 基于多因素的凝汽器最佳真空和最佳冷卻水量的概念

在已有的文獻(xiàn)中，有關(guān)冷凝器最佳真空和最優(yōu)冷卻水的測定有許多種。在設(shè)計階段，通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的比較，確定了一個特定的渦輪機(jī)熱學(xué)特性，從而獲得最佳的真空和冷卻水。目前，確定真空和冷卻系統(tǒng)的最佳方案主要有“最高利潤率法”和“年度運(yùn)行費(fèi)用最低法”。但是在實際應(yīng)用中，需要計算凝結(jié)面積。在給定機(jī)組負(fù)荷和冷卻水入口溫度的前提下，利用最大功率增量法和循環(huán)泵消耗能量增量法來計算最佳冷卻水量，結(jié)合具體工況來確定最佳的冷量。

提高凝汽器的真空能增加汽輪機(jī)中的理想比焓降和出力，但是在蒸汽負(fù)荷和冷卻水進(jìn)水溫度相同的情況下，通過增大冷卻水的冷卻水量來提高凝汽器的真空需要增加循環(huán)水泵的耗功、冷卻水水資源的使用費(fèi)以及冷卻水的熱污染環(huán)境費(fèi)用。數(shù)值ΔCt即減少背壓對渦輪的增益，其意義在于是否可以解決由于冷卻量的增大而引起的耗功消耗ΔCp、冷卻水水資源利用成本和冷卻水熱污染環(huán)境成本ΔCw問題，由此提出了一個新的概念并研究了冷卻水的優(yōu)化設(shè)計。也就是說當(dāng)Δwnet=ΔCt-ΔCp-ΔCw達(dá)到最大時，真空和冷水的流量為最優(yōu)，進(jìn)而得到最優(yōu)的冷卻水量[4]。

在蒸汽透平機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，在相同的排氣量和相同的冷卻水入口溫度下，選擇一個初始冷卻水量會有一個與初始冷卻水量對應(yīng)的初始水壓，隨著冷卻水量的增大，在同樣的工況下，凝汽器的壓力也會隨之下降，這時，渦輪的功率增大，其利潤的增加也提高了循環(huán)水泵的能耗，受到水資源使用和冷卻水環(huán)境成本提高的影響，制冷系統(tǒng)的制冷成本也隨之提高。由圖2可知，隨著冷卻水D的增大，溫度隨之升高并在a處達(dá)到最大值，隨后開始降低。這時，最優(yōu)冷卻水量為a點對應(yīng)的冷卻水；b點的電容器的真空是最好的真空（在該圖中是真空）。

1.3 凝汽器最佳真空和最佳冷卻水量的確定方法

凝汽器的壓力一般被理解為透平機(jī)排出的壓力（或者說背壓），但是從技術(shù)角度來說，這是兩個截然不同的壓強(qiáng)。容量較大的機(jī)組凝汽器與汽輪機(jī)低壓排汽缸之間往往存在一段很長的距離，這個過渡段位于凝汽器的上端，叫做喉管，其長度為3m～4m，當(dāng)蒸汽通過凝汽器的上喉時會產(chǎn)生一定的阻力損耗，使凝汽器的壓力、汽輪機(jī)低壓缸端部的排汽壓力和排汽口壓力產(chǎn)生差異。蒸氣在一根長度約5m～6m的不規(guī)則管內(nèi)流動，由于管內(nèi)具有動能、壓力恢復(fù)及壓力損耗，因此該凝汽器的壓強(qiáng)與最后的排泄壓力并不相同[5]。

在大型電廠，凝汽機(jī)的最后一段工作位于濕蒸汽區(qū)，濕蒸汽區(qū)的部分蒸汽會自動凝聚并在蒸汽相中形成細(xì)小的水滴，成為一種濕潤的蒸汽。蒸汽會在兩個方面影響渦輪的運(yùn)行。一是濕空氣會腐蝕、沖擊渦輪的動葉，使其無法正常工作；二是產(chǎn)生了較大的水分損失，導(dǎo)致水分利用率遠(yuǎn)低于干燥空氣。由于水分太多，因此水珠會迅速地通過葉片的表面，導(dǎo)致葉片的水蝕，使葉片的強(qiáng)度和振動特性發(fā)生不良改變，產(chǎn)生粗糙、凹坑、斷裂等現(xiàn)象，影響設(shè)備工作。據(jù)統(tǒng)計，在渦輪機(jī)件中葉片事故最為常見。美國電力協(xié)會EPRI表示，美國發(fā)電廠渦輪發(fā)電機(jī)的強(qiáng)制關(guān)閉比例高達(dá)70%，葉片受損嚴(yán)重，國家統(tǒng)計顯示，葉片損壞主要是由于葉片。水流的沖刷增加了葉片通流區(qū)的流量損失，使透平級的效率降低了0.664%。由于水分的損失會降低渦輪的效率，因此在渦輪機(jī)組的使用中，濕度是非常重要的因素。

最佳真空和最佳冷卻水量的確定方法如下：首先確定汽輪機(jī)的增量功率ΔPt、循環(huán)水泵的增量功耗ΔPP以及冷卻水的用水和熱污染的環(huán)境費(fèi)用ΔCw。一旦知道汽輪機(jī)的增量功率ΔPt和循環(huán)水泵的增量耗電ΔPP就可以計算出汽輪機(jī)的增量功率ΔCP和循環(huán)水泵的增量耗電ΔCt，然后可以確定凈收益。

根據(jù)公式（1），最大凈利值的真空度和制冷水量分別是最優(yōu)的真空度和最大制冷水量。在該基礎(chǔ)上，在可調(diào)節(jié)速度和可調(diào)節(jié)動葉的情況下，可通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度或葉片的安裝角度來實現(xiàn)循環(huán)流量的變化；在不能持續(xù)調(diào)整冷卻水流量的情況下，采用不同的循環(huán)水泵，其制冷水量不一定是最優(yōu)，而是接近最優(yōu)。需要從Δwnet值的大小來判定循環(huán)水泵的運(yùn)行模式是否為最佳操作模式，在Δwnet?0即循環(huán)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)發(fā)生變化時，凈利大于0，可以選擇多泵，反之則為單泵。

2 CIMS?汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化實例

2.1 汽輪機(jī)背壓與機(jī)組電功率的關(guān)系

該文分析了某電廠60MW機(jī)組冷端系統(tǒng)。汽輪機(jī)組為上汽生產(chǎn)，是一種中間再熱、三缸、四排蒸汽的冷凝汽輪機(jī)，圖2為汽輪機(jī)廠家提供的不同排氣量下的真空變化曲線。

利用渦輪機(jī)廠家給出的真空功率校正曲線，對各種情況下的渦輪機(jī)逆向壓力與渦輪機(jī)功率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。圖3所示的八個曲線，由上至下分別代表了在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，100%、90%、80%、75%、70%、60%、50%、40%的情況下，渦輪機(jī)的背壓和渦輪功率之間的關(guān)系。研究顯示在不同工作條件下，透平機(jī)的背壓與透平力的關(guān)系可以用四個階式來擬合，從而求得不同工作狀態(tài)下的透平功率Pt（kW）與透平壓力Pc（kPa）的關(guān)系。

圖3 不同工況下，汽輪機(jī)背壓與汽輪機(jī)功率的關(guān)系曲線

2.2 CIMS?汽輪機(jī)冷端運(yùn)行優(yōu)化

CIMS?冷端治理體系使得環(huán)境友好型電站的整體效益（提高功率+節(jié)約功率）達(dá)到總發(fā)電量5%～10%；該體系的核心在于采用RCCS?凝汽器強(qiáng)化換熱技術(shù)和CRJ三級深度水處理技術(shù)，針對循環(huán)水質(zhì)、凝汽器、真空系統(tǒng)、循環(huán)水量、冷卻塔等系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的能耗分析和改進(jìn)，并采用實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和數(shù)學(xué)建模等方法，在負(fù)荷、環(huán)境溫度、蒸汽初參數(shù)等邊界條件一致的情況下，提高凝汽器真空5kPa以上，大幅減少循環(huán)水排污，實現(xiàn)近零排。

RCCS?凝汽器強(qiáng)化換熱系統(tǒng)由特殊高分子螺旋紐帶、獨有的特種陶瓷軸承和高強(qiáng)度特種鋼支架組成。采用RCCS?凝汽器強(qiáng)化換熱系統(tǒng)，無須外加動力，直接由循環(huán)水中的流量帶動，轉(zhuǎn)速為300r/min～1800r/min，達(dá)到了加強(qiáng)傳熱和聯(lián)機(jī)脫垢率的目的,可以將換熱器的換熱系數(shù)K值改善20%以上。該系統(tǒng)是CIMS?的一個重要子系統(tǒng)。

CRJ三級深度水處理體系如下。1）Ⅰ級：補(bǔ)充水端。根據(jù)水質(zhì)特征，綜合采用高效纖維過濾、鈉離子交換設(shè)備等，降低補(bǔ)充水濁度、膠體、硬度。2）II級：運(yùn)行端，綜合采用生物藥劑及精準(zhǔn)加藥系統(tǒng)，嚴(yán)格控制換熱設(shè)備（凝汽器、冷卻塔等）結(jié)垢和腐蝕問題的發(fā)生。3）Ⅲ級：末端處理。采用預(yù)處理+TUF管式超濾+雙段RO膜技術(shù)，實現(xiàn)80%的循環(huán)水排污水的回用，大幅降低排污量，該部分排污量可以通過內(nèi)部生產(chǎn)過程用水消化，從而實現(xiàn)對外零排。

2.3 循環(huán)水泵耗功的確定

電廠循環(huán)泵是并行運(yùn)轉(zhuǎn)的。循環(huán)水泵無法對冷卻水進(jìn)行持續(xù)的控制，只有增加或減少循環(huán)水泵的個數(shù)，才能使冷卻水流量發(fā)生變化。當(dāng)兩臺相同的循環(huán)水泵并聯(lián)時，其流量等于每臺單泵的等揚(yáng)程流量總和，按照相同的揚(yáng)程和流量疊加原理將多個循環(huán)水泵的相應(yīng)流量疊加，得出了不同工況下的循環(huán)水泵耗電量與冷卻水量的關(guān)系，見表1。

表1 循環(huán)水泵不同運(yùn)行方式下耗功與冷卻水流量之間的關(guān)系分析表

2.4 循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式工況

根據(jù)汽輪機(jī)功率增量ΔPt來計算不同冷卻水入口溫度和不同排汽量下的汽輪機(jī)功率增量增益ΔCt，然后根據(jù)汽輪機(jī)功率增量增益、循環(huán)水泵功耗和水資源及冷卻水熱污染增量的計算數(shù)據(jù)繪制Δw=f（tw1，Dc）工況曲線，如圖3所示。圖中橫線為循環(huán)水泵耗電量和水資源及冷卻水熱污染增量的總支出，橫線以外的其余七條曲線按冷卻水入口溫度33℃、30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、5℃與汽輪機(jī)功率增量的關(guān)系從上到下依次表示其含義。圖3中有一些水平直線與曲線相交的點，這些相交點代表了當(dāng)循環(huán)水泵的數(shù)量由單臺變?yōu)閮膳_時的運(yùn)行狀況，汽輪機(jī)功率的增量剛好等于循環(huán)水泵耗電和水資源及冷卻水熱污染的增量支出。將這些交點描在Dc=f（tw1）坐標(biāo)上，可以直接得到當(dāng)單泵過渡到雙泵工作時的分界線。

3 CIMS?智能運(yùn)維系統(tǒng)的實現(xiàn)

該文的CIMS?系統(tǒng)工作流程如圖4所示，首先采集冷端機(jī)組的實時數(shù)據(jù)，然后構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫，接著構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行冷端機(jī)組的智能判斷和分析，最后根據(jù)大數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計和訓(xùn)練優(yōu)化算法，得出機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行方案并實現(xiàn)冷端機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖4 CIMS?系統(tǒng)工作流程圖

具體實施步驟如下：在冷端機(jī)組的系統(tǒng)診斷階段，完成冷端相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)采集：符合、循環(huán)水質(zhì)、循環(huán)水量、端差、真空、冷幅等。診斷內(nèi)容包括凝汽器結(jié)垢狀況、循環(huán)水質(zhì)狀況、真空嚴(yán)密性診斷、冷卻塔診斷等。當(dāng)根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)改造時，方案設(shè)計包括RCCS?疑汽器強(qiáng)化換熱系統(tǒng)方案，進(jìn)行真空嚴(yán)密性檢查及優(yōu)化；循環(huán)水質(zhì)改造方案，考慮是否加旁濾，調(diào)整配方及加藥量等問題；冷卻塔改造方案，考慮是否更換填料和優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行；循環(huán)水泵改造方案，根據(jù)經(jīng)濟(jì)型計算確定是否需要改造循環(huán)水泵；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，添加部分遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集或控制設(shè)備。最后進(jìn)行項目規(guī)劃和優(yōu)化方案擬定。

4 結(jié)語

綜上所述，在國家宏觀調(diào)控下，資源綜合利用型發(fā)電力企業(yè)必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)備經(jīng)營方式，以尋求新的發(fā)展優(yōu)勢，在確保安全、環(huán)保的前提下，通過加強(qiáng)控制和管理，降低成本，提高公司的管理水平和核心競爭力。隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，推進(jìn)體制、管理、技術(shù)等方面的改革，不僅是時代發(fā)展的必然要求，也是傳統(tǒng)電力企業(yè)實現(xiàn)自身轉(zhuǎn)型的必然選擇。