9F燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化與應(yīng)用

王展良

廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司,廣東 惠州 516001

0 引言

三菱M701F4型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是國(guó)內(nèi)常見的9F燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組,目前國(guó)內(nèi)裝機(jī)數(shù)量已近百臺(tái)。凝汽設(shè)備是火力發(fā)電廠的重要組成部分,直接影響整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性[1]。循環(huán)水系統(tǒng)作為凝汽設(shè)備的冷源,必須保持連續(xù)運(yùn)行,否則將造成循環(huán)水中斷、機(jī)組保護(hù)跳閘,處理不當(dāng)甚至?xí)斐赡O(shè)備損壞。

循環(huán)水泵具有功率高、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),是全廠耗電量最大的廠用電負(fù)荷,循環(huán)水泵耗電量可占廠用電總用電量的1/3。循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行裕度大,擁有極大的節(jié)能降耗空間。本文在不犧牲安全性的前提下,通過(guò)優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式,最大程度降低循環(huán)水泵耗電量,為同類型機(jī)組的節(jié)能優(yōu)化提供借鑒和參考。

1 優(yōu)化前的循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式

A燃機(jī)電廠裝配3套三菱M701F4燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組,為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,采用燃機(jī)和汽輪機(jī)“一拖一”分軸布置。其中,汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的三壓、再熱、雙缸、向下排汽、抽凝供熱型汽輪機(jī),額定功率為150 MW,型號(hào)為L(zhǎng)CC150。正常情況下保持1套機(jī)組供熱連運(yùn),每套機(jī)組配備2臺(tái)循環(huán)水泵,循環(huán)水為開式水,直接取自大海,經(jīng)過(guò)循環(huán)水引水前池、循環(huán)水泵后送至各機(jī)組凝汽器,最后通過(guò)虹吸井流回大海。循環(huán)水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

循環(huán)水系統(tǒng)可以單元制運(yùn)行,也可以母管制運(yùn)行。當(dāng)關(guān)閉聯(lián)絡(luò)閥組時(shí),循環(huán)水系統(tǒng)單元制運(yùn)行;當(dāng)打開聯(lián)絡(luò)閥組時(shí),循環(huán)水系統(tǒng)母管制運(yùn)行。優(yōu)化前的循環(huán)水泵運(yùn)行方式詳見表1。

機(jī)組單元制運(yùn)行時(shí),若機(jī)組運(yùn)行,則啟動(dòng)2臺(tái)循環(huán)水泵;若機(jī)組停運(yùn),則啟動(dòng)1臺(tái)循環(huán)水泵;若機(jī)組檢修,則停運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng),停運(yùn)所有循環(huán)水泵。

機(jī)組母管制運(yùn)行時(shí),若有3套機(jī)組運(yùn)行時(shí),則啟動(dòng)5～6臺(tái)循環(huán)水泵;若有2套機(jī)組運(yùn)行時(shí),則啟動(dòng)4臺(tái)循環(huán)水泵;若有1套機(jī)組運(yùn)行時(shí),則啟動(dòng)3臺(tái)循環(huán)水泵;若有0套運(yùn)行時(shí),則啟動(dòng)1臺(tái)循環(huán)水泵;若所有機(jī)組檢修時(shí),則停運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng),停運(yùn)所有循環(huán)水泵。

表1 優(yōu)化前的循環(huán)水泵運(yùn)行方式 單位:臺(tái)

2 優(yōu)化思路

一般而言,9F燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行裕度極大,特別是冬季氣溫低、冷卻水溫度低的時(shí)候,運(yùn)行裕度更大。以A燃機(jī)電廠為例,冬季機(jī)組的凝汽器真空最高可達(dá)-99 kPa,而根據(jù)汽輪機(jī)廠家說(shuō)明和相關(guān)試驗(yàn),凝汽器的最佳真空在-96 kPa左右。顯然,循環(huán)水系統(tǒng)存在極大的優(yōu)化空間。

2.1 減少循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量

從表1可知,循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化前,單套機(jī)組運(yùn)行時(shí)須啟動(dòng)3臺(tái)循環(huán)水泵。查詢當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況發(fā)現(xiàn),此時(shí)另外2套停運(yùn)機(jī)組的循環(huán)水回水閥仍保持10%～25%的開度,浪費(fèi)大量循環(huán)水,完全可再停運(yùn)1臺(tái)循環(huán)水泵。另外,3套機(jī)組運(yùn)行時(shí)若保持6臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行也將浪費(fèi)大量循環(huán)水,可考慮減少至5臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行。以上2種情況均可再停運(yùn)1臺(tái)循環(huán)水泵,節(jié)省大量廠用電。

2.2 優(yōu)化循環(huán)水泵啟停時(shí)機(jī)

一般而言,發(fā)電廠對(duì)循環(huán)水泵的啟停時(shí)機(jī)并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定,每位操作人員根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn),啟停時(shí)機(jī)均有所差異。統(tǒng)一循環(huán)水泵啟停時(shí)機(jī),不僅可以避免過(guò)早停運(yùn)循環(huán)水泵,保證機(jī)組循環(huán)水用量,提高機(jī)組的安全性,也可以減少循環(huán)水泵的無(wú)效運(yùn)行時(shí)間,提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,一舉兩得[2]。

2.3 合理搭配高低速循環(huán)水泵組合

通過(guò)不同容量循環(huán)水泵進(jìn)行優(yōu)化配置,可以更靈活地調(diào)節(jié)機(jī)組的冷卻水量[3]。A燃機(jī)電廠配備的6臺(tái)循環(huán)水泵,均可設(shè)置為高速模式或低速模式,參數(shù)如表2所示。高速模式和低速模式的揚(yáng)程分別是20 m(0.2 MPa)和15 m(0.15 MPa),而循環(huán)水泵出口母管壓力約為0.1 MPa,低于高速模式和低速模式的揚(yáng)程。理論上,高速模式的循環(huán)水泵可以和低速模式的循環(huán)水泵并列運(yùn)行,且低速模式的功率僅為高速模式的60%,若合理利用低速模式,在不增加前期硬件投入的前提下,將帶來(lái)巨大的節(jié)能空間。

表2 循環(huán)水泵高速/低速模式額定參數(shù)

2.4 循環(huán)水泵變頻改造

變頻改造是發(fā)電廠高負(fù)荷輔機(jī)節(jié)能改造的重要方式,可以實(shí)現(xiàn)不同工況下的負(fù)荷需求的無(wú)極調(diào)節(jié),是眾多節(jié)能優(yōu)化方案中效果最好的一種。據(jù)統(tǒng)計(jì),A燃機(jī)電廠的循環(huán)水泵未經(jīng)變頻改造,其循環(huán)水泵用電量占廠用電量的33%;而作為同類型電廠的B燃機(jī)發(fā)電廠,其循環(huán)水泵進(jìn)行變頻改造后,循環(huán)水泵用電量?jī)H占廠用電量的22%?？梢?循環(huán)水泵變頻改造節(jié)能空間巨大。但循環(huán)水泵變頻改造,前期投入巨大,本文暫未考慮此方案。

3 實(shí)際應(yīng)用

A燃機(jī)電廠的3套機(jī)組先后于2020年底完成對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化工作。優(yōu)化措施包括減少循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量、優(yōu)化循環(huán)水泵啟停時(shí)機(jī)和合理搭配高低速循環(huán)水泵組合。

3.1 循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量及備用泵選擇

前文已詳細(xì)分析,部分工況下完全可以再停運(yùn)1臺(tái)循環(huán)水泵,并且本次優(yōu)化還包括合理搭配高低速循環(huán)水泵組合。循環(huán)水泵高低速模式設(shè)定須在循環(huán)水泵停運(yùn)檢修的情況下,改變循環(huán)水泵的接線進(jìn)行切換,一般不頻繁進(jìn)行高低速模式切換。因此,選用1臺(tái)固定的循環(huán)水泵作為低速模式,與其他高速模式的循環(huán)水泵進(jìn)行搭配,本次優(yōu)化將1號(hào)機(jī)組B循環(huán)水泵固定為低速模式。不同機(jī)組狀態(tài),對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量不同,相應(yīng)的備用泵(停運(yùn)泵)的選擇也不同,具體方案見表3。

表3 循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量及備用泵的選擇方案

3.2 循環(huán)水泵啟停時(shí)機(jī)的選擇

為了避免過(guò)早停運(yùn)循環(huán)水泵,保證機(jī)組循環(huán)水用量,同時(shí)減少循環(huán)水泵的無(wú)效運(yùn)行時(shí)間,將循環(huán)水泵在不同工況下的啟停時(shí)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。

具體而言,啟機(jī)時(shí),當(dāng)?shù)?套機(jī)組啟動(dòng),燃機(jī)發(fā)令前啟動(dòng)低速循環(huán)水泵,燃機(jī)并網(wǎng)后汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前啟動(dòng)第4臺(tái)循環(huán)水泵(高速模式);第3套機(jī)組啟動(dòng),燃機(jī)并網(wǎng)后汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前啟動(dòng)第5臺(tái)循環(huán)水泵(高速模式)。啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)具體規(guī)定見表4。

停機(jī)時(shí),燃機(jī)解列且汽機(jī)旁路閥全關(guān)后再停運(yùn)相應(yīng)循環(huán)水泵。停運(yùn)節(jié)點(diǎn)具體規(guī)定見表5。

表4 循環(huán)水泵啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)規(guī)定

表5 循環(huán)水泵停運(yùn)節(jié)點(diǎn)規(guī)定

3.3 其他注意事項(xiàng)

高負(fù)荷時(shí)應(yīng)密切監(jiān)視凝汽器循環(huán)水溫升,凝汽器循環(huán)水溫升設(shè)計(jì)值為8 ℃,溫升大于9 ℃時(shí)啟動(dòng)備用循環(huán)水泵,溫升大于11 ℃時(shí)應(yīng)查找原因。

另外,當(dāng)凝汽器循環(huán)水溫升過(guò)高時(shí),可適當(dāng)關(guān)小低負(fù)荷機(jī)組或者供熱機(jī)組(供熱機(jī)組汽機(jī)負(fù)荷一般不超過(guò)130 MW)的機(jī)側(cè)循環(huán)水出口蝶閥,提高循環(huán)水母管的壓力,從而降低高負(fù)荷機(jī)組的循環(huán)水溫升。

4 優(yōu)化效果評(píng)估

以下分別從安全性和經(jīng)濟(jì)性2個(gè)層面,分析A燃機(jī)電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的效果。

4.1 安全性分析

圖2為不同運(yùn)行工況下汽機(jī)負(fù)荷與循環(huán)水溫升的關(guān)系。

圖2 不同運(yùn)行工況下汽機(jī)負(fù)荷-循環(huán)水溫升圖

4.1.1 單套機(jī)組運(yùn)行工況

2號(hào)機(jī)組單機(jī)供熱運(yùn)行,2臺(tái)高速循環(huán)水泵(2號(hào)A、2號(hào)B)運(yùn)行,1號(hào)機(jī)組(真空備用)循環(huán)水回水閥開度約10%,3號(hào)機(jī)組循環(huán)水回水閥全關(guān),1、3號(hào)機(jī)組水-水熱交換器開式水回水閥開度25%,保持循環(huán)水母管壓力約0.12 MPa,2號(hào)機(jī)組機(jī)側(cè)循環(huán)水母管壓力為0.078 MPa。2號(hào)機(jī)組循環(huán)水溫升可控制在7.5 ℃以內(nèi)。

4.1.2 兩套機(jī)組運(yùn)行工況

2號(hào)機(jī)組供熱運(yùn)行、3號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行,3臺(tái)高速循環(huán)水泵和1臺(tái)低速循環(huán)水泵運(yùn)行,循環(huán)水母管壓力約0.11 MPa,2、3號(hào)機(jī)組機(jī)側(cè)循環(huán)水母管壓力分別為0.072 MPa、0.073 MPa。供熱機(jī)組(2號(hào)機(jī)組)循環(huán)水溫升可控制在8 ℃以內(nèi),非供熱機(jī)組(3號(hào)機(jī)組)循環(huán)水溫升可控制在8.5 ℃以內(nèi)。

4.1.3 三套機(jī)組運(yùn)行工況

2號(hào)機(jī)組供熱運(yùn)行,1、2號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行,4臺(tái)高速循環(huán)水泵和1臺(tái)低速循環(huán)水泵運(yùn)行,循環(huán)水母管壓力約0.10 MPa,3套機(jī)組機(jī)側(cè)循環(huán)水母管壓力分別為0.051、0.064、0.067 MPa。供熱機(jī)組(2號(hào)機(jī)組)循環(huán)水溫升可控制在8℃以內(nèi),非供熱機(jī)組(1、3號(hào)機(jī)組)循環(huán)水溫升可控制在9 ℃以內(nèi)。

綜上,無(wú)論是1套機(jī)組運(yùn)行,2套機(jī)組運(yùn)行,還是3套機(jī)組運(yùn)行,大部分工況下機(jī)組循環(huán)水溫升都不超過(guò)8 ℃,僅機(jī)組高負(fù)荷且循環(huán)水壓力較低時(shí)才超過(guò)8 ℃,但仍不超過(guò)9 ℃,因此,該優(yōu)化方案可滿足各個(gè)工況下機(jī)組循環(huán)水供應(yīng)量,且能滿足環(huán)保要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

A燃機(jī)電廠于2020年底完成對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化工作。優(yōu)化前(2020年1—8月)與優(yōu)化后(2021年1—8月)循環(huán)水泵的用電量具體數(shù)據(jù)見表6。考慮不同月份機(jī)組運(yùn)行工況不同,對(duì)比優(yōu)化前后2年同期數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后循環(huán)水泵直接廠用電率大幅降低(見圖3)。

表6 2020與2021年1—8月循環(huán)水泵用電量統(tǒng)計(jì)

圖3 2020與2021年1—8月循環(huán)水泵直接廠用電率趨勢(shì)圖

從表6中的數(shù)據(jù)可知,循環(huán)水泵直接廠用電率由優(yōu)化前的0.89%降至0.70%。A燃機(jī)電廠年均發(fā)電量為37億kW·h,則優(yōu)化后每年可節(jié)省廠用電量如下。

370 000萬(wàn)kW·h×(0.89%-0.70%)=703萬(wàn)kW·h

平均電價(jià)按0.605元/kW·h計(jì)算,每年可節(jié)省費(fèi)用如下。

703萬(wàn)kW·h×0.605元/kW·h=425萬(wàn)元

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的9F燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案,并不需要額外增加硬件,僅通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行方式便可實(shí)現(xiàn),扣除人工成本后改造成本近乎為零。優(yōu)化后循環(huán)水溫升并未出現(xiàn)大幅增加,基本可滿足環(huán)保要求,優(yōu)化后每年可節(jié)省425萬(wàn)元的成本,節(jié)能效果顯著。