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发电机组循环水系统的优化

2020-05-22
来源: 礼德动力
0 引 言
发电机组凝汽设备是汽轮机机组重要的辅助设备,其运行状况对机组的安全性和经济性有重大影响。循环水系统中的循环水泵是电厂中耗电较大的辅助设备之一,循环水系统为汽轮机的凝汽器提供冷却水以冷却排汽,从而维持凝汽器内较高的真空。循环水泵的运行方式对机组降低发电煤耗影响显著。增加循环水流量会使电厂用电率增加,在循环水泵的电耗与机组出力之间找到平衡点,实现循环水泵的最佳运行方式,是电厂运行的一个重要目标。
 
目前国内外对配备动叶开度可调循环水泵的机组冷端优化研究较少,本文中以某350 MW机组汽轮机凝汽设备为例,配备两台动叶可调混流式循环水泵,循环水量的调节方法可采用变动叶调节和增减循环水泵的数量(泵并联方式)的调节方法,循环水取自长江水。基于最佳真空的优化准则对机组循环水系统进行优化分析,据此提出不同季节和汽轮机负荷下循环水泵的最优运行方式,为有效降低发电成本提供方案。
 
1 计算方法
1.1 循环水流量和循环水泵耗电量的确定
确定循环水流量的方法有很多,例如采用仪器测量、运行冷却水温升数据计算、泵的特性曲线与管路特性曲线交点法,本文中采用泵的特性曲线与管路特性曲线交点法来求得循环水流量。单台泵的特性曲线可根据泵厂家提供的单台泵的流量-扬程曲线确定;当两台泵并联运行时,根据扬程不变,流量叠加的原理得到两台循环水泵运行时的扬程曲线。管路特性曲线根据电厂提供的循环水管路图求得,阻力曲线公式为:H=2.68+0.0901Q2。泵的特性曲线和管路特性曲线的交点即循环水泵运行工况点。
 
图1为某350 MW机组单台循环水泵不同叶片开度下的特性曲线与管道阻力曲线,交点工况是单泵运行时的循环水流量,查阅相关机组规程,循环水泵安全叶片开度不得小于40%,因此只分析循环水泵开度40%以上工况。同理,可以求出双泵运行时的循环水流量。当确定循环水流量后,根据循环水泵流量-功率曲线求得对应运行条件下循泵的功率。
 
发电机组循环水系统的优化
图1 机组单泵运行时循环水泵工况点
 
1.2 凝汽器压力和最佳真空的确定
凝汽器的设计一般是在给定的蒸汽负荷Dc、冷却水量Dw和冷却水温度tw1下进行的。调节机组循环水泵的运行方式,会影响到凝汽器的循环水量,从而影响凝汽的真空。凝汽器汽侧一般是在饱和区范围内工作,所以凝汽器内的压力和温度呈对应关系,只要知道温度,就可以计算出该温度对应下的压力。由凝汽器结构和原理可知,凝汽器内的蒸汽温度可以用式(1)表示:
 
ts=tw+Δt+δt
 
(1)式中:tw为循环水进口温度,Δt为循环水温升,δt为传热端差。
 
在一定的机组负荷及冷却水温度条件下,机组功率增量与冷端设备耗功(本文中主要为循环水泵)增量之差值为最大时的凝汽器压力即为机组最佳真空。根据这一原则建立的目标函数为:
 
ΔP=ΔPt-ΔPp
 
式中:ΔPt为机组出力,根据厂家提供的汽机背压和出力的修正曲线由凝汽器压力PC进行计算得出;ΔPp为循泵功率,根据循泵厂家提供的循泵资料由Dw计算而得。
 
目标函数最大值时对应的循环水系统运行方式为最佳,对应的真空即为最佳真空。为了验证循环水系统和凝汽器相关计算方法的准确性,计算值与相同工况条件下取得的现场试验单双泵运行实测数据做对照,结果如表1所示,由表1中数据可以看出,计算结果与实测数据有相当的一致性。
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表1 循环水系统和凝汽器压力计算与实验对照
 
 
2 结果与分析
2.1 循环水泵运行方式对凝汽器端差和真空度的影响
在电厂机组运行监测中,凝汽器端差和真空度是两个非常重要的参考指标。凝汽器端差是衡量凝汽器性能优劣的重要参数,是反映凝汽器循环水系统工作状况的一个性能指标;凝汽器真空度对机组运行安全性和经济性有很大影响,真空度下降使汽轮机排汽缸温度升高,引起汽轮机轴承中心偏移,严重时还引起汽轮机机组振动。因此在调节循环水泵运行方式时,不能仅考虑机组的经济性,同时应保证机组端差和真空度在安全的范围内。
 
图2给出了凝汽器端差随循环水泵运行方式改变的变化趋势。查阅机组历史数据及规程,单双泵的切换点温度在16 ℃附近,所以江水温度为5~20 ℃时只分析单泵运行,江水温度14~30 ℃时只分析双泵运行,以保证涵盖所有运行工况。端差随着负荷的增加而增加,图2为100%负荷时端差的变化情况,根据相关行业标准,在循环水温度不大于30 ℃时,端差不大于7 ℃。由图2可知,在本文中所有循环水泵运行方式的范围内,端差基本满足要求。
 
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图2 单双泵不同开度下端差的变化趋势
 
图3为100%负荷时凝汽器压力随循泵运行方式改变的变化趋势。和端差一样,江水温度为5~20 ℃时只分析单泵运行,江水温度为14~30 ℃时只分析双泵运行。按相关标准,凝汽器真空度平均值不低于92%,相当于凝汽器压力平均值不大于8.1 kPa,由图3可知,循环水进口温度在16~20 ℃,单泵运行时不可取40%开度;循环水进口温度在30 ℃左右时,双泵尽量在100%开度下运行。
 
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图3 单双泵不同开度下凝汽器压力的变化趋势
 
2.2 循环水系统优化运行方案
在机组循环水系统满足上述端差和真空度要求的范围内,根据最佳凝汽器压力(最佳真空)的确定原理,通过编程运算可得到不同负荷、不同循环水(冷却水)进口温度下凝汽器的最佳压力,本文中主要在特定负荷、特定循环水进口温度下对循环水系统进行优化分析。现以100%负荷为例进行说明,其他负荷可以作为参考,首先确定循环水泵单双泵温度切换点,结合机组实际运行情况,单双泵切换是由单泵动叶开度100%向双泵动叶开度40%切换,当两种运行方式净出力ΔP相等时即为切换点的温度。
 
图4给出了单泵100%开度切向双泵40%开度时的切换点。由图4可知,在循环水温度18 ℃时,单泵和双泵运行的净出力ΔP相等,因此,18 ℃即为单双泵切换点,18 ℃以下时应为单泵运行,18 ℃以上应该切换双泵运行。
 
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图4 单泵100%开度切向双泵40%开度时的切换点
 
确定了单双泵工作范围后,进一步探究了机组在不同循环水入口温度下所对应的最佳循环水泵开度。图5给出了单双泵运行时发电厂机组净出力随循环水泵开度变化趋势,由图5可知,在100%负荷运行时,单双泵运行下不同循环水温度对应的最佳动叶开度。例如,当循环水进口温度为25 ℃,双泵80%开度运行时,机组出力最大,因此应开两台循环水泵,并将动叶开度调至80%。
 
在保证机组最大出力的同时,必须考虑上述凝汽器端差与真空的安全性,综合考虑后,经计算、分析、整理,得到100%负荷下的循环水系统优化调整方案,以及对应的最佳真空(见表2)。
 
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图5 机组净出力随循环水泵开度的变化趋势
 
表2 100%负荷下的循环水系统优化调整方案及对应的最佳真空
 
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2.3 优化前后机组供电煤耗率对比
查阅机组运行历史数据及规程,优化调整前,机组切换温度点16 ℃,在5~16 ℃江水温度时,单泵动叶开度由95%向78%递减,16~30 ℃时,双泵开度由80%向100%递增。依照表2优化方案运行,经计算,机组平均供电煤耗降低0.3 g/kWh左右,图6为机组优化前后煤耗对比。
 
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图6 100%负荷下优化调整前后供电煤耗对比
 
3 结 论
对于给定的机组负荷,本文中通过建立数学模型,对某350 MW机组循环水系统进行了优化分析。得到了以下结论:
 
(1)通过特性曲线交点的方法,确定了循环水泵在不同运行方式下的循环水流量,得到了单双泵不同开度下端差、真空度的变化趋势。
 
(2)基于最佳真空的优化准则,综合考虑凝汽器端差、真空度的可行性变化范围,得到100%负荷不同循环水温度条件下循环水泵的最佳运行方式以及最佳真空,从而降低机组发电成本。