400 MW燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化

楊秋輝， 黃功文

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

隨著我國(guó)裝機(jī)容量的增加，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化明顯加快，能源消費(fèi)增速放緩，高耗能、高排放產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸衰減，節(jié)能減排工作已成為我國(guó)能源利用的主要工作。

對(duì)于工頻運(yùn)行的循環(huán)水泵，不能連續(xù)調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，目前只能根據(jù)循環(huán)水泵的啟停，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行階躍性調(diào)節(jié)；而通過(guò)變頻改造后可實(shí)現(xiàn)循環(huán)水流量連續(xù)調(diào)節(jié)，通過(guò)運(yùn)行優(yōu)化后可節(jié)約廠用電。

陳正建[1]為了使得機(jī)組在最佳真空下運(yùn)行，通過(guò)試驗(yàn)和估算找出變頻泵的最佳運(yùn)行工況，提高了循環(huán)水泵運(yùn)行的靈活性，降低了廠用電率；楊勤等[2]以某300 MW機(jī)組為例，通過(guò)對(duì)該機(jī)組歷史運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，找出循環(huán)水泵最佳組合運(yùn)行方式；樓可煒等[3]采用收益平衡法和受益最大法對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，確定出循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式；劉吉臻等[4]提出了在環(huán)境溫度相同的前提下進(jìn)行循環(huán)水泵全工況運(yùn)行優(yōu)化，并將其作為循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)實(shí)例對(duì)分析理論進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，瞿偉明[5]結(jié)合變頻改造后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了600 MW機(jī)組變頻循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化方案。

筆者利用試驗(yàn)研究方法對(duì)變頻改造后循環(huán)水泵進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，并結(jié)合機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)和真空系統(tǒng)運(yùn)行方式，得出不同循環(huán)水溫度和負(fù)荷下循環(huán)水泵運(yùn)行方式，以降低機(jī)組廠用電。

1 運(yùn)行中存在的問(wèn)題

某聯(lián)合循環(huán)電廠一期工程為4臺(tái)400 MW容量燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，由西門子KWU公司設(shè)計(jì)制造，采用單軸單缸、軸向排氣、冷端驅(qū)動(dòng)。燃?xì)廨啓C(jī)功率為267.5 MW，壓氣機(jī)共15級(jí)，壓比為16.9，汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)功率為135.5 MW，設(shè)計(jì)背壓為3.9 kPa。

機(jī)組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制海水直流供水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配1臺(tái)上海凱士比泵有限公司生產(chǎn)的100%容量立式混流循環(huán)水泵SEZ1800-1510/1200，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，沒(méi)有備用泵。循環(huán)水泵采用濕坑式、固定葉片、轉(zhuǎn)子可抽式、立式混流泵。循環(huán)水泵過(guò)流部件材質(zhì)耐海水腐蝕，結(jié)合犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)措施。電機(jī)采用空-水冷，電機(jī)及上部軸承冷卻水采用閉式水，下部軸承采用陶瓷軸承自潤(rùn)滑。循環(huán)水泵設(shè)置在海堤內(nèi)循環(huán)水泵房?jī)?nèi)，室內(nèi)布置。泵房?jī)?nèi)共設(shè)置4臺(tái)循環(huán)水泵，過(guò)流介質(zhì)為海水。泵房為濕坑結(jié)構(gòu)，分為進(jìn)水間和循環(huán)水泵吸水間，每臺(tái)循環(huán)水泵均設(shè)有獨(dú)立的進(jìn)水流道及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、攔污柵等清污設(shè)施，循環(huán)水泵出口設(shè)直徑為1 800 mm的液控蝶閥。2臺(tái)循環(huán)水泵合并設(shè)1根直徑為2 600 mm的供水壓力鋼管，在2根供水壓力鋼管之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)管，形成4泵并聯(lián)運(yùn)行的格局。表1為循環(huán)水泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 循環(huán)水泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

在循環(huán)水泵長(zhǎng)期運(yùn)行中，一直存在如下問(wèn)題：(1)由于循環(huán)水泵是定速運(yùn)行，無(wú)法維持凝汽器始終在最佳真空條件下運(yùn)行；(2)由于出水碟閥調(diào)節(jié)易發(fā)生汽蝕和振動(dòng)，最小開(kāi)度僅為65°，無(wú)法三機(jī)兩泵運(yùn)行，對(duì)循環(huán)水造成極大浪費(fèi)，也增加了廠用電；(3)由于機(jī)組處于熱備用狀態(tài)的次數(shù)較多，需要冷卻備用機(jī)組的軸封蒸汽，而循環(huán)水泵出水碟閥開(kāi)度最小為65°，造成大量循環(huán)水的浪費(fèi)；(4)循環(huán)水泵啟動(dòng)電流大，啟停循環(huán)水泵時(shí)水錘現(xiàn)象嚴(yán)重；(5)電機(jī)一直處于全速運(yùn)行狀態(tài)，極易造成電機(jī)軸承發(fā)熱磨損。通過(guò)變頻改造可以很好地解決上述問(wèn)題，使機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變頻改造主要是對(duì)高壓電機(jī)加裝高壓變頻調(diào)速裝置，改造后可對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，在不同環(huán)境溫度下可采用不同的運(yùn)行方式，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)主要原理

循環(huán)水泵運(yùn)行優(yōu)化原理基于傳統(tǒng)分析的能耗分析法：在進(jìn)入凝汽器的熱負(fù)荷和冷卻水溫度一定的情況下，汽輪機(jī)功率與循環(huán)水泵功率的差值最大時(shí)，該工況即為循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行工況，流量也是最優(yōu)。該原理主要是確定凝汽器系統(tǒng)真空特性、汽輪機(jī)微增出力、循環(huán)水溫度、循環(huán)水泵頻率之間的關(guān)系。

通過(guò)試驗(yàn)得出在不同循環(huán)水泵組合方式下，凝汽器所獲得的循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量及對(duì)應(yīng)循環(huán)水泵的耗功情況：

Np=f(Q)

(1)

式中：Np為循環(huán)水泵耗功，kW；Q為凝汽器循環(huán)水質(zhì)量流量，t/h。

通過(guò)凝汽器變工況運(yùn)行可獲得機(jī)組在不同循環(huán)冷卻水溫度、不同負(fù)荷時(shí)的機(jī)組背壓與循環(huán)水質(zhì)量流量的關(guān)系：

pc=f(N,t,Q)

(2)

式中：pc為計(jì)算凝汽器背壓，kPa；N為機(jī)組負(fù)荷，kW；t為循環(huán)水進(jìn)水溫度， ℃。

依據(jù)制造廠提供的背壓修正曲線，可求得機(jī)組在不同負(fù)荷下，背壓變化所引起的機(jī)組出力變化值，并以背壓計(jì)算最高值作為基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算比較：

ΔN=f(N,pc)

(3)

式中：ΔN為汽輪機(jī)微增出力，kW。

在不同循環(huán)水泵組合運(yùn)行方式下，通過(guò)比較機(jī)組出力變化值與循環(huán)水泵耗功之差F，具有最大值的情況即為最佳循環(huán)水泵組合運(yùn)行方式：

F=max(ΔN-Np)

(4)

3 試驗(yàn)過(guò)程

為分析在不同循環(huán)水溫度條件下循環(huán)水泵優(yōu)化特性，對(duì)循環(huán)水進(jìn)水溫度分別在12 ℃(冬季)、20 ℃(春季)、27 ℃(夏季)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，其工況見(jiàn)表2。由于該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組三機(jī)運(yùn)行方式較多，且為避免試驗(yàn)工況較多，該試驗(yàn)只在三機(jī)工況下進(jìn)行。

表2 循環(huán)水溫度在20 ℃時(shí)的試驗(yàn)工況

為保證循環(huán)水母管壓力大于最低運(yùn)行壓力，循環(huán)水泵頻率不能低于42 Hz，試驗(yàn)時(shí)循環(huán)水出口閥開(kāi)度根據(jù)循環(huán)水泵出口壓力確定。為保證機(jī)組運(yùn)行靈活性，僅需保證一臺(tái)機(jī)組在需要負(fù)荷下運(yùn)行即可，盡量保證冷卻閉式水用的開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式的一致性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖1為在夏季不同負(fù)荷下循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式。

圖1 在夏季不同負(fù)荷下循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式

在夏季工況(循環(huán)水進(jìn)水溫度在27 ℃左右時(shí))可得如下結(jié)論：機(jī)組負(fù)荷為380 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)三泵、頻率為50 Hz時(shí)，為運(yùn)行最佳工況；機(jī)組負(fù)荷為300 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)三泵、頻率為46 Hz左右時(shí)，為運(yùn)行最佳工況，凈收益為85.9 kW；機(jī)組負(fù)荷為260 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)兩泵、頻率為50 Hz左右時(shí)，為運(yùn)行最佳工況，凈收益為324.8 kW。

圖2為在冬季不同負(fù)荷下循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式。

圖2 在冬季不同負(fù)荷下循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式

在冬季工況(循環(huán)水進(jìn)水溫度在12 ℃左右時(shí))，由于循環(huán)水進(jìn)水溫度較低，在任何負(fù)荷下三機(jī)兩泵(50 Hz)一直是最佳運(yùn)行：機(jī)組負(fù)荷為430 MW時(shí)，凈收益為598.2 kW；機(jī)組負(fù)荷為350 MW時(shí)，凈收益為740.4 kW；機(jī)組負(fù)荷為300 MW時(shí)，凈收益為652.7 kW；機(jī)組負(fù)荷為260 MW時(shí)，凈收益為708.4 kW。

圖3為在春季不同負(fù)荷下循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式。

圖3 在春季不同負(fù)荷下循環(huán)水泵最佳運(yùn)行方式

在春季工況(循環(huán)水進(jìn)水溫度在20 ℃左右時(shí))可得如下結(jié)論：機(jī)組負(fù)荷為410 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)三泵、頻率為42 Hz左右時(shí)，為最佳運(yùn)行工況，凈收益為409.9 kW；機(jī)組負(fù)荷為350 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)三泵、頻率為42 Hz左右時(shí)，為最佳運(yùn)行工況，凈收益為275.5 kW；機(jī)組負(fù)荷為300 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)兩泵、頻率為50 Hz左右時(shí)，為最佳運(yùn)行工況，凈收益為418.6 kW；機(jī)組負(fù)荷為260 MW、循環(huán)水泵運(yùn)行方式為三機(jī)兩泵、頻率為50 Hz左右時(shí)，為最佳運(yùn)行工況，凈收益為810.7 kW。

圖4為機(jī)組最佳運(yùn)行曲線。

圖4 機(jī)組最佳運(yùn)行曲線

由圖4可知：

(1) 機(jī)組在一定負(fù)荷條件下，隨著循環(huán)水進(jìn)水溫度的升高，機(jī)組的運(yùn)行方式由三機(jī)兩泵(50 Hz)逐漸向三機(jī)三泵(42 Hz)切換(見(jiàn)圖4中曲線1)，在曲線1上方為三機(jī)三泵運(yùn)行方式，下方為三機(jī)兩泵運(yùn)行方式。

(2) 機(jī)組在一定負(fù)荷條件下，隨著循環(huán)水進(jìn)水溫度的升高，機(jī)組的運(yùn)行方式由三機(jī)三泵(42 Hz)向三機(jī)三泵(42 Hz以上)切換(見(jiàn)圖4中曲線2)，在曲線2上方為三機(jī)三泵(42 Hz以上)運(yùn)行方式，曲線2和曲線1之間為三機(jī)三泵(42 Hz)運(yùn)行區(qū)域。

(3) 當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為額定負(fù)荷400 MW時(shí)，隨著循環(huán)水進(jìn)水溫度的降低，機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行方式由三機(jī)三泵(50 Hz)運(yùn)行方式逐漸向三機(jī)三泵(42 Hz)轉(zhuǎn)變，當(dāng)循環(huán)水溫度降為16.3 ℃時(shí)，最優(yōu)運(yùn)行方式為三機(jī)兩泵(42 Hz)。

(4) 當(dāng)循環(huán)水進(jìn)水溫度在16 ℃左右時(shí)，機(jī)組三機(jī)兩泵(50 Hz)運(yùn)行方式為最優(yōu)運(yùn)行方式，由于循環(huán)水母管壓力的限制，電機(jī)頻率已不能繼續(xù)降低，所以在任何負(fù)荷下，當(dāng)循環(huán)水進(jìn)水溫度小于或等于16 ℃時(shí)，三機(jī)兩泵(50 Hz)一直為最優(yōu)運(yùn)行方式。

(5) 由于該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組常年運(yùn)行負(fù)荷在345～375 MW，為了運(yùn)行的方便和可行性，也為了保護(hù)循環(huán)水泵相關(guān)設(shè)備，減少頻繁啟動(dòng)循環(huán)水泵的次數(shù)，對(duì)循環(huán)水泵的運(yùn)行有如下建議：

①當(dāng)水溫低于17 ℃時(shí)，維持三機(jī)兩泵(50 Hz)運(yùn)行，循環(huán)水母管壓力在0.05～0.06 MPa。

②當(dāng)進(jìn)水溫度在17～21 ℃時(shí)，維持三機(jī)三泵(42 Hz)運(yùn)行，循環(huán)水母管壓力在0.07～0.08 MPa。

③當(dāng)進(jìn)水溫度大于21 ℃時(shí)，維持三機(jī)三泵(50 Hz)運(yùn)行，循環(huán)水母管壓力在0.08～0.09 MPa。

(6) 此外，當(dāng)機(jī)組停機(jī)期間，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組需隨時(shí)準(zhǔn)備啟機(jī)，必須在機(jī)組停機(jī)期間通過(guò)循環(huán)水對(duì)閉式冷卻水進(jìn)行冷卻，循環(huán)水泵變頻改造前需2臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行，耗功率為3 755 kW，改造后只需單臺(tái)循環(huán)水泵(35 Hz)運(yùn)行即可滿足閉冷水冷卻要求，耗功率為1 079 kW，節(jié)電量為2 676 kW。因此，循環(huán)水泵通過(guò)變頻改造后機(jī)組節(jié)能收益明顯，減少了廠用電。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)對(duì)循環(huán)水泵系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)，得到了不同循環(huán)水溫和不同負(fù)荷下的最佳運(yùn)行工況，以指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行。

(2) 在前人單元制循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變運(yùn)行方案對(duì)母管制循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。

(3) 對(duì)3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，尚需進(jìn)行4臺(tái)機(jī)組優(yōu)化試驗(yàn)，以完善機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行方式。