聯(lián)合循環(huán)機組蒸汽輪機冷端系統(tǒng)運行優(yōu)化研究

摘要：隨著我國對大型火力發(fā)電機組節(jié)能降耗要求的不斷提升，機組運行節(jié)能調(diào)整成為亟待解決的重點問題。冷端系統(tǒng)的運行調(diào)整具有可操作性強、調(diào)整安全風險小的特點，因而成為火力發(fā)電廠提升節(jié)能運行能力的重要方向?，F(xiàn)基于某電廠“二拖一”燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析與理論計算，得到在不同機組發(fā)電負荷與環(huán)境溫度下的最佳背壓值，可為指導聯(lián)合循環(huán)機組的背壓運行優(yōu)化提供借鑒和參考。

關鍵詞：聯(lián)合循環(huán)；冷端優(yōu)化；蒸汽輪機；背壓

中圖分類號：TM621 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0015-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.005

0 " "引言

目前，針對冷端系統(tǒng)的運行優(yōu)化主要有理論計算和性能試驗兩種方式。高校一般采用理論計算方法，根據(jù)機力通風冷卻塔性能、循環(huán)水泵性能和凝汽器性能等計算得到最佳循環(huán)冷卻水流量和凝汽器壓力。但由于冷端系統(tǒng)的復雜性以及冷端輔助設備運行多年對實際性能造成的影響，其理論計算結(jié)果往往與實際運行情況存在一定偏差。為了能夠反映機組實際運行情況，電廠和電科院大多采用性能試驗的方法進行運行優(yōu)化，通過性能試驗確定凝汽器的最佳背壓與循環(huán)水系統(tǒng)的最佳運行方式，通過運行調(diào)整獲得最大的節(jié)能收益。

機力通風冷卻塔和循環(huán)水泵是電廠冷端系統(tǒng)的重要組成部分，這不僅是因為其運行效率影響著凝汽器背壓，同時其也是冷端系統(tǒng)中廠用電使用率較高的輔助機械設備[1]。

提高風機的轉(zhuǎn)速和循環(huán)水泵電流可以加強循環(huán)水的換熱能力，有利于降低凝汽器背壓，增加機組發(fā)電功率，但同時會引起循環(huán)水泵和機力通風塔風機耗功的增加[2-3]。因此，尋找使得機組發(fā)電功率增量與循泵、風機功率增量之差取得最大值時的工況點成為提升機組運行經(jīng)濟性的有效措施[4]，此時的凝汽器背壓被稱為最佳背壓。

本文通過對機組運行數(shù)據(jù)進行提取整理與分析計算，得到機組在不同蒸汽輪機負荷與環(huán)境溫度下的最佳背壓，同時根據(jù)機組的參數(shù)修正曲線數(shù)據(jù)，提出了簡化的機組背壓節(jié)能運行調(diào)整原則，可為機組節(jié)能運行調(diào)整提供參考。

1 " "機組概況

北京高井熱電分公司“二拖一”機組包括2臺9FB型燃機組成的燃氣輪機發(fā)電機組、2臺余熱鍋爐和1臺蒸汽輪機發(fā)電供熱機組，“二拖一”整機功率921 MW，汽機功率320 MW。汽輪機組是哈汽自主研發(fā)的首臺NCB型式熱電聯(lián)供機組，型號為LNCB320/155-13.02/0.500/

565/565，該機型為三壓、再熱、雙缸、向下排汽、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)用凝汽式汽輪機，通流部分由高、中、低壓三部分組成，高壓由9級組成，中壓部分由10級組成，低壓部分由2×4級壓力級組成，機組共計27級。蒸汽輪機高中壓缸和低壓缸之間通過SSS離合器連接，冬季供熱工況熱負荷需求較大時，汽機低壓缸解列，高中壓缸按照背壓方式運行，其排汽及余熱鍋爐低壓主汽全部用于熱網(wǎng)加熱器供熱。非供熱工況或熱負荷需求較低時，高中壓缸和低壓缸通過SSS離合器連成一個軸實現(xiàn)純凝、抽凝運行。

冷卻塔本體型號為NH-6500型機械通風冷卻塔，整套塔處理流量大于51 414 m3/h，單格設計流量6 500 m3/h，進塔水溫42 ℃，出塔水溫32 ℃，進塔設計干球溫度27.5 ℃，濕球溫度24.7 ℃，大氣壓力100.0 kPa，相對濕度0.80，空氣密度1.15 kg/m3，冷卻幅高7.3 ℃。冷卻塔頂端布置有8臺風機以強化換熱，風機型號為L10360，風機葉輪直徑10 360 mm，設計風量3 100 000 m3/h，每臺風機額定功率220 kW。循環(huán)水泵為定速泵，額定功率2 300 kW，額定流量25 950 t/h。

2 " "計算方法

一般而言，提升機力通風冷卻水塔風機電流可以降低機組背壓，進而提升機組的發(fā)電負荷，但會增加發(fā)電廠的廠用電率。

理論上需要分別建立機組發(fā)電功率—背壓模型、機力通風塔風機功率—背壓模型和循環(huán)水泵功率—背壓模型，然后劃分離散工況點，做出機組凈功率增量—背壓函數(shù)曲線以求得機組的最佳背壓[5-6]。但由于上述方法需要建立3個模型，計算方式復雜且容易增大累積誤差，所以考慮直接建立機組凈功率—背壓模型來尋找最佳背壓。

利用電廠SIS系統(tǒng)調(diào)取了“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機組2019年1月至2020年12月的發(fā)電負荷、背壓、環(huán)境溫度、風機電流等測點的數(shù)據(jù)。

對8臺風機的功率進行累加求和，得到了風機的總功率數(shù)據(jù)：

P1=×Un×In×cos φ " " " " " "（1）

式中：P1為8臺風機總耗功（kW）；Un為第n臺風機的電壓（V）；In為第n臺風機的電流（A）；cos φ為風機相位角余弦值，取0.858。

在算出風機耗功之后，計算同一時刻下蒸汽輪機機組負荷與風機耗功及循環(huán)水泵耗功的差值作為機組凈功率。

P=Q-P1-P2 " " " " " " " （2）

式中：P為蒸汽輪機機組凈功率（kW）；Q為蒸汽輪機機組發(fā)電負荷（kW）；P2為蒸汽輪機循環(huán)水泵功率（kW）。

選取2019—2020年兩年數(shù)據(jù)進行篩選，即可計算機組在不同環(huán)境溫度與蒸汽輪機負荷情況下的最佳背壓。選取原則如下：

（1）選取典型負荷數(shù)據(jù)，每個負荷附近±1 MW都作為該負荷的數(shù)據(jù)；

（2）在每一負荷下，每個環(huán)境溫度附近±0.5 ℃都作為該溫度的數(shù)據(jù)。

3 " "計算結(jié)果

圖1是機組負荷120 MW、環(huán)境溫度30 ℃時機組凈功率與背壓的關系圖。

圖2是機組負荷180 MW、環(huán)境溫度10 ℃時機組凈功率與背壓的關系圖。

可以看出，隨著機組背壓的升高，機組發(fā)電凈功率均呈下降趨勢，所以在這兩個工況下，在機組運行的實際過程中，還應繼續(xù)降低機組背壓以獲得節(jié)能收益。

4 " "節(jié)能效果評估

根據(jù)圖1與圖2所述計算結(jié)果，可以得到在當前運行周期內(nèi)某一機組負荷及環(huán)境溫度下的最佳背壓及在該背壓下的機組發(fā)電凈功率，將該最佳背壓下機組發(fā)電凈功率與運行周期內(nèi)所有其他發(fā)電凈功率點進行對比，可以得到采用最佳背壓時發(fā)電凈功率的增加值，即采用最佳背壓時可獲得的節(jié)能收益。

圖3所示為汽機功率180 MW、環(huán)境溫度在30 ℃附近時汽機運行凈功率與按照推薦背壓運行可實現(xiàn)的凈功率對比，在該工況下，若按照推薦背壓運行，平均可多發(fā)電量0.23 MW·h，經(jīng)濟效益提升約0.13%。

圖4所示為汽機功率180 MW、環(huán)境溫度在20 ℃附近時汽機運行凈功率與按照推薦背壓運行可實現(xiàn)的凈功率對比，在該工況下，若按照推薦背壓運行，平均可多發(fā)電量0.88 MW·h，經(jīng)濟效益提升約0.48%。

經(jīng)過統(tǒng)計，按照推薦背壓運行，全工況下可實現(xiàn)節(jié)能量約0.22%。

5 " "調(diào)整策略

基于最佳節(jié)能背壓曲線和歷史數(shù)據(jù)計算得出，若進行冷端優(yōu)化改造，機組運行情況將會發(fā)生改變。另外，受機組運行實際情況影響，機組背壓可能無法調(diào)整至最佳節(jié)能背壓或有不準確因素產(chǎn)生誤差，比如增開風機后機組背壓卻無法降低，故提出簡化的機組背壓節(jié)能運行調(diào)整原則。

根據(jù)“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機組的背壓—功率修正曲線，當運行背壓在5.0～5.9 kPa時，背壓每降低1 kPa，機組可多發(fā)電3 MW·h，每臺機力通風塔風機耗電量0.22 MW·h，每臺循環(huán)水泵耗電量2.3 MW·h，所以在氣候環(huán)境條件及機組負荷保持穩(wěn)定的工況下，每開啟兩臺風機若能降低背壓0.15 kPa及以上，或每開啟一臺循環(huán)水泵可以降低背壓0.77 kPa及以上，那么就會產(chǎn)生節(jié)能收益。

當運行背壓為4.0～4.9 kPa時，背壓每降低1 kPa，機組可多發(fā)電2 MW·h，則每開啟兩臺風機若能降低背壓0.22 kPa及以上，或每開啟一臺循環(huán)水泵可以降低背壓1.15 kPa及以上，那么就會產(chǎn)生節(jié)能收益；當運行背壓為6.0～6.9 kPa時，背壓每降低1 kPa，機組可多發(fā)電3.2 MW·h，則每開啟兩臺風機若能降低背壓0.14 kPa及以上，或每開啟一臺循環(huán)水泵可以降低背壓0.72 kPa及以上，那么就會產(chǎn)生節(jié)能收益。

6 " "結(jié)語

本文采用數(shù)據(jù)分析與理論計算的方式，對聯(lián)合循環(huán)機組冷端運行背壓數(shù)值給出優(yōu)化建議，并評估計算了采用最佳背壓可產(chǎn)生的節(jié)能收益，同時，根據(jù)汽輪機制造廠家提供的機組發(fā)電功率—背壓修正曲線，對機組運行調(diào)整策略給出了理論描述，可為聯(lián)合循環(huán)機組的節(jié)能優(yōu)化運行提供參考。

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收稿日期：2022-09-14

作者簡介：楊陽（1988—），男，湖北宜昌人，高級工程師，研究方向：電力生產(chǎn)與運營。