660 MW超超临界开式循环火电机组冷端综合优化.pdf

第 卷总第 期 年 月第 期 节 能 技 术 .超超临界开式循环火电机组冷端综合优化张东青金铁铮王顺森(.国能经济技术研究院有限责任公司北京.西安交通大学能源与动力工程学院陕西 西安)摘 要:在“双碳”背景下提高低负荷工况下汽轮机冷端运行的经济性愈发重要 本文以陈家港电厂 机组的冷端系统为研究对象建立了循环水泵变工况计算模型实现循泵泵组 凝汽器 汽轮机组的耦合计算 以实际循环水参数和运行负荷为变量通过建模分析开展了循环水泵泵组工频与变频运行对比、机组冷端综合优化等研究 结果表明潮汐对循泵功率的影响不大但对循环水流量的影响较大同一天的最大差异接近 /循泵变频的最大节能率超过 当环境温度约低于 时可以通过调整循环水流量降低煤耗率环境温度越低煤耗率收益越大平均煤耗率可降低./以上关键词:循泵变频泵组模型最佳背压冷端优化煤耗率中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 修订稿日期 基金项目:国家重点研发计划课题()作者简介:张东青()女博士工程师主要从事系统节能及能源发展战略研究 (.):././.:引言在“碳达峰”“碳中和”目标下可再生能源电力跨越式发展 年火电平均利用时间由 降低至 这对火电机组的调节能力提出更高的要求 汽轮机冷端系统是热力系统中重要的系统之一主要包括汽轮机低压缸、凝汽器和循环水系统如果长期在低负荷工况下偏离设计点运行将严重影响机组的经济性 尤其是循环水系统尚无在线测量手段很难做到使循环水泵的运行与机组负荷水平相匹配存在很大的节能潜力 循环水泵是火电机组的重要辅机设备循环水泵耗功占机组发电量的.如何使得循环水泵的运行与机组负荷水平相匹配使得冷端运行更加经济在“双碳”背景下显得愈发重要 提高凝汽器真空可以使汽轮机的理想比焓降和发电功率增大在蒸汽负荷一定的条件下通过增加循环水量提高凝汽器真空 当改变循环水量使机组电功率的增加值与循环水泵耗功的增加值之间的差值达到最大时即达到最佳真空(或最佳背压)由于采取运行优化技术措施调节循环水量的范围有限越来越多的电厂通过实施循环水泵双速或变频改造增大循环冷却水量的调节范围从而达到节能降碳的目的 本文针对陈家港电厂 超超临界开式循环机组的设计参数、实际运行状况以及存在的问题在课题组开发的热力系统分析软件平台的基础上 建立循环水泵变工况计算模型及多泵并联计算方法分析论证了各种冷端改进优化措施的可行性并结合排汽流量随机组负荷的变化规律提出低负荷工况的最优控制背压 模型与假设.机组概况陈家港电厂 机组的汽轮机为超超临界、一次中间再热、四缸、四排汽、单轴凝汽式汽轮机采用双凝汽器海水冷却在设计气象条件及主机 设计工况下汽轮机平均背压为.()在 气象条件及主机 工况下汽轮机平均背压为.()汽轮机排汽采用海水直接冷却每台汽轮机组配 台立式斜流循环水泵./配套电动机功率为 .循环水泵计算模型变频泵通过改变频率来调节泵的转速从而改变泵的性能曲线来实现流量调节在变频器的工作区间实现对循环冷却水量的连续调节 通过建立变频循环水泵的计算模型确定泵的工作点、计算流量、扬程、功率、比转速等参数 循环水泵的性能曲线代表泵自身性能要确定泵的工作点还需要结合管路特性曲线 如图 所示泵特性曲线与管路特性曲线的交点为泵的工作点图 循环水泵工作特性曲线泵特性曲线公式为 ()式中 泵扬程 泵流量、常数管路特性曲线公式为 ()式中 总阻力压头 静压头 阻力计算系数由设计参数确定 管路总流量泵效率及耗功可分别表示为 ()式中 泵效率、常数 /()式中 泵的有效功率 重力加速度常数变频泵中实际转速与额定转速的比值称为转速比 由下式表示 /()式中 泵的的实际转速 泵的额定转速变频泵的流量和扬程计算满足相似定律分别表示为下列两式/()式中 实际流量 额定转速下流量/(/)()式中 实际扬程 额定转速下扬程将 和 以及式()和式()代入式()整理后可得实际扬程的计算 ().多泵并联计算模型多泵并联计算主要有以下四种形式:()无变频无调节指高速泵、低速泵独立运行或高低速泵混合运行该运行方式无法调节总流量也无法给定总流量计算其它参数()无变频有调节指高速泵节流独立运行或高速泵节流 低速泵不节流混合运行该运行方式总流量可调可给定总流量计算其它参数()有变频无调节指变频泵独立运行、变频泵 高速泵运行、变频泵 低速泵运行、变频泵 高速泵 低速泵运行该运行方式总流量可调可给定总流量计算其它参数()有变频有调节指变频泵 高速泵节流运行、变频泵 高速泵节流 低速泵运行需要输入高速泵节流前扬程 否则无法计算定频泵总流量 定 定为定频泵数量定为无节流时与 或 对应的定频泵流量变频泵总流量 变 定变定定为变频泵数量已知 定(定)和 若已知 变可以迭代求解确定 定不同于 定低速泵总流量 低 定为低速泵数量已知 和 可以确定 定根据 定(定)确定 定计算得到 低单机组多泵并联总流量(定变低)为泵的利用系数 循环水泵运行方式对比根据陈家港电厂的冷端运行数据由于海水温度低、机组负荷率也不高基本没有采用过两机四泵的运行模式 每年、三个月采用两机三泵运行其它时间采用两机两泵运行从陈家港电厂夏季和冬季运行记录中分别抽取 个月和 天用于分析前池水位随潮汐变化以及对水泵扬程的影响其结果如图 和图 所示 可以看到每个月潮汐出现两次大潮与小潮的周期性变化处于大潮期的 月 日潮汐引起前池水位的最大波动幅度约为.两机三泵工况下循泵扬程波动幅度约为.处于大潮期的 月 日潮汐引起前池水位的最大波动幅度约为.两机两泵工况下循泵扬程波动幅度约为.循环水系统阻力较小时潮汐引起的循泵扬程波动更大图 夏季两机三泵工况下前池水位对循泵扬程的影响另外凝汽器循环水入口标高为.取水池深度为 运行记录上的取水口水位数据表示水面与池底的距离所以循环水取水口水面与凝汽器入口的高度差.水位根据取水口水位统计结果其平均值约为.因此取.作为循环水的基准静压头流动水阻按凝汽器水阻曲线进行计算 利用泵组计算程序分析计算潮汐对循泵流量和耗功的影响 结果表明潮汐对循泵功率的影响不大但对循环水流量的影响较大同一天的最大差异接近 /图 冬季两机两泵工况下前池水位对循泵扬程的影响 表 展示了两机两泵运行时循泵变频和运行方式对循泵耗功的影响表 展示了两机三泵运行时循泵变频和运行方式对循泵耗功的影响 需要说明的是表中的循环水流量与耗功量均指单台机组另外对于全定频泵假定可采用节流阀来满足循环水流量的要求实际机组中目前还没有采用节流方式运行 可以看到循环水流量越小变频的节能效果越明显最大节能率超过 另外与定频循泵与变频循泵混合运行相比全变频循泵的高效运行工况范围更宽灵活性更高但节电量与前者差异不大如采用循泵双速改造假定低转速与高转速之比为.利用泵组模型进一步对比了不同工况及不同运行方式的泵组耗功 表 展示了两机两泵运行时循泵双速改造对循泵耗功的影响表 展示了两机三泵运行时循泵双速改造对循泵耗功的影响可以看到循泵高低速改造仅增加了有限个离散的流量状态无法实现循环水流量的连续调节 与定频泵相比双速泵可以扩大循环水流量的调节范围与高速泵与变频泵组合相比低速泵与变频泵组合的节能量不超过 表 变频及运行优化对陈家港电厂循泵耗功()的影响(两机两泵)循环水流量/两机 定频泵两机 变频泵 定频泵两机 变频泵耗功/耗功/变频比耗功/变频比 .表 变频及运行优化对陈家港电厂循泵耗功()的影响(两机三泵)循环水流量 两机 定频泵两机 变频泵 定频泵两机 变频泵 定频泵两机三变频泵耗功/耗功/变频比耗功/变频比耗功/变频比 .表 双速/变频改造对陈家港电厂循泵耗功的影响(两机两泵)循环水流量/两机 高速泵 低速泵两机 变频泵 低速泵两机 变频泵 高速泵两机 低速泵耗功/耗功/变频比耗功/耗功/.表 双速/变频改造对陈家港电厂循泵耗功的影响(两机三泵)循环水流量/两机 高速泵 低速泵两机 高速泵 低速泵两机 低速泵 .机组冷端综合优化基于陈家港 机组的冷端数据包括凝汽器冷却水流量、循环水泵组耗功、汽轮机出力和排汽压力的关系并考虑机组的极限循环水量和凝汽器变工况特性以供电煤耗为目标函数进行冷端综合优化分析 计算结果详见表、表 和图 表 陈家港电厂 机组最佳运行背压和循环水量海水温度/负荷负荷负荷最佳背压/循环水量/最佳背压/循环水量/最佳背压/循环水量/././././././././././././././././././././././././././././././././././././././././././././././././.表 陈家港电厂 机组不同环境温度下循泵工频/双速运行与变频优化煤耗率对比海水温度/煤耗率/()负荷负荷负荷变频优化双速运行工频运行变频优化双速运行工频运行变频优化双速运行工频运行.注:上标“”表示排汽体积流量超过厂家提供的数据范围通过曲线外插得到的结果图 陈家港电厂 机组循泵变频及冷端优化节煤率 可以看到当海水温度低于 时可以通过调整循环水流量降低煤耗率 环境温度越低煤耗率收益越大平均煤耗率可降低./以上另外不同工况的煤耗收益差异非常大其主要原因是循泵工频运行时若不改变运行方式其流量是固定值流量偏离最佳流量越远循泵变频的收益就越大 海水温度高于 时循环变频收益为负值其主要原因有两点:第一海水温度高于 时的最佳循环水量已超过循泵的极限值不管是否变频都无法进一步提高流量而变频循泵需增加变频器耗功第二循环水泵的设计扬程都留有足够的裕量高于循环水系统阻力使得工频运行的循泵流量高于凝汽器设计值而在变频循泵计算时考虑泵的安全性最大流量限定值低于工频循泵 在海水温度 时煤耗收益接近 的原因是此时工频循泵的流量接近最佳流量 需要说明的是由于汽轮机厂提供的低压缸排汽体积流量范围所限海水温度以下的工况煤耗率采用曲线外插法得到可靠性较低基于上述分析可以看到循泵变频不仅可以节省大量的厂用电而且实现了循环水量的连续可调为机组冷端宽负荷优化运行提供了条件具备巨大的节能潜力 与定频循泵与变频循泵混合运行相比全变频循泵的高效运行工况范围更宽灵活性更高但节电量与前者差异不大而改造成本是前者的 倍 结合机组冷端优化结果若采用定频循泵与变频循泵混合运行即循环水量较小时变频循泵独立运行循环水量较大时启动定频循泵用变频泵调节流量也能实现循环水量的连续调节 因此建议只对四台循泵中的两台进行变频改造在机组运行中可以根据实际海水温度、机组负荷按照表 调节循环水量 可以看到从环境低温到高温机组负荷越高最佳循环水量和背压的波动幅度越大 无论是双速还是变频改造主要煤耗率收益发生在低环境温度条件下 循泵变频或双速改造都能降低机组煤耗率但变频运行的收益明显大于双速运行方式另外表中的双速运行已按机组负荷和冷端参数进行了优化实际运行时不可能根据负荷进行高低速或增减循泵数量的实时自由切换循泵变频本质上是为机组增加了一种调节手段通过循环水量(即凝汽器压力)调节实现汽轮机低压缸的宽负荷高效 因此从煤耗收益来说循泵变频明显优于双速改造 结论本文建立了包括循环水泵泵组的冷端系统计算模型以陈家港电厂 机组的冷端系统为研究对象以实际循环水参数和运行负荷为变量开展了循环水泵泵组工频与变频运行对比基于循泵变频改造对 开式循环火电机组进行冷端综合优化以及运行策略分析()利用泵组计算程序分析计算了开式循环中潮汐对循泵流量和耗功的影响 结果表明潮汐对循泵功率的影响不大但对循环水流量的影响较大同一天的最大差异接近 /()循环水流量越小变频的节能效果越明显最大节能率超过 与定频循泵与变频循泵混合运行相比全变频循泵的高效运行工况范围更宽灵活性更高但节电量与前者差异不大建议只对四台循泵中的两台进行变频改造()当环境温度约低于 时可以通过调整循环水流量降低煤耗率环境温度越低煤耗率收益越大平均煤耗率可降低./以上但不同工况的煤耗收益差异非常大 循泵变频和高低速运行方式下机组煤耗率的对比结果表明变频运行的收益明显高于双速运行方式参考文献朱法华徐静馨潘超等.煤电在碳中和目标实现中的机遇与挑战.电力科技与环保():.靖长财张东青.某 汽轮机循环水泵变频存在问题及运行优化探讨.能源科技():.张磊.国华定电亚临界 汽轮机通流改造技术方案研究与应用.节能技术():.黄新元赵丽安越里等.火电厂单元制循环水系统离散优化模型及其应用.热能动力工程():.王玮曾德良杨婷婷等.基于凝汽器压力估计算法的循环水泵最优运行.中国电机工程学报():.王政先郭宝仁.汽轮机深度节能降耗的技术途径及措施.节能技术():.崔传涛常浩王宝玉等.火电厂循环水泵节能提效研究.热能动力工程():.瞿伟明.机组循环水泵变频改造后运行方式优化.发电设备():.刘志巍焦东东程威栋等.变频循环水泵功耗计算模型研究.汽轮机技术():.张磊张俊杰王顺森等.煤基分布式能源技术研究与经济性分析.节能技术():.刘辉张磊张俊杰等.风 煤互补分布式能源系统热力学特性分析.热力发电():.叶云云刘辉王顺森等.超超临界机组冷端优化研究.节能技术():.梁占伟杨承刚张磊等.基于单耗理论的抽汽耦合高背压供热优化.中国电力():.