基于发电厂经营收益的循环水泵运行优化

牛小川，邓新国

（国家能源集团国华徐州发电有限公司，江苏 徐州 221166）

循环水泵是火力发电厂重要辅机之一，消耗了大量的厂用电；同时，循环水泵也是汽轮机冷端的主要设备之一，对汽轮机排汽真空的建立起到了决定性的作用：可见，循环水泵的优化调度是很有必要的。目前业内对循环水泵优化运行研究较为成熟：既有传统的从汽轮发电机组性能出发，基于“最大净出力”，得到循环水泵最佳运行方式的方法；也有充分考虑我国电网主要的调度模式（机组发电量）后，综合煤耗经济值和电耗经济值，得到的基于“煤电经济值最优”法[1]；还有假定在相同的能量输入或功率输出下汽轮发电机组的散热损失和工业冷却水带走的热量相同，通过调整循环水泵的运行台数，使汽轮机排汽损失的热量最小，而得到的“基于能量损失的循环水泵优化运行”方法[2]；还有考虑到循环水泵前池水位变化，对循环水泵流量修正后再对循环水泵运行优化的研究[3]。

本文在循环水泵传统运行优化方法基础上，加入发电厂经营系数，以期得到其最优运行方式。

1 循环水泵运行优化建模

1.1 循环水泵运行优化的基本原理

当发电机组在稳定状态运行时，增开循环水泵或提高循环水泵转速，循环水泵的电功率消耗增加，此为支出。增开循环水泵后，循环水流量得到提升，通往凝汽器的冷却水流量增大，这可以获得更低的凝汽器排汽温度和压力，汽轮机背压的降低，使得机组可以在不增加燃料的情况下取得更大的出力，一般称为微增出力[4]，此为收入。当收入大于支出时，可以增开循环水泵。同理，也可以进行相反方向的操作。发电机组在每一个稳定工况，总是对应一个最佳的循环冷却水流量或者循环水泵运行方式，找到这个最佳的方式，并按此执行，这个过程即循环水泵运行优化。此时，机组凝汽器的真空为最佳真空[5]，背压为最佳运行背压。

1.2 凝汽器冷却水流量与循环水泵功率之间的关系

电厂分散控制系统或者电气控制系统中，均有循环水泵功率的在线检测数据，包括实时数据及历史数据，可以方便使用。而循环水流量并非线性增加，它是水泵的性能曲线与管路阻力曲线匹配的结果。凝汽器的冷却水流量通常小于循环水流量，部分循环水被分流至机组闭式冷却水热交换器、真空泵冷却器或脱硫浆液吸收塔出口[6]。凝汽器的冷却水流量通常没有在线测点，需要通过专门的仪器和方法，如超声波测量法、荧光示踪检测法测量[7]。在没有检测仪器时，可使用凝汽器冷却水温升及凝汽量反推冷却水流量，得出循环水泵耗功增加与凝汽器冷却水流量函数关系：

式中：ΔNP为循环水泵耗功增加，kW；Dw为凝汽器冷却水流量，m³/s。

1.3 机组微增出力与凝汽器冷却水流量之间的关系

凝汽器冷却水流量影响机组背压，机组背压变化产生微增出力。机组背压和冷却水流量的函数关系由凝汽器变工况传热特性决定。冷却水流量的改变，直接改变其温升，同时改变凝汽器总平均传热系数[8]，使端差改变，形成新的排汽温度和背压[9]。当凝汽器管水侧清洁系数一定、汽侧漏空量不变的情况下，凝汽器热力特性函数是确定的，即

式中：pk为机组背压，kPa；N为机组功率，MW；t1为冷却水进水温度，℃。

机组背压和微增出力之间的关系，可使用通用计算方法对最末级进行变工况的计算得到，也可以根据机组性能试验得到：

式中：ΔN为机组微增出力，kW；N为机组负荷，kW。

将式(2)、式(3)联立，即得到

1.4 循环水泵最佳运行方式判断

通常情况下，把机组微增出力与循环水泵耗功增加相减，即得到收益功率：

式中SSY为循环水泵运行方式优化收益，kW。

求SSY的极大值，将上式对Dw求导，当结果等于0时，即有最大收益：

1.5 考虑电厂经营的情况

在电厂经营过程中，机组微增出力并不能直接上网。电网对发电机组的负荷调度不论在年总量上还是在瞬时，都是全网考虑，不以单个发电厂为意。发电机组负荷调度如图1所示。当循环水泵耗功（厂用电）增加后，上网电量相应减少，而机组的微增出力将被控制系统压回去，通过减少给煤量，维持发电机出口负荷不变[10]。所以对发电厂经营来说，在增开循环水泵的过程中，其损失的是售电量（上网电量），节省的是采购煤。

图1 发电机组负荷调度示意Fig.1 Schematic diagram of load dispatching for power units

在此，需要引入一个发电厂经营系数（简称经营系数），对循环水泵运行方式重新优化，即

式中k为经营系数。

求SSY的极大值，将上式对Dw求导，当结果等于0时，即有最大收益：

当经营系数较高时，趋向于减少循环水泵功耗，尽可能增加上网电量。当经营系数较低时，趋向于加大循环水泵功率，减少煤炭的使用。经营系数一般而言大于1。当经营系数等于1时，该优化结果与“最大净出力”法优化结果相同。

1.6 经营系数的计算

目前燃料成本是火电厂的主要成本[11]。经营系数可以表述为度电收入与度电燃煤成本的比值。其中发电厂的度电收入与上网电价、增值税率相关：

式中：B为发电厂度电燃煤成本，元/(kW·h)；α为增值税率，目前火电厂增值税率为13%；T为上网电价，元/(kW·h)；α·B为度电燃煤成本抵扣税额，元/(kW·h)。

发电厂的度电燃煤成本与到厂煤价、到厂煤发热量、煤场损耗、供电煤耗等参数有关。由于煤场损耗占比不大，储存3个月的热值损耗不超过2%[12]，可忽略，所以有

式中：29 307为标准煤低位热值，kJ/kg；Q为入厂煤热值，kJ/kg；Tm为入厂煤价，元/g；Bg为供电煤耗，g/(kW·h)。

联立式(9)、式(10)可得到经营系数：

由式(11)可以看出，当发电厂经营环境和经营状况良好时，即上网电价越高、煤价越低、供电煤耗越低、增值税率越低时，经营系数越高，这时应减少循环水泵功耗，减少厂用电的消耗，争取将发电机的发电量多上网；反之则应以减少煤炭消耗为主。供电煤耗和入厂煤热值这2项参数在实际应用中较难以准确计算或测量，工作量亦较大。若测算的入厂煤热值比实际偏高或供电煤耗比实际值偏低时，即对电厂的经营系数产生了高估，延误增开循环水泵的时机，电厂应避免这种情况发生。

2 实例应用

2.1 设备概况

徐州电厂2号1 000 MW汽轮机为N1000-26.25/600/600型超超临界、单轴、中间一次再热、三缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机。该机组配套N57000双背压、双壳体、单流程、表面式凝汽器。凝汽器冷却水系统采用自然对流冷却塔循环冷却方式，配备3台YLKS1250-16型混流式叶轮不可调定速运行循环水泵。

2.2 凝汽器冷却水流量与循环水泵耗功关系

机组实际运行时，循环水泵运行方式有单泵运行、两泵并联和三泵并联3种。在不同循环水泵运行方式下，凝汽器冷却水流量与循环水泵功耗关系见表1。

表1 冷却水流量和循环水泵功耗对应关系Tab.1 The table of cooling water flow and circulating water pump power consumption

2.3 凝汽器变工况热力特性

根据机组运行参数历史曲线，选取稳态工况进行记录，双背压凝汽器热力特性统计见表2。为使数据准确，应尽量选择机组长时间稳定的工况点，避开变工况时段。可以多选择一些工况点，理论上选择的工况点越多，样本误差越小，其结果也越接近真实，并具有指导性。

表2 凝汽器热力特性统计Tab.2 Statistical table of thermodynamic characteristics of condenser

2.4 机组微增出力与背压的关系

该1 000 MW机组设计背压为5.03 kPa。根据电厂与调试单位提供的汽轮机性能试验报告，将背压变化对汽轮机出力的修正进行拟合形成曲线。为使拟合函数接近试验工况参数，采取了分段函数的形式，得出机组出力修正系数与背压关系[13]：

2.5 经营系数

煤价波动较大，2005—2008年动力煤价格经历了从400元/t左右到1 000元/t左右的大幅上涨。2012年价格又从800元/t左右下降到2016年的500元/t左右[14]。煤价成为影响经营系数的主要因素。发电厂经营系数见表3。当到厂煤价达到890元/t时，经营系数为1.00。机组上网电价如果分峰谷电价也会对经营系数产生较大影响。当然在冬季时，由于机组背压较低，其供电煤耗也会相应减少，会相应地提高经营系数，而炎热的夏季则相反。

表3 发电厂经营系数Tab.3 The operation coefficient of power plant

2.6 循环水泵优化运行结果

对表1—表3中的数据，运用循环水泵运行优化模型进行处理，可以得到机组在各种负荷、不同的冷却水温度下循环水泵最优运行方式[15]。将各最优运行方式绘制在一张图上，得到循环水泵3种运行方式的分界线，具体如图2所示。

当处于冬季，冷却水进水温度较低时，应少开循环水泵，尽可能单循环水泵运行。当气温转暖，冷却水进水温度升高，负荷越高，越需要增开循环水泵。发电厂的经营系数对循环水泵运行方式的分界线影响较大。当发电厂的经营系数较高时，增开循环水泵的分界线向右移动，意味着应较晚地 增开循环水泵，增加单循环水泵的运行时间，减少3台循环水泵并联运行的时间。当煤价上涨等因素造成发电厂经营系数下降时，则应减少单循环水泵运行时间，增加3台循环水泵的并联运行时间。

图2 不同经营系数下循环水泵运行方式优化分界线Fig.2 The optimal dividing line of circulating water pump operation mode with different operation coefficients

需要说明的是，此优化结果是在凝汽器热力性能不变的情况下得到的。当发生凝汽器热力性能下降的情况，如冷却水管清洁系数降低、汽侧严密性下降、冷却水管堵漏较多换热面积减小等，应设法采取措施恢复其热力性能。若无法在短时间内恢复，应重新确定凝汽器的热力特性函数，以此得到新的循环水泵运行优化结果。凝汽器的热力性能下降时，增开循环水泵的分界线将向左移动，意味着应在更低的温度及负荷下增开循环水泵。

3 结 论

1）发电厂在进行循环水泵运行方式优化时，应考虑电厂的经营情况。加入发电厂经营系数而新得到的循环水泵最优运行方式能最大限度、更真实地提高机组和发电单位的实际经营收益。

2）当发电厂经营良好，到厂煤价低、上网电价高、供电煤耗少、增值税率低时，应推迟增开循环水泵的时间。当煤价或者税率升高，发电厂经营情况相对不利时，应提前增开循环水泵，以节约燃煤。

3）循环水泵最优运行方式的具体参数可以运用本文的数学模型，通过定量计算得到。