牛小川，鄧新國

（國家能源集團國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221166）

循環(huán)水泵是火力發(fā)電廠重要輔機之一，消耗了大量的廠用電；同時，循環(huán)水泵也是汽輪機冷端的主要設(shè)備之一，對汽輪機排汽真空的建立起到了決定性的作用：可見，循環(huán)水泵的優(yōu)化調(diào)度是很有必要的。目前業(yè)內(nèi)對循環(huán)水泵優(yōu)化運行研究較為成熟：既有傳統(tǒng)的從汽輪發(fā)電機組性能出發(fā)，基于“最大凈出力”，得到循環(huán)水泵最佳運行方式的方法；也有充分考慮我國電網(wǎng)主要的調(diào)度模式（機組發(fā)電量）后，綜合煤耗經(jīng)濟值和電耗經(jīng)濟值，得到的基于“煤電經(jīng)濟值最優(yōu)”法[1]；還有假定在相同的能量輸入或功率輸出下汽輪發(fā)電機組的散熱損失和工業(yè)冷卻水帶走的熱量相同，通過調(diào)整循環(huán)水泵的運行臺數(shù)，使汽輪機排汽損失的熱量最小，而得到的“基于能量損失的循環(huán)水泵優(yōu)化運行”方法[2]；還有考慮到循環(huán)水泵前池水位變化，對循環(huán)水泵流量修正后再對循環(huán)水泵運行優(yōu)化的研究[3]。

本文在循環(huán)水泵傳統(tǒng)運行優(yōu)化方法基礎(chǔ)上，加入發(fā)電廠經(jīng)營系數(shù)，以期得到其最優(yōu)運行方式。

1 循環(huán)水泵運行優(yōu)化建模

1.1 循環(huán)水泵運行優(yōu)化的基本原理

當發(fā)電機組在穩(wěn)定狀態(tài)運行時，增開循環(huán)水泵或提高循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，循環(huán)水泵的電功率消耗增加，此為支出。增開循環(huán)水泵后，循環(huán)水流量得到提升，通往凝汽器的冷卻水流量增大，這可以獲得更低的凝汽器排汽溫度和壓力，汽輪機背壓的降低，使得機組可以在不增加燃料的情況下取得更大的出力，一般稱為微增出力[4]，此為收入。當收入大于支出時，可以增開循環(huán)水泵。同理，也可以進行相反方向的操作。發(fā)電機組在每一個穩(wěn)定工況，總是對應一個最佳的循環(huán)冷卻水流量或者循環(huán)水泵運行方式，找到這個最佳的方式，并按此執(zhí)行，這個過程即循環(huán)水泵運行優(yōu)化。此時，機組凝汽器的真空為最佳真空[5]，背壓為最佳運行背壓。

1.2 凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵功率之間的關(guān)系

電廠分散控制系統(tǒng)或者電氣控制系統(tǒng)中，均有循環(huán)水泵功率的在線檢測數(shù)據(jù)，包括實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，可以方便使用。而循環(huán)水流量并非線性增加，它是水泵的性能曲線與管路阻力曲線匹配的結(jié)果。凝汽器的冷卻水流量通常小于循環(huán)水流量，部分循環(huán)水被分流至機組閉式冷卻水熱交換器、真空泵冷卻器或脫硫漿液吸收塔出口[6]。凝汽器的冷卻水流量通常沒有在線測點，需要通過專門的儀器和方法，如超聲波測量法、熒光示蹤檢測法測量[7]。在沒有檢測儀器時，可使用凝汽器冷卻水溫升及凝汽量反推冷卻水流量，得出循環(huán)水泵耗功增加與凝汽器冷卻水流量函數(shù)關(guān)系：

式中：ΔNP為循環(huán)水泵耗功增加，kW；Dw為凝汽器冷卻水流量，m3/s。

1.3 機組微增出力與凝汽器冷卻水流量之間的關(guān)系

凝汽器冷卻水流量影響機組背壓，機組背壓變化產(chǎn)生微增出力。機組背壓和冷卻水流量的函數(shù)關(guān)系由凝汽器變工況傳熱特性決定。冷卻水流量的改變，直接改變其溫升，同時改變凝汽器總平均傳熱系數(shù)[8]，使端差改變，形成新的排汽溫度和背壓[9]。當凝汽器管水側(cè)清潔系數(shù)一定、汽側(cè)漏空量不變的情況下，凝汽器熱力特性函數(shù)是確定的，即

式中：pk為機組背壓，kPa；N為機組功率，MW；t1為冷卻水進水溫度，℃。

機組背壓和微增出力之間的關(guān)系，可使用通用計算方法對最末級進行變工況的計算得到，也可以根據(jù)機組性能試驗得到：

式中：ΔN為機組微增出力，kW；N為機組負荷，kW。

將式(2)、式(3)聯(lián)立，即得到

1.4 循環(huán)水泵最佳運行方式判斷

通常情況下，把機組微增出力與循環(huán)水泵耗功增加相減，即得到收益功率：

式中SSY為循環(huán)水泵運行方式優(yōu)化收益，kW。

求SSY的極大值，將上式對Dw求導，當結(jié)果等于0時，即有最大收益：

1.5 考慮電廠經(jīng)營的情況

在電廠經(jīng)營過程中，機組微增出力并不能直接上網(wǎng)。電網(wǎng)對發(fā)電機組的負荷調(diào)度不論在年總量上還是在瞬時，都是全網(wǎng)考慮，不以單個發(fā)電廠為意。發(fā)電機組負荷調(diào)度如圖1所示。當循環(huán)水泵耗功（廠用電）增加后，上網(wǎng)電量相應減少，而機組的微增出力將被控制系統(tǒng)壓回去，通過減少給煤量，維持發(fā)電機出口負荷不變[10]。所以對發(fā)電廠經(jīng)營來說，在增開循環(huán)水泵的過程中，其損失的是售電量（上網(wǎng)電量），節(jié)省的是采購煤。

圖1 發(fā)電機組負荷調(diào)度示意Fig.1 Schematic diagram of load dispatching for power units

在此，需要引入一個發(fā)電廠經(jīng)營系數(shù)（簡稱經(jīng)營系數(shù)），對循環(huán)水泵運行方式重新優(yōu)化，即

式中k為經(jīng)營系數(shù)。

求SSY的極大值，將上式對Dw求導，當結(jié)果等于0時，即有最大收益：

當經(jīng)營系數(shù)較高時，趨向于減少循環(huán)水泵功耗，盡可能增加上網(wǎng)電量。當經(jīng)營系數(shù)較低時，趨向于加大循環(huán)水泵功率，減少煤炭的使用。經(jīng)營系數(shù)一般而言大于1。當經(jīng)營系數(shù)等于1時，該優(yōu)化結(jié)果與“最大凈出力”法優(yōu)化結(jié)果相同。

1.6 經(jīng)營系數(shù)的計算

目前燃料成本是火電廠的主要成本[11]。經(jīng)營系數(shù)可以表述為度電收入與度電燃煤成本的比值。其中發(fā)電廠的度電收入與上網(wǎng)電價、增值稅率相關(guān)：

式中：B為發(fā)電廠度電燃煤成本，元/(kW·h)；α為增值稅率，目前火電廠增值稅率為13%；T為上網(wǎng)電價，元/(kW·h)；α·B為度電燃煤成本抵扣稅額，元/(kW·h)。

發(fā)電廠的度電燃煤成本與到廠煤價、到廠煤發(fā)熱量、煤場損耗、供電煤耗等參數(shù)有關(guān)。由于煤場損耗占比不大，儲存3個月的熱值損耗不超過2%[12]，可忽略，所以有

式中：29 307為標準煤低位熱值，kJ/kg；Q為入廠煤熱值，kJ/kg；Tm為入廠煤價，元/g；Bg為供電煤耗，g/(kW·h)。

聯(lián)立式(9)、式(10)可得到經(jīng)營系數(shù)：

由式(11)可以看出，當發(fā)電廠經(jīng)營環(huán)境和經(jīng)營狀況良好時，即上網(wǎng)電價越高、煤價越低、供電煤耗越低、增值稅率越低時，經(jīng)營系數(shù)越高，這時應減少循環(huán)水泵功耗，減少廠用電的消耗，爭取將發(fā)電機的發(fā)電量多上網(wǎng)；反之則應以減少煤炭消耗為主。供電煤耗和入廠煤熱值這2項參數(shù)在實際應用中較難以準確計算或測量，工作量亦較大。若測算的入廠煤熱值比實際偏高或供電煤耗比實際值偏低時，即對電廠的經(jīng)營系數(shù)產(chǎn)生了高估，延誤增開循環(huán)水泵的時機，電廠應避免這種情況發(fā)生。

2 實例應用

2.1 設(shè)備概況

徐州電廠2號1 000 MW汽輪機為N1000-26.25/600/600型超超臨界、單軸、中間一次再熱、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。該機組配套N57000雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器。凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用自然對流冷卻塔循環(huán)冷卻方式，配備3臺YLKS1250-16型混流式葉輪不可調(diào)定速運行循環(huán)水泵。

2.2 凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵耗功關(guān)系

機組實際運行時，循環(huán)水泵運行方式有單泵運行、兩泵并聯(lián)和三泵并聯(lián)3種。在不同循環(huán)水泵運行方式下，凝汽器冷卻水流量與循環(huán)水泵功耗關(guān)系見表1。

表1 冷卻水流量和循環(huán)水泵功耗對應關(guān)系Tab.1 The table of cooling water flow and circulating water pump power consumption

2.3 凝汽器變工況熱力特性

根據(jù)機組運行參數(shù)歷史曲線，選取穩(wěn)態(tài)工況進行記錄，雙背壓凝汽器熱力特性統(tǒng)計見表2。為使數(shù)據(jù)準確，應盡量選擇機組長時間穩(wěn)定的工況點，避開變工況時段。可以多選擇一些工況點，理論上選擇的工況點越多，樣本誤差越小，其結(jié)果也越接近真實，并具有指導性。

表2 凝汽器熱力特性統(tǒng)計Tab.2 Statistical table of thermodynamic characteristics of condenser

2.4 機組微增出力與背壓的關(guān)系

該1 000 MW機組設(shè)計背壓為5.03 kPa。根據(jù)電廠與調(diào)試單位提供的汽輪機性能試驗報告，將背壓變化對汽輪機出力的修正進行擬合形成曲線。為使擬合函數(shù)接近試驗工況參數(shù)，采取了分段函數(shù)的形式，得出機組出力修正系數(shù)與背壓關(guān)系[13]：

2.5 經(jīng)營系數(shù)

煤價波動較大，2005—2008年動力煤價格經(jīng)歷了從400元/t左右到1 000元/t左右的大幅上漲。2012年價格又從800元/t左右下降到2016年的500元/t左右[14]。煤價成為影響經(jīng)營系數(shù)的主要因素。發(fā)電廠經(jīng)營系數(shù)見表3。當?shù)綇S煤價達到890元/t時，經(jīng)營系數(shù)為1.00。機組上網(wǎng)電價如果分峰谷電價也會對經(jīng)營系數(shù)產(chǎn)生較大影響。當然在冬季時，由于機組背壓較低，其供電煤耗也會相應減少，會相應地提高經(jīng)營系數(shù)，而炎熱的夏季則相反。

表3 發(fā)電廠經(jīng)營系數(shù)Tab.3 The operation coefficient of power plant

2.6 循環(huán)水泵優(yōu)化運行結(jié)果

對表1—表3中的數(shù)據(jù)，運用循環(huán)水泵運行優(yōu)化模型進行處理，可以得到機組在各種負荷、不同的冷卻水溫度下循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式[15]。將各最優(yōu)運行方式繪制在一張圖上，得到循環(huán)水泵3種運行方式的分界線，具體如圖2所示。

當處于冬季，冷卻水進水溫度較低時，應少開循環(huán)水泵，盡可能單循環(huán)水泵運行。當氣溫轉(zhuǎn)暖，冷卻水進水溫度升高，負荷越高，越需要增開循環(huán)水泵。發(fā)電廠的經(jīng)營系數(shù)對循環(huán)水泵運行方式的分界線影響較大。當發(fā)電廠的經(jīng)營系數(shù)較高時，增開循環(huán)水泵的分界線向右移動，意味著應較晚地 增開循環(huán)水泵，增加單循環(huán)水泵的運行時間，減少3臺循環(huán)水泵并聯(lián)運行的時間。當煤價上漲等因素造成發(fā)電廠經(jīng)營系數(shù)下降時，則應減少單循環(huán)水泵運行時間，增加3臺循環(huán)水泵的并聯(lián)運行時間。

圖2 不同經(jīng)營系數(shù)下循環(huán)水泵運行方式優(yōu)化分界線Fig.2 The optimal dividing line of circulating water pump operation mode with different operation coefficients

需要說明的是，此優(yōu)化結(jié)果是在凝汽器熱力性能不變的情況下得到的。當發(fā)生凝汽器熱力性能下降的情況，如冷卻水管清潔系數(shù)降低、汽側(cè)嚴密性下降、冷卻水管堵漏較多換熱面積減小等，應設(shè)法采取措施恢復其熱力性能。若無法在短時間內(nèi)恢復，應重新確定凝汽器的熱力特性函數(shù)，以此得到新的循環(huán)水泵運行優(yōu)化結(jié)果。凝汽器的熱力性能下降時，增開循環(huán)水泵的分界線將向左移動，意味著應在更低的溫度及負荷下增開循環(huán)水泵。

3 結(jié) 論

1）發(fā)電廠在進行循環(huán)水泵運行方式優(yōu)化時，應考慮電廠的經(jīng)營情況。加入發(fā)電廠經(jīng)營系數(shù)而新得到的循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式能最大限度、更真實地提高機組和發(fā)電單位的實際經(jīng)營收益。

2）當發(fā)電廠經(jīng)營良好，到廠煤價低、上網(wǎng)電價高、供電煤耗少、增值稅率低時，應推遲增開循環(huán)水泵的時間。當煤價或者稅率升高，發(fā)電廠經(jīng)營情況相對不利時，應提前增開循環(huán)水泵，以節(jié)約燃煤。

3）循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式的具體參數(shù)可以運用本文的數(shù)學模型，通過定量計算得到。