基于AFT方法的1000MW超临界机组循环水系统节能改造分析

王 林

（国家能源集团 安徽安庆皖江发电有限责任公司，安徽 安庆 246000）

0 引言

国家能源集团某电厂#3、#4 机组为容量为2×1000MW燃煤机组，采用自然通风高位收水冷却塔的二次循环冷却水系统[2]。循环水流量的调节主要通过整台泵的切入，1 台机组配置3 台循环水泵，调节手段单一。目前循环水泵运行方式为春、秋、冬季二运一备，夏季及机组真空度较差时3 台循泵运行，在冬季或低负荷运行工况时，冷却塔出塔水温和凝汽器背压过低，厂用电耗高，经济性较差[3]。

为了提高电厂经济效益，减少厂用电耗，要求循环水系统根据汽轮机负荷和冷却水温度及时调整循环水流量，最终实现冷却水系统的优化运行。在不同环境温度和负荷下满足凝汽器真空值要求，同时减少循环水系统厂用电负荷，提高电厂的运行经济性。因此，拟通过对#3、#4 机组循环水水泵电机极对数改造，增加循环水泵低速功能，实现根据季节、循环水进水温度和凝汽器真空度情况调节循环水泵运行方式[4]，通过调速减少循环水泵电耗，降低厂用电负荷，提高电厂经济性。

表1 AFT Fathom计算结果与设计计算结果比较Table 1 Comparisons between the calculated results of AFT fathom and those of design

图1 国家能源集团某电厂#3、#4机组循环水系统计算模型Fig.1 Calculating model of circulating water system of #3 and #4 units in Anqing Power Plant

1 AFT建模计算分析

为提高计算精度，减少人工工作量，本工程循环水系统水力计算采用AFT 软件Fathom 模块建模计算[5]。管道水力计算采用达西-维斯巴赫公式[6]，水力摩阻系数按照柯列布鲁克-怀特公式进行计算。参考清洗后腐蚀不严重的旧钢管，当量粗糙度取0.15mm。循环水系统出口定为液位边界条件，输入中央竖井液位值，循环水系统入口定为液位边界条件，输入回水槽水位值。计算采用基于AFT 水力模型的稳态分析。

本文计算模型如图1 所示，AFT Fathom 软件计算结果与设计计算结果见表1。

模型计算结果与设计工况符合度较高，计算是可靠的[7]。

AFT Fathom 模型计算结果与实测数据比较见表2。

通过对比分析发现基于Fathom 的计算水泵总扬程与供水高度呈线性关系，与理论分析一致，存在监测误差。误差的主要来源有3 点：①仪表精度的问题；②由于泵本身结构复杂造成的波动误差；③现场的数据收集时存在一定的误差[8]。

通过AFT Fathom 软件建模进行水力计算，输入设计工况边界条件，计算结果与设计工况保持较高一致性。因此，认为本工程模型和边界条件设置是可靠的。考虑到现场收集数据精度低，且无流量监测数据，数据准确性和规律性较差，无法根据已收集数据确定现场循环水系统实际工况点。因此，无法对比理论计算值和实际情况的偏差[9]。为避免人为调整系统阻力曲线带来更大的计算偏差，本文根据设计值，按理论计算进行循环水系统高低速分析。

表2 #3机组AFT Fathom计算结果与现场仪表监测数据比较Table 2 #3 Unit AFT Fathom comparisons with field instrument monitoring data

表3 #4机组AFT Fathom计算结果与现场仪表监测数据比较Table 3 #4 Comparisons of AFT Fathom calculations and field instrument monitoring data for units

2 循环水泵增加低速功能改造可行性分析

2.1 循环水泵高低速并联运行基本要求

每台机组2 台循环水泵增加低速功能，改造后循环水系统各种运行方式应满足3 个基本要求：①不同环境温度及机组负荷条件下，满足凝汽器真空值要求；②循环水泵在水泵厂家推荐的高效区运行，避免循环水泵运行出现异常振动、噪音等现象；③满足凝汽器最小流速要求，避免凝汽器冷凝管流量分配不均匀性[10]。

循环水泵增加低速功能改造后，高速转速为370RPM，低速转速为330RPM，改造后循环水泵高低速特性曲线如图2 所示。

2.2 三泵并联运行工况计算

三泵并联运行工况有3 种：3 泵高速、2 泵高速1 泵低速和1 泵高速2 泵低速。三泵并联工况循环水系统计算模型如图3 所示。

图2 改造后循环水泵高低速特性曲线Fig.2 High and low speed characteristic curve of circulatingwater pump after transformation

三泵并联运行工况下，冷却塔全塔配水运行，参考设计工况[11]，冷却塔供水高度取值7.4m。输入循环水泵特性曲线，计算循环水系统三泵工况（3 泵高速、2 泵高速1 泵低速和1 泵高速2 泵低速）复合泵特性曲线及系统阻力曲线如图4 所示（以#3 机组3 泵高速工况为例），3 泵并联工况（3 高速、2 高速1 低速和1 高速2 低速）循环水系统工作点见表4。

图3 三泵并联工况循环水系统计算模型Fig.3 Calculation model of three-pump parallel working condition circulating water system

表4 #3机组循环水系统3泵并联工况各运行方式工况点Table 4 #3 Unit circulating water system 3 pumps parallel operating mode operating points

由表4 中可以看出2 泵高速1 泵低速和1 泵高速2 泵低速并联运行工况，低速循环水泵运行效率点较低[12]。低速泵偏离厂家推荐工作点较小，根据厂家的确认，认为在可接受范围内。

2.3 两泵并联运行工况分析

两泵并联运行工况有3 种：2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速，两泵并联工况循环水系统计算模型如图5所示。

两泵并联运行工况，参考设计工况，冷却塔供水高度取值8.1m[13]。输入循环水泵特性曲线，计算循环水系统两泵工况（2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速）复合的泵特性曲线及系统阻力曲线如图6 所示（以#3 机组2 泵高速工况为例）。

两泵并联工况（2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速）循环水系统工况点见表5。

从表5 中可以看出，2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2泵低速并联运行工况，循环水泵均在较高效率区运行，在可接受范围内。

2.4 不同运行工况比较及运行方案优化设计

根据系统总流量和辅机流量，计算得到凝汽器冷却水管流速。3 泵并联工况和2 泵并联工况，凝汽器冷却水管冷却水最小流速为1.4m/s ＞0.9m/s,最大流速为2.18m/s＜2.5m/s，满足相关规范要求[14]。

3 泵并联工况包括：3 泵高速、2 泵高速1 泵低速和1泵高速2 泵低速并联运行工况。以#3 机组为例，2 泵高速1 泵低速循环水泵运行效率点84.58%，偏离厂家推荐工况点较多，不建议该工况运行；1 泵高速2 泵低速并联运行低速泵效率在86.27%，在可接受范围内。2 泵并联工况：2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速并联运行工况，循环水泵均在较高效率区运行，单泵效率均在88%以上。

单泵运行工况，循环水泵工作点效率在84%/86%（高速/低速），单泵高速工况点已处在厂家提供特性曲线之外，单泵低速运行循环水流量较小，凝汽器流速过小。因此，不推荐采用单泵运行工况。

图5 两泵并联工况循环水系统计算模型Fig.5 Calculation model of circulating water system for two pumps in parallel operation

图4 #3机组3泵高速工况复合的泵特性曲线和系统阻力曲线Fig.4 Compound pump characteristic curve and system resistance curve of #3 unit under high speed condition

根据以上分析，优化运行方案如下：5 ～10 月多年月平均气象条件下，环境温度较高，3 台循环水泵全部高速运行，11 月份2 台循环水泵高速运行。即循环水泵增加低速功能改造后，5 ～11 月份循环水泵运行方式与原设计工况相同。12 月～3 月采用2 泵低速运行替代原设计两泵高速运行工况，4 月份采用1 泵高速2 泵低速运行替换原设计3 泵高速运行工况，以减少厂用电耗[15]。

图6 #3机组2泵高速工况复合的泵特性曲线和系统阻力曲线Fig.6 Pump characteristic curve and system resistance curve of #3 unit two-pump high-speed working condition

3 循环水泵增加低速功能改造经济性分析

3.1 改造后厂用电节省量分析

12 月～3 月冬季原先需要2 台高速泵运行满足凝汽器真空度要求，改造后2 泵低速运行即可满足运行要求；4 月份原系统需要3 泵高速并联运行，改造后1 泵高速2 泵低速运行即可；其他月份省电空间较小，不考虑。以#3 机组为例，单台机组高低速改造后12 ～3 月和4 月节省电量见表6 和表7。

表5 #3机组循环水系统两泵并联工况各运行方式工况点Table 5 #3 unit circulating water system two pump parallel working conditions operating mode point

表7 循环水泵增加低速功能改造后单台机组4月份节省电量Table 7 Electricity savings of single unit in April after low speed functional improvement of circulating pump

表6 高低速改造后单台机组12月～3月份节省电量Table 6 Power savings of single unit in 12-march after high and low speed revamping

表9 改造后12月～4月份增加煤耗量Table 9 Increasing coal consumption in december-April after reformation

表8 不同背压机组热耗变化Table 8 Changes in heat consumption of different back pressure units

3.2 改造后增加煤耗量分析

循环水泵增加低速功能改造后，12 月～3 月采用2 泵低速运行替代原设计2 泵高速运行，4 月份采用1 泵高速2泵低速替代原设计3 泵高速运行工况。由于循环水流量减少，凝汽器背压相应升高，电厂的煤耗会相应增加。

根据安庆电厂热机工艺设计资料，设计煤种单台锅炉小时燃煤量为373.76t/h（BMCR），改造后12 月～4 月份增加煤耗量估算见表9。

3.3 改造后综合经济性分析

电价取0.35 元/KW·h，标准煤价取750 元/t，计算循环水泵增加低速功能改造后，1×1000MW 机组年收益见表10。

表10 循环水泵增加低速功能改造后单台机组年收益Table 10 Annual revenue of single unit after low speed functional improvement of circulating pump

拟对每台机组3 台定速循环水泵中2 台增加低速运行功能，改造后冬季12 月～3 月份采用2 泵低速运行，4 月份1 泵高速2 泵低速运行。

通过测算可得，单台1×1000MW 机组年节约厂用电3223.14MW·h，电价取0.35 元/KW·h，年增加煤耗986.09t，煤价取750 元/t，测算改造后电厂单台机组年效益68.77 万元，2 台机组年增加效益137.54 万元，经济性十分可观。

4 结论

本文对国家能源集团某电厂每台机组3 台循环水泵中的2 台循环水泵进行改造分析，通过改造电机的极对数增加低速运行功能，高速转速为370RPM，低速转速为330RPM。改造后循环水泵运行可根据环境温度和机组负荷灵活调节，调节手段丰富，在保证机组真空值前提下，通过调速减少循环水泵电耗，降低厂用电负荷[16]，具有较大节能空间，节能效果十分明显。