循环水系统优化运行的经济分析

秦 攀，林闽成，叶劲松，孙永平，董益华

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310014；2.浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602）

循环水系统的优化运行，对发电机组的净输出电能有一定的影响，对提高发电厂的经济性有着积极的作用。在机组日常运行过程中，随着环境温度及机组负荷的变化，可以采取改变循环水泵（简称循泵）运行方式来调整循环水流量、改善机组真空、提高汽轮发电机组的运行效率。因此，在机组负荷、环境温度及循环水流量之间存在一个寻优的目标，找到在不同负荷、不同环境温度下最优的循环水流量，就可以把机组整体的运行能耗降到最低。

1 循环水系统优化的评价准则

1.1 电能增益法

确定循环水系统优化运行的判定准则，最常使用的方法是电能增益法。对1台机组而言，在机组负荷和冷却水温一定的条件下，增加循环水流量，会降低汽轮机的背压，汽轮机的电能会随着机组背压的降低而增加。同时增加的循环水流量又会使循泵的耗功增加。当汽轮机电能的微增值ΔPe与循泵的耗电增加值ΔPp之间的差值达到最大时，所对应的循环水流量即为最佳循环水流量。这时，汽轮机的最大净增电能ΔPmax为：

1.2 综合费用法

发电厂作为电力市场竞争的主体，不仅关心电能的节省，同时也密切关注发电过程综合成本的降低。在机组负荷和冷却水温一定的条件下，改变循环水流量，使综合成本煤耗率最低的冷端寻优方法，称为综合费用法。该方法考虑了煤和电不同能量价值的综合煤耗率，也把发电厂供电煤耗、上网电价和标煤价格有机地联系起来，可以更加直观地分析判断发电厂的节能经济指标。

采取该优化评价方法时，需把由背压降低得到增益的发电机电能，根据机组供电煤耗和标煤价格，折算得到煤耗收益费用ΔFm，再根据上网电价，推算得到循泵的损耗费用ΔFd，两者之差达最大值时就是发电厂最优成本费用所对应的循环水运行方式。这时，汽轮机的最佳综合费用ΔFmax为：

以上2种方法是从微增电能和综合煤耗2个方面来体现优化运行方式的差异，虽然因标煤价格和上网电价的变化而会略有不同，但变化趋势是一致的。通过以上2种方法对某300 MW机组的循环水系统进行试验比较，并进行计算分析，给出最优的运行方式。

2 循环水系统的数学模型

2.1 汽轮机特性

汽轮机特性就是研究汽轮机背压与出力的关系，即在不同的机组排汽流量下，改变凝汽器压力，得出机组出力与背压的关系。当其他设备的运行参数一定时，在某一新蒸汽参数和流量下，汽轮机输出电能与排汽压力之间的关系为：

式中：Pe为汽轮机输出电能；N0为机组负荷；Pk为汽轮机背压。

在正常运行时，可认为凝汽器压力变化对机组出力的影响等同于汽轮机背压变化对机组出力的影响。根据制造厂提供的汽轮机排汽压力对机组出力的修正曲线，通过曲线拟合得到不同排汽压力对应的出力值，在确定最佳循环水量和计算经济效果时都要用到这一特性关系。图l是某300 MW机组满负荷运行时典型的背压与出力的修正曲线。

图1 某300 MW机组满负荷时凝汽器压力与机组出力的修正曲线

由图1可知，凝汽器压力与机组出力基本呈线形关系，凝汽器压力每增加1 kPa，机组出力约增加1%。但是当汽轮机背压降低到一定数值时，再降低背压，机组出力已不再增加，汽轮机末级叶栅发生“阻塞”，即动叶斜切部分的膨胀能力已经被利用完。如果再降低背压，蒸汽将在动叶斜切部分之外膨胀，末级焓降与电能均不再增加。若背压继续降低，对应的饱和温度下降，使最低压力级加热器的抽汽量增大，致使末级电能减小，此时汽轮机的背压称为极限背压，对应的真空即为极限真空。当出现上述极限背压时，如果水温还要降低，则可减少循泵运行台数，减小循泵动叶角度，适当关小循环水回水调节阀，避免机组背压进一步降低，以免对机组安全性、经济性产生不利影响。

2.2 凝汽器的变工况特性

凝汽器变工况计算模型主要是建立机组负荷、循环水温度、循环水流量与凝汽器压力的关系。在不同热负荷、不同冷却水温度下，改变进入凝汽器的循环水流量，得出凝汽器压力与循环水流量的变化关系：

式中：tw1为循环水入口温度；Dw为循环水流量；Dc为排汽流量。

汽轮机的背压由凝汽器排汽温度对应的饱和压力得到，凝汽器的排汽温度为：

式中：ts为凝汽器的排汽温度；Δt为循环水平均温升；δt为凝汽器端差。

2.3 循泵的耗功特性

循泵的耗功特性就是在一定外部环境中，确定循环水流量和循泵电能之间的对应关系：

式中：Pp为循泵所耗的电能。

循泵耗功特性中，关键是确定循环水的流量。由于循环水流量大、管径粗、压力低，不易直接测量，一般多采用热平衡计算的方法取得。热平衡计算法是依据热量平衡的原理，汽轮机排汽热量等于循环水带走的热量，通过汽轮机排汽流量、排汽负荷、循环水温升来推算循环水流量。

根据循泵的配置和日常运行模式，循泵运行方式可以分为一机一泵、两机三泵和一机二泵。由于本次试验机组的循泵动叶在一定范围内可调，根据循泵动叶开度分为大、中、小3个不同开度，测定各工况下循泵的耗功和凝汽器循环水流量的对应关系，如表1所示。

表1 试验循泵组合方式汇总

3 计算实例

针对某发电厂引进型300 MW汽轮机组开展循环水系统优化试验，通过变换机组负荷、改变循环水流量，在不同的季节进行循泵组合优化。在试验的基础上，再进行凝汽器变工况计算，根据电能增益法、综合费用法，分别得到各不同进水温度下的优选运行方式。

3.1 电能增益法计算结果

为了方便比较表1中各种组合方式的优劣，选用处于中间状态的两机三泵动叶居中的组合作为参比工况，所得电能为其他不同的组合工况与参比工况的差值，电能大于0，说明组合工况优于参比工况，电能越大，说明组合工况越节能。设计进水温度20℃时的节约电能比较如图2所示。

3.2 综合费用法计算结果

以两泵三机动叶居中组合工况作为参比工况，在电能收益的基础上，考虑机组实际的供电煤耗、标煤价格（以850元/t计）、上网电价（扣除17%的增值税后，以0.349元/kWh计），设计进水温度20℃时的综合费用比较如图3所示。

图220℃进水温度下各工况电能收益比较

图320℃进水温度下各工况综合费用比较

4 结论与建议

从推荐的运行方式看，两种评价准则影响趋势是一致的，只有个别工况略有出入。这是因为两种评价准则寻优的核心指导思想是相同的，只是存在电能、费用的表现形式差异。综合费用法是在电能收益的基础上，又考虑了现实的标煤价格和上网电价。在标煤价格降低的时候，可以考虑增加循环水量、降低汽轮机背压来达到机组增加发电量的目的；在上网电价高的情况下，可以考虑减少循泵的耗功来降低厂用电率，以减少发电成本费用。选取较具代表性的机组负荷以及循环水进水温度，依照目前的煤价和电价情况推荐运行组合方式如表2所示。

在循环水温大于23℃时，推荐一机二泵动叶大角度和两机三泵动叶大角度运行方式。两机三泵动叶大角度工况，虽然是次优运行方式，经济性略逊于一机二泵动叶大开度工况，以循环水温30℃、常用机组负荷率80%计算，两者费用差约90元/h。但是相比一机二泵多了1台循泵备用，方便发电厂合理安排检修、灵活运筹调度，在综合考虑安全性、经济性的情况下，可以考虑适当延长两机三泵动叶大角度的运行时间。

表2 推荐运行方式汇总

实际情况中，循泵不可能频繁启停切换，出于安全、振动等方面的考虑，动叶也不宜于经常调整。所以在循环水温11～23℃之间时，推荐两机三泵运行，随着温度的降低，适当调小循泵的动叶开度。在循环水温度低于11℃时，推荐一机二泵运行，适当延长动叶小开度的运行时间。

[1]何冬辉.火电厂冷端系统性能分析及优化研究[D].大连∶大连理工大学，2010.

[2]徐海新.600MW机组循环水和真空系统优化运行[J].发电设备，2009（3）∶191-193.