火电厂辅机优化运行的研究

杨帆

【摘 要】本文通过搜集循环水泵的功耗对机组出力的影响因素入手，分析循环水系统的优化问题，提出了一系列辅机优化运行的节能方案，并进行了节能效果分析。

【关键词】循环水系统；优化；节能措施

循环水系统的节能有从整体考虑提高循环效率从而节能的相关研究，而本文是从设备运行的角度考虑节能问题的。优化循环水泵的运行必须建立凝汽器模型，根据循环水泵的功耗对机组出力的影响入手，分析循环水系统的优化问题。循环水系统优化通常是通过试验的方法确定。它是根据一系列的试验数据，绘制循环水泵在不同汽轮机负荷、凝汽器循环水量和水温下的最优运行方式的特性曲线，然后以这个特性曲线为依据选择合理的循环水系统运行方式。但是这种方法需要试验工况很多，不便于测定和运行调节。随着凝结水流量测量方法的改进，非线性规划等方法用来研究循环水系统的优化运行确定循环水泵的优化运行方式。它是在凝汽器数学模型的基础上建立机组功率微增模型，与循环水泵功率模型联立求解，优化循环水泵的运行。凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度，可以提高汽轮机整体的热效率。凝汽器通常以水为冷却介质，由凝汽器、真空泵、循环水泵和凝结水泵以及他们之间的管道、阀门等组成。要减少凝汽器系统的厂用电量，主要是要减少循环水泵的电耗，循环水泵的电耗主要和系统对循环水的需求有关，因此需要建立凝汽器模型，分析凝汽器对循环水的需求，从而优化循环水泵运行。

蒸汽在凝汽器中要能连续的凝结，维持一定的凝汽器压力，一方面需要真空泵正常运行，抽走凝汽器中多余的不凝结气体，另一方需要提供足够的循环水，保证进入凝汽器中的蒸汽可以凝结成为凝结水。

一、循环水系统优化目标函数

循环水系统优化运行的目标函数为：对应于一定的条件下，并保持汽机热耗量不变，使得机组发电量和循环水系统耗电量差额最大。

优化循环水泵的运行需要从循环水系统整体的层面考虑，建立优化目标函数的约束条件。循环水系统系统的优化与循环水泵的性能、汽轮机功率微增相关，汽轮机功率微增与机组及凝汽器的性能有关，下面分别讨论这些因素。

（一）循环水泵功率

循环水泵功率的计算与凝结水功率的计算方法一致，循环水泵功率主要与循环水泵的配备方式、运行方式决定。可以根据循环水泵的设计性能曲线建立其功率一流量、扬程一流量性能模型，与建立起来的管道阻力性能曲线联立求解，确定循环水泵的运行工况点，从而确定循环水泵的功率。

（二）汽轮机功率微增曲线

凝汽器压力变化对汽轮机输出功率的影响称之为汽轮机微增功率曲线，通常通过热力试验的方法得到。通常使用汽轮机微增功率曲线可以计算出来不同凝汽器压力下汽轮机的功率微增。通常电厂循环水泵的配置方式为2台同容量的循环水泵，通过2台泵的启停来控制循环水的流量，但是这样的调节方式单一，不能随着凝汽器的负荷和环境的温度合理的供给循环水，造成了循环水泵能耗过高。出于节能降耗的需求，通常通过调速改造控制循环水泵的流量，减少节流损失，降低循环水泵能耗。具体函数型式可以使用多项式拟合得到，这样便于优化处理。

二、循环水系统运行优化约束

1.凝汽器处在最佳真空运行。所谓最佳真空是汽轮机的功率增加与循环水泵功率增量之差达到最大值时的真空。虽然提高凝汽器真空可以降低汽轮机排气温度，增大机组出力，但是并不是真空越高越好。提高真空是以循环水泵功耗的增大为代价的，当循环水泵的耗电量增加量大于机组功率的增加值，会使得机组的整体效益下降，得不偿失。极限真空是凝汽器背压降低而增加的有效焙降等于余速损失的增量时所达到的真空。超过极限真空，蒸汽在末级叶片出口处继续膨胀，造成涡流损失。因此凝汽器的压力p。应大于极限真空pk，处于最佳真空运行。

2.循环水泵运行在工作范围，高效率运行。

3.循环水出口门处于全开状态，不使用它来调节循环水量，因此阀门全开下的管道阻力水头应等于泵的扬程。

4.循环水系统的总阻力等于各个循环水泵并联产生的扬程。

5.循环水泵调速范围在合理范围内。

6.循环水泵流量限制在允许最大、最小流量之间，泵的运行满足汽蚀条件的限制。

7.循环水泵总流量等于各个循环水泵输出流量之和。

8.各台循环水泵的输出扬程相等。

三、循环水泵运行优化方案比较

随着凝结水流量测量方法的改进，最优化理论和计算机技术的发展，非线性规划等方法。为能直观的看出变频改造后循环水系统相对于双速改造后的节能效果，把同一负荷下循环水泵在两种改造下的最优运行情况做一比较。当循环水入口温度大于17℃时，双速改造收益较高。就整体来说循环水泵变频改造和最优运行条件下的双速改造循环水系统总收益相差不大，只有在低负荷、低循环水入口温度下，变频调速改造的优越性能体现出来。出于对改造成本的考虑循环水泵双速改造是循环水系统节能改造的首选，并且有很大的节能潜力；由于循环水泵电机容量较大，变频器的价格随着电机容量的增加而增加，并且相对于双速改造来说其改造费用昂贵，但循环水温度较低的电厂，进行变频改造需要慎重考虑。

四、循环水泵运行性能试验与经济运行方式

火力发电厂循环水系统一般采用母管制系统，大型机组一般由三台循环水泵共同向母管供水。各循环水泵前后有进出口水阀，各泵之间有联络阀连接。正常运行时，两台泵运行，一台泵备用。由于运行泵和备用泵的组合方式不固定，以及运行泵的运行方式的改变，都会引起水泵耗功量的变化，使循环水泵运行优化问题趋于复杂。

循环水泵的优化依赖于循环水泵性能特性、管路水力性能、凝汽器性能、微增功率性能等方面，它们一般采用厂家设计曲线、变工况计算、水力计算和做试验确定等。比如对循环水泵性能特性，把泵出厂特性曲线进行拟合成公式；对管路水力性能特性，详细获得管路的结构、尺寸、材料、凝汽器阻力特性等数据，估算各个阻力系数，然后根据流体力学知识得到管路水阻计算公式，这样结合泵特性公式，就可以得不同运行方式下的循环水流量，再根据凝汽器变工况计算获得各个运行方式下对应的真空。最后，随着机组的运行，优化的基础-设备性能均可能已经有所改变，多大程度上反应现在的运行实际是个未知数。

五、结论

循环水泵的优化与机组负荷、循环水泵的入口温度相关很大。对于循环水泵的优化改造很有必要，无论是通过变级调速还是变频调速都有很大的节能潜力。分析凝汽器压力与循环水量、循环水泵入口水温、凝汽器传热系数和蒸汽负荷的关系，建立了循环水泵优化运行数据模型，分析了不同循环水泵运行方式下泵功耗与汽轮机微增功率间的关系。因此建立凝汽器模型，分析凝汽器对循环水的需求，从而优化循环水泵运行根据凝汽器冷端系统变工况时各参数的影响因素和变化规律，基于最佳真空建立了冷端系统优化运行数学模型。分析这三种情况下的循环水泵的优化运行方式，通过比较这三种改造方式优化后的收益，得出双速运行是循环水泵最佳的运行方式。