循环水泵双速改造后的冷端优化试验研究

董益华，楼可炜，孙永平，秦 攀

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

0 引言

从热力循环角度可以认为冷端损失是制约发电厂热效率的主要影响因素，因此，如何降低冷端损失一直是节能降耗的重要方向。循环水泵（简称循泵）的双速改造是近些年一些发电厂循环水系统优化的热门方向之一，对原先仅靠增减循泵台数来调节循环水流量的方式而言，将单转速循泵改造成双转速后，丰富了调节手段，提供了不同机组负荷、不同进水温度下多种循泵组合运行方式的选择余地，从而可以获得明显的节能减排效益。

浙江省内陆、沿海各有1台600MW超临界机组于2010年进行了循泵的双速改造，并进行了冷端优化试验。内陆机组的循环水系统为闭式系统，沿海机组为开式系统。每台机组均配置2台循泵，相邻机组之间设中间联络阀，由此形成了扩大单元制供水系统。

两家发电厂的循泵均为长沙水泵厂生产的立式单级导叶式斜流泵，型号分别为88LKXA-25.4和88LKXB-19，电机分别为由上海电机厂生产的YLKS1250-16和湘潭电机厂生产的YKSL2500-16。通过改变电机内部绕组接线方式，进行了变极改造，由原先的16极改为16和18极，转速由370 r/min改为370 r/min与330 r/min。在循泵双速改造完成后，通过专项试验，得出循泵在各种高、低速切换运行方式下的各项性能参数，然后由机组冷端系统的优化计算结果比较，得出循泵双速改造对沿海机组与内陆机组的经济效益差异。

1 双速改造后的冷端优化试验

为了探明双速改造后不同运行工况下的最优组合以及经济效益，按照汽轮机、水泵性能试验规程的要求对内陆600MW超临界机组进行了冷端优化试验。试验期间凝汽器进出口蝶阀保持全开，在300～600MW负荷区间进行了8种循泵组合的试验工况。循泵特性试验结果见表1，表中的循环水流量为流经凝汽器的流量。根据试验获得的数据，也可绘制出如图1所示的循泵高、低速运行特性曲线以及管路阻力曲线。图1中的循环水流量为循环水泵总出口流量，包括了进入凝汽器的冷却水流量和开式冷却水流量。

表1 600MW机组循泵特性试验结果

图1 流量与扬程关系曲线

对表1中的各种循泵组合试验数据进行比较后可知，循泵从高速切换至低速运行后，循泵功率的下降幅度基本达到了预期效果，而流量、扬程的变化却与设计预期有一定的偏差。主要原因是循泵的扬程受循环水管路特性条件限制而降低得不多，这使得循环水流量的实际下降幅度为15.5%左右，与理论降幅10.8%相比是明显增加了。由于循环水流量的降低使凝汽器运行压力升高，对机组出力会有一定的负面影响，也会使循泵双速改造的经济效益受到影响，机组背压与负荷的关系曲线见图2。

图2 机组背压与负荷的关系曲线

2 凝汽器变工况分析

2.1 凝汽器变工况计算方法

冷端优化试验覆盖了300～600MW负荷区间和8种循泵组合，但受试验时间条件的限制，不能覆盖整个进水温度变化范围，因此必须依靠建立全范围的凝汽器变工况模型来确定其他进水温度条件下的凝汽器压力值。

凝汽器的传热计算是其变工况热力计算的核心，计算方法有很多，都是根据试验而得到的经验公式，较具代表性的有前苏联别尔曼公式BTИ和美国传热学会公式HEI[1-2]。无论用BTИ还是HEI来计算凝汽器传热系数，结果相差不多，都能比较准确地反映凝汽器的传热特性。HEI公式相对简单明了，对各种冷却管材料品种、规格及冷却水温的修正系数较为齐全；BTИ公式考虑了影响传热系数的众多因素，特别是考虑了各因素之间的相互联系和影响。综合比较分析后，采用BTИ公式来计算凝汽器的传热系数。

2.2 凝汽器传热综合修正因子的引入

应用凝汽器相关热平衡方程式[3-4]以及前文描述的试验数据对凝汽器进行变工况计算后，可以计算得出在试验机组负荷、循环水流量以及循环水进水温度等参数下的凝汽器理论背压。各个试验工况计算得出凝汽器理论背压与试验背压的对比情况如图3所示。对图3中的2条曲线进行对比后可知，各个试验工况下凝汽器理论背压与试验背压之间的平均偏差约为0.14 kPa。进行细致比较分析后可知，引起偏差的原因主要在于BTИ公式中的一些系数与试验机组凝汽器的管束布置、管路结垢程度、凝汽器内聚集空气量等状况不符，致使理论计算的传热系数与试验传热系数之间存在一些偏差。为了对这些偏差因素进行修正，引入了凝汽器传热综合修正因子，用来对BTИ理论计算的传热系数进行修正，使其更加符合凝汽器的实际传热性能。

图3 理论背压与试验背压曲线对比

凝汽器实际传热系数的修正计算公式如式（1）所示，其中凝汽器传热综合修正因子可以看作是反映凝汽器结构特性、运行条件与理论值之间偏差影响的1个综合函数，可以通过每个试验工况计算得出凝汽器传热综合修正因子后，再经过数学回归分析的方法计算得到。

式中：K为凝汽器实际传热系数；c为凝汽器传热综合修正因子；KB为BTИ公式计算的凝汽器传热系数。

采用凝汽器传热综合修正因子对BTИ计算公式进行修正后，重新进行凝汽器变工况计算，计算得出的凝汽器理论背压与试验背压对比情况如图4所示。图4中的2条曲线已基本重合，由此表明，采用试验数据对凝汽器传热理论进行修正后，可以使推算得出的凝汽器理论背压更加接近凝汽器的实际背压，提高了凝汽器变工况理论计算结果的准确性。

图4 模型修正后理论背压与试验背压曲线对比

2.3 最优循泵组合的计算结果

在一定机组负荷、循环水进水温度条件下，进行冷端优化计算的目的是：通过改变循环水流量，使机组负荷的增加值与循泵所耗功率的增加值之间的差值达到最大，此时对应的循泵组合称之为最优组合。循泵组合方式的寻优计算涉及两方面的资料准备：一是必须掌握如表1所列的不同循泵组合下的循环水流量、循泵耗功等数据；二是必须掌握如图2所列的凝汽器背压变化对机组负荷的影响关系曲线。这些基础数据可以从机组循环效率试验、变背压微增出力试验以及循泵特性试验等试验数据中整理得出。

通过试验得出某600MW机组8种循泵组合运行方式对应的循环水流量和循泵耗功后，以其中某一组合方式作为基准，其他任一运行方式与之比较，就会出现循环水流量以及耗功的偏差。采用凝汽器修正后的变工况模型，可以计算得出由于循环水流量增加而影响凝汽器压力的数值，再查取图2中不同负荷曲线所对应的机组负荷变化数值，即机组微增出力数值。当然，这些出力微增是以循泵耗功增加为代价而获得的，若是在机组出力微增中扣除循泵耗功增加值，则可以得到由于循泵运行调整而获得的净收益。进行相互比较后，能够获得净收益最大的循泵运行组合方式。

选取较具代表性的机组负荷以及循环水进水温度，通过上述计算方法进行不同循泵组合方式的寻优计算，从而得出如表2所示的循泵最佳组合计算结果汇总表。

2.4 对循泵组合寻优计算结果的讨论

表2所推荐的最佳循泵组合是在机组负荷影响与循泵耗功比较的基础上得出的。由于机组参与的调峰状况偏多，循泵启停、高低速切换都需要一定的时间，实际操作过程中不可能强求如表2所列的最佳组合，应当根据一段时间内的机组负荷率、循环水进水温度变化规律进行循泵运行方式的合理选择，尽量避免循泵的频繁启停。

表2 双速改造后最佳循泵组合汇总

在机组实际运行过程中，机组负荷受省调指令而改变，所以不同循泵组合产生的机组负荷收益其实反映了机组煤耗的变化，由此产生一个燃料成本费用的变化；与此同时，由于循泵耗功变化引起厂用电率的改变，也会产生一个用电费用的变化，将这两个费用叠加后形成一个综合的费用变化，也可以用来进行不同循泵组合之间的经济性比较。经初步核算，采用费用比较方法得出的结果与表2中采用出力比较的寻优结果是十分接近的，只有当入厂煤价、上网电价取值发生较大变化时，最佳循泵组合的工况点才会发生一些整体偏移。当入厂煤价明显上涨时，通过表2选择最佳组合时应略偏向于考虑循泵运行台数较多或循环水运行流量较大的寻优趋势；而当上网电价上调时，则应偏向于考虑循泵运行台数较少或循环水运行流量较小的寻优趋势。

3 节能效益评估分析

为了评估循泵双速改造后的经济效益，对内陆600MW超临界机组一年的历史数据进行了统计分析，发现循泵运行方式的管理较为粗放简单：7-8月为两机三泵三高组合，其余月份均为一机一泵一高组合。与优化组合方式相比，有较大的节能潜力可以挖掘。为此，以一旬为单位进行循泵的优化组合。先对每一旬的机组负荷和循环水进水温度进行统计平均，然后对照表2选择最佳的循泵组合。参照双速改造后的计算方式对双速改造前循泵最佳组合的经济效益进行计算。在经济效益比对计算过程中，以10 min为1个采样点进行累计积分，上网电价参照0.365元/kWh（不含税）。按此方法计算得出的循泵双速改造经济效益评估结果见表3。

表32009年10月-2010年9月期间经济效益评估

改造1台循泵的费用约为30万元，从表3中的经济效益比较结果来看，若双速改造后循泵运行方式合理，一年即可收回成本。由此可见，对循环水泵进行双速改造后的经济效益较为理想。

沿海的1台600MW超临界机组双速改造完成后，发现循泵在高速、低速运行之间切换运行时的功率差值并不大。对有关试验数据进行比较分析后，认为在循泵切换为低速运行状态后，运行人员为了避免循环水管路压力过低的情况，而关小了循环水出口阀开度，形成了额外的节流损失，这是造成循泵双速改造后功率下降幅度受到限制的主要原因。

该沿海机组完成循泵双速改造之后，也进行了全面的冷端优化计算分析，依据循泵最优组合计算结果确定出高、低速切换的循环水进水温度时机。为了便于作效益比较，表4列出了沿海与内陆这2台超临界600MW机组通过循泵双速改造所能产生的经济效益。从表4所列的计算结果数据可以看出：沿海机组的年平均进水温度较低，循泵在低速状态的运行时间要略多于内陆机组。总体而言，沿海机组进行循环水泵双速改造可以获得的经济效益要稍好于内陆机组。

4 结语

对内陆和沿海600MW超临界机组循泵双速改造后进行了冷端优化试验，建立了凝汽器变工况计算模型，并在模型中引入了凝汽器传热综合修正因子，用来修正按BTИ公式计算得出的凝汽器传热系数，使之更加符合凝汽器的实际运行状况，应用效果较好；对不同机组负荷、不同循进水温度下的各种循泵组合进行了经济性比较，得出了最优的循泵组合。

表4 内陆与沿海循泵双速改造后年经济效益对比

利用机组历史数据，对内陆和沿海机组循泵进行双速改造前、后的最佳组合运行方式进行了经济效益计算和比较。计算结果表明双速改造后循泵若采取最佳组合方式运行，则一年即可收回成本。相比之下，沿海机组循泵双速改造的经济效益要稍好于内陆机组。

[1]齐复东.电站凝汽设备和冷却系统[M].北京：水利电力出版社，1990.

[2]翦天聪.汽轮机原理[M].北京：水利电力出版社，1992.

[3]朱玉娜.大型电站汽轮机的性能监测模型研究及应用[D].南京：东南大学，1999.

[4]朱玉娜，王培红.凝汽器变工况核算及其传热系数的确定方法[J].电站系统工程，1998，14（6）∶9-11.