600MW機(jī)組循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式的確定方法

樓可煒，孫永平，秦 攀，董益華

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

循環(huán)水泵（簡稱循泵）運(yùn)行方式的優(yōu)化調(diào)整是火電機(jī)組運(yùn)行節(jié)能的重要措施。由于涉及參數(shù)較多、計(jì)算過程復(fù)雜，根據(jù)各項(xiàng)運(yùn)行條件的變化難以確定循泵優(yōu)化調(diào)整方案。循環(huán)水系統(tǒng)按照循泵葉角是否可調(diào)分為流量可連續(xù)調(diào)節(jié)型和不可連續(xù)調(diào)節(jié)型。為滿足機(jī)組冷端系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行的實(shí)際需求，通過對這2類循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行特性比較試驗(yàn)，編制了冷端優(yōu)化計(jì)算程序，以確定在不同循環(huán)水進(jìn)水溫度及機(jī)組負(fù)荷條件下的循泵運(yùn)行最佳方案。

1 循環(huán)水系統(tǒng)的特性差異

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)的類型差異

目前多數(shù)內(nèi)陸發(fā)電廠的循泵都不能連續(xù)調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，只能通過改變循泵運(yùn)行組合方式來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量[1]。每臺機(jī)組配備2臺循泵供水，鄰機(jī)之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)閥，通過聯(lián)絡(luò)閥循環(huán)水系統(tǒng)可由單元制供水方式切換為擴(kuò)大母管制方式。

一些沿海發(fā)電機(jī)組配置了流量可連續(xù)調(diào)節(jié)的循環(huán)水系統(tǒng)。每臺機(jī)組配備2臺循泵，每臺循泵都設(shè)置1套供油裝置及帶反饋的葉片調(diào)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)，可在集控室實(shí)時(shí)發(fā)出動葉角度調(diào)節(jié)指令，通過改變循泵動葉開度來實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。這類循環(huán)水系統(tǒng)一般采用單元制形式，相鄰機(jī)組之間無聯(lián)絡(luò)管路相連。

1.2 循環(huán)水流量調(diào)節(jié)特性分析

流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)型循環(huán)水系統(tǒng)只能通過改變循泵運(yùn)行臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)水供水系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)，運(yùn)行方式可分為一機(jī)一泵、兩機(jī)三泵、一機(jī)兩泵。冬季水溫較低時(shí)，每臺機(jī)組各啟動1臺循泵，中間聯(lián)絡(luò)閥關(guān)閉，即一機(jī)一泵；春（秋）季水溫適中時(shí)，中間聯(lián)絡(luò)閥開啟，2臺機(jī)組啟動3臺循泵，即兩機(jī)三泵；到夏季水溫較高時(shí)，循泵全部開啟，即一機(jī)兩泵?？偟膩碚f，該類型循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式是隨著循環(huán)水溫的升高，通過逐步增加循泵運(yùn)行臺數(shù)來增大循環(huán)水流量，以維持凝汽器理想的真空。對這類循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化的關(guān)鍵是：準(zhǔn)確把握循泵3種運(yùn)行方式切換所對應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水進(jìn)水溫度等運(yùn)行條件。

流量可連續(xù)調(diào)節(jié)型循環(huán)水系統(tǒng)由于配備了2臺均可實(shí)現(xiàn)動葉調(diào)節(jié)的循泵，除了溫度較低時(shí)采取單泵運(yùn)行方式，溫度較高時(shí)采取雙泵運(yùn)行方式外，還可以通過實(shí)時(shí)改變循泵動葉角度以及凝汽器出口的循環(huán)水出水門開度等輔助手段來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量。相比流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)型循泵的流量“粗放”調(diào)節(jié)，它具有流量調(diào)節(jié)便捷、精細(xì)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此對機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能更為有利。這類循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵是：尋找機(jī)組在不同負(fù)荷、不同循環(huán)水溫下最佳的循環(huán)水流量需求，并據(jù)此確定循泵的運(yùn)行臺數(shù)、動葉角度及凝汽器循環(huán)水出口閥開度等可調(diào)參數(shù)。

2 循泵優(yōu)化運(yùn)行方式的確定

2.1 冷端優(yōu)化計(jì)算方法

盡管2類循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化的關(guān)鍵問題不同，但都需以凝汽器變工況計(jì)算為前提，根據(jù)循環(huán)水流量變化對凝汽器壓力的影響，確定出循泵的優(yōu)化調(diào)整方向。采用經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校正后的別爾曼公式[2]進(jìn)行凝汽器傳熱計(jì)算，確定不同機(jī)組負(fù)荷、不同循環(huán)水進(jìn)水溫度條件下的凝汽器壓力應(yīng)達(dá)值，然后根據(jù)凝汽器耗差與循泵耗差之間的數(shù)值比較，以最小耗差為目標(biāo)來確定循泵的最佳運(yùn)行方式。

上述理論計(jì)算過程以實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，無論哪類循環(huán)水系統(tǒng)，都必須知曉循泵的實(shí)際運(yùn)行特性，據(jù)此確定循環(huán)水流量變化與循泵耗功變化之間的對應(yīng)關(guān)系。通過理論計(jì)算得出凝汽器壓力應(yīng)達(dá)值后，也需從變真空試驗(yàn)得出的凝汽器背壓對機(jī)組出力影響修正曲線中，查取凝汽器壓力變化引起的機(jī)組出力微增數(shù)值。以內(nèi)陸、沿海各1臺600MW機(jī)組為試驗(yàn)對象，在冬季、夏季和春（秋）季分別進(jìn)行了多個(gè)負(fù)荷工況的冷端優(yōu)化試驗(yàn)，以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，得出了各冷端設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行性能以及相互影響關(guān)系，并進(jìn)行冷端優(yōu)化計(jì)算，從而確保計(jì)算結(jié)果對循泵等冷端設(shè)備優(yōu)化調(diào)整更有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

2.2 流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)循泵的優(yōu)化調(diào)整方法

內(nèi)陸某超臨界600MW機(jī)組，循泵為流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)型，只能采用一機(jī)一泵、兩機(jī)三泵、一機(jī)兩泵這3種運(yùn)行方式。通過循泵運(yùn)行切換特性試驗(yàn)，得到如表1所列的循泵3種運(yùn)行方式所對應(yīng)的循環(huán)水流量以及循泵總耗功數(shù)據(jù)。

表1 循泵3種運(yùn)行方式的循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)中也測取了各種不同循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量及機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行條件下的凝汽器壓力，計(jì)算得出凝汽器的實(shí)際傳熱系數(shù)，并以此校正別爾曼公式得出的理論計(jì)算結(jié)果，以提高冷端優(yōu)化計(jì)算的準(zhǔn)確性。

由于循環(huán)水流量僅與循泵運(yùn)行臺數(shù)相關(guān)，因此可將機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水流量預(yù)先設(shè)定為固定的參數(shù)條件，而將循環(huán)水進(jìn)水溫度作為變量，在5～40℃范圍內(nèi)按照1℃的溫度間隔代入計(jì)算模型進(jìn)行迭代計(jì)算。由此確定在不同機(jī)組負(fù)荷與水溫的條件下，這3種循泵運(yùn)行方式分別對應(yīng)的3個(gè)凝汽器背壓與循泵功耗。由不同的凝汽器背壓可計(jì)算出機(jī)組出力的變化值。當(dāng)改變循環(huán)水溫使這3種循泵運(yùn)行方式之間的機(jī)組負(fù)荷增加值與循泵耗功增加值相等時(shí)，該循環(huán)水溫即為該負(fù)荷條件下循泵運(yùn)行方式切換的臨界溫度點(diǎn)。

在不同負(fù)荷下使用上述方法進(jìn)行循環(huán)水溫的迭代計(jì)算，就可找出2組臨界溫度序列，即一機(jī)一泵與兩機(jī)三泵切換的臨界溫度序列、兩機(jī)三泵與一機(jī)兩泵切換的臨界溫度序列。將2組序列分別繪制成如圖1所示的連續(xù)曲線，即可得到機(jī)組負(fù)荷率在50%～100%之間、全年循環(huán)水溫變化條件下所對應(yīng)的循泵切換運(yùn)行成本與收益達(dá)到平衡的“零收益”曲線。

圖1旨在為運(yùn)行人員在全年水溫、全負(fù)荷段下循泵的運(yùn)行方式提供簡單明了的操作指導(dǎo)，圖中2條曲線既是不同循泵運(yùn)行方式的最佳切換分界線，也可理解為3種循泵運(yùn)行方式在不同負(fù)荷、循環(huán)水溫條件下的收益平衡線。在某個(gè)運(yùn)行區(qū)域離開曲線越遠(yuǎn)表明該循泵運(yùn)行方式相對其他方式經(jīng)濟(jì)性越好。由于循環(huán)水流量調(diào)整方式較為簡單，這種尋找不同循泵運(yùn)行方式下經(jīng)濟(jì)性能相等點(diǎn)的“收益平衡法”不失為一種快速有效的優(yōu)化方法。

2.3 流量可連續(xù)調(diào)節(jié)循泵的優(yōu)化調(diào)整方法

相比循環(huán)水流量不可調(diào)節(jié)的循環(huán)水系統(tǒng)，動葉可調(diào)型循泵的流量調(diào)節(jié)手段較多，因此運(yùn)行方式的優(yōu)化也就更加復(fù)雜。由于循泵流量可以無級調(diào)節(jié)并可連續(xù)變化，要在某個(gè)負(fù)荷及循環(huán)水溫條件下確定循泵運(yùn)行方式，必須對所有的循泵流量調(diào)節(jié)組合進(jìn)行尋優(yōu)選擇。在循泵小流量、低揚(yáng)程運(yùn)行工況下，還需考慮到開式水用戶的要求，凝汽器循環(huán)水出口閥也需隨動葉角度變化而作相應(yīng)調(diào)節(jié)。由于不同的循泵動葉角度對應(yīng)不同的循泵運(yùn)行特性，不同的凝汽器循環(huán)水出口閥開度對應(yīng)不同的管路阻力特性。因此，要確定該類循泵的優(yōu)化運(yùn)行方式，其計(jì)算難度要大大超過特性單一的流量不可調(diào)節(jié)型循泵。為此，必須對該類循泵及管路運(yùn)行特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>

以沿海1臺亞臨界600MW機(jī)組為例，進(jìn)行了一系列循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析篩選，得到了如圖2所示的典型運(yùn)行工況的循環(huán)水流量與循泵耗功關(guān)系曲線。圖2中對單泵運(yùn)行與雙泵運(yùn)行的特性曲線進(jìn)行了交合處理，即在整個(gè)循環(huán)水流量從25000～65 000t/h的連續(xù)變化范圍內(nèi)，當(dāng)循環(huán)水流量需求低于42 000t/h時(shí)采用單泵運(yùn)行；當(dāng)循環(huán)水流量需求高于42 000t/h時(shí)，采用雙泵運(yùn)行。

圖2 流經(jīng)凝汽器循環(huán)水流量與循泵功耗的關(guān)系曲線

圖3更為詳細(xì)地說明了圖2中單泵、雙泵特性曲線所對應(yīng)的循泵動葉角度、循環(huán)水出水門開度等運(yùn)行條件。由圖3可知：當(dāng)循泵采用單泵運(yùn)行且動葉角度大于70%時(shí)，凝汽器循環(huán)水出口閥可全開。由此表明在循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整時(shí)，凝汽器循環(huán)水出口閥僅在循泵單泵運(yùn)行方式下配合進(jìn)行循環(huán)水管路壓力的調(diào)節(jié)，而且其開度對管路阻力的影響可以通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，可以得出不同循環(huán)水流量所對應(yīng)的循泵功耗、循泵動葉角度及凝汽器循環(huán)水出口閥開度之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。

圖3 流經(jīng)凝汽器循環(huán)水流量對應(yīng)的循泵運(yùn)行方式

針對循環(huán)水流量連續(xù)可調(diào)的循泵，同樣可以通過別爾曼公式建模來進(jìn)行凝汽器的變工況計(jì)算。與流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)型循泵的計(jì)算方法的區(qū)別是：輸入計(jì)算模型的已知參數(shù)變成機(jī)組負(fù)荷及循環(huán)水進(jìn)口溫度，而循環(huán)水流量作為循環(huán)迭代變量參與計(jì)算，迭代范圍從25000～65 000t/h，迭代步長為100t/h。計(jì)算目的是獲取在一定的機(jī)組負(fù)荷及循環(huán)水溫下，通過改變循環(huán)水流量而使機(jī)組負(fù)荷增加值與循泵耗功增加值之差為最大，此時(shí)循環(huán)水流量即為最佳流量。這種在循環(huán)水流量變化范圍內(nèi)，迭代尋找當(dāng)前特定運(yùn)行工況下最大收益的方法稱為收益最大法。

整個(gè)計(jì)算過程借助計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)，只需輸入當(dāng)前的機(jī)組負(fù)荷及循環(huán)水溫，均可自動尋優(yōu)得到收益最高的循環(huán)水流量值，并按照圖3中的曲線由循環(huán)水流量值匹配得到循泵當(dāng)前運(yùn)行工況下的運(yùn)行臺數(shù)、動葉角度及凝汽器循環(huán)水出口閥開度。因此，在動葉調(diào)節(jié)設(shè)備工作許可的前提下，該模型可提供在線實(shí)時(shí)的運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)循泵優(yōu)化運(yùn)行方式的閉環(huán)控制。

以循環(huán)水進(jìn)水溫度20℃作為運(yùn)行條件進(jìn)行循泵運(yùn)行方式尋優(yōu)計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化前后的經(jīng)濟(jì)性差異比較。在循泵運(yùn)行優(yōu)化前，進(jìn)水溫度為20℃，各運(yùn)行負(fù)荷段均采用單臺循泵運(yùn)行、循泵動葉角度80%、凝汽器出口閥開度為100%的固定運(yùn)行方式，優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果如表2所列。由表2可知，優(yōu)化計(jì)算后推薦采用雙泵運(yùn)行方式，在機(jī)組負(fù)荷50%～100%的變化范圍內(nèi)，循泵動葉角度需隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而逐步開大，增加循環(huán)水流量來滿足凝汽器熱負(fù)荷增加的冷卻需求。與優(yōu)化前的循泵常規(guī)運(yùn)行方式相比，循泵優(yōu)化方式在較低機(jī)組負(fù)荷階段可獲得的電能收益并不大，但隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，優(yōu)化方式可以獲得的電能收益迅速增加。當(dāng)機(jī)組在100%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，計(jì)算得出雙泵運(yùn)行方式的動葉角度為68%，可以獲得的機(jī)組電能收益高達(dá)1482 kW，占主機(jī)功率的0.25%，節(jié)能效果十分顯著。

表2 優(yōu)化計(jì)算后的循泵運(yùn)行方式及電能收益結(jié)果

3 結(jié)語

流量不可連續(xù)調(diào)節(jié)型循泵一般只能采用一機(jī)一泵、兩機(jī)三泵、一機(jī)兩泵這3種運(yùn)行切換方式，調(diào)節(jié)手段相對單一，對循環(huán)水流量調(diào)節(jié)較為“粗放”。當(dāng)循泵運(yùn)行方式切換時(shí)，存在電能收益為零的切換分界線。在不同負(fù)荷、循環(huán)水溫條件下，按照推薦的運(yùn)行方式，離開電能收益平衡線越遠(yuǎn)，則獲得的電能收益就越大。因此，收益平衡法是一種快速有效的循泵優(yōu)化判別方法。

而流量可連續(xù)調(diào)節(jié)型循泵具有調(diào)節(jié)方式簡便靈活、流量調(diào)節(jié)連續(xù)精確的優(yōu)點(diǎn)，可做到任意機(jī)組負(fù)荷、水溫下均有一種最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。通過收益最大法在全循環(huán)水流量變化范圍下進(jìn)行尋優(yōu)，可以確定在特定運(yùn)行條件下電能收益最大的循泵優(yōu)化運(yùn)行方式。文中的示例計(jì)算結(jié)果表明，循泵按照推薦的優(yōu)化方式進(jìn)行調(diào)整，可以獲得顯著的節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)效益。

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